CN206865286U - 飞轮储能转子、系统、车间、工厂和基地及其应用设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种飞轮储能转子、系统、车间、工厂和基地及其应用设备，其中，飞轮储能转子包括：旋转轴为竖直设置的实心钢轴；第一轮毂由弹簧钢制成，套在旋转轴上，第一轮毂可在旋转轴的带动下与旋转轴同步旋转，第一轮毂具有盘状体，盘状体的外缘向其一侧弯折形成抵接部，抵接部与盘状体之间通过圆角过渡并在抵接部的外壁上靠近圆角的位置设有应力减缓槽，第一轮毂的盘状体自中部向边缘相对于垂直于旋转轴的垂直平面朝向形成抵接部的一侧倾斜；外轮套在第一轮毂上。本实用新型实用新型解决的技术问题在于克服现有的飞轮储能机构在高速旋转的情况下飞轮轮毂与外轮之间的预紧力减小的技术问题。

Description

飞轮储能转子、系统、车间、工厂和基地及其应用设备

技术领域

本实用新型涉及飞轮储能领域。具体为一种飞轮储能转子、系统、车间、工厂和基地及其应用设备。

背景技术

飞轮储能是通过将电能、风能、太阳能等能源转化为机械能即飞轮的高速旋转来实现能量的储存，在需要使用能量时，将飞轮的动能转化为电能输出。飞轮储能通过运动储存能量，不需要任何化学物质和化学变化，还可进行无限次地充放电，不仅对环境无污染还突破了化学电池的限制，从而受到了高度的关注。

飞轮的储能公式为：其中J为飞轮的转动惯量，ω为飞轮旋转的角速度。飞轮的旋转角速度越高、转动惯量越大，其储能密度越高，储存的能量也越大。飞轮在旋转的时候，其中间部分与边缘部分所受的离心力不同，离旋转中心越远的位置所受到的离心力越大，一体式的飞轮由于不同位置受力不均，容易产生大的变形或者出现裂纹。目前大部分飞轮飞轮采用分体式结构，即包括轮毂和固定地套在轮毂上的外轮，外轮与轮毂之间一般通过过盈配合来实现固定连接，外轮采用更加坚韧的材料制成。

然而，在转速更高的情况下，例如在转速达到10000转/分钟时，飞轮仍不可避免地会发生变形，产生“扩张”的形态，与轮毂相比，距离旋转中心更远的外轮受到更大的离心力，其变形也更大，高速旋转状态下的外轮的各个位置与轮毂相比向外“位移”的距离会更大。这样必然导致外轮与轮毂之间结合的预紧力减小，导致从轮毂向外轮传递的旋转力减小，增加了能量的耗损，严重时会出现轮毂和外轮之间的滑移，甚至脱落。因而，目前分体式的飞轮一方面结构不够稳定，另一方面这种结构限制了飞轮的提速，从而限制了飞轮的储能密度。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题在于克服现有的飞轮储能机构在高速旋转的情况下飞轮轮毂与外轮之间的预紧力减小的技术问题，提供一种飞轮储能转子，在飞轮高速旋转的状态下仍可保持飞轮轮毂与外轮之间结合的预紧力，从而为进一步提高飞轮速度提供了条件。

本实用新型的飞轮储能转子，包括：

旋转轴，为竖直设置的实心钢轴，

第一轮毂，所述第一轮毂由弹簧钢制成，套在所述旋转轴上可在所述旋转轴的带动下与所述旋转轴同步旋转，所述第一轮毂具有盘状体，所述盘状体的外缘向其一侧弯折形成抵接部，所述抵接部与所述盘状体相连的位置设有应力减缓槽，所述第一轮毂的盘状体自中部向边缘相对于垂直于所述旋转轴的垂直平面倾斜，且朝向形成所述抵接部的一侧倾斜，

外轮，所述外轮为桶状，套在所述第一轮毂上，其内壁与所述第一轮毂抵接部的外壁相配合。

作为优选，所述抵接部与所述盘状体之间通过圆角过渡，所述应力减缓槽位于所述圆角的外壁上。

作为优选，所述外轮的内壁在与所述第一轮毂抵接部的外壁相配合的位置处设有沿周向延伸的第一配合凸起，在完成安装的状态下，所述第一轮毂的抵接部与所述第一配合凸起紧配合。

作为优选，所述第一配合凸起的至少一端设有引导所述第一轮毂在所述外轮内沿轴线相对运动的安装引导坡，第一配合凸起的至少一端为安装时所述抵接部先接触的一端。

作为优选，所述盘状体相对于垂直于所述旋转轴的垂直平面倾斜的角度为 5°-15°。

作为优选，所述第一轮毂还包括套在所述旋转轴上可与所述旋转轴同步转动的安装轴套，所述盘状体位于所述安装轴套的外部且与所述安装轴套一体成型。

作为优选，所述飞轮还包括位于所述第一轮毂上方的第二轮毂，所述第二轮毂由弹簧钢制成，套在所述旋转轴上，并可在所述旋转轴的带动下与所述旋转轴同步旋转，所述第二轮毂的结构形状与所述第一轮毂的结构形状相同，且在完成装配的状态下，所述第一轮毂的盘状体与所述第二轮毂的盘状体的倾斜方向相同，所述第二轮毂的抵接部与设置在外轮内壁上的第二配合凸起紧配合。

作为优选，所述紧配合为过盈配合。

作为优选，所述飞轮还包括定位轴套，所述定位轴套套在所述旋转轴上，且位于所述第一轮毂与第二轮毂之间。

本实用新型还提供一种飞轮储能系统，包括：

储能装置，所述储能装置包括，

壳体，所述壳体包括圆筒状侧壁、与所述侧壁固定且密封连接的上端盖和与所述外圆筒固定且密封连接的下端盖，所述壳体设有抽气孔；

飞轮储能转子，位于所述壳体内，所述飞轮储能转子为如上所述的飞轮储能转子，

磁悬浮装置，位于所述壳体内用于支撑所述飞轮的旋转轴的上端并允许所述旋转轴相对于所述磁悬浮装置旋转，

能量转换装置，位于所述壳体内且位于所述飞轮的下方，所述能量转换装置包括由磁极电路绕制形成的定子、可相对于所述定子旋转的转子及由所述转子带动旋转的传动轴，所述传动轴与所述飞轮储能转子的旋转轴同轴固定连接并同步旋转，所述能量转换装置还包括冷却通道；

