TWI690655B - 飛輪能量儲存系統 - Google Patents

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TWI690655B
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吳家麟
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Abstract

本發明涉及一種飛輪能量儲存系統，包含一外殼、一轉軸、一飛輪、以及二電機組。轉軸可樞轉地設置於外殼中。飛輪包含一中樞部與一環型體。轉軸穿過環型體。環型體經由中樞部固定於轉軸。環型體於中樞部的相對兩側分別形成二開槽。電機組分別容置於該二開槽中。各電機組包含一第一電機轉子與一電機定子。於各開槽中，第一電機轉子固設於轉軸上，而電機定子固定於外殼並位於第一電機轉子與環型體之間。

Description

飛輪能量儲存系統
本發明係關於一種電動機，特別是一種飛輪能量儲存系統。
飛輪能量儲存(Flywheel energy storage，FES)系統，是一種能量儲存的方式，其主要是通過加速轉子(具有轉軸之飛輪)至極高速度，從而將能量以旋轉動能的形式儲存於系統中。當系統需要釋放能量時，根據能量守恆原理，飛輪的旋轉速度會下降；當系統需要儲存能量時，則可提高飛輪的旋轉速度。
詳細來說，典型的飛輪能量儲存系統包含一個腔體，其內配置有一轉子(飛輪)以及與之連接為一體的電機組(或稱電動機組)。飛輪於旋轉時具有機械位能，當其質量越大與旋轉速度越快時，其可儲存的能量可成正比成長，當飛輪相對於轉軸的力矩越大，其可儲存的能量將成平方比地增加。所述的電機組則作為能量輸出與輸入的裝置，能以馬達的形態接收電力輸入以驅動飛輪旋轉，也能改以發電機的形態將飛輪旋轉的機械位能轉換為電力輸出。
由此可知，飛輪能量儲存系統可切換為馬達功能或發電機功能，以將機械能與電能作直接的轉換。且由於飛輪的轉速能被快速被提升而得以快速地吸收能量或快速地釋放出能量，因此其功率相對於其他儲能元件而言更大。例如相較於一般化學電池(例如鉛酸電池)，飛輪能量儲存系統的功率密度明顯高出許多，使得在某些需要快速儲存能量的場合，飛輪能量儲存系統比起化學電池更為適用，例如在風量變化很大的風力發電廠，或水量變化很大的波浪發電廠等場合，需要快速吸收或釋放能量的裝置來穩定電壓或電量；或者，飛輪能量儲存系統也適用於機動車輛上，可以飛輪快速吸收煞車能量或減速能量，並於起動時快速釋出能量。前述的原因與優勢使得飛輪能量儲存系統逐漸受到業界的重視。
然而，目前的飛輪能量儲存系統仍有不足之處。舉例來說，為了滿足機動車輛的使用，如為了避免車輛之載重過重，飛輪能量儲存系統的體積與重量需要降低，然而，如何能在此需求下維持甚至提高能量密度，亦即要如何在降低體積與重量的同時又提高其能量密度與功率密度，是近年來各界研究的重點之一，尤其是在綠色能源的時代，其重要性將越來越高。
有鑑於此，本發明提供一種飛輪能量儲存系統，可同時兼顧降低重量與提升能量密度及功率密度的優勢，以符合現今飛輪能量儲存系統的發展趨勢。
根據本發明所揭露的一種飛輪能量儲存系統，包含一外殼、一轉軸、一飛輪、以及二電機組。轉軸可樞轉地設置於外殼中。飛輪包含一中樞部與一環型體。轉軸穿過環型體。環型體經由中樞部固定於轉軸。環型體於中樞部的相對兩側分別形成二開槽。電機組分別容置於該二開槽中。各電機組包含一第一電機轉子與一電機定子。於各開槽中，第一電機轉子固設於轉軸上，而電機定子固定於外殼並位於第一電機轉子與環型體之間。
