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飛輪的制作方法

文檔序號(hào):5792174閱讀:1254來源:國(guó)知局
專利名稱:飛輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種飛輪和用于構(gòu)造能量?jī)?chǔ)存用的飛輪的方法。
背景技術(shù)
已知用于以動(dòng)能形式儲(chǔ)存能量、例如用于車輛的飛輪。在這種情況下,已知使用飛輪來儲(chǔ)存能量,否則這種能量在車輛減速時(shí)將被轉(zhuǎn)換成車輛制動(dòng)系統(tǒng)中的熱量,這種儲(chǔ)存的能量隨后在需要時(shí)可用于使車輛加速。根據(jù)圖1的已有類型的飛輪具有可以安裝在諸如軸的中央支承體上的中央金屬支承部(1)。至少一個(gè)復(fù)合環(huán)( 安裝在中央支承部上。在這種類型飛輪中的復(fù)合環(huán)是由碳纖維纏繞而得的細(xì)絲。當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),該環(huán)將由于作用于其上的離心力趨向于沿直徑擴(kuò)大。該環(huán)具有較高的環(huán)繞強(qiáng)度以當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)離心力反作用。然而,外環(huán)會(huì)在中央支承部上變成松配合,并潛在地(危險(xiǎn)地)從中央支承部卸下。此外,徑向應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致復(fù)合環(huán)的失效。為了抵消環(huán)擴(kuò)大的趨勢(shì),環(huán)通常機(jī)加工有比中央支承部的外徑小的內(nèi)徑,然后以過盈配合安裝到中央支承部上。這種直徑上的不匹配導(dǎo)致預(yù)載荷,因而,該環(huán)將向內(nèi)的力施加到中央支承部上。當(dāng)飛輪不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)這種向內(nèi)的預(yù)載荷最大,并且導(dǎo)致要求中央支承部結(jié)構(gòu)上足夠強(qiáng),以能在飛輪靜止時(shí)抵抗預(yù)載荷的力。已知一個(gè)以上的復(fù)合環(huán)被壓到一起并進(jìn)一步安裝在中央支承體上。預(yù)載荷朝向飛輪的中心增大,并隨著被壓在一起的環(huán)的數(shù)目而增大。因此,在飛輪的中央支承部中需要大量材料來抵消預(yù)載荷的力,且接近飛輪中心的這種材料僅非常低效率地增加飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。此外,如果輪轂比復(fù)合環(huán)更剛硬,則當(dāng)飛輪速度增大而預(yù)載荷減小時(shí),所增加的質(zhì)量將導(dǎo)致輪轂中的應(yīng)力管理問題。另外,在現(xiàn)有的系統(tǒng)中,超過復(fù)合環(huán)的最大應(yīng)力率會(huì)導(dǎo)致失效。在上述類型的飛輪中,由于預(yù)載荷,中央支承部在復(fù)合環(huán)上施加向外的力。當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),該力與作用在環(huán)上的離心力的方向相同。然后,當(dāng)輪轂的硬度低于復(fù)合環(huán)時(shí),環(huán)必須足夠堅(jiān)固,以在飛輪以最大速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)抵消預(yù)載荷力和離心力之和。因此,這種類型飛輪的另一問題在于預(yù)載荷降低飛輪的最大轉(zhuǎn)動(dòng)速度。現(xiàn)有系統(tǒng)的另一問題是,如果飛輪被聯(lián)接到例如車輛變速器,則通常需要鍵連接的聯(lián)接器,以使較高的瞬時(shí)扭矩水平(例如當(dāng)快速改變車輛變速器的傳動(dòng)比時(shí),由此需要飛輪來快速地進(jìn)行加速或減速)可以傳遞到飛輪而不會(huì)發(fā)生打滑。在2007年12月7日提交的英國(guó)專利申請(qǐng)0723996. 5中所述類型的飛輪通過提供一種具有驅(qū)動(dòng)傳遞元件和包括質(zhì)量元件的輪緣的飛輪克服了上述限制,其中,通過卷繞件聯(lián)接輪緣和驅(qū)動(dòng)傳遞元件。然而,當(dāng)飛輪以增大速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),這種類型的飛輪期望具有對(duì)飛輪部件中應(yīng)力的指示。英國(guó)專利申請(qǐng)0902840. 8通過使警告或指示器環(huán)包含到飛輪中來提供對(duì)飛輪部件中的應(yīng)力的上述指示。指示器環(huán)能以過盈配合安裝到飛輪,因而,在環(huán)和飛輪之間建立殘余應(yīng)力。過盈配合或預(yù)載荷的水平和環(huán)以及環(huán)所安裝到飛輪上的那部分的相對(duì)硬度選擇成,當(dāng)飛輪以預(yù)定觸發(fā)速度或超過預(yù)定觸發(fā)速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),預(yù)載荷基本上由離心力來克服,從而使環(huán)和支承構(gòu)件至少部分分離。然后,該環(huán)能夠在飛輪上運(yùn)動(dòng),從而引起“不平衡”狀態(tài), 從而導(dǎo)致可探測(cè)到的振動(dòng),這種振動(dòng)作為飛輪部件中的應(yīng)力指示?,F(xiàn)有飛輪的另一問題是需要仔細(xì)調(diào)飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量的平衡。由于儲(chǔ)存于轉(zhuǎn)動(dòng)飛輪中的運(yùn)動(dòng)能量與 2成比例(其中, 是飛輪的角速度),所以增加飛輪的最大轉(zhuǎn)速允許更多能量?jī)?chǔ)存于給定質(zhì)量的飛輪中,并由此增大這種飛輪的儲(chǔ)能密度。然而,當(dāng)轉(zhuǎn)速增大時(shí),組件的平衡變得更重要,如證實(shí)飛輪的結(jié)構(gòu)整體性那樣。此外,平衡飛輪的成本一般隨著所需平衡的精確度而增加。另一個(gè)問題是當(dāng)平衡諸如英國(guó)專利申請(qǐng)0723996. 5和0902840. 8中所述類型的復(fù)合飛輪時(shí),若不嚴(yán)重影響復(fù)合物的結(jié)構(gòu)整體性,則在復(fù)合部件(即,質(zhì)量支承緣)上僅能進(jìn)行有限量的機(jī)加工/處理。由此,這影響了平衡過程的簡(jiǎn)單性,這是因?yàn)楸仨氃谶h(yuǎn)離復(fù)合緣的位置從飛輪去除材料。另一個(gè)問題是用于平衡飛輪的現(xiàn)有方法一般包含從飛輪中機(jī)加工和/或磨削和/ 或鉆出材料。這種對(duì)復(fù)合飛輪的材料進(jìn)行機(jī)加工和/或磨削和/或鉆孔不但會(huì)損壞復(fù)合部件的結(jié)構(gòu)完整性(如前所述),而且此外這種機(jī)加工限制以如下至少兩種方式可獲得的平衡精度。首先,平衡操作的精度受到在機(jī)加工操作過程中飛輪所安裝到的車床主軸的精準(zhǔn)度以及將飛輪質(zhì)量安裝到車床主軸的精度的限制。其次,平衡精度受到能在機(jī)加工/磨削/ 鉆孔過程中去除的材料的最小厚度的限制,這又會(huì)受到操作者的技術(shù)和/或(如果機(jī)加工工具是計(jì)算機(jī)數(shù)值控制的話)數(shù)控機(jī)床的精度的影響。這使情況更為嚴(yán)重,因?yàn)閺娘w輪去除的材料必定是緊密的(以使飛輪儲(chǔ)能密度最大化)。因此,可期望發(fā)現(xiàn)一種用于使這種飛輪簡(jiǎn)單和快速平衡到較高精度的方法。還可期望的是該方法應(yīng)同時(shí)確保飛輪的結(jié)構(gòu)完整性。這種方法將節(jié)約時(shí)間、生產(chǎn)成本、資金成本并還將提高飛輪的性能和可靠性?,F(xiàn)有飛輪有時(shí)構(gòu)造成飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量在含真空的腔室內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。在真空下操作轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量是有利的,因?yàn)樗鼫p小由于空氣阻力(也已知為風(fēng)阻(windage))造成的能量損失。然而,為了將能量傳遞到轉(zhuǎn)動(dòng)的飛輪質(zhì)量?jī)?nèi)并從其中傳遞出,需要聯(lián)接裝置。一些現(xiàn)有飛輪使用穿過真空腔室內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)密封件的轉(zhuǎn)動(dòng)軸,以將扭矩從能量源聯(lián)接到飛輪儲(chǔ)能裝置。但轉(zhuǎn)動(dòng)密封件絕不是完美的,這是因?yàn)樗鼈儾豢杀苊獾匦孤?,并因此需要?lián)接到真空腔室的環(huán)境管理系統(tǒng),從而盡管有泄漏還是可保持真空。此外,密封件隨著時(shí)間推移以及隨轉(zhuǎn)速增大而變得更“易漏”,并且以較高的速度磨損得也更快。因此,使用轉(zhuǎn)動(dòng)密封件是不期望的。這種環(huán)境管理系統(tǒng)的質(zhì)量、體積和成本是不期望的。磁聯(lián)接器可與飛輪一起使用以穿過真空腔室壁傳遞扭矩,由此避免需要轉(zhuǎn)動(dòng)密封件。然而,這種使用永磁體的磁聯(lián)接器的扭矩傳遞力在先前已發(fā)現(xiàn)是不足的。已發(fā)現(xiàn)至少部分是這樣,因?yàn)閷?duì)于給定的磁極強(qiáng)度,在兩轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件的磁極之間穿過的磁通量受到兩構(gòu)件之間的“空氣間隙”的限制。實(shí)際上,空氣間隙包括外部轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件和真空壁之間的空氣間隙、真空壁本身以及真空壁和內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件之間的真空間隙。由于真空腔室壁必須結(jié)構(gòu)上強(qiáng)到足以支承大氣壓,所以它的厚度必定相當(dāng)大,從而導(dǎo)致內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件和外部轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件之間較大的“空氣間隙”?,F(xiàn)有結(jié)構(gòu)應(yīng)通過采用電磁極來克服這種受限的扭矩聯(lián)接能力,以增大磁場(chǎng)強(qiáng)度并由此提高扭矩聯(lián)接能力。然而,使用電磁極需要能量轉(zhuǎn)化,由此減少儲(chǔ)能飛輪的效率(因?yàn)殡姶朋w需要電能來操作它們,這必須從儲(chǔ)存在飛輪中的能量獲得)。