飛輪組件的制作方法
【專利摘要】一種飛輪組件（10）包括：至少一個飛輪質(zhì)量支撐件（14），該支撐件或每個所述支撐件具有沿旋轉(zhuǎn)軸線（18）延伸的軸（19），在使用中所述支撐件（14）能繞該旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，該支撐件或每個所述支撐件（14）包括多個各自從所述旋轉(zhuǎn)軸線（18）偏移的開口（24）；包括多個各自布置成與所述支撐件中的相應(yīng)開口對準(zhǔn)的開口（16）的飛輪質(zhì)量（12）；以及機(jī)構(gòu)（23），該機(jī)構(gòu)用于使所述飛輪質(zhì)量（12）連接至該支撐件或每個所述支撐件（14），以便在使用中所述質(zhì)量（12）能與該支撐件或每個所述支撐件（14）一起旋轉(zhuǎn)，所述連接機(jī)構(gòu)（23）被配置成延伸穿過該支撐件或每個所述支撐件（14）及所述飛輪質(zhì)量（12）中的對準(zhǔn)的開口，其中，所述飛輪質(zhì)量（12）包括夾在一起而形成一摞元件的多個大致平坦的飛輪質(zhì)量元件，每個所述元件包括多個開口（16），該開口與該支撐件或每個所述支撐件（14）中的開口（24）對準(zhǔn)并與所述摞中的相鄰元件中的開口對準(zhǔn)，所述飛輪元件僅借助延伸穿過所述元件及該支撐件或每個所述支撐件（14）中的對準(zhǔn)的開口的連接機(jī)構(gòu)（23）連接在一起并相互對準(zhǔn)而形成所述飛輪質(zhì)量。
【專利說明】飛輪組件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及飛輪組件以及用于這種組件中的飛輪質(zhì)量。
【背景技術(shù)】
[0002]在先提出的飛輪組件包含飛輪質(zhì)量，該飛輪質(zhì)量具有沿旋轉(zhuǎn)軸線貫穿飛輪質(zhì)量的孔，在使用中飛輪質(zhì)量繞該旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)。輪軸穿過飛輪質(zhì)量的孔以致形成與飛輪質(zhì)量的過盈配合。在此構(gòu)造中，使輪軸旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致飛輪質(zhì)量繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)。
[0003]如以上描述的那種飛輪組件被用于儲存動能形式的能量。例如，在汽車停止時，汽車的平移動能可轉(zhuǎn)換成車載飛輪組件的轉(zhuǎn)動動能，而不是以熱量形式消散在汽車制動器中。隨后可通過將旋轉(zhuǎn)的飛輪組件機(jī)械鏈接至汽車輪軸而回收轉(zhuǎn)動動能并將其轉(zhuǎn)換成汽車的平移動能。飛輪組件也可用于儲存由諸如太陽能動力馬達(dá)之類的間歇性動力源產(chǎn)生的能量。例如，當(dāng)這種馬達(dá)被供應(yīng)能量時，該馬達(dá)可用于使飛輪組件旋轉(zhuǎn)，使得后來當(dāng)馬達(dá)不再被供應(yīng)能量時，可通過利用飛輪組件為了電磁感應(yīng)(即，為了發(fā)電)而使一個或多個磁體旋轉(zhuǎn)而從旋轉(zhuǎn)的飛輪組件重獲能量。
[0004]應(yīng)理解:旋轉(zhuǎn)的飛輪組件能夠儲存的能量Ek由方程Ek=1/2lω2限定，其中I是飛輪
