[发明专利]一种高疲劳寿命飞轮和飞轮储能系统

说明书

本发明涉及飞轮储能技术领域，提供了一种高疲劳寿命飞轮、以及包含该高疲劳寿命飞轮的飞轮储能系统。其中，该飞轮包括飞轮本体，该飞轮本体包括若干个轴向堆叠连接的无轴向通孔的金属圆盘，各个该金属圆盘的轴向厚度小于或等于40cm，相邻金属圆盘的径向直径尺寸不同。相比较于传统的整体金属圆柱结构，由于金属圆盘厚度薄、体积小，因此成型容易、成本低，且降低了制造过程的热处理难度，使得金属圆盘的材料特性更加均匀，不易产生裂纹，保证了力学性能和疲劳特性；同时该结构限制了裂纹生长的方向，降低了裂纹生长速度，进一步提升了疲劳特性；此外，由于相邻金属圆盘的径向直径尺寸不同，可以进一步实现存储更多能量。

技术领域

本发明涉及飞轮储能技术领域，更具体而言，涉及一种高疲劳寿命飞轮、以及包含该高疲劳寿命飞轮的飞轮储能系统。

背景技术

飞轮设备通过高速旋转产生的动能储存能量，高速旋转作用会在转子材料中产生较高的应力。由于飞轮在能量存储的过程中，需要不断的升高和降低转速，造成飞轮材料上任一点的应力一直在最高值和最低值之间变换。这种应力变换会使得材料中由于制造缺陷所产生的初始裂纹不断增长，直到生长到一个阈值时，飞轮会有破坏性的损坏。飞轮从初始制造到最终裂纹达到危险值会经历一定的应力循环数目（飞轮充放电次数），该应力循环数目即为飞轮的疲劳寿命。传统的金属飞轮结构如图1所示，为一个整体的金属圆柱，这种结构体积庞大，整体结构制造较难；且由于一体化制造，飞轮内部易产生初始裂纹，且该裂纹增长空间自由，增长速度快，降低了飞轮的疲劳寿命。不仅如此，由于体积庞大，制造时易产生初始裂纹，也限制了该金属飞轮的存储大量能量的能力。

发明内容

本发明提供了一种高疲劳寿命飞轮和飞轮储能系统，以解决现有的金属飞轮疲劳寿命低、以及能量存储能力低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种高疲劳寿命飞轮，包括飞轮本体，所述飞轮本体包括若干个轴向堆叠连接的无轴向通孔的金属圆盘，各个所述金属圆盘的轴向厚度小于或等于40cm，相邻金属圆盘的径向直径尺寸不同。

作为本发明的进一步改进，沿着位于中间位置的金属圆盘至最上端金属圆盘方向，各个金属圆盘的径向直径尺寸依次减小，以及沿着位于中间位置的金属圆盘至最下端金属圆盘，各个金属圆盘的径向直径尺寸依次减小。

作为本发明的进一步改进，所述金属圆盘的一个表面轴向中心位置上设有轴向凸起，另一个表面轴向中心位置上设有轴向凹槽，相邻金属圆盘通过第一金属圆盘的轴向凸起与第二金属圆盘的轴向凹槽配合连接；所述轴向凸起的高度和所述轴向凹槽的深度均小于所述金属圆盘的轴向厚度。

作为本发明的进一步改进，所述高疲劳寿命飞轮还包括转轴、分别固接于所述飞轮本体上表面的上档板、以及下表面的下档板；所述转轴包括固接于所述上档板的上表面的上转轴、以及固接于所述下档板的下表面的下转轴；或者所述转轴包括穿过所述上档板并固接于所述飞轮本体上表面的上转轴、以及穿过所述下档板并固接于所述飞轮本体下表面的下转轴。

作为本发明的进一步改进，所述上档板卡入所述最上端金属圆盘的轴向凹槽中，所述下档板的上表面上设有与所述最下端金属圆盘的轴向凸起相配合的轴向凹槽；或者

所述下档板卡入所述最下端金属圆盘的轴向凹槽中，所述上档板的下表面上设有与所述最上端金属圆盘的轴向凸起相配合的轴向凹槽。

作为本发明的进一步改进，所述轴向凹槽的内角和所述轴向凸起的顶角均为圆角。

作为本发明的进一步改进，各个所述金属圆盘的材料为合金钢或工具钢。

作为本发明的进一步改进，各个所述金属圆盘的轴向厚度的设置范围为0.2~30cm。

作为本发明的进一步改进，相邻金属圆盘中，大径向直径尺寸的金属圆盘中残余压应力，小径向直径尺寸的金属圆盘中残余拉应力。