CN114257034B - 储能飞轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种储能飞轮，所述储能飞轮包括壳体、转子组件和电机组件，壳体具有真空室，转子组件包括轮毂和碳纤维层，轮毂可转动地设在真空室内，轮毂包括套筒和连接板，连接板设在套筒的一端，连接板的厚度从内向外逐渐减小，碳纤维层缠绕在套筒的外周面上，电机组件设在真空室内，电机组件包括电机转子和电机定子，电机转子和电机定子均设在转子组件的套筒内，电机转子与轮毂相连，电机转子穿设在电机定子内，储能飞轮具有第一状态和第二状态，在第一状态，电机组件放电以驱动转子组件转动，在第二状态，转子组件转动以驱动电机组件发电。本发明的储能飞轮具有结构简单、储能密度高、成本低廉等优点。

Description

储能飞轮

技术领域

本发明涉及一种储能领域，具体地，涉及一种储能飞轮。

背景技术

飞轮储能有三种工作状态：充电状态、保持状态、放电状态。飞轮系统充电时，外界其他形式的能量转化为电能供电动机工作，电动机带动飞轮转轴旋转，将其他形式的能量转化为动能并储存在飞轮转子中，飞轮系统放电时，高速旋转的飞轮带动发电机转动，将自身的动能转化为发电机的电能供所需设备使用。当飞轮既不充电也不放电时，飞轮系统为保持状态，此时飞轮以最低能耗运行。

相关技术中，储能飞轮储能密度底，安全性能差，使用不方便。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：

储能飞轮的轮毂材料为金属及合金，轮缘材料为比强度较高的碳纤维，轮缘以一定的过盈量压装到轮毂上。复合材料飞轮转子在高速旋转时，内部会产生环向应力和径向应力，转速越高，应力越大。碳纤维的环向强度高，而在径向方向上强度较低，从而使得碳纤维与轮毂发生分离，导致飞轮的安全性能差，不能发挥出碳纤维的性能使储能密度降低。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种结构简单、储能密度高、安全性能强的储能飞轮。

本发明实施例的储能飞轮包括：壳体，所述壳体具有真空室；转子组件，所述转子组件包括轮毂和碳纤维层，所述轮毂可转动地设在所述真空室内，所述轮毂包括套筒和连接板，所述连接板设在所述套筒的一端，所述连接板的厚度方向与所述套筒的轴向平行，所述连接板的厚度从内向外逐渐减小，所述碳纤维层缠绕在所述套筒的外周面上；电机组件，所述电机组件设在所述真空室内，所述电机组件包括电机转子和电机定子，所述电机转子和所述电机定子均设在所述转子组件的套筒内，所述电机转子与所述轮毂相连，所述电机转子穿设在所述电机定子内，所述电机转子的外周面和所述电机定子的内周面沿内外方向间隔设置，所述储能飞轮具有第一状态和第二状态，在所述第一状态，所述电机组件放电以驱动所述转子组件转动，在所述第二状态，所述转子组件转动以驱动所述电机组件发电。

本发明实施例的储能飞轮，设置轮毂和碳纤维层，增加了转子组件的安全性能，防止转子组件在高速转动过程中分离，从而提高了转子组件的储能密度。

在一些实施例中，所述连接板在所述套筒的轴向上具有相对的第一侧面和第二侧面，所述第一侧面设在远离所述套筒的一侧，所述第一侧面和所述第二侧面沿所述套筒的径向相对设置。

在一些实施例中，所述连接板包括沿内外方向彼此相连的第一部分、第二部分和第三部分，所述第三部分远离所述第二部分的一侧与所述套筒相连，所述第一部分的横截面积、所述第二部分的厚度和所述第三部分的厚度沿内外方向向外均逐渐减小，所述第二部分的第一侧面分别与所述第一部分的第一侧面和所述第三部分的第一侧面相切，所述第二部分的第二侧面分别与所述第一部分的第二侧面和所述第三部分的第二侧面相切，所述第三部分的第二侧面与所述套筒通过第一圆角过渡。

在一些实施例中，所述碳纤维层和所述连接板在所述套筒的轴向间隔设置。

在一些实施例中，所述碳纤维层包括从内到外依次布置的多层，多层所述碳纤维层的弹性模量由内到外逐渐增大。

在一些实施例中，所述碳纤维层从内到外包括多层，相邻的两层所述碳纤维层过盈配合，以便多层所述碳纤维层具有由外向内的预紧力。

在一些实施例中，所述轮毂还包括第一凸起部和第二凸起部，所述第一凸起部设在所述连接板远离所述套筒的一侧，所述第二凸起部设在所述连接板邻近所述套筒的一侧，所述第二凸起部的外周面与所述套筒的内周面间隔设置，所述第一凸起部和所述第二凸起部的外周面均与所述连接板通过第二圆角过渡，所述电机转子穿设在所述第二凸起部的外周侧。

