柔性飞轮的制作方法
【专利说明】
所属技术领域
[0001 ] 本发明涉及一种储能飞轮装置。
【背景技术】
[0002]储能飞轮利用高速旋转轮体的动能储存机械能，借助某种能量传递方式输入和输出能量，类似于化学蓄电池的作用，可用于需要能量储存和转换的场合，包括新能源车辆、电网调峰、风力发电、不间断电源、高能脉冲充放等应用。
[0003]储能飞轮早已有之，现代储能飞轮重新得到重视，是因为储能飞轮综合利用了高强复合材料、真空、磁力轴承、高转速变频电机等现代技术，具有较高的储能密度，同时具有功率密度很高的优点，也是因为当前能源环境出现了对新型能源、绿色能源的需求，以及对能量储存与转换解决方案的需求及其高品质要求。
[0004]目前典型的储能飞轮具有以下结构及特点:
[0005]动能载体:储存绝大部分动能的轮体质量块，均采用单向连续纤维增强塑料复合材料缠绕成型，以求得最大的储能密度。这种材料结构的周向(材料自身的纵向)强度最高，但材料结构的径向和轴向(材料自身的横向)强度很低，使得轮体质量块只能制成径向厚度较薄的筒环，这样带来的不利之处是不能充分利用已占的空间布设质量块，实用储能体积密度偏小。
[0006]真空容器:旋转的轮体置于真空容器内，以最大限度地减少鼓风摩擦损失。旋转轴全部位于真空容器内，没有轴密封(即真空与大气的隔离)。轴承和电机也位于真空容器内。
[0007]轴承:采用磁力轴承，支承径向负荷和轴向负荷(飞轮多为立式结构)，以最大限度地减少轴承摩擦损失，同时回避机械轴承在真空环境中的润滑剂蒸发问题和寿命锐减问题。同时采用机械保护轴承，在磁力轴承不用、未用、失效、超载等情形下起到临时支承和定位作用。
[0008]能量传递方式:米用高转速变频电机，向飞轮输入能量时处于电动机状态，由外部电能转换为飞轮机械能，飞轮输出能量时处于发电机状态，由飞轮机械能转换为外部电能。电机位于真空容器内，高频高转速电机的发热量大、热传导受限的问题比较大。
[0009]经归纳总结，现有的储能飞轮有以下不足之处或者有待改进的方面:
[0010](1)由于单个轮体质量块只能制成径向厚度较薄的筒环，实用储能体积密度偏小。
[0011](2)大质量、高转速轮体的动不平衡力和力矩较难控制。首先是动平衡校正难度大，一是需要承载负荷很大的动平衡机；二是多为柔性转子，需要校正难度较大的高速动平衡，并需要真空动平衡条件；三是高速旋转下的纤维增强塑料会发生较大的位移变形，变形量随转速变化，对高速动平衡校正非常不利。更为不利的是工作时动不平衡的增长，一是发生较大的位移变形，尺寸和材料的差别使得这种变形不均匀对称发生；二是长期使用发生渐进的蠕变变形行为。玻璃纤维增强塑料的弹性变形和蠕变量较大，碳纤维增强塑料的较小，但是碳纤维这类高弹性模量的材料价格成本太高，阻碍了大规模经济性应用，而玻璃纤维适合于实际应用，但要克服解决其变形和蠕变量大的问题。
[0012](3)径向负荷轴承和轴向负荷轴承全部采用磁力轴承带来的问题:增加了必须具有很高可靠性的磁悬浮轴承主动控制系统，在移动式应用场合(如车辆)，面临着频繁的随机的大幅度冲击载荷的考验，特别是飞轮陀螺力矩对径向轴承的冲击载荷相当严重。与不需控制的机械轴承或永磁轴承相比较，磁悬浮轴承及其控制系统毕竟是一个复杂系统，出现问题的概率较高，一旦出现故障和失效，由于飞轮的惯性旋转不能短时间内停止，保护轴承的发热和磨损将非常严重以致损坏，最终将引起飞轮转子系统的恶性破坏。磁悬浮轴承系统依靠电源的维持，在飞轮长时间不工作但保持旋转时也不能间断电源的供给。
