储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置。采用一对结构功能完全相同的飞轮转子组件沿底面镜像对称同心地放置并组合密封在一起为机电一体化高集成结构，有防止飞轮转子爆裂飞出的4重高安全防护，具有多功能、低成本、小体积、结构紧凑、安装简便、无陀螺进动效应对小型车船运动驾驶干扰及多用途的特点，能提供短时高功率储能与大反作用力矩输出，适用于小型电动车船、行走/移动机器人及航空航天等多领域：与电化学储能电池或超级电容组合可作为复合能源的高功率源，能大幅度提高小型车辆的动力性能、延长续驶里程与动力电池寿命或减少其使用量；可用于车船体姿态控制，如4轮汽车的防侧倾翻滚减少道路交通事故伤亡率、船舶稳定减摇、实现前后2轮车自平衡直立不倒及全新2轮电动汽车的产业化等。

【技术实现步骤摘要】
储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置
本专利技术涉及一种储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置，涉及小型电动车船、行走/移动机器人、航空与航天器等领域：能与电化学储能动力电池或还有超级电容组合作为复合能源中的高功率源，具有多功能——特别涉及还可用于车船体姿态控制，诸如小型4轮汽车的防侧倾与翻滚、小型船舶船体的稳定减摇、前后2轮车实现自平衡、直立不倒实现全新型2轮电动汽车、航空与航天器的大力矩快速响应姿态控制等。
技术介绍
在储能应用领域，飞轮转子由电动/发电可逆的电机作为电动机驱动高速旋转，将电能以惯性机械旋转动能的形式储存——即“充电”；反之，高速旋转的飞轮转子带动电动/发电机作为发电机发电，将飞轮转子的惯性机械旋转动能转变成电能供给外部负载——即“放电”，其装置被称为飞轮储能系统(FESS)，或简称飞轮电池。对依此原理工作的这种物理电池的研究已有很久的历史，有大量的专利技术及文献发表，这表明人们一直致力于对其不断研究改进。该技术现也已成功地应用于一些领域，例如作为航天器能源、对电网波动峰值的抑制补偿、风电及太阳能发电的电能储存，固定UPS(不间断电源)、电磁炮与轨道弹射、大功率激光器、起重机与吊车的高功率电源等。虽然飞轮电池具有比能量高、比功率大、完全没有污染及CO2排放、对环境温度不敏感、能量转换效率高、充放电速度快、使用寿命长等绿色环保节能的突出优点，但能应用于小型地面车辆或水面船舶的案例仍极少。数年前，此技术虽已开始试用于F1方程式赛车中——主要用于制动能量的回收及利用，但至今仍没有能被应用于已最大量生产的同类产品——商用乘用车/轿车的案例。现有技术一例可参见WO2007132241(A1)。在姿态控制方面，利用高速旋转中飞轮转子的陀螺效应制成的控制力矩陀螺(CMG)、动量轮(MW)以及反作用飞轮(RW)的姿态控制技术，已随微电子与计算机、电磁悬浮及超导、高强度新材料等技术的飞速进步获得了众多成果，并已成功地应用于某些领域，主要是航天器——例如卫星、飞船；新近在行走/移动机器人领域也开始探索应用。但在其他领域，特别是在目前作为人类主要交通工具之一的小型汽车中仍应用极少。虽然已有一些专利技术公开，但仍几乎看不到已量产的应用实例。