一种模块化且容量可调的新型串联联动式机械弹性储能箱的制作方法

本发明属于机械储能领域，涉及机械弹性储能箱，由其是一种模块化且容量可调的新型串联联动式机械弹性储能箱。

背景技术：

机械弹性储能系统的储能元件为机械弹性储能箱，储能箱内部有若干个储能单元，储能单元的储能介为大型平面蜗卷弹簧，其是由一组簧片在一个平面内盘绕而成，由于要保证一定的储能容量，所以簧片要有相当的长度、宽度和厚度。以往的机械弹性储能箱的储能单元和储能箱箱体是一体的，簧片两端直接固定在储能箱的芯轴和箱体内壁上，非常不方便于安装和维修，而且大型蜗卷弹簧的内作用力非常大，安装维修时容易出危险。同时，根据实际应用情况的不同，可能需要的储能容量是不一样的，这种情况下需要不同容量的储能单元以及装配不同的数量，以往的一体化安装很难更换。在机械弹性储能箱投入使用之后，可能一部分簧片在使用过程中损坏，一体化的安装很难维修，往往整个储能箱报废，浪费严重。

在储能运行中，常规的串联联动机械储能箱没有防反转设计，在储能过程中万一电机故障转矩小于储能箱反转矩或消失，储能箱就有可能带着电机反转，非常危险，同时，在储能系统非空储启动时，储能箱已经有一定的反转矩，电机启动要迅速达到或大于储能箱反转矩，不然同样可能导致储能箱带着电机反转，控制复杂，安全性不好。在发电过程中，传统的串联联动式储能箱的结构决定了弹性势能-动能-电能的转化必须同时进行，而且要求电机必须快速抽离储能箱的动能，理想的情况是储能单元弹性势能释放完毕的同时动能也同时完全转换成电能，及此时储能箱箱体转速被控为零，不然储能箱箱体就会反拧储能单元，损坏储能单元，这种控制目标很难实现，传统的做法是以损失一部分能量为代价刹车制动，但这也会对储能系统造成一定的冲击。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种储能单元与储能箱箱体呈分离式的结构，储能单元通过卡槽等和储能箱箱体装配在一起，方便于前期的安装和后期的维护。而且将储能单元设计成几种不同容量的标准件，用户可以自由搭配组装自己需求容量的储能箱，便于工厂大规模的生产，对降低单位成本有一定的意义。同时储能系统加入了单向超越离合器，在储能阶段能实现防反转作用，发电阶段能让储能单元和芯轴在一定情况在自动脱离，实现防反拧的作用，同时由于超越离合器的超越功能，新结构的弹性势能-动能-电能的转化过程更加的灵活，便于控制方案设计。

本发明所述的问题是由以下技术方案实现的：

一种模块化且容量可调的新型串联联动式机械弹性储能箱，包括储能箱箱体、储能箱芯轴及多个储能单元，所述储能箱箱体为圆筒形，在储能箱箱体的轴向两端分别封装左端盖及右端盖，在左端盖的外侧壁同轴一体制出一左端盖伸出轴，在储能箱箱体内同轴穿装一储能箱芯轴，储能箱芯轴的一端在储能箱内，另一端从右端盖穿出，在储能箱箱体内的储能箱芯轴上均匀间隔套装多个储能单元，储能单元的外壁与储能箱箱体内壁固定，储能单元的中心与芯轴固定，在每个储能单元内均安装有一平面蜗卷弹簧。

而且，在储能箱芯轴的外壁沿轴向一体制有一条芯轴凸键，所述的储能单元中心制有与芯轴及凸键适配的通孔。

而且，在储能单元的外壁沿着轴向制有两定位凸台，两定位凸台径向对称，在储能箱体的内壁与定位凸台对应制有两条定位凹槽。

而且，在储能单元安装位置的两侧储能箱箱体壁上对称制有定位螺纹孔，在螺纹孔内旋入螺钉，储能单元位于两螺钉间。

而且，储能箱芯轴的右端从右端盖穿出且连接一单向超越离合器。

而且，多个储能箱通过单向超越离合器串联构成联动式机械弹性储能系统。

(1)标准化模块化储能单元的设计：

单个储能单元所储存能量的公式为：

其中，E_p为单个平面蜗卷弹簧存储的弹性势能，E为簧片的弹性模量，由簧片的材质决定，l、b、h为别为簧片的长度，宽度和厚度，n₁、n₂为别为平面涡卷弹簧自然释放和完全拧紧时的工作圈数。不难看出，可以通过设计簧片的长度，宽度，厚度以及工作圈数来设计单个储能单元的储能容量。根据市场的实际需求情况来设计不同储能容量的标准件。

