CN115694052A - 立式飞轮储能及惯量传导系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种立式飞轮储能及惯量传导系统，包括飞轮储能单元、惯量传导装置和发电机。飞轮储能单元包括飞轮转子和电动机，惯量传导装置用于传导转动惯量，惯量传导装置包括转动惯量输入端和转动惯量输出端，飞轮转子可断开地与转动惯量输入端传动连接，转动惯量输出端的转速能够保持恒定，转动惯量输出端可断开地与发电机传动连接，发电机用于受惯量传导装置驱动产生并输出稳定电流，其中，电动机、飞轮转子、惯量传导装置以及发电机均立式布置且在竖直方向上从下至上设置。将本发明的立式飞轮储能及惯量传导系统与电网连接，能够提高电网中的转动惯量，为电网提供必要的电压和频率支撑。

Description

立式飞轮储能及惯量传导系统

技术领域

本发明涉及储能技术领域，尤其是涉及一种立式飞轮储能及惯量传导系统。

背景技术

随着以清洁能源为主的新一轮能源变革的发展，新能源在我国电网中的占比将越来越高。但是，新能源技术中多采用电力电子装置接入电网，而电力电子装置属于静置设备，其不具备类似同步机的旋转结构，几乎没有转动惯量，无法主动为电网提供必要的电压和频率支撑，也无法提供必要的阻尼作用。尤其是随着通过电力电子装置连接到电网的分布式能源的渗透率越来越高，电网总的转动惯量不断减小，因此当发生重大的负荷或电源突变时电网出现大的频率偏差的风险也不断提高。高比例电力电子装置的接入会导致电网长期处于低惯量水平中，增加系统不平衡功率冲击，这给电力系统安全稳定的运行带来了越来越大的压力。为改善缓解电网运行压力及新能源消纳压力，亟需具备一定的支撑电网动态调整能力的储能系统来提高电网高效接纳新能源的能力。

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：

飞轮储能技术是一种以动能形式存储能量的储能技术，通过电动机/发电机带动转子加速/减速的方式来实现能量的存储/释放。飞轮储能的主要优点是具有快速的爬坡能力、能量转换效率高和使用寿命长等，在提供辅助服务，例如惯量和频率调节等方面具有得天独厚的优势。且飞轮没有任何地理限制，可以轻松安装，具有可推广及可大规模复制的优点。

目前已有的飞轮储能技术均通过电力电子装置辅助电动/发电机进行动能和电能之间的相互转换过程。当系统需要储存电能时，其会将外部输送来的交流电通过AC/DC的方式供给电动机，进而驱动飞轮转子旋转储能；当需要放电时，电力电子装置对飞轮转子的转子转动惯量进行解耦，起到整流、调频、稳压的作用，以满足负载用电需求。但是电力电子装置属于静置设备，几乎没有转动惯量，因此，飞轮储能技术无法解决当前电网中由电力电子装置的使用导致的总的转动惯量不断减小的问题，

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，本发明提出一种立式飞轮储能及惯量传导系统。

根据本发明的立式飞轮储能及惯量传导系统，包括：飞轮储能单元，所述飞轮储能单元包括飞轮转子和电动机；惯量传导装置，所述惯量传导装置用于传导转动惯量，所述惯量传导装置包括转动惯量输入端和转动惯量输出端，所述飞轮转子可断开地与所述转动惯量输入端传动连接，所述转动惯量输出端的转速能够保持恒定；和发电机，所述转动惯量输出端可断开地与所述发电机传动连接，所述发电机用于受所述惯量传导装置驱动产生并输出稳定电流，所述电动机、所述飞轮转子、所述惯量传导装置以及所述发电机均立式布置且在竖直方向上从下至上设置；真空室，所述飞轮转子和所述电动机均位于所述真空室内，所述惯量传导装置和所述发电机均位于所述真空室外，或者，所述惯量传导装置位于所述真空室内，所述发电机位于所述真空室外。

根据本发明提供的立式飞轮储能及惯量传导系统具有用于传导转动惯量的惯量传导装置，且惯量传导装置的输出转速能够保持恒定，发电机能够稳定输出电流。将本发明实施例提供的立式飞轮储能及惯量传导系统与电网连接，无需采用电力电子装置解耦、整流、调频、稳压，解决了目前电网中由电力电子装置的使用导致的总的转动惯量不断减小的问题，能够提高电网中的转动惯量，为电网提供必要的电压和频率支撑，降低了电网出现大的频率偏差的风险，使电力系统能够安全稳定的运行，并提高了电网高效接纳新能源的能力。

在一些实施例中，所述立式飞轮储能及惯量传导系统，包括第一传动轴和第二传动轴，所述第一传动轴传动连接所述飞轮转子、所述电动机和所述转动惯量输入端，所述第二传动轴传动连接所述转动惯量输出端和所述发电机。

在一些实施例中，所述第一传动轴的旋转中心线、所述第二传动轴的旋转中心线和所述飞轮转子的旋转中心线彼此重合，且均沿竖直方向延伸。

在一些实施例中，所述飞轮转子套设在所述第一传动轴上并与其相连，所述第一传动轴的一端与所述电动机的输出端传动连接，所述第一传动轴的另一端与所述转动惯量输入端传动连接，所述第二传动轴的一端与所述转动惯量输出端传动连接，所述第二传动轴的另一端与所述发电机的输入端传动连接。

在一些实施例中，当所述惯量传导装置和所述发电机均位于所述真空室外，所述第一传动轴从所述真空室内穿出并与所述真空室之间配合设置有动密封结构，当所述惯量传导装置位于所述真空室内，所述发电机位于所述真空室外，所述第一传动轴位于所述真空室内，所述第二传动轴从所述真空室内穿出并与所述真空室之间配合设置有动密封结构。