此外,與電磁聯(lián)接器相關(guān)的附加控制和功率電子大大增大包括這種電磁聯(lián)接器的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的尺寸和重量,由此還減小這種飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能質(zhì)量密度和體積密度。因此,需要在真空腔室內(nèi)操作的、 將能量聯(lián)接到儲(chǔ)能飛輪內(nèi)并從其中聯(lián)接出的的方法,該方法在質(zhì)量、體積和能量方面是有效的?,F(xiàn)有飛輪的另一問題是盡管飛輪本身應(yīng)能夠以較大角速度轉(zhuǎn)動(dòng),但使飛輪不變地聯(lián)接到能量源或換能器(諸如發(fā)動(dòng)機(jī)或變速器)的驅(qū)動(dòng)軸和在真空腔室之外的相關(guān)部件由于空氣阻力(或“風(fēng)阻”)而受到損耗。磁力傳動(dòng)裝置使用磁體(例如永磁體)陣列和固定極片來在例如驅(qū)動(dòng)軸的可轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件之間傳遞扭矩。當(dāng)與傳統(tǒng)機(jī)械式傳動(dòng)裝置相比時(shí),它們具有較低的磨損。但它們的扭矩傳遞力取決于磁體相對(duì)彼此的轉(zhuǎn)動(dòng)位置,因此隨著軸轉(zhuǎn)動(dòng)而變化。例如,當(dāng)在圖上關(guān)于角位置繪制扭矩傳遞力時(shí),在扭矩曲線中會(huì)呈現(xiàn)若干波峰和波谷。這已知為“齒槽效應(yīng)”并導(dǎo)致一組不期望的特征。首先,扭矩曲線中的波峰和波谷產(chǎn)生具有隨嚙合位置的可變化的“失步”扭矩的磁力傳動(dòng)裝置。即,在傳動(dòng)裝置將滑出嚙合之前所需的扭矩根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)嚙合位置來變化。因此, 這種用于傳遞給定水平的扭矩的傳動(dòng)組件必須設(shè)計(jì)成如由扭矩曲線中的波谷中的一個(gè)表示的(圖26中示出為約20Nm)最小扭矩聯(lián)接能力比設(shè)計(jì)扭矩處理值大。為此,磁體陣列的尺寸必須適當(dāng)更大,且這還通常導(dǎo)致在某些嚙合位置過度的扭矩聯(lián)接能力,從而表現(xiàn)出低效率。因此,磁體陣列的尺寸通常大于如果扭矩曲線更接近地遵循平均扭矩處理能力所必要的尺寸,由此增加它們的成本和尺寸,并減小包含這種磁力傳動(dòng)裝置的飛輪的儲(chǔ)能密度。此外,由于磁力傳動(dòng)裝置的輸入軸和輸出軸之間的角偏移根據(jù)所施加的扭矩和給定嚙合位置處的扭矩聯(lián)接能力而變化,如果扭矩聯(lián)接能力隨嚙合位置而變化,則這將導(dǎo)致軸中的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。這種扭轉(zhuǎn)振動(dòng)會(huì)減少相關(guān)機(jī)械部件的壽命,和/或可導(dǎo)致失效和/或脫離。如果轉(zhuǎn)速使扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的頻率與機(jī)械系統(tǒng)的共振頻率重合,則這就是特別嚴(yán)重的問題。因此,如果扭矩曲線中的波峰和波谷之間的變化可減小或消除則將是有利的。這將允許使用較小、較便宜的磁體陣列,這是因?yàn)樽钚∨ぞ芈?lián)接能力將大大接近于平均扭矩聯(lián)接能力。軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)也將減小,從而允許使用較便宜、較輕和較小的部件。采用這種較小、較便宜和較輕部件的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)將具有較高的儲(chǔ)能密度。

發(fā)明內(nèi)容
權(quán)利要求書闡明了本發(fā)明。在本發(fā)明的第一方面,提供有如所附權(quán)利要求書的權(quán)利要求1中所限定的用于平衡飛輪的方法。在本發(fā)明的第二方面,提供有如所附權(quán)利要求書的權(quán)利要求16中所限定的裝置。


現(xiàn)將參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例,其中圖1是已知飛輪的示意圖2是本發(fā)明的實(shí)施例的等軸立體圖;圖3是圖2實(shí)施例的剖視圖;圖4是軸的構(gòu)造的視圖;圖5是卷繞方式的詳圖;圖6是軸處卷繞件的視圖;圖7是示出輪緣處另一纏繞方法的視圖;圖8是包含警告環(huán)的飛輪的剖視圖;圖9是圖8實(shí)施例的側(cè)視圖;圖10是包含警告環(huán)的另一實(shí)施例的視圖;圖11是圖10實(shí)施例的側(cè)視圖;圖12是具有警告環(huán)的另一實(shí)施例的視圖;圖13是圖12實(shí)施例的側(cè)視圖;圖14是包含警告環(huán)的另一實(shí)施例的視圖。圖15是構(gòu)造在真空腔室內(nèi)的飛輪的視圖;圖16是圖15的飛輪的剖視圖;圖17a是一種類型的磁聯(lián)接器的視圖;圖17b是具有聯(lián)接元件的磁聯(lián)接器的視圖;圖18a是周轉(zhuǎn)的磁力傳動(dòng)聯(lián)接器的視圖;圖18b是圖18a的聯(lián)接器的一部分的特寫視圖;圖19a到19c是圖18a聯(lián)接器的一部分在其轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過連續(xù)三個(gè)位置時(shí)的連續(xù)視圖;圖20是當(dāng)包含到真空腔室壁中時(shí)諸如圖18a中所示磁聯(lián)接器的剖視圖;圖21是包含交錯(cuò)磁極的磁力傳動(dòng)聯(lián)接器的視圖;圖22是包含交錯(cuò)磁極的周轉(zhuǎn)磁力傳動(dòng)聯(lián)接器的視圖;圖23是包含展開聯(lián)接元件的周轉(zhuǎn)磁力傳動(dòng)聯(lián)接器的視圖;圖M是包含交錯(cuò)聯(lián)接元件和展開聯(lián)接元件的周轉(zhuǎn)磁力傳動(dòng)聯(lián)接器的視圖;圖25是包含周轉(zhuǎn)磁力傳動(dòng)聯(lián)接器的飛輪的剖視圖;圖沈是示出關(guān)于傳動(dòng)裝置嚙合位置的扭矩聯(lián)接能力的兩條曲線的視圖。
具體實(shí)施例方式總體而言,在此所述的裝置和方法涉及一種飛輪能量?jī)?chǔ)存裝置,其中,以慣性有效的方式來使用這種構(gòu)造中所用的材料,且支承結(jié)構(gòu)處于張力作用下,包括質(zhì)量元件的輪緣通過卷繞件在其外表面上保持在位(該卷繞件還經(jīng)過驅(qū)動(dòng)傳遞元件周圍),而不是例如通過壓緊的過盈配合而保持到其內(nèi)表面。在其它實(shí)施例中,支承元件可圍繞輪緣以抵消離心力,并且可設(shè)置諸如軸的扭轉(zhuǎn)適應(yīng)或彈性驅(qū)動(dòng)傳遞元件。卷繞件可以下面所述的許多方式構(gòu)造并還可以被預(yù)張緊。驅(qū)動(dòng)傳遞元件可以是軸,該軸可以是中空的并可以由卷繞的碳纖維來構(gòu)造。輪緣可包括周向支承構(gòu)件(也被稱為支承元件)以及徑向安裝在支承構(gòu)件內(nèi)部的質(zhì)量元件。
在實(shí)施例中,輪緣可由復(fù)合材料,例如經(jīng)卷繞的碳纖維和樹脂構(gòu)造成。質(zhì)量元件可以是被按壓到或模制到加強(qiáng)元件內(nèi)的環(huán)。替代地,質(zhì)量元件可包括一個(gè)或多個(gè)高密度元件,這些元件可連接成串、通過模制、鉆孔、按壓包含到輪緣內(nèi)或者粘性附連于加強(qiáng)元件的內(nèi)部。驅(qū)動(dòng)傳遞元件例如可以是中空的軸,且可以由經(jīng)卷繞的碳纖維復(fù)合物構(gòu)成。復(fù)合物可以卷繞有纖維,這些纖維沿設(shè)置成使軸的彎曲和軸的扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致纖維長(zhǎng)度變化的方向來定向,因此,這些變形受到纖維抵抗長(zhǎng)度上變化這一自然趨勢(shì)的阻礙。因此,軸可以成形為順應(yīng)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。警告環(huán)或指示器環(huán)能夠安裝至飛輪輪緣,且飛輪能設(shè)置成警告環(huán)和其它部件中的一個(gè)相對(duì)于另一個(gè)在足夠量的離心力作用下運(yùn)動(dòng)、擴(kuò)大、收縮、變形或扭曲。這會(huì)例如通過使組件不平衡而影響組件的轉(zhuǎn)動(dòng),這可被監(jiān)測(cè)或探測(cè)到以提供過載的指示。因?yàn)轱w輪包含有警告環(huán)或指示器環(huán)以在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不同地運(yùn)轉(zhuǎn),所以當(dāng)飛輪到達(dá)不期望的轉(zhuǎn)動(dòng)速度時(shí),探測(cè)器可探測(cè)到不同表現(xiàn)的結(jié)果,例如飛輪中的不平衡。指示器環(huán)可以過盈配合安裝到飛輪,并且由支承構(gòu)件或由驅(qū)動(dòng)傳遞元件(例如, 軸)來支承。該環(huán)可由周向卷繞的纖維(例如,碳纖維)構(gòu)造成,或者可以是其它具有足夠環(huán)繞強(qiáng)度的材料,其環(huán)繞強(qiáng)度使其能夠在最大設(shè)計(jì)飛輪速度下進(jìn)行不失效地轉(zhuǎn)動(dòng),并具有如下面進(jìn)一步所述的合適的硬度。當(dāng)環(huán)被安裝至支承構(gòu)件時(shí),該環(huán)可徑向設(shè)置在支承構(gòu)件的外側(cè)或內(nèi)側(cè)。當(dāng)該環(huán)徑向設(shè)置在支承構(gòu)件的內(nèi)側(cè)時(shí),環(huán)具有比支承構(gòu)件大或基本上相同的硬度。當(dāng)該環(huán)徑向設(shè)置在支承構(gòu)件的外側(cè)時(shí),環(huán)具有比支承構(gòu)件小或基本上相同的硬度。 支承構(gòu)件包括周向卷繞的纖維,例如碳纖維。當(dāng)環(huán)被安裝到驅(qū)動(dòng)傳遞元件(例如,軸)時(shí), 該環(huán)具有比驅(qū)動(dòng)傳遞元件小或基本相同的硬度。過盈配合導(dǎo)致在飛輪處于閑置時(shí)環(huán)及其安裝件(例如,支承元件)之間產(chǎn)生預(yù)載荷。預(yù)載荷的水平和環(huán)以及環(huán)的安裝件的相對(duì)硬度選擇成,當(dāng)飛輪在預(yù)定觸發(fā)速度或超過預(yù)定觸發(fā)速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),由離心力基本上克服預(yù)載荷,從而使環(huán)和支承構(gòu)件分離。一般來說, 較小硬度的部件將傾向于比硬度大的元件伸展和“增大”得更多。但顯然,在環(huán)及其安裝件具有基本上相同硬度的情況下,兩部件將仍傾向于在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)分離,這是因?yàn)楦蟮牧ψ饔糜谠陔x開轉(zhuǎn)動(dòng)軸線更大半徑處的部件??梢韵鄳?yīng)地調(diào)節(jié)徑向位置和材料硬度的組合,以在期望的預(yù)定速度下達(dá)到分離。