一种层叠储能飞轮及储能装置

本发明属于电机设计，更具体地，涉及一种层叠储能飞轮及储能装置。

背景技术：

1、飞轮储能作为一种物理储能方式，得到了越来越多的关注与研究。其所具备的动态性能好、没有二次污染等优点，使其在众多储能方式中脱颖而出。飞轮储能分为储能型飞轮以及功率型飞轮。对于储能型飞轮，其储能量一般较大，因此需要高强度金属材料制成的大尺寸飞轮。但是，对于高强度金属材料制成的大尺寸飞轮，考虑到材料的淬透性问题，如果整个飞轮转子锻造为规则的圆柱转子，会因为飞轮体积过大，使得热处理不均匀，影响整体材料尤其是内部的力学性能。

2、虽然将飞轮转子分段并进行轴向拼接能够降低热处理的难度，但是，在电机高速运行时，相邻两个轮盘过盈配合处易断裂，稳定性和安全性较差。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种层叠储能飞轮及储能装置，其目的在于提升飞轮转子的稳定性和安全性。

2、为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种层叠储能飞轮，包括：两个端轴、两个端部飞轮盘、n个内部飞轮盘、飞轮盘连接件及轴向拉紧部件；

3、所述n个内部飞轮盘设置在所述两个端部飞轮盘之间，n≥1；所述两个端轴分别设置在对应的端部飞轮盘外侧；所述飞轮盘连接件设置在相邻的飞轮盘之间，用于实现飞轮盘之间的连接，其中，所述飞轮盘包括端部飞轮盘和内部飞轮盘；所述轴向拉紧部件贯穿并拉紧端轴、端部飞轮盘、内部飞轮盘及飞轮盘连接件；

4、所述飞轮盘连接件包括连接盘与设置在所述连接盘端面上的凸台，所述连接盘的半径小于所述飞轮盘的半径；在所述端部飞轮盘和所述内部飞轮盘的端面上均设有凹台，所述凸台内嵌在所述凹台内，以实现所述飞轮盘与所述连接盘之间的过盈连接。

5、进一步地，每个所述内部飞轮盘的外边缘处开设有凹槽，使得内部飞轮盘的突出部分作为转子凸极，且所述端部飞轮盘的直径小于等于所述内部飞轮盘中心到凹槽边缘的最小距离。

6、进一步地，每个所述内部飞轮盘和每个所述端部飞轮盘的直径相同，且所述内部飞轮盘和所述端部飞轮盘的外边缘相同位置处均开设有相同尺寸的凹槽，使得飞轮盘的突出部分作为转子凸极。

7、进一步地，所述端部飞轮盘的外端面上开设有凹槽。

8、进一步地，所述凸台为圆柱形，所述凹台为凹圆台。

9、进一步地，所述端轴上设有凹台，在所述端部飞轮盘的外端面上设有与所述凹台过盈配合的凸台。

10、进一步地，所述两个端部飞轮盘的直径不同；

11、所述n个内部飞轮盘的直径不同；

12、所述两个端轴的直径不同；

13、及所述连接盘的直径不同。

14、进一步地，所述端部飞轮盘及内部飞轮盘的直径大于厚度。

15、进一步地，所述轴向拉紧部件为拉紧螺栓，所述拉紧螺栓一端的螺帽锁紧后，与螺栓焊接成一体。

16、按照本发明的另一方面，提供了一种飞轮储能装置，包括储能飞轮及储能电机，所述储能飞轮与所述储能电机之间通过所述端轴传动连接；所述储能飞轮为第一方面任意一项所述的层叠储能飞轮。

17、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

18、(1)本发明设计的层叠储能飞轮，端部飞轮盘及内部飞轮盘层叠设置，通过连接盘与凸台构成的飞轮盘连接件，在飞轮转子的高速运转过程中，由于连接盘的半径小于飞轮盘的半径，端部飞轮盘及内部飞轮盘会受到较大的离心力，连接盘受到较小的离心力，使得连接盘上的凸台相比飞轮盘上的凹台的离心力小，随着飞轮转速的升高，凸台和凹台之间的相互作用力会越来越大，在连接盘与飞轮盘之间通过凸台和凹台进行过盈连接时，使得连接盘与飞轮盘之间的过盈面也会随着飞轮转速的升高越来越紧，降低了相邻两个轮盘过盈配合处断裂的风险，进而提升了飞轮转子的稳定性和安全性。并且，在相同的条件下，也可以适当减小过盈量，以降低工艺难度。

19、同时，连接盘上凸台的设计也使得飞轮盘之间通过凸台在传递圆周方向力矩时飞轮盘之间不发生圆周方向位移，保证转子运行的稳定性；端部飞轮盘及内部飞轮盘层叠设置，也可以解决由于转子体积大所带来的应力分布不均匀的问题，提高飞轮储能系统使用过程当中的稳定性，保证了材料屈服强度分布较均匀。

20、(2)进一步地，在每个内部飞轮盘的外边缘处开设有凹槽，使得内部飞轮盘突出部分作为转子的凸极，端部飞轮盘的直径小于等于内部飞轮盘中心到凹槽边缘的最小距离，使得内部飞轮盘作为储能飞轮的同时，还能够作为电机转子，如此，内部飞轮盘作为电机转子决定电机功率，而端部飞轮盘和内部飞轮盘共同决定储能，改变端部飞轮盘不会影响电机功率，但是通过增加端部飞轮盘的直径或厚度可以提升储能，进而实现功率和储能的解耦。

