專利名稱：為車輛儲(chǔ)存能量的飛輪系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種飛輪能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)，更具體地說(shuō)涉及一種為混合式電動(dòng)車輛提供脈動(dòng)力、動(dòng)力制動(dòng)和能量?jī)?chǔ)存的飛輪-電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組合。本發(fā)明特別適用于混合式電動(dòng)車輛。
本發(fā)明的一個(gè)方面涉及的是在高速飛輪轉(zhuǎn)子所在的空間中保持真空。更具體地說(shuō)，是在飛輪能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)的飛輪組件中采用一個(gè)分子泵，將轉(zhuǎn)子周圍的氣體泵送到一個(gè)與之隔離的腔室。在該腔室中最好設(shè)置有用于吸收由轉(zhuǎn)子排出的氣體分子的分子篩。
空氣質(zhì)量控制部門鼓勵(lì)使用由化學(xué)電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車輛，其目的是減少由目前普遍采用的內(nèi)燃機(jī)所產(chǎn)生的空氣污染。盡管為電池充電提供電能的電力設(shè)備本身也會(huì)導(dǎo)致污染，但總的結(jié)果還是有利于減少空氣污染。然而，因在重量、壽命周期和成本方面化學(xué)電池的性能相對(duì)較差，使它難于在市場(chǎng)上和內(nèi)燃機(jī)這一動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。
一種包括一個(gè)能夠產(chǎn)生供車輛消耗的平均動(dòng)力的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、一個(gè)飛輪脈動(dòng)力發(fā)生器、一個(gè)電動(dòng)牽引電動(dòng)機(jī)、以及一個(gè)電子控制系統(tǒng)的混合式電動(dòng)動(dòng)力系不但能夠降低污染程度，改善空氣質(zhì)量，而且其性能優(yōu)于相應(yīng)的內(nèi)燃機(jī)。盡管渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)也需要使用烴類燃料，但是它所采用的催化燃燒器對(duì)空氣造成的污染要小于給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車輛的化學(xué)電池提供充電電能的電力設(shè)備所產(chǎn)生的空氣污染。通過(guò)將動(dòng)力源分解為各個(gè)優(yōu)化的單元，分別提供平均和峰值動(dòng)力，并與動(dòng)力制動(dòng)性能相配合，能夠提高在絕大多數(shù)行駛狀態(tài)下的效率，從而減少所消耗的燃料。
在1994年3月舉行的SAE國(guó)際研討會(huì)上，Robin Mackay發(fā)表的一篇題為“一種用于混合式車輛的24KW燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)”的論文，其中描述了一種適合用于混合式電動(dòng)車輛的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。該論文被本申請(qǐng)引作參考文獻(xiàn)。一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，已經(jīng)產(chǎn)生了許多不同類型的電動(dòng)機(jī)，用于牽引電力驅(qū)動(dòng)的車輛。本發(fā)明涉及的是一種飛輪能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)。上述電動(dòng)動(dòng)力系的第四個(gè)主要組成部分，即電子控制系統(tǒng)，已經(jīng)在本申請(qǐng)人的另一尚未批準(zhǔn)的名稱為“電動(dòng)動(dòng)力系的控制”的專利申請(qǐng)No.08/246240中進(jìn)行描述。
現(xiàn)代具有較高強(qiáng)度-重量比的纖維材料使得制造高能量密度的飛輪成為可能，將這樣的飛輪與高能電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)相結(jié)合，可以取代電化學(xué)電池，為混合式電動(dòng)車輛提供一種很有吸引力的能量緩沖器。與傳統(tǒng)的電化學(xué)電池相比，經(jīng)過(guò)良好設(shè)計(jì)的飛輪系統(tǒng)能夠提供較高的能量密度、較高的功率密度、較高的效率、以及較長(zhǎng)的使用壽命。
然而，車輛的行駛環(huán)境是對(duì)成功地將飛輪用于電動(dòng)車輛的一種考驗(yàn)，包括必須克服由于車輛角運(yùn)動(dòng)所帶來(lái)的陀螺力矩和適應(yīng)于車輛的直線加速。此外，還必須考慮由飛輪儲(chǔ)存的較高能量和動(dòng)量所帶來(lái)的一些安全問(wèn)題，以及對(duì)真空腔室中的電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)進(jìn)行冷卻的困難。另外，為了節(jié)約能量和使用方便，還要求飛輪能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)具有較低的能量釋放速率。
多年以前就有人提出了飛輪能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)，甚至已經(jīng)為電動(dòng)車輛設(shè)計(jì)了許多種能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)。例如，美國(guó)專利No.3741034公開(kāi)了一種設(shè)置在真空球體中的飛輪，該飛輪由液體包圍，并提供了各種安全裝置。然而，該專利并沒(méi)有涉及廢熱的產(chǎn)生和電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)的冷卻要求。此外，該專利既沒(méi)有涉及行駛環(huán)境的動(dòng)態(tài)特性，也沒(méi)有涉及在車輛停止時(shí)盡可能地減小動(dòng)力消耗的問(wèn)題。另一方面，美國(guó)專利No.4266442、No.4680611和No.4285251提出了制作高速轉(zhuǎn)子的不同方法，但是，這些專利文獻(xiàn)都沒(méi)有考慮與電動(dòng)車輛的行駛環(huán)境相適應(yīng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。
此外，為了適應(yīng)大約每秒1000米的輪緣線速度，容納飛輪的殼體必須保持非常低的壓力，例如低于0.01帕，以便減小風(fēng)阻損失。盡管在密封該殼體之前很容易實(shí)現(xiàn)上述壓力，但是用于制作高能量密度飛輪的纖維復(fù)合材料具有一定的殘留氣體釋放速率，因而難于在被密封的殼體中保持所期望的壓力，即使之接近于真空。因此，常常需要不斷地從殼體中排出釋放的氣體。在大多數(shù)情況下是采用一個(gè)外部泵來(lái)維持所期望的壓力。
美國(guó)專利No.4023920、4732529和4826393公開(kāi)了多種分子泵，它們都屬于高真空泵類型，其主要部件的尺寸對(duì)應(yīng)于在所期望的壓力下氣體分子的平均自由程。公知的分子泵有兩種類型，一種是渦輪式分子泵，其結(jié)構(gòu)類似于氣體透平機(jī)中的軸流式壓縮機(jī)，采用交錯(cuò)分布的轉(zhuǎn)子葉片和定子葉片；另一種是分子阻壓泵，它采用在定子上刻出的螺旋槽，而定子則置于緊靠高速轉(zhuǎn)子的部位上，以便引導(dǎo)氣體流過(guò)阻壓泵。另外混合式分子泵也是公知的，它們分別采用上述類型的分子泵，泵包括的部分有所不同。更具體地說(shuō)，美國(guó)專利No.4023920公開(kāi)的渦輪式分子泵采用磁性軸承來(lái)支持泵的高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子；美國(guó)專利No.4732529和4826393公開(kāi)了混合式分子泵，在高真空輸入側(cè)采用渦輪式分子泵，而在輸出側(cè)采用螺旋槽式的分子阻壓泵。
所有上述分子泵都是整裝設(shè)計(jì)的，它們具有自己的軸、軸承系統(tǒng)以及動(dòng)力源，即電動(dòng)機(jī)。盡管這種方案對(duì)于靜止系統(tǒng)來(lái)說(shuō)可以獲得令人滿意的效果，但是卻難于用在汽車上，因?yàn)檐囕v上沒(méi)有可用于放置這種分子泵的空間，其重量也不合適。