现有技术可应用的参照例参见US3373832(1968)，以及用于前后两轮车的自平衡的US2013233100、CN105365914等。导致飞轮电池及陀螺姿控技术未能广泛应用的主要原因首先在于：依现有技术获得高比能量用于储能或姿控的成本太高，使其难以在要求价格相对低廉的民用产品中使用。根据飞轮转子储能量的物理方程：E＝0.5Jω2，对于常用的圆环形飞轮转子：J＝mr2，故有：E＝0.5mr2ω2(1)式中，E-飞轮转子的机械旋转动能(J或Wh)，J-飞轮转子的转动惯量(kg·m2)，m-飞轮转子的质量(kg)，r-飞轮转子的惯性半径(m)，ω-飞轮转子旋转的角速度(rad/s)。这里惯性半径r＝[0.5(R02+Ri2)]1/2，其中：R0为飞轮转子的外半径，Ri为飞轮转子的内半径。故由上述原理可知，要得到高储能能量，需要m、r要大、ω要高，但E是与r、ω的平方成比例的增长，故增加这两者通常比增加m将更加有效。以往的技术进步路线就是沿这一轨迹发展，为获得高比能量(wh/kg)，致使飞轮转子的工作转速越来越高，最高转速已有超过200,000r/min的报道。但要使飞轮转子能在高速或超高速下旋转工作，实际受到多方面因素的限制。作为飞轮转子的旋转支撑，普通机械轴承在超高转速下因高速旋转离心力、摩擦力的作用损耗太大已不能使用，通常只能使用结构与控制复杂、价格昂贵的主动电磁悬浮轴承或超导磁悬浮轴承等。为获得高储能或大姿态控制力矩使用高转速的方案则相应带来对飞轮转子组件的工作环境要求——需高真空，否则转子在空气中的旋转将形成高风阻力与风损。而风阻与飞轮转子轮缘相对空气的运动速度即线速度的平方成正比，将按指数增长，将导致很高的驱动功耗。与之相关的问题还在于：制造能长期维持高真空度所需的全密封结构及在使用期的长期维护费用也将显著增加；真空室内为避免机械轴承润滑脂的蒸发，通常应使用结构复杂、高成本的主动电磁悬浮轴承、还需将电动/发电机整体完全装入真空室内，否则就必需用特殊的传动装置-磁耦合传动、磁性齿轮等传递运动与能量，不仅成本高，还存在扭矩与功率的限制。由于真空，电机定子及绕组就无法再通过空气对流散热，而且由于高真空室长期使用中还可能漏气，故还须增加真空泵等以维持室内的真空度。此外，电机的各种引线包括大功率引线也必须通过密封外壳不漏气地引入引出，这些都显著增加了装置的复杂性，不但带来高制造成本问题，也难于维护，对于民用车载或船载装置而言通常将难于保证。重要的是，在超高转速下，转子由于自身的旋转质量将承受巨大的离心力，故必须使用具有超高强度、能实现高质量比能量的材料设计制造，例如使用高强度碳纤维等与环氧树脂形成复合材料缠绕。为降低成本，目前流行的结构为强度等级沿径向由外至内逐渐递减的多层环，各环间靠过盈彼此压入连接，形成类似于三明治的夹心结构。但此类材料价格目前仍昂贵——往往普通是钢材的几十乃至上百倍，故通常大多用于航空航天及军工，仍难以在大批量产的民用产品中使用。目前仅高档民品中有少量产品在开始在应用，例如高档汽车零部件的薄壳型车身、保险杠等。另一方面，转子外半径RO的增加将意味着装置的体积增大，而这也将因小型车船或行走/移动机器人中本就有限的舱内、体内空间而安置被严重受限。