所述飞轮储能系统还包括：

抽真空装置，所述抽真空装置与所述储能装置的壳体的抽气孔连接可对所述壳体围成的封闭空间抽真空；

真空控制装置，与所述抽真空装置连接以控制所述抽真空装置的运行；

冷却装置，所述冷却装置包括存储冷却液的储液罐、与所述储液罐和所述能量转换装置的冷却通道连接的连接管以及为所述冷却液提供动力使所述冷却液在所述冷却通道内循环的冷却泵；

冷却控制装置，与所述冷却装置连接以控制所述冷却装置；

能量转换控制装置，与所述能量转换装置连接，可控制所述磁极电路与外部的充电电路和放电电路的通断状态，当所述磁极电路与充电电路接通同时与所述放电电路断开时，所述能量转换装置的转子在定子的磁力作用下旋转从而通过所述传动轴带动所述飞轮储能转子旋转，所述能量转换装置作为电动机将电能转化为所述飞轮储能转子的旋转机械能储存起来，当所述磁极电路与所述充电电路断开同时与所述放电电路接通时，所述飞轮储能转子通过所述传动轴带动所述能量转换装置的转子旋转从而使所述磁极电路产生电流，所述能量转换装置作为发电机将所述飞轮储能转子的旋转机械能转化为电能供给所述放电电路。

作为优选，所述飞轮储能系统的每个所述飞轮储能装置设置检测能量转换装置温度的温度传感器，所述温度传感器还与所述冷却控制装置连接以将所述温度传感器的温度传送给所述冷却控制装置，所述冷却控制装置根据收到的温度数值控制所述冷却装置的运行使所述储能装置的温度控制在设定的温度范围内。

作为优选，所述飞轮储能系统的每个飞轮储能装置设置用于检测壳体内部气压的气压传感器，所述气压传感器还与所述真空控制装置连接以将所述气压传感器的数据传送给所述真空控制装置，所述真空控制装置根据收到的温度数值控制所述抽真空装置的运行使所述储能装置的壳体内的气压控制在设定的气压范围内。

作为优选，所述磁悬浮装置包括至少一个磁悬浮轴承，每个磁悬浮轴承包括固定在所述旋转轴上并可与所述旋转轴同步旋转的转子磁体及与所述壳体相对固定的定子磁体，所述转子磁体与所述定子磁体上下相对，且所述转子磁体与所述定子磁体相对的面为异极。

作为优选，所述转子磁体镶嵌在转子载体上，所述转子载体固定在所述旋转轴上，所述定子磁体镶嵌在定子载体上，所述定子载体固定在与所述壳体固定的安装架上。

作为优选，所述磁悬浮装置包括三个所述磁悬浮轴承，每个所述磁悬浮轴承的转子载体通过螺纹固定在所述旋转轴上。

作为优选，所述飞轮储能系统包括2-16个所述储能装置，所述抽真空装置与所有所述储能装置的壳体的抽气孔同时连接，所述冷却装置与所有所述储能装置同时连接。

本实用新型还提供一种飞轮储能车间，包括多个如上所述的飞轮储能系统。

本实用新型还提供一种飞轮储能工厂，包括40-70个如上所述的飞轮储能系统。

本实用新型还提供一种飞轮储能基地，包括80-120个如上所述的飞轮储能系统。

本实用新型还提供一种应用设备，所述应用设备为开关柜，包括开关柜本体、连接所述开关柜本体与电源的供电电路，所述开关柜还包括连接所述开关柜本体与所述电源的储能电路，所述储能电路与所述供电电路并联，所述储能电路上设有储能装置，所述储能装置为如上所述的飞轮储能系统，所述飞轮储能系统的能量转换装置可将所述电源所提供的电能转化成为所述飞轮的旋转机械能，在所述供电电路不供电的情况下，所述飞轮储能系统的能量转换装置将飞轮的旋转机械能转化成为电能向所述开关柜本体供电。

本实用新型还提供一种应用设备，所述应用设备为电动车，包括充电单元、储能装置、功率转化装置和电动机，所述储能装置为如上所述的飞轮储能系统，所述飞轮储能系统的能量转换装置与所述充电单元电连接以将所述充电单元提供的电能转化成为飞轮的旋转机械能，所述飞轮储能系统的能量转换装置还与所述功率转化装置电连接以将飞轮的旋转机械能转化成为电能并向所述功率转化装置供电，所述功率转化装置与所述电动机电连接以向所述电动机供电。

本实用新型还提供一种应用设备，所述应用设备为抽油机，包括抽油杆、驱动所述抽油杆上下运动的电动机和连接电源与所述电动机的供电电路，所述抽油机还包括连接所述电源和电动机的储能电路，所述储能电路上设有储能装置，所述储能装置为如上所述的飞轮储能系统，所述飞轮储能系统的能量转换装置在所述抽油杆下落时将所述电源的电能转化成为所述飞轮的旋转机械能，在所述抽油杆在上升时将所述飞轮的旋转机械能转化成为电能并供给所述电动机。

本实用新型还提供一种应用设备，所述应用设备为起重机，包括用来抓取重物的升降机构、驱动所述升降机构上下运动的电动机和连接电源与所述电动机的供电电路，所述起重机还包括连接所述电源和电动机的储能电路，所述储能电路上设有储能装置，所述储能装置为如上所述的飞轮储能系统，所述飞轮储能系统的能量转换装置在所述升降机构下落时将所述电源的电能转化成为所述飞轮的旋转机械能，在所述升降机构向上运动时将所述飞轮的旋转机械能转化成为电能并供给所述电动机。

本实用新型还提供一种应用设备，所述应用设备为地铁制动能量存储利用系统，包括与地铁的直流母线电连接的双向直流变换器和与所述双向直流变换器电连接的储能装置，所述储能装置为如上所述的飞轮储能系统或飞轮储能车间，所述飞轮储能系统的能量转换装置在所述直流母线的电压升高时将双向直流变换器提供的电能转化成为所述飞轮的旋转机械能，在所述直流母线的电压下降时将飞轮的旋转机械能转化成为电能提供给所述双向直流变换器。

