CN114257036A - 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，转子组件可转动地设在真空室内，转子组件包括轴、多个支撑杆和碳纤维环，碳纤维环套设在轴上，且碳纤维环的内周面和轴的外周面沿内外方向间隔设置，碳纤维环包括多个子段，碳纤维环的外周轮廓的横截面为多边形，多个支撑杆沿轴的周向间隔设置，支撑杆的一端与轴相连，支撑杆的另一端与相邻的两个子段的连接处相连，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，电机转子套设在轴上，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。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

飞轮储能是一种利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转化成动能储存起来，在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式。

相关技术中，储能飞轮储能的飞轮的线速度受到飞轮材料的限制，导致飞轮的转速底，储能飞轮的储能密度底，安全性能差。

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，在飞轮储能为达到最大储能密度的同时，必须保证在高速旋转状态下飞轮的强度满足材料强度要求。因为在高速旋转状态下会使飞轮内部产生很大的离心力，为保证飞轮不会发生崩裂和损坏，所以采用复合材料来制备飞轮轮缘能有效的解决这个问题，而且采用复合材料也可以进一步降低飞轮质量，提高系统稳定性。

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。

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。

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，所述转子组件包括轴、多个支撑杆和碳纤维环，所述碳纤维环套设在所述轴上，且所述碳纤维环的内周面和所述轴的外周面沿内外方向间隔设置，所述碳纤维环包括多个子段，所述碳纤维环的横截面的外周轮廓为多边形，多个所述子段沿所述轴的周向依次相连，多个所述支撑杆沿所述轴的周向间隔设置，所述支撑杆的一端与所述轴相连，所述支撑杆的另一端与相邻两个所述子段的连接处相连；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，所述电机转子套设在所述轴上，以便所述转子组件带动所述电机转子转动，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，设置轴、多个支撑杆和碳纤维环，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，所述支撑杆包括依次相连的多个子杆，相邻的两个所述子杆的延伸方向相交呈夹角。

在一些实施例中，至少一个所述子杆为弯曲杆，其余的所述子杆为沿所述轴的径向延伸的平直杆。

在一些实施例中，所述子杆均为弯曲杆，相邻的两个所述子杆的弯曲方向相反。

在一些实施例中，所述支撑杆的材料为碳纤维材料或合金材料中的任一种。

在一些实施例中，相邻的两个所述子段通过圆弧过渡。

在一些实施例中，每个所述子段的长度相同。

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轴的轴向上间隔相对设置，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的外周侧；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的外周侧。

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俯视图。

图4是本发明实施例的储能飞轮的碳纤维环为多边形的碳纤维内环的变形量。

图5是本发明实施例的储能飞轮的碳纤维环为圆环形的碳纤维内环的变形量。

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；轴21；支撑杆22；碳纤维环23；子段231；

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可转动地设在真空室11内，转子组件2包括轴21、多个支撑杆22和碳纤维环23，碳纤维环23套设在轴21上，且碳纤维环23的内周面和轴21的外周面沿内外方向间隔设置，碳纤维环23包括多个子段231，碳纤维环23的外周轮廓的横截面的为多边形，多个子段231沿轴21的周向依次相连，多个支撑杆22沿轴21的周向间隔设置，支撑杆22的一端与轴21相连，支撑杆22的另一端与相邻的两个子段231的连接处相连。具体地，如图1所示，轴21可转动地设在壳体1内，碳纤维环23的外周面为多个子段231围成的多边形，碳纤维环23的外形轮廓可以为但不限于为长方形、平行四边形或六边形等形状。且子段231为直线段，支撑杆22的一端与轴21的外周面相连，支撑杆22的另一端与相邻的两个子段231之间的连接处相连。

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套设在轴21上，以便转子组件2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。

根据发明人的研究发现，如图4-5所示，在相同的条件（例如,转子组件2的转速、检测时间、温度、湿度等），当转子组件2的碳纤维环23的外周轮廓为圆形时，在转子组件2高速转动时候，碳纤维环23的内周面的变形量为0.37-0.39，当碳纤维环23的外周轮廓为多边形时，两个子段231之间的交接处的变形量为0.28-0.29，因此，当碳纤维环23的外周轮廓为多边形时，两个子段231之间的交接处的内周面的变形量较小。