預(yù)定速度選擇成比預(yù)期飛輪將要失效的速度低。環(huán)通過壓配合而裝配至其安裝件,這導(dǎo)致在過盈配合的邊界處產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力分布。參見圖2和7,為了有效地提供較大慣量,包括質(zhì)量元件(10)的輪緣(50)設(shè)置在離開提供中心轉(zhuǎn)動(dòng)軸線00)的諸如軸(60)的驅(qū)動(dòng)傳遞元件、相比于飛輪(30)的尺寸來說相對(duì)較大的半徑處,該質(zhì)量元件(10)例如包括相對(duì)較重材料的環(huán)。質(zhì)量元件(10)具有較高密度以有效提供慣量。合適的材料也可以是鉛或鋼之類,但也可使用其它材料。當(dāng)飛輪 (30)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),質(zhì)量元件(10)受到由離心力引發(fā)的應(yīng)力。外周向支承構(gòu)件00)位于質(zhì)量元件的徑向外側(cè)。支承構(gòu)件GO)具有較高的環(huán)箍強(qiáng)度并能抵消當(dāng)飛輪(30)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)作用于質(zhì)量元件(10)的離心力。支承構(gòu)件GO)較佳是碳纖維復(fù)合物、沿周向卷繞,以賦有較高的環(huán)箍強(qiáng)度。在所示實(shí)施例中,支承構(gòu)件GO)以較小的過盈配合的預(yù)載荷被壓到質(zhì)量元件(10)上,因而,兩者被有效連結(jié),從而形成輪緣(50)。 僅需較小的預(yù)載荷,這是因?yàn)楫?dāng)飛輪靜止時(shí),預(yù)載荷僅起到以過盈配合方式將兩元件保持
7在一起的作用。替代地,兩者可通過粘結(jié)劑或類似物來連結(jié)。對(duì)質(zhì)量更為有效的布置,從而使質(zhì)量集中在飛輪的輪緣附近,使得對(duì)于給定的能量?jī)?chǔ)存能力來說飛輪更輕。盡管在圖2 中所示的質(zhì)量元件示出為連續(xù)環(huán),但替代地它也可以是分離的環(huán)段或可以是分立的質(zhì)量的元件。例如,在圖7中示出另一結(jié)構(gòu),其中,質(zhì)量可插入或模制到支承構(gòu)件00)內(nèi),作為環(huán)或作為分立的元件而插入或模制到支承構(gòu)件GO)中的容納孔內(nèi)。參見圖2、5和6,卷繞件將輪緣(50)聯(lián)接到軸(60)。卷繞件構(gòu)造成它由從軸(60) 延伸到輪緣(50)的基本上或部分徑向部分(80)和圍繞輪緣(50)延伸的基本上軸向部分 (90)構(gòu)成。在所示實(shí)施例中,卷繞件是以如下的卷繞操作過程進(jìn)行卷繞的細(xì)絲徑向部分從軸(60)到輪緣(50),軸向部分在輪緣(50)上,以形成“系帶/吊索(sling)”,然后徑向部分以重復(fù)方式從輪緣(50)返回到軸(60)。在某些但不必在所有反復(fù)的卷繞操作之間,卷繞件(87)可至少部分地經(jīng)過軸(60)的圓周周圍。卷繞件(80,90)將在離心力作用下隨輪緣(50)增大而略微伸展,并將在輪緣(50)上施加反作用力。由此,卷繞件(80,90)幫助輪緣(50)的支承構(gòu)件00)抵抗作用于質(zhì)量元件(10)的離心力并有助于抵抗輪緣(50)的徑向增大。卷繞件(80,90)可以由包括碳、玻璃纖維、凱夫拉爾、柴隆(Zylon)或尼龍的纖維構(gòu)成,或者可以在較小的應(yīng)力場(chǎng)合中由金屬絲構(gòu)成。由此,不需要諸如中央支承部或輪輻的較重的安裝結(jié)構(gòu)。在質(zhì)量元件包括易延展或可鍛材料的實(shí)施例中,支承構(gòu)件(10)和卷繞件(80,90) 可以在制造期間通過下述方法進(jìn)行預(yù)張緊飛輪以文中上述的方式進(jìn)行組裝,而驅(qū)動(dòng)傳遞元件(60)和輪緣(50)通過卷繞件來聯(lián)接,輪緣(50)包括質(zhì)量元件(10)和外支承構(gòu)件 00)。在該階段,不需要或需要極少的向內(nèi)的預(yù)載荷。然后,飛輪以足夠快的角速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn),以使質(zhì)量元件(10)上的離心力足以使飛輪屈服并且比其最終的抗拉強(qiáng)度小。由此,質(zhì)量元件(10)向外屈服且其圓周增大。質(zhì)量元件(10)圓周的增大導(dǎo)致質(zhì)量元件(10)和支承構(gòu)件GO)之間可靠的過盈配合,由此使支承構(gòu)件GO)伸展和預(yù)張緊并且還使卷繞件(80, 90)伸展和預(yù)張緊。質(zhì)量元件(10)具有低到中等的楊氏模量,該楊氏模量比支承構(gòu)件G0) 的小,因而,質(zhì)量元件(10)的在離心力作用下變形的趨勢(shì)比支承構(gòu)件G0)的變形趨勢(shì)大。 這種操作致使支承構(gòu)件00)和卷繞件(80,90)都被預(yù)張緊。這樣,支承構(gòu)件G0)和卷繞件(80,90)都被預(yù)張緊,相比于在增加卷繞件前使質(zhì)量元件(10)以過盈配合的方式配合至支承構(gòu)件(40),這將僅僅致使支承構(gòu)件00)預(yù)張緊。在其它實(shí)施例中,上述方法可用于單獨(dú)使支承構(gòu)件預(yù)張緊。在其它實(shí)施例中,具有極低楊氏模量的材料,諸如鉛,構(gòu)成質(zhì)量元件(10)。使用諸如水銀的較高密度的液體可產(chǎn)生其中質(zhì)量元件(10)為自平衡的飛輪。支承構(gòu)件G0)將質(zhì)量元件(10)限制在支承構(gòu)件00)徑向內(nèi)側(cè)。包括質(zhì)量元件(10)的所使用的合適的易延展或可鍛材料具有相比于它們屈服強(qiáng)度的第一點(diǎn)較大的最終抗拉強(qiáng)度,從而形成足夠大的易延展區(qū)域,以在上面詳述的制造操作期間超過材料的屈服點(diǎn),而沒有超過材料的最終抗拉強(qiáng)度的風(fēng)險(xiǎn)。屈服強(qiáng)度比最終抗拉強(qiáng)度之比接近1 2。用于質(zhì)量元件(10)的材料還具有第一屈服點(diǎn),該屈服點(diǎn)足夠低以使其可在中等的飛輪速度下被超過,從而避免飛輪其它部分的失效,這種部件例如是外支承構(gòu)件G0)和卷繞件(80,90)。材料還具有如下特性,即,使產(chǎn)生預(yù)加載過程的離心力引起質(zhì)量元件(10)的足夠大的周向變形,以使支承構(gòu)件G0)和卷繞件(80,90)的所產(chǎn)生的變形導(dǎo)致預(yù)載荷,當(dāng)飛輪以在正常操作期間遇到的典型轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),該預(yù)載荷顯著抵消作用于質(zhì)量元件(10)的離心力。在質(zhì)量元件(10)使用上述方法不延展又不被預(yù)加載的實(shí)施例中,質(zhì)量元件的最終抗拉強(qiáng)度較優(yōu)地接近于支承構(gòu)件GO)的最終抗拉強(qiáng)度,且質(zhì)量元件(10)的屈服強(qiáng)度盡可能接近支承構(gòu)件GO)的最終抗拉強(qiáng)度。參見圖5,可選擇卷繞部分(80)從軸(60)到輪緣(50)的角度,以決定軸(60)和輪緣(50)之間的扭矩傳遞特性。所用的角度可在i)切向于軸的圓周以及ii)垂直于軸的圓周之間選擇。接近于相對(duì)于軸(60)的垂直角的經(jīng)選擇的角度將增大由卷繞件(80)對(duì)抵消作用于質(zhì)量元件GO)的離心力所作的貢獻(xiàn)。接近于切向于軸(60)的經(jīng)選擇的角度將增大卷繞件(80)在軸(60)和輪緣(50)之間傳遞扭矩的能力。可以選擇在上述角度范圍內(nèi)的折衷角度,以優(yōu)化由卷繞件所作的貢獻(xiàn)。由于卷繞件(80,90)僅能夠在張緊時(shí)傳遞扭矩, 因此徑向的卷繞部分(80)可沿順時(shí)針(8 和逆時(shí)針(86)方向設(shè)置,因而,根據(jù)飛輪在加速還是在減速,順時(shí)針(8 或逆時(shí)針(86)的卷繞部分受拉。還可以改變圍繞設(shè)有卷繞件的軸的軸向位置,以改變抗拉支承的強(qiáng)度。參見圖2,卷繞件(80,90)的繞圈數(shù)以及由此該卷繞件的強(qiáng)度可變化。同樣,可變化碳支承構(gòu)件GO)內(nèi)的纖維的繞圈數(shù),以改變其強(qiáng)度。由于抵抗作用于質(zhì)量元件(10)的離心力的反作用是來自支承構(gòu)件GO)和卷繞件(80,90)組合的反作用,因此來自它們中每一個(gè)的相關(guān)貢獻(xiàn)可通過改變卷繞件(80,90)內(nèi)的繞圈數(shù)和支承構(gòu)件G0)內(nèi)的繞圈數(shù)來變化。一方面,支承構(gòu)件G0)可被完全移除,由此僅通過卷繞件(80,90)抵消作用于質(zhì)量元件的離心力。此外,卷繞件可連續(xù)圍繞整個(gè)圓周延伸,或者可以由沿周向在各個(gè)纖維或各組纖維之間的間隙來中斷,從而提供“像輪輻”的結(jié)構(gòu)。例如,在質(zhì)量元件是多個(gè)分立元件的情況下,輪緣處的卷繞件(90)可與分立的質(zhì)量元件對(duì)準(zhǔn)。參見圖3,輪緣(50)至少暫時(shí)由可以是軸(60)的驅(qū)動(dòng)傳遞元件上的支架部分 (70)來支承。支架部分較佳地由輕質(zhì)材料構(gòu)成,以減小總體飛輪質(zhì)量并將質(zhì)量聚集在周界處。支架部分可例如由木、蠟、樹脂或其它輕質(zhì)材料制成。支架部分允許輪緣安裝在驅(qū)動(dòng)傳遞元件上,而在制造期間施加卷繞件。支架部分可以在卷繞件被施加到輪緣和驅(qū)動(dòng)傳遞元件之后借助于腐蝕、溶解、融化或升華來移除或可移除。對(duì)比于輪緣,卷繞件和支架部分相對(duì)較輕,由此飛輪可構(gòu)造有輪緣,該輪緣包括質(zhì)量元件,因而,飛輪的大部分質(zhì)量靠近慣量上最有效的輪緣。支架部分(70)可以粘膠到軸 (60)和/或輪緣(50)。參見圖4,軸(60)可以是實(shí)心的,但較佳為中空的,以減小其質(zhì)量。軸(60)較佳為碳纖維復(fù)合物,其編織成扭轉(zhuǎn)適應(yīng)且軸向剛硬。但軸可以由諸如玻璃纖維、鋼、鈦、其它金屬或復(fù)合物的其它材料制成。在纖維復(fù)合軸的情況下,可以變化纖維的編織方式,以影響抵抗彎曲和扭轉(zhuǎn)的程度并良好地調(diào)節(jié)軸的扭轉(zhuǎn)順應(yīng)性。軸可以具有按壓或膠粘到其上的一個(gè)或多個(gè)支承表面(6 。一個(gè)或多個(gè)支承表面(6 還可包含驅(qū)動(dòng)聯(lián)接器(66)或者單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)聯(lián)接器可膠粘或按壓到軸上。軸的扭轉(zhuǎn)順應(yīng)性對(duì)限制驅(qū)動(dòng)聯(lián)接器處的峰值扭矩水平有效果,因此允許使用具有比鍵連接的驅(qū)動(dòng)聯(lián)接器的峰值扭矩處理能力低的驅(qū)動(dòng)聯(lián)接器,例如摩擦或磁性聯(lián)接器。通過參見附圖3和6可進(jìn)一步理解飛輪的制造。卷繞件(80,90)可通過“濕卷繞”過程來成形,由此例如使用樹脂或粘合劑來提供連結(jié)。形成卷繞件(80,90)的纖維可浸漬有樹脂或粘合劑,并且可在樹脂或粘合劑還“濕”時(shí)卷繞,即,樹脂或粘合劑還處于未固化的狀態(tài)下。