根據本發明所揭露的一種飛輪能量儲存系統，包含一外殼、一轉軸、一飛輪以及一電機組。轉軸可樞轉地設置於外殼中。飛輪包含一中樞部與一環型體。轉軸穿過環型體。環型體經由中樞部固定於轉軸，且環型體於中樞部的一側形成一開槽。電機組容置於該開槽中。電機組包含一第一電機轉子、一第二電機轉子與一電機定子。第一電機轉子固設於轉軸上，第二電機轉子固設於環型體之一環型內壁上，而電機定子固定於外殼並位於第一電機轉子與第二電機轉子之間。
本發明所揭露的飛輪能量儲存系統，藉由飛輪之環型體的幾何構型，飛輪大部分的質量遠離轉軸從而可大幅減少飛輪的總重量但又可同時增大其旋轉力距，即在提高慣量對重量之比的情況下提高旋轉位能之能量密度。並且，電機組能容置於飛輪的開槽中，可充分利用空間而有助於縮小整體體積，進而讓飛輪能量儲存系統於單位重量及單位體積的能量密度提高。
以上之關於本發明揭露內容之說明及以下之實施方式之說明，係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者，瞭解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
此外，以下將以圖式揭露本發明之實施例，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到的是，這些實務上的細節非用以限制本發明。另外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示，且圖式中將省略剖面線以保持圖面整潔，於此先聲明之。
另外，以下文中可能會使用「端」、「部」、「部分」、「區域」、「處」等術語來描述特定元件與結構或是其上或其之間的特定技術特徵，但這些元件與結構並不受這些術語所限制。在下文中，也可能使用「實質上」、「基本上」、「約」或「大約」等術語，其與尺寸、濃度、溫度或其他物理或化學性質或特性之範圍結合使用時，為意欲涵蓋可能存在於該等性質或特性之範圍之上限及/或下限中之偏差、或表示容許製造公差或分析過程中所造成的可接受偏離，但仍可達到所預期的效果。
再者，除非另有定義，本文所使用的所有詞彙，包括技術和科學術語等具有其通常的意涵，其意涵能夠被熟悉此技術領域者所理解。更進一步的說，上述之詞彙的定義，在本說明書中應被解讀為與本發明相關技術領域具有一致的意涵。除非有特別明確的定義，這些詞彙將不被解釋為過於理想化的或正式的意涵。並且，本文所使用的元件名稱依據描述上的需求有時會以較為簡潔的方式代稱之，應可為閱讀者所理解。
請參照圖1~3，圖1係為依據本發明之一實施例的飛輪能量儲存系統的側示圖，圖2係為圖1之飛輪能量儲存系統的上視圖，而圖3係為圖1之飛輪能量儲存系統的外殼的上視簡單示意圖。
本實施例提出一種飛輪能量儲存系統1，於下文中也可簡稱為「系統」。飛輪能量儲存系統1例如是一臥式的飛輪能量儲存系統，其包含一外殼10、一轉軸(shaft)20、一飛輪(flywheel)30以及二電機組40。
外殼10可以例如由鋁合金等剛性高但不導磁的材質所構成，但本實施例並非以此為限。並且，外殼10上可視需求設置肋結構(如後圖3之肋結構160)以提高整體的結構強度。此外，外殼10不限於是一體成型的結構、或可由多段結構組裝成一體。在外殼10是以多段結構組裝成一體的情況中，各段結構可由螺栓相接，且各段結構之銜接處可採用墊襯或塗上密封膠等方式達到氣密的效果。