本实用新型还提供一种应用设备，所述应用设备为电力微网，包括用于风力发电设备和/或太阳能发电设备、对风力发电设备和/或太阳能发电设备提供的电能进行整流变压的整流变压器和与所述整流变压器电连接的储能装置，所述储能装置为如上所述的飞轮储能系统或飞轮储能车间或飞轮储能工厂，所述飞轮储能系统的能量转换装置可将所述整流变压器提供的电能转化成为所述飞轮的旋转机械能，并可将所述飞轮的旋转机械能转化成为电能为负载供电。

本实用新型还提供一种应用设备，所述应用设备为火力发电站，包括可在蒸汽压力推动下旋转的汽轮机、由所述汽轮机带动的能量转换装置及储存所述能量转换装置产生的电能的储能系统，所述储能系统为如上所述的飞轮储能车间或飞轮储能工厂或飞轮储能基地。

本实用新型与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本实用新型的飞轮储能转子，其第一轮毂的盘状体的外缘向其一侧弯折形成抵接部，抵接部在预紧力的作用下与外轮的内壁相抵。第一轮毂的盘状体自中部向边缘相对于垂直于旋转轴的垂直平面倾斜，且朝向形成抵接部的一侧倾斜。在第一轮毂和外轮高速旋转时，外轮在第一离心力的作用下会产生向外的位移，第一轮毂受到的离心力虽然小于外轮收到的离心力，但由于第一轮毂的外缘弯折成了抵接部，且盘状体倾斜设计，盘状体和抵接部在受到离心力后产生径向的扩张变形，从而最终产生与外轮一致的径向变形。抵接部能与外轮的内壁贴紧，保持与外轮的预紧力，一方面提高了结构的稳定习惯和安全性，另一方面提高了储能密度。抵接部与盘状体的连接处设有应力减缓槽，应力减缓槽可减小应力，防止此处由于应力太大而损坏。

2、本实用新型的飞轮储能转子的外轮的内壁在与所述第一轮毂抵接部的外壁相配合的位置处设有沿周向延伸的第一配合凸起。在完成安装的状态下，所述第一轮毂的抵接部与所述第一配合凸起紧配合。第一配合凸起增加了第一轮毂抵接部在与外轮的内壁配合的时候产生的变形量，使得外轮与第一轮毂之间的紧配合更加可靠。

3、本实用新型的飞轮储能系统具有上述飞轮储能转子，可以通过提高转子速度的方式来提高飞轮储能系统储存的能量，本实用新型的飞轮储能车间、飞轮储能工厂和飞轮储能基地包括多个上述飞轮储能系统，可以实习电力的大规模高效率储存，从而为电网带来巨大的利益。

4、本实用新型的开关柜、电动车、地铁制动能量存储利用系统、电力微网、抽油机、起重机和火力发电站等应用设备采用飞轮储能系统或飞轮储能车间或飞轮储能工厂或飞轮储能基地，从而使得储能装置可提高电力储存效率，储存更多的能量。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例的飞轮储能转子的剖视结构示意图。

图2为图1中A部分的放大示意图。

图3为本实用新型一个实施例的飞轮储能系统的飞轮储能装置的剖视结构示意图。

图4为图3中的飞轮储能装置的磁悬浮装置和轴向定位装置的放大示意图。

图5为本实用新型一个实施例的飞轮储能系统的结构示意图。

图6为本实用新型一个实施例的飞轮储能车间的结构示意图。

图7为本实用新型一个实施例的飞轮储能工厂在电网中的作用示意图。

图8为本实用新型一个实施例的飞轮储能基地的结构示意图。

图9为本实用新型一个实施例的作为应用设备的开关柜的电连接示意图；

图10为本实用新型一个实施例的电动车的连接关系示意图；

图11为本实用新型一个实施例的作为应用设备的地铁制动能量存储利用系统的电连接关系示意图。

附图标记

1储能装置，

11飞轮储能转子，111旋转轴，1111第一轴肩，1112第二轴肩，112第一轮毂，1121盘状体，1122抵接部，1123安装轴套，1124应力减缓槽，113外轮， 1131第一配合凸起，1132安装引导坡，1133圆角，1134第二配合凸起，114第二轮毂，1141盘状体，1142抵接部，1143安装轴套，115垂直平面，116定位轴套；

12壳体，121侧壁，122上端盖，123下端盖，124抽气孔；

13磁悬浮装置，131磁悬浮轴承，1311转子磁体，1312定子磁体，1313转子载体，1314定子载体，1315安装架，132安全轴承，133轴向定位装置，1331 顶针；

14能量转换装置，141传动轴；

15阻尼机构；

2抽真空装置；

3真空控制装置；

4冷却装置；

5冷却控制装置；

6能量转换控制装置。

具体实施方式

图1为本实用新型一个实施例的飞轮储能转子的剖视结构示意图，图2为图1中A部分的放大示意图。如图1和2所示，飞轮储能转子11包括旋转轴111、第一轮毂112和外轮113。其中，旋转轴111为竖直设置的实心钢轴。所述第一轮毂112由弹簧钢制成，套在所述旋转轴111上，所述第一轮毂112可在所述旋转轴111的带动下与所述旋转轴111同步旋转。所述第一轮毂112具有盘状体1121，所述盘状体1121的外缘向其一侧弯折形成抵接部1122，抵接部1122 的外壁在预紧力的作用下与外轮113的内壁相抵。在弯折处即抵接部1122与盘状体1121连接的位置处设置应力减缓槽1124，应力减缓槽1124可减小应力，防止此处由于应力太大而损坏。

第一轮毂112的盘状体1121自中部向边缘相对于垂直于旋转轴111的垂直平面倾斜，且朝向形成抵接部1122的一侧倾斜，呈锥形。盘状体1121倾斜的设计相比于不倾斜的情况，更能发挥弹簧钢的弹力特性。在装配或高速旋转的状态下，若没有倾斜的设计，弹簧钢制成的盘状体只做伸缩的运动，而不能发挥其弹力抗屈服的优点。作为优选，所述盘状体1121相对于垂直于所述旋转轴 111的垂直平面115倾斜的角度为5°-15°。在本实施例中，盘状体1121相对于垂直于所述旋转轴111的垂直平面115倾斜的角度为10°。

