CN113890264B - 一种月壤填充式磁悬浮飞轮储能装置 - Google Patents

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Abstract

一种月壤填充式磁悬浮飞轮储能装置，它属于航天技术领域。本发明解决了现有飞轮在月球储能应用时的发射成本高、燃料消耗大的问题。本发明的飞轮箱箱体采用可折叠压缩式外壳，飞轮箱体在填充月壤后由折叠状态转变为展开状态，降低从地球运输到月球时箱体对运输飞船的空间需求，也避免了现有方法需要将飞轮运送到月球表面存在的成本过高、消耗过大的问题。本发明可以应用于月球储能领域。

Description

一种月壤填充式磁悬浮飞轮储能装置
技术领域
本发明属于航天技术领域，具体涉及一种月壤填充式磁悬浮飞轮储能装置。
背景技术
飞轮储能技术指利用电动机带动飞轮高速旋转将电能转化为动能储存起来，在需要的时候再用飞轮带动发电机发电从而将动能转化为电能的储能方式。未来月球基地需要一定规模的能源系统，但月面太阳能发电存在14天月夜无法提供电力，化学储能电池存在充放电次数限制、能量转化率低、能量输出不稳定等问题。飞轮储能突破了化学电池的局限，用物理方法实现能量的存储，逐渐受到汽车、军用设备、空间卫星等领域的广泛关注。飞轮由于其快速的充放电、独立而稳定的能量输出、储能密度大、运行损耗小、维护少，使得飞轮技术作为能量供应中心不断应用于卫星装置和空间站的太阳能储能电池中。但由于飞轮质量一般较大，将数个甚至更多飞轮运送到月球表面发射成本过高、燃料消耗过大。
综上所述，由于现有的月面太阳能发电存在14天月夜无法提供电力，化学储能电池存在能量密度低、能量转化率低、能量输出不稳定等问题，而将大质量飞轮运送到月球存在高成本、消耗大的问题，因此，研究一种新的储能装置是十分必要的。
发明内容
本发明的目的是为解决现有飞轮的应用需要的发射成本高、燃料消耗大的问题，而提出了一种月壤填充式磁悬浮飞轮储能装置。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：
一种月壤填充式磁悬浮飞轮储能装置，所述装置包括电机、联轴器、主轴、可折叠飞轮箱、轴向磁悬浮轴承、推力盘和月壤，其中：
所述电机通过联轴器与主轴的上端连接，主轴的下端与推力盘一体式连接；
所述主轴上设置有上花键和下花键；
所述可折叠飞轮箱的侧面采用可折叠压缩式外壳，可折叠压缩式外壳与可折叠飞轮箱上下两端的钛合金板螺栓连接，且上下两端钛合金板的中心处各设置有一个花键孔；
上端钛合金板中心处的花键孔与上花键配合传递扭矩，下端钛合金板中心处的花键孔与下花键配合传递扭矩；
所述轴向磁悬浮轴承用于通过推力盘实现主轴和可折叠飞轮箱的轴向支撑；
所述可折叠飞轮箱上端钛合金板沿主轴的轴向呈中心对称布置有月壤填充孔，通过月壤填充孔向可折叠飞轮箱内填充月壤；
进一步地，所述可折叠飞轮箱的两侧对称设置有两个支架，所述可折叠飞轮箱与联轴器之间设置有上支撑组件，所述上支撑组件包括上轴承端盖、上径向磁悬浮轴承、上轴承座，上轴承座通过螺栓与两个支架连接；
其中，上径向磁悬浮轴承安装在上轴承座上，上径向磁悬浮轴承通过上轴承端盖轴向固定。
进一步地，所述可折叠飞轮箱与轴向磁悬浮轴承之间设置有下支撑组件，所述下支撑组件包括下径向磁悬浮轴承和下轴承座，所述下轴承座通过螺栓连接在两个支架上，下径向磁悬浮轴承安装在下轴承座上。
进一步地，所述装置还包括底座，两个支架对称式连接在底座上，轴向磁悬浮轴承上部分安装在下轴承座上，下部分安装在底座上。
进一步地，所述主轴下端面中心处开设有方形槽，且方形槽内嵌安装有陶瓷柱，底座的上端面中心处开设有凹槽，且凹槽处半内嵌式安装有与陶瓷柱位置对应的陶瓷球，陶瓷柱与陶瓷球构成摩擦副。
