专利名称：储能飞轮及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种储能飞轮及其制作方法，属车辆制造技术领域。
利用高速转动的飞轮储能是一个很古老的话题。但由于飞轮储能的机械能转换成其他形式的能量不容易，因此，二十世纪前几十年一直没有很大技术突破和实用化。
本世纪七十年代后期，由于永磁同步电机和电力逆变技术的发展，使机械能和电能的转换非常容易，并且已实用化。将永磁同步电机与飞轮连接，通过永磁同步电机将电能输入或输出到飞轮，使转动的飞轮的机械能转变成可方便使用的电能。现在，利用飞轮储能已成为现实。飞轮储能是一种机械储能装置，也叫飞轮电池或飞轮电源(机械能电池)。由于飞轮电池没有污染，储能比高，因此有非常广阔的应用前景。例如，在风力发电，太阳能发电方面作储能设备。电动自行车，电动汽车的储能设备。代替各种铅酸电池，尤其是UPS中。本世纪80年代以来，关于飞轮储能和飞轮的制造方面的专利已有大量的申请，如美国US4408500，US5695584，US5566588等等。日本的特开平6-210748飞轮储能的基本原理是利用转动物体的动能
公式1中E飞轮的动能J飞轮的转动惯量，与飞轮材料的质量和飞轮的截面形状有关。
ω飞轮转动的角速度。
飞轮存储的能量的大小与飞轮的转动惯量J和飞轮转动的角速度的平方ω2成正比。飞轮一旦制造完成，其转动惯量就确定了，提高飞轮的转速可以使飞轮以转速平方的速度提高储存的机械能。但是，飞轮的转速不可能无限的提高。这是由于转速越高，飞轮中的材料所承受的由离心力引起的应力也随飞轮的转速以转速的平方的规律增大。当飞轮的转速提高到飞轮由离心力引起的内应力大于飞轮的材料的极限许用应力时，飞轮会发生破坏。这时的飞轮转速叫破坏转速(飞轮)。当飞轮的转速很高时，飞轮的能量很大，突然的破坏会引起爆炸。飞轮的截面形状不仅仅决定了飞轮的转动惯量的大小，而且还决定飞轮的内应力分布。好的截面形状，可以使飞轮在一定的转速下，内应力分布比较均匀，最大内应力较小。也就是说，在飞轮材料的最大许用应力确定的条件下，好的截面形状可以使飞轮工作在较高的转速，存储较大的能量。所以，飞轮材料的最大许用应力和飞轮的截面形状将决定飞轮的储能大小。
为了比较单位质量(重量)的物体存储能量的大小，可以利用比能量的概念，即e=E/m----(2)]]>其中e单位质量(重量)比能量，单位瓦-小时/公斤。W.h/kgE储能物体所储存的总能量，单位焦耳。jrm储能物体所包含的总质量，单位公斤。kg公式2适用于各种储能方式的物体，如飞轮储能，化学储能，储热与储冷装置等等。
例如目前铅酸电池的比能量是30-50W.h/kg锌空气电池比能量是400Wh/kg
利用飞轮储能，需要满足1，比能量e尽可能大。
2，材料强度高，容易设计，加工。
3，飞轮的形状便于连接，安装。
目前，大多数专利使用的材料是碳纤维混和材料，或凯夫拉尼龙材料(kevlar)，这类材料的缺点是不宜加工，力学性能是非各向同性，飞轮高速转动时变形较大，与转动轴的连接问题较多。并且用上述材料的飞轮截面形状大多不是最优比能量的截面形状。有的专利虽采用了各向同性的材料，如US4408500，但截面形状复杂，并采用多种材料组合，可靠性低，与转动轴连接不方便，同时改变半径尺寸时，由于应力没有几何相似性，还要进行复杂的设计计算。而且，按上述专利设计的截面的飞轮的比能量也不是最大的。
本发明的目的是设计两种不同形状的储能飞轮及其制作方法，采用各向同性的，易加工的金属材料作为飞轮材料，利用计算机辅助设计提供的比能量较优的截面形状。利用特殊的热处理工艺使飞轮产生能提高飞轮使用许用应力的残留应力，提高飞轮的最高角速度。
