飞轮转子制造技术

一种具有改进的材料特性的实心钢飞轮转子在降低的成本下提供改进的能量存储。本发明专利技术还提供用于制造转子的方法。

Flywheel rotor

A solid steel flywheel rotor having improved material characteristics provides improved energy storage at reduced cost. The invention also provides a method for manufacturing a rotor.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】飞轮转子政府权利说明本专利技术在政府支持下根据由美国能源部授予的合同OE-0000232做出。政府在对本专利技术中有一定权利。背景
本说明书一般来说涉及能量存储，并且具体来说涉及使用飞轮的能量存储。
技术介绍
许多能量源，具体来说清洁能源如风力涡轮机和太阳能板，产生并不暂时匹配所经历的负载的能量。在许多发达国家，能量产生遵循所经历的负载，使得根据需要提供能量。在高负载的环境下，诸如使用风化发生器以及在热发电机上的旋转和非旋转储备的技术允许匹配高和可变负载的产生。然而，尽管有这些技术可用，通常存在能量存储对满足能量负载是很重要的情况。现有能量存储系统都具有这样或那样的缺点。当设计能量存储系统时，尺寸、价格、存储效率、功效和安全都是关注点。一般来说，较小尺寸、较低价格、减少的输入用于存储的能量和提取用于分配的能量损失、减少的用于连续操作的损失和安全处置都是能量存储系统的优选特性。飞轮是一种类型的将能量存储为转动动能的能量存储系统。飞轮转子带配重的旋转对称质量，其在直接或间接物理联接到电动机/交流发电机时旋转，电动机/交流发电机本身电联接到转换器，例如背靠背逆变器系统，构成AC-AC转换子系统。当接收功率用于存储时，驱动转子，增加飞轮转子的旋转速度。当提取功率时，飞轮转子驱动电动机/交流发电机。飞轮转子可旋转的速度越快，就可以存储越多能量，但在转子上产生的应力越大。一般来说，转子在操作时能够维持的应力的量是用于制造转子的设计、材料和过程的函数。具体来说，可以维持的应力的量取决于转子材料的屈服强度、断裂韧性、最大具有缺陷尺寸、循环疲劳特性和转子的形状等的组合。一般来说，飞轮轴承和悬挂子系统经设计以最小化由于摩擦和其它损失源的能量损失。相对于可以存储的能量的量的成本对于飞轮系统尤其重要。飞轮系统的成本可大致分为两部分，制造飞轮转子的成本和用于支撑元件如轴承、安装件、外壳等的系统成本的平衡。在过去，飞轮转子的制造非常昂贵。因此，飞轮系统已主要用于包括仅几秒到几分的能量存储的应用中，因为制造可存储几十到几百kWh能量的单个转子或使用相对于用于连同转子一起使用的支撑元件的系统成本的平衡成本效率低下的许多独特转子简直太贵。一些现有的飞轮转子由常见、低合金钢如美国钢铁协会(AISI)4340和AISI4140制成。这些钢具有低成本和其它期望特性，然而此类转子由于贯通硬化性的局限性被限制于薄片，其被要求获得有用的屈服强度并因此可处理显著量的应力。举例来说，尽管这些转子材料可实现2帕斯卡(GPa)的极限抗拉强度(UTS)和4兆帕平方根米(MPa·m0.5)的断裂韧性，但是此类转子被限于最大化3-6英寸的截面厚度。其它钢制飞轮转子用高合金钢如马氏体时效钢、镍钴合金钢和一些不锈钢制成。这些飞轮转子能够贯穿大于6英寸的截面厚度维持较高应力。这些转子实现这些应力而不需要多种分离式截面，而是由于高含量的昂贵合金元素如镍和钴而成本高昂。其它现代飞轮转子由碳纤维制成并因此允许显著较高工作应力，然而碳纤维和实现相应的较高旋转速度所需的辅助部件的高成本使得碳纤维转子过于昂贵，尽管它们有高工作应力与重量比。
技术实现思路
本专利技术描述一种能量存储系统，其包括飞轮转子、轴颈和用于连接到轴颈的单独的短轴。飞轮转子是由单片钢制成的旋转对称质量。轴颈在质量的中心旋转轴线上居中，在质量沿着中心轴线竖直定向的实施方式中位于质量的顶部和底部。两个短轴也是基本上旋转对称的，并且各自物理连接到轴颈中的一个。附图说明图1是根据一个实施例的飞轮能量存储系统的框图。图2是根据一个实施例的飞轮转子的横截面图。图3是根据一个实施例的飞轮转子的轴颈和连接的短轴的横截面图。图4是根据一个实施例的用于制造飞轮转子的示例性过程。附图仅出于说明的目的描绘了本专利技术的实施例。本领域技术人员将从以下讨论容易地认识到，在不脱离本文所述的本专利技术的原理的情况下可以采用本文所示的结构和方法的替代实施例。具体实施方式I.飞轮能量存储系统图1是根据一个实施例的飞轮能量存储系统100的框图。能量存储系统包括飞轮转子130、电动机/交流发电机140、第一逆变器150、电容器160、第二逆变器170和AC线180。能量从AC线180抽取或递送到AC线180，AC线180例如常规的三相60Hz线。第一逆变器150和第二逆变器170以及电容器160示出了用于将输入交流电转换成电动机/交流发电机140可接受的交流电的示例性背靠背变换器系统。电动机/交流发电机140在电力与机械能量之间转变，使得能量可以存储在飞轮转子130中或从飞轮转子130吸取。电动机/交流发电机140使用短轴190直接或间接地物理联接到飞轮转子130。可使用磁性轴承元件(未示出)以帮助减少系统中的横向运动、离轴旋转和摩擦。电动机/交流发电机140经由电线或其它电联接器联接到系统100的其余部分。一般来说，虽然仅示出每个部件中的一个，但是实际上飞轮能量存储系统100可以包括数倍个每个单独部件。图1是交流到交流转换系统的一个示例性类型。一般来说，本文所述的本专利技术涉及宽范围的交流到交流转换拓扑，以及直接与直流(dc)线接口的系统。后者具有对直流微电网和太阳能光伏应用的特别相关性。II.飞轮转子形状图2是根据一个实施例的飞轮转子130(或简称为转子)的横截面图。转子130由单一质量的材料形成。然而，转子130的两个不同部分通常可说成是执行不同的功能。主旋转质量230构成转子的大部分质量并且存储由转子存储的大部分动能。两个轴颈212从主旋转质量的任一侧垂直延伸并且辅助将转子联接到分离轴(未示出)。以下进一步描述这些部分中的每一个。在一些情况下，转子还可以包括在其外表面上的元件，例如离散质量以提供离心负载。转子通常是旋转对称的，因此可以使用圆柱坐标系来描述转子，其中原点通过转子的中心旋转轴线。在包括外表面上的其它元件(例如离散质量)的实施方式中，转子和离散质量元件均围绕原点均匀分布。为了提供标度的实例，在一个实施例中，转子130的直径在36-72英寸之间，重量在2-5吨之间。II.A主旋转质量除了旋转对称之外，主旋转质量可以形成为各种不同的形状，每个形状被设计成实现特定的性能目标。在一个实施方式中，当在横截面中观察时，转子的主旋转质量230具有“鱼尾”形状。鱼尾形状有助于确保由于在转子上施加的旋转力而在整个主旋转质量230上的应力的近似均匀的分布。鱼尾形状是用于优化转子质量和材料体积利用率(即用于优化形状因子)的示例性形状。通常，鱼尾形状包括中心部分和邻接的周边质量。在中心部分中，转子在靠近中心轴线226处更靠近第一半径202处更厚，并且在厚度上远离原点连续减小到第二半径204。在一个实施例中，该中心部分由以下形式的轮廓控制：其中t是转子的纵向厚度，h是中心厚度，r是沿着极轴离开原点的距离，并且β是常数。关于在第二半径204与靠近转子的外径210的第三半径206之间的外周质量的形状，主旋转质量230在纵向轴线上的厚度连续增加。在第三半径206与第四半径208之间，转子在纵向轴线上沿着极轴保持短距离的一致的厚度。第四半径208沿着极轴位于转子的外表面210处或附近。在第四半径208附近，转子的边缘可以是圆形或正方形的。关于中心部分相对于周边质量的相对比例，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种飞轮转子，其包括由单片钢制成的旋转对称质量，其具有至少900MPa的屈服强度、至少70MPa·m