在一些实施例中，所述惯量传导装置为无级变速装置以便使所述转动惯量输出端的转速能够保持恒定。

在一些实施例中，所述惯量传导装置为具有无级变速功能的永磁变速装置，所述永磁变速装置包括内磁环、调磁环和外磁环，所述内磁环、所述调磁环和所述外磁环从内向外依次套装且彼此间隔形成气隙，所述内磁环为所述转动惯量输入端，所述调磁环为所述转动惯量输出端，所述外磁环可旋转地设置。

在一些实施例中，所述外磁环包括从内向外依次相连的外磁环内永磁体、外磁环铁芯和外磁环外永磁体，所述永磁变速装置还包括定子，所述定子套设在所述外磁环上并与所述外磁环间隔形成气隙，所述外磁环能够被所述定子产生的旋转磁场驱动且转速可调。

在一些实施例中，立式飞轮储能及惯量传导系统还包括飞轮储能控制器，所述飞轮储能控制器用于控制所述飞轮储能单元的能量输入及输入功率，所述飞轮储能控制器包括：电网检测模块，所述电网检测模块用于检测电网的当前频率和状态；电动机控制模块，所述电动机控制模块用于根据电网的当前频率和状态控制所述电动机的启闭及输入功率。

在一些实施例中，立式飞轮储能及惯量传导系统还包括惯量传导控制器，所述惯量传导控制器用于调控所述惯量传导装置的变速比，其包括：输入转速检测模块，所述输入转速检测模块用于检测所述惯量传导装置的输入转速；运算模块，所述运算模块用于根据所述惯量传导装置的输入转速和所述输出转速的预设值运算出所述惯量传导装置的理想变速比。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明实施例一的立式飞轮储能及惯量传导系统的示意图。

图2是根据本发明实施例二的立式飞轮储能及惯量传导系统的示意图。

图3是根据本发明实施例的飞轮储能单元的结构示意图。

图4是根据本发明实施例的永磁变速装置的结构示意图。

图5是根据本发明实施例的永磁变速装置的截面图。

图6是根据本发明实施例的飞轮储能控制器的示意图。

图7是根据本发明实施例的惯量传导控制器示意图。

附图标记：

飞轮储能单元10；飞轮转子111；电动机112；电动机定子1121；电动机转子1122；惯量传导装置20；转动惯量输入端211；转动惯量输出端212；永磁变速装置210；发电机30；第一传动轴41；第二传动轴42；真空室50；轴向轴承51；径向轴承52；散热器60；电动机电源70；减振装置80；飞轮储能控制器101；

调磁环001；内磁环002；内磁环永磁体0021；内磁环铁芯0022；内磁环筒体0023；外磁环003；外磁环内永磁体0031；外磁环铁芯0032；外磁环外永磁体0033；调磁环支撑轴承0041；内支撑轴承0042；第一外磁环支撑轴承0043；第二外磁环支撑轴承0044；内磁环法兰005；第一调磁环法兰0061；第二调磁环法兰0062；第一外磁环法兰0063；第二外磁环法兰0064；定子100；定子铁芯110；绕组120；外壳130。

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。

下面根据图1和图2描述本发明的实施例的立式飞轮储能及惯量传导系统的基本结构。如图1和图2所示，立式飞轮储能及惯量传导系统包括飞轮储能单元10、惯量传导装置20和发电机30。

飞轮储能单元10包括飞轮转子111和电动机112。飞轮转子111的加速能够实现能量的储存，飞轮转子111的减速能够实现能量的释放。其中飞轮转子111与电动机112相连，电动机112用于驱动飞轮转子111旋转。电动机112通过驱动飞轮转子111加速旋转，最终实现电能以动能的形式储存在飞轮储能单元10中。

惯量传导装置20用于传导飞轮转子111由于转动产生的转动惯量，以及驱动发电机30产生并输出电能。惯量传导装置20包括转动惯量输入端211和转动惯量输出端212。飞轮转子111可断开地与转动惯量输入端211传动连接，转动惯量输出端212可断开地与发电机30传动连接。也就是说，飞轮转子111可以与惯量传导装置20传动连接，也可以不与惯量传导装置20传动连接。惯量传导装置20可以与发电机30传动连接以驱动发电机30发电，也可以不与发电机30传动连接，此时惯量传导装置20无法驱动发电机30产生电能。可选地，发电机30可以将产生的电能输入电网。

转动惯量输出端212的转速能够保持恒定，即惯量传导装置20的输出转速能够保持恒定。由于转动惯量输出端212的转速能够保持恒定，发电机30能够在惯量传导装置20的驱动下产生并输出稳定的电流。也就是说，使转动惯量输出端212的转速恒定，从而能够稳定地向发电机30输入动能，发电机30在稳定的驱动下能够稳定发电，产生并输出稳定的电流。

其中，如图1和图2所示，电动机112、飞轮转子111、惯量传导装置20和发电机30均立式布置。“立式布置”是指中心轴线沿竖直方向延伸，例如，飞轮转子111的中心轴线为其旋转中心线。电动机112、飞轮转子111、惯量传导装置20和发电机30在竖直方向上从下至上设置。

立式飞轮储能及惯量传导系统还包括真空室50，飞轮转子111和电动机112位于真空室50内，以减小飞轮转子111的风阻磨损。惯量传导装置20和发电机30均位于真空室50外，或者，惯量传导装置20位于真空室50内，发电机30位于真空室50外。

可选地，立式飞轮储能及惯量传导系统可以与电网相连以便参与电网惯量响应，将溢出的能量按溢出比例存于飞轮转子111或者从飞轮转子111按缺失比例汲取能量补充电网，降低电网频率波动。

根据本发明实施例提供的立式飞轮储能及惯量传导系统具有用于传导转动惯量的惯量传导装置，且惯量传导装置的输出转速能够保持恒定，发电机能够稳定输出电流。将本发明实施例提供的立式飞轮储能及惯量传导系统与电网连接，无需采用电力电子装置解耦、整流、调频、稳压，解决了目前电网中由电力电子装置的使用导致的总的转动惯量不断减小的问题，能够提高电网中的转动惯量，为电网提供必要的电压和频率支撑，降低了电网出现大的频率偏差的风险，使电力系统能够安全稳定的运行，并提高了电网高效接纳新能源的能力。