組件的慣性矩，并且ω是組件旋轉(zhuǎn)的角速度。因此，為了增加由飛輪組件儲存的能量需要提高組件旋轉(zhuǎn)的速度。然而，如果使飛輪質(zhì)量高速旋轉(zhuǎn)，那么由組件的飛輪質(zhì)量上的離心力引起的應(yīng)力會致使飛輪質(zhì)量變形，從而引發(fā)多種潛在問題。
[0005]一個這樣的問題是:當(dāng)質(zhì)量朝遠(yuǎn)離輪軸的方向變形時，飛輪質(zhì)量從與旋轉(zhuǎn)的輪軸匹配的齊平接觸脫開。這樣的話不管軸向夾緊力如何飛輪質(zhì)量都會相對輪軸移動，這種移動很可能徑向朝向另一側(cè)。一旦這些發(fā)生了，飛輪質(zhì)量就會失衡而傾向于產(chǎn)生負(fù)載，該負(fù)載要么損害飛輪組件的軸承，并且/要么產(chǎn)生不期望的振動。
[0006]也可能飛輪質(zhì)量會相對于軸線朝正切方向滑動。這也會導(dǎo)致失衡以及飛輪質(zhì)量與輪軸之間的相對移動。飛輪質(zhì)量的速度會慢下來而回撤，直到與旋轉(zhuǎn)的輪軸之間重新形成過盈配合。在飛輪質(zhì)量重新形成過盈配合的那一刻，飛輪質(zhì)量與旋轉(zhuǎn)的輪軸之間的摩擦力對飛輪質(zhì)量施加沖量。借助輪軸的進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)及變形，飛輪質(zhì)量會又獲得速度，從而會再次發(fā)生脫開及回撤的過程。然而，對飛輪質(zhì)量重復(fù)施加沖量增大了飛輪質(zhì)量在使用中破碎的可能性。因此，這種飛輪質(zhì)量的可行旋轉(zhuǎn)速度存在限制。
[0007] 申請?zhí)枮镻CT/GB2011/000053的PCT專利申請中描述了用于解決此問題的一種在先提出的配置(圖1中所示)。參看圖1，此文獻(xiàn)公開了包括固定至輪軸3的可變形的輪轂2的飛輪設(shè)備I。接觸輪轂2的外表面布置有多個盤4，并且接觸輪轂2的內(nèi)表面布置有多個配重5以形成飛輪質(zhì)量。在使用中，因?yàn)檩嗇S3旋轉(zhuǎn)，所以輪轂2 (因而盤4及配重5)與輪軸一起旋轉(zhuǎn)。在高速旋轉(zhuǎn)時，盤4有沿遠(yuǎn)離輪軸3的方向(即,徑向向外)變形的傾向，這在不存在可變形的輪轂的情況下會導(dǎo)致盤與輪轂分離。然而，在此文獻(xiàn)描述的配置中，作用在配重5上的離心力被傳遞至輪轂2，這些作用力導(dǎo)致輪轂2向外變形，致使輪轂保持接觸盤4及輪軸。因此，與在先提出的配置相比，飛輪質(zhì)量能以更高的速度旋轉(zhuǎn)。
[0008]盡管此設(shè)計的確具有優(yōu)勢，即一次事故中很可能僅在一個盤中發(fā)生失效，與之對照的是具有單個質(zhì)量的情況:裂紋可通過單個質(zhì)量傳播，從而一下子使所有質(zhì)量失效。如果由盤4中的離心力引起的應(yīng)力產(chǎn)生的速度超出盤4的可能破碎點(diǎn)，就會發(fā)生這種情況。這樣的話盤碎片將從高速運(yùn)行的設(shè)備彈出，因此，飛輪質(zhì)量必須容納在合適的外殼中。應(yīng)理解:一個盤發(fā)生失效時釋放的能量明顯少于整個質(zhì)量發(fā)生失效時釋放的能量，因此用于此組件的盛裝外殼可比用于具有單個質(zhì)量的組件的外殼輕。
[0009]可惜的是，與此解決方案關(guān)聯(lián)的一個缺陷是:飛輪組件的制造成本增加了，這主要是由于除一個或多個盤4外還有輪轂2與配重5兩者的存在。
[0010]因此，如果能夠以合理的成本既增加飛輪組件能夠儲存的能量，又在組件發(fā)生失效的情況下減小對組件附近人員傷害的危險，那么該組件會是有利的。