21、同时，这种储能飞轮与转子一体化的设计能够提升飞轮转子的动态性能，提高系统的集成度；还使得在相同储能量下，能够缩小电机和飞轮的体积，以减小储能装置的体积，提升储能系统的储能密度，降低成本；以及可以采用同步电机、感应子电机等电机而不必优选永磁电机，进一步降低成本。

22、(3)进一步地，当端部飞轮盘的直径和内部飞轮盘的直径相等，且在端部飞轮盘外边缘也开设与内部飞轮盘边缘处凹槽尺寸和位置相同的凹槽时，使得整个飞轮盘即为储能飞轮又作为电机转子，可以提升飞轮转子的动态性能，提高系统的集成度，提升储能系统的储能密度，并降低成本。

23、(4)作为优选，端部飞轮盘的外端面上开设有凹槽，电机高速运转时，由于对飞轮进行了轴向分段，端轴和端部飞轮盘之间的形状与连接盘和端部飞轮盘之间的形状不一样，使得两个端部飞轮盘不关于其中心线上下对称，其离心力的方向并不是沿着水平方向向外的，而是同时具有轴向分量和水平分量，这使得端部飞轮盘与内部飞轮盘之间会有间隙，通过在端部飞轮盘外端面上开设的凹槽，降低离心力的轴向分量，使离心力的方向均沿着水平方向向外，进而可以改善应力分布。

24、(5)作为优选，端部飞轮盘及内部飞轮盘的直径大于厚度，使得在相同的转动惯量下，能够提升转子动态性。

25、(6)作为优选，两个端部飞轮盘、n个内部飞轮盘、两个端轴及连接盘的直径不同，可以灵活适配飞轮储能量的变化，而不必极大的改变飞轮转子的结构。

26、总而言之，本发明的层叠储能飞轮，可解决由于转子体积大所带来的应力分布不均匀的问题，保证了材料屈服强度分布较均匀，并提高飞轮储能系统使用过程当中的稳定性和安全性，同时可以提高飞轮转子的储能密度，降低飞轮储能系统成本。

技术特征：

1.一种层叠储能飞轮，其特征在于，包括：两个端轴(1)、两个端部飞轮盘(2)、n个内部飞轮盘(3)、飞轮盘连接件及轴向拉紧部件；

2.根据权利要求1所述的层叠储能飞轮，其特征在于，每个所述内部飞轮盘(3)的外边缘处开设有凹槽，使得内部飞轮盘的突出部分作为转子凸极，且所述端部飞轮盘(2)的直径小于等于所述内部飞轮盘(3)中心到凹槽边缘的最小距离。

3.根据权利要求1所述的层叠储能飞轮，其特征在于，每个所述内部飞轮盘(3)和每个所述端部飞轮盘(2)的直径相同，且所述内部飞轮盘(3)和所述端部飞轮盘(2)的外边缘相同位置处均开设有相同尺寸的凹槽，使得飞轮盘的突出部分作为转子凸极。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的层叠储能飞轮，其特征在于，所述端部飞轮盘(2)的外端面上开设有凹槽。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的层叠储能飞轮，其特征在于，所述凸台(5)为圆柱形，所述凹台为凹圆台。

6.根据权利要求5所述的层叠储能飞轮，其特征在于，所述端轴(1)上设有凹台，在所述端部飞轮盘(2)的外端面上设有与所述凹台过盈配合的凸台。

7.根据权利要求1所述层叠储能飞轮，其特征在于，所述两个端部飞轮盘(2)的直径不同；

8.根据权利要求1所述的层叠储能飞轮，其特征在于，所述端部飞轮盘(2)及内部飞轮盘(3)的直径大于厚度。

9.根据权利要求1所述的层叠储能飞轮，其特征在于，所述轴向拉紧部件为拉紧螺栓(6)，所述拉紧螺栓(6)一端的螺帽锁紧后，与螺栓焊接成一体。

10.一种飞轮储能装置，包括储能飞轮及储能电机，其特征在于，所述储能飞轮与所述储能电机之间通过所述端轴(1)传动连接；所述储能飞轮为权利要求1-9任意一项所述的层叠储能飞轮。

技术总结
本发明公开了一种层叠储能飞轮及储能装置，属于电机设计领域，包括：两个端轴、两个端部飞轮盘、N个内部飞轮盘、飞轮盘连接件及轴向拉紧部件；所述N个内部飞轮盘设置在所述两个端部飞轮盘之间，N≥1；所述两个端轴分别设置在对应的端部飞轮盘外侧；所述飞轮盘连接件设置在相邻的飞轮盘之间，所述轴向拉紧部件贯穿并拉紧端轴、飞轮盘及飞轮盘连接件；所述飞轮盘连接件包括连接盘与设置在连接盘端面上的凸台，所述连接盘的半径小于所述飞轮盘的半径；在飞轮盘端面上设有凹台，所述凸台内嵌在所述凹台内，以实现所述飞轮盘与所述连接盘之间的过盈连接。本发明提高了飞轮储能系统使用过程当中的稳定性和安全性，并保证了材料屈服强度分布较均匀。

技术研发人员：叶才勇
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15