CN110707867B - 飞轮电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种飞轮电池，涉及飞轮电池技术领域，所述飞轮转子包括：固定管和转子主体，所述转子主体套接在所述固定管外侧；所述固定管的外壁上设置有向周向外侧凸出的环状凸沿；所述转子主体的内壁上设置有向外侧凹陷的，且与所述环状凸沿对应的环状凹陷，所述环状凸沿位于所述环状凹陷内。固定管上环状凸沿处所受到的离心力相比于其他位置所受到的离心力要大，所以环状凸沿会在径向上产生更大的位移；环状凹陷所处的位置所受到的离心力更小，沿径向向外侧产生的形变量更小，所以环状凸沿朝向转子主体的一面与环状凹陷的底面能够相互挤压，以使转子主体与固定管更不容易产生缝隙。

Description

飞轮电池
技术领域
本发明涉及飞轮电池技术领域，尤其是涉及一种飞轮电池。
背景技术
飞轮储能是一种机械储能技术，用于新能源汽车可实现快充、快放、安全环保，可以消除车用锂电池存在的起火、充放电寿命短、电池性能受环境温度影响大、充电时间长、电池材料污染环境、电池面临回收等问题。
现有的飞轮电池主要包括三个核心部分：飞轮转子、电机和电力电子变换装置。电力电子变换装置从外部输入电能驱动电机旋转，电机的轴杆与飞轮转子连接，电机带动飞轮转子旋转，飞轮转子储存机械能，当外部负载需要能量时，用飞轮转子带动电机轴杆旋转，将动能转化为电能，再通过电力电子变换装置变成负载所需要的各种频率、电压等级的电能，以满足不同的需求。
为了提高飞轮转子的线速度，飞轮转子的材料为非金属复合材料，而电机轴杆为金属材料，因为二者的材料的弹性模量不同，所以，飞轮电池中的飞轮转子在高速旋转时，飞轮转子向周向外侧的形变量大于轴杆向周向外侧的形变量，二者之间的缝隙将逐渐增大，最后导致轴杆和飞轮转子分离，飞轮电池损坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种飞轮电池，以缓解了现有的转子主体和与其连接的转动结构容易在高速转动时分离的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供的一种飞轮转子，所述飞轮转子包括：固定管和转子主体，所述转子主体套接在所述固定管外侧；
所述固定管的外壁上设置有向周向外侧凸出的环状凸沿；
所述转子主体的内壁上设置有向外侧凹陷的，且与所述环状凸沿对应的环状凹陷，所述环状凸沿位于所述环状凹陷内。
进一步的，所述飞轮转子包括第一磁环组件和电机转子，所述第一磁环组件和电机转子均套接在所述固定管内侧。
进一步的，所述环状凸沿和所述环状凹陷的数量均为多个，且一一对应；多个所述环状凸沿所述和多个所述环状凹陷均沿所述飞轮转子的轴向设置。
进一步的，所述环状凸沿的数量为两个，两个所述环状凸沿分别位于在所述固定管的两端。
进一步的，所述飞轮转子还包括套接在所述转子主体外侧的止挡环，所述止挡环的端面高于所述转子主体的端面。
进一步的，所述转子主体包括由内向外依次过盈套接的多个环形结构。
进一步的，所述转子主体包括由内向外依次套接的多个环形结构，任意相邻两个环形结构的材料不同，且相邻两个环形结构中，靠近内侧的环形结构的弹性模量大于靠近外侧的环形结构的弹性模量。
进一步的，所述第一磁环组件的数量为两个，两个所述第一磁环组件分别位于所述电机转子的两端；且所述第一磁环组件和所述电机转子之间设置有隔磁环。
进一步的，所述固定管的内壁上设置有向内凸出的定位结构，所述飞轮转子还包括压环，所述压环与所述固定管的内壁过盈配合，所述压环与所述定位结构用于将所述第一磁环组件和电机转子夹紧固定。
第二方面，本发明实施例提供的一种飞轮电池，所述飞轮电池包括轴芯和上述的飞轮转子；所述轴芯套接位于所述固定管内；
所述飞轮转子包括电机转子，所述电机转子均套接在所述固定管内侧；所述轴芯上设置有与所述电机转子对应的电机定子。