本发明设计的飞轮有两种形状，一种是截面为正态分布曲线的储能飞轮，该飞轮的截面轮廓线为正态分布曲线，截面形状
设z0为飞轮转动轴心上的厚度的一半，R为飞轮的最大外缘半径，则飞轮的尺寸符合下列关系式z0R=2~10100]]>ω0=1/R·(5~8)σ0ρ]]>上式中，ω0是设计飞轮时选定的飞轮角速度，ρ是制造飞轮所用材料的密度，σ0是制造飞轮所用材料的最大许用应力。
另一种是多边形截面的储能飞轮，该多边形截面为梭形，设R为飞轮最大外缘半径，H为飞轮中心半高度，L为飞轮的连接平台外径尺寸，h为飞轮外缘半厚度，上述尺寸满足下列关系h∶H＝2-15∶100L∶R＝2-12∶100H∶R＝2-10∶100本发明设计的储能飞轮的制造作方法，包括以下各步骤(1)以各向同性的马氏体时效钢为原料，进行精密锻造，车削成型成所需形状和尺寸的飞轮(2)对飞轮进行马氏体时效处理将成型的飞轮均匀地加热到热处理温度450℃～550℃，保持3～4小时，然后降至室温并保持24小时；(3)将上述飞轮再加热至时效热处理温度的0.3～0.9倍，保持0.5～2小时，然后使飞轮的中心部分冷却，使飞轮中心半径的1/10范围内温度与周围温度相差350℃～550℃，周围维持原温度，保持该温差2～15分钟，对飞轮周围停止加热，整体飞轮降至室温时停止冷却，即为本发明的储能飞轮。
本发明设计的储能飞轮具有比能量大，容易设计的优点，而且运行可靠，由于利用特殊的热处理工艺，使飞轮产生能提高飞轮使用许用应力的残留应力，提高飞轮的最高角速度，提高飞轮的储能。
图1和图2是截面为正态分布曲线的储能飞轮的形状图。
图3和图4是截面为多边形的储能飞轮的形状图。
本发明采用各向同性的，易加工的马氏体时效钢，作为储能飞轮的材料。国产材料有许用应力2400兆帕～2900兆帕的350ksi～400ksi级的马氏体时效钢。国外有日本，俄罗斯等等国家的。日本的公司做到许用应力3500～4500兆帕的马氏体时效钢。大多数马氏体时效钢的成分为Ni-Co-Mo-Ti。不同国家的不同马氏体时效钢的成分与含量不同。马氏体时效钢的特点是在固熔态容易加工，在马氏体时效处理后，材料的强度与硬度都达到最高值。
利用计算机辅助设计，利用有限元法，可求出比能量较大的多边形截面形状和Stodola截面形状。
同样对正态分布曲线以下简称Stodola截面形状，利用计算机辅助设计，利用有限元计算，求出在给定最大许用应力条件下，储能飞轮具有最大比能量的Stodola截面形状。
Stodola截面以转动轴中心对称截面形状
其中ω0是设计时选取的飞轮的角速度。
σ0是给定飞轮使用材料的最大许用应力。
ρ是给定飞轮使用材料的密度(比重)。
z0是飞轮转动轴心上的厚度的一半。
R是飞轮的最大外缘半径。比能量e=E/m=ρ·π·ω2·z0·∫0Rr3·e-C2r2·drρ·2π·z0·∫0Rr·e-C2·r2·dr]]>=ω22·∫0Rr3·e-C2r2·dr∫0Rr·e-C2r2·dr----(8)]]>
ω数据下，飞轮的实际最大应力σ。通常要求σ＜σ0，并且要求
(精度根据要求而定)。通过多次试算，可以找到在允许误差精度内的飞轮角速度ω，这时的角速度ω就是在给定材料下，给定z0和ω0时的飞轮的最大角速度ω。同法，改变z0和ω0的数值，重复上述的试算过程，可以求出最优的z0和ω0的数值。这时的ω就是飞轮的实际最大角速度。同时也得到Stodola截面的具有最大比能量的截面形状曲线。
最优的储能飞轮的特征尺寸的比例如下z0R=2~10100----(14)]]>ω0=1/R·(5~8)σ0ρ----(15)]]>按上述比例设计的飞轮截面形状是具有较大比能量的飞轮截面形状。
