储能飞轮及其制作方法技术

本发明专利技术涉及一种储能飞轮及其制作方法，该飞轮的截面一种是其轮廓线为正态分布曲线，另一种是截面为多边形，其制作方法为：以各向同性的马氏体时效钢为原料，进行精密锻造，车削成型，然后对飞轮进行马氏体时效处理，最后飞轮再进行热处理，使飞轮中产生残余应力。本发明专利技术设计的储能飞轮具有比能量大，容易设计的优点，而且运行可靠，由于利用特殊的热处理工艺，使飞轮产生残留应力，提高飞轮的最高角速度，提高飞轮的储能。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，属车辆制造
利用高速转动的飞轮储能是一个很古老的话题。但由于飞轮储能的机械能转换成其他形式的能量不容易，因此，二十世纪前几十年一直没有很大技术突破和实用化。本世纪七十年代后期，由于永磁同步电机和电力逆变技术的发展，使机械能和电能的转换非常容易，并且已实用化。将永磁同步电机与飞轮连接，通过永磁同步电机将电能输入或输出到飞轮，使转动的飞轮的机械能转变成可方便使用的电能。现在，利用飞轮储能已成为现实。飞轮储能是一种机械储能装置，也叫飞轮电池或飞轮电源(机械能电池)。由于飞轮电池没有污染，储能比高，因此有非常广阔的应用前景。例如，在风力发电，太阳能发电方面作储能设备。电动自行车，电动汽车的储能设备。代替各种铅酸电池，尤其是UPS中。本世纪80年代以来，关于飞轮储能和飞轮的制造方面的专利已有大量的申请，如美国US4408500，US5695584，US5566588等等。日本的特开平6-210748飞轮储能的基本原理是利用转动物体的动能 公式1中E飞轮的动能J飞轮的转动惯量，与飞轮材料的质量和飞轮的截面形状有关。ω飞轮转动的角速度。飞轮存储的能量的大小与飞轮的转动惯量J和飞轮转动的角速度的平方ω2成正比。飞轮一旦制造完成，其转动惯量就确定了，提高飞轮的转速可以使飞轮以转速平方的速度提高储存的机械能。但是，飞轮的转速不可能无限的提高。这是由于转速越高，飞轮中的材料所承受的由离心力引起的应力也随飞轮的转速以转速的平方的规律增大。当飞轮的转速提高到飞轮由离心力引起的内应力大于飞轮的材料的极限许用应力时，飞轮会发生破坏。这时的飞轮转速叫破坏转速(飞轮)。当飞轮的转速很高时，飞轮的能量很大，突然的破坏会引起爆炸。飞轮的截面形状不仅仅决定了飞轮的转动惯量的大小，而且还决定飞轮的内应力分布。好的截面形状，可以使飞轮在一定的转速下，内应力分布比较均匀，最大内应力较小。也就是说，在飞轮材料的最大许用应力确定的条件下，好的截面形状可以使飞轮工作在较高的转速，存储较大的能量。所以，飞轮材料的最大许用应力和飞轮的截面形状将决定飞轮的储能大小。为了比较单位质量(重量)的物体存储能量的大小，可以利用比能量的概念，即e=E/m----(2)]]>其中e单位质量(重量)比能量，单位瓦-小时/公斤。W.h/kgE储能物体所储存的总能量，单位焦耳。jrm储能物体所包含的总质量，单位公斤。kg公式2适用于各种储能方式的物体，如飞轮储能，化学储能，储热与储冷装置等等。例如目前铅酸电池的比能量是30-50W.h/kg锌空气电池比能量是400Wh/kg利用飞轮储能，需要满足1，比能量e尽可能大。2，材料强度高，容易设计，加工。3，飞轮的形状便于连接，安装。目前，大多数专利使用的材料是碳纤维混和材料，或凯夫拉尼龙材料(kevlar)，这类材料的缺点是不宜加工，力学性能是非各向同性，飞轮高速转动时变形较大，与转动轴的连接问题较多。并且用上述材料的飞轮截面形状大多不是最优比能量的截面形状。有的专利虽采用了各向同性的材料，如US4408500，但截面形状复杂，并采用多种材料组合，可靠性低，与转动轴连接不方便，同时改变半径尺寸时，由于应力没有几何相似性，还要进行复杂的设计计算。而且，按上述专利设计的截面的飞轮的比能量也不是最大的。本专利技术的目的是设计两种不同形状的，采用各向同性的，易加工的金属材料作为飞轮材料，利用计算机辅助设计提供的比能量较优的截面形状。