当同时增加RO与ω时，受转子材料许用应力[σ]所严格限制，其边缘线速度(V＝Roω)不能太高。否则飞轮转子一旦发生爆裂、破碎飞出或脱落，将可能酿成重大安全甚至伤亡事故。虽然昂贵的、整体由高强度碳纤维复合材料制造的转子在断裂时可能以絮状飞出，但碳纤维作为各向异性材料固有的缺陷——过低的径向拉伸强度以及其层间较弱的径向压接强度还可能导致整环的剥离脱落，其危险性依然未被彻底消除。故只有在超高速下旋转的飞轮转子才可获得高动能，但其一旦破坏导致的危险性也强，因而强化飞轮转子的安全保护，应是飞轮电池及陀螺姿控飞轮装置设计制造与应用推广中的头等重要大事，必须为使用者提供高安全度的保障。此外，目前的加工通常是采用高强度碳纤维与环氧树脂混合的材料以边缠绕、边固化的工艺制造，不但原材料价格昂贵，而且为达到所需的厚度常需多次分层固化，而固化速度又很慢，导致生产周期过长，生产效率很低，难以满足民用产品领域能特大批量高速连续自动化生产的要求，进而导致制造费用也很高。故飞轮电池材料与加工费高、生产效率低下也是目前限制其大面积推广应用的重要原因。现有技术飞轮转子的高能量与高储能密度以及高陀螺力矩的获得通常都是以飞轮转子能在超高转速下运转为前提，否则难以达到。碳纤维复合材料具有高质量比强度的特点，故用于飞轮转子时也必须在超高转速下工作才能发挥其优势。但对于20,000r/min以下较安全的低转速，使用高强度钢类转子与使用碳纤维复合材料转子相比较，则其综合优势更明显，由飞轮电池在混合动力与电动赛车中的研发实践来看即是如此。根据FlybridSystems等公司的车载飞轮电池产品的性能参数看，其工作转速大多分布在60,000r/min以下。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置，由一对飞轮转子组件组成，其特征是：一对完全相同(00与00)或几乎完全相同的飞轮转子组件(01与02)，沿外壳(1)底面A镜像左右或上下对称、中心线同心；两组件相互以外壳(1)底板下边缘的法兰(44)互相连接成一体，以部分圆环或全圆环形定位键(28)或销钉定位使两组件保持准确同心，并用紧固件与橡胶密封件将两组件连接、固定组合在一起，成为整体密封、机电一体化集成结构的同心双飞轮机电装置；两飞轮转子组件(00与00，或01与02)的两飞轮转子分组件各自由结构、参数与性能完全相同的两电动/发电机分组件连接与驱动，或反之带动电动/发电机分组件的转子旋转；本机电装置的电动/发电机分组件为永磁无刷电机、同步电机或磁阻电机，均为按短时、断续工作制工作的高功率输入输出型可逆电机，为外转子型或内转子型；其工作转速为在通常飞轮电池电机转速范围的低端：最高转速不超过20000r/min；本装置在被用作飞轮电池时，以高速飞轮的快速充放电——随飞轮转子角速度的快速改变以产生短时、脉冲式高功率电能的吸收或输出；用作姿态控制时以短时、脉冲式高功率电能快速改变飞轮转子的角加、减速度的反作用飞轮(RW)原理来产生短时大转矩的输出；每个飞轮转子组件(00‑02)均包括飞轮转子及电动/发电机分组件，外壳及端盖、防护与能量吸收环、中心柱部件以及传感器、紧固件、密封件；飞轮转子分组件的中心孔以过盈配合被压装在中心柱部件的中心轴(19)上，经主