在一些实施例中，惯量传导装置20为变速装置且变速比可调以便使转动惯量输出端212的转速能够保持恒定。惯量传导装置20的变速比为惯量传导装置20的输入转速与输出转速之比。惯量传导装置20的输入转速即转动惯量输入端211的转速，惯量传导装置20的输出转速即转动惯量输出端212的转速。惯量传导装置20的输出转速由惯量传导装置20的变速比决定，也可以说，惯量传导装置20的变速比由惯量传导装置20的输出转速和输入转速决定。

需要说明的是，在本实施例中，惯量传导装置20的输入转速与飞轮转子111的输出转速相等，发电机30的转速与惯量传导装置20的输出转速相等。

本领域的技术人员可以理解的是，飞轮转子111的转速通常情况下处于不断变化之中，通过对惯量传导装置20的变速比进行调节，可以使转动惯量输出端212的转速不受飞轮转子111的转速的变化的影响而始终保持恒定。也就是说，为了使转动惯量输出端212的转速保持恒定，对转动惯量输出端212的转速设定预设值，根据飞轮转子111当前的转速，能够计算得出惯量传导装置20的理想变速比，并根据该理想变速比不断调节惯量传导装置20的变速比，从而实现使转动惯量输出端212的转速能够保持恒定，发电机30能够稳定发电。

为了使立式飞轮储能及惯量传导系统能够更好地使惯量传导装置20的输出转速恒定，以使发电机30能够输出稳定的电流，在一些实施例中，惯量传导装置20为无级变速装置，即惯量传导装置20可以连续获得允许的变速范围内任何变速比。使惯量传导装置20具有无级变速功能，可以更灵活地对惯量传导装置20的变速比进行调节，提高惯量传导装置20的输出转速的稳定性，使发电机30向电网中持续稳定地输出电流。

进一步可选地，惯量传导装置20为具有无级变速功能的永磁变速装置、液力变速装置或齿轮传动装置。

进一步地，本申请提供的立式飞轮储能及惯量传导系统具备储能状态和释能状态，且能够在储能状态和释能状态之间切换。也可以说，立式飞轮储能及惯量传导系统在运行过程包括储能阶段、释能阶段和待机阶段，储能阶段对应上述储能状态，释能阶段对应上述释能状态。当立式飞轮储能及惯量传导系统在储能状态下时，将电能转化为动能储存；当立式飞轮储能及惯量传导系统在释能状态下时，释放其储存的动能，并将动能转化为电能输出。

下面以发电机30能够与电网电连接并向电网中输入电能为例描述本申请的技术方案，具体如下：

在储能状态下，电动机112运行并驱动飞轮转子111转动，飞轮转子111的转速上升实现储能，且在该状态下发电机30停止向电网中输入电能。

可选地，飞轮转子111在电动机112的驱动下转速上升到额定最高转速，当到达额定最高转速后，飞轮转子111完成储能，而后电动机112停止驱动飞轮转子111。

在一些实施例中，储能状态下飞轮转子111、惯量传导装置20以及发电机30之间保持传动连接，发电机30空转以实现停止向电网中输入电能。也就是说，在储能阶段，发电机30与电网之间的电能传递路线被断开，发电机30不发电。

需要说明的是，在其他实施例中，还可以有其他多种方式实现发电机30停止向电网中输入电能：

例如，在一些可选实施例中，在储能状态下，飞轮储能单元10与惯量传导装置20之间断开传动连接，也就是说，飞轮转子111与转动惯量输入端211之间的连接断开，飞轮转子111的转动惯量不再能够传递给惯量传导装置20，因此惯量传导装置20也就无法驱动发电机30运行，即发电机30不发电，从而实现发电机30停止向电网中输入电能。和/或，在储能状态下，惯量传导装置20的转动惯量输出端212的转速为零，即惯量传导装置20的输出转速为零。也可以认为，惯量传导装置20的变速比为零。因此，惯量传导装置20无法驱动发电机30运行，发电机30停止向电网中输入电能。和/或，在储能状态下，惯量传导装置20与发电机30之间的传动连接断开，即转动惯量输出端212与发电机30之间的连接断开，发电机30无法被惯量传导装置20驱动，因此，发电机30停止向电网中输入电能。

优选储能状态下发电机30空转以实现停止向电网中输入电能的技术方案。

在释能状态下，电动机112待机，飞轮转子111与转动惯量输入端211传动连接，且转动惯量输出端212与发电机30传动连接，飞轮转子111释放动能转速下降，惯量传导装置20驱动发电机30发电，发电机30将产生的电能输入电网。

其中在释能状态下电动机112待机是指，电动机112没有运行，其没有驱动飞轮转子111加速。也就是说，当立式飞轮储能及惯量传导系统处于释能状态下时，立式飞轮储能及惯量传导系统中只有能量输出，没有能量输入。当立式飞轮储能及惯量传导系统处于上述储能状态下时，立式飞轮储能及惯量传导系统中只有能量输入，没有能量输出。

需要说明的是，在释能状态下，转动惯量输出端212保持预设转速转动以使发电机30产生稳定电流。也就是说，在释能状态下，惯量传导装置20的输出转速保持恒定，发电机30在恒定转速下能够向电网输入稳定的电流。

可选地，惯量传导装置20的输出转速恒定在3000rpm，也就是说，发电机30能够在3000rpm的恒定转速下运行产生稳定电流。

进一步可选地，发电机30输出的电流的频率为50Hz，发电机30可以直接向电网中输电。

在一些实施例中，立式飞轮储能及惯量传导系统还具备待机状态。也可以说，立式飞轮储能及惯量传导系统在运行过程还包括待机阶段。当立式飞轮储能及惯量传导系统在待机状态下时，立式飞轮储能及惯量传导系统处于能量保持阶段，即没有能量的输入也没有能量的输出，立式飞轮储能及惯量传导系统以最小的损耗运行。在待机状态下，电动机112待机，发电机30空转，飞轮转子111释放少量的动能以保持发电机30的输入轴以预设转速转动。