在一些实施例中，所述壳体的顶面设有第一凹槽，所述壳体的底面设有第二凹槽，所述第一凹槽和所述第二凹槽沿所述套筒的轴向方向上间隔相对设置，所述第一凸起部可转动地穿设在所述第一凹槽内，所述第二凸起部可转动地穿设在第二凹槽内。

在一些实施例中，所述储能飞轮还包括：第一磁轴承，所述第一磁轴承的外圈设在所述第一凹槽内，所述第一磁轴承的内圈穿设在所述第一凸起部上；第二磁轴承，所述第二磁轴承的外圈设在所述第二凹槽内，所述第二磁轴承的内圈穿设在所述第二凸起部上。

在一些实施例中，所述储能飞轮还包括感应线圈，所述感应线圈设在所述壳体的顶部且位于所述真空室内，所述感应线圈与所述连接板在所述套筒的轴向间隔相对设置，所述感应线圈产生磁场以吸附所述轮毂，以便所述轮毂在磁场和重力场的作用下悬浮在所述壳体内。

附图说明

图1是本发明实施例的储能飞轮的结构示意图。

图2是本发明实施例的储能飞轮的轮毂的结构示意图。

图3是本发明实施例的储能飞轮的轮毂的剖视图。

附图标记：

储能飞轮100；

壳体1；真空室11；第一凹槽12；第二凹槽13；

转子组件2；轮毂21；套筒211；连接板212；第一侧面2121；第二侧面2122；第一部分2123；第二部分2124；第三部分2125；第一圆角2126；第一凸起部213；第二凸起部214；第二圆角215；碳纤维层22；

电机组件3；电机转子31；电机定子32；第一磁轴承4；第二磁轴承5；感应线圈6。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的储能飞轮。

如图1-3所示，本发明实施例的储能飞轮包括壳体1、转子组件2和电机组件3。

壳体1具有真空室11。

转子组件2包括轮毂21和碳纤维层22，轮毂21可转动地设在真空室11内，轮毂21包括套筒211和连接板212，连接板212设在套筒211的一端，连接板212的厚度方向与套筒211的轴向向平行（如图1所示的上下方向）方向，连接板212的厚度从内向外逐渐减小，碳纤维层22缠绕在套筒211的外周面上。具体地，如图1所示，套筒211的厚度为3mm-5mm，使得套筒211具有薄壁特征，从而使得套筒211具有较大的变形量，当套筒211高速转动起来时，套筒211将沿内外方向向外发生形变，从而挤压碳纤维层22，防止碳纤维层22与套筒211发生脱落，连接板212可以设在套筒211的上端或设在套筒211的下端，且连接板212的厚度沿内外方向向外逐渐减小，使得连接板212的形状系数增大，提高了转子组件2的储能效果。

电机组件3设在真空室11内，电机组件3包括电机转子31和电机定子32，电机转子31和电机定子32均设在转子组件2的套筒211内，电机转子31与轮毂21相连，以便轮毂21带动电机转子31转动，电机转子31穿设在电机定子32内，电机转子31的外周面和电机定子32的内周面沿内外方向间隔设置，储能飞轮100具有第一状态和第二状态，在第一状态，电机组件3放电以驱动转子组件2转动，在第二状态，转子组件2转动以驱动电机组件3发电。由此，在第一状态，储能飞轮100储能，电机组件3放电从而驱动转子组件2高速转动，在第一状态，储能飞轮100释能，转子组件2转动以驱动电机组件3发电，从而通过转子组件2和电机组件3配合进行储能和释能。

根据本发明实施例的储能飞轮100，设置套筒211和连接板212，通过套筒211保证了轮毂21的具有较大的变形量，防止轮毂21在高速转动时，套筒211与碳纤维层22发生分离，改善轮毂21的使用性能，减小转子组件2失效破坏的几率，实现飞轮转子的可靠性使用，另外连接板212的设置，不仅保证了轮毂21的强度，且连接板212的形状系数较大，从而提高了储能飞轮的储能密度。

在一些实施例中，连接板212在套筒211的轴向上具有相对的第一侧面2121和第二侧面2122，第一侧面2121设在远离套筒211的一侧，第一侧面2121和第二侧面2122沿套筒211的径向（如图1所示的内外方向）相对设置。具体地，如图2-3所示，连接板212的上侧面为第一侧面2121，连接板212的下侧面为第二侧面2122，第一侧面2121和第二侧面2122沿上下方向对称布置，由此使得连接板212在高速转动时，连接板212的第一侧面2121和连接板212的第二侧面2122受力相同，提高了连接板212的强度和使用寿命。