[0011]申請?zhí)枮?8215948的日本專利申請(三菱電機(jī)公司)中公開了另一種在先提出的飛輪組件。在此組件中，飛輪質(zhì)量由在頂板與底板之間成摞布置的多個單盤組成。頂板與底板之間的盤各自包括在一個表面上的定位突出部，該定位突出部與該摞中的相鄰盤的相對表面上的互補(bǔ)凹部緊密匹配(從而使板對準(zhǔn))。頂板與底板朝質(zhì)量的中心局部變厚，并且輪軸連接板被栓接至頂板與底板的局部增厚部分以便質(zhì)量可繞輪軸旋轉(zhuǎn)。
[0012]此配置具有許多不利之處。首先，盤要求使突出部與凹部緊密協(xié)作，這意味著必須謹(jǐn)慎加工盤從而具有適當(dāng)?shù)男螤睢＿@增加了制造組件的成本，并且有礙于在世界上不易獲得這樣的機(jī)器的地區(qū)的制造商制造此組件。第二，為了能夠附接軸向輪轂而在頂板與底板中鉆孔不可避免地削 弱了板，從而增加了發(fā)生失效的風(fēng)險。第三，使板與盤對準(zhǔn)的突出部與凹部的互鎖在每個間斷處產(chǎn)生了應(yīng)力點(diǎn)，這必然減小了飛輪質(zhì)量的最大可行旋轉(zhuǎn)速度。
[0013]鑒于上述問題，構(gòu)想出了本發(fā)明的多個方面。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的一個當(dāng)前優(yōu)選的實(shí)施方式，提供一種飛輪組件，該飛輪組件包括:至少一個飛輪質(zhì)量支撐件，該支撐件或每個所述支撐件具有沿旋轉(zhuǎn)軸線延伸的軸，在使用中所述支撐件能繞該旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，該支撐件或每個所述支撐件包括多個各自從所述旋轉(zhuǎn)軸線偏移的開口 ；飛輪質(zhì)量，該飛輪質(zhì)量包括多個各自布置成與所述支撐件中的相應(yīng)開口對準(zhǔn)的開口 ；以及連接機(jī)構(gòu)，該連接機(jī)構(gòu)用于使所述飛輪質(zhì)量連接至該支撐件或每個所述支撐件，以便在使用中所述飛輪質(zhì)量能與該支撐件或每個所述支撐件一起旋轉(zhuǎn)，所述連接機(jī)構(gòu)被配置成延伸穿過該支撐件或每個所述支撐件及所述飛輪質(zhì)量中的對準(zhǔn)的開口。
[0015]此配置的優(yōu)勢是:與在先提出的飛輪相比，該飛輪質(zhì)量能以更高的速度旋轉(zhuǎn)，因此能儲存更多的動能。同樣，在給定角速度ω的情況下，與在先提出的配置相比，此飛輪質(zhì)量更不可能破碎。
[0016]在一個實(shí)施方式中，所述飛輪質(zhì)量與該支撐件或每個所述支撐件中的至少一者中的所述開口是大致圓形的。所述飛輪質(zhì)量與該支撐件或每個所述支撐件中的至少一者中的所述開口可替換為非圓形的。
[0017]所述飛輪質(zhì)量中的所述開口與該支撐件或每個所述支撐件中的所述開口可具有相同的形狀。另選的是，所述飛輪質(zhì)量中的所述開口與該支撐件或每個所述支撐件中的所述開口可具有不同的形狀，這些形狀彼此互補(bǔ)，使得所述飛輪質(zhì)量中的開口能與該板或每個所述板中的開口對準(zhǔn)。
[0018]該支撐件或每個所述支撐件與所述飛輪質(zhì)量中的至少一者中的所述開口包括主要區(qū)域與附屬區(qū)域。主要區(qū)域與附屬區(qū)域可具有相同或不同的截面形狀。主要區(qū)域的中心點(diǎn)與附屬區(qū)域中心點(diǎn)距所述旋轉(zhuǎn)軸線的距離可以是相等的。