通常，给定参数ρ，σ0，R后，根据公式(14)(15)，在给定的范围内，可以确定ω0，z0。有了ρ，σ0，R，ω0，z0，Stodola截面的形状就定下来了。利用有限元法，通过试算，求出在最大许用应力σ0的条件下，最大飞轮角速度ω。如果公式(14)(15)中除R，z0以外，其他参数不变的话，在给定最大许用应力条件下，这种Stodola截面在不同外园半径条件下具有几何相似性。即当找到在一个半径下的最优Stodola截面形状后(原始计算的)，可以按几何相似的原理设计其他半径的Stodola截面形状的尺寸(相似计算的)，因而，可以简化飞轮的设计计算。
相似计算如下在材料的最大许用应力给定的条件下，对于原始计算的飞轮尺寸和转速与相似计算的飞轮尺寸和转速有ω1ω0=R0R1----<16>]]>ω0原始计算的飞轮转动的角速度。
R0原始计算的飞轮的外缘半径。
ω1相似计算的飞轮转动的角速度。
R1相似计算的飞轮的外缘半径。
当要设计的飞轮的半径大于或小于原始计算的飞轮半径时，飞轮的截面尺寸按前述2设计，飞轮的最大转速则按公式(16)计算。
本发明设计的多边形截面的储能飞轮的特征尺寸的比例如下hH=2--15100----(3)]]>LR=2--10100----(4)]]>HR=2--10100----(5)]]>Z轴是飞轮的旋转轴的主轴，r轴是垂直于Z轴的平面轴线。上述公式中R是飞轮最大外缘半径，与旋转轴垂直方向。
H是飞轮中心最大半厚度(高度)，旋转轴方向。
L飞轮的连接平台外径尺寸。
h飞轮外缘半厚度。按上述比例设计的飞轮截面形状是在多边形截面中具有较大比能量的飞轮。
在给定ρ，R，σ0的数值下，在公式(3)(4)(5)给定范围内确定
的数值后，利用有限元法，通过试算，求出在最大许用应力σ0的条件下，最大飞轮角速度ω。如果公式(3)(4)(5)给定的参数不变的话，在给定最大许用应力条件下，这种多边形截面在不同外园半径条件下具有几何相似性。即当找到在一个半径下的最优多边形截面形状后(原始计算的)，可以按几何相似的原理设计其他半径的多边形截面形状的尺寸(相似计算的)，因而，可以简化飞轮的设计计算。
另外，在材料的最大许用应力给定的条件下，对于原始计算的飞轮尺寸和转速与相似计算的飞轮尺寸和转速有ω1ω0=R0R1----(6)]]>ω0原始计算的飞轮转动的角速度。
R0原始计算的飞轮的外缘半径。
ω1相似计算的飞轮转动的角速度。
R1相似计算的飞轮的外缘半径。
当要设计的飞轮的半径大于或小于原始计算的飞轮半径时，飞轮的截面尺寸按前述2设计，飞轮的最大转速则按公式(6)设计。
储能飞轮在高速转动时，应力分布是中心应力最大(主要是拉应力)，随半径的加大，应力逐渐减小。通常中心部位的最大应力是边缘应力的1.5～2倍。对于各向同性的金属材料的储能飞轮，利用特殊的热处理工艺，可以使储能飞轮产生有益的残留应力。这种残留应力的分布是飞轮中心部位为压应力，而边缘部位是拉应力。中心部位的残留应力与高速转动中飞轮的拉应力是相反作用，数值是相减的，因而，这种作用可以减少储能飞轮在高速转动中的最大应力。
设σ储能飞轮材料实际承受的的最大应力。
σ0储能飞轮使用材料的最大许用应力。
σcn储能飞轮的残留应力。
根据材料使用要求，σ≤σ0-----(17)由于使用了残余应力，则有σ-σcn≤σcn≤σ0-----(18)或者说，σ≤σ0+σcn-----(19)上述分布的残余应力使飞轮的实际承受的最大应力提高。对于各向同性的金属材料，最大的拉应力和压应力是相等的。如果设计的好，残余应力可以等于材料的最大许用应力。也就是说，可以使材料的许用应力加大一倍。一般情况下，通过热处理工艺可以提高许用应力的10％～50％。这是使用各向同性的金属材料的最大好处。利用残留应力可以大大提高飞轮的转速和储能。