例如，当电网中的频率等于预设值时(例如电网频率等于50Hz)，使立式飞轮储能及惯量传导系统进入待机状态，飞轮转子111损耗少量动能以维持发电机30的输入轴以预设转速(例如3000rpm)待机转动，以保证立式飞轮储能及惯量传导系统以最佳状态应对下一次电网频率波动。

在一些实施例中，立式飞轮储能及惯量传导系统包括第一传动轴41和第二传动轴42。其中，第一传动轴41用于传动连接飞轮转子111、电动机112和转动惯量输入端111。第二传动轴42用于传动连接转动惯量输出端212和发电机30。在对飞轮转子111进行储能时，电动机112通过驱动第一传动轴41实现驱动飞轮转子111加速转动。飞轮转子111释能时，飞轮转子111的转动带动第一传动轴41旋转，将转动惯量传递给惯量传导装置20，经过惯量传导装置20变速后，第二传动轴42驱动发电机运行而发电。

可以理解的是，在这些实施例中，飞轮转子111与转动惯量输入端111保持传动连接，转动惯量输出端212和发电机30保持传动连接。

可选地，第一传动轴41的旋转中心线、第二传动轴42的旋转中心线以及飞轮转子111的旋转中心线彼此重合，且均沿竖直方向延伸。

下面以图1-图2中所示的立式飞轮储能及惯量传导系统的示意图为例描述本发明提供的若干实施例中的立式飞轮储能及惯量传导系统的组成、连接关系及运行流程。

实施例一：

在图1所示的实施例中，立式飞轮储能及惯量传导系统包括飞轮储能单元10、惯量传导装置20、发电机30、第一传动轴41和第二传动轴42。飞轮储能单元10包括飞轮转子111和电动机112。电动机112、飞轮转子111、惯量传导装置20和发电机30均立式布置并在竖直方向上从下至上设置。第一传动轴41的旋转中心线、第二传动轴42的旋转中心线以及飞轮转子111的旋转中心线彼此重合，且均沿竖直方向延伸。竖直方向如图1中的箭头A表示。

飞轮转子111套设在第一传动轴41上并与其相连，电动机112位于飞轮转子111的远离惯量传导装置20的一侧，第一传动轴41的一端与电动机112的输出端传动连接，第一传动轴41的另一端与转动惯量输入端211传动连接。也就是说，第一传动轴41贯穿飞轮转子111，电动机112和惯量传导装置20分别位于飞轮转子111的两侧，或者说，飞轮转子111在预设方向上位于电动机112和惯量传导装置20之间。电动机112的输入端与第一传动轴41的一端传动连接，电动机112运行时，其输入端驱动第一传动轴41转动，第一传动轴41从而带动飞轮转子111转动。

发电机30位于惯量传导装置20的远离飞轮转子111的一侧，第二传动轴42的一端与转动惯量输出端212传动连接，第二传动轴42的另一端与发电机30的输入端传动连接。也就是说，发电机30和飞轮转子111分别位于惯量传导装置20的两侧，或者说，惯量传导装置20位于发电机30和飞轮转子111之间，转动惯量输出端212的转动能够驱动第二传动轴42的转动，从而第二传动轴42能够驱动发电机30运行，发电机30直接接入电网中，向电网中稳定输出恒频电流。

可以理解的是，在本实施例中，惯量传导装置20的转动惯量传递方向固定，即由飞轮转子111向发电机30方向传递。需要说明的是，发电机30也可以通过惯量响应的形式，用于将电网中的电能转化为动能传递给飞轮转子111。此时，转动惯量输出端212作为转动惯量输入段，转动惯量输入端211作为转动惯量输出端，转动惯量由发电机30向飞轮转子111方向传递。

在储能阶段，电动机112通过驱动第一传动轴41实现驱动飞轮转子111加速转动。在释能阶段，飞轮转子111的转动带动第一传动轴41旋转，将转动惯量传递给惯量传导装置20，经过惯量传导装置20变速后，第二传动轴42驱动发电机运行而发电，并且，在该过程中惯量传导装置20的变速比不断调整以使第二传动轴42的转速恒定。在待机阶段，飞轮转子111带动第一传动轴41旋转，飞轮转子111释放少量动能，能够保持第二传动轴42的转速恒定。也就是说，第二传动轴42的转速能够保持恒定。

进一步地，如图1所示，立式飞轮储能及惯量传导系统还包括真空室50，以减小飞轮转子111的风阻磨损。飞轮转子111和电动机112均位于真空室50内，惯量传导装置20、发电机30和第二传动轴42均位于真空室50外。第一传动轴41从真空室50内穿出，并且，第一传动轴41与真空室50之间设置有真空动密封结构。

下面以图3为例描述飞轮储能单元10的一个具体实施例。可以理解的是，图3所示的飞轮储能单元10仅为示例，在其他实施例中，飞轮储能单元10可以为本领域技术人员已知的其他实施方式，这里不作限制。

如图3所示，飞轮储能单元10呈立式布置，飞轮转子111和电动机112均位于真空室50内，电动机112包括电动机定子1121和电动机转子1122。

电动机112的电动机定子1121设置在真空室50的内壁上，电动机转子1122围绕第一传动轴41设置并与其相连，电动机定子1121与电动机转子1122相对，电动机转子1122的转动能够带动第一传动轴41的转动。

飞轮转子111与真空室50之间配合设置有轴向轴承51。在图3所示的实施例中，第一传动轴41贯穿飞轮转子111，以增强飞轮储能单元10的结构稳定性。第一传动轴41与真空室50之间配合设置有径向轴承52。并且，第一传动轴41与真空室50之间还设置有动密封结构，以保证真空密封腔内的高真空状态。