如上所述，目前用于儲(chǔ)存汽車能量的飛輪系統(tǒng)旨在取代電動(dòng)車輛中的電池。在這樣的應(yīng)用場(chǎng)合，需要采用多個(gè)單元來(lái)儲(chǔ)存所需的能量，以便使得每個(gè)電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)只需要提供一小部分車輛所需的動(dòng)力。在所有脈動(dòng)力都必須由單個(gè)飛輪來(lái)提供的系統(tǒng)中，具有相對(duì)較大體積的單個(gè)電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)難于做到既提供所需的能量密度，同時(shí)又不影響安全性能，即徑向應(yīng)力降低到一個(gè)可接受的程度，或者不大大增加成本。
美國(guó)專利No.3741034公開(kāi)了一種轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)方案，它采用由具有較高強(qiáng)度-重量比的纖維線復(fù)合材料繞制成相對(duì)較薄的同心圓柱缸體，這些缸體由徑向彈簧彼此分開(kāi)。盡管這樣的結(jié)構(gòu)能夠?qū)较驊?yīng)力限制到可以接受的程度，但造價(jià)卻過(guò)于昂貴。美國(guó)專利No.3859868公開(kāi)了用于改進(jìn)轉(zhuǎn)子部件的彈性-能量密度比的幾種技術(shù)，以將徑向應(yīng)力降低到最小程度。另一方面，美國(guó)專利No.4341001和4821599采用曲面金屬輪轂將能量?jī)?chǔ)存部件與軸相連接。此外，美國(guó)專利No.5124605公開(kāi)了一種飛輪系統(tǒng)，它采用多個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的飛輪，每一個(gè)這樣的飛輪包括一個(gè)輪轂、一個(gè)輪緣以及多個(gè)與輪轂軸線相平行的筒狀組件，使得輪轂與輪緣相連接時(shí)，輪轂與輪緣之間可以產(chǎn)生微小的徑向膨脹。
目前，尚沒(méi)有任何參考文獻(xiàn)披露將較大體積的大功率電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)與用于車輛的飛輪能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)一體使用的實(shí)例。
本發(fā)明的目的在于為驅(qū)動(dòng)車輛提供一種改進(jìn)的飛輪-發(fā)電機(jī)能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)。更具體地說(shuō)，本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有飛輪能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)所存在的缺點(diǎn)和問(wèn)題。
本發(fā)明的主要目的是提供一種飛輪能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)，它具有適合于電動(dòng)車輛行駛環(huán)境的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的飛輪能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)能夠提供足夠的脈動(dòng)力，滿足汽車的瞬時(shí)負(fù)載的要求。
本發(fā)明的一個(gè)目的是使飛輪與車輛的角運(yùn)動(dòng)是彼此獨(dú)立的。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是在全向加速過(guò)程中為轉(zhuǎn)子提供支撐，同時(shí)在旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件之間保持較小的徑向間隙。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是為大功率電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)提供一個(gè)有效和緊湊的冷卻系統(tǒng)。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是為采用飛輪能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)的車輛提供一種保護(hù)，使之不致于因?yàn)樗鶅?chǔ)存的能量和動(dòng)量矩的突然釋放而受到損害。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種具有較慢的能量釋放速率的能量?jī)?chǔ)存裝置。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一個(gè)位于密封腔室之中的系統(tǒng)，用于保持該腔室的壓力低于預(yù)定閾值。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是為安裝在一個(gè)密封殼體中的飛輪能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)提供一壓力控制系統(tǒng)，其中飛輪的軸驅(qū)動(dòng)一個(gè)泵，以便將氣體分子由殼體中的第一腔室泵送到第二腔室。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是為安裝在一個(gè)密封殼體中的飛輪能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)提供一個(gè)壓力控制系統(tǒng)，其中用于支持飛輪軸的軸承支持泵的轉(zhuǎn)動(dòng)部件，該泵將氣體分子由殼體中的第一腔室泵送到第二腔室。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是為安裝在一個(gè)密封殼體中的飛輪能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)提供一個(gè)壓力控制系統(tǒng)，其中用于將氣體分子由殼體中的第一腔室泵送到第二腔室的泵只需要增加很低的成本。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是為安裝在一個(gè)密封殼體中的飛輪能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)提供一個(gè)壓力控制系統(tǒng)，它通過(guò)用一個(gè)分子篩來(lái)吸收由殼體中的第一腔室泵送到第二腔室中的氣體以保持壓力。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種具有高能量密度的轉(zhuǎn)子。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種具有高能量密度的轉(zhuǎn)子，其內(nèi)具有足夠空間，用于安裝一大體積功率較大的電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種易于制造的具有高能量密度的轉(zhuǎn)子。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種制造成本合理，且具有高能量密度的轉(zhuǎn)子。
本發(fā)明的上述和其它目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)一種飛輪能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該系統(tǒng)包括一個(gè)用纖維復(fù)合材料制成的能量?jī)?chǔ)存轉(zhuǎn)子，一個(gè)大功率電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)，它用液體冷卻，由滾珠軸承支持，并安裝在一個(gè)真空球體之中，該球體懸浮在位于外球形殼體中的液體之中。該能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)包括一個(gè)飛輪-電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組合，其質(zhì)心相對(duì)于真空球體的質(zhì)心較低，以便使得飛輪-電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)沿著轉(zhuǎn)子的軸向的鉛垂的方向定位。
