[0001] 本申请属于储能飞轮技术领域，具体涉及一种储能飞轮组合壳体及储能飞轮。

[0002] 当前，在众多储能技术中，飞轮储能系统以其效率高、容量大、响应快、灵活方便、安全可靠、绿色环保等突出优点，受到业界高度重视和青睐。

[0003] 飞轮壳体是飞轮储能系统的基础部件，其既要为飞轮转子系统提供一个稳固支承基础，又要为飞轮高速旋转提供一个高真空环境。飞轮壳体的受力状态非常复杂，既要承担飞轮转子系统的径向力、轴向力、飞轮重力、陀螺力矩等静动态支反力，还要承受壳体闭合后抽真空带来的大气压力。

[0004] 现有技术中，通常是采用单一壳体作为飞轮壳体。而随着飞轮储能技术的发展，飞轮容量不断扩大向着大容量或者超大容量方向发展。为了解决壳体的稳定性和控制壳体形变，必须加大结构尺寸来确保飞轮储能系统的可靠性和安全性；同时，由于真空工作条件要求，壳体一般都必须选取优质不锈钢，而加大尺寸的飞轮壳体结构则进一步推高了制造成本，也造成了极大的材料和资源浪费，不仅很大程度上阻碍了飞轮储能技术应用和市场发展，也有悖于国家建设节约型绿色社会的发展宗旨。

[0030] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

[0031] 本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

[0032] 下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的储能飞轮组合壳体进行详细地说明。

[0033] 请参阅图1，示出了单一壳体结构设计的储能飞轮壳体的受力分析示意图。

[0034] 如图1所示，飞轮转子稳态悬浮情况下，飞轮壳体主要受到两个外力，一个是飞轮转子的电磁反力W，一个是飞轮壳体内部抽真空造成的大气外压力P。在外力作用下，对飞轮壳体变形量进行有限元分析计算得知，如果电磁反力W等于900kg和大气压力0.1MPa同时作用在飞轮壳体上时，图1中a、b两个表面之间距离最大允许减小量Δmm，以此数据作为壳体变形设计控制目标参数，那么设计出来的飞轮壳体质量为1500kg。

[0035] 当飞轮壳体只施加电磁反力W时，a、b两个表面之间距离仅仅了减小量为0.1μm左右，可见电磁反力W对壳体的变形没有实质的影响，也就是说，仅从飞轮转子稳定悬浮技术角度看壳体设计偏安全了；当飞轮壳体只施加大气外压力时，a、b两个表面之间距离减小量大约Δmm(Δmm＞＞0.1μm)，满足设计控制目标；由此可以得知，飞轮壳体变形主要来自大气外压力。

[0036] 根据以上分析而可以得知，如果仅仅承担转子质量，飞轮壳体结构没有必要设计如此庞大尺寸结构；如果仅仅考虑承受大气外压力，飞轮壳体结构只需按照真空压力容器设计即可。

[0037] 本申请提供的储能飞轮组合壳体基于上述分析设计得到，具体地，本申请一实施例所提供的储能飞轮组合壳体100，如图2～11所示，包括支承框架10和外壳20；上述外壳20内部设置为真空容纳腔30，上述支承框架10设置于上述真空容纳腔30内；上述支承框架10用于支承固定储能飞轮的飞轮转子系统，上述飞轮转子系统固定设置于上述支承框架10内，也即整个支承框架10及飞轮转子系统均设置在上述真空容纳腔30内，使得支承框架10及飞轮转子系统均处于真空环境下。

[0038] 本申请中，将飞轮壳体设计拆分成支承框架10和外壳20，其中，支承框架10是飞轮转子的支承框架，仅仅为飞轮转子系统提供一个安全稳定运行的支承基础；而外壳20则是一个真空容器，与支承框架10解耦，仅需抵抗大气外压力；由上述支承框架10和外壳20完整组合为一个飞轮壳体。