於本實施例中，外殼10圍繞出一內腔室S，以將轉軸20、飛輪30以及電機組40均包覆於內。外殼10可設置有一抽氣閥11，抽氣閥11可外接一抽真空裝置(未繪示)，以將該內腔室S內的空氣抽出而使其形成一接近真空或實質上為真空的密閉空間。藉此，可降低轉軸20、飛輪30以及電機組40於外殼10內運轉時與空氣之間的摩擦，即可降低外殼10內部的空氣阻力，從而降低能量的耗損。
此外，外殼10具有二軸承座110，該二軸承座110各設置有一或多個軸承120。轉軸20相對兩端分別可樞轉地穿設軸承120並插設該二軸承座110，使得轉軸20得以相對以其中心軸線(central axis)C相對外殼10轉動。軸承120可例如是磁浮軸承(magnetic bearing)，可大幅降低轉軸20轉動時的摩擦阻力，甚至使得轉軸20轉動時不與軸承座110產生摩擦阻力。
進一步來看，於本實施例中，轉軸20的相對兩端分別具有圓錐形頭部21，圓錐形頭部21可以但不限於是額外嵌設於轉軸20的結構或是與轉軸20為一體成型之結構。該二圓錐形頭部21的尖端的連線實質上重疊於轉軸20之中心軸線C，而軸承座110各具有一圓錐孔111，該二圓錐孔111的形狀分別匹配圓錐形頭部21，且其尖端的連線實質上也重疊於轉軸20之中心軸線C，因而當轉軸20以圓錐形頭部21分別置入軸承座110的圓錐孔111中時可達到將轉軸20精準對位的效果，使得轉軸20可自動地被定位於所設定的位置上，一方面有利於轉軸20之定位，另一方面可避免並降低轉軸20產生的非預期搖晃。藉此，有助於提高飛輪能量儲存系統1的機械精準度，避免任何旋轉件產生偏擺或與固定件產生機械摩擦的可能性。若機械精度不足，旋轉件則會產生偏擺而引發不必要的離心力，隨著轉速提高，非必要的離心力則會增大而增加轉軸整體的偏擺量，造成加劇振動的結果，這可能會對整體系統產生極大的破壞，嚴重者還會使結構破裂飛出而造成人員受傷等意外。
飛輪30是作為能量儲存的載體，其每單位重量或單位體積下能儲存的能量越高越好(即能量密度)，為了達到這個目的，於本實施例或其他實施例中，飛輪30的外型大致呈圓筒狀。如圖所示，飛輪30包含一中樞部(hub)310與一環型體330。轉軸20穿過環型體330，且環型體330經由中樞部310固定於轉軸20。藉此，飛輪30得以與轉軸20同步樞轉。於本實施例中，飛輪30與轉軸20均以轉軸20之中心軸線C為同心圓配置。但提醒的是，本發明並非以中樞部310固定於轉軸20的方式為限。
由於環型體330本身的結構特性，飛輪30大部分的質量遠離轉軸20(即遠離中心軸線C)，從而有助於增大其旋轉力距而提高旋轉位能之能量密度。詳細來說，由於環型體330的幾何構型，飛輪30大部分的質量往較高旋轉力距的外圈部位移動，重量大幅減少但又可同時讓旋轉慣量增加，即有助於提高慣量對重量之比。原因在於，飛輪30的位能主要是由旋轉的慣量產生，該位能與慣量及轉速成正比，而慣量是與質量成正比且與力距的平方成正比，因此在飛輪30的外環部位(即環型體330)，其遠離轉軸心(如中心軸線C)，也就是位於可產生較大力距的區域，因而可產生較大的位能，故將飛輪30的中間區域掏空(即指環型體330內的區域)並不會降低太多的慣量值，但卻能大幅降低飛輪30的總重量，也就是能大幅升高飛輪30於單位重量的能量密度。
另一方面，飛輪30的材料可使用結構強度高且密度高的非導磁材料、或電絕緣材料等材質所構成，以助於提高其單位體積之旋轉質量、以及避免於旋轉而產生巨大離心力時不慎破裂的問題，但本發明並非以此為限。