本發(fā)明的上述和其它目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)將一個(gè)用于控制真空度的分子泵與飛輪能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)相組合，形成一個(gè)整體式飛輪能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該整體式的飛輪能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)包括一個(gè)密封殼體；一個(gè)具有孔洞的隔板，用于將上述殼體分隔成一個(gè)低壓第一腔室和一個(gè)具有相對(duì)高壓的第二腔室；一個(gè)支持在位于第一腔室中的第一軸承和位于第二腔室中的第二軸承之間的軸，該軸位于上述孔洞之中；一個(gè)設(shè)置在第一腔室中的高速旋轉(zhuǎn)的飛輪；以及一個(gè)由上述軸來(lái)帶動(dòng)的分子泵，用于將氣體分子由上述第一腔室泵送到第二腔室。應(yīng)當(dāng)指出的是在不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性內(nèi)容的前提條件下，還可以采用其他支承方式來(lái)支持軸。
根據(jù)本發(fā)明，將分子泵設(shè)置在飛輪組件之中，則可以利用能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)中已有的部件來(lái)作為分子泵所必需的高速電動(dòng)機(jī)、軸和軸承。上述分子泵最好能夠?qū)w輪的轉(zhuǎn)子以及周圍部件釋放出的氣體轉(zhuǎn)移到位于能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)殼體內(nèi)的另一個(gè)單獨(dú)的腔室，即一個(gè)真空殼體中。該腔室最好裝有所謂的分子篩材料，用于吸收絕大部分由飛輪轉(zhuǎn)子所釋放出的氣體。也可以在真空殼體中的所有部位上放置其它吸收材料，以便吸收那些未能被上述分子篩吸收的微量氣體。
本發(fā)明的上述和其它目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)在飛輪能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)的密封殼體中設(shè)置一個(gè)分子泵來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中支持飛輪的軸用于驅(qū)動(dòng)該分子泵，以便使飛輪轉(zhuǎn)子周圍的壓力等于或低于一個(gè)預(yù)定壓力，在該預(yù)定壓力下，旋轉(zhuǎn)飛輪所產(chǎn)生的阻力可以忽略不計(jì)。該分子泵將用于制造飛輪轉(zhuǎn)子的材料所釋放出的氣體分子輸送到一個(gè)裝有分子篩的接收腔室之中，由分子篩予以吸收，從而將所述接收腔室中的壓力保持為預(yù)定的第二壓力。
用于實(shí)現(xiàn)上述本發(fā)明的目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)的轉(zhuǎn)子包括一個(gè)用于儲(chǔ)存大部分能量的基本上呈圓筒狀的外缸體部分，以及一個(gè)用于將上述外缸體部分與軸相連接的輪轂部分。在一個(gè)實(shí)例中，該輪轂部分包括一個(gè)經(jīng)過(guò)加工的金屬圓盤件，它可以通過(guò)一個(gè)具有較短軸向長(zhǎng)度的內(nèi)缸體部件與所述外缸體相連接。
根據(jù)本發(fā)明，轉(zhuǎn)子具有易于制造的幾何形狀。
本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)通過(guò)下面結(jié)合附圖所作的詳細(xì)說(shuō)明將變得更為清楚。
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，在不同的附圖中采用相同的標(biāo)記來(lái)表示相同的部件，其中附

圖1是混合式電動(dòng)車輛分解示意圖，它示出了其動(dòng)力系的各個(gè)部件；附圖2是概括的方框圖，示出了附圖1所示車輛的動(dòng)力控制系統(tǒng)；附圖3示出了本發(fā)明的飛輪組件的整體結(jié)構(gòu)；圖4A是垂直于附圖3所示飛輪軸線所取的橫斷面圖，附圖4B是包括在附圖4A中的圓盤部件的斷面圖，它有助于理解圓盤件的結(jié)構(gòu)和工作原理，附圖4C是如附圖4B所示圓盤件的徑向應(yīng)力曲線，圖4D是附圖4所示的圓盤件的切向應(yīng)力曲線；附圖5詳細(xì)示出了附圖3所示飛輪的上軸承組件及其潤(rùn)滑系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；附圖6詳細(xì)示出了如附圖3所示飛輪的下軸承系統(tǒng)及其相應(yīng)的潤(rùn)滑系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理；
附圖7示出了分子阻壓泵，它用于保持容納如附圖3所示飛輪的轉(zhuǎn)子的腔室中的真空度；附圖8詳細(xì)示出了用于支持如附圖3所示的飛輪組件的機(jī)械萬(wàn)向接頭的一種實(shí)例；附圖9示出了外部保護(hù)隔板和外部散熱器的結(jié)構(gòu)；附圖10A和10B有助于解釋如附圖3所示飛輪的如圖6所示的軸承中使用的擠壓膜阻尼器的結(jié)構(gòu)和工作原理。
附圖1示出了一種以飛輪作為能量緩沖器的混合式電動(dòng)車輛的動(dòng)力系部件。在該結(jié)構(gòu)中，飛輪1提供了車輛加速和爬坡用的脈動(dòng)力，用于補(bǔ)充由諸如渦輪式發(fā)動(dòng)機(jī)組之類的燃料動(dòng)力源3所提供的相對(duì)低值的平穩(wěn)動(dòng)力。上述飛輪1也用于在動(dòng)力制動(dòng)和下坡的過(guò)程中吸收和儲(chǔ)存能量。電動(dòng)機(jī)4將飛輪1或者動(dòng)力源3產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換成為機(jī)械動(dòng)能。上述所有的部件最好都由電子控制器2控制。
圖2是動(dòng)力控制系統(tǒng)的方框圖，示出了電子控制器如何根據(jù)駕駛員的輸入來(lái)調(diào)節(jié)車輛的動(dòng)力傳遞，所述輸入是通過(guò)加速器踏板5和剎車踏板6來(lái)提供的。在正常行駛過(guò)程中，控制器2將渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)3產(chǎn)生的動(dòng)力送到驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)4，并將這一動(dòng)力和飛輪1產(chǎn)生的動(dòng)力相疊加，以便加速或爬坡。在制動(dòng)或者下坡的過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)4以發(fā)電機(jī)的方式進(jìn)行工作?？刂破?在此過(guò)程中最好利用該驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)4來(lái)為飛輪補(bǔ)充能量?？刂破?最好通過(guò)動(dòng)力源3來(lái)補(bǔ)充能量，使飛輪1的轉(zhuǎn)速維持在一個(gè)預(yù)定的范圍之內(nèi)，避免其轉(zhuǎn)速值達(dá)到下限值；或者通過(guò)讓飛輪承擔(dān)更多的驅(qū)動(dòng)負(fù)載，避免其轉(zhuǎn)速達(dá)到上限值。為了便于起動(dòng)，控制器2也將飛輪1的動(dòng)力送到動(dòng)力源3。在圖2中，電能傳輸線路用實(shí)線來(lái)表示，而信號(hào)傳輸線路用虛線來(lái)表示。
圖3是整個(gè)飛輪組件的橫斷面視圖，它示出了其部件的總體結(jié)構(gòu)。外殼體8封裝了飛輪組件，并提供了與車輛之間的機(jī)械和電連接。在外殼體8和真空殼體10之間的空間中填充了液體9，上述真空殼體10懸浮在其中。應(yīng)當(dāng)指出的是軸承14、15是機(jī)械萬(wàn)向接頭系統(tǒng)80的一部分，最好將它們?cè)O(shè)置在外殼體8和真空殼體10之間。對(duì)于上述萬(wàn)向接頭系統(tǒng)80，下面將結(jié)合附圖8對(duì)它進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
旋轉(zhuǎn)組件100包括一個(gè)金屬軸18，它由一個(gè)上軸承組件12和一個(gè)下軸承組件16支持。一個(gè)擠壓膜阻尼器145與所述下軸承組件16相配合進(jìn)行工作。由一個(gè)包括轉(zhuǎn)子21a和定子21b的電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)17為上述旋轉(zhuǎn)組件100提供動(dòng)力。