替代地,支承構(gòu)件GO)可在形成卷繞件(80,90)的過程前或期間涂敷有樹脂和粘合劑,以使卷繞件(80,90)粘附于支承構(gòu)件00)。類似地,軸(60)可在卷繞過程前或期間涂敷有樹脂和粘合劑,以使卷繞件(80,90)粘附于軸(60)。這些技術(shù)增強(qiáng)軸(60)和輪緣 (50)之間的扭矩傳遞。替代地,可使用卷繞件(80,90)、軸(60)以及輪緣(50)之間的過盈配合。參見圖7,卷繞件(80,90)和支承構(gòu)件00)在下文中被描述為分離的卷繞元件。 然而,可以通過例如使卷繞件(80,90)的繞圈和支承構(gòu)件GO)的繞圈交叉/交織來組合兩個(gè)元件。還可首先形成支承構(gòu)件(40)、形成穿過支承構(gòu)件的孔(45),然后形成具有穿過支承構(gòu)件GO)內(nèi)的孔05)的卷繞部分(80,90)的卷繞件(80,90)。支承構(gòu)件00)的形狀可以是半球形或拋物線形,以將應(yīng)力分布在卷繞件(90)的與支承構(gòu)件00)接觸的部分上。 任何光滑的截面輪廓形狀都被設(shè)想為合適的。參見圖2和5,在輪緣處的卷繞部分(80,90)之間留有空間,因而進(jìn)入支架部分 (70)的通路被保留。支架部分(70)可以在已形成纏繞件(80,90)之后保留在位或可以通過爆破、腐蝕、溶解、融化或升華來移除。支架部分可例如由陶瓷、樹脂、蠟、樹脂或其它能夠進(jìn)行該操作的材料制成。移除支架部分(70)將產(chǎn)生更輕的飛輪,該飛輪具有更低比例的慣性效率低的質(zhì)量。由于去除了支架部分,卷繞件提供用于支承驅(qū)動(dòng)傳遞元件上輪緣的唯一實(shí)質(zhì)裝置。在替代的方法中,飛輪可構(gòu)造有周向支承構(gòu)件,這些支承構(gòu)件提供環(huán)繞強(qiáng)度,但使用傳統(tǒng)的中央支承部而不是卷繞件來安裝環(huán)。使用時(shí),飛輪可安裝在車輛中或?yàn)榱藘?chǔ)存能量或諸如穩(wěn)定作用的其它目的的任何其它合適的設(shè)置中,并且適當(dāng)?shù)亟?jīng)由驅(qū)動(dòng)傳遞元件與諸如電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)的提供驅(qū)動(dòng)或接收驅(qū)動(dòng)的部件聯(lián)接或脫開聯(lián)接參見圖8和9,這些圖示出具有警告環(huán)或指示器環(huán)(800)的飛輪(30)的第一個(gè)實(shí)施例,可以看到警告環(huán)(800)安裝在支承構(gòu)件GO)的外圓周上。警告環(huán)(800)使用過盈配合安裝在支承構(gòu)件G0)的徑向外側(cè),并且通常被按壓在位。當(dāng)飛輪(30)閑置時(shí),警告環(huán) (800)和支承構(gòu)件00)之間的過盈配合導(dǎo)致這兩個(gè)部件之間的預(yù)加載力。將警告環(huán)(800) 組裝到支承構(gòu)件G0)導(dǎo)致在兩者之間的殘余非均勻應(yīng)力。卷繞件(80)經(jīng)過警告環(huán)(800)、 支承構(gòu)件G0)和質(zhì)量元件(10)周圍。飛輪被仔細(xì)地調(diào)平衡,以避免在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)。在制造期間,在組裝警告環(huán)后進(jìn)行平衡操作,因而,在警告環(huán)在位的情況下使飛輪平衡。如圖8和9中所示,卷繞件(80)經(jīng)過警告環(huán)(800)和支承構(gòu)件00)周圍。因此, 卷繞件傾向于保持警告環(huán)(800)與支承構(gòu)件G0)接觸,從而抵消警告環(huán)離開支承構(gòu)件G0) 而增大的趨勢(shì)。然而,通過適當(dāng)選擇警告環(huán)(800)、卷繞件(80)和支承構(gòu)件00)的硬度,可以確保警告環(huán)(800)能夠在離心力作用下徑向離開支承構(gòu)件GO)(即,增大)運(yùn)動(dòng)。在其它實(shí)施例中(諸如圖10和11中所示),警告環(huán)(800)被按壓到支承構(gòu)件G0)的外側(cè)上并且在卷繞件(80)的徑向外側(cè)上。在圖8至11中所示的實(shí)施例中,警告環(huán)(800)具有比支承構(gòu)件00)低的楊氏模量(剛性更低),因而,在操作中當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),警告環(huán)(800)(在離心力作用下)徑向上增大比支承構(gòu)件GO)更多的量,從而在離心力到達(dá)足夠量時(shí)導(dǎo)致分離。在卷繞件經(jīng)過警告環(huán) (800)周圍的圖8和9中所示的實(shí)施例中,卷繞件(80)連同警告環(huán)(800)的硬度足夠低,因而,在飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)卷繞件(80)和警告環(huán)(800)比支承構(gòu)件GO)增大得更多。警告環(huán)(800) 僅需是相比于支承構(gòu)件GO)具有相對(duì)較低強(qiáng)度的輕質(zhì)環(huán),這是因?yàn)榫姝h(huán)(800)實(shí)質(zhì)上不支承質(zhì)量元件(10)。警告環(huán)的擴(kuò)大導(dǎo)致警告環(huán)(800)和支承構(gòu)件00)之間預(yù)載荷的釋放。在觸發(fā)轉(zhuǎn)動(dòng)速度或離心力大小下(由過盈配合的預(yù)載荷的量以及警告環(huán)與支承元件之間的相對(duì)硬度來預(yù)先確定),克服預(yù)載荷,且警告環(huán)(800)和支承構(gòu)件GO)至少部分分離??赡軙?huì)不均勻地發(fā)生分離,這是因?yàn)檫^盈配合在過盈配合的邊界處具有不均勻的應(yīng)力分布,從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量中的運(yùn)動(dòng)偏離中心以及不平衡。此外,警告環(huán)(800)和支承構(gòu)件00)之間殘余的不均勻應(yīng)力至少部分地通過警告環(huán)(800)相對(duì)于支承構(gòu)件G0)的運(yùn)動(dòng)來釋放。這種運(yùn)動(dòng)使(在制造期間被仔細(xì)地調(diào)平衡的)飛輪至少略微不平衡。由殘余應(yīng)力的釋放引起的不平衡是永久的(即,不平衡是永久的,除非后來至少部分地重新制造飛輪,例如通過至少執(zhí)行使飛輪重新平衡的步驟以及選擇性地,在重新平衡前,執(zhí)行移除警告環(huán)以及將其重新安裝到支承元件上的步驟,以使殘余的非均勻應(yīng)力被恢復(fù),由此,恢復(fù)如果預(yù)載荷被再次克服則飛輪擺脫平衡的能力)并且可以被認(rèn)為是已觸發(fā)的機(jī)械“保險(xiǎn)絲(fuse)”的根據(jù)。所造成的不平衡在飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)引起振動(dòng),且可通過振動(dòng)傳感器探測(cè)到振動(dòng),以給出飛輪超速的指示,該指示與例如由飛輪速度傳感器得出的任何指示是分開的。合適的振動(dòng)傳感器的例子是壓電加速計(jì)。因此,即使主飛輪速度傳感器發(fā)生故障,對(duì)過度飛輪速度提供分開的和獨(dú)立的指示。此外,永久的指示使得示出飛輪在某些位置超出其設(shè)計(jì)速度運(yùn)轉(zhuǎn)并由此可能將來在某些位置失效。在圖10和11中所示的第二實(shí)施例中,警告環(huán)經(jīng)過卷繞件(80)的外側(cè)并且相應(yīng)地選擇其相對(duì)硬度以提供相同的效果。在另一實(shí)施例中,如圖12和13中所示,警告環(huán)(800)以過盈配合的方式安裝在支承構(gòu)件G0)的徑向內(nèi)側(cè)。在此實(shí)施例中,質(zhì)量元件(10)插設(shè)在支承構(gòu)件G0)和警告環(huán) (800)之間,但在其它實(shí)施例中,可如前所述包含到支承構(gòu)件G0)內(nèi)或警告環(huán)可插設(shè)在質(zhì)量元件(10)和支承構(gòu)件00)之間。在這些其它的實(shí)施例中,警告環(huán)(800)具有比支承構(gòu)件G0)高的楊氏模量(更剛硬)。在操作中,當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),支承構(gòu)件00)徑向增大(在離心力的作用下)比警告環(huán)(800)的增大更多的量。類似于前述實(shí)施例,警告環(huán)(800)和支承構(gòu)件00)之間的預(yù)載荷由離心力克服,從而使警告環(huán)(800)能夠運(yùn)動(dòng)。當(dāng)支承構(gòu)件G0)徑向增大到支承構(gòu)件內(nèi)的空間大于警告環(huán)(800)的外徑時(shí),警告環(huán)(800)能夠離開支承構(gòu)件G0)內(nèi)的中心運(yùn)動(dòng),從而導(dǎo)致不平衡。此外,在不均勻的殘余應(yīng)力的影響下(由制造期間的壓配組裝操作而殘余的,由此,警告環(huán)被壓入支承元件的中心內(nèi)),致使當(dāng)由離心力克服預(yù)載荷時(shí),警告環(huán) (800)在支承元件內(nèi)運(yùn)動(dòng),由此使飛輪永久不平衡,從而引起振動(dòng)。如上所述,可以通過傳感器探測(cè)到振動(dòng)并用作警告指示。在另一實(shí)施例中,警告環(huán)(800)以產(chǎn)生預(yù)載荷的過盈配合方式被壓配到驅(qū)動(dòng)傳遞元件(例如,軸)。如上所述,飛輪被仔細(xì)地調(diào)平衡。軸(60)比警告環(huán)(800)更剛硬,且在飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)警告環(huán)在徑向上比軸增大得更多。在預(yù)定的速度下克服預(yù)載荷,從而使警告環(huán)(800)能夠在軸上運(yùn)動(dòng),這引導(dǎo)在機(jī)械失效前可被探測(cè)到的不平衡。在飛輪速度超過觸發(fā)速度時(shí)有意產(chǎn)生的不平衡以及對(duì)由此引起的振動(dòng)的探測(cè)如上所述提供一種警告,即,飛輪正在或者已經(jīng)超出其最大安全工作速度地運(yùn)轉(zhuǎn)。這種警告可與主飛輪速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分開確定,并由此在主速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)失效時(shí)提供對(duì)于飛輪超速的第二失效保護(hù)指示。將注意到,過載的探測(cè)可通過在探測(cè)器處設(shè)定告知過載的不平衡水平或者通過修改警告環(huán)和/或其它輪緣部件及其組合的相對(duì)特性來觸發(fā)。系統(tǒng)可以標(biāo)定成在所有或部分警告環(huán)脫開時(shí)或在相對(duì)的運(yùn)動(dòng)/尺寸的改變足以形成可脫開或超過閾值的不平衡時(shí)指示過速。