本發(fā)明在政府支持下根據(jù)由美國(guó)能源部授予的合同OE-0000232做出。政府在對(duì)本發(fā)明中有一定權(quán)利。

背景

技術(shù)領(lǐng)域

本說(shuō)明書(shū)一般來(lái)說(shuō)涉及能量存儲(chǔ)，并且具體來(lái)說(shuō)涉及使用飛輪的能量存儲(chǔ)。

背景技術(shù)：

許多能量源，具體來(lái)說(shuō)清潔能源如風(fēng)力渦輪機(jī)和太陽(yáng)能板，產(chǎn)生并不暫時(shí)匹配所經(jīng)歷的負(fù)載的能量。在許多發(fā)達(dá)國(guó)家，能量產(chǎn)生遵循所經(jīng)歷的負(fù)載，使得根據(jù)需要提供能量。在高負(fù)載的環(huán)境下，諸如使用風(fēng)化發(fā)生器以及在熱發(fā)電機(jī)上的旋轉(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)備的技術(shù)允許匹配高和可變負(fù)載的產(chǎn)生。然而，盡管有這些技術(shù)可用，通常存在能量存儲(chǔ)對(duì)滿足能量負(fù)載是很重要的情況。

現(xiàn)有能量存儲(chǔ)系統(tǒng)都具有這樣或那樣的缺點(diǎn)。當(dāng)設(shè)計(jì)能量存儲(chǔ)系統(tǒng)時(shí)，尺寸、價(jià)格、存儲(chǔ)效率、功效和安全都是關(guān)注點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，較小尺寸、較低價(jià)格、減少的輸入用于存儲(chǔ)的能量和提取用于分配的能量損失、減少的用于連續(xù)操作的損失和安全處置都是能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的優(yōu)選特性。

飛輪是一種類(lèi)型的將能量存儲(chǔ)為轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。飛輪轉(zhuǎn)子帶配重的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)質(zhì)量，其在直接或間接物理聯(lián)接到電動(dòng)機(jī)/交流發(fā)電機(jī)時(shí)旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)/交流發(fā)電機(jī)本身電聯(lián)接到轉(zhuǎn)換器，例如背靠背逆變器系統(tǒng)，構(gòu)成AC-AC轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)。當(dāng)接收功率用于存儲(chǔ)時(shí)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子，增加飛輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度。當(dāng)提取功率時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)/交流發(fā)電機(jī)。飛輪轉(zhuǎn)子可旋轉(zhuǎn)的速度越快，就可以存儲(chǔ)越多能量，但在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的應(yīng)力越大。一般來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)子在操作時(shí)能夠維持的應(yīng)力的量是用于制造轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)、材料和過(guò)程的函數(shù)。具體來(lái)說(shuō)，可以維持的應(yīng)力的量取決于轉(zhuǎn)子材料的屈服強(qiáng)度、斷裂韌性、最大具有缺陷尺寸、循環(huán)疲勞特性和轉(zhuǎn)子的形狀等的組合。一般來(lái)說(shuō)，飛輪軸承和懸掛子系統(tǒng)經(jīng)設(shè)計(jì)以最小化由于摩擦和其它損失源的能量損失。

相對(duì)于可以存儲(chǔ)的能量的量的成本對(duì)于飛輪系統(tǒng)尤其重要。飛輪系統(tǒng)的成本可大致分為兩部分，制造飛輪轉(zhuǎn)子的成本和用于支撐元件如軸承、安裝件、外殼等的系統(tǒng)成本的平衡。在過(guò)去，飛輪轉(zhuǎn)子的制造非常昂貴。因此，飛輪系統(tǒng)已主要用于包括僅幾秒到幾分的能量存儲(chǔ)的應(yīng)用中，因?yàn)橹圃炜纱鎯?chǔ)幾十到幾百kWh能量的單個(gè)轉(zhuǎn)子或使用相對(duì)于用于連同轉(zhuǎn)子一起使用的支撐元件的系統(tǒng)成本的平衡成本效率低下的許多獨(dú)特轉(zhuǎn)子簡(jiǎn)直太貴。

一些現(xiàn)有的飛輪轉(zhuǎn)子由常見(jiàn)、低合金鋼如美國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)(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(lèi)轉(zhuǎn)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(qiáng)度并因此可處理顯著量的應(yīng)力。舉例來(lái)說(shuō)，盡管這些轉(zhuǎn)子材料可實(shí)現(xiàn)2帕斯卡(GPa)的極限抗拉強(qiáng)度(UTS)和4兆帕平方根米(MPa·m^0.5)的斷裂韌性，但是此類(lèi)轉(zhuǎn)子被限于最大化3-6英寸的截面厚度。

