[发明专利]一种双圆盘结构飞轮储能系统

说明书

技术领域

本实用型涉及一种高效率、高功率、低成本的飞轮储能系统。

背景技术

作为化学电池和超级电容器的一种替代产品，飞轮储能系统储存电能，具有寿命长、维护量小、高效率、和高功率的优点。飞轮储能依靠旋转的飞轮把电能转换为动能储存起来。飞轮储能系统依靠电机来实现充放电。充电时，电机推动飞轮转动，把电能转换为动能储存起来；放电时，飞轮驱动电机，把动能转换为电能释放出去。电机有多种设计方法，不同方法有各自的优点，适合于不同的要求。飞轮一般使用钢和复合材料来制造，所以有钢飞轮、复合材料飞轮、以及钢和复合材料混合飞轮。飞轮储能系统一般使用磁悬浮轴承来支撑飞轮，来实现减少摩擦和提高系统寿命。为了减少空气阻力，飞轮一般放在密闭的真空容器中。尽管有许多方法来设计飞轮储能系统，一种具有低成本、高效率、高功率的飞轮储能系统是目前业界追求的目标。

发明内容

本发明是提供了一种双圆盘结构飞轮储能系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种双圆盘结构飞轮储能系统，具有两个不含孔洞的实心钢质轮盘，在两个轮盘在外径部位是分开的，在中心部位固定连接在一起，在轮盘的盘面上设置有作为电机的磁通来源的环形轴向交替磁极的磁体，在磁体气隙中间设置有电机定子的空心电枢，在磁体的外围设置有径向约束磁体的约束环。

轮盘的固定方式具体可采用：轮盘通过过盈配合到中央的一个独立的圆管实现连接到一起。或者，轮盘通过设置于轮盘上的中心凹凸的插口过盈配合连接到一起。

外部的约束环可以有多种方法制造。第一种方法，圆盘轴向伸出一个剪切唇。这是最简单的方法，磁体可以插入剪切唇中并吸附在圆盘上。第二种方法，约束环由一个周向缠绕的复合材料环构成。复合材料环可以是碳纤维或者玻璃纤维，其高强度能够提高线速度，但代价是增加成本和复杂性。复合材料环可以先缠绕到磁体上，然后磁体吸附到圆盘上；或者复合材料环在磁体吸附到圆盘以后再加工到圆盘上。或者，复合材料环使用过盈配合来预压轮盘或者磁体。预压轮盘或者磁体能够提高轮盘和磁体的线速度，代价是复合材料环的应力提高。过盈配合可以使用冷却轮盘或者预压来实现。第三种方法，约束环由轮盘外缘轴向伸出的剪切唇及剪切唇的外侧设置的碳纤维树脂约束环组成。

由于圆盘上没有孔洞，提高了飞轮的转速。两个圆盘在中央位置通过盈配合套在一起，在其余部位是分开的。

集成在飞轮上的电机，使飞轮通过加速和减速来实现充电和放电。电机的轴向磁极交替的磁体分别吸附在上下两个钢圆盘上。磁力线来回穿过圆盘之间的空隙，构成回路。电机的定子位于磁体气隙中间，采用空心电枢。空心电枢使用多相绕组，与旋转磁体产生感应。磁体使用永磁体，轴向吸附在钢圆盘上。磁体在径向上被外围一个约束环束缚，来抵抗旋转时产生的离心力。

虽然使用两个圆盘比使用一个圆盘造价高，然而本方法降低了整个系统的成本。两个圆盘扣在一起，构成了电机的一部分。把磁体简单的吸附到圆盘上，构成了电机的磁通来源。这种电机实现了非常高的效率和功率，因为它免去了电机常用的叠片，并且提高了磁体的线速度。电机叠片的免去，是因为整个磁通路径与飞轮一同转动，周向变化的磁通不需要穿过定子。叠片的免去和使用空心电枢进一步降低了成本。

空心电枢使用利兹导线缠绕，放在绝磁的盘上，这样实现了最高的效率和简单的制作。利兹导线，或者多股相互绝缘的导线，阻止了绕组中的涡流电流。也可以采用其它种类的空心电枢。由于钢圆盘使用过盈配合扣在一起，没有孔洞，是一种有效提高飞轮转速的方法。

外部的约束环可以有多种方法制造。第一种方法，圆盘轴向伸出一个剪切唇。这是最简单的方法，磁体可以插入剪切唇中并吸附在圆盘上。第二种方法，约束环由一个周向缠绕的复合材料环构成。复合材料环可以是碳纤维或者玻璃纤维，其高强度能够提高线速度，但代价是增加成本和复杂性。复合材料环可以先缠绕到磁体上，然后磁体吸附到圆盘上；或者复合材料环在磁体吸附到圆盘以后再加工到圆盘上。第三种方法，复合材料环使用过盈配合来预压轮盘或者磁体。预压轮盘或者磁体能够提高轮盘和磁体的线速度，代价是复合材料环的应力提高。过盈配合可以使用冷却轮盘或者预压来实现。

除了轮盘和约束环的应力之外，磁体的应力也是个问题。弯曲应力可以很容易使磁体产生裂缝。为了消除这个问题，在磁体和环之间插入一个缓冲，这个缓冲环材料的弹性模量要比约束环和磁体的弹性模量低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的飞轮储能系统的正视图。