由于金属飞轮的结构形式对储能性能有很大的影响，其影响系数可以用形状系数表示，形状系数由于金属飞轮的结构形式不同而发生很大变化。因此，在一些实施例中，连接板212包括沿内外方向彼此相连的第一部分2123、第二部分2124和第三部分2125，第三部分2125远离第二部分2124的一侧与套筒211相连，第一部分2123的横截面积、第二部分2124的厚度和第三部分2125的厚度沿内外方向向外均逐渐减小，第二部分2124的第一侧面2121分别与第一部分2123的第一侧面2121和第三部分2125的第一侧面2121相切，第二部分2124的第二侧面2122分别与第一部分2123的第二侧面2122和第三部分2125的第二侧面2122相切，第三部分2125的第二侧面2122与套筒211通过第一圆角2126过渡。具体地，如图3所示，第二部分2124的内周面与第一部分2123的外周面相连，第二部分2124的外周面与第三部分2125的内周面相连，且第三部分2125的外周面与套筒211的内周面相连，且第一部分2123、第二部分2124和第三部分2125的厚度逐渐减小，第二部分2124的上端面分别和第一部分2123的上端面与第二部分2124的上端面相切，从而防止连接板212上产生引力集中，且第一部分2123、第二部分2124和第三部分2125的设置，使得连接板212形成等应力圆盘，从而使得连接板212的形状系数接近于1，提高了飞轮的储能性能。

在一些实施例中，碳纤维层22和连接板212在套筒211的轴向（如图1所示的上下方向）间隔设置。具体地，如图1所示，碳纤维层22设在连接板212的下方，保证了碳纤维层22缠绕的套筒211具有较大的变形量，防止碳纤维层22与套筒211分离，提高了转子组件2的安全性能。

在一些实施例中，碳纤维层22包括从内到外依次布置的多层，多层碳纤维层22的弹性模量由内到外逐渐增大。具体地，碳纤维包括多层环形状的碳纤维缠绕层（图中未示意出），多层缠绕层在保证了一定高模量高强度的同时，又有效降低了转子组件2的密度，有利于提高转子组件2转速，从而提高转子组件2储存能量。而且多层缠绕层的弹性模量由内层向外层逐渐增大，当转子组件2高速旋转时，在旋转向心力作用下，在相邻两层的碳纤维缠绕层中，处于内层的缠绕层沿内外方向向外扩张程度大，处于外层的缠绕层沿内外方向向外扩张程度小，从而使得内层的缠绕层紧紧压贴在外层的缠绕层，实现了缠绕层的层间的互压自紧效应，增强了缠绕层的径向抗拉应力，防止缠绕层的径向脱层分裂，延长了缠绕层的安全性能。

在一些实施例中，碳纤维层22从内到外包括多层，相邻的两层碳纤维层22过盈配合，以便多层碳纤维层22具有由外向内的预紧力。具体地，碳纤维包括多层环形状的碳纤维缠绕层（图中未示意出），且相邻的两层缠绕层过盈配合，由此使得相邻的两层缠绕层过盈配合具有由内向外的预紧力，从而使得多层缠绕层之间相互压紧，防止转子组件2在转动时，多层缠绕层发生松散，提高了碳纤维的安全性能。

在一些实施例中，轮毂21还包括第一凸起部213和第二凸起部214，第一凸起部213设在连接板212远离套筒211的一侧，第二凸起部214设在连接板212邻近套筒211的一侧，第二凸起部214的外周面与套筒211的内周面间隔设置，第一凸起部213和第二凸起部214的外周面均与连接板212通过第二圆角215过渡，电机转子31穿设在第二凸起部214的外周侧。具体地，如图1-3所示，连接板212的上端面设有第一凸起部213，连接板212的下端面设有第二凸起部214，且第二凸起部214从套筒211的下端穿出套筒211，电机转子31穿设在第二凸起部214的外周面上，从而使得轮毂21带动电机转子31转动。

在一些实施例中，壳体1的顶面设有第一凹槽12，壳体1的底面设有第二凹槽13，第一凹槽12和第二凹槽13沿套筒211的轴向方向上间隔相对设置，第一凸起部213可转动地穿设在第一凹槽12内，第二凸起部214可转动地穿设在第二凹槽13内。由此，使得第一凸起部213穿设在第一凹槽12内，第二凸起部214穿设在第二凹槽13内，从而为转子组件2提供了安装基础，使得储能飞轮100设置的更加合理。

在一些实施例中，储能飞轮100还包括第一磁轴承4和第二磁轴承5。

第一磁轴承4的外圈设在第一凹槽12内，第一磁轴承4的内圈穿设在第一凸起部213上，第二磁轴承5的外圈设在第二凹槽13内，第二磁轴承5的内圈穿设在第二凸起部214上。由此，通过第一磁轴承4和第二磁轴承5使得转子组件2沿内外方向与壳体1的内周面间隔开来，从而减小转子组件2高速转动时候的摩擦力和能量损耗，提高了储能飞轮100的储能性能。