上述定子21b與真空殼體10的凹入部分25，亦即具有多個(gè)軸向孔20a的金屬缸體20形成良好的熱接觸，所述軸向孔20a形成了供液體9流過(guò)的通道。最好使得相鄰的軸向孔20a交替地用于供液體9向上和向下流動(dòng)。所有的軸向孔20a在缸體25的頂部被連接在一起，但是在缸體25的底部彼此分開(kāi)，分別與入口管道25a和出口管道25b相連接。流體分離器10a最好與外殼體8之間具有較小的間隙，用于使得由一個(gè)外部泵54泵送的流體經(jīng)過(guò)一個(gè)外部散熱器55首先雙向流過(guò)所述定子21b，以便帶走其熱量，然后流過(guò)外殼體8和真空殼體10之間的環(huán)形空間。如附圖9所示，所述散熱器55可以是一個(gè)由專用風(fēng)扇56予以冷卻的熱交換器。如附圖3所示，流體分離器的位置使得流體即使在車輛的最差的行駛角度條件下也能夠流過(guò)缸體25。由于車輛作大角度轉(zhuǎn)彎的時(shí)間通常非常短，流體的短暫中斷不會(huì)在電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)17中產(chǎn)生不可接受的溫升。
相對(duì)較冷的流體9最好由散熱器55經(jīng)過(guò)入口孔36泵送到飛輪1，并通過(guò)出口孔37流出飛輪1，經(jīng)過(guò)泵54流回到散熱器55。
組件100的纖維復(fù)合缸體11通過(guò)一個(gè)金屬輪轂22和一個(gè)軸向較短的纖維復(fù)合缸體24與軸18相連接。上述金屬輪轂22最好由鋁制成，但是也可以用任何其他具有類似的高極限強(qiáng)度-彈性模量比的金屬、金屬?gòu)?fù)合材料或化合物制成。組件100以旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的形式儲(chǔ)存能量，其中絕大部分能量?jī)?chǔ)存在缸體11中。最好設(shè)置一個(gè)螺線管磁體23，用于產(chǎn)生一個(gè)與旋轉(zhuǎn)組件100的重量相等的提升力。
一個(gè)分子阻壓泵26將材料中釋放出的殘余氣體由低壓腔室28送到腔室27，在腔室27中裝有分子篩27a，用于吸收上述氣體。金屬圓盤29將上述兩個(gè)腔室彼此分開(kāi)。
附圖4A是沿附圖3所示飛輪1的旋轉(zhuǎn)軸線的垂直方向所取的橫斷面圖，它示出了由鋁制輪轂22通過(guò)中間缸體24將軸18與缸體11相連接的情況。如附圖4B的橫斷面圖所示，輪轂22的軸向厚度隨著其主體部分22a半徑的增大而減小。應(yīng)當(dāng)指出的是所述主體部分22a構(gòu)成了輪轂22的絕大部分。采用這一形狀的優(yōu)點(diǎn)是沿半徑方向的任何位置上都具有基本上相同的應(yīng)力。這種恒定的應(yīng)力分布有助于在輪轂22的相應(yīng)部位上獲得最大的徑向增長(zhǎng)。
在輪轂22半徑的最外部22b上，其軸向厚度突然增大，從而形成了一個(gè)薄的外柱面部分22c。應(yīng)當(dāng)注意的是該外柱面部分22c包括端部墊片22d和22e。如附圖3、4A、4B所示，有利于將上述墊片粘合在中間復(fù)合缸體24上。應(yīng)當(dāng)指出的是隨著所施加的離心力的變化，上述柱面部分22c會(huì)產(chǎn)生彎曲。通過(guò)所述主體部分22a的延伸以及柱面部分22c的柔性的相互結(jié)合，就使得墊片22d、22e能夠在不使輪轂22的任何部位產(chǎn)生過(guò)度應(yīng)力的情況下隨缸體24的徑向增長(zhǎng)。
旋轉(zhuǎn)組件100的直徑可以是例如12英寸，它最好能夠在大約每秒6500弧度的最大轉(zhuǎn)速下儲(chǔ)存大約2千瓦小時(shí)，亦即7,200,000焦耳的能量?？梢钥闯觯鲜鲛D(zhuǎn)速相當(dāng)于大約每秒鐘1000米的表面線速度。這樣的高速要求將旋轉(zhuǎn)組件封裝在一個(gè)真空容器之中。此外，這樣高的離心加速度要求旋轉(zhuǎn)組件100主要由高強(qiáng)度的纖維復(fù)合材料制成，例如由纖維線材繞圓周方向繞制而成。
如附圖3詳細(xì)示出的旋轉(zhuǎn)組件100最好包括兩個(gè)主要的部件，即一個(gè)外缸體部分11和一個(gè)金屬輪轂22，所述外缸體部分的長(zhǎng)度例如可以是12英寸。復(fù)合內(nèi)缸體24將上述金屬輪轂22與復(fù)合外缸體11連接起來(lái)。如附圖3所示的復(fù)合外缸體11由兩部分區(qū)域構(gòu)成，其中最外層區(qū)域11a采用目前具有最高強(qiáng)度的石墨纖維材料繞制而成，它能夠承受高達(dá)106G的離心加速度；最內(nèi)層區(qū)域11b用纖維線材繞制而成，其密度和彈性模量可在外層區(qū)域11a施加一個(gè)適中的壓力負(fù)載，這有助于將外層區(qū)域11a中的徑向張力減小到最小程度。采用上述材料所獲得的徑向和切向應(yīng)力分別如附圖4C和4D所示，下面將對(duì)它們進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
用于制作最外層區(qū)域11a的上述具有最大強(qiáng)度的石墨纖維材料最好具有大約為924,0001b/in2(924kpsi)的最小抗拉強(qiáng)度，而用于繞制復(fù)合缸體24的纖維材料具有大約450kpsi的抗拉強(qiáng)度。缸體24最好采用商品名稱為“Spectra”的材料制作。上述用于制作內(nèi)層區(qū)域11b的具有適中強(qiáng)度的石墨纖維材料的最小抗拉度應(yīng)為大約714kpsi。如上所述，最好采用最小抗拉強(qiáng)度為75 kpsi的高強(qiáng)度鋁來(lái)制作輪轂22。
旋轉(zhuǎn)組件100最好以兩個(gè)單獨(dú)的部分來(lái)制作，即輪轂22和包括缸體24、11的外圓筒部分，然后以壓配合方式將這二者組裝在一起。該壓配合將使端部墊片22d、22e朝著軸18方向壓緊。
抗拉強(qiáng)度和彈性模量是用于制造缸體24和11的纖維的重要特性。如附圖4C所示，在從內(nèi)半徑3.7英寸的缸體24到外半徑6英寸的缸體11的范圍內(nèi)，徑向應(yīng)力在最高轉(zhuǎn)速下小于每平方英寸4000磅，該數(shù)值遠(yuǎn)在環(huán)氧樹(shù)脂基質(zhì)材料的承受范圍之內(nèi)。基質(zhì)材料本身必須能夠承受這一應(yīng)力，因?yàn)橛美w維線材料沿周向繞制不能提高徑向強(qiáng)度。由于纖維材料的彈性模量逐級(jí)由缸體24的2.4×107psi上升到缸體11b的內(nèi)層區(qū)域的3.3×107psi和缸體的外層區(qū)域11a的4.3×107psi，從而使得徑向應(yīng)力呈現(xiàn)出附圖所示的曲線，并使之具有所期望的較小最大值。
附圖4D示出的是環(huán)向應(yīng)力。缸體24中的最大環(huán)向應(yīng)力為105psi，缸體11中的最大環(huán)向應(yīng)力為2×105psi。此應(yīng)力由纖維線材來(lái)承受，上述數(shù)值都遠(yuǎn)低于所采用材料的最大應(yīng)力值。缸體24所采用的纖維線材的最大抗拉強(qiáng)度為4.35×105psi，由于復(fù)合材料中的充填因子而使它減小到該數(shù)值的2/3，亦即2.9×105psi，缸體11的內(nèi)層區(qū)域采用的纖維線材的最大抗拉強(qiáng)度減小到4.67×105psi，而外層區(qū)域采用的纖維線材的最大強(qiáng)度則減小為6.16×105psi。這三個(gè)指標(biāo)能夠承受由于疲勞而產(chǎn)生的性能降低，同時(shí)也提供了足夠的安全裕度。
以壓配合方式將缸體11套裝在缸體24上，這與缸體24套裝在輪轂22上的方式相同。這種方式使得輪轂22在轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)處于受壓狀態(tài)，這有助于在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)減小其徑向增長(zhǎng)和張力。這種技術(shù)使得金屬輪轂?zāi)軌蛟诓划a(chǎn)生過(guò)度應(yīng)力的情況下適應(yīng)復(fù)合缸體的徑向增長(zhǎng)。
附圖5示出了上軸承組件12的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。最好采用角面接觸軸承30a來(lái)支持安裝在真空殼體10中的旋轉(zhuǎn)軸18，該軸承采用陶瓷滾珠30a以延長(zhǎng)軸承的壽命。最好采用循環(huán)系統(tǒng)對(duì)軸承12進(jìn)行潤(rùn)滑，在該系統(tǒng)中通過(guò)離心力和重力的共同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)潤(rùn)滑油的泵送。當(dāng)潤(rùn)滑油裝在旋轉(zhuǎn)容器36中時(shí)，其自由表面在軸18旋轉(zhuǎn)時(shí)形成了一個(gè)垂直圓柱狀，超過(guò)預(yù)定的液位，與靜止軸37相連的收集器32將多余的潤(rùn)滑油汲取到靜止容器39中。此后最好潤(rùn)滑油依靠其重力由上述靜止容器39流到中央腔室40。收集的潤(rùn)滑油被排出到旋轉(zhuǎn)腔室35中。最好通過(guò)一個(gè)潤(rùn)滑油流量測(cè)量柱塞35來(lái)控制潤(rùn)滑油的流速，潤(rùn)滑油通過(guò)該柱塞在中央腔室40和旋轉(zhuǎn)腔室35之間流動(dòng)。因此，旋轉(zhuǎn)腔室35中的離心力帶動(dòng)被引入的潤(rùn)滑油沿徑向朝外流動(dòng)。這將使得潤(rùn)滑油能夠通過(guò)孔33進(jìn)入軸承30中。軸承30的旋轉(zhuǎn)部分產(chǎn)生的離心力使得潤(rùn)滑油進(jìn)入旋轉(zhuǎn)容器36，從而開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)。