进一步地，所述主轴为阶梯轴，两个轴肩分别定位并支撑可折叠飞轮箱的上下两端钛合金板。
进一步地，所述装置还包括飞轮箱上端密封盖和飞轮箱下端密封盖，所述飞轮箱上端密封盖设置在可折叠飞轮箱上端钛合金板的花键孔处，所述飞轮箱下端密封盖设置在可折叠飞轮箱下端钛合金板的花键孔处。
进一步地，所述月壤填充孔上设置有飞轮箱孔盖。
进一步地，所述主轴为轴向中心对称设置有4个键槽的花键轴，所述键槽用来安装挡板。
进一步地，所述电机安装于两个支架上。
本发明的有益效果是：
1、飞轮箱箱体采用可折叠压缩式外壳，飞轮箱体在填充月壤后由折叠状态转变为展开状态，降低从地球运输到月球时箱体对运输飞船的空间需求，也避免了现有方法需要将飞轮运送到月球表面存在的成本过高、消耗过大的问题。
2、飞轮箱箱体材料采用高强度碳素纤维材料，保证可折叠的同时兼顾高强度，满足飞轮旋转过程中的抗拉强度需求。
3、飞轮箱上端面中心对成布置两个月壤填充孔，保证飞轮的动平衡。
4、上下两个径向磁悬浮轴承保证主轴在径向的支撑与转动。
5、推力盘与主轴一体式连接，轴向磁悬浮轴承通过推力盘实现主轴和飞轮箱的轴向支撑。
6、主轴下端中心处内嵌陶瓷柱与底座半内嵌陶瓷球构成摩擦副降低主轴端面摩擦。
附图说明
图1为本发明一种月壤填充式磁悬浮飞轮储能装置的剖面图；
图2为本发明一种月壤填充式磁悬浮飞轮储能装置的轴测图；
图3为飞轮箱剖面图；
图4为飞轮箱轴测图；
图中：1、电机，2、联轴器，3、上轴承端盖，4、上径向磁悬浮轴承，5、上轴承座，6、飞轮箱上端密封盖，7、飞轮箱孔盖，8、上花键，9、主轴，10、可折叠飞轮箱，11、下花键，12、飞轮箱下端密封盖，13、下径向磁悬浮轴承，14、下轴承座，15、底座，16、陶瓷球，17、陶瓷柱，18、轴向磁悬浮轴承，19、推力盘，20、支架，21、挡板，22、月壤；
图5为挡板21、主轴9和推力盘19之间的装配结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1、图2、图3和图4说明本实施方式。本实施方式所述的一种月壤填充式磁悬浮飞轮储能装置，所述装置包括电机1、联轴器2、主轴9、可折叠飞轮箱10、轴向磁悬浮轴承18、推力盘19和月壤22，其中：
所述电机1通过联轴器2与主轴9的上端连接，主轴9的下端与推力盘19一体式连接；
所述主轴9上设置有上花键8和下花键11；
所述可折叠飞轮箱10的侧面采用可折叠压缩式外壳，可折叠压缩式外壳与可折叠飞轮箱10上下两端的钛合金板螺栓连接，且上下两端钛合金板的中心处各设置有一个花键孔；
上端钛合金板中心处的花键孔与上花键8配合传递扭矩，下端钛合金板中心处的花键孔与下花键11配合传递扭矩；
所述轴向磁悬浮轴承18用于通过推力盘19实现主轴9和可折叠飞轮箱10的轴向支撑；
所述可折叠飞轮箱10上端钛合金板沿主轴9的轴向呈中心对称布置有两个月壤填充孔，通过月壤填充孔向可折叠飞轮箱10内填充月壤22。
本发明设计了一种可折叠飞轮箱，在折叠状态下发射运送到月球后再组装成飞轮装置，然后逐步填充月壤并实现动平衡后利用太阳能发电带动电机转动，将能量以动能的方式存储到飞轮上。这有效地减小了运送所需货物仓空间和运送货物质量，极大地降低了发射成本。通过填充月球上易得的月壤解决飞轮配重需求，填充不同质量的月壤可实现不同飞轮质量配重。通过调控月壤质量和电机转动速度从而满足不同动能储能的需求，本发明可作为月球基地储能系统的重要组成部分。
可折叠飞轮箱10的材料为高强度碳素纤维材料，以保证可折叠的同时兼顾高强度，满足飞轮旋转过程中的抗拉强度需求。可折叠飞轮箱10的动平衡通过逐次加入月壤22和电机1的调速及正反转依次反复调节，可折叠飞轮箱体10在填充月壤22后由折叠状态转变为展开状态。
