CN114257035B - 储能飞轮 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种储能飞轮，所述的储能飞轮包括壳体、转子组件和电机组件，壳体具有真空室，转子组件可转动地设在真空室内，转子组件包括本体，本体的横截面积沿从内向外逐渐减小，本体由碳纤维缠绕而成，碳纤维的缠绕角度与本体的高度方向呈夹角，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，电机转子与转子组件相连，电机转子穿设在电机定子内，电机转子的外周面和电机定子的内周面沿内外方向间隔设置，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
飞轮储能是通过复合材料飞轮旋转速度的提升和降低实现电能的存储和释放，当电能过剩时，和用电动机使复合材料飞轮的旋转速度提升，从而将电能以动能的方式存储在复合材料飞轮中，当电能不足时，利用降低复合材料飞轮的旋转速度驱动发电机工作，将储存在复合材料飞轮中的动能转化为电能。
相关技术中，由于碳纤维复合材料与金属材料的模量弹性差距较大。在储能飞轮中的碳纤维与转子轮毂容易发生分离。由于碳纤维环才用的是环向缠绕。并且径向厚度较大，这样会导致碳纤维径向层间发生分离，导致飞轮转子发生破坏，不但没有提高储能飞轮储能密度，而且还降低了储能飞轮安全性。
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：
相关技术中，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纤维复合材料，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。纤维复合材料环向强度高，而在径向方向上强度较低，从而使得纤维复合材料与轮毂发生分离，导致飞轮的储能密度降低。
另外，碳纤维具有沿纤维方向上强度较高，但复合材料飞轮的垂直于纤维方向上的强度低的缺点，由于碳纤维环才用的是环向缠绕，并且径向厚度较大，在高速旋转下会导致碳纤维径向层间发生分离。
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，所述转子组件可转动地设在所述真空室内，所述转子组件包括本体，所述本体的横截面积沿从内向外逐渐减小，所述本体由碳纤维缠绕而成，所述碳纤维的缠绕角度与所述本体的高度方向呈夹角；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，所述电机转子与所述转子组件相连，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，所述转子组件驱动所述电机组件发电。
本发明实施例的储能飞轮，设置本体，防止本体发生径向分离，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，所述转子组件还包括套筒、轴和延伸板，所述轴可转动地设在所述壳体内，所述轴穿设在所述套筒上，所述轴的外周面和所述套筒的内周面间隔设置，所述延伸板从所述轴的外周面沿内外方向延伸至所述套筒的内周面上，所述本体设在所述套筒的外周面上。
在一些实施例中，所述套筒包括第一套筒和第二套筒，所述轴穿设在所述第一套筒和所述第二套筒上，所述第一套筒和所述第二套筒沿所述轴的轴向间隔设置，所述第一套筒的内周面和所述第二套筒的内周面均与所述延伸板相连，所述碳纤维缠绕在第一套筒和第二套筒上，且第一套筒与碳纤维接触的部分和第二套筒与碳纤维接触的部分位于不同侧。
在一些实施例中，所述延伸板位于所述第一套筒和所述第二套筒之间，所述延伸板的上端面与所述第一套筒的下端面相连，所述延伸板的下端面与所述第二套筒的上端面相连。
在一些实施例中，所述延伸板包括第一过渡段和第二过渡段，所述第一过渡段和所述第二过渡段沿所述轴的轴向间隔相对设置，所述第一过渡段分别与所述延伸板和所述第一套筒相连，所述第二过渡段分别与所述延伸板和所述第二套筒相连，所述第一过渡段从所述延伸板的外周面朝向所述第一套筒延伸且沿内外方向向内凸出，所述第二过渡段从所述延伸板的外周面朝向所述第二套筒延伸且沿内外方向向内凸出。
在一些实施例中，所述本体具有腔室，所述腔室由碳纤维围城。
在一些实施例中，所述第一套筒的下端面设有从内向外延伸的第一延伸部，所述第二套筒的上端面设有从内向外延伸的第二延伸部，所述本体的一部分抵接在第一延伸部的上表面，所述本体的另一部分抵接在第二延伸部的下表面。
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，所述轴的两端分别可转动地穿设在所述第一凹槽和所述第二凹槽内。
在一些实施例中，所述储能飞轮，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轴上；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轴上。
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第一凹槽的顶部，所述感应线圈与所述轴在所述轴的轴向上间隔相对设置，所述感应线圈产生磁场以吸附所述轴，以便所述转子组件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转子组件的结构示意图。