轴承(20、25)连同电动/发电机分组件一起被安装在外壳(1)内成为一体；电动/发电机分组件的定子(22、23)被整体装入飞轮转子分组件中心的空腔内并与其同心；飞轮转子分组件包括飞轮转子部件(7、8)、上下端盖(10、9)、永磁轴承盖部件(11、12)、电机转子支架(30)、电机转子挡板(29)、紧固件及转子保护加固层(36、37)；飞轮转子部件的飞轮主体(7)由高强度、高韧性的合金钢或不锈钢制成，在其惯性半径的位置上沿圆周均匀分布地开有适当数量的孔或制成同心凹槽，孔或凹槽内以过盈配合压入高比重合金制成的圆棒(8)或圆环；或主体(7)也可为无凹槽的多圆环结构：直接以过盈配合将内环相继依次压入各外环制成3环一体的三明治夹心结构，中间为高比重合金环；飞轮转子部件的飞轮主体(7)由轴向的上下端盖(10、9)夹持，其内外轮缘与上下端盖(10、9)的接合部均为过盈压配合；圆柱面两侧再用铆钉(43)或紧固件与两端的上下端盖(10、9)连接并固定成坚固的一体；飞轮转子分组件的各零部件经连接牢固后，整体形成钟罩形(∩)的中空结构，为无轮辐的空心式——其轮辐、轮毂的功能被外化：上端盖(10)具有轮毂与轮辐功能，其中心孔与中心轴(19)的台阶处压合后由螺母(17)、弹簧垫圈(16)压紧并固定；下端盖(9)的中心仅有大孔；飞轮转子分组件的中空部分用于容纳、安放电动/发电机分组件；当电动/发电机分组件为外转子型时，上端盖(10)靠近中心经紧固件同心地连接固定有转子支架(30)；电机的转子部件(31、32)以过盈配合压入或铸入在转子支架(30)的内孔中；电机转子支架(30)的下方用紧固件固定有电机转子挡板(29)，用以承托或限制电机的转子部件(31、32)的轴向移动；当飞轮转子分组件与电动/发电机分组件装配完成后，电机的转子与定子部件则以轴向的中心线彼此对齐、径向间有空隙；飞轮转子分组件经由电动/发电机分组件驱动旋转，飞轮转子主体(7)的内外径比≥0.6，设计应力安全系数应≥2，其飞轮转子主体(7)外轮缘处的最高线速度不超过240m/s；飞轮转子或连同电机转子部件的动平衡精度为G0.4‑G1.0级；外壳部件包括外壳(1)、端盖(6)、轴承盖部件(13‑16)、保护加固层(34、35)、电连接器、联结紧固件、密封件，或还有抽/充气嘴、水冷管路；轴承盖部件包括轴承盖(14)、保护轴承(16)、波形弹性垫圈(15)、弹簧档圈，或还有另外1/2的永磁轴承(13)；防护与能量吸收环部件(2‑5)被压入到外壳(1)内，包括外环(2)、能量吸收层(4)及内环(5)；其外环(2)为高韧性钢制圆筒，内环(5)为由非高韧性工程塑料制造的薄壁圆筒；内外两环之间有间隔——为短轴销(3)或螺钉的伸出部形成的能量吸收层(4)，此防护与能量吸收环部件作为防止飞轮转子爆裂飞出的第三防护层，可对飞出的高能碎块吸能；能量吸收层(4)的形成：在外环(2)的外环壁沿径向与轴向均匀分布开有一定数量的台阶通孔，孔内压入短台阶形轴销(3)，或在环壁通孔内攻出螺纹、加入防松弹簧垫再拧入短螺钉，或还在其连接部位涂有防松厌氧胶；各短轴销(3)或螺钉为退火钢制且均凸出外环内表面一定的长度——形成阵列，当受强力撞击时可发生弯曲变形；内环(5)圆筒的外径与各短轴销(3)...