同时，本发明方法的实现过程不会受到月夜的影响，克服了月面太阳能发电方法实现时存在的14天月夜无法提供电力的问题，也不存在化学储能电池工作时存在的能量密度低、能量转化率低、能量输出不稳定的问题。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述可折叠飞轮箱10的两侧对称设置有两个支架20，所述可折叠飞轮箱10与联轴器2之间设置有上支撑组件，所述上支撑组件包括上轴承端盖3、上径向磁悬浮轴承4、上轴承座5，上轴承座5通过螺栓与两个支架20连接；
其中，上径向磁悬浮轴承4安装在上轴承座5上，上径向磁悬浮轴承4通过上轴承端盖3轴向固定。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
本实施方式中，通过设置上径向磁悬浮轴承4保证主轴9在径向转动，为飞轮提供轴向支撑。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是，所述可折叠飞轮箱10与轴向磁悬浮轴承18之间设置有下支撑组件，所述下支撑组件包括下径向磁悬浮轴承13和下轴承座14，所述下轴承座14通过螺栓连接在两个支架20上，下径向磁悬浮轴承13安装在下轴承座14上。
本实施方式中，通过设置下径向磁悬浮轴承13保证主轴9在径向转动，为飞轮提供轴向支撑。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述装置还包括底座15，两个支架20对称式连接在底座15上，轴向磁悬浮轴承18上部分安装在下轴承座14上，下部分安装在底座15上。
轴向磁悬浮轴承18通过推力盘实现主轴9和可折叠飞轮箱10的轴向支撑。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述主轴9下端面中心处开设有方形槽，且方形槽内嵌安装有正四棱柱形陶瓷柱17，底座15的上端面中心处开设有凹槽，且凹槽处半内嵌式安装有与陶瓷柱17位置对应的陶瓷球16，正四棱柱形陶瓷柱17与陶瓷球16构成摩擦副。
本实施方式中，陶瓷柱17与半内嵌陶瓷球16构成摩擦副，以降低主轴端面摩擦，并承受一部分轴向力。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述主轴9为阶梯轴，两个轴肩分别定位并支撑可折叠飞轮箱10的上下两端钛合金板。
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是，所述装置还包括飞轮箱上端密封盖6和飞轮箱下端密封盖12，所述飞轮箱上端密封盖6设置在可折叠飞轮箱10上端钛合金板的花键孔处，所述飞轮箱下端密封盖12设置在可折叠飞轮箱10下端钛合金板的花键孔处。
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是，所述月壤填充孔上设置有飞轮箱孔盖7。
其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：结合图5说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是，所述主轴9为轴向中心对称设置有4个键槽的花键轴，所述键槽用来安装挡板21。
安装挡板21的目的是为了将扭矩传递到月壤22。挡板为可拆卸挡板，将月壤填充式磁悬浮飞轮储能装置运送到月球表面后，将可折叠飞轮箱沿轴向展开，再将挡板安装在主轴上，然后安装可折叠飞轮箱上端钛合金板。
其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是，所述电机1安装于两个支架20上。