其它鋼制飛輪轉(zhuǎn)子用高合金鋼如馬氏體時(shí)效鋼、鎳鈷合金鋼和一些不銹鋼制成。這些飛輪轉(zhuǎn)子能夠貫穿大于6英寸的截面厚度維持較高應(yīng)力。這些轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)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(xiàn)代飛輪轉(zhuǎn)子由碳纖維制成并因此允許顯著較高工作應(yīng)力，然而碳纖維和實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的較高旋轉(zhuǎn)速度所需的輔助部件的高成本使得碳纖維轉(zhuǎn)子過(guò)于昂貴，盡管它們有高工作應(yīng)力與重量比。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明描述一種能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其包括飛輪轉(zhuǎn)子、軸頸和用于連接到軸頸的單獨(dú)的短軸。飛輪轉(zhuǎn)子是由單片鋼制成的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)質(zhì)量。軸頸在質(zhì)量的中心旋轉(zhuǎn)軸線上居中，在質(zhì)量沿著中心軸線豎直定向的實(shí)施方式中位于質(zhì)量的頂部和底部。兩個(gè)短軸也是基本上旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的，并且各自物理連接到軸頸中的一個(gè)。

附圖說(shuō)明

圖1是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的飛輪能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的框圖。

圖2是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的飛輪轉(zhuǎn)子的橫截面圖。

圖3是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的飛輪轉(zhuǎn)子的軸頸和連接的短軸的橫截面圖。

圖4是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于制造飛輪轉(zhuǎn)子的示例性過(guò)程。

附圖僅出于說(shuō)明的目的描繪了本發(fā)明的實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員將從以下討論容易地認(rèn)識(shí)到，在不脫離本文所述的本發(fā)明的原理的情況下可以采用本文所示的結(jié)構(gòu)和方法的替代實(shí)施例。

具體實(shí)施方式

I.飛輪能量存儲(chǔ)系統(tǒng)

圖1是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的飛輪能量存儲(chǔ)系統(tǒng)100的框圖。能量存儲(chǔ)系統(tǒng)包括飛輪轉(zhuǎn)子130、電動(dòng)機(jī)/交流發(fā)電機(jī)140、第一逆變器150、電容器160、第二逆變器170和AC線180。能量從AC線180抽取或遞送到AC線180，AC線180例如常規(guī)的三相60Hz線。第一逆變器150和第二逆變器170以及電容器160示出了用于將輸入交流電轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)/交流發(fā)電機(jī)140可接受的交流電的示例性背靠背變換器系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)/交流發(fā)電機(jī)140在電力與機(jī)械能量之間轉(zhuǎn)變，使得能量可以存儲(chǔ)在飛輪轉(zhuǎn)子130中或從飛輪轉(zhuǎn)子130吸取。電動(dòng)機(jī)/交流發(fā)電機(jī)140使用短軸190直接或間接地物理聯(lián)接到飛輪轉(zhuǎn)子130?？墒褂么判暂S承元件(未示出)以幫助減少系統(tǒng)中的橫向運(yùn)動(dòng)、離軸旋轉(zhuǎn)和摩擦。電動(dòng)機(jī)/交流發(fā)電機(jī)140經(jīng)由電線或其它電聯(lián)接器聯(lián)接到系統(tǒng)100的其余部分。一般來(lái)說(shuō)，雖然僅示出每個(gè)部件中的一個(gè)，但是實(shí)際上飛輪能量存儲(chǔ)系統(tǒng)100可以包括數(shù)倍個(gè)每個(gè)單獨(dú)部件。圖1是交流到交流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的一個(gè)示例性類(lèi)型。一般來(lái)說(shuō)，本文所述的本發(fā)明涉及寬范圍的交流到交流轉(zhuǎn)換拓?fù)?，以及直接與直流(dc)線接口的系統(tǒng)。后者具有對(duì)直流微電網(wǎng)和太陽(yáng)能光伏應(yīng)用的特別相關(guān)性。