【技术特征摘要】
1.一种储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置，由一对飞轮转子组件组成，其特征是：一对完全相同(00与00)或几乎完全相同的飞轮转子组件(01与02)，沿外壳(1)底面A镜像左右或上下对称、中心线同心；两组件相互以外壳(1)底板下边缘的法兰(44)互相连接成一体，以部分圆环或全圆环形定位键(28)或销钉定位使两组件保持准确同心，并用紧固件与橡胶密封件将两组件连接、固定组合在一起，成为整体密封、机电一体化集成结构的同心双飞轮机电装置；两飞轮转子组件(00与00，或01与02)的两飞轮转子分组件各自由结构、参数与性能完全相同的两电动/发电机分组件连接与驱动，或反之带动电动/发电机分组件的转子旋转；本机电装置的电动/发电机分组件为永磁无刷电机、同步电机或磁阻电机，均为按短时、断续工作制工作的高功率输入输出型可逆电机，为外转子型或内转子型；其工作转速为在通常飞轮电池电机转速范围的低端：最高转速不超过20000r/min；本装置在被用作飞轮电池时，以高速飞轮的快速充放电——随飞轮转子角速度的快速改变以产生短时、脉冲式高功率电能的吸收或输出；用作姿态控制时以短时、脉冲式高功率电能快速改变飞轮转子的角加、减速度的反作用飞轮(RW)原理来产生短时大转矩的输出；每个飞轮转子组件(00-02)均包括飞轮转子及电动/发电机分组件，外壳及端盖、防护与能量吸收环、中心柱部件以及传感器、紧固件、密封件；飞轮转子分组件的中心孔以过盈配合被压装在中心柱部件的中心轴(19)上，经主轴承(20、25)连同电动/发电机分组件一起被安装在外壳(1)内成为一体；电动/发电机分组件的定子(22、23)被整体装入飞轮转子分组件中心的空腔内并与其同心；飞轮转子分组件包括飞轮转子部件(7、8)、上下端盖(10、9)、永磁轴承盖部件(11、12)、电机转子支架(30)、电机转子挡板(29)、紧固件及转子保护加固层(36、37)；飞轮转子部件的飞轮主体(7)由高强度、高韧性的合金钢或不锈钢制成，在其惯性半径的位置上沿圆周均匀分布地开有适当数量的孔或制成同心凹槽，孔或凹槽内以过盈配合压入高比重合金制成的圆棒(8)或圆环；或主体(7)也可为无凹槽的多圆环结构：直接以过盈配合将内环相继依次压入各外环制成3环一体的三明治夹心结构，中间为高比重合金环；飞轮转子部件的飞轮主体(7)由轴向的上下端盖(10、9)夹持，其内外轮缘与上下端盖(10、9)的接合部均为过盈压配合；圆柱面两侧再用铆钉(43)或紧固件与两端的上下端盖(10、9)连接并固定成坚固的一体；飞轮转子分组件的各零部件经连接牢固后，整体形成钟罩形(∩)的中空结构，为无轮辐的空心式——其轮辐、轮毂的功能被外化：上端盖(10)具有轮毂与轮辐功能，其中心孔与中心轴(19)的台阶处压合后由螺母(17)、弹簧垫圈(16)压紧并固定；下端盖(9)的中心仅有大孔；飞轮转子分组件的中空部分用于容纳、安放电动/发电机分组件；当电动/发电机分组件为外转子型时，上端盖(10)靠近中心经紧固件同心地连接固定有转子支架(30)；电机的转子部件(31、32)以过盈配合压入或铸入在转子支架(30)的内孔中；电机转子支架(30)的下方用紧固件固定有电机转子挡板(29)，用以承托或限制电机的转子部件(31、32)的轴向移动；当飞轮转子分组件与电动/发电机分组件装配完成后，电机的转子与定子部件则以轴向的中心线彼此对齐、径向间有空隙；飞轮转子分组件经由电动/发电机分组件驱动旋转，飞轮转子主体(7)的内外径比≥0.6，设计应力安全系数应≥2，其飞轮转子主体(7)外轮缘处的最高线速度不超过240m/s；飞轮转子或连同电机转子部件的动平衡精度为G0.4-G1.0级；外壳部件包括外壳(1)、端盖(6)、轴承盖部件(13-16)、保护加固层(34、35)、电连接器、联结紧固件、密封件，或还有抽/充气嘴、水冷管路；轴承盖部件包括轴承盖(14)、保护轴承(16)、波形弹性垫圈(15)、弹簧档圈，或还有另外1/2的永磁轴承(13)；防护与能量吸收环部件(2-5)被压入到外壳(1)内，包括外环(2)