本发明实施例提供的一种飞轮转子，所述飞轮转子包括：固定管和转子主体，固定管为中空的，以使固定管能够产生一定的形变量，所述转子主体套接在所述固定管外侧。所述固定管的外壁上设置有向周向外侧凸出的环状凸沿；所述转子主体的内壁上设置有向外侧凹陷的，且与所述环状凸沿对应的环状凹陷，所述环状凸沿位于所述环状凹陷内。当飞轮转子转动时，固定管和转子主体均会受到沿径向向外的离心力。因为环状凸沿是凸出于固定管外壁的，该位置处的质量相比于轴向其他位置处的质量更大，所以，固定管上环状凸沿处所受到的离心力相比于其他位置所受到的离心力要大，所以环状凸沿会在径向上产生更大的位移；而与固定管相反，在转子主体的内侧设置有与环状凸沿对应的环状凹陷，所以，环状凹陷所处的位置质量相比于轴向其他位置的质量要小，所以，环状凹陷所处的位置所受到的离心力更小，沿径向向外侧产生的形变量更小，所以环状凸沿朝向转子主体的一面与环状凹陷的底面能够相互挤压，以使转子主体与固定管更不容易产生缝隙。
本发明实施例提供的一种飞轮电池，所述飞轮电池包括轴芯和上述的飞轮转子；所述轴芯套接位于所述固定管内；所述飞轮转子包括电机转子，所述电机转子均套接在所述固定管内侧；所述轴芯上设置有与所述电机转子对应的电机定子。因为本发明实施例提供的飞轮电池使用了上述的飞轮转子，所以，该飞轮电池也具有上述飞轮转子的优点。并且，因为飞轮转子是套接在轴心外侧的，所以，飞轮转子是中空的，相比于现有呈盘状的飞轮转子而言，本发明实施例提供的飞轮转子质量小，极转动惯量高，储能密度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的飞轮转子的剖视图；
图2为本发明实施例提供的飞轮转子的固定管的剖视图；
图3为本发明实施例提供的飞轮转子的转子主体的剖视图；
图4为本发明实施例提供的飞轮电池的剖视图。
图标：100-飞轮转子；110-固定管；111-环状凸沿；112-定位结构；120-转子主体；121-环状凹陷；122-环形结构；130-压环；140-第一磁环组件；150-隔磁环；160-电机转子；170-止挡环；
211-外壳；212-底座；220-飞轮制动机构；230-磁轴承；240-插头；250-保护轴承；260-真空接口；270-第二磁环组件；280-轴芯；290-电机定子。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本实用新型所保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解所述术语在本实用新型中的具体含义。
为了缓解现有的转子主体和与其连接的转动结构容易在高速转动时分离的技术问题。现有技术中与转子主体直接连接的为实心的轴杆，二者具有相同的转速；而本实施例中，与转子主体直接连接的为固定管，通过二者之间的凹凸配合，缓解高速旋转转子主体和固定管之间容易产生缝隙的问题。
如图1-图3所示，本发明实施例提供的一种飞轮转子100，所述飞轮转子100包括：固定管110和转子主体120，固定管110为中空的，以使固定管110能够产生一定的形变量，所述转子主体120套接在所述固定管110外侧。所述固定管110的外壁上设置有向周向外侧凸出的环状凸沿111；所述转子主体120的内壁上设置有向外侧凹陷的，且与所述环状凸沿111对应的环状凹陷121，所述环状凸沿111位于所述环状凹陷121内。当飞轮转子100转动时，固定管110和转子主体120均会受到沿径向向外的离心力。因为环状凸沿111是凸出于固定管110外壁的，该位置处的质量相比于轴向其他位置处的质量更大，所以，固定管110上环状凸沿111处所受到的离心力相比于其他位置所受到的离心力要大，所以环状凸沿111会在径向上产生更大的位移；而与固定管110相反，在转子主体120的内侧设置有与环状凸沿111对应的环状凹陷121，所以，环状凹陷121所处的位置质量相比于轴向其他位置的质量要小，所以，环状凹陷121所处的位置所受到的离心力更小，沿径向向外侧产生的形变量更小，所以环状凸沿111朝向转子主体120的一面与环状凹陷121的底面能够相互挤压，以使转子主体120与固定管110更不容易产生缝隙。
