[发明专利]飞轮

说明书

技术领域

本发明涉及一种飞轮和用于构造能量储存用的飞轮的方法。

背景技术

已知用于以动能形式储存能量、例如用于车辆的飞轮。在这种情况下，已知使用飞轮来储存能量，否则这种能量在车辆减速时将被转换成车辆制动系统中的热量，这种储存的能量随后在需要时可用于使车辆加速。

根据图1的已有类型的飞轮具有可以安装在诸如轴的中央支承体上的中央金属支承部(1)。至少一个复合环(2)安装在中央支承部上。在这种类型飞轮中的复合环是由碳纤维缠绕而得的细丝。当飞轮转动时，该环将由于作用于其上的离心力趋向于沿直径扩大。该环具有较高的环绕强度以当飞轮转动时对离心力反作用。然而，外环会在中央支承部上变成松配合，并潜在地(危险地)从中央支承部卸下。此外，径向应力会导致复合环的失效。

为了抵消环扩大的趋势，环通常机加工有比中央支承部的外径小的内径，然后以过盈配合安装到中央支承部上。这种直径上的不匹配导致预载荷，因而，该环将向内的力施加到中央支承部上。当飞轮不转动时这种向内的预载荷最大，并且导致要求中央支承部结构上足够强，以能在飞轮静止时抵抗预载荷的力。已知一个以上的复合环被压到一起并进一步安装在中央支承体上。预载荷朝向飞轮的中心增大，并随着被压在一起的环的数目而增大。因此，在飞轮的中央支承部中需要大量材料来抵消预载荷的力，且接近飞轮中心的这种材料仅非常低效率地增加飞轮的转动惯量。此外，如果轮毂比复合环更刚硬，则当飞轮速度增大而预载荷减小时，所增加的质量将导致轮毂中的应力管理问题。

另外，在现有的系统中，超过复合环的最大应力率会导致失效。在上述类型的飞轮中，由于预载荷，中央支承部在复合环上施加向外的力。当飞轮转动时，该力与作用在环上的离心力的方向相同。然后，当轮毂的硬度低于复合环时，环必须足够坚固，以在飞轮以最大速度转动时抵消预载荷力和离心力之和。因此，这种类型飞轮的另一问题在于预载荷降低飞轮的最大转动速度。

现有系统的另一问题是，如果飞轮被联接到例如车辆变速器，则通常需要键连接的联接器，以使较高的瞬时扭矩水平(例如当快速改变车辆变速器的传动比时，由此需要飞轮来快速地进行加速或减速)可以传递到飞轮而不会发生打滑。

在2007年12月7日提交的英国专利申请0723996.5中所述类型的飞轮通过提供一种具有驱动传递元件和包括质量元件的轮缘的飞轮克服了上述限制，其中，通过卷绕件联接轮缘和驱动传递元件。然而，当飞轮以增大速度转动时，这种类型的飞轮期望具有对飞轮部件中应力的指示。

英国专利申请0902840.8通过使警告或指示器环包含到飞轮中来提供对飞轮部件中的应力的上述指示。指示器环能以过盈配合安装到飞轮，因而，在环和飞轮之间建立残余应力。过盈配合或预载荷的水平和环以及环所安装到飞轮上的那部分的相对硬度选择成，当飞轮以预定触发速度或超过预定触发速度转动时，预载荷基本上由离心力来克服，从而使环和支承构件至少部分分离。然后，该环能够在飞轮上运动，从而引起“不平衡”状态，从而导致可探测到的振动，这种振动作为飞轮部件中的应力指示。

现有飞轮的另一问题是需要仔细调飞轮的转动质量的平衡。由于储存于转动飞轮中的运动能量与成比例(其中，是飞轮的角速度)，所以增加飞轮的最大转速允许更多能量储存于给定质量的飞轮中，并由此增大这种飞轮的储能密度。然而，当转速增大时，组件的平衡变得更重要，如证实飞轮的结构整体性那样。此外，平衡飞轮的成本一般随着所需平衡的精确度而增加。

另一个问题是当平衡诸如英国专利申请0723996.5和0902840.8中所述类型的复合飞轮时，若不严重影响复合物的结构整体性，则在复合部件(即，质量支承缘)上仅能进行有限量的机加工/处理。由此，这影响了平衡过程的简单性，这是因为必须在远离复合缘的位置从飞轮去除材料。

另一个问题是用于平衡飞轮的现有方法一般包含从飞轮中机加工和/或磨削和/或钻出材料。这种对复合飞轮的材料进行机加工和/或磨削和/或钻孔不但会损坏复合部件的结构完整性(如前所述)，而且此外这种机加工限制以如下至少两种方式可获得的平衡精度。首先，平衡操作的精度受到在机加工操作过程中飞轮所安装到的车床主轴的精准度以及将飞轮质量安装到车床主轴的精度的限制。其次，平衡精度受到能在机加工/磨削/钻孔过程中去除的材料的最小厚度的限制，这又会受到操作者的技术和/或(如果机加工工具是计算机数值控制的话)数控机床的精度的影响。这使情况更为严重，因为从飞轮去除的材料必定是紧密的(以使飞轮储能密度最大化)。