[发明专利]大型变截面无键连接的合金钢惯性储能飞轮

说明书

技术领域

本发明属于储能飞轮技术领域，特别涉及一种大型变截面无键连接的合金钢惯性储能飞轮。

背景技术

飞轮储能技术是一种可快速充放电的长寿命储能新技术，飞轮储能的基本原理是首先把电能转换成旋转物体的机械能，然后进行能量存储，它利用电机带动飞轮升速或降速实现电动储能、发电释能，在储能阶段，通过电动机拖动飞轮，使飞轮本体加速到一定的转速，将电能转化为机械能；在能量释放阶段，电动机作发电机运行，使飞轮减速，将机械能转化为电能，特别适用于需要快速充放电的独立动力系统调峰、风力发电稳定性调节等领域。现代飞轮储能电源综合了先进复合材料转子技术、磁轴承技术、高速电机以及功率电子技术而极大地提高了性能，在2000年前后，以美国为代表的现代飞轮储能电源商业化产品开始推广，应用于IC生产企业、精密仪器仪表制造业、工业控制自动化、航空航天、交通运输、医疗救生、信息数据中心以及电信和网络通讯系统等，为大型高级用户提供对不间断的和高质量的供电需求。如惯性储能合金钢飞轮配上芯轴(连接飞轮和电机转子)、电机转子组成立式飞轮储能电机轴系，作为大型飞轮储能电源系统的储能核心关键部件。大型飞轮储能电源系统可应用于独立动力系统调峰、不间断供电电源、轨道交通刹车动能再生等领域。

飞轮储存的能量与转速平方成正比，为提高功率密度和能量密度，飞轮电机轴系需要高速旋转，其转速通常高于普通电机的转速(1500-3000r/min)。边缘圆周线速度高于100m/s的高速轴系的结构强度问题突出，需要仔细考察结构内的应力是否在材料的许用强度以内并有足够的安全系数，以及分析各零件配合面在旋转条件下是否出现松脱，因此材料的强度和变形是制约飞轮速度的关键因素。

飞轮旋转结构因离心载荷引起的应力与飞轮的密度成正比，提高飞轮储能密度的关键是采用高比强度(高拉伸强度、低密度)的材料。工业应用中实用的有合金钢飞轮(200-300m/s)、纤维增强复合材料飞轮(500-600m/s)，金属飞轮的密度大，体积小，重量大，性能安定、成本低廉，受金属材料强度和密度的制约，金属制飞轮难以达到很高的储能密度；复合材料飞轮重量轻，但造价昂贵；玻璃纤维和碳纤维已被广泛应用于制造飞轮转子；然而纤维缠绕的复合材料飞轮是各向异性的，其环向与纤维方向一致，因此强度很高，可以达到1000MPa以上；而径向(垂直与纤维方向的横向)强度主要由环氧树脂与纤维/树脂界面提供，通常低于100MPa，因此遇到了径向分层的难题。

另外，合金钢飞轮与电机芯轴的牢固连接是飞轮电机轴系设计的一个重要问题，通用旋转机械的轮盘与芯轴之间的套装结构设计不适用是因为飞轮高速旋转条件下内圆柱面大变形会引起轮与轴之间松脱，如果采用键连接，飞轮键槽处出现的高的应力水平将显著降低飞轮结构强度安全系数，轮轴之间采用过盈转配可以防止松脱，但依靠过盈配额传递轮轴之间的扭矩将大大增加工作转速下飞轮结构的应力水平，而且增加了装配难度。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种大型变截面无键连接的合金钢惯性储能飞轮。

一种大型变截面无键连接的合金钢惯性储能飞轮，包括飞轮1和芯轴2，飞轮1为轴对称的合金钢飞轮，其对称轴左右两侧均为H型截面，飞轮1中部为轮毂14，轮毂14内侧包括上圆柱孔141和下圆柱孔142，上圆柱孔141和下圆柱孔142的轴心线位于同一条直线OO’上，且下圆柱孔142的半径比上圆柱孔141的半径小50～70％，轮毂14左右两侧由内至外依次为轮辐13和轮缘12；

芯轴2为阶梯轴，由上至下依次为第一圆轴21、第二圆轴25、第三圆轴22和第四圆轴26，其中第一圆轴21、第二圆轴25、第三圆轴22和第四圆轴26的轴心线位于直线OO’上，且半径依次减小；

飞轮1与芯轴2为立式轴系，采用无键连接方式配合；芯轴2第一圆轴21的下部与飞轮1的上圆柱孔141过盈配合，芯轴2第三圆轴22的上部与飞轮1的下圆柱孔142过盈配合，从而使得飞轮1与芯轴2在旋转状态下不松脱、定位精准，但不传递扭矩；