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.08.26 US 14/469,382;2015.07.28 US 14/811,0121.一种飞轮转子，其包括由单片钢制成的旋转对称质量，其具有至少900MPa的屈服强度、至少70MPa·m0.5的断裂韧性和2mm或更小的最大固有缺陷尺寸。2.根据权利要求1所述的飞轮转子，其特征在于，不包括穿过所述质量的中心轴线的孔。3.根据权利要求1所述的飞轮转子，其特征在于，所述质量的至少一些部分距离所述质量的外表面大于4英寸。4.根据权利要求1所述的飞轮转子，其特征在于，所述质量具有比沿着第二轴线的厚度更大的沿着第一轴线的直径。5.根据权利要求1所述的飞轮转子，其特征在于，还包括从所述质量突出的多个轴颈，每个轴颈成形为物理地联接到外轴。6.根据权利要求1所述的飞轮转子，其特征在于，所述转子具有2吨到5吨范围内的质量。7.根据权利要求1所述的飞轮转子，其特征在于，所述质量在其最大点处具有在36英寸到72英寸范围内的外径。8.根据权利要求1所述的飞轮转子，其特征在于，所述质量由真空电弧重熔(VAR)、贯通硬化和回火的300M钢形成。9.根据权利要求1所述的飞轮转子，其特征在于，所述质量包括鱼尾形状。10.一种飞轮转子，其包括由单片真空电弧重熔(VAR)、贯通硬化...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·桑德斯，E·孙，M·何，M·塞内斯基，E·齐奥，
申请(专利权)人：安珀动力能源公司，
类型：发明
国别省市：美国,US