[0019]在一個配置中，所述主要區(qū)域可包括具有第一直徑的部分圓形，并且所述附屬區(qū)域可包括具有小于所述第一直徑的第二直徑的部分圓形。
[0020]飛輪質(zhì)量可包括夾在一起的多個飛輪元件，每個所述元件包括多個開口，所述飛輪元件被配置成當(dāng)這些元件被夾在一起時各個元件中的開口相互對準(zhǔn)。
[0021]所述連接機(jī)構(gòu)可包括多個固定構(gòu)件，每個所述固定構(gòu)件被配置成延伸穿過由飛輪元件限定的一組對準(zhǔn)的開口。
[0022]該支撐件或每個所述支撐件可包括板，所述開口設(shè)置在該板中，并且所述軸從該板延伸。所述板與所述軸可包括單個元件，或者包括兩個相互固定連接的分離元件。
[0023]在一個配置中，所述飛輪組件可包括兩個支撐件，每個所述支撐件包括延伸有軸的板，所述飛輪質(zhì)量夾在所述支撐件的所述板之間，以致每個支撐件的所述軸相互對準(zhǔn)并沿相同的旋轉(zhuǎn)軸線延伸。
[0024]本發(fā)明的另一方面涉及一種用于在此描述的飛輪組件的飛輪質(zhì)量，該飛輪質(zhì)量限定一個或多個開口，每個開口從飛輪元件被配置成在使用中旋轉(zhuǎn)所圍繞的旋轉(zhuǎn)軸線偏移。
[0025]本發(fā)明的再一方面涉及一種飛輪組件，該飛輪組件包括:第一飛輪質(zhì)量支撐件與第二飛輪質(zhì)量支撐件，每個所述支撐件包括板和軸，該軸沿旋轉(zhuǎn)軸線從該板延伸，在使用中所述支撐件能圍繞該旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，每個所述支撐件還包括各自從所述旋轉(zhuǎn)軸線偏移的多個開口 ；飛輪質(zhì)量，該飛輪質(zhì)量包括多個各自布置成與每個所述支撐件中的相應(yīng)開口對準(zhǔn)的開口 ；以及連接機(jī)構(gòu)，該連接機(jī)構(gòu)用于使所述飛輪質(zhì)量連接至每個所述支撐件，以致所述飛輪質(zhì)量夾在所述支撐件的各個板之間，并且所述支撐件的各個軸沿相同的旋轉(zhuǎn)軸線沿相反的方向延伸，所述連接機(jī)構(gòu)被配置成延伸穿過所述第一支撐件中的對準(zhǔn)的開口，穿過所述飛輪質(zhì)量，并且穿過所述第二支撐件中的所述開口。
[0026]概括地說，實(shí)施本發(fā)明教導(dǎo)的配置具有一個或多個以下優(yōu)勢:(i)在飛輪質(zhì)量發(fā)生結(jié)構(gòu)性失效的情況下，具有多個飛輪元件的飛輪質(zhì)量會傾向于釋放更小的飛輪質(zhì)量碎片；(ii)由多個對準(zhǔn)并在徑向向外的位置連接在一起的元件組成的飛輪質(zhì)量減小了傾向于促使過屈服(塑性變形)破碎的軸向應(yīng)力；(iii)通過飛輪元件的開口的設(shè)計減小了應(yīng)力集中，以致能夠使飛輪組件運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到堪比飛輪質(zhì)量不具有開口的設(shè)計的應(yīng)力水平(即，開口處的應(yīng)力水平等于或小于飛輪質(zhì)量的軸向中心處發(fā)現(xiàn)的應(yīng)力)；以及(iv)螺栓未突出的支撐件的設(shè)置減小了由曳力引起的空氣動力風(fēng)阻。
[0027]從本說明書的其余部分將會清楚本發(fā)明教導(dǎo)的其它特征、方面、實(shí)施方式及優(yōu)勢?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0028]此后將參照附圖以說明性實(shí)施例的方式描述本發(fā)明的教導(dǎo)的多個方面及實(shí)施這些教導(dǎo)的配置，在附圖中:
[0029]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的飛輪組件的示意性截面圖；[0030]圖2是構(gòu)想的飛輪組件的示意性立體圖；
[0031]圖3是包括部分圖2中所示的飛輪組件的飛輪元件的示意性立體圖；
[0032]圖4是用于連接至圖3中所示的飛輪元件的軸及板的示意性立體圖；
[0033]圖5是一個構(gòu)想的飛輪開口的示意圖；
[0034]圖6是另一個構(gòu)想的飛輪開口的示意圖；
[0035]圖7是以角速度ω旋轉(zhuǎn)的飛輪元件的應(yīng)力-半徑關(guān)系的曲線圖，該飛輪元件具有沿其旋轉(zhuǎn)軸線貫穿其中心的圓形孔隙；
[0036]圖8是以角速度ω旋轉(zhuǎn)的飛輪元件的應(yīng)力-半徑關(guān)系的曲線圖，該飛輪元件不具有沿其旋轉(zhuǎn)軸線延伸的中心孔隙而是限定有從旋轉(zhuǎn)軸線偏移的四個孔；
[0037]圖9是以角速度ω旋轉(zhuǎn)的飛輪元件的應(yīng)力-半徑關(guān)系的曲線圖，該飛輪元件限定有圖6中所示形狀的四個孔，這種孔從旋轉(zhuǎn)軸線偏移；
[0038]圖10是另一構(gòu)想的飛輪組件的側(cè)視圖；
[0039]圖11與圖12是若干說明性方式的圖示，在這些方式中，螺栓(或多個螺栓)可延伸穿過圖5與圖6中所示的開口 ；
[0040]圖13 Ca)至圖13 (C)示出了貫穿飛輪質(zhì)量形成的其它孔的三個示意圖；
[0041]圖14是另一飛輪組件的示意圖；
[0042]圖15與圖16是說明性機(jī)械螺釘?shù)氖疽庑越孛鎴D；
[0043]圖17示出了拉伸螺栓的另選配置；以及
[0044]圖18是另一飛輪組件的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0045]圖2是構(gòu)想的飛輪組件10的示意圖，該飛輪組件包括飛輪質(zhì)量12,該飛輪質(zhì)量夾在兩個飛輪質(zhì)量支撐件14之間并連接至飛輪質(zhì)量支撐件14。
[0046]參看圖3,飛輪質(zhì)量12包括具有一個或多個通孔16的主體,各個通孔從飛輪質(zhì)量12在使用中旋轉(zhuǎn)所圍繞的旋轉(zhuǎn)軸線18徑向偏移。
[0047]如圖4中所示，每個飛輪支撐件14包括板20及軸向的軸19，該軸限定板20旋轉(zhuǎn)所能圍繞的前述軸線18。板20包括兩個或更多個均徑向偏移的通孔22，這種孔從軸19偏移。孔22定位成:當(dāng)板20抵靠飛輪質(zhì)量12時，孔22能夠與飛輪元件12中的孔16對準(zhǔn)。在一個具體配置中，由板20限定的孔22具有與飛輪質(zhì)量12中的那些孔16的截面形狀至少互補(bǔ)的截面形狀，并且在一個構(gòu)想的配置中，該截面形狀與飛輪質(zhì)量12中的那些孔16的形狀相符(至少相似)。
[0048]通過使一個板20抵靠飛輪質(zhì)量12的上表面13并且使另一板20抵靠飛輪質(zhì)量12的下表面15而形成飛輪組件10。然后，使由板20限定的孔22與飛輪質(zhì)量12中的孔16對準(zhǔn)，之后穿過對準(zhǔn)的孔16、22插入適當(dāng)?shù)墓潭ㄔ?3 (諸如螺栓、銷、桿或短軸之類)并且將固定元件23固定就位，使得板緊密連接至飛輪質(zhì)量12，借此將板20固定至飛輪質(zhì)量12。一旦組裝成，飛輪組件10就可繞其旋轉(zhuǎn)軸線18旋轉(zhuǎn)以儲存動能。在圖10中，圖中示出的固定元件從板突出，盡管此配置充分起作用，但是優(yōu)選的是利用突出較小程度的元件(優(yōu)選的是，與板齊平的元件)減小風(fēng)阻損失(圖14示出了一個構(gòu)想的減小風(fēng)阻損失的配置)。
