一种多轴承分段式飞轮储能装置

1.本发明涉及能量存储技术领域，特别是一种多轴承分段式飞轮储能装置。


背景技术：

2.目前飞轮储能系统已成功应用到不间断电源、可再生能源光伏发电和风力发电的调峰，以及混合动力汽车等领域。飞轮储能系统由飞轮储能装置和电控系统组成，飞轮储能装置中的飞轮转轴在高速下运转，以机械能的方式实现能量的存储；电控系统负责电能与机械能之间的能量转换，以及对飞轮储能装置的监视和控制。
3.飞轮体作为飞轮储能系统主要的储能装置，一般由金属材料或者复合材料制成，根据旋转体离心应力的计算公式，离心应力受到材料强度的限制，因此，在转速和材料一定的情况下，飞轮体的最大安全直径是确定的。要想获得更大的储存能量，需要沿轴向加厚飞轮体。飞轮体厚度越大，整个飞轮轴的轴向跨度就越大。飞轮转轴临界转速也因此越低，弯曲变形大，转轴运行过程中容易失稳。
4.目前飞轮储能转轴常用的轴承为机械轴承或者电磁轴承。且轴承一般是两个径向轴承和一个轴向轴承，径向轴承一般分布在转轴的上下两侧，飞轮体和电机等设置在两个轴承之间，轴向轴承一般在转轴顶部。金属飞轮体一般与转轴设计为一体式，复合材料飞轮体一般是将复合材料嵌套过盈套装在金属轮毂上。飞轮转轴由于轴承跨度的限制一般较短，或者加粗转轴的直径，以达到径向刚度的要求。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供本发明提出了一种针对大跨度飞轮转轴的径向轴承分布方式，以期用来解决因飞轮轴向跨度大而导致一阶临界转速过低造成的径向振动过大问题。将厚度大的飞轮体分成两个部分，有利于飞轮体热处理的均匀性。通过在两个飞轮体之间额外安装轴承的方式，提高了飞轮体转轴的径向强度。为了方便飞轮中间位置的轴承安装，设计了分段式的飞轮转轴，以及与之相配套的壳体设计方式。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种多轴承分段式飞轮储能装置，包括上轴承、下轴承、中间轴承、外壳、转轴、第一飞轮和第二飞轮；两个飞轮设置于转轴上，壳体设置于飞轮与转轴外部，上轴承和下轴承设置于转轴的两端，中部轴承位于两个飞轮之间的转轴上，且中部轴承设置于壳体与转轴之间。
7.作为本发明的进一步优选，第一飞轮与转轴一体成型，第二飞轮与转轴的连接方式为可拆卸连接。
8.作为本发明的进一步优选，第一飞轮与第二飞轮之间的转轴和第二飞轮上均设有对应的齿状结构，齿状结构包括凸齿和凹齿，一个齿状结构的凸齿插入另一个齿状结构的凹齿；第二飞轮与转轴的连接方式为插齿式连接。
9.作为本发明的进一步优选，凸齿和凹齿的齿宽比为1：1。
10.作为本发明的进一步优选，所述上轴承和下轴承为电磁轴承或机械轴承，中间轴承为机械轴承。
11.作为本发明的进一步优选，当上轴承和下轴承采用电磁轴承且中间轴承采用机械轴承时，电磁轴承与转轴之间的间隙为a，机械轴承与转轴之间的间隙为b，且a》b。
12.作为本发明的进一步优选，还包括电机，电机与转轴连接，驱动转轴转动。
13.作为本发明的进一步优选，还包括轴向承力磁轴承，轴向承力磁轴承设置于壳体与转轴之间。
14.作为本发明的进一步优选，外壳包括底座壳体、中间壳体和上壳体；底座壳体内安装下轴承和电机；中间壳体包裹第一飞轮、第二飞轮和中间轴承；上壳体内安装上轴承和轴向承力磁轴承。
15.作为本发明的进一步优选，中间轴承设置于转轴的中间位置，轴承安装位置径向采用加强筋的方式。
16.本发明具有如下有益效果：1.相比于其他只在飞轮转轴的上下两个位置设计径向轴承的做法，本发明在中间位置额外一个径向轴承。采用三个轴承的布局方式，可以允许转轴具有比两轴承支撑时更长的轴向长度。也可以在无需增大转轴直径的情况下就提高转轴的临界转速，避免转轴因为临界转速弯曲变形。
17.2.采用上下磁轴承，中部机械轴承的方式，可以在转轴过临界转速时提供额外的径向力，避免因过大形变造成转轴失稳或者转轴与壳体发生碰摩。
18.3.保证转轴安全稳定的渡过临界转速区。
19.4.将厚度大的飞轮体分成两个部分，有利于飞轮体热处理的均匀性。通过在两个飞轮体之间额外安装轴承的方式，提高了飞轮体转轴的径向强度。为了方便飞轮中间位置的轴承安装，设计了分段式的飞轮转轴，以及与之相配套的壳体设计方式。
附图说明
20.图1是本发明的装配爆炸图；图2是本发明的插齿式配合示意图；图3是本发明的总装结构示意图。