飞轮储能单元10还包括散热器60，散热器60保证飞轮储能单元10各部件温升不超过限制，以使飞轮储能单元10能够正常稳定地运行。

飞轮储能单元10还包括电动机电源70，电动机电源70用于向电动机112供电，在一些实施例中，电动机电源70与电网相连。

飞轮储能单元10还包括减振装置80，减振装置80与真空室50底部相抵以对真空室50及其内部的零部件进行减振，提高立式飞轮储能及惯量传导系统的稳定性。

进一步地，如图6所示，立式飞轮储能及惯量传导系统还包括飞轮储能控制器101。飞轮储能控制器101用于控制飞轮储能单元10的能量输入及输入功率，即飞轮储能控制器101用于控制是否向飞轮储能单元10中输入电能，还用于控制向飞轮储能单元10中输入的电能的功率。可选地，飞轮储能控制器101由独立电源供电，以保证其不会受外界电网的波动影响。可选地，如图3所示，飞轮储能控制器101连接在电动机电源70和电动机112之间。

飞轮储能控制器101包括电网检测模块和电动机控制模块。电网检测模块用于检测电网的当前频率。可选地，电网检测模块能够对电网的频率进行实时监控，以便更好地对电网的频率进行响应、调控。

电动机控制模块与电网检测模块之间通讯连接，电网检测模块将检测到的电网的频率传递给电动机控制模块，电动机控制模块接收到频率信号，并根据频率信号控制电动机112的启闭，以及电动机112的输入功率。

也就是说，当电动机控制模块接收到电网的当前频率信号，并判断需要启动电动机112对飞轮储能单元10进行储能时，电动机控制模块向电动机112发送启动信号，使电动机112开启，并从电网中吸收电能。

当电动机控制模块根据电网的当前频率判断出，不需要向飞轮储能单元10储能时，向电动机112发动关闭信号，关闭电动机112。

并且，电动机控制模块还可以根据电网的当前频率判断出电动机112的输入功率的大小，并控制向电动机112输入的功率。

例如，当电网的当前频率上升至大于预设值时，电动机控制模块判断增大电动机112的输入功率以对电网进行调频，抑制电网频率的进一步抬升。通过增大电动机112的输入功率，能够使飞轮储能单元10吸收更多的电能，飞轮转子111的转速增加。并且电网的频率偏差越大，飞轮转子111的力矩越大，即电动机112的输入功率越大。可以理解的是，电动机112的输入功率不会超过其能承受的最大功率。

因此，本申请实施例提供的立式飞轮储能及惯量传导系统能够实现对电网的扰动功率分配、惯量响应、一次调频等辅助服务，提高电力系统一次调频及惯量支撑能力。相比于传统机械惯量，本申请实施例提供的立式飞轮储能及惯量传导系统能够提供更快速且更稳定的频率控制。

进一步地，如图7所示，立式飞轮储能及惯量传导系统还包括惯量传导控制器，惯量传导控制器用于调控惯量传导装置的变速比，惯量传导控制器包括输入转速检测模块、运算模块以及变速比控制模块。

其中，输入转速检测模块用于检测惯量传导装置20的输入转速。运算模块用于根据惯量传导装置20的输入转速和输出转速的预设值运算出惯量传导装置的理想变速比。变速比控制模块用于根据理想变速比调控惯量传导装置20的变速比。

可以理解的是，在一些实施例中，惯量传导装置20的输入转速与飞轮转子111的转速相等，输入转速检测模块可以通过检测飞轮转子111的转速得到惯量传导装置20的输入转速。

输出转速的预设值可以提前输入运算模块中。例如，输出转速的预设值为3000rpm。运算模块与输入转速检测模块通讯连接，运算模块能够接收输入转速检测模块发出的转速信号，并根据该转速信号和预先设定的输出转速的预设值，计算出惯量传导装置20的理想变速比，并将计算出的该理想变速比传递给变速比控制模块。变速比控制模块与惯量传输装置20连接以便调控惯量传导装置20的变速比至理想变速比，从而实现惯量传导装置20的输出转速恒定在上述预设值。

可选地，飞轮转子111和惯量传导装置20之间设置有连接装置，惯量传导装置20和发电机30之间设置有连接装置。也就是说，第一传动轴41和第二传动轴42均可以为多段轴，段与段之间可以采用连接装置相连。可选地，所述连接装置可以包括一个或多个联轴器，法兰盘，齿轮装置等。

实施例二：

下面如图2为例描述本实施例提供的立式飞轮储能及惯量传导系统，本实施例提供的立式飞轮储能及惯量传导系统与实施例一的立式飞轮储能及惯量传导系统的结构基本类似，不同点在于，本实施例中，飞轮转子111、惯量传导装置20、第一传动轴41和电动机112均位于真空室50内，发电机30位于真空室50外。第二传动轴42的一部分位于真空密封腔中，另一部分从真空密封腔内穿出，并且，第二传动轴42与真空室50之间设置有真空动密封结构。使飞轮转子111、惯量传导装置20、第一传动轴41和电动机112位于真空室50内，即可以减小飞轮转子111的风阻磨损，又可以增加飞轮运行稳定性及效率。

实施例三：

本实施例以图4和图5为例，描述当惯量传导装置20为具有无级变速功能的永磁变速装置210时的一个具体实施例。

永磁变速装置210包括内磁环002、调磁环001和外磁环003。内磁环002、调磁环001和外磁环003从内向外依次套装且彼此间隔形成气隙。内磁环002作为永磁变速装置210的转动惯量输入端211与第一传动轴41传动连接，调磁环001作为永磁变速装置210的转动惯量输出端212与第二传动轴42传动连接。其中，外磁环003可旋转地设置。外磁环003的旋转可以改变永磁变速装置210的变速比。

具体地，如图4和图5所示，永磁变速装置210包括内磁环002、调磁环001和外磁环003和定子100。

内磁环002包括内磁环永磁体0021、内磁环铁芯0022和内磁环筒体0023。内磁环永磁体0021设在内磁环铁芯0022的外周面上，内磁环铁芯0022套设在内磁环筒体0023上，内磁环筒体0023起到了支撑作用。也就是说，内磁环永磁体0021、内磁环铁芯0022和内磁环筒体0023从外向内依次相连，其中内磁环永磁体0021与内磁环铁芯0022的外周面相连，内磁环筒体0023与内磁环铁芯0022的内周面相连。