在第一轮毂112和外轮113高速旋转时，外轮113在第一离心力的作用下会产生向外的位移，第一轮毂112受到的离心力虽然小于外轮113受到的离心力，但由于第一轮毂112的外缘弯折成了抵接部，且盘状体倾斜设计，盘状体和抵接部在受到离心力后产生径向的扩张变形，从而最终产生与外轮一致的径向变形，抵接部1122能与外轮113的内壁贴紧，保持与外轮113的预紧力。

相比现有的飞轮储能转子，本实用新型的飞轮储能转子11的轮毂增大了与外轮113的结合力，使传递的扭矩更大。第一轮毂112设置的抵接部及第一轮毂112所采用的材料即弹簧钢很好地支持了第一轮毂112产生的径向的变形，从而实现了在高速的旋转下，第一轮毂112与外轮113之间仍可保持大的预紧力，防止旋转力从轮毂向外轮113传递过程中发生衰减，并防止第一轮毂112 与外轮113在高转速时产生滑移或脱落，从而提高了第一轮毂112与外轮113 运动的同步性，为飞轮储能转子转速的进一步提高提供了条件。本实用新型的飞轮储能转子在转速达到10000转/分钟时，仍可保证其轮毂与外轮113之间的预紧力，使得飞轮飞轮储能转子11的额定转速可进一步提高，增大储能量。

在本实施例中，如图2所示，所述抵接部1122与所述盘状体1121之间通过圆角1133过渡，圆角1133可使产生的应力分布更均匀，防止应力集中。在本实施例中，应力减缓槽1124设置在圆角1133及其附近的外壁上，且环绕外壁一周。

所述外轮113为桶状，外轮113采用的材料比轮毂更加坚韧，可抵抗离心力，而不被撕裂。外轮113套在所述第一轮毂112上，其内壁在与所述第一轮毂112抵接部1122的外壁配合的位置处设有沿周向延伸的第一配合突凸起 1131。在完成安装的状态下，所述第一轮毂112的抵接部1122的外壁与所述第一配合突凸起1131紧配合。第一配合突凸起1131增加了第一轮毂112的抵接部1122在与外轮113的内壁配合的时候产生的变形量，使得外轮113与第一轮毂112之间的紧配合更加可靠。

第一配合突凸起1131绕周向延伸一周，所述第一配合突凸起1131的至少一端设有引导所述第一轮毂112在所述外轮113内沿轴向相对运动的安装引导坡1132，安装引导坡1132即第一配合突凸起1131与外轮113内壁之间的过渡结构。第一配合突凸起1131的至少一端为安装时所述抵接部先接触的一端。安装引导坡1132可使得第一轮毂112便于安装在外轮113内，并实现与第一配合突凸起1131的紧配合。在本实施例中，所述紧配合为过盈配合，如图3所示，第一配合突凸起1131的上下两端均具有安装引导坡1132。

作为优选的方案，所述第一轮毂112还包括套在所述旋转轴111上可与所述旋转轴111同步转动的安装轴套1123，所述盘状体1121位于所述安装轴套 1123的外部且与所述安装轴套1123一体成型。安装轴套1123在上下方向的尺寸大于盘状体1121在上下方向上的尺寸，安装轴套1123与旋转轴111的接触面积更大，可防止第一轮毂112产生晃动。

在本实施例中，所述飞轮储能转子11还包括位于所述第一轮毂112上方的第二轮毂114，所述第二轮毂114由弹簧钢制成，套在所述旋转轴111上，并可在所述旋转轴111的带动下与所述旋转轴111同步旋转，所述第二轮毂114的结构形状与所述第一轮毂112的结构形状相同，且在完成装配的状态下，所述第一轮毂112的盘状体1121与所述第二轮毂114的盘状体1141的倾斜方向相同，所述第二轮毂114的抵接部1142与设置在外轮113内壁上的第二配合凸起 1134紧配合。这为外轮113的加长提供了条件，加长的外轮113提高了质量，即增大了飞轮的转动惯量J，从而提高了飞轮的储能量。

作为优选的方案，所述第二轮毂114还包括套在所述旋转轴111上可与所述旋转轴111同步转动的安装轴套11143，所述盘状体1141位于所述安装轴套 11143的外部且与所述安装轴套11143一体成型。安装轴套11143在上下方向的尺寸大于盘状体1141在上下方向上的尺寸，安装轴套11143与旋转轴111的接触面积更大，可防止第二轮毂114产生晃动。

作为进一步的优选，所述飞轮储能转子11还包括定位轴套116，所述定位轴套116套在所述旋转轴111上，且位于所述第一轮毂112与第二轮毂114之间，使得第一轮毂112与第二轮毂114之间间隔一定的距离，这为外轮113的进一步加长提供了条件。在本实施例中，所述定位轴套116由40Cr制成。定位轴套116的下端与第一轮毂112的安装轴套1123的上端相抵，定位轴套116的上端与第二轮毂114的安装轴套11143的下端相抵。在本实施例中，定位轴套 116与所述旋转轴111可同步旋转。

所述旋转轴111的下端具有用于对所述第一轮毂112的下端进行定位的第一轴肩1111。在本实施例中，第一轮毂112的安装轴套1123的下端面与旋转轴 111的第一轴肩1111的上端面相抵而实现定位。

本实用新型还提供一种飞轮储能系统，图5为本实用新型一个实施例的飞轮储能系统的结构示意图，如图5所示，飞轮储能系统包括储能装置2、抽真空装置3、真空控制装置4、冷却装置4、冷却控制装置5与能量转换控制装置6。

其中，所述储能装置1的结构如图3所示，包括，壳体21、飞轮储能转子 11、磁悬浮装置13、能量转换装置14、抽真空装置2、真空控制装置3、冷却装置4、冷却控制装置5和能量转换控制装置6。所述壳体12包括圆筒状侧壁 121、与所述侧壁121固定且密封连接的上端盖122、与所述侧壁121固定且密封连接的下端盖123，即壳体12是分体式的，各部分可拆卸地连接在一起，在进行维修或者其他操作时，可以打开其中的一部分。在本实施例中，各部分之间通过螺栓连接，连接处还设有密封圈，以实现气密封。所述壳体12设有抽气孔124，在本实施例中，抽气孔124设在下端盖123上。在储能装置1运行的状态下，壳体12内是真空的，防止空气对位于所述壳体12内的飞轮储能转子的旋转产生阻力，从而使飞轮储能转子11获得尽可能高的转速。所述飞轮储能转子为本申请中如上所述的飞轮储能转子11。