21.其中有：1.上轴承；2.中间轴承；3.下轴承；4.第一飞轮；5.第二飞轮；6.转轴；7.上壳体；8.中间壳体；9.底座壳体；10.轴向承力磁轴承；11.凸齿；12.凹齿；13.电机。
具体实施方式
22.下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
23.本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
24.如图1-3所示，一种多轴承分段式飞轮储能装置，包括上轴承1、下轴承3、中间轴承2、外壳、转轴6、第一飞轮4和第二飞轮5；两个飞轮设置于转轴6上，壳体设置于飞轮与转轴6外部，上轴承1和下轴承3设置于转轴6的两端，中部轴承位于两个飞轮之间的转轴6上，且中部轴承设置于壳体与转轴6之间。中间轴承2设置于转轴6的中间位置，轴承安装位置径向采用加强筋的方式，减轻壳体质量的同时保证强度不变。
25.本发明的主要目的在于提供一种飞轮轴系轴承的布置方式，以期减小飞轮轴跨度过大而引起的飞轮挠性变形对高速旋转的影响，并且基于此轴承布置方式，设计了分段式飞轮轴体结构和三段式壳体结构设计方案。
26.本发明提供了一种飞轮轴系径向轴承的设计方式以及与之配合的分段式飞轮轴体和壳体设计。径向轴承相比于常见的上下各安置一个机械轴承或者电磁轴承，本发明重点在飞轮中部位置额外安置一个机械轴承，形成上中下三轴承的布置结构。三轴承更有利于双飞轮等长跨度轴系的结构稳定性。
27.第一飞轮4与转轴6一体成型，第二飞轮5与转轴6的连接方式为可拆卸连接。第一飞轮4与第二飞轮5之间的转轴6和第二飞轮5上均设有对应的齿状结构，齿状结构包括凸齿11和凹齿12，一个齿状结构的凸齿11插入另一个齿状结构的凹齿12；，第二飞轮5与转轴6的连接方式为插齿式连接。本发明提供了一种双飞轮轴的组合方式，双飞轮轴能够增加飞轮储能系统储能量的同时，还有利于金属转轴6热处理的均匀性，提高了飞轮体高速旋转的稳定性。为了保证中部轴承能够安装于两个飞轮体之间，飞轮体采用分段式装配，即第一飞轮4与转轴6一体化制造，第二飞轮5与转轴6套装的方式。套装飞轮体与转轴6之间采用插齿式配合方式，凸齿11和凹齿12的齿宽比为1：1。这保证了良好的扭矩传递性和同等转动强度。
28.所述上轴承1和下轴承3为电磁轴承或机械轴承，中间轴承2为机械轴承。还包括电机13，电机13与转轴6连接，驱动转轴6转动。所述中间轴承2、上轴承1和下轴承3均为径向轴承，轴向承力磁轴承10为轴向轴承，轴向承力磁轴承10设置于转轴6顶端的转轴6与上壳体7之间。上、中、下三个径向轴承均采用机械轴承设计时，轴承内环与转轴6紧密配合，轴承外环与飞轮壳体配合。转轴6转动后，三个轴径向承同时工作，对大跨度的飞轮转轴6提供径向支撑力，提高转轴6的一阶临界转速，保证转轴6的设计运行转速始终在临界转速下，转轴6不会发生大的挠性弯曲。
29.当上轴承1和下轴承3采用电磁轴承且中间轴承2采用机械轴承时，电磁轴承与转轴6之间的间隙为a，机械轴承与转轴6之间的间隙为b，且a》b。转轴6转速较低时，转轴6处于刚性状态时，仅有上下两个电磁轴承提供径向支撑力。当转轴6转速达到一阶临界转速而发生挠性弯曲时，转轴6的中部位置弯曲程度最大，将与预先设计的中部轴承相接触，中部轴承提供一部分支撑力，保证飞轮稳定渡过一阶临界转速区。转轴6变形恢复后，中部轴承脱离工作状态。
30.外壳包括底座壳体9、中间壳体8和上壳体7；底座壳体9内安装下轴承3和电机13；中间壳体8包裹第一飞轮4、第二飞轮5和中间轴承2；上壳体7内安装上轴承1和轴向承力磁轴承10。中间轴承2设置于中间壳体8中间处的径向向内凹陷部。
31.三轴承分段式飞轮储能系统的安装步骤如下：首先是将下轴承3与电机13安装在底座壳体9内，再将转轴6从上往下放置在底座壳体9中，此时与转轴6一体制造的第一飞轮4摆放在底座上平面；然后将中间壳体8从上而下穿过转轴6，罩住底座上的第一飞轮4体；再
将中间轴承2固定安装在转轴6和中间壳体8之间；然后将第二飞轮体5穿过转轴6安装，第二飞轮体5与一体飞轮轴实现插齿式配合，再用螺钉沿轴向紧固；最后将上轴承1和轴向承力磁轴承10安装在转轴6上部和上壳体7内，上壳体7由上而下与中间壳体8连接。
32.采用三个机械轴承时，三径向轴承提供更大的径向支撑力，可以设计轴向长度更长的飞轮体，转轴6的临界转速得到提高，转轴6可以安全地运行在额定转速。
33.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。