外磁环003包括外磁环内永磁体0031、外磁环铁芯0032和外磁环外永磁体0033。外磁环内永磁体0031设在外磁环铁芯0032的内周面上，外磁环外永磁体0033设在外磁环铁芯0032的外周面上，也可以说，外磁环内永磁体0031、外磁环铁芯0032和外磁环外永磁体0033从内向外依次相连。

调磁环001包括骨架和嵌设在骨架中的导磁块。内磁环002、调磁环001和外磁环003从内向外依次套装且彼此间隔形成气隙。即调磁环001套设在内磁环002上并与内磁环002之间形成气隙，外磁环003套设在调磁环001上并与调磁环001之间形成气隙。并且，导磁块在内磁环002的径向上与内磁环永磁体0021和外磁环内永磁体0031相对。

内磁环002与第一传动轴41传动连接，调磁环001与第二传动轴42传动连接，即内磁环002作为永磁变速装置210的输入端(转动惯量输入端211)输入转动惯量，调磁环001作为永磁变速装置210的输出端(转动惯量输出端212)输出转动惯量，外磁环003固定或空转。

例如，飞轮转子111的转动带动第一传动轴41转动，第一传动轴41的转动带动内磁环002的转动，内磁环002和外磁环003之间形成磁场，设在外磁环003和内磁环002之间的调磁环001在磁场的作用下转动并带动第二传动轴42的转动，调磁环001可切割外磁环003和内磁环002之间的磁力线从而起到调磁的作用，实现速度和动力的变比功能。

定子100包括定子铁芯110和绕组120，定子铁芯110包括环形的定子轭部和从定子轭部向内延伸且沿定子轭部的周向间隔分布的多个定子齿部，绕组120绕设在定子齿部上，定子100套设在外磁环003上并与外磁环003间隔形成气隙。外磁环003能够被定子100产生的旋转磁场驱动且转速可调。

具体地，外磁环外永磁体0033与定子100内周面之间形成气隙，定子100通电产生旋转磁场，外磁环外永磁体0033在旋转磁场的作用下趋向于围绕外磁环003的中心轴线旋转，从而表现为整个外磁环003在旋转磁场的带动下围绕外磁环003的中心轴线旋转。

飞轮转子111的转动带动第一传动轴41的转动并带动内磁环002转动，进而内磁环002的转动使得调磁环001切割外磁环003和内磁环002之间的磁力线，产生旋转的磁场带动调磁环001转动且该转动通过第二传动轴42输出，使得飞轮转子111输出的动能通过第一传动轴41传递给第二传动轴42，从而构成无接触的磁齿轮传动。永磁变速装置210具有无级变速功能，转动的外磁环003可以作为调速环改变内磁环002和调磁环001之间的变速比，通过对定子100产生的旋转磁场的调控可以调控外磁环003的转速和旋转方向。

外磁环003的旋转可以改变永磁变速装置210的变速比。因此，通过对旋转磁场的控制，能够实现对永磁变速装置210的变速比的调控，使永磁变速装置210的变速比保持在理想变速比，从而使第二传动轴42的转速保持恒定。

永磁变速装置210的变速比受外磁环003旋转的影响而变化，变化规律如下：

当外磁环003静止且内磁环002在第一传动轴41的驱动下正转时，永磁变速装置210的变速比为第一预设变速比；

当内磁环003在第一传动轴41的驱动下正转，外磁环003反转且其转速小于第一预设转速时，永磁变速装置210的变速比大于第一预设变速比；

当内磁环003在第一传动轴41的驱动下正转，外磁环003反转且其转速为第一预设转速时，永磁变速装置210的输出转速等于零；

当内磁环003在第一传动轴41的驱动下正转，外磁环003反转且其转速大于第一预设转速时，调磁环001反转；

当内磁环003在第一传动轴41的驱动下正转，外磁环003正转时，永磁变速装置210的变速比小于第一预设变速比。

设内磁环002磁极对数为P1，外磁环003磁极对数为P2，调磁环001导磁块数量为P3，内磁环002、外磁环003和调磁环001满足磁齿轮磁极对数关系，即P3＝P1+P2。

在图4和图5所示的实施例中，内磁环002为输入端，调磁环001为输出端，外磁环003静止或作为调速环(空转)。外磁环003的旋转方向可以与内磁环002相同，也可以相反。

当外磁环005静止时，永磁变速装置210的变速比为

例如，在一个具体实施例中，内磁环004磁极对数为2，外磁环005磁极对数为4，调磁环002导磁块数量为6，假设调磁环002的转速(发电机转速)保持恒定3000rpm，则具有以下几种情况：

1、内磁环004在第一转轴41的驱动下正转且转速保持在9000rpm时，调磁环002正转(转动方向与内磁环004相同)，调磁环002的转速保持在3000rpm,此时外磁环005静止，永磁变速装置210的变速比为3，即所述第一预设变速比为3；

2、内磁环004在第一转轴41的驱动下正转，内磁环004的转速大于9000rpm且逐渐升高时，外磁环005旋转且转动方向与内磁环004相反(反转)，设第一预设转速为94.5rpm，外磁环005的转速大于0小于94.5rpm并且随内磁环004的转速的升高而逐渐升高，在这个过程中永磁变速装置210的变速比由3逐渐增大，调磁环002的转速保持在3000rpm；

3、内磁环004在第一转轴41的驱动下正转，内磁环004的转速小于9000rpm且逐渐降低时，外磁环005旋转且转动方向与内磁环004相同(正转)，外磁环005的转速大于0并随内磁环004转速降低而逐渐升高，在这个过程中永磁变速装置210的变速比小于3且逐渐减小，调磁环002的转速保持在3000rpm。