II.飛輪轉(zhuǎn)子形狀

圖2是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的飛輪轉(zhuǎn)子130(或簡(jiǎn)稱(chēng)為轉(zhuǎn)子)的橫截面圖。轉(zhuǎn)子130由單一質(zhì)量的材料形成。然而，轉(zhuǎn)子130的兩個(gè)不同部分通常可說(shuō)成是執(zhí)行不同的功能。主旋轉(zhuǎn)質(zhì)量230構(gòu)成轉(zhuǎn)子的大部分質(zhì)量并且存儲(chǔ)由轉(zhuǎn)子存儲(chǔ)的大部分動(dòng)能。兩個(gè)軸頸212從主旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的任一側(cè)垂直延伸并且輔助將轉(zhuǎn)子聯(lián)接到分離軸(未示出)。以下進(jìn)一步描述這些部分中的每一個(gè)。在一些情況下，轉(zhuǎn)子還可以包括在其外表面上的元件，例如離散質(zhì)量以提供離心負(fù)載。

轉(zhuǎn)子通常是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的，因此可以使用圓柱坐標(biāo)系來(lái)描述轉(zhuǎn)子，其中原點(diǎn)通過(guò)轉(zhuǎn)子的中心旋轉(zhuǎn)軸線。在包括外表面上的其它元件(例如離散質(zhì)量)的實(shí)施方式中，轉(zhuǎn)子和離散質(zhì)量元件均圍繞原點(diǎn)均勻分布。

為了提供標(biāo)度的實(shí)例，在一個(gè)實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子130的直徑在36-72英寸之間，重量在2-5噸之間。

II.A主旋轉(zhuǎn)質(zhì)量

除了旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)之外，主旋轉(zhuǎn)質(zhì)量可以形成為各種不同的形狀，每個(gè)形狀被設(shè)計(jì)成實(shí)現(xiàn)特定的性能目標(biāo)。在一個(gè)實(shí)施方式中，當(dāng)在橫截面中觀察時(shí)，轉(zhuǎn)子的主旋轉(zhuǎn)質(zhì)量230具有“魚(yú)尾”形狀。

魚(yú)尾形狀有助于確保由于在轉(zhuǎn)子上施加的旋轉(zhuǎn)力而在整個(gè)主旋轉(zhuǎn)質(zhì)量230上的應(yīng)力的近似均勻的分布。魚(yú)尾形狀是用于優(yōu)化轉(zhuǎn)子質(zhì)量和材料體積利用率(即用于優(yōu)化形狀因子)的示例性形狀。通常，魚(yú)尾形狀包括中心部分和鄰接的周邊質(zhì)量。在中心部分中，轉(zhuǎn)子在靠近中心軸線226處更靠近第一半徑202處更厚，并且在厚度上遠(yuǎn)離原點(diǎn)連續(xù)減小到第二半徑204。在一個(gè)實(shí)施例中，該中心部分由以下形式的輪廓控制：

其中t是轉(zhuǎn)子的縱向厚度，h是中心厚度，r是沿著極軸離開(kāi)原點(diǎn)的距離，并且β是常數(shù)。

關(guān)于在第二半徑204與靠近轉(zhuǎn)子的外徑210的第三半徑206之間的外周質(zhì)量的形狀，主旋轉(zhuǎn)質(zhì)量230在縱向軸線上的厚度連續(xù)增加。在第三半徑206與第四半徑208之間，轉(zhuǎn)子在縱向軸線上沿著極軸保持短距離的一致的厚度。第四半徑208沿著極軸位于轉(zhuǎn)子的外表面210處或附近。在第四半徑208附近，轉(zhuǎn)子的邊緣可以是圓形或正方形的。

關(guān)于中心部分相對(duì)于周邊質(zhì)量的相對(duì)比例，魚(yú)尾部分的大部分質(zhì)量位于中心部分。

在圖2所示的實(shí)例中，轉(zhuǎn)子130的外表面210具有大于轉(zhuǎn)子130的魚(yú)尾部分的最寬厚度228的直徑。如下面將進(jìn)一步描述的，允許整個(gè)轉(zhuǎn)子貫通硬化的任何形狀的轉(zhuǎn)子能夠?qū)崿F(xiàn)相對(duì)高水平的工作應(yīng)力。一般來(lái)說(shuō)，直徑大于其厚度的轉(zhuǎn)子以比其厚度大于其直徑的對(duì)應(yīng)物更慢的速度旋轉(zhuǎn)。較慢的旋轉(zhuǎn)速度降低了允許轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的軸承組件的操作要求，從而降低飛輪系統(tǒng)的總成本。

