[發明專利]一種增速或恒速釋能的飛輪

有效

• 申請號: 201310144363.8
• 申請日: 2013-04-23
• 公開（公告）號: CN103280914A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發明（設計）人: 王厚生;杜玉梅;李蘭凱;戴銀明;王秋良
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: H02K7/02
• 分類號: H02K7/02
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 關玲

技術領域

本發明涉及一種飛輪，特別涉及一種柔性飛輪。

背景技術

飛輪儲能是利用動力機將機械飛輪加速，利用其慣性將能量以轉動動能的形式儲存起來，在需要的時候再用飛輪帶動工作機對外做功而將能量釋放出來的儲能方式。傳統的飛輪儲能系統包括動力機、轉軸、軸承和飛輪本體。如果利用電動機對飛輪加速，同時飛輪通過帶動發電機對外釋能，常常會把電動機和發電機一體化，做成電動/發電機，以下簡稱電機，或者飛輪對外界做功時稱為發電機，外界對飛輪做功時稱為電動機，實際為一個實體。飛輪本體在轉動時的儲能量E=1/2Jω²，其中J為飛輪本體繞其轉軸的轉動慣量，ω為飛輪的轉速。其中飛輪的轉動慣量J與飛輪的材料密度、尺寸、形狀和質量有關，考慮儲能系統在實際應用中的的大小和重量存在限制，一般通過提高飛輪的轉速ω來提高儲能量，因此一般利用高強度的復合材料來制造飛輪本體。飛輪儲能是純機械儲能，儲能和釋能過程中不存在化學變化，能量轉換效率高，自身儲能密度高，結合近年來諸如磁懸浮或超導軸承等超低損耗軸承的技術發展，在電磁推進、電網穩定、UPS電源等領域具有越來越廣泛和重要的應用。

傳統飛輪本體為固態整體回轉體結構，飛輪本體與轉軸固定聯接共同轉動，并通過轉軸由外界獲取或者釋放轉動動能。當轉軸帶動三相交流發電機對外釋能放電時，飛輪本體轉速會下降，放電電流的頻率也隨之下降，如果用來驅動直線電機加速裝置，由于后者需要的交流電運行頻率隨動子的速度提高而逐步提高，因此二者之間的頻率匹配非常不合拍，造成運行效率下降，要解決這個問題，傳統做法是在飛輪電機和直線同軸加速器之間加一個變頻逆變器。變頻逆變器除成本比較高，本身有能量損耗之外，在功率比較大時，比如幾個MW以上，目前在工程實現上尚存在未能突破的技術難題，成為大容量大功率儲能飛輪系統與直線同軸加速裝置的合并系統的一大瓶頸。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的只能降速釋能的缺點，提出一種新的柔性飛輪本體。

本發明為一種在轉軸上放射狀地固定彈性葉板的結構，飛輪由圓柱狀轉軸和一組形狀相同的彈性葉板構成，彈性葉板平行于轉軸的軸線，彈性葉板的一端固定在轉軸上，沿圓周均勻分布。

當飛輪系統對外釋能放電時，轉軸受到來自電機的阻力而轉速下降，彈性葉板由于慣性而發生彈性彎曲變形，飛輪本體在直徑方向的尺寸變小，轉動慣量J也隨之下降，飛輪轉速繼而呈加速狀態，保證電機的交流輸出頻率不會下降甚至提高，部分地解決了飛輪電機與直線同軸加速裝置之間的頻率匹配問題，提高系統整體運行效率。

本發明結構如下：

與傳統的整體飛輪本體不同，本發明柔性飛輪的飛輪本體不是固態整體回轉體結構，而是放射狀地固定在飛輪轉軸上的一組彈性葉板。所述的彈性葉板可以由金屬制作，如彈簧鋼，或由非金屬制作，如高強度的工程塑料，也可以采用其他具有可彈性變形能力的高強度復合材料制作，如碳纖維、復合環氧樹脂材料等。為了保證高速旋轉的飛輪本體的動靜平衡穩定性，所述的彈性葉板沿轉軸的圓周方向均勻分布，保證飛輪的動靜平衡，不會引起振動。彈性葉板和轉軸之間可以是整體制造或者焊接、粘接、鉚接或者其他能夠緊固的機械連接方式。彈性葉板的數量沒有限制，但要能夠保證都有效地固定在轉軸上，連接強度足夠克服高速旋轉及加減速時自身產生的離心力而不被破壞，且具有耐疲勞壽命，能夠多次重復使用。

彈性葉板的形狀也可以是繞轉軸以任何放射狀形式排列的絲狀、條狀、棒狀、片狀、塊狀，或者具有變截面尺寸形狀等任何形狀，彈性葉板的一端固定在飛輪的轉軸上。

本發明可應用于動力機械、飛輪電機、脈沖電源、UPS電源、電力系統及電力電子領域。

附圖說明

圖1傳統飛輪結構示意圖，其中圖1a為俯視圖圖1b為正視圖，圖中：1、飛輪本體，2、轉軸；

圖2本發明柔性飛輪結構示意圖，其中圖2a為俯視圖圖2b為正視圖，圖中：2轉軸，3、彈性葉板；

圖3處于釋能狀態的本發明飛輪示意圖，其中圖3a為俯視圖、圖3b為正視圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步說明。

如圖2所示，本發明柔性飛輪由圓柱狀的轉軸2和一組形狀相同的彈性葉板3構成，彈性葉板3放射狀地固定在飛輪的轉軸2上，平行于轉軸2的軸線布置。彈性葉板3的一端固定在轉軸上，彈性葉板3沿圓周均勻分布。

本發明的工作原理和工作過程如下：