综上所述，当外磁环003固定，本发明实施例提供的永磁变速装置210的速比固定，等同于传统的永磁变速装置210。当外磁环003空转，外磁环003作为调速环，其转速和旋转方向影响速比。

可以理解的是，当飞轮转子111在电动机112驱动下转速上升时，根据第一传动轴41的转速和第二传动轴42的预设转速之比计算出永磁变速装置210的理想变速比也增大，因此此时应该调控永磁变速装置210的变速比增大以使变速比达到理想变速比。

当飞轮转子111释放动能转速下降时，根据第一传动轴41的转速和第二传动轴42的预设转速之比计算出永磁变速装置210的理想变速比也降低，因此应该调控永磁变速装置210的变速比降低以使其变速比达到理想变速比。

综上所述，当飞轮转子111的转速上升，即永磁变速装置210的输入转速升高时，为了使输出转速保持恒定，应该控制永磁变速装置210的变速比增大。当飞轮转子111的转速下降，即永磁变速装置210的输入转速下降时，为了使输出转速保持恒定，应该使永磁变速装置210的变速比降低。因此，本发明实施例提供的飞轮储能及惯量传导系统1能够实现恒频率的电流的输出，恒频电流可以直接并网，无需电力电子装置。

如图4和图5所示，第一传动轴41、第二传动轴42、内磁环002、外磁环003、调磁环001的中心轴线均相互重合。永磁变速装置210还包括内磁环法兰005，内磁环法兰005套设在第一传动轴41上且与内磁环筒体0023相连以便内磁环002与第一传动轴41传动连接。在本实施例中，内磁环法兰005包括两个，两个内磁环法兰005分别与内磁环筒体0023的左右两端相连，以便将内磁环002稳固地与第一传动轴41相连。可以理解的是，本发明不限于此，内磁环002还可经过其他方式与第一传动轴41实现传动连接，这里不作列举。

永磁变速装置210包括调磁环支撑轴承0041和内支撑轴承0042，其中调磁环支撑轴承0041套设在第一传动轴41上，用于支撑调磁环001。内支撑轴承0042在内磁环002的径向上配合在第一传动轴41和第二传动轴42之间，用以保持第一传动轴41与第二传动轴42之间同轴，以及使第一传动轴41和第一传动轴41之间能相互转动。

具体地，如图4所示，本实施例中，第二传动轴42的第一端(左端)设有凹槽，第一传动轴41的第一端(右端)沿内磁环002的轴向伸入凹槽中，内支撑轴承0042位于凹槽中并套设在第一传动轴41的第一端上。可以理解的是，本发明不限于此。例如，在其他实施例中，第一传动轴41的第一端(右端)设有凹槽，第二传动轴42的第一端(左端)沿内磁环002的轴向伸入凹槽中，内支撑轴承0042位于凹槽中并套设在第二传动轴42的第一端上。

如图4所示，永磁变速装置210包括第一调磁环法兰0061和第二调磁环法兰0062，第一调磁环法兰0061和第二调磁环法兰0062均与调磁环001相连并在内磁环002的轴向上分别位于内磁环002的两侧。其中，第一调磁环法兰0061套设在第二传动轴42上并与第二传动轴42相连以便调磁环001与第二传动轴42传动连接，第二调磁环法兰0062套设在调磁环支撑轴承0041上以便第一传动轴41相对第二调磁环法兰0062可转动。

也就是说，调磁环001通过第一调磁环法兰0061与第二传动轴42实现传动连接，此外，第一调磁环法兰0061对调磁环001还起到支撑作用，如图1所示，第一调磁环法兰0061与调磁环001的右端相连，能对调磁环001的右端进行支撑。第二调磁环法兰0062支承在了调磁环支撑轴承0041上，由于调磁环支撑轴承0041套设在第一传动轴41上，因此第二调磁环法兰0062与第一传动轴41之间可相对转动。并且，如图1所示，第二调磁环法兰0062与调磁环001的左端相连，能对调磁环001的左端进行支撑，即第二调磁环法兰0062可以在不影响第一传动轴41和调磁环001各自转动的情况下，实现对调磁环001的支撑。

可以理解的是，由于第一调磁环法兰0061和第二调磁环法兰0062在内磁环002的轴向上分别位于内磁环002的两侧，即第一调磁环法兰0061和第二调磁环法兰0062在内磁环002的轴向上具有一定的间隔，因此，调磁环001在内磁环002的轴向上具有了间隔开的两个支撑位点，从而可以保证调磁环001的稳定性，避免调磁环001在运行过程中发生跳动。也可以说，第一调磁环法兰0061和第二调磁环法兰0062共同实现了对调磁环001的稳定支撑。

如图4所示，两个内磁环法兰005在内磁环002的轴向上均位于第一调磁环法兰0061和第二调磁环法兰0062之间。

进一步地，永磁变速装置210包括第一外磁环支撑轴承0043和第二外磁环支撑轴承0044，以及第一外磁环法兰0063和第二外磁环法兰0064。第一外磁环支撑轴承0043套设在第一传动轴41上，第二外磁环支撑轴承0044套设在第二传动轴42上。第一外磁环法兰0063和第二外磁环法兰0064均与外磁环铁芯0032相连并在内磁环002的轴向上分别位于调磁环001的两侧，第一外磁环法兰0063套设第一外磁环支撑轴承0043上以便第一传动轴41相对第一外磁环法兰0063可转动，第二外磁环法兰0064套设在第二外磁环支撑轴承0044上以便第二传动轴42相对第二外磁环法兰0064可转动。

也就是说，第一外磁环支撑轴承0043和第二外磁环支撑轴承0044以及第一外磁环法兰0063和第二外磁环法兰0064的设置，使得在不影响第一传动轴41、第二传动轴42和外磁环003各自转动的情况下，实现对外磁环003的稳定支撑。

