一种内置高速飞轮的起动发电一体机的制作方法

本技术涉及内燃机起动发电设备，尤其是涉及一种内置高速飞轮的起动发电一体机。

背景技术：

1、起动发电一体机是一种兼具发动机起动和发电功能的电机装置。在起动工况下，起动发电一体机作为电动机运行，以带动发动机曲轴达到点火转速；发动机正常运行后，起动发电一体机切换为发电机运行，将发动机输出的机械能转换为电能。相较于分别设置起动机和发电机，起动发电一体机能够减少动力系统中的设备数量，因而逐渐应用于车辆、移动式发电设备和特种动力装置中。

2、对于水平对置二缸柴油发动机等低缸数四冲程内燃机，由于各气缸的做功过程在一个完整工作循环内呈周期性间隔分布，发动机输出转矩存在较为明显的周期性波动。在气缸做功阶段，发动机的瞬时输出转矩较大；在压缩、进排气等非做功阶段，发动机的瞬时输出转矩降低。因此，发动机曲轴容易产生转速脉动和扭转振动。当发动机直接驱动起动发电一体机的转子转动时，上述转矩波动还会传递至转子及其支承结构，不仅影响发电输出的平稳性，还会加剧轴承、联接件及其他传动部件所承受的交变载荷。

3、为平抑发动机的转矩波动，现有动力系统通常在发动机曲轴侧设置飞轮。发动机瞬时输出转矩较大时，飞轮吸收部分机械能；发动机瞬时输出转矩较小时，飞轮释放储存的机械能，从而减小曲轴的转速波动。但是，发动机曲轴侧飞轮通常与发动机保持相同或相近的转速。在储能需求确定的情况下，为获得足够的转动惯量，通常需要增加飞轮的直径、厚度或外缘质量，使飞轮具有较大的质量和结构尺寸。这不仅会增加动力系统的整体重量和轴向占用空间，而且会提高发动机起动时所需克服的等效转动惯量，不利于动力系统的轻量化和紧凑化。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本技术提供一种内置高速飞轮的起动发电一体机。

2、本技术提供的一种内置高速飞轮的起动发电一体机采用如下的技术方案：

3、一种内置高速飞轮的起动发电一体机，包括壳体、定子、转子、输入转动组件、升速传动组件、飞轮轴和飞轮；

4、所述定子固定设置于所述壳体内，所述转子设置在所述输入转动组件上，所述定子与所述转子同轴套设；

5、所述输入转动组件与内燃机的输出端和所述转子传动连接，以在起动工况下将所述转子的动力传递至内燃机，并在发电工况下将内燃机的动力传递至所述转子；

6、所述升速传动组件设置于所述壳体内，所述升速传动组件的输入端与所述输入转动组件传动连接，所述升速传动组件的输出端与所述飞轮轴传动连接；

7、所述飞轮设置于所述飞轮轴上。

8、通过采用上述技术方案，在起动工况下，转子输出的动力经输入转动组件传递至内燃机，以带动内燃机启动；在发电工况下，内燃机输出的动力经输入转动组件传递至转子，使转子相对于定子转动并进行发电。同时，输入转动组件输出的部分动力经升速传动组件传递至飞轮轴，以带动飞轮高速转动，使飞轮能够吸收和释放机械能，从而平抑内燃机周期性的转矩波动和转速波动。由于转子由输入转动组件直接带动，而飞轮通过升速传动组件增速驱动，因此能够在不相应提高转子工作转速的情况下提高飞轮的转速，在满足储能需求的同时减小飞轮所需的转动惯量和质量，有利于降低起动发电一体机的整体重量和结构尺寸。

9、可选的，所述输入转动组件包括转动架和输入齿圈，所述转动架内形成用于容纳所述升速传动组件的安装空间，所述转子设置于所述转动架的外周，所述定子环绕所述转子的外周设置，所述输入齿圈与所述转动架连接并用于与所述内燃机传动连接。

10、通过采用上述技术方案，输入齿圈能够将内燃机输出的动力传递至转动架，并由转动架带动转子转动；同时，转动架内部形成的安装空间能够容纳升速传动组件，使升速传动组件与转子沿径向集成设置，充分利用转动架内部空间，减小起动发电一体机的轴向尺寸，提高整体结构的紧凑性。