根据本发明实施例的储能飞轮100，设置多个支撑杆22和碳纤维环23，从而减小了碳纤维环23的变形量，防止在转子高速转动时，碳纤维环23的内周面和支撑杆22发生脱离，保证了转子组件2的储能密度，延长了转子组件2的安全性能。

在一些实施例中，支撑杆22包括依次相连的多个子杆（图中未示意出），相邻的两个子杆的延伸方向相交呈夹角。由此，当支撑杆22高速转动时，相邻的两个子杆之间的变形增大，使得支撑杆22沿内外方向向外变形，从而防止支撑杆22和碳纤维环23分离，提高了转子组件2的安全性能。

在一些实施例中，至少一个子杆为弯曲杆（图中未示意出），其余的子杆为沿轴21的径向延伸的平直杆。具体地，多个子杆中的至少一个子杆为弯曲杆，其余的直杆为沿轴21的径向延伸的平直杆，当支撑杆22高速转动时，弯曲杆具有较大的变形量，从而使得支撑杆22的变形量进一步增大，防止支撑杆22和碳纤维环23分离。

在一些实施例中，子杆均为弯曲杆（图中未示意出），相邻的两个子杆的弯曲方向相反。具体地，支撑杆22包括第一弯曲杆和第二弯曲杆，第一弯曲杆和第二弯曲杆的曲率可以相同也可以不同，从而可以根据实际情况对第一弯曲杆和第二弯曲杆进行设置，另外第一弯曲杆和第二弯曲杆的弯曲方向不同，使得支撑杆22的外周轮廓大体为S状，提高了支撑杆22的稳定性。

在一些实施例中，支撑杆22的材料为碳纤维材料或合金材料中的任一种。具体地，可根据实际情况对支撑杆22的材料进行选择，当需要储能能力较大时，支撑杆22可以选择碳纤维材料，当需要储能能力较小，为了降低成本，支撑杆22可以合金材料。

在一些实施例中，相邻的两个子段231通过圆弧过渡。由此，防止相邻的两个子段231之间产生应力集中，提高了支撑杆22的使用寿命，使得支撑杆22设置的更加合理。

在一些实施例中，每个子段231的长度相同。由此，使得碳纤维环23的外周轮廓为正多边形，例如碳纤维环23可以为但不限于为等边三角形、正方形、正六边形者正八边形等正多边形形状，从而使得碳纤维环23在高速转动时，相邻的两个子段231之间的连接处的变形量相等，从而使得碳纤维环23在高速转动时，内部产生的应力相等，进一步提高了碳纤维环23的使用寿命。

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沿轴21的轴向（如图1所示的上下方向）方向间隔相对设置，轴21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21的上端穿设在第一凹槽12内，轴21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21的外周侧,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21的外周侧。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21在轴21的轴向间隔相对设置，感应线圈6产生磁场以吸附轴21，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21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 (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，所述转子组件可转动地设在所述真空室内，所述转子组件包括轴、多个支撑杆和碳纤维环，所述碳纤维环套设在所述轴上，且所述碳纤维环的内周面和所述轴的外周面沿内外方向间隔设置，所述碳纤维环包括多个子段，所述碳纤维环的横截面的外周轮廓为多边形，多个所述子段沿所述轴的周向依次相连，多个所述支撑杆沿所述轴的周向间隔设置，所述支撑杆的一端与所述轴相连，所述支撑杆的另一端与相邻两个所述子段的连接处相连；

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，所述电机转子套设在所述轴上，以便所述转子组件带动所述电机转子转动，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，所述支撑杆包括依次相连的多个子杆，相邻的两个所述子杆的延伸方向相交呈夹角。

3.根据权利要求2所述的储能飞轮，其特征在于，至少一个所述子杆为弯曲杆，其余的所述子杆为沿所述轴的径向延伸的平直杆。

4.根据权利要求2所述的储能飞轮，其特征在于，所述子杆均为弯曲杆，相邻的两个所述子杆的弯曲方向相反。

5.根据权利要求1所述的储能飞轮，其特征在于，所述支撑杆的材料为碳纤维材料或合金材料中的任一种。

6.根据权利要求1所述的储能飞轮，其特征在于，相邻两个所述子段通过圆弧过渡。

7.根据权利要求1所述的储能飞轮，其特征在于，每个所述子段的长度相同。

8.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轴的轴向上间隔相对设置，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。

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。

10.根据权利要求8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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