磁悬浮装置13位于所述壳体12内的上端，用于支撑所述飞轮储能转子11 的旋转轴111的上端并允许所述旋转轴111相对于所述磁悬浮装置13旋转。磁悬浮装置13可采用各种现有的轴承，下文会详细介绍本实施例中采用的磁悬浮装置13的结构。

能量转换装置14位于所述壳体12内且位于所述飞轮储能转子11的下方，所述能量转换装置14包括由磁极电路绕制形成的定子(图中未示出)、可相对于所述定子旋转的转子(图中未示出)及由所述转子带动旋转的传动轴141，所述传动轴141与所述飞轮储能转子的旋转轴同轴固定连接并同步旋转，所述能量转换装置还包括冷却通道(图中未示出)，冷却通道内有冷却液循环，可对能量转换装置进行冷却。

所述飞轮储能系统优选为包括2-16个所述储能装置1，在本实施例中，飞轮储能系统包括12个储能装置1，且储能装置1可埋设在地下。

在本实施例中，抽真空装置2、真空控制装置3、冷却装置4和冷却控制装置5设置在地上。其中的抽真空装置2为真空泵，抽真空装置2通过抽气管(图中未示出)与多个所述储能装置1的壳体12的抽气孔124同时连接可对所述壳体12围成的封闭空间抽真空。真空控制装置3与所述抽真空装置2连接以控制所述抽真空装置2的运行。

所述冷却装置4包括存储冷却液的储液罐(图中未示出)、与所述储液罐和所述能量转换装置的冷却通道连接的连接管(图中未示出)以及为所述冷却液提供动力使所述冷却液在所述冷却通道内循环的冷却泵(图中未示出)，冷却液可以是水。冷却装置4与多个所述储能装置1连接以对所述储能装置1进行冷却，冷却控制装置5与所述冷却装置4连接以控制所述冷却装置4。

能量转换控制装置6与多个所述储能装置1的能量转换装置14同时连接，可控制所述磁极电路与外部的充电电路(图中未示出)和放电电路(图中未示出)的通断状态。当所述磁极电路与充电电路接通同时与所述放电电路断开时，所述能量转换装置14的转子在定子的磁力作用下旋转从而通过所述传动轴带动所述飞轮储能转子11旋转。此时，所述能量转换装置14作为电动机将电能转化为所述飞轮储能转子11的旋转机械能储存起来。当所述磁极电路与所述充电电路断开同时与所述放电电路接通时，所述飞轮储能转子11通过所述传动轴141 带动所述能量转换装置14的转子旋转从而使所述磁极电路产生电流。此时所述能量转换装置14作为发电机将所述飞轮储能转子11的旋转机械能转化为电能供给所述放电电路。

在本实施例中，所述飞轮储能系统还包括检测能量转换装置14温度的温度传感器(图中未示出)，所述温度传感器还与所述冷却控制装置5连接以将所述温度传感器的温度传送给所述冷却控制装置5，所述冷却控制装置5根据收到的温度数值控制所述冷却装置4的运行使所述储能装置的温度控制在设定的温度范围内。温度传感器可以检测能量转换装置14的冷却通道内的冷却液的温度，并以此温度作为能量转换装置14的温度。

在本实施例中，所述飞轮储能系统还包括检测所述储能装置1的壳体12内部的气压的气压传感器(图中未示出)，所述气压传感器还与所述真空控制装置 3连接以将所述气压传感器的数据传送给所述真空控制装置3，所述真空控制装置3根据收到的温度数值控制所述抽真空装置2的运行使所述储能装置1的壳体12内的气压控制在设定的气压范围内。

作为优选，本实用新型的飞轮储能系统的储能装置的磁悬浮装置13包括至少一磁悬浮轴承131。如图4所示，每个磁悬浮轴承131包括固定在所述旋转轴 111上并可与所述旋转轴111同步旋转的转子磁体1311，及与所述壳体12相对固定的定子磁体1312，所述转子磁体1311与所述定子磁体1312上下相对，且所述转子磁体1311与所述定子磁体1312相对的面为异极。转子磁体1311与定子磁体1312均为环形的永磁体。转子磁体1311与定子磁体1312相对的面为异极，产生相互吸引的力，使得飞轮获得往上的吸力，抵消飞轮储能转子11大部分的重力，从而达到卸荷的效果，减轻阻尼器机构6的压力。由于转子磁体1311 与定子磁体1312之间没有接触，从而避免了摩擦所带来的动力损失。

如图4所示，所述转子磁体1311镶嵌在转子载体1313上，所述转子载体 1313固定在所述旋转轴111上，所述定子磁体1312镶嵌在定子载体1314上，所述定子载体1314固定在与所述壳体12固定的安装架1315上。在本实施例中，转子载体1313和定子载体1314也均为环形，安装架1315为圆筒状。如图4所示，所述磁悬浮装置13包括三个所述磁悬浮轴承131，每个所述磁悬浮轴承131 的转子载体1313通过螺纹固定在所述旋转轴111上。旋转轴111的上端轴颈部分设有至少三个第二轴肩1112，以分别对三个磁悬浮轴承131的转子载体1313进行定位。

在本实施例中，所述磁悬浮装置13还包括安全轴承132，所述安全轴承132 为机械轴承。机械轴承通过与旋转轴111接触的方式为旋转轴111提供支撑力，如滚动轴承。安全轴承132可在磁悬浮轴承131出现问题时，对旋转轴111提供支撑力。

所述磁悬浮装置13还包括与所述壳体12或者安装架1315固定的轴向定位装置133，所述轴向定位装置133与所述旋转轴111的上端在所述旋转轴111的轴向上相顶。在本实施例中，如图4所示，轴向定位装置133与安装架1315通过螺栓固定，轴向定位装置133的中部固定有朝向旋转轴111的顶针1331，顶针1331与旋转轴111上端部的凹陷配合，对旋转轴111施加轴向的力，从而对旋转轴111定位。

本实用新型的飞轮储能系统的储能装置还包括位于所述壳体12内的阻尼机构156，所述能量转换装置14的传动轴141的下端与所述阻尼机构156连接以吸收所述传动轴141的震动。