11、可选的，所述升速传动组件包括内齿圈、若干行星轮和太阳轮，所述内齿圈固定于所述转动架，若干所述行星轮转动连接于所述壳体并分别与所述内齿圈和所述太阳轮啮合，所述太阳轮固定于所述飞轮轴，所述飞轮轴、所述太阳轮和所述输入齿圈同轴设置。

12、通过采用上述技术方案，转动架转动时带动内齿圈转动，内齿圈通过若干位置相对固定的行星轮带动太阳轮转动，从而经太阳轮带动飞轮轴和飞轮增速转动，使飞轮以较高转速进行机械能的储存和释放；同时，飞轮轴、太阳轮和输入齿圈同轴设置，有利于提高动力传递的稳定性，并减小升速传动组件的径向偏载和整体占用空间。

13、可选的，所述壳体包括壳身，所述定子固定设置于所述壳身内；所述壳身内形成有内凹支承部，所述内凹支承部朝向所述转动架的一侧设置有第一轴承，所述转动架通过所述第一轴承与所述壳身转动连接，所述内凹支承部朝向所述飞轮轴的一侧设置有第二轴承，所述飞轮轴通过所述第二轴承与所述壳身转动连接。

14、通过采用上述技术方案，壳身不仅用于形成起动发电一体机的外部防护结构，其内凹支承部还分别通过第一轴承和第二轴承对转动架和飞轮轴进行转动支承，使壳身兼具外壳和支承座的功能，减少了单独支承部件的设置，有利于提高装置的集成度和结构紧凑性，并保证转动架和飞轮轴稳定转动。

15、可选的，所述壳身包括主体和第一安装部，所述主体形成有所述内凹支承部，所述第一安装部连接于所述主体的一端，所述第一安装部与所述主体共同围成用于安装所述定子的安装空间。

16、通过采用上述技术方案，在安装定子时，可先将第一安装部与主体分离，使定子能够由主体的端部装入安装空间，再将第一安装部连接于主体，从而避免因主体内部的内凹支承部对定子的轴向装入造成阻挡，便于定子的装配和后续拆卸维护。

17、可选的，所述主体内设置有第一流道和第二流道，所述第一安装部内设置有第三流道，所述第一流道和所述第三流道分别围绕所述定子轴向延伸设置，并且所述第一流道和所述第三流道分别与所述定子的各一端相对设置，所述第二流道围绕所述定子的外周蜿蜒延伸；

18、所述主体上设置有进液口和出液口；

19、所述第一流道具有沿周向相邻设置的第一进液端和第一出液端，所述第一进液端与所述进液口连通，所述第一流道自所述第一进液端沿所述定子轴向端部周向延伸至所述第一出液端；

20、所述第二流道具有第二进液端、第二出液端、第一连通口和第二连通口；

21、所述第三流道具有沿周向相邻设置的第三进液端和第三出液端，所述第三流道自所述第三进液端沿所述定子轴向端部周向延伸一周至所述第三出液端；

22、所述第二进液端与所述第一出液端连通，所述第二进液端与所述第一连通口连通，所述第一连通口与所述第三进液端连通，所述第三出液端与所述第二连通口连通，所述第一连通口与所述第二连通口之间相互隔断，所述第二流道自所述第二连通口沿所述定子的外周面周向蜿蜒延伸一周至所述第二出液端，所述第二出液端与所述出液口连通。

23、通过采用上述技术方案，第一流道、第三流道和第二流道依次连通，形成单一且连续的冷却液循环路径，能够避免冷却液在各流道之间形成短路或分流。第一流道和第三流道分别与定子的两个轴向端部相对，第二流道与定子的外周面相对，从而能够分别对定子的两个端部和外周进行直接冷却，缩短各发热区域至冷却液之间的热量传递路径，提高定子的整体散热效率；同时，第二流道围绕定子的外周面蜿蜒延伸，能够增加冷却液与定子外周对应区域的换热面积及流动行程，使冷却液对发热量较大的定子外周进行充分冷却。