在另一個(gè)實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子不是具有魚(yú)尾形狀，而是具有圓柱形形狀。

II.B軸頸和短軸

沿著轉(zhuǎn)子的縱向軸線(或中心旋轉(zhuǎn)軸線)，轉(zhuǎn)子包括用于附接和分離兩個(gè)軸的兩個(gè)軸頸212，用于在轉(zhuǎn)子與雙向電動(dòng)機(jī)/交流發(fā)電機(jī)140之間傳遞能量。軸頸212消除了對(duì)將轉(zhuǎn)子聯(lián)接到軸的孔的需要?？讓?dǎo)致在孔的內(nèi)徑處的環(huán)向應(yīng)力的加倍。此類(lèi)孔通常在制造轉(zhuǎn)子之后鉆入轉(zhuǎn)子中，或轉(zhuǎn)子被有意地設(shè)計(jì)和制造成具有這樣的孔。相反，用軸頸212替換孔使得應(yīng)力能夠更均勻地分布在整個(gè)主旋轉(zhuǎn)質(zhì)量上，從而避免了將另外放置孔的應(yīng)力梯級(jí)。

圖3是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的轉(zhuǎn)子的軸頸212和連接的短軸的橫截面圖。每個(gè)軸頸212沿著質(zhì)量的縱向軸線從厚度增加的隆起214向外延伸218，該隆起214本身從主旋轉(zhuǎn)質(zhì)量230的中心部分的原點(diǎn)向外延伸。隆起214具有錐形形狀，其鄰近軸頸212厚度最大，并且隨著半徑增加其厚度逐漸變小。隆起214的逐漸變細(xì)的形狀使軸頸在軸頸212鄰接主旋轉(zhuǎn)質(zhì)量230的點(diǎn)處經(jīng)歷應(yīng)力梯級(jí)或峰值應(yīng)力。

圓角存在于其中軸頸212與隆起214接合處。圓角避免了圍繞軸頸212的應(yīng)力梯級(jí)。軸頸的外/頂表面基本上是平面的，并且垂直于極軸。軸頸212的外表面比構(gòu)造成附接到軸頸212的軸226的連接端222窄220。然后短軸在其長(zhǎng)度的大部分處變窄成較窄的外徑224。短軸的總長(zhǎng)度可以根據(jù)實(shí)施方式而變化。軸還可包括其自身的圓角(未示出)，以在軸的窄部224部分與軸的連接端222之間的接合處更均勻地分布彎曲應(yīng)力。

一般來(lái)說(shuō)，過(guò)盈配合位于軸頸212的外徑與短軸的連接端222的內(nèi)徑之間的邊界處的直徑220大于短軸的大部分長(zhǎng)度的直徑224。具有用于過(guò)盈配合的相對(duì)大直徑220有利于進(jìn)一步減小在軸頸212附近的轉(zhuǎn)子130內(nèi)部的應(yīng)力梯級(jí)，因?yàn)樵谶@種大直徑下僅需要相對(duì)輕的過(guò)盈配合。此外，在軸頸區(qū)域中引起的過(guò)盈應(yīng)力通常是壓縮的，并且因此用于減輕軸頸212中的離心引起的應(yīng)力。因此，軸頸212的錐形形狀與寬直徑220的組合導(dǎo)致用于聯(lián)接該軸的機(jī)構(gòu)最小化聯(lián)接在作為整體的轉(zhuǎn)子130上的應(yīng)力沖擊。

在一個(gè)實(shí)施例中，軸226通過(guò)收縮配合聯(lián)接到軸頸212。例如，軸可以在附接到軸頸212之前被加熱，從而導(dǎo)致軸熱膨脹。在加熱之后，可以附接軸頸212和軸。然后允許軸冷卻，從而熱收縮以與軸頸212形成過(guò)盈配合。在另一個(gè)實(shí)施例中，可以使用內(nèi)部壓配合，其中軸的冷卻用于在軸頸212與軸226之間產(chǎn)生過(guò)盈配合。軸226也可以通過(guò)壓配合或者如果使用中空?qǐng)A柱形軸則具有中心軸線向定向的保持螺栓聯(lián)接到軸頸212。這些是用于將軸226聯(lián)接到軸頸212的多種替代方案的實(shí)例。