於本實施例中，環型體330於中樞部310的相對兩側分別形成二開槽31。電機組40分別容置於這兩個開槽31中，如此能充分利用飛輪30的空間，有助於大幅縮小飛輪能量儲存系統1的總體機，也就是提升了整個系統每單位體積的能量密度。由此得知，飛輪30的幾何構型不僅可降低總重量、提升能量密度，還可用於容置電機組40而達到有效利用空間的效果。從軸向(如中心軸線C)的方向來看，這兩個電機組40分別位於飛輪30之中樞部310的相對兩側並沿轉軸20之中心軸線C排列。兩個電機組40皆需經良好控制，使其彼此之間能同步運作，以保持系統的機械穩定度。
進一步來看，各電機組40包含一第一電機轉子410、一第二電機轉子420及一電機定子430。於各開槽31中，第一電機轉子410固設於轉軸20上，第二電機轉子420固設於環型體330之一環型內壁331上，而電機定子430固定於外殼10且位於第一電機轉子410與第二電機轉子420之間。在此配置下，電機定子430與外殼10為不動件(或稱固定件)，而第一電機轉子410與第二電機轉子420、飛輪30及轉軸20為動件(或稱旋轉件)，且這四個動件可同步作旋轉運動。
另外，第二電機轉子420與環型體330之環型內壁331之間可以但不限於設置絕磁材料R，可於飛輪30的材料存有導磁性時用以阻斷磁力線，以避免磁力線變化造成環型內壁331產生渦電流(Eddy current)的能量耗損，但本發明並非以絕磁材料R及其材質為限。此外，本發明對於電機定子430固定於外殼10的方式也沒有限制，電機定子430例如可以是透過螺栓440鎖固於外殼10上。
進一步來看，各電機組40的第一電機轉子420與電機定子430之間具有一第一間隙G1，這兩個電機組40的第一間隙G1分別位於飛輪30之中樞部310的相對兩側；而各電機組40的第二電機轉子420與電機定子430之間具有一第二間隙G2，這兩個電機組40的第二間隙G2圍繞第一間隙G1，且分別位於飛輪30之中樞部310的相對兩側，這些徑向的間隙可讓電機定子430與第一電機轉子410及第二電機轉子420之間能以磁力相互工作而不會產生機械干涉。
在此配置下，這兩個電機組40的第一電機轉子410則分別位於飛輪30之中樞部310的相對兩側，且沿轉軸20之中心軸線C排列，因此第一電機轉子410是以中心軸線C為旋轉軸心進行旋轉；而第二電機轉子420亦分別位於飛輪30之中樞部310的相對兩側，且也沿轉軸20之中心軸線C排列，因而第二電機轉子420也是以中心軸線C為旋轉軸心進行旋轉；至於電機定子430，也是分別位於飛輪30之中樞部310的相對兩側並沿轉軸20之中心軸線C排列。
從另一個角度來說，這兩個電機組40的電機定子430圍繞轉軸20與第一電機轉子410，而第二電機轉子420圍繞電機定子430。或者也可以說，電機定子430位於第一電機轉子410遠離轉軸20之一側之外，而第二電機轉子420位於電機定子430遠離轉軸20之一側之外。又或者可以簡單地說，第一電機轉子410與第二電機轉子420分別位於電機定子430的內圈與外圈。
設置於轉軸20上的第一電機轉子410以及固設於環型體330之環型內壁331的第二電機轉子420均可與轉軸20同步地轉動，並相對固定於外殼10之電機定子430轉動而產生交互感應。
並且，從側視圖的角度來看，飛輪30是以轉軸20之中心軸線C為對稱中心軸的方式配置，而這兩個電機組40是以飛輪30之中樞部310為對稱中心軸的方式配置，因此整體呈現對稱的雙電動組結構，有助於在前述這些旋轉件高速旋轉時獲得較好的動態平衡及機械動態應力分佈的效果，且有利於軸承20之耐久使用而提升整體系統的穩定度。