警告環(huán)(800)由卷繞件(80)圍住的實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于,如果飛輪以比觸發(fā)速度高的速度工作,從而使警告環(huán)從支承構(gòu)件GO)松開,則警告環(huán)(800)包含在卷繞件(80)內(nèi), 進(jìn)而不會(huì)有警告環(huán)(800)完全脫開的危險(xiǎn)。將會(huì)看到由于上述構(gòu)造,因此可提供一種更強(qiáng)、更安全和更有效的飛輪?,F(xiàn)在描述一種平衡這種飛輪的方法。參見圖15,飛輪(30)可置于真空腔室(1550) 內(nèi)。在真空下操作飛輪是有利的,這是因?yàn)樗鼫p小與空氣阻力(或“風(fēng)阻”)相關(guān)的摩擦損失/過熱。飛輪緣(50)不可避免地具有表面不規(guī)則部(1630),這些不規(guī)則部由于在飛輪制造過程在飛輪上進(jìn)行的平衡操作中和/或在用于構(gòu)造飛輪的方法中的不適當(dāng)造成。業(yè)已發(fā)現(xiàn),如前所述,這些不規(guī)則部將導(dǎo)致飛輪(30)的不完美的轉(zhuǎn)動(dòng)平衡。在所示實(shí)施例中,飛輪通過軸承支承于真空腔室(1550)內(nèi),因而,飛輪能夠在真空腔室內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。真空腔室是能夠抵抗由大氣壓和真空腔室內(nèi)壓力之間的壓力差所施加的力的密封腔室。真空腔室壁的厚度作成足以使其有足夠強(qiáng)度來支承大氣壓抵抗腔室內(nèi)部的真空。真空腔室包括氣體入口(1520)和氣體出口(1510)中的至少一個(gè)??蛇x擇地,氣體入口和氣體出口組合成一個(gè)端口。每個(gè)氣體入口和氣體出口都與真空腔室的內(nèi)部連通。聯(lián)接器(1566,1567)由第一構(gòu)件和第二構(gòu)件構(gòu)成并設(shè)置成聯(lián)接可轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸 (1570)和飛輪軸(60)之間的扭矩。第一構(gòu)件(1566)聯(lián)接到飛輪軸(60),而第二構(gòu)件 (1567)聯(lián)接到驅(qū)動(dòng)軸(1570)。飛輪軸(60)支承于軸承上并借助于諸如之前已述的手段連接到飛輪緣(50)。飛輪緣(50)由復(fù)合材料構(gòu)成,其較佳地通過制造過程中的機(jī)加工、鉆孔或磨削來仔細(xì)調(diào)平衡。此實(shí)施例中的飛輪緣(50)是使用前述周向卷繞纖維和樹脂所構(gòu)造的復(fù)合物。飛輪緣通過徑向纖維聯(lián)接到軸(60),因而,扭矩可從飛輪軸(60)傳遞到飛輪緣 (50)。驅(qū)動(dòng)軸(1570)通過軸承支承于真空腔室之外并可轉(zhuǎn)動(dòng)。飛輪軸(60)和驅(qū)動(dòng)軸(1570)被支承為兩個(gè)聯(lián)接構(gòu)件(1566,1567)設(shè)置成緊靠布置在兩者之間的真空外殼 (1550)的壁。這兩個(gè)構(gòu)件設(shè)置成使聯(lián)接構(gòu)件(1566,1567)和真空腔室壁(1550)之間的“空氣間隙”最小。術(shù)語“空氣間隙”一般用于描述聯(lián)接器的兩個(gè)構(gòu)件(1566,1567)之間的總間隙。真空腔室可以任何通常已知的方式構(gòu)造,例如,鑄造、機(jī)加工等。參見圖16,閥(1610,1620)包含到或附連于出口 (1510)和入口 (1520)。操作時(shí), 閥能打開或關(guān)閉以可選擇地使真空腔室(K50)的內(nèi)部相對(duì)大氣密封,或者允許真空腔室 (1550)的內(nèi)部和大氣之間的連通。出口可在使用時(shí)連接到真空泵(未示出)。使用時(shí),真空腔室通過關(guān)閉入口閥(1620)而相對(duì)大氣密封,以使處于大氣壓的入口(1520)與真空腔室(1550)的內(nèi)部隔離開。出口閥通常連接到能夠產(chǎn)生較高真空或高度真空的真空泵。出口閥(1610)被打開以允許連接到真空泵的出口(1510)與真空腔室 (1550)的內(nèi)部連通。然后,真空泵運(yùn)行直到真空腔室(1550)包含高度真空為止。較佳地, 該真空度優(yōu)于lmbar,通常為l(T2mbar。然后,飛輪(30)通過經(jīng)由聯(lián)接器(1566,1567)將扭矩從驅(qū)動(dòng)軸(1570)施加到飛輪軸(60)而轉(zhuǎn)動(dòng)。這又使飛輪緣(50)轉(zhuǎn)動(dòng)。飛輪以如此速度轉(zhuǎn)動(dòng),即,輪緣(50)表面以超過聲速(馬赫數(shù)為1)的速度運(yùn)動(dòng)。飛輪表面速度也被稱為 “外圓速度”。在此操作之前,如前所述,飛輪將通過諸如磨削、鉆孔或機(jī)加工的機(jī)械操作來平衡到實(shí)際允許的盡可能高的程度(在成本限制之內(nèi))或至少高到有必要使飛輪能夠以沒有機(jī)械失效危險(xiǎn)的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。接下來,當(dāng)飛輪以至少馬赫數(shù)為1的周界速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),入口閥(1620)被打開,以允許一定量的氣體進(jìn)入真空腔室。該氣體較佳是諸如氮?dú)獾姆腔钚詺怏w,并較佳是干燥氣體, 即,它不包含大量的水蒸氣,以避免將濕氣引入組件中。如果氣體不是普通空氣,則入口將首先需要連接到所述氣體的合適的供給裝置。允許進(jìn)入的氣體量足以使真空大幅減小到基本上高于IO-1Hibar的壓力,例如高到0. 5bar。Ibar將可良好地運(yùn)行。已發(fā)現(xiàn)氣體進(jìn)入的速率并不重要。當(dāng)氣體被允許進(jìn)入真空腔室(1550)時(shí),沖擊波建立在表面不規(guī)則部(1630)和真空腔室(1550)壁之間的空氣內(nèi)。沖擊波和表面不規(guī)則部(1630)和氣體之間的摩擦起到汽化、熔化、升華、侵蝕或腐蝕表面不規(guī)則部(1630)的作用,以減小它們的尺寸并由此使飛輪 (30)的平衡度改進(jìn)到通過單獨(dú)機(jī)加工、鉆孔或磨削可獲得的較高平衡度。此外,飛輪通常以最大安全操作速度而設(shè)計(jì)。在制造過程中,這種飛輪必須被證實(shí)可抵抗它所設(shè)計(jì)的最大轉(zhuǎn)速。這通常通過使飛輪以等于設(shè)計(jì)速度乘以2的平方根的速度來轉(zhuǎn)動(dòng)。特別是在復(fù)合飛輪構(gòu)造類型中,它可確實(shí)確保如果飛輪經(jīng)受在此較高速度下的轉(zhuǎn)動(dòng), 則它將在其壽命持續(xù)的時(shí)間段中總是可以經(jīng)受以設(shè)計(jì)速度運(yùn)轉(zhuǎn)。將這種證實(shí)操作與上述平衡操作結(jié)合起來也是有利的。已發(fā)現(xiàn)氣體被允許進(jìn)入的速率并不重要。在允許氣體進(jìn)入之后,允許飛輪慢慢靜止,但繼續(xù)以至少馬赫數(shù)為1的外圓速度轉(zhuǎn)動(dòng)約10到60秒,通常為15秒。這已發(fā)現(xiàn)對(duì)于去除表面不規(guī)則部同時(shí)避免飛輪緣過熱來說足夠久了。飛輪靜止下來所需的時(shí)間在一個(gè)實(shí)施例中為約3分鐘。氣體密度在整個(gè)真空腔室中并不均勻。非活性氣體是較佳的,以避免氣體與飛輪部件反應(yīng)。當(dāng)飛輪以超出馬赫數(shù)為1的外圓速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),產(chǎn)生的超音速?zèng)_擊波產(chǎn)生比使用亞音速飛輪速度好得多的平衡效果。在實(shí)施例中,期望使用例如磁聯(lián)接器以避免需要隔離真空的轉(zhuǎn)動(dòng)密封件。圖17a 示出用于聯(lián)接兩個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)軸(60,1570)的現(xiàn)有技術(shù)的磁聯(lián)接器。每根軸都聯(lián)接到包括交替磁極陣列的聯(lián)接構(gòu)件(1766,1767)。兩陣列靠近彼此設(shè)置,因而,磁通量能經(jīng)由空氣間隙 (較佳為盡可能小)從一個(gè)陣列通到另一陣列。因此,扭矩可以有效地從一根軸傳遞到另一根軸。這在飛輪應(yīng)用場(chǎng)合中可以是特別有效的,這是因?yàn)閮蓚€(gè)聯(lián)接元件(1766,1767)不需要接觸來傳遞兩者之間的扭矩。真空腔室(巧50)的壁可置于聯(lián)接元件(1766,1767)之間,由此允許扭矩聯(lián)接在真空腔室(1550)內(nèi)的飛輪(30)與真空腔室外的驅(qū)動(dòng)軸(1570)之間。這允許真空腔室密封而無須使用上述轉(zhuǎn)動(dòng)密封件。在真空下運(yùn)轉(zhuǎn)飛輪是有效的,這是因?yàn)樗苊馀c空氣阻力(“風(fēng)阻”)相關(guān)的損失。因此,如果飛輪以超音速轉(zhuǎn)動(dòng),則這變得更為重要。真空避免由于與空氣的摩擦而產(chǎn)生的超音速?zèng)_擊波和/或過熱。然而,由于真空腔室壁的厚度構(gòu)成聯(lián)接元件(1766,1767)之間空氣間隙的一部分,所以磁通量能夠從一個(gè)聯(lián)接元件到另一個(gè)的容易程度就降低,因此,減小了磁通密度,且由此減小扭矩聯(lián)接能力。下述實(shí)施例解決這個(gè)問題。參見圖17b,聯(lián)接元件(1730)置于聯(lián)接元件(1766,1767)之間。磁聯(lián)接元件 (1730)具有較高的相對(duì)導(dǎo)磁率(超過400),因此在操作時(shí)磁通量容易通過它從第一構(gòu)件 (1766)的磁極(1710,1720)到第二構(gòu)件(1767)的磁極(1740,1750),且反之亦然。聯(lián)接元件“有效地”透過磁場(chǎng)。聯(lián)接元件(1730)是具有較高導(dǎo)磁率的材料,例如軟鐵。聯(lián)接元件 (1730)還應(yīng)具有盡可能高的電阻,以減小感應(yīng)渦流和由于與其相關(guān)的電阻性加熱造成的損失。盡管為了清楚起見示出單個(gè)聯(lián)接元件(1730),但也可將多個(gè)聯(lián)接元件設(shè)置在第一構(gòu)件和第二構(gòu)件(1766,1767)之間。有足夠的聯(lián)接構(gòu)件,以跨越構(gòu)件(1766,1767)的具有最寬間隔開的磁極(1710,1720,1740,1750)的至少兩個(gè)南北磁極對(duì)。聯(lián)接元件之間的空間具有比聯(lián)接元件低得多的導(dǎo)磁率,例如,材料是塑料的。當(dāng)在使用時(shí)如此設(shè)置時(shí),磁通量自每個(gè)構(gòu)件(1766,1767)的磁極起經(jīng)由每個(gè)聯(lián)接元件(1730)聯(lián)接,并且由此扭矩在第一構(gòu)件和第二構(gòu)件(1766,1767)之間聯(lián)接。顯然,使用時(shí),與圖17a中第一構(gòu)件和第二構(gòu)件相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)相反,圖17b的構(gòu)件沿相同方向轉(zhuǎn)動(dòng)。圖17b的第一構(gòu)件和第二構(gòu)件的表面實(shí)際上沿相反方向相對(duì)彼此經(jīng)過。