作為一個(gè)實(shí)例，在一個(gè)實(shí)施例中，軸頸212具有約3-8英寸的外徑，并且從隆起向外突出0.5英寸到2英寸之間(包括端值)的距離。軸具有在4-10英寸之間(包括端值)的連接端222外徑，以及經(jīng)設(shè)計(jì)成匹配(經(jīng)由過(guò)盈配合)軸頸的外徑(例如，大約3-8英寸)的內(nèi)徑。過(guò)盈配合是千分之一或百分之一英寸的數(shù)量級(jí)(例如，2-10千英寸)。也就是說(shuō)，雖然軸頸212的外徑和軸的內(nèi)徑二者的示例性直徑都列出為3-8英寸，但實(shí)際上它們的直徑將彼此相差基于過(guò)盈配合的接近度的量(例如，4英寸，一個(gè)比另一個(gè)大或小0.0003英寸)。遠(yuǎn)離連接端，軸具有1-3英寸之間(包括端值)的外徑224，其比軸頸212的外徑窄。

在實(shí)踐中，對(duì)于軸頸212的直徑(和軸的連接端222的相關(guān)聯(lián)內(nèi)徑)沒(méi)有上限，因?yàn)檩^大的直徑性能更好。然而，存在與制造滿足下面闡述的側(cè)載荷要求的軸相關(guān)聯(lián)的成本和困難。一般來(lái)說(shuō)，軸頸212的直徑越大，在制造期間需要從轉(zhuǎn)子質(zhì)量去除的材料越少，這降低了制造成本。然而，形成具有大連接端222和窄半徑224的軸226需要從用于軸的較大起始?jí)K移除附加材料，這增加了制造成本。此外，大的連接端222是不耐用的，并且可能使包括轉(zhuǎn)子和軸的飛輪系統(tǒng)的構(gòu)造更加復(fù)雜。

軸頸212從轉(zhuǎn)子向外延伸218僅很短的距離。雖然較大的向外距離218將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子上的更好的過(guò)盈配合和更好的壓縮應(yīng)力，但是不一定可以延伸距離218同時(shí)仍實(shí)現(xiàn)本文所述的轉(zhuǎn)子的性能特性。其原因是軸頸向外延伸越遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)子必須具有的材料的起始?jí)K越大，并且必須從起始轉(zhuǎn)子質(zhì)量去除更多的材料以獲得最終的轉(zhuǎn)子形狀，這兩者都增加制造轉(zhuǎn)子的成本。此外，如下面參照?qǐng)D4所描述，轉(zhuǎn)子材料的起始?jí)K可經(jīng)歷多個(gè)處理以在轉(zhuǎn)子被加工成其最終形狀之前影響其性質(zhì)(強(qiáng)度等)。一種此類(lèi)處理是硬化，其中對(duì)于材料可以硬化到的質(zhì)量存在上限。如果質(zhì)量比該上限厚，則不可能使材料整個(gè)質(zhì)量貫通硬化。因此，并不總是可以以更大的材料塊開(kāi)始，以便使軸頸212向外延伸218更遠(yuǎn)，并且還使整個(gè)轉(zhuǎn)子質(zhì)量貫通硬化。

軸226經(jīng)設(shè)計(jì)成承受顯著的側(cè)向負(fù)載。這些彎曲應(yīng)力在連接端222附近最高。一般來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)子將被操作以圍繞平行于地球重力的軸線旋轉(zhuǎn)。然而，軸226經(jīng)設(shè)計(jì)成使得如果轉(zhuǎn)子被傾斜或者如果轉(zhuǎn)子被操作以圍繞垂直于地球重力的軸線旋轉(zhuǎn)，則轉(zhuǎn)子將仍然是完全可操作的。在一個(gè)實(shí)施例中，軸226經(jīng)設(shè)計(jì)成在沒(méi)有變形或失效的情況下處理1G(9.80665米每平方秒)的側(cè)向負(fù)載。在該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)例中，在1G側(cè)向負(fù)載下在軸226上的峰值彎曲應(yīng)力為170MPa，并且屈服/極限拉伸強(qiáng)度在500MPa-1.5GPa之間?？梢灾圃煲詽M足這些標(biāo)準(zhǔn)的合金的實(shí)例是AISI 4340，盡管其它合金也可以滿足這些標(biāo)準(zhǔn)。