本实用新型还提供一种飞轮储能车间，包括多个本申请所述的飞轮储能系统，优选为包括5-20个飞轮储能系统。如图6所示，在本实施例中飞轮储能车间包括12个飞轮储能系统。

本实用新型还提供一种飞轮储能工厂，包括40-70个本申请所述的飞轮储能系统。如图7所示，飞轮储能工厂可用于电网中，替代抽水吸能电站，在电力负荷处于低谷时，将多余的电能储存为飞轮储能转子的机械能，在电力符合处于高峰时，将机械能转化成为电能提高供电量，从而实现电网谷峰调节作用。

本实用新型还提供一种飞轮储能基地，包括80个及以上本申请所述的飞轮储能系统，在本实施例中，如图8所示，包括120个飞轮储能系统。

本实用新型还提供一种开关柜，如图9所示，包括开关柜本体、连接所述开关柜本体与电源的供电电路，在本实施例中，电源为市电。所述开关柜还包括连接所述开关柜本体与所述电源的储能电路，所述储能电路与所述供电电路并联，其在所述储能电路上设有储能装置，所述储能装置为如上所述的飞轮储能系统，所述飞轮储能系统的能量转换装置14可将所述电源所提供的电能转化成为所述飞轮的旋转机械能，在所述供电电路不供电的情况下，所述飞轮储能系统的能量转换装置14将飞轮的旋转机械能转化成为电能向所述开关柜本体供电。

本实用新型还提供一种应用设备，所述应用设备为电动车，如图10所示，包括充电单元、储能装置、功率转化装置(本实施例中为功率转化器)和电动机，所述储能装置为本申请中如上所述的飞轮储能系统，所述飞轮储能系统的能量转换装置14与所述充电单元电连接以将所述充电单元提供的电能转化成为飞轮的旋转机械能，所述飞轮储能系统的能量转换装置14还与所述功率转化装置电连接以将飞轮的旋转机械能转化成为电能并向所述功率转化装置供电，所述功率转化装置与所述电动机电连接以向所述电动机供电。充电时，充电单元与电源连接，放电时与电源断开。

在本实施例中，电动车还包括与飞轮储能系统电连接的辅助动力源，所述辅助动力源与电动机连接，所述辅助动力源还与动力转向单元和温度控制单元电连接。动力转向单元与方向盘机械连接，电动机与机械传动装置连接，机械传送装置在电动机的驱动下，带动车轮旋转。电动车还包括控制制动踏板和加速踏板的电子控制器，所述电子控制器与功率转化器通信连接。电子控制器还与能量管理系统通信连接，能量管理系统与飞轮储能系统和充电单元通信连接。图10中细线和箭头表示通信连接，粗线和箭头表示电连接，两条细线表示机械连接。

本实用新型还提供一种应用设备，所述应用设备为抽油机，包括抽油杆、驱动所述抽油杆上下运动的电动机和连接电源与所述电动机的供电电路，所述抽油机还包括连接所述电源和电动机的储能电路，所述储能电路上设有储能装置，所述储能装置为如上所述的飞轮储能装置，所述飞轮储能装置的能量转换装置14在所述抽油杆下落时将所述电源的电能转化成为所述飞轮的旋转机械能，在所述抽油杆在上升时将所述飞轮的旋转机械能转化成为电能并供给所述电动机。在抽油杆在下降时，电动机不做功，飞轮储能装置将电能储存为机械能。在抽油杆在上升时，电动机做功，需要大电流，此时飞轮储能装置可在较短的时间段内释放出电能，形成大电流。这样不仅可以节约能量，还可防止抽油机的运行对电网造成破坏。

本实用新型还提供一种应用设备，所述应用设备为起重机，包括用来抓取重物的升降机构、驱动所述升降机构上下运动的电动机和连接电源与所述电动机的供电电路，所述起重机还包括连接所述电源和电动机的储能电路，所述储能电路上设有储能装置，所述储能装置为如上所述的飞轮储能装置，所述飞轮储能装置的能量转换装置14在所述升降机构下落时将所述电源的电能转化成为所述飞轮的旋转机械能，在所述升降机构向上运动时将所述飞轮的旋转机械能转化成为电能并供给所述电动机。在升降机构在下降时，电动机不做功，飞轮储能装置将电能储存为机械能。在升降机构上升时，电动机做功，需要大电流，此时飞轮储能装置可在较短的时间段内释放出电能，形成大电流。这样不仅可以节约能量，还可防止起重机的运行对电网造成破坏。

本实用新型还提供一种应用设备，所述应用设备为地铁制动能量存储利用系统，如图11所示，包括与地铁的直流母线电连接的双向直流变换器和与所述双向直流变换器电连接的储能装置，所述储能装置为如上所述的飞轮储能系统，所述飞轮储能系统的能量转换装置14在所述直流母线的电压升高时将双向直流变换器提供的电能转化成为所述飞轮储能转子11的旋转机械能，在所述直流母线的电压下降时将飞轮储能转子11的旋转机械能转化成为电能提供给所述双向直流变换器。在地铁刹车时，直流母线的电压会升高，飞轮储能系统将电能储存为机械能，在地铁启动时，直流母线的电压会降低，此时飞轮储能系统将机械能转化为电能释放出来。

当需要储存的电量较多时，储能装置可采用飞轮储能车间，飞轮储能车间包括多个飞轮储能系统，因而可以储存更多的能量。

本实用新型还提供一种应用设备，所述应用设备为电力微网，包括用于风力发电设备和/或太阳能发电设备、对风力发电设备和/或太阳能发电设备提供的电能进行整流变压的整流变压器和与所述整流变压器电连接的储能装置，所述储能装置为如上所述的飞轮储能系统，所述飞轮储能系统的能量转换装置14 可将所述整流变压器提供的电能转化成为所述飞轮储能转子11的旋转机械能，并可将所述飞轮储能转子11的旋转机械能转化成为电能为负载供电。

当风力发电设备和/或太阳能发电设备的规模较大时，本实用新型的电力微网还可采用飞轮储能车间或者飞轮储能工厂来进行储能。

本实用新型还提供一种应用设备，所述应用设备为火力发电站，包括可在蒸汽压力推动下旋转的汽轮机、由所述汽轮机带动的能量转换装置14及储存所述能量转换装置14产生的电能的储能系统，所述储能系统为本申请中如上所述的飞轮储能车间或飞轮储能工厂或飞轮储能基地，采用哪种储能装置，取决于火力发电站的规模大小。

