專利名稱：具有雙剛度軸的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型主要涉及飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，尤其是指具有雙剛度軸的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，這 種雙剛度軸使得飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠在有限的振動(dòng)載荷下以超臨界的速度運(yùn)行。
背景技術(shù)：
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)因其潛在的優(yōu)勢(shì)，使得它在電能存儲(chǔ)方面成為蓄電池和電容器的替 代品。相比蓄電池和電容器，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是壽命長(zhǎng)、維護(hù)周期長(zhǎng)和效率高。飛輪 儲(chǔ)能系統(tǒng)是把能量以動(dòng)能的形式存儲(chǔ)在旋轉(zhuǎn)的飛輪中。電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)飛輪加速旋轉(zhuǎn)以存儲(chǔ)能 量，而飛輪拖動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)則把動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)方案多種多樣包 括永磁勵(lì)磁和電磁勵(lì)磁，每種設(shè)計(jì)方案在其使用場(chǎng)合都有各自的優(yōu)勢(shì)。飛輪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和 所需材料類型多種多樣，包括鋼材料和碳纖維復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料能使飛輪以更高 的速度旋轉(zhuǎn)。飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí)由低損耗、長(zhǎng)壽命的軸承系統(tǒng)提供支撐。為了減少飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn) 生的空氣阻力，通常把飛輪放在密封的真空容器中。盡管有多種方式可以支撐飛輪旋轉(zhuǎn)，但 是作為一種新型的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，它不但能夠長(zhǎng)壽命、高效率的高速旋轉(zhuǎn)，而且還能夠運(yùn)行 平穩(wěn)可靠、損耗低。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一個(gè)由長(zhǎng)壽命、高效率和低損耗的支撐系 統(tǒng)支撐的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種具有雙剛度軸的飛輪儲(chǔ) 能系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)包括真空容器、由上下兩片圓盤并排設(shè)置通過鋁管加以固定連接的飛輪系 統(tǒng)、安裝在容器內(nèi)支撐飛輪旋轉(zhuǎn)的縱向軸承系統(tǒng)、飛輪存儲(chǔ)能量時(shí)用于加速和釋放能量時(shí) 用于減速的電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)；縱向軸承系統(tǒng)包括支撐飛輪重力的軸向磁支撐機(jī)構(gòu)和控 制飛輪轉(zhuǎn)軸的兩個(gè)轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)；飛輪通過上、下柔性軸連接到頂部和底部的機(jī)械軸承中；在 正常運(yùn)行時(shí)，柔性軸有一個(gè)低的抗彎剛度，當(dāng)柔性軸偏離超過一定閾值時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)更高 的抗彎剛度。具體地所述轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)包括與飛輪同心固定連接的柔性軸，柔性軸與飛輪之間通 過短軸固定連接，柔性軸的伸出端與固定設(shè)置在真空容器內(nèi)的球軸承相連，在柔性軸的外 圍設(shè)置有套筒，套筒套裝在短軸上，套筒的開口與柔性軸之間設(shè)置有徑向間隙。所述軸向磁支撐機(jī)構(gòu)由相互排斥的固定磁鐵和飛輪上的旋轉(zhuǎn)磁鐵組成。所述電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)包括與真空容器固定連接的空心電樞和固定安裝于飛 輪盤面圓周上的軸向極性交替的上磁鐵陣列和下磁鐵陣列，空心電樞伸入到上磁鐵陣列和 下磁鐵陣列之間的間隙中。所述上下兩片圓盤過盈連接到鋁管。所述真空容器由頂部端蓋、底部端蓋和圓桶焊接而成?？v向軸承系統(tǒng)可以采用具有小型滾動(dòng)元件的機(jī)械軸承以減少損耗，為了獲得良好 的導(dǎo)熱性而延長(zhǎng)潤(rùn)滑油壽命還可以采用固定安裝的軸承。