悬挂式柔性飞轮制造技术

一种适用于电网调峰、风力发电、不间断电源等固定场所的立式储能飞轮装置，采用圆环链条、万向传动轴或钢丝绳等承拉传扭柔性传动件使飞轮轮体悬挂在转轴下面，具有一套或多套串联的轮体，每套轮体具有由柔性膜环和承重端面副连接的一个或多个质量块体和一个或多个支承体，转轴上布置一组轴向支承永磁轴承，转轴两端可以采用径向滚动轴承或径向磁悬浮轴承，转动件位于真空容器内。轮体悬挂式结构可以避开常规使用的轮体与转轴组合简支转子的不平衡和共振问题，柔性连接多体轮体利于制造和提高储能体积密度，多个串列轴向支承永磁轴承解决大质量飞轮重力支承难题。

【技术实现步骤摘要】
所属
本专利技术涉及一种储能飞轮装置，特别是在固定场所应用的储能飞轮装置。
技术介绍
储能飞轮利用高速旋转轮体的动能储存机械能，可用于需要能量储存和转换的场合，包括电网调峰、风力发电、不间断电源等固定场所应用。飞轮动能来源于较大质量的飞轮轮体以很高的线速度旋转，轮体质量块均采用单向连续纤维增强塑料复合材料缠绕成型，以利用纤维增强塑料的高强特点获得最大的储能密度。但是，大质量、高线速度复合材料轮体的动不平衡力和力矩较难控制。首先是动平衡校正难度大，一是需要承载负荷很大的动平衡机；二是轮体与转轴的组合多为简支柔性转子，需要校正难度较大的高速动平衡，并需要真空动平衡条件；三是高速旋转下的纤维增强塑料会发生较大的位移变形，变形量随转速变化，对高速动平衡校正非常不利。更为不利的是工作时动不平衡的增长，一是发生较大的位移变形，尺寸和材料的差别使得这种变形不均匀对称发生；二是长期使用发生渐进的蠕变变形行为。玻璃纤维增强塑料的弹性变形和蠕变量较大，碳纤维增强塑料的较小，但是碳纤维这类高弹性模量的材料价格成本太高，阻碍了大规模经济性应用，而玻璃纤维适合于实际应用，但要克服解决其变形和蠕变量大的问题。简言之，现有储能飞轮的转动不平衡问题大，解决工艺难，易引起较大的不平衡振动，并随使用时间加长而加剧不平衡。而且，大多数飞轮在其运行转速范围内避不开共振转速，带来通过共振点的问题。飞轮质量越大，其不平衡和共振问题越大。在固定场所应用的储能飞轮以大质量较多，例如电网调峰和风力发电稳定负荷所用的储能飞轮就具有很大的质量，这类飞轮的不平衡和共振问题尤其显得突出。
技术实现思路
主要为克服现有储能飞轮的上述不平衡和共振问题，本专利技术针对固定场所应用的储能飞轮提出了悬挂式柔性飞轮方案，说明如下。一种称为“悬挂式柔性飞轮”的储能飞轮装置，可应用于电网调峰、风力发电、不间断电源等固定场所。其基本组成包括：一套或多套串联的旋转轮体，一个转轴(101)，转轴上的轴承，包容轮体、腔内真空的壳体。其必要特征包括：转轴中心线垂直于地面(即立式飞轮)，转轴上的轴向轴承采用一组轴向支承永磁轴承，轮体位于转轴的下端，轮体与中心轴(102)连接，中心轴与转轴下轴端通过承拉传扭柔性传动件连接，使轮体悬挂在转轴下面。承拉传扭柔性传动件可以采用一套万向传动轴，包括两个万向节、中间的传动轴、两端的传动轴，上端传动轴与转轴(101)连接，下端传动轴与中心轴(102)连接。下端传动轴是不受轴承座约束的自由轴，这与通常使用的万向传动轴不同，中间传动轴和下端传动轴都可不围绕自身轴心线旋转，实际情况是包括轮体和转轴的全部转动件都围绕一个中心线——转轴(101)轴心线旋转。每个万向节由两个节叉孔件(104，121)和中间的一个轴件组成，形成两个转动副，两个转动副的转轴轴线均垂直于中间轴件的中心线(对称中心线，竖轴线)，并互相垂直，即两个转动副的转轴为互相垂直的横轴。两个转动副的转轴可以垂直相交，中间轴件为通常使用的万向节十字轴(103)；两个转动副的转轴也可以垂直相错，中间轴件为十字轴的变形，即两个横轴(119)沿竖轴方向平移拉开了一定距离。在柔性悬挂效果方面，相错十字轴与相交十字轴(103)所起的作用相同，但相错十字轴方案在优化万向节结构方面，主要是优化节叉孔件结构和强度方面具有较大优势。万向节转动副可采用满装的滚针(105)，滚针与相交十字轴(103)或相错横轴(119)的圆柱轴面接触，或者与增设的高硬度轴承内圈(106)接触。图1表示一种带轴承内圈(106)的相交十字轴万向节方案，滚针(105)、轴承钢碗(107)、中心顶尖橡胶球(108)、卡环(109)、密封套筒(110)及密封胶圈的离心力均作用在节叉孔件(104)上。图2表示一种相交十字轴万向节方案，滚针(105)、球面内圈(113)、球面外圈(112)、螺母(111)、橡胶环(114)及其内外支环的离心力均作用在节叉孔件(104)上。为减小节叉孔件的应力，可采用转动副零件离心力由相交十字轴(103)或相错横轴(119)承担的方案，如图3表示的采用圆锥滚子轴承(117)的方案，铝碗盖(116)、铝套(115)及密封圈、圆锥滚子轴承(117)、斜螺母(118)的离心力均作用在转轴上；如图4表示的组合采用径向轴承滚针(105)和推力轴承滚针(126)的方案，满装滚针(105)、轴承套(122)及密封圈、滚针(126)及保持架、推力轴承的轴圈(125)、斜螺母(124)的离心力均作用在转轴上，只有起轴向限位和密封作用的扁橡胶圈(123)的离心力作用在节叉孔件上。在不出现较大应力和变形的条件下，万向节的节叉孔件可以采用通常的悬臂结构。为大幅减小应力和变形，可以采用非悬臂的整圈结构，只开出两个或四个孔形成转动副。对于相交十字轴万向节，两个节叉孔件可以采用大小两个直径的整圈节叉环互相套装的方案，在外的大直径节叉环可以只开有两个孔装配长横轴转动副，在内的小直径节叉环开有四个孔，其中两个孔装配短横轴转动副，另两个孔空间穿过长横轴；同时，整圈节叉环为轴向中分结构，由沿两个转动副中心线剖分的两个整圈的半分节叉环装配组成，以利于十字轴的安装。相错十字轴结构为优化节叉孔件提供了很有利条件，由于两个横轴是错开布置的，可以采用如图4所示的销轴式相错十字轴，两个横轴(119)作为销，垂直插入竖轴(120)的销孔中，因而可采用无需半分的整圈节叉环(121)，两个节叉环(121)彼此分开不重叠，每个节叉环只开有两个孔以形成转动副。承拉传扭柔性传动件可以采用圆环链条(图8，图9)，上下端各采用半个圆环(图5)，中间采用一个或多个圆环，每个圆环由上下两个半环和中间加长的两个直段组成(图6)，或者在两个直段之间还有加强的横向连接梁(图7)。两环相扣的“孔轴”配合比较紧密，孔的半径(图例为201mm)仅略大于轴的半径(图例为200mm)，以降低承载应力。每一个环扣具有两个转动自由度，最低需要两个环扣(图8)。更多的环扣和链条长度更加有利于减小作用到转轴(101)上的不平衡力。圆环链条(图8，图9)采用焊接方法构成环扣，或者采用铸造方法构成环扣。可采用球墨铸铁铸造圆环链条(图8，图9)。图5、图8、图9所示的半圆环端部的与转轴和中心轴连接部分结构仅为一种特例，图16也给出了半圆环端部的另一种特例。当飞轮重量和扭矩较小时，承拉传扭柔性传动件可以采用单根或多根钢丝绳。单根钢丝绳可以单用(单个截面承担全部重力)或多用(多个截面分担全部重力)，后者将钢丝绳螺旋缠绕在转轴(101)下轴端与中心本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种储能飞轮装置，包括：一套或多套串联的旋转轮体，一个转轴(101)，转轴上的轴承，包容轮体、腔内真空的壳体，其特征是：转轴中心线垂直于地面，转轴上的轴向轴承采用一组轴向支承永磁轴承，轮体位于转轴的下端，轮体与中心轴(102)连接，中心轴与转轴下轴端通过承拉传扭柔性传动件连接，使轮体悬挂在转轴下面。