除了在負(fù)載下滿足材料強(qiáng)度的約束外，軸長(zhǎng)度和直徑可以經(jīng)設(shè)計(jì)成實(shí)現(xiàn)選擇的彎曲剛度。在一個(gè)實(shí)施例中，此選擇的彎曲剛度在25-200牛頓每微米(N/μm)之間(例如，70N/μm)，其中剛度是指在軸的端部處的側(cè)向負(fù)載，導(dǎo)致20-60赫茲(Hz)之間的質(zhì)量頻率的橫向中心。可以選擇此彎曲剛度以設(shè)置橫向和扭轉(zhuǎn)順從性，從而設(shè)置飛輪轉(zhuǎn)子懸掛子系統(tǒng)的橫向和扭轉(zhuǎn)共振模式。此順從子系統(tǒng)將剛性體轉(zhuǎn)子有效地連接到通常剛性的殼體。殼體可以錨定到地，或者可以通過(guò)輔助懸掛(通常為基腳)與地隔離。一般來(lái)說(shuō)，諧振模式簡(jiǎn)單地在零速度處確定，然后轉(zhuǎn)移到質(zhì)量的橫向中心和旋轉(zhuǎn)模式，因?yàn)檗D(zhuǎn)子速度增加為高于零的速度。

包括主旋轉(zhuǎn)質(zhì)量230和軸頸212的轉(zhuǎn)子被制造為單片材料，例如使用下面描述的示例性材料和示例性過(guò)程。因此，轉(zhuǎn)子具有單體結(jié)構(gòu)，其中在主旋轉(zhuǎn)質(zhì)量與軸頸212之間沒(méi)有焊縫、接頭、接縫、孔或結(jié)構(gòu)上的差異。然而，還如下面進(jìn)一步描述，單體/單片轉(zhuǎn)子的不同部分可以經(jīng)受不同的處理和/或制造工藝以在不同點(diǎn)處改變轉(zhuǎn)子的性質(zhì)。例如，轉(zhuǎn)子的表面可以接收與轉(zhuǎn)子的內(nèi)部不同的處理。

III.轉(zhuǎn)子材料性能和制造。

轉(zhuǎn)子的性能基于構(gòu)成轉(zhuǎn)子的材料的幾個(gè)參數(shù)，以及在原材料出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子中時(shí)將原材料轉(zhuǎn)換成最終狀態(tài)的制造過(guò)程。這些參數(shù)包括轉(zhuǎn)子的屈服強(qiáng)度、轉(zhuǎn)子的斷裂韌性、轉(zhuǎn)子中的最大固有缺陷尺寸(或最大初始裂紋尺寸)和循環(huán)疲勞(或循環(huán)裂紋生長(zhǎng)速率)。轉(zhuǎn)子也可以根據(jù)這些性質(zhì)的已知等效物或可以轉(zhuǎn)換成/衍生自這些性質(zhì)的其它性質(zhì)來(lái)描述。

在一個(gè)實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子具有參數(shù)值，使得轉(zhuǎn)子的屈服強(qiáng)度σ_屈服大于第一閾值，轉(zhuǎn)子的斷裂韌性σ_斷裂大于第二閾值，并且最大固有缺陷尺寸a_固有小于閾值大小。以這種方式定義，轉(zhuǎn)子在其工作壽命期間可以承受的工作應(yīng)力σ_工作中實(shí)現(xiàn)顯著的性能。在操作期間轉(zhuǎn)子將總是滿足以下條件：

其中α是用于在0與1之間降額的參數(shù)。此外，轉(zhuǎn)子材料經(jīng)設(shè)計(jì)成使得在轉(zhuǎn)子的操作壽命期間，在制造期間當(dāng)其朝著初始裂紋尺寸生長(zhǎng)時(shí)存在于轉(zhuǎn)子中的循環(huán)裂紋生長(zhǎng)或初始裂紋生長(zhǎng)足夠緩慢以允許成千上萬(wàn)的完整應(yīng)力循環(huán)。