下面介绍
具体实施例方式实施例1给定材料国产合金钢代号651-2,350ksi级的马氏体时效钢。它的密度ρ＝8×103kg/m3。最大许用应力σ0＝2400×106Pa。给定储能飞轮的最大外缘半径R＝0.095m和确定截面形状为多边形截面。根据公式(3)(4)(5)，可得到储能飞轮的截面形状的尺寸如下R＝0.095m L＝0.004mH＝0.006mh＝0.0003m根据计算，这时储能飞轮的最高转速是124035转/分钟，最大比能量是69。21W.h/kg。根据马氏体时效钢材料的技术标准，选用固熔态的马氏体时效钢，根据上述选定形状进行加工成型。对固熔态的马氏体时效钢，加工非常容易。加工方法，用精密锻压与车削成型。成型后，再进行马氏体时效热处理。即将成型的储能飞轮均匀加热到材料的马氏体热处理温度。按马氏体时效处理的要求，对651-2材料，它的马氏体时效热处理温度是510℃。保持4小时。(对于不同的马氏体时效钢，时效处理的温度和时间不同。)然后，将储能飞轮快速均匀地降温到室温，保持24小时以上。这样就完成了储能飞轮的马氏体时效处理。下面，就可以进行残余应力所要求的热处理过程。将储能飞轮均匀加热到温度450±10℃，保持1小时。然后用水作冷却剂，水的温度为25±10℃。飞轮中心部分与周围的温差为420℃。在开始加冷却剂时飞轮的外围仍保持15分钟的加热。然后停止加热，使环境温度为室温。等飞轮整体温度也为室温以后，停止加冷却剂。这时就已经在储能飞轮内部产生了设计希望的残余应力。这种残留应力能使飞轮的许用应力提高10％～20％。这种提高可以使储能飞轮增大储能10％～20％，最大转速提高4.5％～9.5％。实际使用中也可以把这样的应力提高，作为应力储备，提高飞轮使用的可靠性。
实施例2给定材料国产合金钢代号651-2,350ksi级的马氏体时效钢。它的密度ρ＝8×103kg/m3。最大许用应力σ0＝2400×106Pa。给定储能飞轮的最大外缘半径R＝0.095m和确定截面形状为正态分布曲线截面。根据公式(14)(15)，取储能飞轮的半厚度z0＝0.006m，ω0＝15000弧度/秒。据此，截面形状可根据公式(3)得到
公式(13)就是我们所得到的储能飞轮的实际正态分布的截面曲线。
根据公式(13)，通过计算，可得到储能飞轮的实际最高转速是144410转/分钟。最大比能量是74.64W.h/kg。根据马氏体时效钢材料的技术标准，选用固熔态的马氏体时效钢，根据上述选定形状进行加工成型。对固熔态的马氏体时效钢，加工非常容易。加工方法，用精密锻压与数控车削成型。成型后，再进行马氏体时效热处理。即将成型的储能飞轮均匀加热到材料的马氏体热处理温度。按马氏体时效处理的要求，对651-2材料，它的马氏体时效热处理温度是530℃，保持4小时。(对于不同的马氏体时效钢，时效处理的温度和时间不同。)然后，将储能飞轮快速均匀地降温到室温，保持24小时以上。这样就完成了储能飞轮的马氏体时效处理。下面，就可以进行残余应力所要求的热处理过程。将储能飞轮均匀加热到温度450±10℃。保持1小时。然后用水作冷却剂，水的温度为25±10℃。飞轮中心部分与周围部分的温差为470℃。在开始加冷却剂时飞轮的冷却管外仍保持15分钟的加热。然后停止加热，使环境温度为室温。等飞轮整体温度也为室温以后，停止加冷却剂。这时就已经在储能飞轮内部产生了我们希望的残余应力。这种残留应力能使飞轮的许用应力提高10％～20％。这种提高可以是储能飞轮增大储能10％～20％。最大转速提高4.5％～9.5％。实际使用中也可以把这样的应力提高，作为应力储备，提高飞轮使用的可靠性。