如图4所示，第一调磁环法兰0061和第二调磁环法兰0062在内磁环002的轴向上均位于第一外磁环法兰0063和第二外磁环法兰0064之间。

需要说明的是，本实施例提供的永磁变速装置210对调磁环支撑轴承0041、第一外磁环支撑轴承0043和第二外磁环支撑轴承0044的尺寸要求都不高，因此上述设计尤其适用于大直径的永磁变速装置210，可以满足百千瓦级永磁变速装置210大扭矩、大尺寸的要求。这是由于，若将调磁环001套设在调磁环001上对调磁环001进行支撑，或者将第一外磁环支撑轴承0043或第二外磁环支撑轴承0044套设在外磁环003上对外磁环003进行支撑，则对调磁环支撑轴承0041、第一外磁环支撑轴承0043或第二外磁环支撑轴承0044的尺寸提出了更高的要求，增加了设备的成本和制作难度。

在上述实施例中，内支撑轴承0042、调磁环支撑轴承0041、第一外磁环支撑轴承0043、第二外磁环支撑轴承0044、内磁环法兰005、第一调磁环法兰0061、第二调磁环法兰0062、第一外磁环法兰0063和第二外磁环法兰0064的设置保证了永磁变速装置210的同轴度，同时保证了内磁环002与调磁环001之间以及调磁环001与外磁环003之间的气隙的稳定性，避免内磁环002和调磁环001在转动的时候发生剐蹭，保障了永磁变速装置210的运行性能和运行稳定性。

可选地，第一传动轴41和第二传动轴42上设有台阶结构以便安装轴承。

如图4和图5所示，永磁变速装置210还包括外壳130，外壳130套设在定子100上。

进一步地，如图5所示，外磁环外永磁体0033和外磁环内永磁体0031的磁极对数相等，以使永磁变速装置210输出最大的扭矩。

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)

1.一种立式飞轮储能及惯量传导系统，其特征在于，包括：

飞轮储能单元，所述飞轮储能单元包括飞轮转子和电动机；

惯量传导装置，所述惯量传导装置用于传导转动惯量，所述惯量传导装置包括转动惯量输入端和转动惯量输出端，所述飞轮转子可断开地与所述转动惯量输入端传动连接，所述转动惯量输出端的转速能够保持恒定；

发电机，所述转动惯量输出端可断开地与所述发电机传动连接，所述发电机用于受所述惯量传导装置驱动产生并输出稳定电流，所述电动机、所述飞轮转子、所述惯量传导装置以及所述发电机均立式布置且在竖直方向上从下至上设置；和

真空室，所述飞轮转子和所述电动机均位于所述真空室内，所述惯量传导装置和所述发电机均位于所述真空室外，或者，所述惯量传导装置位于所述真空室内，所述发电机位于所述真空室外。

2.根据权利要求1所述的立式飞轮储能及惯量传导系统，其特征在于，包括第一传动轴和第二传动轴，所述第一传动轴传动连接所述飞轮转子、所述电动机和所述转动惯量输入端，所述第二传动轴传动连接所述转动惯量输出端和所述发电机。

3.根据权利要求2所述的立式飞轮储能及惯量传导系统，其特征在于，所述第一传动轴的旋转中心线、所述第二传动轴的旋转中心线和所述飞轮转子的旋转中心线彼此重合，且均沿竖直方向延伸。

4.根据权利要求2所述的立式飞轮储能及惯量传导系统，其特征在于，所述飞轮转子套设在所述第一传动轴上并与其相连，所述第一传动轴的一端与所述电动机的输出端传动连接，所述第一传动轴的另一端与所述转动惯量输入端传动连接，所述第二传动轴的一端与所述转动惯量输出端传动连接，所述第二传动轴的另一端与所述发电机的输入端传动连接。

5.根据权利要求4所述的立式飞轮储能及惯量传导系统，其特征在于，当所述惯量传导装置和所述发电机均位于所述真空室外，所述第一传动轴从所述真空室内穿出并与所述真空室之间配合设置有动密封结构，当所述惯量传导装置位于所述真空室内，所述发电机位于所述真空室外，所述第一传动轴位于所述真空室内，所述第二传动轴从所述真空室内穿出并与所述真空室之间配合设置有动密封结构。

6.根据权利要求1所述的立式飞轮储能及惯量传导系统，其特征在于，所述惯量传导装置为无级变速装置以便使所述转动惯量输出端的转速能够保持恒定。

7.根据权利要求6所述的立式飞轮储能及惯量传导系统，其特征在于，所述惯量传导装置为具有无级变速功能的永磁变速装置，所述永磁变速装置包括内磁环、调磁环和外磁环，所述内磁环、所述调磁环和所述外磁环从内向外依次套装且彼此间隔形成气隙，所述内磁环为所述转动惯量输入端，所述调磁环为所述转动惯量输出端，所述外磁环可旋转地设置。

8.根据权利要求7所述的立式飞轮储能及惯量传导系统，其特征在于，所述外磁环包括从内向外依次相连的外磁环内永磁体、外磁环铁芯和外磁环外永磁体，

所述永磁变速装置还包括定子，所述定子套设在所述外磁环上并与所述外磁环间隔形成气隙，所述外磁环能够被所述定子产生的旋转磁场驱动且转速可调。

9.根据权利要求1所述的立式飞轮储能及惯量传导系统，其特征在于，还包括飞轮储能控制器，所述飞轮储能控制器用于控制所述飞轮储能单元的能量输入及输入功率，所述飞轮储能控制器包括：

电网检测模块，所述电网检测模块用于检测电网的当前频率和状态；

电动机控制模块，所述电动机控制模块用于根据电网的当前频率和状态控制所述电动机的启闭及输入输出功率。

10.根据权利要求1所述的立式飞轮储能及惯量传导系统，其特征在于，还包括惯量传导控制器，所述惯量传导控制器用于调控所述惯量传导装置的变速比，其包括：

输入转速检测模块，所述输入转速检测模块用于检测所述惯量传导装置的输入转速；

运算模块，所述运算模块用于根据所述惯量传导装置的输入转速和所述输出转速的预设值运算出所述惯量传导装置的理想变速比。

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