【技术特征摘要】
1.一种储能飞轮装置，包括：一套或多套串联的旋转轮体，一个转轴(101)，转轴上的轴承，
包容轮体、腔内真空的壳体，其特征是：转轴中心线垂直于地面，转轴上的轴向轴承采用一
组轴向支承永磁轴承，轮体位于转轴的下端，轮体与中心轴(102)连接，中心轴与转轴下轴
端通过承拉传扭柔性传动件连接，使轮体悬挂在转轴下面。
2.如权利要求1所述的飞轮装置，其特征是：承拉传扭柔性传动件采用一套万向传动轴，包
括两个万向节，万向节的两个转动副的转轴轴线垂直相交，或垂直相错。
3.如权利要求1所述的飞轮装置，其特征是：承拉传扭柔性传动件采用圆环链条(图8，图
9)，上下端各采用半个圆环(图5)，中间采用一个或多个圆环，每个圆环由上下两个半环和
中间加长的两个直段组成(图6)，或者该两个直段之间还有加强的横向连接梁(图7)。
4.如权利要求1至3所述的飞轮装置，其特征是：一组轴向支承永磁轴承具有一个或多个串
联的轴向支承永磁轴承，一个轴向支承永磁轴承有一个转动盘和一个静止盘，转动盘位于静
止盘的上方，两盘的相邻侧端面之间有一个气隙，转动盘是轴对称永磁体结构，或轴对称软
磁体与轴对称永磁体的混合结构，或轴对称非导磁体、轴对称软磁体与轴对称永磁体三者的
混合结构，静止盘是轴对称永磁体结构，或轴对称软磁体与轴对称永磁体的混合结构，或轴
对称非导磁体、轴对称软磁体与轴对称永磁体三者的混合结构，上述所有永磁体的充磁磁路
也是轴对称结构，两盘相邻侧端面上相同半径处相对的磁极相反，向上的磁斥力作用于转动
盘，设计用来抵消转子的重力。
5.如权利要求1至3所述的飞轮装置，其特征是：一组轴向支承永磁轴承具有一个或多个串
联的轴向支承永磁轴承，一个轴向支承永磁轴承有一个转动盘和一个静止盘，转动盘位于静
止盘的下方，两盘的相邻侧端面之间有一个气隙，转动盘为轴对称软磁体结构，静止盘是轴
对称永磁体结构，或轴对称软磁体与轴对称永磁体的混合结构，或轴对称非导...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐立民，
申请(专利权)人：徐立民，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23