固定管110的材质为金属，而转子主体120的材质为非金属复合材料，例如碳纤维或者玻璃纤维等。
所述飞轮转子100包括第一磁环组件140和电机转子160，所述第一磁环组件140和电机转子160均套接在所述固定管110内侧。
如图1和图4所示，在飞轮电池中，飞轮电池包括电机，而电机包括电机转子160和电机定子290，本实施例中，因为飞轮转子100可以套接在轴心外侧的，所以，电机转子160可以固定在固定管110的内侧壁上，同样的，为了使飞轮转子100可以在径向上平衡，可以在固定管110内侧壁上和轴心的外侧壁上分别对应设置有第一磁环组件140和第二磁环组件270，第一磁环组件140和第二磁环组件270可以使固定管110和轴心之间保持一定的间隙，从而减小摩擦。通过第一磁环组件140和第二磁环组件270实现磁悬浮属于现有技术。而本实施例中，可以在飞轮转子100高速转动时，利用第一磁环组件140和电机转子160产生的离心力，二者产生的离心力作用在固定管110的管壁上，从而使固定管110受到挤压而沿径向向外侧产生更大的形变量，从而可以再次缓解转子主体120与固定管110的外壁之间产生间隙的问题。
所述环状凸沿111和所述环状凹陷121的数量均为多个，且一一对应；多个所述环状凸沿111所述和多个所述环状凹陷121均沿所述飞轮转子100的轴向设置。
具体的，本实施例中，所述环状凸沿111的数量为两个，两个所述环状凸沿111分别位于在所述固定管110的两端。
因为两个环状凸沿111是设置在固定管110的两端的，所以，两个环状凸沿111之间可以形成一个凹部。对应的，在转子主体120的环形内壁靠近上下端部处设置有两个环形凹陷，两个环形凹陷之间可以形成一个凸台，该凸台正好位于上述的凹部能，两个环状凸沿111可以在轴向上对凸台进行止挡，防止在高速转动时固定管110与转子主体120在轴向上产生位移。
位于固定管110两端的两个环状凸沿111在高速转动时能够产生较中间位置更大的形变量，从而从两端压紧环形凹陷。并且因为固定管110整体形状的限制，位于两端的环状凸沿111产生的形变并非完全沿径向的，而是会朝中间倾斜，从而两个环状凸沿111可以将凸台压紧，使固定管110与转子主体120连接更加紧密。
所述飞轮转子100还包括套接在所述转子主体120外侧的止挡环170，所述止挡环170的端面高于所述转子主体120的端面。
现有技术中，转子主体120的材料为非金属复合材料，在产品测试的时候，需要测试其转动时是否稳定，如果不稳定，需要通过增加局部质量，以调整转子主体120的质心位置。现有技术中，通过在转子主体120上滴上树脂，等树脂凝固后，再重新进行测试，如此反复，而本实施例中，转子主体120的最外侧设置有比转子主体120略高的止挡环170，止挡环170可以止挡树脂，防止未完全干燥的树脂被甩出。
现有技术中的非金属复合材料的飞轮转子100可以通过纤维线由内向外逐层缠绕呈一体结构，在高速转动的过程中，转子主体120内部的应力聚集，很容易发生转子主体120离散的问题。
本实施例的一种实施方式，为了缓解上述问题，本实施例中的所述转子主体120可以包括由内向外依次过盈套接的多个环形结构122。在制备时，可以先制备出多个环形结构122，然后通过过盈配合的方式将他们逐一连接，相邻两个环形结构122之间具有过盈力，而当飞轮转子100高速转动的时候，相邻两个环形结构122中，更靠近外侧的环形结构122的线速度越大，所以，更靠近外侧的环形结构122具有远离与其连接的且靠近内侧的环形结构122的趋势。因为相邻两个环形结构122是过盈配合的，所以，在高速转的过程中需要先抵消掉二者之间的过盈量，相邻两个环形结构122更不容易分离，这样就增加了飞轮转子100的最大转速。