2.储能箱箱体和储能单元分离式设计：

每个储能单元有自己的封装，封装中心为带矩形槽的轴孔，簧片的一端固定于轴孔的外壁，簧片的另外一端固定在封装内壁的固定点上，封装外壁带有矩形齿，这样就组成了单个封装好的储能单元。储能箱芯轴为带矩形齿的柱体，箱体内壁有矩形槽，并且在储能单元安装位置的两侧有径向螺纹孔。安装时，打开机械弹性储能箱箱体的左右端盖，储能单元封装中心轴孔套入储能箱芯轴，封装外壁矩形齿卡入储能箱箱体内壁矩形槽，把储能单元依次推入储能箱箱体储能单元安装位，并在预留螺纹孔拧入螺钉卡紧各个储能单元，然后盖上左右端盖。

3.单向超越离合器：

单向超越离合器功能：是主动端转速大于从动端转速的时候传动，而从动端大于主动端的时候则超越。另外，单向超越离合器具有单向逆止功能。本发明中：单向超越离合器的从动端和储能箱芯轴右端固定连接，单向超越离合器的主动端有带矩形槽的轴孔，以便和前级储能箱带矩形齿芯轴的左端固定连接。

本发明的优点及有益效果：

(1)用户可根据不同容量的储能单元标准件和不同安装位数量的储能箱箱体来组装自己所需容量的储能箱。

(2)由于每个储能单元有自己的封装，最大限度的减小了安装和维修过程中的危险性。

(3)储能单元封装和储能箱箱体采用卡槽连接，可分离式的结构设计，便于安装、容量调配、修理和维护。

(4)储能时有防止储能箱反转设计，便于储能系统停止储能和非空储启动。

(5)储能单元芯轴有超越离合装置，储能单元旋转释放能量完毕时假如转速不为零，储能箱芯轴超越离合装置自动脱离使固定在器上的簧片和储能箱箱体一起转动，避免簧片反向拧紧而损坏。

(6)由于单向超越离合器的存在，储能系统弹性势能-动能-电能的转化将更加灵活，比如极限情况下可使储能系统弹性势能完全转化为动能后再进行发电，功率输出将更加灵活。

附图说明

图1是储能箱轴向剖面图；

图2是储能单元径向剖面图；

图3是储能箱箱体径向剖面图。

图中标号为：1-左端盖伸出轴；2-伸出轴定位键；3-左端盖；4-固定螺钉；5-储能单元；6-储能箱箱体；7-储能单元定位凸台；8-储能箱箱体定位凹槽；9-芯轴凸键；10-储能箱芯轴；11-右端盖；12-右端盖轴承；13-单向超越离合器；14-单向超越离合器从动端；15-单向超越离合器主动端；16-平面蜗卷弹簧；17-储能单元中心通孔；18-储能单元安装位螺纹孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1至图3所示，一种模块化且容量可调的新型串联联动式机械弹性储能箱：包括储能箱箱体6、储能箱芯轴10及多个储能单元5，所述储能箱箱体为圆筒形，在储能箱箱体的轴向两端分别封装左端盖3及右端盖11，在左端盖的外侧壁同轴一体制出一左端盖伸出轴1，在左端盖伸出轴上沿着轴向制有伸出轴定位键2。在储能箱箱体内同轴穿装一储能箱芯轴，储能箱芯轴的一端在储能箱内，另一端从右端盖穿出且连接一单向超越离合器13，在右端盖上同轴安装右端盖轴承12。在储能箱箱体内的储能箱芯轴上均匀间隔套装多个储能单元，所述的储能单元也为圆筒形。在每个储能单元内均安装有一平面蜗卷弹簧16。

为了防止储能单元绕芯轴转动，在储能箱芯轴的外壁沿轴向一体制有一条芯轴凸键9，所述的储能单元中心制有与芯轴及凸键适配的通孔17。

在储能单元的外壁沿着轴向制有两定位凸台7，两定位凸台径向对称。在储能箱体的内壁与定位凸台对应制有两条定位凹槽8。在储能单元安装位置的两侧储能箱箱体壁上对称制有定位螺纹孔18，在螺纹孔内旋入螺钉4，固定储能单元的位置，储能单元位于两螺钉间。

