[發明專利]飛輪轉子

有效

• 申請號: 201580045758.X
• 申請日: 2015-08-17
• 公開（公告）號: CN106715935B
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發明（設計）人: S·桑德斯;E·孫;M·何;M·塞內斯基;E·齊奧
• 申請（專利權）人: 安珀動力能源公司
• 主分類號: F16C32/04
• 分類號: F16C32/04;F16F15/03
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 李丹丹

一種具有改進的材料特性的實心鋼飛輪轉子在降低的成本下提供改進的能量存儲。本發明還提供用于制造轉子的方法。

政府權利說明

本發明在政府支持下根據由美國能源部授予的合同OE-0000232做出。政府在對本發明中有一定權利。

背景

技術領域

本說明書一般來說涉及能量存儲，并且具體來說涉及使用飛輪的能量存儲。

背景技術

許多能量源，具體來說清潔能源如風力渦輪機和太陽能板，產生并不暫時匹配所經歷的負載的能量。在許多發達國家，能量產生遵循所經歷的負載，使得根據需要提供能量。在高負載的環境下，諸如使用風化發生器以及在熱發電機上的旋轉和非旋轉儲備的技術允許匹配高和可變負載的產生。然而，盡管有這些技術可用，通常存在能量存儲對滿足能量負載是很重要的情況。

現有能量存儲系統都具有這樣或那樣的缺點。當設計能量存儲系統時，尺寸、價格、存儲效率、功效和安全都是關注點。一般來說，較小尺寸、較低價格、減少的輸入用于存儲的能量和提取用于分配的能量損失、減少的用于連續操作的損失和安全處置都是能量存儲系統的優選特性。

飛輪是一種類型的將能量存儲為轉動動能的能量存儲系統。飛輪轉子帶配重的旋轉對稱質量，其在直接或間接物理聯接到電動機/交流發電機時旋轉，電動機/交流發電機本身電聯接到轉換器，例如背靠背逆變器系統，構成AC-AC 轉換子系統。當接收功率用于存儲時，驅動轉子，增加飛輪轉子的旋轉速度。當提取功率時，飛輪轉子驅動電動機/交流發電機。飛輪轉子可旋轉的速度越快，就可以存儲越多能量，但在轉子上產生的應力越大。一般來說，轉子在操作時能夠維持的應力的量是用于制造轉子的設計、材料和過程的函數。具體來說，可以維持的應力的量取決于轉子材料的屈服強度、斷裂韌性、最大具有缺陷尺寸、循環疲勞特性和轉子的形狀等的組合。一般來說，飛輪軸承和懸掛子系統經設計以最小化由于摩擦和其它損失源的能量損失。

相對于可以存儲的能量的量的成本對于飛輪系統尤其重要。飛輪系統的成本可大致分為兩部分，制造飛輪轉子的成本和用于支撐元件如軸承、安裝件、外殼等的系統成本的平衡。在過去，飛輪轉子的制造非常昂貴。因此，飛輪系統已主要用于包括僅幾秒到幾分的能量存儲的應用中，因為制造可存儲幾十到幾百kWh能量的單個轉子或使用相對于用于連同轉子一起使用的支撐元件的系統成本的平衡成本效率低下的許多獨特轉子簡直太貴。

一些現有的飛輪轉子由常見、低合金鋼如美國鋼鐵協會(AISI)4340和 AISI 4140制成。這些鋼具有低成本和其它期望特性，然而此類轉子由于貫通硬化性的局限性被限制于薄片，其被要求獲得有用的屈服強度并因此可處理顯著量的應力。舉例來說，盡管這些轉子材料可實現2帕斯卡(GPa) 的極限抗拉強度(UTS)和4兆帕平方根米(MPa·m^0.5)的斷裂韌性，但是此類轉子被限于最大化3-6英寸的截面厚度。

其它鋼制飛輪轉子用高合金鋼如馬氏體時效鋼、鎳鈷合金鋼和一些不銹鋼制成。這些飛輪轉子能夠貫穿大于6英寸的截面厚度維持較高應力。這些轉子實現這些應力而不需要多種分離式截面，而是由于高含量的昂貴合金元素如鎳和鈷而成本高昂。其它現代飛輪轉子由碳纖維制成并因此允許顯著較高工作應力，然而碳纖維和實現相應的較高旋轉速度所需的輔助部件的高成本使得碳纖維轉子過于昂貴，盡管它們有高工作應力與重量比。

發明內容

本發明描述一種能量存儲系統，其包括飛輪轉子、軸頸和用于連接到軸頸的單獨的短軸。飛輪轉子是由單片鋼制成的旋轉對稱質量。軸頸在質量的中心旋轉軸線上居中，在質量沿著中心軸線豎直定向的實施方式中位于質量的頂部和底部。兩個短軸也是基本上旋轉對稱的，并且各自物理連接到軸頸中的一個。

附圖說明

圖1是根據一個實施例的飛輪能量存儲系統的框圖。

圖2是根據一個實施例的飛輪轉子的橫截面圖。