图3是本发明实施例的储能飞轮的转子组件的套筒和轴的结构示意图。
图4是本发明实施例的储能飞轮的转子组件的碳纤维缠绕缠绕在套筒上的结构示意图。
图5是本发明实施例的储能飞轮的转子组件的碳纤维缠绕示意图。
图6是图5的俯视图。
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；本体21；腔室211；碳纤维212；套筒22；第一套筒221；第一延伸部2211；第二套筒222；第二延伸部2221；轴23；延伸板24；第一过渡段241；第二过渡段242；
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1-6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可转动地设在真空室11内，转子组件2包括本体21，本体21的横截面积沿从内向外逐渐减小，本体21由碳纤维212缠绕而成，碳纤维212的缠绕角度与本体21的高度方向（如图1所示的上下方向）呈夹角。具体地，如图1-6所示，在转子组件2的转速一定的情况下，转子组件2的有效回转半径越大，储能飞轮100的储能密度越大，因此，本体21由碳纤维沿上下方向倾斜缠绕，且本体21从内向外的厚度逐渐减小，使得本体21的外周轮廓成扁球状，在相同的材料下，使得本体21的半径增大，从而提高了储能飞轮100的储能密度，另外，由于碳纤维212沿其延伸方向的强度较高，因此碳纤维212的缠绕角度与上下方向呈夹角，换言之，本体21通过碳纤维的三维缠绕的方式缠绕而成，从而使得碳纤维212缠绕而成的本体21在本体21能够承受较大的径向力，从而防止本体21发生径向分层，延长了本体21的安全性能。
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与转子组件2相连，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。
本发明实施例的储能飞轮100，设置本体21由碳纤维212缠绕而成，碳纤维212的缠绕角度与本体21的高度方向呈夹角，提高了碳纤维212径向强度，防止本体21在高速转动过程中碳纤维212发生径向分离，延长了本体21的使用寿命，提高了储能飞轮100的储能密度。
在一些实施例中，转子组件2还包括套筒22、轴23和延伸板24，轴23穿设在套筒22上，轴23可转动地设在壳体1，轴23的外周面和套筒22的内周面间隔设置，延伸板24从轴23的外周面沿内外方向延伸至套筒22的内周面上，本体21设在套筒22的外周面上。具体地，如图1-3所示，轴23穿设在套筒22内，延伸板24从套筒22的内周面沿内外方向向内延伸至轴23的外周面上，由此，通过轴23带动套筒22和本体21在真空室11内高速转动，保证了储能飞轮100的储能密度。另外，碳纤维212缠绕在套筒22的外周面，从而方便碳纤维212缠绕在套筒22上，为本体21提供安装基础，方便转子组件2加工制造。
在一些实施例中，套筒22包括第一套筒221和第二套筒222，轴23穿设在第一套筒221和第二套筒222上，第一套筒221和第二套筒222沿轴23的轴向（如图1所示的上下方向）间隔设置，第一套筒221的内周面和第二套筒222的内周面均与延伸板24相连，碳纤维212缠绕在第一套筒221和第二套筒222上，且第一套筒221与碳纤维212接触的部分和第二套筒222与碳纤维212接触的部分位于不同侧。
具体地，如图1-2第一套筒221和第二套筒222均套设在轴23上且沿上下方向间隔设置，延伸板24的外周侧分别与第一套筒221和第二套筒222相连，延伸板24的内周面与轴23的外周面相连，本体21的碳纤维212可沿第一套筒221的左侧向第二套筒222的右侧的方向缠绕，或本体21的碳纤维212可沿第二套筒222的左侧向第一套筒221的右侧的方向缠绕，从而将碳纤维212缠绕在第一套筒221和第二套筒222上，使得第一套筒221、第二套筒222和碳纤维212的设置更加合理，另外，第一套筒221和第二套筒222的设置，使得套筒22在离心载荷作用下，第一套筒221和第二套筒222在轴23的径向方向向外扩张变形较大，第一套筒221和第二套筒222均与本体21的内周面在径向方向向外扩张变形相协调，避免本体21与第一套筒221和第二套筒222发生分离，提高了转子组件2的安全性能。
在一些实施例中，延伸板24位于第一套筒221和第二套筒222之间，延伸板24的上端面与第一套筒221的下端面相连，延伸板24的下端面与第二套筒222的上端面相连。具体地，如图3所示，第一套筒221、延伸板24和第二套筒222沿上下方向依次设置，延伸板24分别与第一套筒221和第二套筒222相连，当转子组件2高速转动时，第一套筒221和第二套筒222在轴23的径向方向向外扩张的变形量相同，使得转子组件2内受到的应力相同，进一步延长了转子组件2的安全性能。
在一些实施例中，延伸板24包括第一过渡段241和第二过渡段242，第一过渡段241和第二过渡段242沿轴23的轴向间隔相对设置，第一过渡段241分别与延伸板24和第一套筒221相连，第二过渡段242分别与延伸板24和第二套筒222相连，第一过渡段241从延伸板24的外周面朝向第一套筒221延伸且沿内外方向向内凸出，第二过渡段242从延伸板24的外周面朝向第二套筒222延伸且沿内外方向向内凸出。由此，通过第一过渡段241进一步增加了第一套筒221向外扩张的变形量，第二过渡段242进一步郑家了第二套筒222向外扩张的变形量，进一步防止本体21与第一套筒221和第二套筒222发生脱离，延长了转子组件2的安全性能。