设计不同长度，厚度，宽度及材质的簧片即可得到不同储能容量的标准件，因为这里储能单元封装尺寸已经固定，即蜗簧的长度和宽度需保持不变，要制造不同储能容量的标准件主要从厚度和材质两方面考虑。

用户可以根据自己的需求匹配好储能单元容量和个数后，依次将储能单元套入储能箱芯轴，储能单元的定位凸台插入储能箱内壁的定位凹槽内。依次将储能单元缓缓推至储能箱箱体的储能单元安装位，校准完储能单元位置后，拧入固定螺钉，这样可以避免储能单元轴向移动，全部N个储能单元固定完毕之后，安装储能箱箱体的左端盖和右端盖，一个机械弹性储能箱便装配好了。

多个储能箱串联后可以构成一个储能系统，具体的串联方法为：永磁同步电动机的芯轴插入首节储能箱单向超越离合器主动端，首节储能箱的左端盖伸出轴插入次节储能箱单向超越离合器主动端，依次连接所需求的储能箱节数后，末节储能箱的左端盖伸出轴插入与永磁同步发电机相连接的联轴器内，一个机械弹性储能系统便构成了。

本发明的工作过程为：储能时，末节储能箱左端盖伸出轴固定不动，电动机芯轴拧紧首节储能箱储能单元1至N，带动储能箱箱体旋转，拧紧次节储能箱储能单元1至N，依次类推，直至末节储能箱，当所有储能箱的储能单元被拧紧后，储能完毕。发电时，释放末节储能箱左端盖伸出轴，由于储能单元力矩的作用其储能箱箱体开始旋转，其单向离合器从动端14脱离主动端15旋转，导数第二节储能箱左端盖伸出轴对首节储能箱单向离合器主动端有力矩作用，由于此时末节储能箱单向离合器从动端已经有了一定的转速，故而导数第二节储能箱左端盖伸出轴有了加速空间，开始加速，但是其转速不能超过首节储能箱单向离合器从动端，一旦有超越的趋势则导数第二节储能箱左端盖伸出轴带着末节储能箱单向离合器从动端1一起运动，此时单向离合器起传动作用，以此类推，直至首节储能箱，其单向离合器从动端脱离主动端自由旋转，可以看出，一旦首节储能箱由于驱动永磁同步发电机导致转速下降，后面的能量就会传动而来，直至所有的储能箱能量释放完毕转速为零。

本发明运行时相比传统串联联动式机械弹性储能系统的优势在于：储能时：(1)由于单向离合器的只能单方向旋转，假设电动机因故障转矩消失，所有储能箱箱体会因为惯性向前旋转直至转速为零，单向离合器的止逆功能会防止储能系统反向旋转而损毁电机；(2)储能箱已经存储了一定的能量，此时储能单元会有反力矩的存在，传统的储能系统要快速匹配电动机输出转矩和储能系统反力矩，太大太小都不好，太小储能箱反转，太大会对储能单元造成冲击，非常难控制，本发明由于加入了单向离合器，电动机力矩小的时候，储能箱由于单向离合器的止逆功能会防止反转，电动机力矩逐渐增大，一旦略微超过储能系统反力矩，将带动储能系统一起旋转，此时单向离合器起传动作用，继续完成储能。发电时：由于传统串联联动式储能系统首节储能箱输入轴是固定的，而且两个储能箱之间是通过联轴器刚性连接，所以其弹性势能-动能-电能的转化必须同时进行，理想的情况是储能单元弹性势能释放完毕的同时动能也同时完全转换成电能，即此时储能箱箱体转速被控为零，不然储能箱箱体就会反拧储能单元，损坏储能单元，这种控制目标很难实现，本发明由于单向超越离合器的自动脱离功能，储能箱之间的连接变的柔性，储能单元弹性势能释放能量完毕时假如转速不为零，储能箱芯轴超越离合装置自动脱离使固定在其上的簧片和储能箱箱体一起转动，避免簧片反向拧紧而损坏，储能系统弹性势能-动能-电能的转化将更加灵活，控制起来更加方便。