本实施例的另一种实施方式，所述转子主体120包括由内向外依次套接的多个环形结构122，任意相邻两个环形结构122的材料不同，且相邻两个环形结构122中，靠近内侧的环形结构122的弹性模量大于靠近外侧的环形结构122的弹性模量。本实施方式中，相邻两个环结构的材料是不同的，靠近内侧的环形结构122的弹性模量大于靠近外侧的环形结构122的弹性模量，所以，在转动的时候靠近内侧的环结构更容易产生沿径向向外的形变，从而靠近内侧的环形结构122更容易抵接在靠外的环结构上，从而增加了转子主体120的结构稳定性，转子主体120在高速转动时更不容易离散。本实施例中，环形结构122的数量为四个，环形结构122的材料由内向外可以依次为：第一层玻璃纤维，二层碳纤维T700，三层碳纤维T1000，四层碳纤维M40。
具体的，所述第一磁环组件140的数量为两个，两个所述第一磁环组件140分别位于所述电机转子160的两端；且所述第一磁环组件140和所述电机转子160之间设置有隔磁环150。电机转子160位于固定管110的中间位置，两个第一磁环组件140位于电机转子160的上下两端，并且电机转子160和第一磁环组件140之间设置有隔磁环150。位于电机转子160两端的两个第一磁环组件140可以使飞轮转子100受到的径向磁力更加的均匀。
所述固定管110的内壁上设置有向内凸出的定位结构112，所述飞轮转子100还包括压环130，所述压环130与所述固定管110的内壁过盈配合，所述压环130与所述定位结构112用于将所述第一磁环组件140和电机转子160夹紧固定。
加工时，可以先将第一磁环组件140让入到固定管110内，并落在定位结构112上，然后再依次装入隔磁环150、电机转子160、隔磁环150和另一组第一磁环组件140，最后压上压环130，从而将第一磁环组件140和电机转子160装配到了固定管110内。
具体的，所述第一磁环组件140包括沿轴向依次设置的多个永磁环，相邻两个永磁环的磁场方向相差90度，任意三个相邻的永磁环中，位于两端的两个所述永磁环的磁场方向相反。第一磁环组件140的设置方式属于现有技术，可以和与之配合的并且装配在轴芯280上的第二磁环组件270产生磁力间隙，以使飞轮转子100在径向上与轴心维持一定的间隙。
如图4所示，本发明实施例提供的一种飞轮电池，所述飞轮电池包括轴芯280和上述的飞轮转子100；所述轴芯280套接位于所述固定管110内；所述飞轮转子100包括电机转子160，所述电机转子160均套接在所述固定管110内侧；所述轴芯280上设置有与所述电机转子160对应的电机定子290。因为本发明实施例提供的飞轮电池使用了上述的飞轮转子100，所以，该飞轮电池也具有上述飞轮转子100的优点。并且，因为飞轮转子100是套接在轴心外侧的，所以，飞轮转子100是中空的，相比于现有呈盘状的飞轮转子100而言，本发明实施例提供的飞轮转子100质量小，极转动惯量高，储能密度高。
飞轮电池还包括底座212和外壳211，飞轮转子100真空密封在外壳211和底座212内，在外壳211上设置有插头240和真空接口260，插头240用于实现飞轮电池与外界的电连接，真空接口260用于对飞轮电池进行抽真空。
飞轮转子100套接在轴芯280外侧，在轴芯280的外侧设置有与第一磁环组件140对应的第二磁环组件270，二者可以保持飞轮转子100在径向上平衡。
在飞轮转子100的上下两端均设置有磁轴承230，固定管110的材质为金属，其端面与磁轴承230相互作用，飞轮转子100可以悬浮在两个磁轴承230之间。
在飞轮转子100端部和外壳211之间设置有飞轮制动机构220，在飞轮转子100的外侧设置有用于检测飞轮位置的位置传感器，位置传感器可以检测飞轮转子100是否处于平衡状态，当飞轮转子100失衡时，飞轮制动机构220可以将飞轮转子100制动。