24、可选的，所述壳体内设置有第二安装部，所述第二安装部与所述内凹支承部相对设置，若干所述行星轮转动连接于所述第二安装部与所述内凹支承部之间；

25、所述第二安装部上固定设置有旋变定子，所述转动架同轴连接有转动柱，所述转动柱上固定设置有旋变转子，所述旋变定子与所述旋变转子同轴套设；

26、所述第二安装部与所述转动架之间设置有第三轴承，所述第二安装部与所述飞轮轴之间设置有第四轴承。

27、通过采用上述技术方案，第二安装部一方面与内凹支承部配合对行星轮进行安装支承，并通过第三轴承和第四轴承进一步对转动架和飞轮轴进行转动支承；另一方面用于固定安装旋变定子，并为旋变转子与旋变定子的同轴配合提供安装基础。由此，第二安装部集行星轮安装、转动架支承、飞轮轴支承以及旋变组件安装等功能于一体，减少了独立支承部件和安装部件的设置，提高了起动发电一体机的集成度，使其内部结构更加紧凑。

28、可选的，所述壳体还包括前盖和后盖，所述前盖上开设有穿设口，所述转动架穿过所述穿设口，所述前盖与所述转动架之间设置有第五轴承；所述后盖与所述壳身之间形成容纳空间，所述飞轮设置于所述容纳空间内。

29、通过采用上述技术方案，前盖在封闭壳身前端的同时，通过第五轴承进一步对转动架进行转动支承，以提高转动架的转动稳定性；后盖与壳身共同形成用于容纳飞轮的容纳空间，使后盖兼具飞轮防护和安装空间形成的作用，从而将飞轮集成于壳体内部，减少独立飞轮壳及支承结构的设置，提高起动发电一体机的集成度和结构紧凑性。

30、可选的，所述后盖与所述壳身之间形成气腔，所述气腔内设置有叶轮，所述叶轮与所述飞轮连接并随所述飞轮转动，所述后盖上设置有进气孔，所述后盖的周面设置有与所述气腔连通的排气口；

31、所述飞轮轴内开设有与所述进气孔连通的进气流道，所述飞轮轴靠近所述旋变转子的一端沿周向开设有若干径向出气孔，若干所述径向出气孔均与所述进气流道连通；

32、所述飞轮轴与所述第二安装部之间形成有间隔空间，所述间隔空间内设置有第一密封件，所述第一密封件将所述间隔空间分隔为进气环道和排气环道，所述进气环道与若干所述径向出气孔连通；

33、所述第二安装部内开设有第一冷却流道和第二冷却流道，所述第一冷却流道自所述进气环道沿所述第三轴承的内周周向延伸一周后与所述第二冷却流道连通，所述第二冷却流道自所述第一冷却流道沿所述第四轴承的外周周向延伸一周后与所述排气环道连通；

34、所述飞轮轴内还开设有若干沿其周向间隔设置的回流道，所述飞轮轴与所述内凹支承部之间设置有第二密封件，所述第二密封件位于所述第二轴承与所述太阳轮之间，所述第二密封件、所述飞轮轴和所述内凹支承部围成环形回流道，若干所述回流道的两端分别与所述排气环道和所述环形回流道连通；

35、所述内凹支承部内开设有第三冷却流道和第四冷却流道，所述第三冷却流道与所述环形回流道连通，所述第三冷却流道自所述环形回流道沿所述第一轴承的周向延伸一周后与所述第四冷却流道连通，所述第四冷却流道自所述第三冷却流道沿所述第二轴承的周向延伸一周后与所述气腔连通；

36、所述壳体上开设有与所述气腔连通的补风口，所述补风口上设置有开度调节阀。

37、通过采用上述技术方案，飞轮高速转动时带动叶轮同步转动，叶轮在气腔内形成抽吸作用，使外界空气依次经进气孔、进气流道、径向出气孔、进气环道、第一冷却流道、第二冷却流道、排气环道、回流道、环形回流道、第三冷却流道和第四冷却流道进入气腔，并最终由叶轮经排气口排出，从而形成单一且连续的空气循环路径。空气在流动过程中依次经过第三轴承、第四轴承、第一轴承和第二轴承的周侧，能够带走各轴承运行时产生的热量；由于轴承的发热量相对较小，采用风冷即可满足其散热需求，无需额外设置液冷系统。同时，当叶轮高速转动导致气腔所需进气量增大时，可通过补风口向气腔补充空气，并通过开度调节阀调节补风量，从而避免气腔内负压过大或进气不足，保证叶轮排风及各冷却流道内气流的稳定性。