[0013](4)高频高转速电机的发热量大、同时热传导又受限的问题比较严重，限制了电机功率的增大。变频电机还需要配置成本较高的变频器。变频电机+变频器的总效率也较低，即此种能量传递方式的效率较低。
【发明内容】
[0014]为改进现有储能飞轮的不足，本发明提出主要包括“柔性”措施的立式飞轮技术方案，简单概括为:
[0015](1)为解决实用储能体积密度偏小问题，采用内外圈排列布置的多个轮体质量块
(53)，每个质量块体均不受其他块体约束而自由变形。
[0016](2)旋转的轮体主要由内外圈排列布置的支承体(54)和质量块体(53)构成，这些块体之间采用柔性膜环(55，58)和端面副(56，57)连接，这种连接方式是一种“柔性”连接，可以补偿各个块体的不平衡，可以大幅降低对动平衡校正的要求，可以自动适应运转时的大位移变形和蠕变变形，可以大幅降低旋转轮体对转轴作用的动不平衡力和力矩，最终减小对轴承的激振力和振动。
[0017](3)针对立式飞轮轴向重力大、径向负荷小的特点，径向轴承采用滚动轴承，并在一端起双向轴向定位作用(同时也承受少量的轴向力)，轴向轴承采用永磁磁力轴承，承受绝大部分的重力。轴向永磁磁力轴承的转动盘处于真空腔内，几乎没有摩擦损耗，其磁场设计为恒稳的、非交变的磁场，没有磁滞和涡流损耗，也不需要耗电和控制。为回避滚动轴承在真空中使用带来的问题，径向滚动轴承置于大气气氛中，在轴承与真空腔之间设置磁性流体密封。从损耗方面考虑，因为飞轮装置具有包括轴承摩擦、轴承耗电、轴承的磁滞和涡流损耗、轴承的冷却流体功耗、密封摩擦、轮体鼓风摩擦(非绝对真空中的摩擦不可轻视)等可能的各种损耗因素，飞轮损耗总量是全部损耗因素共同作用的结果，因此，采用径向滚动轴承方案与采用径向磁力轴承方案对飞轮损耗总量的影响不能简单地认定孰优孰劣，在径向负荷较小的情况下，两种方案的差别不大，又当飞轮损耗总量可满足使用要求时，例如飞轮惰转时间可达到适当的要求时，简单的径向滚动轴承方案不失为一种优选方案。当移动式飞轮的陀螺力矩较大时，可以增设过载保护用径向滚动轴承。
[0018](4)本发明产品的范围不包括能量传递方面，仅包括飞轮装置本身。可以采用的能量传递方式为利用单极直流电磁传动机(另一个申请专利)(附图中标示A的部分)，功率不受限，功率密度高，效率高。
[0019]本发明详细的方案说明如下。
[0020]一种称为“柔性飞轮”的储能飞轮装置，可应用于新能源车辆、电网调峰、风力发电、不间断电源、高能脉冲充放等场合。其基本组成包括:旋转的轮体，一个转轴(51),转轴上的轴承，包容轮体、腔内真空的壳体(52)。其必要特征包括:转轴中心线垂直于地面(即立式飞轮)，轮体为多体轴对称结构，轮体含有一个或多个质量块体(53)和至少一个支承体(54)，这些结构体以大环套小环形式依次顺序布置，质量块体位于旋转的最外圈和次外圈，支承体位于质量块体的内圈，质量块体由周向缠绕的纤维增强聚合物构成，采用轴对称的柔性膜环(55，58)连接相邻的内圈和外圈结构体，外圈结构体的一个面朝下的端面置于内圈结构体的一个面朝上的端面上，两个端面