本实用新型中的开关柜、电动车、地铁制动能量储存利用系统、电力微网、抽油机、起重机和火地发电站均为具有本实用新型中的飞轮储能装置的设备。

以上实施例仅为本实用新型的示例性实施例，不用于限制本实用新型，本实用新型的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员在本实用新型的实质和保护范围内，对本实用新型做出的各种修改或等同替换也落在本实用新型的保护范围内。

Claims (33)

1.一种飞轮储能转子，其特征在于，包括：

旋转轴，为竖直设置的实心钢轴，

第一轮毂，所述第一轮毂由弹簧钢制成，套在所述旋转轴上可在所述旋转轴的带动下与所述旋转轴同步旋转，所述第一轮毂具有盘状体，所述盘状体的外缘向其一侧弯折形成抵接部，所述抵接部与所述盘状体相连的位置设有应力减缓槽，所述第一轮毂的盘状体自中部向边缘相对于垂直于所述旋转轴的垂直平面倾斜，且朝向形成所述抵接部的一侧倾斜，

外轮，所述外轮为桶状，套在所述第一轮毂上，其内壁与所述第一轮毂抵接部的外壁相配合。

2.根据权利要求1所述的飞轮储能转子，其特征在于，所述抵接部与所述盘状体之间通过圆角过渡，所述应力减缓槽位于所述圆角的外壁上。

3.根据权利要求1所述的飞轮储能转子，其特征在于，所述外轮的内壁在与所述第一轮毂抵接部的外壁相配合的位置处设有沿周向延伸的第一配合凸起，在完成安装的状态下，所述第一轮毂的抵接部与所述第一配合凸起紧配合。

4.根据权利要求3所述的飞轮储能转子，其特征在于，所述第一配合凸起的至少一端设有引导所述第一轮毂在所述外轮内沿轴线相对运动的安装引导坡，第一配合凸起的至少一端为安装时所述抵接部先接触的一端。

5.根据权利要求1所述的飞轮储能转子，其特征在于，所述盘状体相对于垂直于所述旋转轴的垂直平面倾斜的角度为5°-15°。

6.根据权利要求4所述的飞轮储能转子，其特征在于，所述第一轮毂还包括套在所述旋转轴上可与所述旋转轴同步转动的安装轴套，所述盘状体位于所述安装轴套的外部且与所述安装轴套一体成型。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的飞轮储能转子，其特征在于，所述飞轮还包括位于所述第一轮毂上方的第二轮毂，所述第二轮毂由弹簧钢制成，套在所述旋转轴上，并可在所述旋转轴的带动下与所述旋转轴同步旋转，所述第二轮毂的结构形状与所述第一轮毂的结构形状相同，且在完成装配的状态下，所述第一轮毂的盘状体与所述第二轮毂的盘状体的倾斜方向相同，所述第二轮毂的抵接部与设置在外轮内壁上的第二配合凸起紧配合。

8.根据权利要求7所述的飞轮储能转子，其特征在于，所述紧配合为过盈配合。

9.根据权利要求7所述的飞轮储能转子，其特征在于，所述飞轮还包括定位轴套，所述定位轴套套在所述旋转轴上，且位于所述第一轮毂与第二轮毂之间。

10.根据权利要求9所述的飞轮储能转子，其特征在于，所述定位轴套由40Cr制成。

11.根据权利要求7所述的飞轮储能转子，其特征在于，所述旋转轴的下端具有用于对所述第一轮毂的下端进行定位的轴肩。

12.一种飞轮储能系统，其特征在于，包括：

储能装置，所述储能装置包括，

壳体，所述壳体包括圆筒状侧壁、与所述侧壁固定且密封连接的上端盖和与所述外圆筒固定且密封连接的下端盖，所述壳体设有抽气孔；

飞轮储能转子，位于所述壳体内，所述飞轮储能转子为如权利要求1-11任一项所述的飞轮储能转子，

磁悬浮装置，位于所述壳体内用于支撑所述飞轮的旋转轴的上端并允许所述旋转轴相对于所述磁悬浮装置旋转，

能量转换装置，位于所述壳体内且位于所述飞轮的下方，所述能量转换装置包括由磁极电路绕制形成的定子、可相对于所述定子旋转的转子及由所述转子带动旋转的传动轴，所述传动轴与所述飞轮的旋转轴同轴固定连接并同步旋转，所述能量转换装置还包括冷却通道；

所述飞轮储能系统还包括：

抽真空装置，所述抽真空装置与所述储能装置的壳体的抽气孔连接可对所述壳体围成的封闭空间抽真空；

真空控制装置，与所述抽真空装置连接以控制所述抽真空装置的运行；

冷却装置，所述冷却装置包括存储冷却液的储液罐、与所述储液罐和所述能量转换装置的冷却通道连接的连接管以及为所述冷却液提供动力使所述冷却液在所述冷却通道内循环的冷却泵；

冷却控制装置，与所述冷却装置连接以控制所述冷却装置；

能量转换控制装置，与所述能量转换装置连接，可控制所述磁极电路与外部的充电电路和放电电路的通断状态，当所述磁极电路与充电电路接通同时与所述放电电路断开时，所述能量转换装置的转子在定子的磁力作用下旋转从而通过所述传动轴带动所述飞轮储能转子旋转，所述能量转换装置作为电动机将电能转化为所述飞轮储能转子的旋转机械能储存起来，当所述磁极电路与所述充电电路断开同时与所述放电电路接通时，所述飞轮储能转子通过所述传动轴带动所述能量转换装置的转子旋转从而使所述磁极电路产生电流，所述能量转换装置作为发电机将所述飞轮储能转子的旋转机械能转化为电能供给所述放电电路。

13.根据权利要求12所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述飞轮储能系统的每个所述飞轮储能装置设置检测能量转换装置温度的温度传感器，所述温度传感器还与所述冷却控制装置连接以将所述温度传感器的温度传送给所述冷却控制装置，所述冷却控制装置根据收到的温度数值控制所述冷却装置的运行使所述储能装置的温度控制在设定的温度范围内。