在飞轮转子100的两端均设置有保护轴承250，所述保护轴承250的外圈侧壁上设置有环形止挡沿，且所述环形止挡沿朝向所述飞轮转子100的一面与所述飞轮转子100端面的距离大于零，且小于所述飞轮转子100距离所述磁轴承230的距离；所述保护轴承250的外圈侧壁与所述飞轮转子100环形内壁之间的距离大于零，且小于所述飞轮转子100内壁与所述轴芯280的距离；当所述飞轮转子100偏离平衡位置后能够先与所述保护轴承250接触，飞轮转子100和保护轴承250一起转动，而不是直接掉落在磁轴承230上。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种飞轮电池，其特征在于，所述飞轮电池包括轴芯(280)和飞轮转子(100)；
所述飞轮转子(100)包括：固定管(110)和转子主体(120)，所述转子主体(120)套接在所述固定管(110)外侧；
所述固定管(110)的外壁上设置有向周向外侧凸出的环状凸沿(111)；
所述转子主体(120)的内壁上设置有向外侧凹陷的，且与所述环状凸沿(111)对应的环状凹陷(121)，所述环状凸沿(111)位于所述环状凹陷(121)内；
所述飞轮转子(100)还包括套接在所述转子主体(120)外侧的止挡环(170)，所述止挡环(170)的端面高于所述转子主体(120)的端面；
所述轴芯(280)套接位于所述固定管(110)内；
所述飞轮转子(100)包括电机转子(160)，所述电机转子(160)套接在所述固定管(110)内侧；所述轴芯(280)上设置有与所述电机转子(160)对应的电机定子(290)；
在飞轮转子(100)的上下两端均设置有磁轴承(230)，所述固定管(110)的材质为金属，其端面与磁轴承(230)相互作用，所述飞轮转子(100)悬浮在两个磁轴承(230)之间；
所述飞轮转子(100)的两端均设置有保护轴承(250)，所述保护轴承(250)的外圈侧壁上设置有环形止挡沿，且所述环形止挡沿朝向所述飞轮转子(100)的一面与所述飞轮转子(100)端面的距离大于零，且小于所述飞轮转子(100)距离所述磁轴承(230)的距离；所述保护轴承250的外圈侧壁与所述飞轮转子(100)环形内壁之间的距离大于零，且小于所述飞轮转子(100)内壁与所述轴芯(280)的距离。
2.根据权利要求1所述的飞轮电池，其特征在于，所述飞轮转子(100)包括第一磁环组件(140)和电机转子(160)，所述第一磁环组件(140)和电机转子(160)均套接在所述固定管(110)的内侧。
3.根据权利要求1所述的飞轮电池，其特征在于，所述环状凸沿(111)和所述环状凹陷(121)的数量均为多个，且一一对应；多个所述环状凸沿(111)和多个所述环状凹陷(121)均沿所述飞轮转子(100)的轴向依次设置。
4.根据权利要求3所述的飞轮电池，其特征在于，所述环状凸沿(111)的数量为两个，两个所述环状凸沿(111)分别位于在所述固定管(110)的两端。
5.根据权利要求1所述的飞轮电池，其特征在于，所述转子主体(120)包括由内向外依次过盈套接的多个环形结构(122)。
6.根据权利要求1所述的飞轮电池，其特征在于，所述转子主体(120)包括由内向外依次套接的多个环形结构(122)，任意相邻两个环形结构(122)的材料不同，且相邻两个环形结构(122)中，靠近内侧的环形结构(122)的弹性模量大于靠近外侧的环形结构(122)的弹性模量。
7.根据权利要求2所述的飞轮电池，其特征在于，所述第一磁环组件(140)的数量为两个，两个所述第一磁环组件(140)分别位于所述电机转子(160)的两端；且所述第一磁环组件(140)和所述电机转子(160)之间设置有隔磁环(150)。
8.根据权利要求7所述的飞轮电池，其特征在于，所述固定管(110)的内壁上设置有向内凸出的定位结构(112)，所述飞轮转子(100)还包括压环(130)，所述压环(130)与所述固定管(110)的内壁过盈配合，所述压环(130)与所述定位结构(112)用于将所述第一磁环组件(140)和电机转子(160)夹紧固定。
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