[0049]應(yīng)理解，在此配置中，板僅借助穿過板及飛輪質(zhì)量的固定元件連接至飛輪質(zhì)量，而不是栓接至飛輪質(zhì)量(如在前述三菱的配置中)。這種配置是有益的，因?yàn)槠浔苊饬嗽阢@入飛輪質(zhì)量的孔(與螺栓接合以將飛輪質(zhì)量保持至支撐件的孔)處應(yīng)力誘發(fā)失效的可能性。
[0050]在一個配置中，飛輪質(zhì)量12包括一對孔16。在此配置中，孔與旋轉(zhuǎn)軸線18的距離(至少大致)相等，并且相對于旋轉(zhuǎn)軸線18線性對準(zhǔn)。在另一配置中，飛輪質(zhì)量12還限定有一個或多個額外的孔16，每個這種孔相距旋轉(zhuǎn)軸線18等距離定位。例如，在圖3中所示的具體配置中，飛輪質(zhì)量12包括兩對孔，每對孔落在橫貫旋轉(zhuǎn)軸線18的假想線上，并且與飛輪質(zhì)量12的旋轉(zhuǎn)軸線18的距離(至少大致)相等。
[0051]在一個構(gòu)想的實(shí)施方式中，飛輪質(zhì)量12 (及板20)中的孔16可以是圓形形狀。在另一配置中，一個或多個這種孔可替換為非圓形，并且可選地由多個區(qū)域組成。例如，圖5中所示的孔具有第一截面形狀的主要區(qū)域24及第一對附屬區(qū)域26，每個附屬區(qū)域具有第二截面形狀(與第一截面形狀可相同或不同)。在圖5中所示的一個具體配置中，主要區(qū)域24包括具有第一直徑dl的部分圓形，并且附屬區(qū)域26包括具有小于(優(yōu)選彼此相等)主孔區(qū)域的直徑的第二直徑d2的部分圓形。如圖5中所示，附屬區(qū)域26定位在主要區(qū)域的兩偵牝并且通向主要區(qū)域24。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，至少形成附屬區(qū)域的部分圓形的中心“O”與板/飛輪質(zhì)量的軸線的距離相等，因此沿曲線28布置。在圖5中所示的一個具體配置中，形成主要區(qū)域與附屬區(qū)域的部分圓形沿同一曲線布置。
[0052]現(xiàn)參照圖6，同樣構(gòu)想:孔還可包括一對或多對附加的附屬區(qū)域(諸如第二對附屬開口部30)。在圖6中描繪的具體配置中，限定主要區(qū)域及各個附屬區(qū)域的部分圓形與板/飛輪元件的軸線距離都相等，因此沿同一曲線28布置。在其它構(gòu)想的配置中，包括第二附屬開口的部分圓形的中心可沿一曲線定位，該曲線的半徑不同于包括主要附屬開口的部分圓形定位所沿的曲線的半徑，并且主要區(qū)域定位所沿的曲線可具有與第一附屬區(qū)域或第二附屬區(qū)域的半徑相同或不同的半徑。 [0053]在一個構(gòu)想的實(shí)施方式中，板與飛輪質(zhì)量具有相同形狀的孔。然而，應(yīng)理解:這是非必要的，并且板與飛輪質(zhì)量具有互補(bǔ)的孔就足夠了。例如，在一個構(gòu)想的配置中，飛輪質(zhì)量可具有多個圖5中描繪的型式的通孔，并且板可包括多個圓孔，各個圓孔配置成與飛輪孔的主要區(qū)域24或附屬區(qū)域26之一對準(zhǔn)。同樣應(yīng)理解:對于孔來說包括一對附屬區(qū)域是非必要的；取而代之，孔可包括單個主要區(qū)域及單個附屬區(qū)域。對于本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員來說，另外的配置是顯而易見的。