可以理解的是，本体21可完全有碳纤维212缠绕而成，从而提高了转子组件2的储能密度。
在一些实施例中，本体21具有腔室211，腔室211由碳纤维212围城。具体地，如图1所示，本体21内具有碳纤维212围城的腔室211，从而减小了本体21的重量，提高了转子组件2的储能密度。
在一些实施例中，第一套筒221的下端面设有从内向外延伸的第一延伸部2211，第二套筒222的上端面设有从内向外延伸的第二延伸部2221，本体21的一部分抵接在第一延伸部2211的上表面，本体21的另一部分抵接在第二延伸部2221的下表面。具体地，如图2所示，第一延伸部2211设在第一套筒221的下端面的外周侧，第二延伸部2221设在第二套筒222上端面的外周面，方便碳纤维212缠绕在第一套筒221和第二套筒222上，减小了转子组件2的加工制造成本。
在一些实施例中，储能飞轮100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22的轴向方向上间隔相对设置，轴23的两端分别可转动地穿设在第一凹槽12和第二凹槽13内。由此，使得轴23的上端穿设在第一凹槽12内，轴23的下端穿设在第二凹槽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的内圈穿设在轴23上，第二磁轴承5的外圈设在第二凹槽13内，第二磁轴承5的内圈穿设在轴23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设在第一凹槽12的顶部，感应线圈6与所轴23在轴23的轴向上间隔相对设置，感应线圈6产生磁场以吸附轴23，以便转子组件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产生磁场将对轴23的上端面产生吸引力，吸引力和转子组件2的重力在壳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 (8)

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，所述转子组件可转动地设在所述真空室内，所述转子组件包括本体，所述本体的横截面积沿从内向外逐渐减小，所述本体由碳纤维缠绕而成，所述碳纤维的缠绕角度与所述本体的高度方向呈夹角，所述转子组件还包括套筒、轴和延伸板，所述轴可转动地设在所述壳体内，所述轴穿设在所述套筒上，所述轴的外周面和所述套筒的内周面间隔设置，所述延伸板从所述轴的外周面沿内外方向延伸至所述套筒的内周面上，所述本体设在所述套筒的外周面上，所述套筒包括第一套筒和第二套筒，所述轴穿设在所述第一套筒和所述第二套筒上，所述第一套筒和所述第二套筒沿所述轴的轴向间隔设置，所述第一套筒的内周面和所述第二套筒的内周面均与所述延伸板相连，所述碳纤维缠绕在所述第一套筒和所述第二套筒上，且所述第一套筒与所述碳纤维接触的部分和所述第二套筒与所述碳纤维接触的部分位于不同侧；
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，所述电机转子与所述转子组件相连，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，所述延伸板位于所述第一套筒和所述第二套筒之间，所述延伸板的上端面与所述第一套筒的下端面相连，所述延伸板的下端面与所述第二套筒的上端面相连。
3.根据权利要求2所述的储能飞轮，其特征在于，所述延伸板包括第一过渡段和第二过渡段，所述第一过渡段和所述第二过渡段沿所述轴的轴向间隔相对设置，所述第一过渡段分别与所述延伸板和所述第一套筒相连，所述第二过渡段分别与所述延伸板和所述第二套筒相连，所述第一过渡段从所述延伸板的外周面朝向所述第一套筒延伸且沿内外方向向内凸出，所述第二过渡段从所述延伸板的外周面朝向所述第二套筒延伸且沿内外方向向内凸出。
4.根据权利要求1所述的储能飞轮，其特征在于，所述本体具有腔室，所述腔室由碳纤维围城。
5.根据权利要求3所述的储能飞轮，其特征在于，所述第一套筒的下端面设有从内向外延伸的第一延伸部，所述第二套筒的上端面设有从内向外延伸的第二延伸部，所述本体的一部分抵接在第一延伸部的上表面，所述本体的另一部分抵接在第二延伸部的下表面。
6.根据权利要求1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，所述轴的两端分别可转动地穿设在所述第一凹槽和所述第二凹槽内。
7.根据权利要求6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轴上；
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轴上。
8.根据权利要求6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第一凹槽的顶部，所述感应线圈与所述 轴在所述轴的轴向上间隔相对设置，所述感应线圈产生磁场以吸附所述轴，以便所述转子组件在磁场和重力场的作用下悬浮在所述壳体内。
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