當(dāng)圖17b的聯(lián)接器包含到真空封閉的飛輪應(yīng)用場(chǎng)合中時(shí),聯(lián)接元件(1730)包含到真空腔室(1550)壁內(nèi)。這具有的優(yōu)點(diǎn)是真空腔室壁的厚度并不影響第一構(gòu)件和第二構(gòu)件 (1766,1767)的磁極之間的總“空氣間隙”中??偂翱諝忾g隙”由第一構(gòu)件磁極的表面和真空腔室壁的表面之間的間隙、加上真空腔室壁的厚度、加上真空腔室壁和第二構(gòu)件磁極之間的間隙、減去聯(lián)接元件的厚度而構(gòu)成。因此,聯(lián)接元件大大減小了總空氣間隙。較小的空氣間隙具有較小的磁通阻力,由此,允許使用時(shí)第一構(gòu)件和第二構(gòu)件的磁極之間有較大的磁通密度,并因此允許較大的扭矩聯(lián)接能力。這對(duì)于使用穿過真空腔室壁的磁聯(lián)接器的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)來說是有利的。磁極(1710,1720,1740,1750)是稀土磁體,因?yàn)檫@些對(duì)于給定的磁體材料體積來說具有較高的磁場(chǎng)密度。磁體較小、較輕、較緊湊并能夠傳遞較大扭矩。還發(fā)現(xiàn)稀土磁體能較好抵抗壓縮力并因此適于放置到以高速轉(zhuǎn)動(dòng)的飛輪的內(nèi)周緣上?,F(xiàn)參見圖18a,示出圖17b中所示的磁聯(lián)接器的同心設(shè)置的實(shí)施例。圖18a是示出同心位于第二構(gòu)件(1767)之外的第一構(gòu)件(1766)和同心位于兩者之間的真空外殼(1550) 的剖視圖。聯(lián)接元件(1730)包含在真空外殼(1550)中。在此同心設(shè)置的實(shí)施例中,第一構(gòu)件和第二構(gòu)件相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。和圖17b中的實(shí)施例相同,構(gòu)件表面相對(duì)彼此沿相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于圍繞第一構(gòu)件和第二構(gòu)件之間的真空外殼的周緣均勻間隔的分布來說,所需的聯(lián)接元件的數(shù)目等于第一構(gòu)件(1766)的南/北磁極對(duì)的數(shù)目加上第二構(gòu)件(1767)的南 /北磁極對(duì)的數(shù)目。聯(lián)接元件可限制于圍繞真空外殼的周緣的特定區(qū)域,或者能圍繞周緣均勻分布。在聯(lián)接元件限制于特定區(qū)域的情況下,聯(lián)接元件(1730)相對(duì)彼此間隔開,除了省略一些元件以外,就好像全部數(shù)目的聯(lián)接元件圍繞真空腔室壁等距隔開。定位理想地選擇成聯(lián)接元件圍繞真空腔室壁周緣對(duì)稱定位,以避免產(chǎn)生合力。所需聯(lián)接元件的最小數(shù)目是將跨越第一構(gòu)件和第二構(gòu)件中具有更大磁極間隔的一個(gè)的兩對(duì)南/北磁極對(duì)。這個(gè)最小數(shù)目確保扭矩能在構(gòu)件之間傳遞以及良好地限定第一構(gòu)件和第二構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)的相對(duì)方向。背襯鐵片(backing iron) (1890)設(shè)置在磁極遠(yuǎn)離聯(lián)接元件的那側(cè),以有助于第一構(gòu)件和第二構(gòu)件中的每個(gè)構(gòu)件的共同磁極對(duì)的磁通量的傳遞。此外,背襯鐵片有助于永磁體的耐久的使用壽命。這種同心設(shè)置的磁力變速聯(lián)接器可以使用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)加工技術(shù)和使用如圖17b中所示實(shí)施例所述的材料來構(gòu)造。第一構(gòu)件和第二構(gòu)件(1766,1767)可具有相同的南/北磁極對(duì)數(shù),或者具有不同的南/北磁極對(duì)數(shù)。在所示實(shí)施例中,第二構(gòu)件具有比第一構(gòu)件少的南/北磁極對(duì)數(shù)。操作時(shí),當(dāng)具有南/北磁極對(duì)數(shù)m的第一構(gòu)件(1766)沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),具有南/北磁極對(duì)數(shù)η的第二構(gòu)件(1767)沿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。第二構(gòu)件以相對(duì)于第一構(gòu)件的轉(zhuǎn)速乘以一個(gè)因數(shù)的速度轉(zhuǎn)動(dòng)η除以m。圖18b示出經(jīng)由聯(lián)接元件(1730)在第一構(gòu)件和第二構(gòu)件的磁極之間穿過的磁力線(1880),這些聯(lián)接元件嵌入真空腔室壁(1550)。圖19a到19c示出第一構(gòu)件和第二構(gòu)件經(jīng)過三個(gè)位置的轉(zhuǎn)動(dòng)順序。圖19a示出處于第一位置的第一構(gòu)件和第二構(gòu)件之間的磁力線。圖19b示出上面構(gòu)件略微沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng),而下面構(gòu)件略微沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。磁力線具有相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)位置,并且尤其是磁力線 (1880)已伸展開。圖19c示出上面構(gòu)件沿順時(shí)針和下面構(gòu)件沿逆時(shí)針的進(jìn)一步轉(zhuǎn)動(dòng)。磁力線(1880)現(xiàn)伸展遠(yuǎn)至它斷開且通量轉(zhuǎn)換成穿過最左邊的聯(lián)接元件(1895)來形成新的磁力線(1890)。當(dāng)磁力線如此從一條路徑切換到另一路徑時(shí),從第一構(gòu)件傳遞到第二構(gòu)件的扭矩等于通量變化率。使用稀土磁體的另一優(yōu)點(diǎn)是它們每單位尺寸較高的磁通密度,特別是當(dāng)以這種方式使用時(shí),這是因?yàn)榭梢栽诘谝缓?或第二構(gòu)件的周緣周圍設(shè)置許多磁極對(duì)并由此增大磁通變化率及由此增大扭矩聯(lián)接能力。同樣,由于對(duì)于給定強(qiáng)度來說稀土磁通的尺寸相對(duì)較小,所以可以具有第一構(gòu)件上的磁極對(duì)數(shù)與第二構(gòu)件上的磁極對(duì)數(shù)之間的較大比率,這是因?yàn)樵S多磁體可包裝到較小尺寸中,由此以緊湊尺寸來傳遞較高的傳動(dòng)比。這特別在采用真空腔室(1550)的飛輪應(yīng)用場(chǎng)合下具有優(yōu)點(diǎn),因?yàn)樵诳諝庵羞\(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)軸和相關(guān)部件能夠以較低速度運(yùn)行,由此減小與風(fēng)阻和空氣阻力相關(guān)的損耗,同時(shí)真空腔室(1550)內(nèi)部的飛輪通過磁聯(lián)接器變速到以較高速度運(yùn)轉(zhuǎn),以增大飛輪的儲(chǔ)能密度?,F(xiàn)有系統(tǒng)采用變速器來允許真空腔室內(nèi)的飛輪以較高速度轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)連接到能量源/同步裝置的驅(qū)動(dòng)軸能夠在空氣中以較小的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)。然而,變速箱會(huì)經(jīng)受摩擦損失并增加儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本、復(fù)雜度和尺寸。圖20示出具有輪緣(50)(包含大部分質(zhì)量)的飛輪(30)的實(shí)施例,該飛輪安裝在軸(60)上,聯(lián)接到第一構(gòu)件(1766)并容納在真空腔室(1550)內(nèi),真空腔室包含聯(lián)接元件(1730)。在此實(shí)施例中,驅(qū)動(dòng)軸(1570)聯(lián)接到第二元件(1767)。驅(qū)動(dòng)軸和飛輪軸支承于軸承(2010)上。每個(gè)第一構(gòu)件和第二構(gòu)件(1766,1767)都具有磁極(1710,1720,1740, 1750)。由此,飛輪能經(jīng)由第一構(gòu)件和第二構(gòu)件以及磁極通過聯(lián)接到飛輪的驅(qū)動(dòng)軸在真空下以較高速度驅(qū)動(dòng)。由于第一構(gòu)件和第二構(gòu)件上的磁極對(duì)數(shù)的不相等而導(dǎo)致的變速作用,在空氣中運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)軸能夠以較低速度運(yùn)行,由此減少與“風(fēng)阻”或空氣阻力相關(guān)的損耗。此外,聯(lián)接元件(1730)減小各磁極之間的空氣間隙并使永磁體能夠用于在第一元件和第二元件之間聯(lián)接高水平的扭矩,從而避免需要如例如如果使用電磁體所需的那樣的能量轉(zhuǎn)換。通過使用聯(lián)接元件(1730),不需要電磁體,這是因?yàn)檫@種更有效率的結(jié)構(gòu)使得永磁體的較為有限的磁場(chǎng)強(qiáng)度就足夠了。根據(jù)所述方法,完全取消使用轉(zhuǎn)動(dòng)密封件,由此不需要環(huán)境管理裝置來保持真空腔室(1550)內(nèi)的真空。真空腔室內(nèi)的真空能無限地保持在那里,這是因?yàn)榍皇也皇褂脮?huì)泄漏的轉(zhuǎn)動(dòng)密封件因而完全密封。移除相關(guān)環(huán)境管理設(shè)備(例如真空泵、潤(rùn)滑泵、相關(guān)管道工程和系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和/電子)還減小飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的重量和尺寸并增加扭矩聯(lián)接能力。 此外,由此改進(jìn)了這種更為簡(jiǎn)單的系統(tǒng)的可靠性并降低成本。由此,提供高效的飛輪儲(chǔ)能裝置。聯(lián)接器還具有的優(yōu)點(diǎn)是,如果發(fā)生過大扭矩的狀況,則聯(lián)接器在過大扭矩存在時(shí)無害地滑動(dòng),然后聯(lián)接器重新開始正常功能,而沒有不利影響。此外,由于Enshaw定律,僅扭轉(zhuǎn)能量經(jīng)由聯(lián)接器傳遞,因此聯(lián)接器提供了軸向和徑向的對(duì)振動(dòng)的隔離。在替代的實(shí)施例中,聯(lián)接元件能支承于第三構(gòu)件中,該第三構(gòu)件由軸驅(qū)動(dòng)或者可以驅(qū)動(dòng)軸,以提供其它的傳動(dòng)比。去除轉(zhuǎn)動(dòng)密封件還允許飛輪以大于由于密封件的劣化率而能夠有的速度(當(dāng)轉(zhuǎn)速增大時(shí)變得更差)來轉(zhuǎn)動(dòng),從而進(jìn)一步增大儲(chǔ)能密度。