飛輪系統(tǒng)可以在軸承的徑向載荷 和軸向載荷小的情況下進(jìn)行超臨界運(yùn)行。為了達(dá)到超臨界轉(zhuǎn)速，本專利能夠使飛輪系統(tǒng)在加速時(shí)平滑度過共振狀態(tài)。飛輪系統(tǒng)的上下軸分別連接著飛輪上下表面和位于容器頂部與底部的機(jī)械軸承 的滾動(dòng)元件中。磁軸承承載著飛輪的軸向重量。飛輪在正常旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很小的 抗彎剛度，當(dāng)軸的偏轉(zhuǎn)角超過一定閾值時(shí)，軸上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)更大的抗彎剛度。因此，飛輪有 一個(gè)低臨界速度稱為第一臨界速度，這個(gè)臨界速度與飛輪質(zhì)量和軸在低剛度時(shí)對(duì)其徑向支 撐有關(guān)。在飛輪加速過程中，飛輪將穿越這個(gè)臨界速度。在共振期間低的臨界速度會(huì)產(chǎn)生 一個(gè)相應(yīng)地作用力抑制共振。到達(dá)第一臨界速度時(shí)，軸的偏轉(zhuǎn)角將達(dá)到閾值，軸的剛度也 跟著變大。在第一臨界速度時(shí)，軸的更高的剛度限制了其徑向位移。一旦飛輪的轉(zhuǎn)速超過 第一臨界速度，飛輪軸的偏轉(zhuǎn)角將降低到閾值范圍內(nèi)，飛輪將自動(dòng)地圍繞其質(zhì)量中心旋轉(zhuǎn)， 軸的剛度也下降到原來的低剛度。由于飛輪軸的偏轉(zhuǎn)角沒有超過第二閾值，所以其轉(zhuǎn)速不 能達(dá)到與飛輪質(zhì)量和更高的軸剛度相關(guān)的第二臨界速度，在第二閾值時(shí)，軸的剛度將達(dá)到 第二剛度，飛輪的轉(zhuǎn)速更高。最終結(jié)果是飛輪在有限的偏離和振動(dòng)下平滑的加速到超臨界 速度運(yùn)行。本實(shí)用新型的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是飛輪系統(tǒng)對(duì)外部振動(dòng)的抑制。當(dāng)飛輪系統(tǒng)遭遇到水 平位移如振動(dòng)或地震，軸的第二剛度限制了飛輪的徑向偏離。軸在偏離閾值時(shí)產(chǎn)生的第二 剛度在很大程度上抑制了一個(gè)非常大的偏轉(zhuǎn)角的產(chǎn)生，否則，這個(gè)巨大的偏轉(zhuǎn)角在第一剛 度時(shí)就會(huì)發(fā)生。因?yàn)殡p剛度軸限制了徑向載荷，磁軸承限制了軸向載荷，所以機(jī)械軸承滾動(dòng)元件 上的機(jī)械載荷小，這些軸承的尺寸可以做的很小。在飛輪高速運(yùn)行時(shí)，小尺寸軸承的損耗要 比大尺寸軸承的損耗小。飛輪系統(tǒng)采用低成本的軸承支撐系統(tǒng)使得飛輪能夠平滑的加速到 高速旋轉(zhuǎn)而且損耗低。低損耗減少了機(jī)械軸承潤(rùn)滑油的熱分解并延長(zhǎng)了系統(tǒng)的免維護(hù)周期。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。
圖1是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
如
圖1所示的雙剛度軸的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，飛輪系統(tǒng)30通過旋轉(zhuǎn)的飛輪31存儲(chǔ)能 量。兩個(gè)鋼圓盤32、33安裝在同一根鋁管34上組成了飛輪31。飛輪31在真空容器35中 旋轉(zhuǎn)以減少空氣阻力。真空容器35由頂部端蓋36、底部端蓋3)和圓桶38焊接而成。飛 輪31由固定在鋼圓盤32、33圓周上的軸向極性交替的上磁鐵陣列39、下磁鐵陣列40加速， 在上磁鐵陣列39、下磁鐵陣列40之間形成氣隙磁場(chǎng)41。上磁鐵陣列39、下磁鐵陣列40驅(qū) 動(dòng)磁通來回穿越氣隙磁場(chǎng)41。定子空心電樞42安裝在氣隙磁場(chǎng)41中。同步電能加載到 空心電樞42繞組中并產(chǎn)生電磁力矩使飛輪31加速。飛輪31在軸向上由軸向磁軸承43支 撐。磁軸承43由相互排斥的固定磁鐵45和飛輪上的旋轉(zhuǎn)磁鐵44組成。飛輪在徑向上由 垂直于飛輪轉(zhuǎn)軸的頂部和底部的柔性軸46、47組成。柔性軸46、47安裝在球軸承48、49內(nèi) 并跟著球軸承48、49 一起旋轉(zhuǎn)，球軸承48、49固定在容器的上、下端蓋上。套筒50、51安裝 在飛輪的短軸52、53上。套筒50、51與柔性軸46、47有徑向間隙。當(dāng)柔性軸46、47的偏轉(zhuǎn)角度超過閾值等于徑向間距時(shí)，或當(dāng)飛輪穿越共振頻率或施加外部振動(dòng)載荷時(shí)，柔性軸接 觸到套筒50、51，因此柔性軸46、47的剛度增加了。在飛輪系統(tǒng)30啟動(dòng)過程中，飛輪31加 速旋轉(zhuǎn)。飛輪31加速到與其質(zhì)量和柔性軸46、47的第一剛度相應(yīng)的第一臨界速度。在這 個(gè)臨界速度，柔性軸46、47的偏離角達(dá)到閾值。飛輪31繼續(xù)加速，柔性軸46、47的偏離角 降低到閾值以下。飛輪31圍繞其質(zhì)量中心旋轉(zhuǎn)。如果飛輪的極慣性矩大于其橫向慣性矩， 那么這個(gè)飛輪通常只有一個(gè)柱面臨界速度；如果飛輪的橫向慣性矩大于其極慣性矩，那么 這個(gè)飛輪將同時(shí)具有柱面臨界速度和錐面臨界速度。 以上所描述的僅是對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行闡述和說明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可在不脫 離本實(shí)用新型的發(fā)明思想的情況下，對(duì)上述實(shí)施例做出種種修改或變化，因而本實(shí)用新型 的保護(hù)范圍并不被上述實(shí)施例所限，而應(yīng)該是符合權(quán)利要求書提到的創(chuàng)新性特征的最大范圍。