实施例3选与上述例1相同的材料与加工方法和马氏体时效热处理过程，选相同的多边形截面。所不同的是储能飞轮的半径为R＝0.0475m。例1中的储能飞轮为原始飞轮，本例中的飞轮为相似计算飞轮。则多边形截面的尺寸为R＝R1＝0.0475m L＝0.002m H＝0.003m h＝0.00015m根据公式(6)，本例相似计算的储能飞轮的最大角速度为
它的最大比能量与例1相同。根据马氏体时效钢材料的技术标准，选用固熔态的马氏体时效钢，根据上述选定形状进行加工成型。对固熔态的马氏体时效钢，加工非常容易。加工方法，用精密锻压与数控车削成型。成型后，再进行马氏体时效热处理。即将成型的储能飞轮均匀加热到材料的马氏体热处理温度。按马氏体时效处理的要求，对651-1材料，它的马氏体时效热处理温度是510℃±10℃。保持4小时。(对于不同的马氏体时效钢，时效处理的温度和时间不同。)然后，将储能飞轮快速均匀地降温到室温，保持24小时以上。这样就完成了储能飞轮的马氏体时效处理。下面，就可以进行残余应力所要求的热处理过程。将储能飞轮均匀加热到温度500℃，保持1小时。然后用水作冷却剂，水的温度为25±10℃。飞轮中心部位与周围温差为470℃，在开始加冷却剂时飞轮的外围仍保持5分钟的加热。然后停止加热，使环境温度为室温。等飞轮整体温度也为室温以后，停止加冷却剂。这时就已经在储能飞轮内部产生了设计希望的残余应力。这种残留应力能使飞轮的许用应力提高10％～20％。这种提高可以使储能飞轮增大储能10％～20％，最大转速提高4.5％～9.5％。实际使用中也可以把这样的应力提高，作为应力储备，提高飞轮使用的可靠性。
权利要求
1.一种截面为正态分布曲线的储能飞轮，其特征在于，该飞轮的截面轮廓线为正态分布曲线，截面形状
设z0为飞轮转动轴心上的厚度的一半，R为飞轮的最大外缘半径，则飞轮的尺寸符合下列关系式z0R=2~10100]]>ω0=1/R·(5~8)σ0ρ]]>上式中，ω0是设计飞轮时选定的飞轮角速度，ρ是制造飞轮所用材料的密度，σ0是制造飞轮所用材料的最大许用应力。
2.一种多边形截面的储能飞轮，其特征在于该多边形截面为梭形，设R为飞轮最大外缘半径，H为飞轮中心半高度，L为飞轮的连接平台外径尺寸，h为飞轮外缘半厚度，上述尺寸满足下列关系h∶H＝2-15∶100L∶R＝2-12∶100H∶R＝2-10∶100
3.一种储能飞轮的制作方法，其特征在于该制作方法包括以下各步骤(1)以各向同性的马氏体时效钢为原料，进行精密锻造，车削成型成所需形状和尺寸的飞轮；(2)对飞轮进行马氏体时效处理将成型的飞轮均匀地加热到热处理温度450℃～550℃，保持3～4小时，然后降至室温并保持24小时；(3)将上述飞轮再加热至时效热处理温度的0.3～0.9倍，保持0.5～2小时，然后使飞轮的中心部分冷却，使飞轮中心半径的1/10范围内温度与周围温度相差350℃～550℃，周围维持原温度，保持该温差2～15分钟，对飞轮周围停止加热，整体飞轮降至室温时停止冷却，即为本发明的储能飞轮。
全文摘要
本发明涉及一种储能飞轮及其制作方法,该飞轮的截面一种是其轮廓线为正态分布曲线,另一种是截面为多边形,其制作方法为:以各向同性的马氏体时效钢为原料,进行精密锻造,车削成型,然后对飞轮进行马氏体时效处理,最后飞轮再进行热处理,使飞轮中产生残余应力。本发明设计的储能飞轮具有比能量大,容易设计的优点,而且运行可靠,由于利用特殊的热处理工艺,使飞轮产生残留应力,提高飞轮的最高角速度,提高飞轮的储能。
文档编号F16F15/30GK1247139SQ9911159
公开日2000年3月15日 申请日期1999年8月20日 优先权日1999年8月20日
发明者陶晓峰, 张明 申请人:北京市海淀区迪赛通用技术研究所