由于密封潤(rùn)滑流體中的剪切(轉(zhuǎn)動(dòng)密封件的必要特征)造成的寄生損失也將通過去除密封件而降低。如前所述并參見圖17b,磁力變速器可具有隨第一構(gòu)件和第二構(gòu)件(1766,1767) 的轉(zhuǎn)動(dòng)嚙合位置可變化的扭矩聯(lián)接能力。這已發(fā)現(xiàn)是由于當(dāng)?shù)谝粯?gòu)件和第二構(gòu)件(1766, 1767)運(yùn)動(dòng)經(jīng)過彼此時(shí)從第一路徑(1880)切換到第二路徑(1890)的磁通量(如在圖19c中所示)所造成的。磁力變速聯(lián)接器的扭矩聯(lián)接能力變化的另一原因是當(dāng)?shù)谝粯?gòu)件和第二構(gòu)件(1766,1767)運(yùn)動(dòng)經(jīng)過彼此時(shí)磁通路徑長(zhǎng)度作變化(以圖19a到19c的順序示出)。較長(zhǎng)的磁通路線經(jīng)受較大的磁阻,由此減小磁通量密度,并且由于扭矩與磁通變化率成比例, 該角嚙合位置處的磁力變速器的扭矩聯(lián)接能力的降低也類似地減小?,F(xiàn)遵循圖26,作為曲線可以看到相對(duì)于輸入軸的角度的對(duì)于特定物理結(jié)構(gòu)來說的扭矩聯(lián)接能力的變化,該曲線中呈現(xiàn)出扭矩聯(lián)接能力(在約20Nm和50Nm之間)的較多排除在外的值。業(yè)已發(fā)現(xiàn)扭矩聯(lián)接能力相對(duì)于嚙合角度(或“齒槽效應(yīng)”)的變化能通過將構(gòu)件的每個(gè)磁極分成“分割部分”(2110,2111,2112,2113,2120,2121,2122,2123)來減小。這些分割部分沿運(yùn)動(dòng)方向設(shè)置以形成分割陣列。分割陣列沿垂直于運(yùn)動(dòng)方向的軸線并排設(shè)置,如圖21中所示。每個(gè)分割陣列沿運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)于另一分割陣列偏移,因而,覆蓋相對(duì)位置的跨度。各位置的跨度應(yīng)至少約覆蓋構(gòu)件的具有最寬磁極間隔的南北磁極對(duì)的距離。由于分割陣列的相對(duì)位置遍布(或者“交錯(cuò)”)各位置的范圍,所以每個(gè)分割陣列的磁極不可以同時(shí)與聯(lián)接元件和另一構(gòu)件的磁極完全對(duì)準(zhǔn),由此防止“完全對(duì)準(zhǔn)”。由此,通過使一個(gè)或兩個(gè)構(gòu)件的磁極分割和交錯(cuò),和/或通過分割聯(lián)接元件和使每個(gè)分割的聯(lián)接元件部分的位置交錯(cuò),可以防止構(gòu)件和/或聯(lián)接元件的完全對(duì)準(zhǔn)。在圖21中所示的實(shí)施例中,在第一構(gòu)件(1766)上有四個(gè)分割陣列。返回參見圖 19a到19c,防止完全對(duì)準(zhǔn)的這種結(jié)構(gòu)的結(jié)果是磁力線(1880,1890)從一個(gè)聯(lián)接元件到另一聯(lián)接元件(或從一個(gè)分割磁極到另一個(gè)分割磁極)的切換的位置(在此實(shí)施例中為角位置)在每個(gè)分割陣列之間變化。如果如圖21中所示的實(shí)施例中有四個(gè)分割陣列,且那些分割陣列沿運(yùn)動(dòng)方向偏移(在此實(shí)施例中為轉(zhuǎn)動(dòng)偏移)以避免磁極和聯(lián)接元件的完全對(duì)準(zhǔn), 則對(duì)于較小的運(yùn)動(dòng)(如果允許完全對(duì)準(zhǔn)則將引起整個(gè)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)變),現(xiàn)在將僅有一小部分所示的磁通量轉(zhuǎn)換(在此實(shí)施例中為四分之一)。然而,在該實(shí)施例中,對(duì)于組件的特定運(yùn)動(dòng)距離(例如,全周轉(zhuǎn)動(dòng))將有四次這種轉(zhuǎn)變。因此,那種運(yùn)動(dòng)的扭矩傳遞總體上是相同的,但更為持續(xù)地傳遞,從而導(dǎo)致較小的“齒槽效應(yīng)”。為了清楚起見,僅在圖17b中示出單個(gè)聯(lián)接元件。如圖21中所示,該聯(lián)接元件也能分成聯(lián)接部分O130)到0133)。如此分割聯(lián)接構(gòu)件可減少構(gòu)件的分割陣列之間的相互作用,但對(duì)于實(shí)現(xiàn)“齒槽效應(yīng)”的減少并不是必須的?,F(xiàn)在參見圖22,其中示出本發(fā)明的周轉(zhuǎn)實(shí)施例,此時(shí)第一構(gòu)件具有沿運(yùn)動(dòng)方向設(shè)置在其上的第一陣列的(成對(duì))磁極。聯(lián)接元件O130)在第一(可轉(zhuǎn)動(dòng))構(gòu)件和第二(可轉(zhuǎn)動(dòng))構(gòu)件之間同心設(shè)置。聯(lián)接元件也被分割成多個(gè)聯(lián)接部分(在此實(shí)施例中又是三個(gè)聯(lián)接部分)。為了清楚起見示出單個(gè)聯(lián)接元件,但可采用多個(gè)聯(lián)接元件,從而形成同心圍繞第一構(gòu)件的筒狀物(barrel)。第二構(gòu)件在第一構(gòu)件和聯(lián)接元件之外同心設(shè)置。第二構(gòu)件在其內(nèi)周緣上具有沿運(yùn)動(dòng)方向設(shè)置的第二陣列的南/北磁極對(duì)。第二陣列的磁極被分割成多個(gè)分割陣列(在此實(shí)施例中為三個(gè)分割陣列),分割陣列沿轉(zhuǎn)動(dòng)軸線(轉(zhuǎn)動(dòng)軸線垂直于運(yùn)動(dòng)方向)并排設(shè)置。使用時(shí),第一構(gòu)件和第二構(gòu)件相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。如果一個(gè)構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng),則磁通量通過聯(lián)接元件在第一陣列的磁極和第二陣列的磁極之間聯(lián)接,而使另一構(gòu)件相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),反之亦然。還將從圖21和22中理解到,代替或者除了沿第一磁極陣列和/或第二磁極陣列的軸向長(zhǎng)度(軸線垂直于相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向)來分割磁極陣列(分成分割陣列)以及沿每個(gè)分割陣列的運(yùn)動(dòng)方向偏移外,每個(gè)聯(lián)接元件O130)能可選擇地、替代地或者同樣地沿其軸向長(zhǎng)度如所示被分成各聯(lián)接部分(2130,2131,2132),且這些聯(lián)接部分也能相應(yīng)地偏移。能包含一個(gè)特征或者這些特征的組合,以使磁通量如圖19c中所示從一條路徑切換到另一條的位置多樣化。這種策略可被稱為交錯(cuò)磁極,或者交錯(cuò)聯(lián)接元件。當(dāng)關(guān)于位置來繪圖時(shí),交錯(cuò)磁極和/或交錯(cuò)聯(lián)接元件使扭矩聯(lián)接能力的變化減小。這在圖26中示出為具有扭矩聯(lián)接能力的相對(duì)較小的變化(約25到35Nm)的曲線。出于以下原因,這表示性能相對(duì)于傳統(tǒng)磁力變速聯(lián)接器性能的改善。改進(jìn)的磁力變速器的最小扭矩聯(lián)接能力大于且并不會(huì)落到25Nm之下,如圖沈中所示。(相反,現(xiàn)有技術(shù)的磁力變速器的扭矩聯(lián)接能力在某些角度嚙合位置會(huì)落到小于 20Nm的數(shù)值)。由此,對(duì)于給定設(shè)計(jì)的扭矩力來說,在改進(jìn)的磁力變速器中使用的磁體尺寸可相應(yīng)地減小,但同時(shí)仍能傳遞扭矩聯(lián)接能力。由此,扭矩聯(lián)接能力的變化的減小允許用較小、較輕和較便宜的磁體來設(shè)計(jì)這種改進(jìn)的磁力變速器。在此所述的改進(jìn)的磁力變速器的另一優(yōu)點(diǎn)是在使用時(shí)扭矩聯(lián)接能力變化較少,當(dāng)扭矩施加到改進(jìn)的磁力變速聯(lián)接器時(shí),所得的角偏移或“打滑”(與所施加的扭矩和扭矩聯(lián)接能力成比例)比現(xiàn)有技術(shù)中所得的更為恒定。由此,降低了由這種變化引起的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。 減小的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)不太可能致使劇烈共振,這種共振可能損壞部件,需要相對(duì)于相關(guān)成本提高的部件強(qiáng)度或者致使聯(lián)接器滑出嚙合及錯(cuò)位。在圖23中示出另一實(shí)施例,其中,聯(lián)接元件Q330)跟隨沿垂直于第一構(gòu)件和第二構(gòu)件運(yùn)動(dòng)方向的軸線(在此實(shí)施例中,沿第一構(gòu)件和第二構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線)的正弦路徑,因而,它在第一構(gòu)件和第二構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)方向中的位置沿該軸線變化。聯(lián)接元件的形狀沿軸線在其端部是對(duì)稱的,以平衡所得的軸向力并由此消除這些軸向力。由此,如圖19c中所示, 磁力線變換位置的位置隨軸向位置而變化。同樣,為了清楚起見,僅在圖中示出單個(gè)聯(lián)接元件0330)。然而,如前所述,通常將采用多個(gè)聯(lián)接元件。此外,盡管圖18a到23 —般示出轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)施例,第一構(gòu)件和第二構(gòu)件在彼此的旁邊或者相對(duì)于彼此同心設(shè)置,但如圖M中所示,第一構(gòu)件和第二構(gòu)件也可以端對(duì)端對(duì)準(zhǔn)。在這種端對(duì)端的實(shí)施例中,聯(lián)接元件O430)可以彎曲或者可以分成交錯(cuò)的部分0431)到 (M36),且聯(lián)接元件和/或第一構(gòu)件和第二構(gòu)件的磁極還可分割,這時(shí)不是沿轉(zhuǎn)動(dòng)軸線分割而是沿徑向分割。此外參見圖22和23,第一構(gòu)件和第二構(gòu)件(1766,1767)中的一個(gè)或兩個(gè)可展開以形成平坦表面。這種實(shí)施例將類似于齒輪齒條,或者在彼此上面可滑動(dòng)的一對(duì)導(dǎo)軌,而聯(lián)接元件設(shè)置在兩者之間。在這種實(shí)施例中,第一構(gòu)件和/或第二構(gòu)件和/或聯(lián)接元件將沿垂直于運(yùn)動(dòng)方向且平行于構(gòu)件之間表面的方向交錯(cuò)。圖25示出實(shí)際實(shí)施例的剖視圖,其中,驅(qū)動(dòng)軸(1570)聯(lián)接到第二構(gòu)件(1767),該第二構(gòu)件具有以陣列方式圍繞其周界設(shè)置的磁極(1740)。