其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
本发明的上述内容并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种月壤填充式磁悬浮飞轮储能装置，其特征在于，所述装置包括电机(1)、联轴器(2)、主轴(9)、可折叠飞轮箱(10)、轴向磁悬浮轴承(18)、推力盘(19)和月壤(22)，其中：
所述电机(1)通过联轴器(2)与主轴(9)的上端连接，主轴(9)的下端与推力盘(19)一体式连接，所述电机(1)为正反转电机；
所述主轴(9)上设置有上花键(8)和下花键(11)；
所述可折叠飞轮箱(10)的侧面采用可折叠压缩式外壳，可折叠压缩式外壳与可折叠飞轮箱(10)上下两端的钛合金板螺栓连接，且上下两端钛合金板的中心处各设置有一个花键孔；
上端钛合金板中心处的花键孔与上花键(8)配合传递扭矩，下端钛合金板中心处的花键孔与下花键(11)配合传递扭矩；
所述轴向磁悬浮轴承(18)用于通过推力盘(19)实现主轴(9)和可折叠飞轮箱(10)的轴向支撑；
所述可折叠飞轮箱(10)上端钛合金板沿主轴(9)的轴向呈中心对称布置有月壤填充孔，通过月壤填充孔向可折叠飞轮箱(10)内填充月壤(22)；
所述主轴(9)为轴向中心对称设置有4个键槽的花键轴，所述键槽用来安装挡板(21)。
2.根据权利要求1所述的一种月壤填充式磁悬浮飞轮储能装置，其特征在于，所述可折叠飞轮箱(10)的两侧对称设置有两个支架(20)，所述可折叠飞轮箱(10)与联轴器(2)之间设置有上支撑组件，所述上支撑组件包括上轴承端盖(3)、上径向磁悬浮轴承(4)、上轴承座(5)，上轴承座(5)通过螺栓与两个支架(20)连接；
其中，上径向磁悬浮轴承(4)安装在上轴承座(5)上，上径向磁悬浮轴承(4)通过上轴承端盖(3)轴向固定。
3.根据权利要求2所述的一种月壤填充式磁悬浮飞轮储能装置，其特征在于，所述可折叠飞轮箱(10)与轴向磁悬浮轴承(18)之间设置有下支撑组件，所述下支撑组件包括下径向磁悬浮轴承(13)和下轴承座(14)，所述下轴承座(14)通过螺栓连接在两个支架(20)上，下径向磁悬浮轴承(13)安装在下轴承座(14)上。
4.根据权利要求3所述的一种月壤填充式磁悬浮飞轮储能装置，其特征在于，所述装置还包括底座(15)，两个支架(20)对称式连接在底座(15)上，轴向磁悬浮轴承(18)上部分安装在下轴承座(14)上，下部分安装在底座(15)上。
5.根据权利要求4所述的一种月壤填充式磁悬浮飞轮储能装置，其特征在于，所述主轴(9)下端面中心处开设有方形槽，且方形槽内嵌安装有陶瓷柱(17)，底座(15)的上端面中心处开设有凹槽，且凹槽处半内嵌式安装有与陶瓷柱(17)位置对应的陶瓷球(16)，陶瓷柱(17)与陶瓷球(16)构成摩擦副。
6.根据权利要求5所述的一种月壤填充式磁悬浮飞轮储能装置，其特征在于，所述主轴(9)为阶梯轴，两个轴肩分别定位并支撑可折叠飞轮箱(10)的上下两端钛合金板。
7.根据权利要求6所述的一种月壤填充式磁悬浮飞轮储能装置，其特征在于，所述装置还包括飞轮箱上端密封盖(6)和飞轮箱下端密封盖(12)，所述飞轮箱上端密封盖(6)设置在可折叠飞轮箱(10)上端钛合金板的花键孔处，所述飞轮箱下端密封盖(12)设置在可折叠飞轮箱(10)下端钛合金板的花键孔处。
8.根据权利要求7所述的一种月壤填充式磁悬浮飞轮储能装置，其特征在于，所述月壤填充孔上设置有飞轮箱孔盖(7)。
9.根据权利要求8所述的一种月壤填充式磁悬浮飞轮储能装置，其特征在于，所述电机(1)安装于两个支架(20)上。
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