、能量吸收层(4)及内环(5)；其外环(2)为高韧性钢制圆筒，内环(5)为由非高韧性工程塑料制造的薄壁圆筒；内外两环之间有间隔——为短轴销(3)或螺钉的伸出部形成的能量吸收层(4)，此防护与能量吸收环部件作为防止飞轮转子爆裂飞出的第三防护层，可对飞出的高能碎块吸能；能量吸收层(4)的形成：在外环(2)的外环壁沿径向与轴向均匀分布开有一定数量的台阶通孔，孔内压入短台阶形轴销(3)，或在环壁通孔内攻出螺纹、加入防松弹簧垫再拧入短螺钉，或还在其连接部位涂有防松厌氧胶；各短轴销(3)或螺钉为退火钢制且均凸出外环内表面一定的长度——形成阵列，当受强力撞击时可发生弯曲变形；内环(5)圆筒的外径与各短轴销(3)或螺钉伸出头部形成的内切圆直径基本相同，使内外环(5与2)基本保持同心；内外环(5、2)两端还可用端盖封头并固定为一体；能量吸收层(4)内还可充填能量吸收材料：智能碰撞防护凝胶；两飞轮转子组件外壳底板组合之安装法兰(44)边缘上还开设有安装孔，供组件与所使用的车船等的底板或框架、龙骨上的支架安装连接并被固定用；对于大扭矩的应用，安装法兰或可分别设于两飞轮转子组件的端盖(6)的外端，由本机电装置的两端盖(6)上另制出法兰分别与车船等的底板或框架、龙骨上的支架连接以形成两端固定；安装支架可固定于车、船体底板的上面或下面，装置被安装固定后均仅使其约一半的高度露出在底板之上。2.根据权利要求1所述的储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置，其特征是：装置系分时工作，由外部控制系统改变或切换以完成其功能转换；正常工作时，组件被置为飞轮功率电池模式；当启用姿态控制功能时，先将飞轮功率电池工作模式停止，反之亦同；本机电装置在用作飞轮功率电池功能时，充放电由本机电装置外部的飞轮电机控制器或还有可逆DC-DC升降压变换器进行，两飞轮的转速同步、同速地反转升降，用于形成无陀螺力矩效应的充放电；本机电装置在用作姿态控制功能时，按反作用飞轮(RW)方式工作：两飞轮转子组件可被预置到最高转速的例如1/2处；当接收到施加反作用力力矩信号后，将按给定方向同步地以给定的角加、减速度即相互反向增减转速运行；或当两飞轮组件均处于最低转速时，在本装置于给定方向上将按给定方向同步地以给定的角加速度、以相同方向加速运行，均用于产生总输出等于单个飞轮转子组件2倍的反作用力矩。3.根据权利要求1所述的储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置，其特征在于：飞轮转子部件的飞轮转子主体(7)上压入的高比重合金圆棒(8)或圆环的材料是钨或钨合金；对低成本的应用场合，可使用铅填充；对无人车船或防护性良好的应用场合或可使用贫铀。4.根据权利要求1所述的储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置，其特征在于：飞轮转子部件的飞轮转子的主体(7)由高强度、高韧性的冷轧合金钢薄板冲压制成，经叠、扣铆压合或可由环氧树脂等粘合剂粘接固化组合成一体；其圆周均匀冲出的同心小圆孔经由飞轮转子的上下端盖穿入的铆钉(43)铆合或螺钉紧固使与上下端盖成为坚固的一体；薄板的厚度可为0.8-1.2mm；薄板间的叠扣为没有材料破裂、不形成较大的应力集中的圆形子母铆扣。5.根据权利要求1所述的储能姿控两用同心反转双飞轮机电装置，其特征在于：飞轮转子部件的上下端盖(10、9)整体由高强度铝合金制成，端盖(10、9)的边缘直径大于飞轮转子主体(7)直径5-10mm；或端盖(10)可分为两体：端盖(10)与端盖(9)内外径尺寸对应的边缘部分可用高韧性合金钢制成，合金钢制的端盖(10)的边缘部分再与铝合金端盖的中心部分再用紧固件与过盈配合连接、组合为一体；上下端盖(10、9)的外边缘均制成圆弧状，圆弧半径r≥5mm；飞轮转子主体(7)与端盖(10、9)装配后，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：李平，
申请(专利权)人：李平，
类型：发明
国别省市：天津,12