如附圖5所示，軸承12的旋轉(zhuǎn)錐面和靜止錐面之間的狹小間隙31起到了密封或者收集作用，它能夠防止?jié)櫥偷螐妮S承12的附近進(jìn)入飛輪腔室27。任何有可能進(jìn)入間隙31中的潤(rùn)滑油滴都會(huì)被圓錐形部件41的旋轉(zhuǎn)表面向外加速，從而能夠使之重新進(jìn)入旋轉(zhuǎn)容器36中。
應(yīng)當(dāng)指出的是在軸18開(kāi)始旋轉(zhuǎn)之前，潤(rùn)滑油保持在旋轉(zhuǎn)腔室35中。一旦軸18開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，就形成上述潤(rùn)滑油循環(huán)。
附圖6示出了下軸承組件16的工作情況。與上軸承12一樣，軸承140最好也采用角面接觸型軸承，采用陶瓷滾珠140a以延長(zhǎng)軸承的壽命。軸承140可以由一潤(rùn)滑油循環(huán)系統(tǒng)潤(rùn)滑。
潤(rùn)滑油循環(huán)系統(tǒng)130最好包括一個(gè)旋轉(zhuǎn)圓盤141，它使得潤(rùn)滑油由軸承140的旋轉(zhuǎn)部分朝外拋入到容器142之中。容器142中的潤(rùn)滑油液位由虛線來(lái)指示。潤(rùn)滑油通過(guò)孔143進(jìn)入擠壓膜阻尼器145，由同心金屬缸體145a、145b形成的狹窄環(huán)形空間裝有徑向彈簧145c以及潤(rùn)滑油。上述擠壓膜阻尼器145的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如附圖10所示，其中附圖10A是擠壓膜阻尼器145的一個(gè)較小弧形部分的軸向視圖，它示出了在同心缸體145a和145b之間裝有徑向彈簧145c的環(huán)形空間。
彈簧145c最好以化學(xué)方式進(jìn)行刻蝕，形成如附圖10B所示的刻蝕圖形。當(dāng)徑向彈簧145c卷繞在缸體145a上時(shí)，圖形的一半矩形部分朝外突出，形成數(shù)百個(gè)單元彈簧，其端部與缸體145b的內(nèi)表面相接觸。缸體145a和145b之間的沒(méi)有被徑向彈簧145c占據(jù)的空間由潤(rùn)滑油來(lái)填充。彈簧145c能夠提供一個(gè)恢復(fù)力，以克服外缸體145a相對(duì)于內(nèi)缸體145b的徑向位移，前者與真空球形殼體10相連接，而后者通過(guò)軸承140以可轉(zhuǎn)動(dòng)的方式與旋轉(zhuǎn)軸18相連接。
將粘稠潤(rùn)滑油填充在上述環(huán)形空間中能夠產(chǎn)生一個(gè)與位移變化率成正比的徑向力。所述擠壓膜阻尼器145的作用是限制由旋轉(zhuǎn)組件100的殘留不平衡(residual unbalance)所造成的在軸的臨界頻率下振動(dòng)的振幅。
參見(jiàn)附圖6，潤(rùn)滑油通過(guò)位于擠壓膜阻尼器145底部的孔149進(jìn)入容器144。容器144中的潤(rùn)滑油液位由虛線來(lái)表示。潤(rùn)滑油進(jìn)入旋轉(zhuǎn)錐體150的垂直孔146，并通過(guò)徑向孔147流出，沖擊到軸承140的旋轉(zhuǎn)部分上，然后重新開(kāi)始一個(gè)新的循環(huán)。
可以通過(guò)一個(gè)雙貝氏墊片(double Belleville Washer)148來(lái)給軸承12和軸承16加預(yù)載。墊片148在軸承12、16的曲面座圈上產(chǎn)生了一個(gè)軸向推力，它有助于在徑向方向上擠壓每一個(gè)軸承中的滾珠。由此產(chǎn)生的壓力保證了在滾珠和相應(yīng)座圈之間形成所需的接觸面，進(jìn)而使得軸承組件獲得所需的徑向剛度。由于在軸承的使用壽命的絕大部分時(shí)間中，預(yù)加負(fù)載是軸承所承受的唯一負(fù)載，因此在滿足徑向剛度要求的條件下應(yīng)使得該預(yù)加負(fù)載盡可能地小，以延長(zhǎng)軸承的壽命。
附圖7顯示了分子阻壓泵26的結(jié)構(gòu)，它用于保持真空殼體10內(nèi)為預(yù)定壓力。應(yīng)當(dāng)指出的是氣體會(huì)緩慢地從飛輪材料中釋放出。分子阻壓泵26最好將釋放出的氣體分子由腔室28泵送到腔室27，軸18在腔室28中旋轉(zhuǎn)，而腔室27中設(shè)有分子篩27a，該分子篩能夠吸收被泵送的氣體分子。上述泵送操作將使得腔室28中的氣體壓力盡可能地低，以便獲得較小的氣動(dòng)阻力，從而將組件100的纖維復(fù)合旋轉(zhuǎn)缸體11產(chǎn)生的熱量減少到最低程度，該缸體的表面線速度超過(guò)每秒1000米。阻壓泵26具有在靜止缸體38內(nèi)側(cè)形成的一條螺旋槽構(gòu)成，該缸體和旋轉(zhuǎn)軸18靠得很近。由于軸承組件12、16和用于驅(qū)動(dòng)分子阻壓泵26的電動(dòng)機(jī)17同時(shí)也是飛輪1所需要的，因此增加這一重要功能所需的附加成本可以忽略不計(jì)。
更具體地說(shuō)，隔板29形成了與軸承12、16中的一個(gè)相靠近的單獨(dú)氣體儲(chǔ)存腔室27。如附圖7所示，隔板29具有用于插入軸18的孔29a。軸承12最好安裝在分子泵26內(nèi)，該泵最好是一個(gè)分子阻壓泵26。氣體儲(chǔ)存腔室27內(nèi)最好設(shè)置所謂分子篩27a，下面將要對(duì)該分子篩進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
本發(fā)明的目的之一是在飛輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的空間中保持較高的真空度，以使旋轉(zhuǎn)組件100產(chǎn)生的阻力可以忽略不計(jì)。在優(yōu)選輪緣線速度達(dá)到約1000m/s時(shí)，殼體10中的空氣壓力應(yīng)小于0.01帕。還應(yīng)注意的是用于制作高能量密度飛輪，亦即飛輪組件100的纖維復(fù)合材料具有以一定的速率釋放出殘留氣體的屬性，從而難于在密封的腔室中保持所需的真空度。因此，在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，通常是采用外部泵將釋放出的氣體連續(xù)地從腔室中抽出。
與傳統(tǒng)系統(tǒng)不同，在本發(fā)明的飛輪1中，設(shè)計(jì)一個(gè)分子泵，采用飛輪能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)中現(xiàn)成的高速電動(dòng)機(jī)、軸、軸承系統(tǒng)將飛輪組件以及周圍釋放出的氣體輸送到一個(gè)單獨(dú)的腔室27，該腔室完全包容在整個(gè)真空殼體10之中。腔室27最好裝有分子篩27a來(lái)吸收絕大部分由諸如缸體11所產(chǎn)生的氣體。另外，最好在真空殼體10內(nèi)布滿吸收劑，以便吸收那些不易被分子篩27a所吸收的微量氣體。
在一個(gè)實(shí)施例中，飛輪組件100的直徑為12英寸，其最大旋轉(zhuǎn)角速度為每秒6500弧度，相當(dāng)于表面線速度每秒1000米，這樣高的速度要求將環(huán)境氣壓保持在低于0.01帕，以便使得飛輪組件具有足夠長(zhǎng)的能量釋放時(shí)間。
盡管在密封真空殼體10之前對(duì)它進(jìn)行抽成真空的同時(shí)，還對(duì)飛輪組件100進(jìn)行了高溫烘干處理，然而復(fù)合材料，特別是用于制作飛輪組件100的環(huán)氧樹(shù)脂中包含的大量揮發(fā)性物質(zhì)將會(huì)以一定的速率產(chǎn)生殘留氣體，所產(chǎn)生的氣體能夠在較短的時(shí)間內(nèi)使得殼體內(nèi)的壓力超過(guò)允許壓力。分子阻壓泵26的優(yōu)點(diǎn)在于它能夠用來(lái)將這樣的氣體泵送到氣體儲(chǔ)存腔室27內(nèi)，在該腔室中由分子篩27a加以吸收。這樣，既使儲(chǔ)存腔室27中的壓力有可能升高1帕，也能夠在飛輪缸體11的附近保持殼體10中的壓力。
由于采樣任何結(jié)構(gòu)的分子泵按照標(biāo)準(zhǔn)都需要配置價(jià)格昂貴的高速軸承和電機(jī)，因此如果將分子阻壓泵26作為一個(gè)整裝構(gòu)件，僅用它來(lái)維持殼體10中壓力，使之低于允許的最大壓力值，就顯得過(guò)于昂貴了。將分子阻壓泵26與飛輪組件100設(shè)計(jì)為一整體，就使得供飛輪組件使用的軸、軸承和電機(jī)也能夠用于分子阻壓泵26。值得指出的是，將分子阻壓泵合并到飛輪能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)中所需要增加的成本是非常低的。