在一些实施例中，储能飞轮100还包括感应线圈6，感应线圈6设在壳体1的顶部且位于真空室11内，感应线圈6与连接板212在套筒211的轴向间隔相对设置，感应线圈6产生磁场以吸附轮毂21，以便轮毂21在磁场和重力场的作用下悬浮在壳体1内。由此，通过感应线圈6产生磁场将对连接板212的上端面产生吸引力，吸引力和转子组件2的重力在壳体1内二力平衡，转子组件2悬浮在壳体1内，从而进一步减小转子组件2高速转动时候的摩擦力和能量损耗，从而进一步提高了储能飞轮100的储能性能。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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发明和简化描述，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发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征 “上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种储能飞轮，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体具有真空室；

转子组件，所述转子组件包括轮毂和碳纤维层，所述轮毂可转动地设在所述真空室内，所述轮毂包括套筒和连接板，所述连接板设在所述套筒的一端，所述连接板的厚度方向与所述套筒的轴向平行，所述连接板的厚度从内向外逐渐减小，所述碳纤维层缠绕在所述套筒的外周面上，所述套筒为薄壁套筒；

电机组件，所述电机组件设在所述真空室内，所述电机组件包括电机转子和电机定子，所述电机转子和所述电机定子均设在所述转子组件的套筒内，所述电机转子与所述轮毂相连，所述电机转子穿设在所述电机定子内，所述电机转子的外周面和所述电机定子的内周面沿内外方向间隔设置，所述储能飞轮具有第一状态和第二状态，在所述第一状态，所述电机组件放电以驱动所述转子组件转动，在所述第二状态，所述转子组件转动以驱动所述电机组件发电。

2.根据权利要求1所述的储能飞轮，其特征在于，所述连接板在所述套筒的轴向上具有相对的第一侧面和第二侧面，所述第一侧面设在远离所述套筒的一侧，所述第一侧面和所述第二侧面沿所述套筒的径向相对设置。

3.根据权利要求2所述的储能飞轮，其特征在于，所述连接板包括沿内外方向彼此相连的第一部分、第二部分和第三部分，所述第三部分远离所述第二部分的一侧与所述套筒相连，所述第一部分的横截面积、所述第二部分的厚度和所述第三部分的厚度沿内外方向向外均逐渐减小，所述第二部分的第一侧面分别与所述第一部分的第一侧面和所述第三部分的第一侧面相切，所述第二部分的第二侧面分别与所述第一部分的第二侧面和所述第三部分的第二侧面相切，所述第三部分的第二侧面与所述套筒通过第一圆角过渡。

4.根据权利要求1所述的储能飞轮，其特征在于，所述碳纤维层和所述连接板在所述套筒的轴向间隔设置。

5.根据权利要求1所述的储能飞轮，其特征在于，所述碳纤维层包括从内到外依次布置的多层，多层所述碳纤维层的弹性模量由内到外逐渐增大。

6.根据权利要求1所述的储能飞轮，其特征在于，所述碳纤维层从内到外包括多层，相邻的两层所述碳纤维层过盈配合，以便多层所述碳纤维层具有由外向内的预紧力。

7.根据权利要求1所述的储能飞轮，其特征在于，所述轮毂还包括第一凸起部和第二凸起部，所述第一凸起部设在所述连接板远离所述套筒的一侧，所述第二凸起部设在所述连接板邻近所述套筒的一侧，所述第二凸起部的外周面与所述套筒的内周面间隔设置，所述第一凸起部和所述第二凸起部的外周面均与所述连接板通过第二圆角过渡，所述电机转子穿设在所述第二凸起部的外周侧。

8.根据权利要求7所述的储能飞轮，其特征在于，所述壳体的顶面设有第一凹槽，所述壳体的底面设有第二凹槽，所述第一凹槽和所述第二凹槽沿所述套筒的轴向方向上间隔相对设置，

所述第一凸起部可转动地穿设在所述第一凹槽内，所述第二凸起部可转动地穿设在第二凹槽内。

9.根据权利要求8所述的储能飞轮，其特征在于，还包括：

第一磁轴承，所述第一磁轴承的外圈设在所述第一凹槽内，所述第一磁轴承的内圈穿设在所述第一凸起部上；

第二磁轴承，所述第二磁轴承的外圈设在所述第二凹槽内，所述第二磁轴承的内圈穿设在所述第二凸起部上。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的储能飞轮，其特征在于，还包括感应线圈，所述感应线圈设在所述壳体的顶部且位于所述真空室内，所述感应线圈与所述连接板在所述套筒的轴向间隔相对设置，所述感应线圈产生磁场以吸附所述轮毂，以便所述轮毂在磁场和重力场的作用下悬浮在所述壳体内。

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