權(quán)利要求一種具有雙剛度軸的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征是所述結(jié)構(gòu)包括真空容器、由上下兩片圓盤并排設(shè)置通過鋁管加以固定連接的飛輪系統(tǒng)、安裝在容器內(nèi)支撐飛輪旋轉(zhuǎn)的縱向軸承系統(tǒng)、飛輪存儲(chǔ)能量時(shí)用于加速和釋放能量時(shí)用于減速的電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)；縱向軸承系統(tǒng)包括支撐飛輪重力的軸向磁支撐機(jī)構(gòu)和控制飛輪轉(zhuǎn)軸的兩個(gè)轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)；飛輪通過上、下柔性軸連接到頂部和底部的機(jī)械軸承中；在正常運(yùn)行時(shí)，柔性軸有一個(gè)低的抗彎剛度，當(dāng)柔性軸偏離超過一定閾值時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)更高的抗彎剛度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有雙剛度軸的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征是所述轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)包 括與飛輪同心固定連接的柔性軸，柔性軸的伸出端與固定設(shè)置在真空容器內(nèi)的球軸承相 連，在柔性軸的外圍設(shè)置有套筒，套筒的開口與柔性軸之間設(shè)置有徑向間隙。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有雙剛度軸的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征是所述柔性軸與飛 輪之間通過短軸固定連接，套筒套裝在短軸上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有雙剛度軸的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征是所述軸向磁支撐 機(jī)構(gòu)由相互排斥的固定磁鐵和飛輪上的旋轉(zhuǎn)磁鐵組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有雙剛度軸的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征是所述電動(dòng)機(jī)/發(fā) 電機(jī)系統(tǒng)包括與真空容器固定連接的空心電樞和固定安裝于飛輪盤面圓周上的軸向極性 交替的上磁鐵陣列和下磁鐵陣列，空心電樞伸入到上磁鐵陣列和下磁鐵陣列之間的間隙 中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有雙剛度軸的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征是所述上下兩片圓 盤過盈連接到鋁管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有雙剛度軸的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征是所述真空容器由 頂部端蓋、底部端蓋和圓桶焊接而成。
專利摘要本實(shí)用新型主要涉及用于長(zhǎng)壽命、高效率、低成本的高速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的支撐系統(tǒng)。為了減少損耗，飛輪系統(tǒng)采用帶滾動(dòng)元件的小型機(jī)械軸承。采用固定連接的軸承以獲得良好的熱傳導(dǎo)而延長(zhǎng)潤(rùn)滑油的使用壽命。上、下軸分別連接著飛輪的上下部分和位于容器頂部、底部的機(jī)械軸承的滾動(dòng)元件。磁軸承承載著飛輪的軸向的重力。正常運(yùn)行時(shí)，軸上產(chǎn)生一個(gè)較小的抗彎剛度，當(dāng)飛輪的偏轉(zhuǎn)角超出閾值時(shí)，軸上將產(chǎn)生更大的抗彎剛度。因此飛輪有一個(gè)與其質(zhì)量和軸的第一剛度相關(guān)的臨界速度。
文檔編號(hào)F16F15/30GK201656662SQ200920351030
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2009年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月22日
發(fā)明者克里斯托弗·蓋卜瑞斯 申請(qǐng)人:蘇州菲萊特能源科技有限公司