構(gòu)成分子篩的氣體吸收劑具有適應(yīng)于被吸收分子直徑的孔徑。所需的分子篩可以采用美國(guó)聯(lián)合碳化物公司的商品名稱為“MOLSIV”的產(chǎn)品。該產(chǎn)品的吸收能力受壓力的影響很大，例如，在飛輪組件100的正常工作壓力下，其吸收能力很低。應(yīng)當(dāng)指出的是，氣體儲(chǔ)存腔室27的正常工作壓力P2通常是殼體10中壓力P1的大約1000倍，在此壓力下分子篩27a能夠吸收飛輪組件100所釋放出的所有氣體。換句話說(shuō)，在分子阻壓泵26的上游壓力P1處，對(duì)飛輪組件100產(chǎn)生的目標(biāo)氣體分子的吸收率是較低的。如果增大腔室27中的壓力P2，就能夠提高吸收率。最好按照這樣的方式來(lái)選擇分子篩材料，使得它在低于分子阻壓泵26的關(guān)閉壓頭(Shut off head)的壓力下最小吸收率也能夠與飛輪組件100的氣體分子釋放速率相匹配。
在分子阻壓泵26的定子上刻出的螺旋槽26a提供了一個(gè)供被釋放氣體從高真空腔室流到裝有分子篩27a的腔室27的通道，所述高真空腔室中的壓力P1例如可以是0.01帕，而腔室27中的壓力P2可以高達(dá)10.0帕。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中采用渦輪分子泵26′來(lái)取代分子阻壓泵26。泵26包括多個(gè)安裝在泵軸18上的渦輪葉片，這些葉片與板29所支持的定子葉片交錯(cuò)排列。分子泵26′的功能與分子阻壓泵26相同，都是用于將飛輪組件100釋放出的氣體泵送到裝有分子篩27a的氣體儲(chǔ)存腔室27中。與附圖3所示的結(jié)構(gòu)相比，采用渦輪分子泵26′的優(yōu)點(diǎn)在于在某些飛輪結(jié)構(gòu)情況下能夠沿軸向留出更多的空間。
附圖8示出了機(jī)械萬(wàn)向接頭組件80，該組件由位于外殼體8和真空殼體10之間環(huán)形空間中的鋼帶50構(gòu)成。鋼帶50通過(guò)兩個(gè)滑動(dòng)軸承14和15安裝在真空殼體上，上述兩滑動(dòng)軸承在直徑方向上彼此相對(duì)。第二對(duì)滑動(dòng)軸承51(圖中已示)和52(圖中未示)也在直徑方向上彼此相對(duì)，它們與連接在真空殼體10外表面上的鋼帶50上的第一組滑動(dòng)軸承14、15在安裝位置上旋轉(zhuǎn)了90度。這種安裝方式能夠使得包含飛輪組件100的真空殼體10不受車輛顛簸和搖擺運(yùn)動(dòng)的影響。電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩作用在萬(wàn)向接頭80上，該萬(wàn)向接頭也用于傳遞由于真空球體在懸浮液體9中略微偏離平衡浮力而造成的殘留加速負(fù)載。上述滑動(dòng)軸承所支持的軸的尺寸應(yīng)當(dāng)使之能夠承受較高的過(guò)載力矩，當(dāng)發(fā)生軸承卡死造成飛輪故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生此過(guò)載力矩。這是為了防止飛輪引起車輛產(chǎn)生跳動(dòng)而采取的安全措施。
除了上述功能之外，上述萬(wàn)向接頭組件也用于為電源引線提供機(jī)械支持作用，該引線必須由外殼引入到真空殼體之中，以便與電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)相連接。
下面將詳細(xì)地說(shuō)明飛輪-電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組合的工作情況。
支持系統(tǒng)的目的是使得飛輪1在所有行駛條件下均能夠可靠地實(shí)現(xiàn)其作為能量緩沖器的功能，并在停車時(shí)僅僅消耗可以忽略不計(jì)的動(dòng)力，即使是停止在一個(gè)陡坡上也是如此。由于在最大負(fù)載下，旋轉(zhuǎn)組件100的表面線速度高達(dá)每秒1000米，必須將組件100設(shè)置在一個(gè)真空環(huán)境之中。只要保持機(jī)械負(fù)載盡可能地低，用較少的油來(lái)潤(rùn)滑的陶瓷滾珠軸承30、140就能夠達(dá)到所需的工作壽命。本發(fā)明的飛輪系統(tǒng)的整個(gè)設(shè)計(jì)就是為了盡可能地減小上述負(fù)載。
將真空殼體10置于一個(gè)萬(wàn)向接頭系統(tǒng)80中，使得飛輪1幾乎不受車輛轉(zhuǎn)彎的影響。如果飛輪1不是用萬(wàn)向接頭方式支持的，車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)幅度為Hdp/dt的陀螺力矩，其中H是飛輪1的動(dòng)量矩，dp/dt是車輛的顛簸和搖擺角速度。對(duì)于附圖3所示的能夠最大儲(chǔ)存2KWH能量的飛輪組件來(lái)說(shuō)，當(dāng)車輛作顛簸或轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，每一軸承的反作用力將達(dá)到每秒每弧度6000牛頓。除非車輛始終是在極為平坦的道路上行駛，否則上述反作用力會(huì)縮短軸承的使用壽命。采用上述萬(wàn)向接頭系統(tǒng)80就能夠?qū)⒆饔迷谳S承30、140的力矩減小為僅僅承受在真空殼體10上的液壓力以及由電源引線的彈性力所產(chǎn)生的力矩。由于液體9對(duì)內(nèi)殼體提供了一個(gè)基本上平衡的浮力，因此機(jī)械萬(wàn)向接頭不必承受大部分加速負(fù)載。換句話說(shuō)，該負(fù)載是由液體9來(lái)承擔(dān)的。機(jī)械萬(wàn)向接頭只需要承受由電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)17所產(chǎn)生的向上旋轉(zhuǎn)和向下轉(zhuǎn)矩，當(dāng)飛輪1以每秒6400弧度的靜態(tài)工作速度旋轉(zhuǎn)，傳遞或者吸收80KW的能量時(shí)，上述轉(zhuǎn)矩僅僅為12.5牛頓.米。這樣，萬(wàn)向接頭80就最好具有足夠小的阻力面積，以使得它在車輛作顛簸或搖擺運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的液壓轉(zhuǎn)矩減小到可以忽略不計(jì)的程度。
在平穩(wěn)駕駛過(guò)程中，轉(zhuǎn)子軸線處于垂直方向，從而使得真空殼體10及其內(nèi)容物的質(zhì)心低于其浮心，這將有助于在真空殼體10上產(chǎn)生一個(gè)恢復(fù)力矩。在這一狀態(tài)下，組件100的重量由螺線管磁體23承受，作用在軸承上的力是由預(yù)加載彈簧148所產(chǎn)生的力。只要徑向剛度要求允許，該力可以盡可能地小。
當(dāng)車輛加速或者被制動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸就不再是垂直的，在經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)渡過(guò)程后將朝向一個(gè)等效的重力場(chǎng)，該重力場(chǎng)是地球重力加速度與車輛加速度的矢量和。這樣，在勻加速過(guò)程中的軸承負(fù)載將主要是軸向的。在過(guò)渡過(guò)程中，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸的一個(gè)衰減運(yùn)動(dòng)，軸承通過(guò)施加一個(gè)徑向力來(lái)克服由這一運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的較小力矩。
當(dāng)車輛停止時(shí)，即使是停在一個(gè)坡面上，旋轉(zhuǎn)軸線與平穩(wěn)行駛時(shí)一樣，非常接近于垂直方向。由穿過(guò)萬(wàn)向接頭系統(tǒng)80的動(dòng)力引線所產(chǎn)生的彈性力將產(chǎn)生一個(gè)力矩，該力矩傾向于使得所述軸線垂直于坡面，但是最好讓該力足夠小，以使得由此所產(chǎn)生的偏離可以忽略不計(jì)。使轉(zhuǎn)子軸線在車輛靜止時(shí)處于垂直方向，轉(zhuǎn)子的重量就能夠完全由磁體23來(lái)承受，從而將作用到軸承上的負(fù)載減小到最小程度，進(jìn)而延長(zhǎng)軸承的壽命。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是在任何驅(qū)動(dòng)條件下充分冷卻電動(dòng)機(jī)-發(fā)動(dòng)機(jī)17，當(dāng)車輛處于反復(fù)停止-起動(dòng)行駛狀態(tài)時(shí)，尤其需要冷卻。在這樣的循環(huán)工作過(guò)程中，當(dāng)車輛加速時(shí)，電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)17作為一個(gè)發(fā)電機(jī)傳遞能量；動(dòng)力制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)17作為一個(gè)電動(dòng)機(jī)吸收能量，交替轉(zhuǎn)換。盡管本發(fā)明的裝置在兩種工作模式下都能夠十分有效地進(jìn)行工作，但是卻會(huì)產(chǎn)生高達(dá)幾十千瓦的較高能量如果不進(jìn)行冷卻，由鐵損和銅損所產(chǎn)生的溫升將使電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)受到損壞。