於本實施例中，電機定子430包含是由導磁體431及圈繞於導磁體431的繞線433所共同構成。一般來說，電機定子依其種類可以有多種可能之繞線與連結方式，也可能由多個定子繞線串聯或並聯連接而成，但本發明並非以此為限。此外，如圖1與圖3所示，繞線433連接有一電源線作為一出線端4331穿出外殼10，以做為系統與外界輸入或輸出電力的通道，其中出線端4331穿出外殼10的部分可增設如墊襯或膠體等氣密材，以避免出線端4331的穿設影響外殼10內的氣密性。於一示例中，可例如將不導電之電木所構成的支架140透過墊襯或膠體固設於外殼10外，並將可導電之導電柱(例如為螺栓150)安裝於該支架140，且讓外殼10之內部與外部的電源線鎖固於該螺栓150的相對兩端以作為電力通路，如此作法既能達成通電與密封之效果，又可方便地進行電源線的安裝作業。
若由外界經此出線端4331導入電力，則電流將從此流通進入電機定子430之繞線433，使得繞線433產生徑向迴路之電磁場，該電磁場的磁力線由電機定子430之導磁材料同時經過其內層與外層處的間隙(第一間隙G1與第二間隙G2)，以對電機定子430之內層處的第一電機轉子410與外層處的第二電機轉子420交互作用。
第一電機轉子410與第二電機轉子420例如是由多片薄矽鋼片堆疊所組成，能避免導磁材料表面因磁場通過而形成渦電流，且於其中可裝設有永久磁石M，並可依其極數調整永久磁石M的數量，如此一來，第一電機轉子410與第二電機轉子420則可產生永久磁場以與電機定子430產生磁力作用。因此，第一電機轉子410與第二電機轉子420的永久磁場則分別會在電機定子430的外層與內層上形成各自獨立的磁迴路，亦即磁通路徑，並各自與電機定子430之繞線433作用。對於電機定子之繞線433來說，可增加其作用之單位磁通量。但因磁力線是各自作用於電機定子430之內層與外層，因此內、外兩層的磁迴路的主要磁場部份(強磁區)並不會相疊加，所以雖然整體的磁通量大幅增加，仍不會提前造成電機定子430之導磁材料的磁飽和(Magnetic saturation)的不良現象。
由於磁通量大幅增強，當飛輪能量儲存系統1執行馬達功能時，對飛輪能量儲存系統1輸入同樣的電流量可產生更大的推力推動飛輪30旋轉，即輸入功率增強；另一方面，當飛輪能量儲存系統1執行發電機功能時，飛輪30帶動第一電機轉子410與第二電機轉子420使磁力線切割電機定子430之繞線433時會產生更大的電動勢，也就是輸出功率增強。
藉此，當外部提供電力進入此飛輪能量儲存系統1，其則可以如馬達的模式開始運轉，電力通過電機定子430的繞線433會產生變動的電磁場，此電磁場能驅動第一電機轉子410與第二電機轉子420運動，即同時讓與第一電機轉子410與第二電機轉子420固接的轉軸20與飛輪30一併轉動，飛輪30因此可開始旋轉而儲存能量。只要電機組40不斷地產生磁力來帶動飛輪30轉動，飛輪30之轉速則可以被不斷地被增加，使得飛輪能量儲存系統1得以儲存能量，直到其內的導磁材料之磁力線飽和為止。另一方面，當外部裝置需要電能時，此時將沒有從外部導入的電力，則電機定子430之繞線433被第一電機轉子410與第二電機轉子420中之永久磁場所產生的徑向迴路的磁力線所切割，且該永久磁場被持續旋轉的飛輪30帶動，而持續對繞線433產生切割作用而讓繞線433產生電動勢，亦即電位能，此電位能能夠經由該出線端4331以對外提供電能，此時飛輪能量儲存系統1成為電力來源，能釋放電能量給外界使用。
由上可知，電機定子430之內層與外層皆有電機轉子(即第一電機轉子410與第二電機轉子420)同步作用，不論是由飛輪30轉動產生電能量的階段、或是輸入電能來帶動飛輪30轉動的階段，繞線433都會被電機轉子(即第一電機轉子410與第二電機轉子420)的磁力線切割，磁力與電力相互作動時，電機定子430之內層區域與外層區域皆有永久磁石M之磁場相作用，其單位磁力線大幅增加但並不重疊，因而能大幅提升其功率密度，又能避免其內部之導磁材料產生磁飽和之不良的現象。