[0039] 其中，上述支承框架10与上述外壳20之间解耦配合，即支承框架10解耦设置于上述外壳20的真空容纳腔30内。

[0040] 可选地，上述支承框架10包括扣合装配的上支承框架11及下支承框架12；上述上支承框架11用于固定飞轮转子系统的第一转轴端，下述支承框架12用于固定飞轮转子系统的第二转轴端，且由上支承框架及下支承框架共同形成飞轮转子系统的转动空间，从而使得上述支承框架可以稳固地为飞轮转子系统提供支承。

[0041] 具体地，上支承框架11包括第一套筒111、第一法兰盘112及若干第一支承杆113；上述飞轮转子系统的第一转轴端转动设置于第一套筒11内；第一支承杆113的一端与第一套筒111外壁通过焊接等方式固定连接，第一支承杆113的另一端与第一法兰盘112通过焊接等方式固定连接；且若干第一支承杆113绕第一套筒111均匀布设，也即若干第一支承113一端围绕第一套筒111圆周阵列焊接固联，若干第一支承杆113的另一端与第一法兰盘112圆周阵列焊接固联，使得第一套筒四周受力均匀，提升结构强度；

[0042] 相应地，上述下支承框架12包括第二套筒121、第二法兰盘122及若干第二支承杆123；上述飞轮转子系统的第二转轴端转动设置于第二套筒121内；第二支承杆123的一端与第二套筒121外壁通过焊接等方式固定连接，第二支承杆123的另一端与第二法兰盘122通过焊接等方式固定连接；且若干第二支承杆123绕所述第二套筒121均匀布设，也即若干第二支承123一端围绕第二套筒121圆周阵列焊接固联，若干第二支承杆121的另一端与第二法兰盘122圆周阵列焊接固联，使得第二套筒121四周受力均匀，提升整体结构强度；第二法兰盘122与第一法兰盘112对应，且相互固定；上述第一套筒111与上述第二套筒121同心设置。

[0043] 可选地，第二法兰盘122与第一法兰盘112的大小、结构相同，且均设置同心定位止口及螺孔(未图示)，第二法兰盘122与第一法兰盘112之间通过上述同心定位止口进行同心定位，并通过定心螺栓紧固，从而将上支承框架11与下支承框架12扣合装配为一体。

[0044] 可选地，上述储能飞轮组合壳体100中，第一支承杆113及第二支承杆123均为L形或弓形，且第一支承杆113的L形凸起或弓形凸起朝向远离下支承框架12的一侧，第二支承杆123的L形凸起朝向远离上支承框架11的一侧，从而由第一支承杆113及第二支承杆123形成供飞轮转子系统转动的转动空间。

[0045] 其中，上述第一支承杆113及第二支承杆123具体可以设置12个，可以采用空心型钢制作而成，具体可以采用符合GB/T6728‑2002的矩形冷弯空心型钢。

[0046] 可选地，本申请提供的储能飞轮组合壳体100，上述外壳20包括扣合装配的上壳体21及下壳体22；由所述上壳体21及所述下壳体22共同形成真空容纳腔30，且上述支承框架
10置于真空容纳腔30内，并固定于上壳体21及所述下壳体22的连接处。其中，上壳体21与下壳体22可以采用同心对扣固定连接为一个整体。

[0047] 具体地，上述上壳体21包括第一筒体211、第一封头212及第一真空法兰213，第一筒体211的两端分别与第一封头212的环形开口端及第一真空法兰213的第一环面密封焊接；下壳体22包括第二筒体221、第二封头222及第二真空法兰223，第二筒体221的两端分别与第二封头222的环形开口端及第二真空法兰223的第一环面密封焊接；第一真空法兰213的第二环面与第二真空法兰223的第二环面密封连接。其中，上述第一封头212及第二封头222具体可以为椭圆形或圆形封头。

[0048] 可选地，第一真空法兰213与第二真空法兰223上对应设置有同心定位止口及螺孔(未图示)，第一真空法兰213与第二真空法兰223之间通过上述同心定位止口进行同心定位，并通过定心螺栓将第一真空法兰213的第二环面与第二真空法兰223的第二环面密封连接，从而将第一真空法兰213与第二真空法兰223固定连接，使得上壳体21与下壳体22扣合装配为一体。