如上所述，本發(fā)明的一種優(yōu)選方案是使得懸浮液體9通過(guò)金屬缸體25的軸向孔20a進(jìn)行循環(huán)，從而為電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)定子21a提供有效的冷卻。由于軸承12、16只對(duì)旋轉(zhuǎn)軸18作極小的熱傳導(dǎo)，電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子21b主要是以輻射方式予以冷卻。通過(guò)選用能夠盡可能減小轉(zhuǎn)子損失的電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)，例如同步感應(yīng)式電機(jī)，能夠?qū)⑸鲜鰺彷椛渌璧霓D(zhuǎn)軸溫度保持在可以接受的限度之內(nèi)。溫度相對(duì)較低的球形空間，即作為旋轉(zhuǎn)組件100熱輻射對(duì)象的真空殼體10有助于將轉(zhuǎn)子溫度保持在可接受的限度之內(nèi)。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是在發(fā)生撞車或者飛輪1出現(xiàn)機(jī)械故障的情況下，保護(hù)車輛以及其乘客不受儲(chǔ)存能量的突然釋放或者動(dòng)量矩變化的影響。盡管所儲(chǔ)存的最大能量只相當(dāng)于燃燒6盎司汽油產(chǎn)生的能量，但危險(xiǎn)的釋放方式，即突然釋放仍是必須加以考慮的。最好在旋轉(zhuǎn)組件100和外界之間設(shè)置4道屏障，即真空腔室10、液體9、外殼體8、以及纖維復(fù)合材料52構(gòu)成的外包裝，該外包裝采用泡沫墊板53在間隙空間中包圍并支撐殼體8。見(jiàn)附圖9。
由最大儲(chǔ)存能量所釋放的熱量將會(huì)使液體的溫度上升大約數(shù)百度，但是不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的危險(xiǎn)。如果允許突然地將轉(zhuǎn)子的動(dòng)量矩轉(zhuǎn)移到車輛，就會(huì)對(duì)車輛產(chǎn)生危險(xiǎn)的沖擊。在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，通過(guò)在軸承被卡住或者在轉(zhuǎn)子碎裂時(shí)剪斷機(jī)械萬(wàn)向接頭中的銷子，便真空殼體10逐漸朝下旋轉(zhuǎn)，防止了上述現(xiàn)象。詳見(jiàn)附圖8。
上述對(duì)本發(fā)明最佳實(shí)施例的說(shuō)明僅僅是舉例性的，本發(fā)明并不限于上述說(shuō)明。根據(jù)上述說(shuō)明，還可以對(duì)本發(fā)明作出種種改進(jìn)。上述實(shí)施僅僅用于說(shuō)明本發(fā)明的原理以及它在電動(dòng)車輛中的實(shí)際實(shí)用，從而使得本技術(shù)領(lǐng)域里的普通技術(shù)人員能夠?qū)⒈景l(fā)明運(yùn)用于各種不同的實(shí)施例中，對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)合可以對(duì)本發(fā)明作出不同的改進(jìn)。本發(fā)明的保護(hù)范圍由下述權(quán)利要求來(lái)界定。
權(quán)利要求
1.一種用于為車輛儲(chǔ)存能量和提供脈動(dòng)力的飛輪-電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組合的整體系統(tǒng)，包括一外殼體；一位于上述外殼體之中的真空殼體，該真空殼體和外殼體形成了一空間；一散熱器；一泵，用于使液體在所述空間的預(yù)定部中循環(huán)，以將廢熱傳送給所述散熱器。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述飛輪-電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)的定子的位置接近于所述空間的所述預(yù)定部。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括多個(gè)可以被剪切斷的支持件，它們位于所述外殼體和真空殼體之間可以運(yùn)轉(zhuǎn)。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述飛輪-電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組合具有相應(yīng)的質(zhì)心，所述真空殼體具有相應(yīng)的浮心，所述浮心位于相對(duì)于所述質(zhì)心某一位置處，從而產(chǎn)生一對(duì)應(yīng)于所述飛輪-電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組合的恢復(fù)力矩。
5.如權(quán)利要求4所述的飛輪組件系統(tǒng)，其中所述的恢復(fù)力矩被施加在飛輪-電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組合的轉(zhuǎn)子軸上，無(wú)論車輛以任何方向運(yùn)動(dòng)，都使得轉(zhuǎn)子軸線在車輛的平穩(wěn)行駛狀態(tài)下或者在車輛停止的狀態(tài)下處于垂直方向。
6.如權(quán)利要求1所述的飛輪系統(tǒng)，其中用泵對(duì)位于所述預(yù)定部位之外的液體進(jìn)行輸送，以使所述部之外的由該液體濕潤(rùn)的真空殼體保持接近于環(huán)境溫度。
7.一種為車輛儲(chǔ)存能量的飛輪-電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組合的飛輪支持系統(tǒng)，該支持系統(tǒng)包括一個(gè)液體懸浮系統(tǒng)，它包括一外部殼體；一位于所述外殼體之中的真空殼體，該真空殼體和外殼體形成了一個(gè)空間；一通過(guò)液體與所述空間相連通的散熱器；一在運(yùn)轉(zhuǎn)情況下與所述散熱器和所述空間相連接的泵；其中所述泵、散熱器和空間構(gòu)成了一冷卻回路，所述液體通過(guò)該冷卻回路在散熱器和該空間之間循環(huán)，以將廢熱傳送到散熱器。
8.如權(quán)利要求7所述的飛輪支持系統(tǒng)，其中所述真空殼體包括一與所述飛輪-電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組合的定子熱連接的部件，所述定子位置接近于該部件，液體流過(guò)該部件，從而為飛輪-電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)提供冷卻。
9.如權(quán)利要求7所述的飛輪支持系統(tǒng)，還包括多個(gè)可以被剪切斷的支持部件，它們被置于所述外殼體和真空殼體之間并可運(yùn)轉(zhuǎn)。
10.如權(quán)利要求7所述的飛輪支持系統(tǒng)，其中所述飛輪-電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組合具有相應(yīng)的質(zhì)心，所述真空殼體具有相應(yīng)的浮心，所述浮心位于相對(duì)于所述質(zhì)心某一位置，從而產(chǎn)生一相應(yīng)于所述飛輪-電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組合的恢復(fù)力矩。
11.如權(quán)利要求10所述的飛輪支持系統(tǒng)，其中所述恢復(fù)力矩作用在飛輪-電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組合的轉(zhuǎn)子軸線上，以便無(wú)論車輛的方位如何，都使得轉(zhuǎn)子軸線在車輛的平穩(wěn)行駛狀態(tài)下或者在車輛停止的狀態(tài)下處于垂直方向。
12.如權(quán)利要求7所述的飛輪支持系統(tǒng)，其中位于所述部之外的液體被強(qiáng)制循環(huán)，以便將位于所述部之外的由該液體濕潤(rùn)的真空殼體保持在環(huán)境溫度下。
13.一種用于高能量密度飛輪組件的安全系統(tǒng)，包括一真空殼體；一種能量吸收懸浮液體；一外殼體；一種增強(qiáng)環(huán)繞；它以一定的次序排列，形成多個(gè)隔斷層和能量消耗部件，用于保護(hù)車輛及其乘客，使之不致于受到由飛輪組件突然釋放的能量的損害。