作為一個(gè)具體實(shí)例，在一個(gè)實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子具有至少900MPa的屈服強(qiáng)度σ_屈服、至少70兆帕每平方根米(MPa·m^0.5)的斷裂韌性σ_斷裂和2毫米(mm)或更小的最大固有缺陷尺寸。在另一個(gè)實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子具有在900MPa與2GPa之間(包括端值)的屈服強(qiáng)度σ_屈服、40MPa·m^0.5與200MPa·m^0.5之間(包括端值)的斷裂韌性σ_斷裂以及在0.05mm與2mm之間(包括端值)的最大固有缺陷尺寸。在其它實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子可具有在上述范圍內(nèi)的任何子范圍內(nèi)的性質(zhì)。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子具有900-1000MPa、1000-1100MPa、1100-1200MPa、1200-1300MPa、1300-1400MPa、1400-1500MPa、1500-1600MPa、1600-1700MPa、1700-1800MPa、1800-1900MPa、1900-2000MPa或其子范圍的任何組合的屈服強(qiáng)度σ_屈服。在相同或不同的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子具有在40-50MPa·m^0.5、50-60MPa·m^0.5、60-70MPa·m^0.5、70-80MPa·m^0.5、80-90MPa·m^0.5、90-100MPa·m^0.5、100-110MPa·m^0.5、110-120MPa·m^0.5、120-130MPa·m^0.5、130-140MPa·m^0.5、140-150MPa·m^0.5、150-160MPa·m^0.5、160-170MPa·m^0.5、170-180MPa·m^0.5、180-190MPa·m^0.5、190-200MPa·m^0.5或其子范圍的任何組合之間的斷裂韌性σ_斷裂。在相同或不同的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子具有在0.5-0.6mm、0.6-0.7mm、0.7-0.8mm、0.8-0.9mm、0.9-1.0mm、1.0-1.1mm、1.1-1.2mm、1.2-1.3mm、1.3-1.4mm、1.4-1.5mm、1.5-1.6mm、1.6-1.7mm、1.7-1.8mm、1.8-1.9mm、1.9-2.0mm或子組件的任何組合之間的最大固有缺陷尺寸。

滿足上述示例性閾值的轉(zhuǎn)子可以由300M鋼制成。300M鋼由航空材料標(biāo)準(zhǔn)(AMS)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)(SAE)6257(簡(jiǎn)稱(chēng)為SAE-6257)描述。300M鋼的比例化學(xué)成份具有1.6％的硅(Si)、0.82％的鉻(Cr)、1.8％的鎳(Ni)、0.40％的鉬(Mo)、0.08％的釩(V)以及范圍為0.40-0.44％的碳(C)，其余為鐵(Fe)。300M鋼具有相對(duì)低的成本，因此有利于降低包括由該材料制成的轉(zhuǎn)子的飛輪能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的成本。V和Si是合金元素，其提供改善的可硬化性，并且允許制造最大為14”厚度且完全貫通硬化的厚截面轉(zhuǎn)子，例如如上所述的魚(yú)尾形狀。

然而，僅單純規(guī)定300M鋼不足以確保上述規(guī)定的參數(shù)。附加的制造步驟用于改善轉(zhuǎn)子的性能。這些步驟包括精煉、多步鍛造、熱處理、表面處理和機(jī)械加工。

使用諸如真空電弧重熔(“VAR”)、電渣重熔(“ESR”)或真空感應(yīng)熔煉(VIM)的精煉工藝對(duì)300M鋼進(jìn)行精煉。這些工藝幫助去除大于所需最大固有缺陷尺寸的缺陷。相反，如果在空氣中熔化300M鋼，則其將傾向于具有大于該期望最大固有缺陷尺寸的缺陷，例如夾雜物或其它雜質(zhì)。VAR精煉有助于確保最大固有缺陷尺寸為2mm或更小。

多步鍛造將定向晶粒引入轉(zhuǎn)子中。一般來(lái)說(shuō)，晶粒取向基于所使用的鍛造工藝來(lái)確定。單步鍛造工藝可能不足以確保在整個(gè)轉(zhuǎn)子中存在一致的方向性晶粒。執(zhí)行多個(gè)鍛造步驟有助于確保在整個(gè)轉(zhuǎn)子中的一致的晶粒取向?？刂凭ЯＨ∠蜻€具有成形和定向存在于轉(zhuǎn)子中的任何夾雜物的附加益處。

一般來(lái)說(shuō)，使用熱處理來(lái)提高鋼的屈服強(qiáng)度和硬度。在熱處理中，鋼被加熱(或奧氏體化)成奧氏體。加熱的時(shí)間和溫度部分地限定了轉(zhuǎn)子的晶粒尺寸。然后將奧氏體快速冷卻(或淬火)。淬火將奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殇摰膸追N其它材料相中的一種，例如珠光體和馬氏體。由于熱傳遞的物理性質(zhì)，不是鋼中的所有深度都將以相同的速率冷卻，這意味著鋼的較淺深度將通常淬火成相當(dāng)大比例的馬氏體(例如，大于50％的馬氏體)，而較深的深度的鋼可淬火成顯著比例的珠光體或其它材料相，其中只有少數(shù)鋼淬火成馬氏體(例如，小于50％的馬氏體)。鋼淬火成的各種材料相的比例由材料的過(guò)渡曲線(稱(chēng)為T(mén)TT曲線)控制。特別地，馬氏體適合用于轉(zhuǎn)子，因?yàn)樗哂蟹浅８叩那?qiáng)度和非常高的硬度。當(dāng)鋼在每個(gè)厚度處含有至少50％的馬氏體時(shí)，該片鋼可以說(shuō)成被貫通硬化。