38、可选的，所述第一密封件包括设置于所述第二安装部的第一环形板体、第二环形板体和第三环形板体，以及设置于所述飞轮轴的第四环形板体、第五环形板体和第六环形板体；

39、所述第一环形板体、所述第二环形板体和所述第三环形板体沿所述飞轮轴的轴向间隔设置，所述第四环形板体、所述第五环形板体和所述第六环形板体沿所述飞轮轴的轴向间隔设置；

40、所述第一环形板体与所述第四环形板体密封配合，所述第二环形板体与所述第五环形板体密封配合，所述第三环形板体与所述第六环形板体密封配合，所述第一环形板体、所述第四环形板体、所述第二环形板体和所述第五环形板体共同围成所述进气环道，所述第二环形板体、所述第五环形板体、所述第三环形板体和所述第六环形板体共同围成所述排气环道；

41、所述第一环形板体、所述第二环形板体和所述第三环形板体的内径依次减小，所述第四环形板体、所述第五环形板体和所述第六环形板体的外径依次增大；

42、所述第二密封件包括设置于所述内凹支承部的第七环形板体和第八环形板体，以及设置于所述飞轮轴的第九环形板体和第十环形板体；

43、所述第七环形板体与所述第九环形板体密封配合，所述第八环形板体与所述第十环形板体密封配合，所述第七环形板体、所述第九环形板体、所述第八环形板体和所述第十环形板体共同围成所述环形回流道；

44、所述第七环形板体和所述第八环形板体的内径依次减小，所述第九环形板体和所述第十环形板体的外径依次增大。

45、通过采用上述技术方案，第一环形板体至第六环形板体相互配合，在飞轮轴与第二安装部之间分别围成进气环道和排气环道，并对进气环道与排气环道进行密封分隔，避免气体在两环道之间直接串流；第七环形板体至第十环形板体相互配合，在飞轮轴与内凹支承部之间围成环形回流道，从而保证冷却气体按照预设路径依次流经各冷却流道。与此同时，各组环形板体采用内径依次减小、外径依次增大的阶梯式结构，使飞轮轴沿轴向装入时，各环形板体能够逐级通过并到达对应的密封位置，避免相互干涉，在实现多级环形密封的同时，便于飞轮轴、第二安装部和内凹支承部之间的装配。

46、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

47、1.通过输入转动组件直接带动转子转动，并通过升速传动组件带动飞轮增速转动，使转子和飞轮能够以不同转速运行，在无需相应提高转子工作转速的情况下提高飞轮的储能转速，从而减小飞轮达到相同储能效果所需的质量和转动惯量，并利用飞轮对内燃机的转矩波动和转速波动进行平抑；

48、2.通过将转子、升速传动组件、飞轮以及旋变组件沿同一轴线集成于壳体内，并利用壳身、内凹支承部和第二安装部分别承担外部防护、行星轮安装、转动部件支承以及旋变组件安装等多种功能，减少独立安装部件和支承部件的设置，提高起动发电一体机的集成度和结构紧凑性；

49、3.通过第一流道、第二流道和第三流道形成单一且连续的冷却液循环路径，使冷却液分别与定子的两个轴向端部和外周面对应，缩短定子各发热区域至冷却液之间的热量传递路径；同时，第二流道围绕定子外周蜿蜒延伸，增加冷却液的流动行程和换热面积，提高对定子的整体散热效果；

50、4.通过飞轮带动叶轮高速转动，使外界空气沿预设的单一空气流路依次流经第一轴承至第四轴承的周侧，实现对各轴承的连续风冷散热，在满足轴承散热需求的同时避免设置复杂的轴承液冷系统；补风口和开度调节阀能够根据叶轮的抽吸状态调节补风量，保证冷却气流稳定流动。