14.如權(quán)利要求13所述的安全系統(tǒng)，還包括一個(gè)機(jī)械萬(wàn)向接頭，它包括可以被剪切斷的萬(wàn)向接頭銷子，用于在多個(gè)軸承中的至少一個(gè)被卡住時(shí)或者當(dāng)真空殼體和飛輪組件之間產(chǎn)生接觸時(shí)保護(hù)乘客和車輛，使之不致于受到突然傳遞的動(dòng)量矩的損害，當(dāng)所述萬(wàn)向接頭的銷子被剪切斷時(shí)，使得真空殼體克服置于它與外殼體之間的液體的阻力，逐漸旋轉(zhuǎn)下降。
15.一種用于飛輪能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)的壓力保持系統(tǒng)，所述飛輪能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)包括一個(gè)密封腔室，一個(gè)支撐在與所述殼體可運(yùn)轉(zhuǎn)連接的第一軸承和第二軸承之間的軸，該軸支持一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子，而該轉(zhuǎn)子以預(yù)定的速率釋放出氣體分子，該壓力保持系統(tǒng)包括一個(gè)具有孔洞的隔板，將所述殼體分成第一腔室和第二腔室，其內(nèi)分別保持第一和第二預(yù)定壓力；一個(gè)和軸可運(yùn)轉(zhuǎn)連接的由所述軸帶動(dòng)的分子泵，用于將所述氣體分子由第一腔室泵送到第二腔室。
16.如權(quán)利要求15所述的壓力保持系統(tǒng)，還包括置于所述第二腔室中的分子篩，用于吸收由所述分子泵送出的氣體分子。
17.如權(quán)利要求16所述的壓力保持系統(tǒng)，其中所述氣體分子具有預(yù)定的體積，氣體分子由所述飛輪釋放，所述分子篩對(duì)于具有所述體積的氣體分子具有親和性。
18.如權(quán)利要求16所述的壓力保持系統(tǒng)，其中所述氣體分子具有預(yù)定的體積，氣體分子由所述飛輪釋放，被所述分子篩吸收，所述分子篩對(duì)于具有所述體積的氣體分子具有親和性，該分子篩的吸收率受壓力影響，所述預(yù)定的第二壓力介于最小吸收率與所述分子泵的關(guān)閉壓頭之間。
19.如權(quán)利要求15所述的壓力保持系統(tǒng)，其中所述的分子泵是一個(gè)分子阻壓泵。
20.如權(quán)利要求15所述的壓力保持系統(tǒng)，其中所述的分子泵是一個(gè)分子阻壓泵，在泵的定子上形成有多個(gè)螺旋槽。
21.如權(quán)利要求15所述的壓力保持系統(tǒng)，其中所述分子泵是一渦輪式分子泵。
22.如權(quán)利要求15所述的壓力保持系統(tǒng)，其中所述分子泵是一混合式分子泵，包括一級(jí)渦輪分子泵和一級(jí)分子阻壓泵。
23.一種為車輛儲(chǔ)存能量、產(chǎn)生脈動(dòng)力并支持飛輪軸的飛輪-電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組合的整體軸承系統(tǒng)，包括一上角接觸軸承；一下角接觸軸承；其中所述上、下角接觸軸承分別由一個(gè)單獨(dú)的閉合循環(huán)油路系統(tǒng)潤(rùn)滑，所述油循環(huán)系統(tǒng)的特征在于每一個(gè)相應(yīng)的循環(huán)油路系統(tǒng)由重力和離心力的合力提供動(dòng)力；每一個(gè)相應(yīng)的循環(huán)油路系統(tǒng)包括流動(dòng)阻擋件，用于防止?jié)櫥鸵缌鞒龅较噜彽恼婵涨皇抑?；每一個(gè)相應(yīng)的循環(huán)油路系統(tǒng)與一個(gè)磁體以運(yùn)轉(zhuǎn)方式連接，該磁體用于使得軸承系統(tǒng)免于承受設(shè)置在高真空腔室中的旋轉(zhuǎn)組件產(chǎn)生的重力負(fù)載；每一個(gè)相應(yīng)循環(huán)油路系統(tǒng)以機(jī)械方式與預(yù)載彈簧相連接，該彈簧用于提供一個(gè)軸向力，該軸向力分別在上、下軸承中產(chǎn)生所需的徑向剛度。
24.如權(quán)利要求23所述的整體軸承系統(tǒng)，其中所述的下角接觸軸承包括一擠壓膜阻尼器裝置，它包括兩個(gè)同心的垂直缸體，在它們之間形成了一個(gè)狹窄的環(huán)形空間，在該空間中具有徑向彈簧和油，所述擠壓膜阻尼器被結(jié)合在下軸承的循環(huán)油路系統(tǒng)的流動(dòng)通路之中，用于顯著地減小由于轉(zhuǎn)子的不平衡而在臨界頻率下軸的振動(dòng)振幅。
25.一種用于儲(chǔ)存能量、并可隨軸的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)的飛輪組件，包括一鄰近于軸的輪轂，它具有基本上呈圓筒形的區(qū)域，一具有恒定應(yīng)力的中間區(qū)域，以及一外層連接區(qū)域，該區(qū)域形成了一基本上與軸平行且同心的具有柔性的圓筒；一個(gè)圓筒部，飛輪組件的絕大部分質(zhì)量集中在此部上。
26.如權(quán)利要求25所述的飛輪組件，其中所述柔性圓筒包括位于該柔性圓筒兩個(gè)相對(duì)邊緣上的連接墊片，用于和所述圓筒部的連接。
27.如權(quán)利要求26所述的飛輪組件，其中包括連接墊片的柔性圓筒在飛輪組件處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)被所述圓筒部在徑向方向上進(jìn)行擠壓。
28.如權(quán)利要求25所述的飛輪組件，其中所述的圓筒部包括一個(gè)最內(nèi)層的缸體和一個(gè)最外層的缸體，所述最內(nèi)層的缸體以機(jī)械方式將所述柔性圓筒連接到最外層的缸體上。
29.如權(quán)利要求28所述的飛輪組件，其中所述最外層缸體包括一內(nèi)部第一區(qū)域和一外部第二區(qū)域，所述最內(nèi)層缸體、第一區(qū)域和第二區(qū)域分別由具有第一強(qiáng)度、第二強(qiáng)度和第三強(qiáng)度的纖維材料制成，所述纖維材料的相應(yīng)強(qiáng)度是根據(jù)與軸之間的距離來(lái)選擇的。
30.一種飛輪系統(tǒng)，它和真空泵和卸載磁體結(jié)合，該真空泵用于保持高真空度，從而減小對(duì)旋轉(zhuǎn)組件的氣動(dòng)阻力，該卸載磁體用于減小相應(yīng)的軸承載荷，從而減小旋轉(zhuǎn)組件的阻力，這能夠減小總阻力，從而使飛輪系統(tǒng)具有一個(gè)較長(zhǎng)的自身能量釋放時(shí)間。
全文摘要
一種飛輪支持系統(tǒng)，它能夠使得飛輪(1)和電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)(21)與電動(dòng)車輛的行駛狀態(tài)無(wú)關(guān)。在飛輪組件的外殼體(8)和真空殼體(10)之間填充了一種合適的液體(9)，用于對(duì)外殼體產(chǎn)生浮力和阻尼，冷卻電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)，并在發(fā)生意外事故或故障時(shí)屏蔽轉(zhuǎn)子能量和動(dòng)量矩。正常運(yùn)行時(shí)，一個(gè)能夠被剪切斷的機(jī)械萬(wàn)向接頭系統(tǒng)(80)使得真空殼體位于外殼體的中央部位，響應(yīng)于電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩，并為電引線進(jìn)入真空殼體提供一個(gè)通道。在軸承被卡住或者轉(zhuǎn)子出現(xiàn)故障的情況下，機(jī)械萬(wàn)向接頭將被剪切斷，使得真空腔室能夠在液體中逐漸地旋轉(zhuǎn)下降。一個(gè)用油進(jìn)行潤(rùn)滑的角面接觸滾珠軸承(12，13)系統(tǒng)用于支持包括電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子(21b)在內(nèi)的旋轉(zhuǎn)組件。一個(gè)與最下面的軸承(13)相配合的擠壓膜阻尼器(145)用于減小機(jī)械振動(dòng)。采用一分子泵(26)來(lái)保持旋轉(zhuǎn)組件所需要的高真空度。由于真空殼體連同其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的質(zhì)心低于浮心，從而使真空殼體在車輛不加速的情況下處于垂直方向，能夠采用一個(gè)磁體(23)使飛輪轉(zhuǎn)子卸載。
文檔編號(hào)B60K6/30GK1134765SQ94194065
公開(kāi)日1996年10月30日 申請(qǐng)日期1994年11月7日 優(yōu)先權(quán)日1993年11月8日
發(fā)明者哈羅德·A·羅森, 丹尼爾·巴克霍丁, 羅伯特·W·博斯利, 克里斯·C·皮爾遜, 斯科特·B·帕諾 申請(qǐng)人:羅森發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司