在一個(gè)實(shí)施例中，在轉(zhuǎn)子中使用VAR 300M鋼，因?yàn)樗梢詫?00M鋼貫通硬化到8-14英寸的深度，使得其非常適用于形成足夠尺寸的轉(zhuǎn)子以存儲(chǔ)大量的動(dòng)能。具體來(lái)說(shuō)，300M中的Si和V合金元素在淬火期間延遲珠光體的形成，有利于過(guò)渡到馬氏體，導(dǎo)致在鋼中顯著深度處的貫通硬度增加。在VAR 300M轉(zhuǎn)子中，貫通硬化允許轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)高達(dá)2GPa的屈服強(qiáng)度σ_屈服。

淬火鋼具有具有低斷裂韌性的缺點(diǎn)。因此，淬火步驟之后可以是回火步驟?；鼗鹁S持鋼在低于奧氏體化溫度(例如，600-1200華氏(°F))的溫度下一段時(shí)間(例如幾個(gè)小時(shí))，然后緩慢地冷卻回到室溫。以犧牲一些屈服強(qiáng)度σ_屈服為代價(jià)，回火顯著提高斷裂韌性，并消除殘余內(nèi)應(yīng)力。在VAR 300M轉(zhuǎn)子中，回火允許轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)至少70MPa·m^0.5的斷裂韌性σ_斷裂，同時(shí)還保持超過(guò)900MPa的σ_屈服。

表面處理保護(hù)轉(zhuǎn)子的表面?？梢允褂脦追N不同的表面處理。第一種是噴丸硬化，其中壓縮應(yīng)力被賦予到轉(zhuǎn)子的表面以使其硬化。第二種是氮和/或碳處理，其類(lèi)似地增加了轉(zhuǎn)子表面的硬度以及屈服強(qiáng)度。也可以使用其它表面處理。

如上所述構(gòu)造的轉(zhuǎn)子的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)于其它可能想到的過(guò)程，可以以低成本制造明顯更大的轉(zhuǎn)子，其能夠存儲(chǔ)幾十到幾百kWh的能量。此外，包括此類(lèi)轉(zhuǎn)子的飛輪系統(tǒng)的總成本相對(duì)于使用許多較小轉(zhuǎn)子的現(xiàn)有飛輪系統(tǒng)也降低。這是由于使用大轉(zhuǎn)子減少了對(duì)多個(gè)轉(zhuǎn)子及其相關(guān)聯(lián)的支撐元件的需要的事實(shí)。例如，對(duì)于飛輪系統(tǒng)使用更大的軸承來(lái)支撐更大的轉(zhuǎn)子相對(duì)于使用各自使用其自己的更小的軸承的許多更小的轉(zhuǎn)子更便宜。此外，單個(gè)整體式轉(zhuǎn)子通常也比由單獨(dú)的轉(zhuǎn)子部件的堆疊組裝的轉(zhuǎn)子更經(jīng)濟(jì)。

IV.制造方法

圖4是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于制造轉(zhuǎn)子的示例性過(guò)程。在圖4的實(shí)例中，元素被合金化401以制造具有所需材料組成的鋼。例如，如果使用300M，則Si、Cr、Ni、Mo、V、C和Fe被合金化在一起。然后將合金化元素精煉403以除去大的缺陷。繼續(xù)上述實(shí)例，VAR工藝可用于精煉300M合金。然后使用多步驟工藝將精煉的合金鍛造405至接近凈形狀，以定向晶粒尺寸和方向。熱處理被施加407以使鍛造的轉(zhuǎn)子材料貫通硬化，以提高屈服強(qiáng)度。然后執(zhí)行回火409以提高斷裂韌性。然后可以對(duì)轉(zhuǎn)子材料進(jìn)行機(jī)械加工411，以將轉(zhuǎn)子形成為期望的形狀。

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