利用特殊的热处理工艺使飞轮产生能提高飞轮使用许用应力的残留应力，提高飞轮的最高角速度。本专利技术设计的飞轮有两种形状，一种是截面为正态分布曲线的储能飞轮，该飞轮的截面轮廓线为正态分布曲线，截面形状 设z0为飞轮转动轴心上的厚度的一半，R为飞轮的最大外缘半径，则飞轮的尺寸符合下列关系式z0R=2~10100]]>ω0=1/R·(5~8)σ0ρ]]>上式中，ω0是设计飞轮时选定的飞轮角速度，ρ是制造飞轮所用材料的密度，σ0是制造飞轮所用材料的最大许用应力。另一种是多边形截面的储能飞轮，该多边形截面为梭形，设R为飞轮最大外缘半径，H为飞轮中心半高度，L为飞轮的连接平台外径尺寸，h为飞轮外缘半厚度，上述尺寸满足下列关系h∶H＝2-15∶100L∶R＝2-12∶100H∶R＝2-10∶100本专利技术设计的储能飞轮的制造作方法，包括以下各步骤(1)以各向同性的马氏体时效钢为原料，进行精密锻造，车削成型成所需形状和尺寸的飞轮(2)对飞轮进行马氏体时效处理将成型的飞轮均匀地加热到热处理温度450℃～550℃，保持3～4小时，然后降至室温并保持24小时；(3)将上述飞轮再加热至时效热处理温度的0.3～0.9倍，保持0.5～2小时，然后使飞轮的中心部分冷却，使飞轮中心半径的1/10范围内温度与周围温度相差350℃～550℃，周围维持原温度，保持该温差2～15分钟，对飞轮周围停止加热，整体飞轮降至室温时停止冷却，即为本专利技术的储能飞轮。本专利技术设计的储能飞轮具有比能量大，容易设计的优点，而且运行可靠，由于利用特殊的热处理工艺，使飞轮产生能提高飞轮使用许用应力的残留应力，提高飞轮的最高角速度，提高飞轮的储能。 附图说明图1和图2是截面为正态分布曲线的储能飞轮的形状图。图3和图4是截面为多边形的储能飞轮的形状图。本专利技术采用各向同性的，易加工的马氏体时效钢，作为储能飞轮的材料。国产材料有许用应力2400兆帕～2900兆帕的350ksi～400ksi级的马氏体时效钢。国外有日本，俄罗斯等等国家的。日本的公司做到许用应力3500～4500兆帕的马氏体时效钢。大多数马氏体时效钢的成分为Ni-Co-Mo-Ti。不同国家的不同马氏体时效钢的成分与含量不同。马氏体时效钢的特点是在固熔态容易加工，在马氏体时效处理后，材料的强度与硬度都达到最高值。利用计算机辅助设计，利用有限元法，可求出比能量较大的多边形截面形状和Stodola截面形状。同样对正态分布曲线以下简称Stodola截面形状，利用计算机辅助设计，利用有限元计算，求出在给定最大许用应力条件下，储能飞轮具有最大比能量的Stodola截面形状。Stodola截面以转动轴中心对称截面形状 其中ω0是设计时选取的飞轮的角速度。σ0是给定飞轮使用材料的最大许用应力。ρ是给定飞轮使用材料的密度(比重)。z0是飞轮转动轴心上的厚度的一半。R是飞轮的最大外缘半径。比能量e=E/m=ρ·π·ω2·z0·∫0Rr3·e-C2r2·drρ·2π·z0·∫0Rr·e-C2·r2·dr]]>=&omeg本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种截面为正态分布曲线的储能飞轮，其特征在于，该飞轮的截面轮廓线为正态分布曲线，截面形状：＊＊＊，设ｚ↓［０］为飞轮转动轴心上的厚度的一半，Ｒ为飞轮的最大外缘半径，则飞轮的尺寸符合下列关系式：ｚ↓［０］／Ｒ＝２～１０／１００ω↓［０ ］＝１／Ｒ.＊＊＊上式中，ω↓［０］是设计飞轮时选定的飞轮角速度，ρ是制造飞轮所用材料的密度，σ↓［０］是制造飞轮所用材料的最大许用应力。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陶晓峰，张明，
申请(专利权)人：北京市海淀区迪赛通用技术研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]