此外，於本實施例中，飛輪能量儲存系統1還包含多個軸承60，分別設置於飛輪30之環型體330朝向外殼10的相對兩端面332上，軸承60與前述的軸承120同樣為磁浮軸承，但軸承60的設置面積較軸承120大，因而可產生更大的磁浮力來降低旋轉件(指第一電機轉子410、第二電機轉子420、飛輪30、轉軸20)的機械摩擦力以及增強對其的支撐力，進而使得整體系統的運動更為穩定。並且，由於前述轉軸20相對兩端具有相互搭配對位的圓錐形頭部21與圓錐孔111，因而有助於實現這些磁浮軸承(包含軸承60與軸承120)的精準對位需求。
另外，於其他實施例中飛輪能量儲存系統也可省略第二電機轉子420。在此情況下，第一電機轉子410固設於轉軸上，而電機定子430固定於外殼10而位於第一電機轉子410與環型體330之間。
再者，於其他實施例中，還可將控制室與飛輪能量儲存系統結合。如圖4，圖4係為依據本發明之另一實施例的飛輪能量儲存系統的上視圖，本實施例與前述實施例的飛輪能量儲存系統的差異主要在於外殼的設計，其他的元件若無額外說明則實質上可與前述實施例相同。相較於前述實施例的外殼10，本實施例之外殼10’中還可具有一控制室空間S1，其是透過將本身結構向外擴張而善用前述實施例之外殼10外部的閒置空間所實現。控制室空間S1可用於容納可控制系統與其電機組的一或多個控制器80。因此，於本實施例中，控制中心與飛輪能量儲存系統被整合為一體，避免控制器需要在系統外部額外配置安裝空間的困擾，又能避免系統與控制器之間使用較長的連接線路而產生的相應問題。藉此，有助於縮小飛輪能量儲存系統的整體佔用空間，也就是，在單位體積方面更加提高能量密度與功率密度。
接著，請參閱圖5，為本發明之又一實施例的飛輪能量儲存系統的側示圖。本實施例與先前實施例的主要差異在於電機組的數量，而其他的元件在結構上可相應此差異而做適應性地調整。如圖所示，本實施例給出的是一種飛輪30’僅具有單一個開槽31’的飛輪能量儲存系統1’，在此情況下，電機組40’的數量僅具有一個，並容置於該開槽31’中。其中，飛輪能量儲存系統1’ 電機組40’、飛輪30’以及轉軸20等其他元件的設置方式、作動原理等實質上可參閱前述實施例而得知，於此將不再贅述。
此外，還需補充的是，於本實施例中，開槽31’是位於飛輪30’之其中一側，但本發明並沒有受限於開槽31’是位於飛輪30’之上側或下側，圖5僅是以開槽31’朝向下方作為實施例。
另外，在此配置下，飛輪能量儲存系統1’之轉軸20’可與地面呈垂直之直立式配置，即成為立式的飛輪能量儲存系統。由於此種配置方式可讓地面負擔呈載元件的重量，因此可使得系統採用較大質量的飛輪30’。且由於是立式，因而較適用於整體系統的方向不會改變的應用中，並且，轉軸20’垂直地面，其重力場向下並以轉軸20’為樞軸，因此所有的旋轉件需對轉軸20’為對稱，且飛輪30’可以只在朝向下方的端面332’裝設磁浮軸承(如軸承60)即可，有助於降低成本。