第二構(gòu)件(1740)的磁極沿與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線平行(垂直于轉(zhuǎn)動(dòng)方向)的方向分成多個(gè)分割部分(在此實(shí)施例中為八個(gè))。這產(chǎn)生了設(shè)置在第二構(gòu)件上的分割磁極的多個(gè)分割陣列。在此實(shí)施例中有八個(gè)分割陣列,每個(gè)分割陣列圍繞第二構(gòu)件周界設(shè)置,且每個(gè)分割陣列沿轉(zhuǎn)動(dòng)軸線并排設(shè)置。每個(gè)分割陣列在位置上相對(duì)于彼此偏移。在此實(shí)施例中,每個(gè)分割陣列相對(duì)于彼此略微轉(zhuǎn)動(dòng),以跨越至少等于構(gòu)件的南北磁極對(duì)之間距離的角度的跨度范圍。背襯鐵片O580)在第二構(gòu)件(1767)和分割磁極(1740)之間同心設(shè)置。同心位于第二構(gòu)件及其磁極陣列之外的是真空腔室(1550)壁,該壁圍繞裝置的軸向端部延伸由此形成環(huán)形,并包含到其內(nèi)周壁聯(lián)接元件Ο130,2131)內(nèi)。這允許非常有效地封裝飛輪,易于制造和密封。這些聯(lián)接元件同心位于第一構(gòu)件和第二構(gòu)件之間并以形成筒狀物的陣列方式同心設(shè)置在第二構(gòu)件周圍和第一構(gòu)件內(nèi)部。每個(gè)聯(lián)接元件都沿它們的軸向長(zhǎng)度分割以形成每個(gè)聯(lián)接元件的多個(gè)聯(lián)接部分(在此例中為每個(gè)聯(lián)接元件八個(gè)聯(lián)接部分)。因此,由聯(lián)接元件構(gòu)成的筒狀物被分成環(huán),且每個(gè)環(huán)較佳地與另一個(gè)環(huán)偏移(在此實(shí)施例中為轉(zhuǎn)動(dòng)偏移)。替代地,聯(lián)接元件不分割,而是能成形為仍位于內(nèi)真空腔室壁的筒狀物內(nèi),但當(dāng)橫穿筒狀物的長(zhǎng)度時(shí)例如以V形或正弦波方式沿運(yùn)動(dòng)方向變化其位置。同心位于更外側(cè),第一構(gòu)件(1766)的磁極(2110,2111)支承于復(fù)合飛輪緣(50) 內(nèi)部,而背襯鐵片O590)插設(shè)在輪緣和磁極之間。同樣,第一構(gòu)件的每個(gè)磁極(2110,2111) 都沿裝置的軸向長(zhǎng)度分成每個(gè)磁極多個(gè)分割磁極(在此實(shí)施例中為八個(gè))。這些分割磁極設(shè)置在輪緣(50)的內(nèi)表面周圍,以形成分割陣列(在此實(shí)施例中為八個(gè))。第一構(gòu)件和第二構(gòu)件(1766,1767)支承于軸承(2010)上,因而它們能轉(zhuǎn)動(dòng)。由此,第一構(gòu)件(1766)能夠在真空腔室(K50)內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),而第二構(gòu)件能夠在真空腔室內(nèi)但在真空外(例如在空氣中)同心轉(zhuǎn)動(dòng)并通過真空腔室壁(K50)與第一構(gòu)件分隔開。使用時(shí),真空腔室較佳包含高度真空。盡管未示出,但第一構(gòu)件和第二構(gòu)件具有不同數(shù)量的南/北磁極對(duì),這些磁極對(duì)圍繞它們沿徑向設(shè)置,因而,在它們之間產(chǎn)生傳動(dòng)比。使用時(shí),這允許(在空氣中操作的)第二構(gòu)件(1767)以比在真空中操作的第一構(gòu)件(1766) 相對(duì)較低的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。由此,在第二構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與空氣阻力(或風(fēng)阻)相關(guān)的損耗降低。另外,通過使用真空來容納飛輪能夠使用第一構(gòu)件和飛輪部件的超音速,這是因?yàn)楸苊獬羲贈(zèng)_擊和摩擦過熱。真空腔室(1550)沒有轉(zhuǎn)動(dòng)密封件并因此能夠完全無泄漏地密封(當(dāng)使用轉(zhuǎn)動(dòng)密封件時(shí)泄漏是不可避免的,當(dāng)在較高轉(zhuǎn)速時(shí)情況更糟),由此避免需要與保持真空相關(guān)的設(shè)備,諸如真空泵、控制電子、管道工程等。去除轉(zhuǎn)動(dòng)密封件還允許較高的轉(zhuǎn)動(dòng)飛輪速度以及由于消除阻礙(drag)的較低損失。由此,飛輪的儲(chǔ)能密度增大且這種飛輪的相關(guān)成本降低。由于這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化的提升并由于去除使用時(shí)會(huì)磨損(在高轉(zhuǎn)速下磨損得特別快)的轉(zhuǎn)動(dòng)密封件還提高了可靠性。此外,該實(shí)施例中包含的“抗齒槽效應(yīng)”特征如前所述允許使用較小的永磁體(由于最小扭矩聯(lián)接能力更接近平均扭矩聯(lián)接能力),這具有低成本和低重量的相關(guān)優(yōu)點(diǎn),由此增大飛輪的儲(chǔ)能密度。較小的磁體還能夠產(chǎn)生較高的傳動(dòng)比,這是因?yàn)檩^大數(shù)目的南/北磁極對(duì)能裝配到給定尺寸的飛輪內(nèi)。這種較高的傳動(dòng)比還減小裝置的空氣側(cè)上與空氣阻力或風(fēng)阻相關(guān)的損失,從而進(jìn)一步增加飛輪的效率及其儲(chǔ)能密度。先前所述的抗齒槽效應(yīng)的特征的另一優(yōu)點(diǎn)改進(jìn)噪聲振動(dòng)和振動(dòng)粗糙度并由于由這些特征導(dǎo)致的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的減小而延長(zhǎng)部件的使用壽命。這將允許部件重新制定規(guī)格,以使用較便宜的材料或較少材料,由此帶來成本和/或重量的優(yōu)點(diǎn)。還可由于使用不抵抗扭轉(zhuǎn)振動(dòng)但在制造過程中易于機(jī)加工或處理的材料而獲得制造效率。將會(huì)看到由于上述特征,因此可以為了能量?jī)?chǔ)存而提供一種更安全、更輕、更有效率和更有效的飛輪。
權(quán)利要求
1.一種用于平衡具有相對(duì)較密外緣的飛輪的方法,所述方法包括如下步驟 使飛輪在真空腔室內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),所述真空腔室具有允許氣體進(jìn)入裝置并包含至少部分真空,控制允許氣體進(jìn)入裝置,以在所述飛輪還在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),允許預(yù)定量的氣體進(jìn)入所述真空腔室。
2.如權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述飛輪緣是復(fù)合緣。
3.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法,其特征在于,所述飛輪具有表面不規(guī)則部。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法,其特征在于,所述飛輪轉(zhuǎn)動(dòng),因而,所述輪緣的表面基本上以音速或超過音速運(yùn)動(dòng)。
5.如權(quán)利要求4所述的方法,其特征在于,熱量引起材料狀態(tài)的變化。
6.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法,其特征在于,當(dāng)允許氣體進(jìn)入時(shí),超音速?zèng)_擊波產(chǎn)生在表面不規(guī)則部和所述真空腔室之間的氣體中。
7.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法,其特征在于,所述真空腔室壁和所述飛輪之間的間隙較窄并較佳是約10毫米。
8.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法,其特征在于,所述氣體是惰性的,并較佳是氮?dú)狻?br> 9.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法,其特征在于,所述飛輪首先通過傳統(tǒng)方法調(diào)平
10.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法,其特征在于,所述真空優(yōu)于Imbar的氣壓。
11.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法,其特征在于,允許氣體進(jìn)入的壓力變化足以使真空腔室壓力高于約0. ^ar。
12.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法,其特征在于,速度選擇成使所述飛輪的內(nèi)部部件以亞音速運(yùn)動(dòng)。
13.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法,其特征在于,在氣體被允許進(jìn)入之后,所述飛輪繼續(xù)以大于或基本上等于音速的輪緣表面速度旋轉(zhuǎn)一預(yù)定時(shí)間段。
14.如權(quán)利要求13所述的方法,其特征在于,所述時(shí)間段在約10到60秒之間。
15.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法,其特征在于,所述允許進(jìn)入的氣體僅包含可忽略量的水蒸氣。
16.一種用于平衡具有相對(duì)較密外緣類型的飛輪的裝置,包括真空腔室,所述真空腔室具有用于轉(zhuǎn)動(dòng)安裝所述飛輪的裝置;驅(qū)動(dòng)裝置,所述驅(qū)動(dòng)裝置用于使所述飛輪以預(yù)定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng),所述預(yù)定轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)成所述飛輪緣的表面基本上以音速或超過音速運(yùn)動(dòng);以及閥裝置,所述閥裝置用于控制將真空限制在所述真空腔室內(nèi)并在所述飛輪還在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)允許預(yù)定量的氣體進(jìn)入所述腔室。
17.—種參見附圖、基本上如文中所述的方法或裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于制造儲(chǔ)能飛輪的方法,特別是用于在制造過程中對(duì)飛輪仔細(xì)調(diào)平衡的方法,該方法特別是與具有復(fù)合構(gòu)造的飛輪一起使用,且該方法還適合于同時(shí)證實(shí)飛輪的結(jié)構(gòu)完整性。
文檔編號(hào)F16F15/30GK102428295SQ201080022524
公開日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2010年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月27日
發(fā)明者A·阿特金斯 申請(qǐng)人:里卡多英國(guó)有限公司
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