[0049] 可选地，第二真空法兰223的内圆侧向内沿伸形成承接第二法兰盘122的承接部224，承接部224设置有供上述第二支承杆123嵌入的凹口225，使得上述承接部224呈锯齿状；上述承接部224与第二法兰盘122通过同心定位止口进行同心定位，并通过螺栓固定连接。

[0050] 可选地，上述外壳20的材料为不锈钢，具体为0Cr18Ni9，其中，第一筒体211、第二筒体221、第一封头212及第二封头222的厚度为6mm，第一真空法兰213及第二真空法兰223的设计符合GB/T6070‑2007规定的高真空度设计规范要求。

[0051] 本申请实施例所提供的组合壳体中，上述第一套筒用于固定设置第一电机，上述飞轮转子系统的第一转轴端与第一电机的输出端连接，且第二套筒用于转动连接飞轮转子系统的第二转轴端，也即飞轮转子系统的第一电机固定设置在上述第一套筒内，而飞轮转子系统的第二转轴端与转动设置在第二套筒内，使得上述支承框架为单电机支承框架，可以满足单电机储能飞轮的安装、固定。

[0052] 可选地，在本申请一优选实施例中，所提供的储能飞轮组合壳体100，请参阅图12～18，上述第一套筒111用于固定设置第一电机，且第二套筒121用于固定设置第二电机，上述飞轮转子系统的第一转轴端与第一电机的输出端连接，飞轮转子系统的第二转轴端与第二电机的输出端连接，也即飞轮转子系统的第一电机固定设置在上述第一套筒111内，且飞轮转子系统的第二电机固定设置在上述第二套筒121内，此时下支承框架12的结构如图13～14所示，使得上述支承框架10为双电机支承框架，可以满足双电机储能飞轮的安装、固定。相应地，如图15所示，下壳体22具体更大的深度尺寸，以容置上述固定设置有第二电机的第二套筒121，下壳体22与上壳体21扣合后形成的外壳20如图16所示，相应地，组合壳体100的组合状态如图17～18所示。

[0053] 在实际应用中，按照传统方法设计的容量100kWh储能飞轮壳体重1500kg，采用本专利设计方法设计的容量100kWh储能飞轮组合壳体重约1000kg减轻了约500kg。

[0054] 在一具体实施方式中，上、下支承框架中L形支承杆设计了12个，采用矩形冷弯空心型钢(GB/T6728‑2002)制作，外壳全部采用材料0Cr18Ni9，其中筒体和椭圆封头厚度6mm，真空法兰设计符合GB/T6070‑2007规定的高真空度设计规范要求，实施效果满足飞轮组合壳体的工程要求。

[0055] 同时，根据储能飞轮单、双电机在结构上的要求，设计了对应设计单电机下支承框架及双电机下支承框架，以及设计单电机下壳体及双电机下壳体。其中，它们的重量分别为单电机支承框架370kg，双电支承框架380kg，单电机外壳470kg，双电机外壳490kg；得到单电机组合壳体840kg，双电机组合壳体870kg；相比现行方法设计的1500kg壳体来说，其重量已经大幅降到接近一半；设计中虽然增加了一种优质矩形冷弯空心型钢，用量分别为370kg(单电机)/380kg(双电机)，但是不锈钢用量大幅减少了1030kg和1010kg；某风场需要建设一个装机容量大约为6750MWh小型风力发电储能电站，若以100kWh产品测算，最少需要飞轮储能系统67500台套，最少节约不锈钢67500吨，折算节约生产成本13亿元，可见节约人力、物力、工时、材料等生产成本非常显著。

[0056] 本申请实施例还提供了一种储能飞轮，其中，该储能飞轮包括飞轮转子系统及如上述的组合壳体，上述飞轮转子系统装配于上述支承框架上。

[0057] 上述储能飞轮与上述一种组合壳体相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

[0058] 需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。此外，需要指出的是，本申请实施方式中的方法和装置的范围不限按示出或讨论的顺序来执行功能，还可包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能，例如，可以按不同于所描述的次序来执行所描述的方法，并且还可以添加、省去、或组合各种步骤。另外，参照某些示例所描述的特征可在其他示例中被组合。

[0059] 通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述的方法。

[0060] 上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。