於此，另補充說明的是，前述永久磁石的磁力密度極高，不僅可使得電機效率提高，也可提高飛輪能量儲存系統的可應用性，但由於永久磁石具有極強磁場，為了避免其強大的磁吸作用讓電機定子、電機轉子與飛輪於組裝時彼此磁吸靠近而相互撞擊，前述實施例的系統中可採用螺孔及長螺栓作為主要的組裝工具(未顯示於圖式中)，主要是透過長螺栓讓含電機定子的組件與含電機轉子的組件借由長螺栓而在設定上的方向移動，並隨著長螺栓逐漸鎖入螺孔的機制，而得以彼此保持距離並逐步組裝至定位。因此，在飛輪的端面上可設置有裝卸螺孔，而外殼上可設置固定螺栓之孔洞，使得整體元件的組裝可透過搭配額外的固定支架(未繪示)而實現。也就是說，關於組裝的方面，只需要使用長螺栓及調整把手等簡單的工具，就能將飛輪能量儲存系統前述的元件依次組裝定位，組裝程序與工法簡易，亦是本發明之一項。
綜上所述，由本發明前述之飛輪能量儲存系統，至少具有以下各點功效：
1. 由於飛輪的環型體本身的幾何構型，飛輪大部分的質量遠離中心軸線從而有助於增大其旋轉力距，進而有助於提高旋轉位能之能量密度；
2. 電機組能容置於飛輪的開槽，既能讓電機定子於工作時的磁通量倍增以增加功率密度，又讓電機轉子在不多佔空間的情況下增加飛輪的旋轉慣量，以增加能量密度；這樣的做法充份利用飛輪的幾何構型，可提高整體的能量密度及功率密度。這意味著，本發明之飛輪能量儲存系統能更快的將外界的電力能量輸入到內部，亦即讓飛輪更快的達到預定轉速以儲存能量。另一方面，本發明之飛輪能量儲存系統能將飛輪的機械能量，以電力方式更快的輸出而被外界使用；
3. 電機組包含第一電機轉子及第二電機轉子與插設於其之間的電機定子，形成對電機定子之內層與外層皆能切割磁力線的電機構型，有助於在維持足夠的磁通量的情況下讓電機轉子內使用較薄的磁鐵以降低成本。且第一電機轉子與第二電機轉子會各自於相接近的電機定子上形成獨立的磁迴路而使得各磁迴路之強磁區不重疊，所以雖然整體的磁通量大幅增加，但並不會造成電機定子的導磁材料產生磁飽和的不良現象；
4. 飛輪之端面與轉軸兩端皆設有磁浮軸承，有助於大幅降低飛輪能量儲存系統之內部的動件(包含第一電機轉子、第二電機轉子、轉軸與飛輪)於運轉時產生的機械摩擦阻力，從而能使系統更穩定地運轉；
5. 外殼之內腔室抽真空，使得動件(包含第一電機轉子、第二電機轉子、轉軸與飛輪)可在真空的環境中旋轉，以降低其在外殼內運轉時與空氣產生的摩擦，有助於降低整體系統的儲存能量的損失，從而有助於讓飛輪能長期保持其旋轉位能；
6. 控制室一併被整合進入外殼內，除了充份利用閒置空間，還能提高單位體積之能量密度與功率密度，並提高安裝之方便性，避免控制器需要另外安裝的空間與程序，又能避免飛輪能量儲存系統與控制器之間使用長的連接線路；
7. 在立式的飛輪能量儲存系統的實施例中，飛輪可呈垂直於地面的方式配置，由於整體系統有地面之支撐，可讓系統配置較大質量的飛輪。並且，飛輪可僅於朝向下方的端面上裝設磁浮軸承，有助於降低成本；以及
8. 在臥式的飛輪能量儲存系統的實施例中，將電機組分別配置於飛輪左右兩側開槽中，整體系統的佈置以飛輪之中樞部呈現對稱平衡，有助於獲得較為穩定之表現。
綜上所述，本發明之飛輪能量儲存系統在每單位重量或單位體積下可具有更高的功率密度且具有快速的能量轉換功效，因而更能適用於更輕、更小、更快速作高功率輸出入的應用，例如更適於應用在機動車輛等需要快速輸入/輸出電能以及快速轉換電能和機械能的應用。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
1、1’:飛輪能量儲存系統
10’、10:外殼
11:抽氣閥
20、20’:轉軸
21:圓錐形頭部
30、30’:飛輪
31、31’:開槽
40、40’:電機組
60:軸承
80:控制器
110:軸承座
111:圓錐孔
120:軸承
140:支架
150:螺栓
160:肋結構
310:中樞部
330:環型體
331:環型內壁
332、332’:端面