14.根据权利要求13所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述飞轮储能系统的每个飞轮储能装置设置用于检测壳体内部气压的气压传感器，所述气压传感器还与所述真空控制装置连接以将所述气压传感器的数据传送给所述真空控制装置，所述真空控制装置根据收到的温度数值控制所述抽真空装置的运行使所述储能装置的壳体内的气压控制在设定的气压范围内。

15.根据权利要求12所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述磁悬浮装置包括至少一个磁悬浮轴承，每个磁悬浮轴承包括固定在所述旋转轴上并可与所述旋转轴同步旋转的转子磁体及与所述壳体相对固定的定子磁体，所述转子磁体与所述定子磁体上下相对，且所述转子磁体与所述定子磁体相对的面为异极。

16.根据权利要求15所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述转子磁体镶嵌在转子载体上，所述转子载体固定在所述旋转轴上，所述定子磁体镶嵌在定子载体上，所述定子载体固定在与所述壳体固定的安装架上。

17.根据权利要求16所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述磁悬浮装置包括三个所述磁悬浮轴承，每个所述磁悬浮轴承的转子载体通过螺纹固定在所述旋转轴上。

18.根据权利要求17所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述转子磁体与所述定子磁体均为环形。

19.根据权利要求15所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述磁悬浮装置还包括安全轴承，所述安全轴承为机械轴承。

20.根据权利要求12所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述磁悬浮装置还包括与所述壳体或者安装架固定的轴向定位装置，所述轴向定位装置与所述旋转轴的上端在所述旋转轴的轴向上相顶。

21.根据权利要求12所述的飞轮储能系统，其特征在于，飞轮储能系统还包括位于所述壳体内的阻尼机构，所述能量转换装置的传动轴的下端与所述阻尼机构连接以吸收所述传动轴的震动。

22.根据权利要求21所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述飞轮储能系统包括2-16个所述储能装置，所述抽真空装置与所有所述储能装置的壳体的抽气孔同时连接，所述冷却装置与所有所述储能装置同时连接。

23.一种飞轮储能车间，其特征在于，包括多个如权利要求12-22中任一项所述的飞轮储能系统。

24.根据权利要求23所述的飞轮储能车间，其特征在于，包括5-30个如权利要求12-22中任一项所述的飞轮储能系统。

25.一种飞轮储能工厂，其特征在于，包括40-70个如权利要求12-22中任一项所述的飞轮储能系统。

26.一种飞轮储能基地，其特征在于，包括80-120个如权利要求12-22所述的飞轮储能系统。

27.一种应用设备，所述应用设备为开关柜，包括开关柜本体、连接所述开关柜本体与电源的供电电路，其特征在于，所述开关柜还包括连接所述开关柜本体与所述电源的储能电路，所述储能电路与所述供电电路并联，所述储能电路上设有储能装置，所述储能装置为权利要求12-22中任一项所述的飞轮储能系统，所述飞轮储能系统的能量转换装置可将所述电源所提供的电能转化成为所述飞轮的旋转机械能，在所述供电电路不供电的情况下，所述飞轮储能系统的能量转换装置将飞轮的旋转机械能转化成为电能向所述开关柜本体供电。

28.一种应用设备，所述应用设备为电动车，包括充电单元、储能装置、功率转化装置和电动机，其特征在于，所述储能装置为权利要求12-22中任一项所述的飞轮储能系统，所述飞轮储能系统的能量转换装置与所述充电单元电连接以将所述充电单元提供的电能转化成为飞轮的旋转机械能，所述飞轮储能系统的能量转换装置还与所述功率转化装置电连接以将飞轮的旋转机械能转化成为电能并向所述功率转化装置供电，所述功率转化装置与所述电动机电连接以向所述电动机供电。

29.一种应用设备，所述应用设备为抽油机，包括抽油杆、驱动所述抽油杆上下运动的电动机和连接电源与所述电动机的供电电路，其特征在于，所述抽油机还包括连接所述电源和电动机的储能电路，所述储能电路上设有储能装置，所述储能装置为权利要求12-22中任一项所述的飞轮储能系统，所述飞轮储能系统的能量转换装置在所述抽油杆下落时将所述电源的电能转化成为所述飞轮的旋转机械能，在所述抽油杆在上升时将所述飞轮的旋转机械能转化成为电能并供给所述电动机。

30.一种应用设备，所述应用设备为起重机，包括用来抓取重物的升降机构、驱动所述升降机构上下运动的电动机和连接电源与所述电动机的供电电路，其特征在于，所述起重机还包括连接所述电源和电动机的储能电路，所述储能电路上设有储能装置，所述储能装置为权利要求12-22中任一项所述的飞轮储能系统，所述飞轮储能系统的能量转换装置在所述升降机构下落时将所述电源的电能转化成为所述飞轮的旋转机械能，在所述升降机构向上运动时将所述飞轮的旋转机械能转化成为电能并供给所述电动机。

31.一种应用设备，所述应用设备为地铁制动能量存储利用系统，其特征在于，包括与地铁的直流母线电连接的双向直流变换器和与所述双向直流变换器电连接的储能装置，所述储能装置为权利要求12-22中任一项所述的飞轮储能系统或权利要求23或24所述的飞轮储能车间，所述飞轮储能系统的能量转换装置在所述直流母线的电压升高时将双向直流变换器提供的电能转化成为所述飞轮的旋转机械能，在所述直流母线的电压下降时将飞轮的旋转机械能转化成为电能提供给所述双向直流变换器。

32.一种应用设备，所述应用设备为电力微网，包括用于风力发电设备和/或太阳能发电设备、对风力发电设备和/或太阳能发电设备提供的电能进行整流变压的整流变压器和与所述整流变压器电连接的储能装置，其特征在于，所述储能装置为权利要求12-22中任一项所述的飞轮储能系统或权利要求23或24所述的飞轮储能车间或权利要求25所述的飞轮储能工厂，所述飞轮储能系统的能量转换装置可将所述整流变压器提供的电能转化成为所述飞轮的旋转机械能，并可将所述飞轮的旋转机械能转化成为电能为负载供电。

33.一种应用设备，所述应用设备为火力发电站，包括可在蒸汽压力推动下旋转的汽轮机、由所述汽轮机带动的能量转换装置及储存所述能量转换装置产生的电能的储能系统，其特征在于，所述储能系统为权利要求23或24所述的飞轮储能车间或权利要求25所述的飞轮储能工厂或权利要求26所述的飞轮储能基地。