410:第一電機轉子
420:第二電機轉子
430:電機定子
440:螺栓
431:導磁體
433:繞線
4331:出線端
C:中心軸線
G1:第一間隙
G2:第二間隙
R:絕磁材料
M:永久磁石
S:內腔室
S1:控制室空間
圖1係為依據本發明之一實施例的飛輪能量儲存系統的側示圖。 圖2係為圖1之飛輪能量儲存系統的上視圖。 圖3係為圖1之飛輪能量儲存系統的外殼的上視簡單示意圖。 圖4係為依據本發明之另一實施例的飛輪能量儲存系統的上視圖。 圖5係為依據本發明之又一實施例的飛輪能量儲存系統的側示圖。
1:飛輪能量儲存系統
10:外殼
11:抽氣閥
20:轉軸
21:圓錐形頭部
30:飛輪
31:開槽
40:電機組
60:軸承
110:軸承座
111:圓錐孔
120:軸承
140:支架
310:中樞部
330:環型體
331:環型內壁
410:第一電機轉子
420:第二電機轉子
430:電機定子
431:導磁體
433:繞線
440:螺栓
4331:出線端
C:中心軸線
G1:第一間隙
G2:第二間隙
M:永久磁石
R:絕磁材料
S:內腔室

Claims (8)

  1. 一種飛輪能量儲存系統，包含：一外殼；一轉軸，可樞轉地設置於該外殼中；一飛輪，包含一中樞部與一環型體，該轉軸穿過該環型體，該環型體經由該中樞部固定於該轉軸，且該環型體與該中樞部共同圍繞出二開槽，該轉軸貫穿該二開槽，且該二開槽沿該轉軸之一中心軸線排列而分別位於該中樞部的相對兩側；以及二電機組，分別容置於該二開槽中，各該電機組包含一第一電機轉子與一電機定子；其中於各該開槽中，該第一電機轉子固設於該轉軸上，而該電機定子固定於該外殼並位於該第一電機轉子與該環型體之間。
  2. 如請求項1所述之飛輪能量儲存系統，其中各該電機組還包含一第二電機轉子，該第二電機轉子固設於該環型體之一環型內壁上，而該電機定子固定於該外殼而位於該第一電機轉子與該第二電機轉子之間。
  3. 如請求項1所述之飛輪能量儲存系統，其中該二電機組的該些電機定子圍繞該轉軸與該些第一電機轉子，而該些第二電機轉子圍繞該些電機定子。
  4. 如請求項1所述之飛輪能量儲存系統，其中於各該電機組中，該電機定子位於該第一電機轉子遠離該轉軸之一側之外，而該第二電機轉子位於該電機定子遠離該轉軸之一側之外。
  5. 如請求項1所述之飛輪能量儲存系統，其中各該電機組的該第一電機轉子與該電機定子之間具有一第一間隙，該第一間隙圍繞該第一電機轉子。
  6. 如請求項5所述之飛輪能量儲存系統，其中各該電機組的該第二電機轉子與該電機定子之間具有一第二間隙。
  7. 如請求項1所述之飛輪能量儲存系統，其中該轉軸具有二圓錐形頭部，該二圓錐形頭部分別位於該轉軸的相對兩端，該外殼具有二圓錐孔，該二圓錐孔的形狀分別匹配該二圓錐形頭部，該轉軸之該二圓錐形頭部分別置入該外殼的該二圓錐孔中。
  8. 一種飛輪能量儲存系統，包含：一外殼；一轉軸，可樞轉地設置於該外殼中；一飛輪，包含一中樞部與一環型體，該轉軸穿過該環型體，該環型體經由該中樞部固定於該轉軸，且該環型體與該中樞部共同圍繞出一開槽，該轉軸貫穿該開槽，且該開槽沿該轉軸之一中心軸線位於該中樞部的一側；以及一電機組，容置於該開槽中，該電機組包含一第一電機轉子、一第二電機轉子與一電機定子，其中，該第一電機轉子固設於該轉軸上，該第二電機轉子固設於該環型體之一環型內壁上，而該電機定子固定於該外殼並位於該第一電機轉子與該第二電機轉子之間。
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