[0054]圖7至圖9示出了飛輪元件的半徑與這種飛輪質(zhì)量以角速度ω旋轉(zhuǎn)時由離心力產(chǎn)生的質(zhì)量上的正切應(yīng)力之間的關(guān)系。
[0055]圖7示出了以角速度ω旋轉(zhuǎn)的飛輪質(zhì)量的應(yīng)力-半徑關(guān)系，該飛輪質(zhì)量具有恒定的厚度并且具有沿其旋轉(zhuǎn)軸線貫穿其中心的圓孔隙。如圖7中所示，在使用中，此飛輪質(zhì)量在飛輪質(zhì)量的最內(nèi)部表面(半徑A處)處經(jīng)受的來自離心力的應(yīng)力最大，所述最內(nèi)部表面即限定通過飛輪質(zhì)量中心的孔隙的表面。相比之下，飛輪質(zhì)量的最外部表面(半徑B處)經(jīng)受的來自離心力的應(yīng)力最小。
[0056]圖8示出了以角速度ω旋轉(zhuǎn)的飛輪質(zhì)量的應(yīng)力-半徑關(guān)系，該飛輪質(zhì)量具有恒定的厚度，并且不具有沿其旋轉(zhuǎn)軸線延伸的中央圓孔隙，但代之以限定從旋轉(zhuǎn)軸線偏移的四個孔。如圖8中所示，在使用中，此飛輪質(zhì)量在每個孔的最內(nèi)部表面(半徑D處)處經(jīng)受的來自離心力的應(yīng)力最大，所述最內(nèi)部表面即最接近旋轉(zhuǎn)軸線(半徑O處)的表面。與最內(nèi)部表面(半徑D處)相比，每個孔的最外部表面(半徑E處)經(jīng)受的來自離心力的應(yīng)力略小，所述最外部表面即距離旋轉(zhuǎn)軸線(半徑O處)最遠(yuǎn)的表面。在使用中，飛輪質(zhì)量的最外部表面(半徑B處)經(jīng)受的來自離心力的應(yīng)力最小。
[0057]圖9示出了以角速度ω旋轉(zhuǎn)的飛輪質(zhì)量的應(yīng)力-半徑關(guān)系，該飛輪質(zhì)量具有恒定的厚度，并限定有四個圖6中所示形狀的孔，這種孔從旋轉(zhuǎn)軸線偏移。如圖9中所示，在使用中，此飛輪質(zhì)量在每個孔的最內(nèi)部表面(半徑D處)處經(jīng)受的來自離心力的應(yīng)力最大，所述最內(nèi)部表面即最接近旋轉(zhuǎn)軸線(半徑O處)的表面。與最內(nèi)部表面(半徑D處)相比，每個孔的最外部表面(半徑E處)經(jīng)受的來自離心力的應(yīng)力略小，所述最外部表面即距離旋轉(zhuǎn)軸線(半徑O處)最遠(yuǎn)的表面。在使用中，飛輪質(zhì)量的最外部表面(半徑B處)經(jīng)受的來自離心力的應(yīng)力最小。因?yàn)榭紫?半徑D處)處的最大應(yīng)力小于盤中心(半徑O處)處的應(yīng)力，所以此幾何形狀的最大應(yīng)力與不具有任何孔隙的平面盤的最大應(yīng)力相同。于是出現(xiàn)了以下結(jié)果:與不具有孔隙的盤相比，這種建立了有用機(jī)制的具有孔隙的盤能以相同的速度運(yùn)轉(zhuǎn)并儲存相同的能量。
[0058]如圖7至圖9中所示，沿其旋轉(zhuǎn)軸線具有孔隙的飛輪質(zhì)量在以角速度ω旋轉(zhuǎn)時經(jīng)受的來自離心力的應(yīng)力最大。因而，這種飛輪質(zhì)量與圖8與圖9中所示類型的飛輪質(zhì)量相比有可能在更低的旋轉(zhuǎn)速度下破碎。此后果之一是:與圖7中所示類型的飛輪質(zhì)量相比，圖8與圖9中所示類型的飛輪質(zhì)量能以更高的速度旋轉(zhuǎn)，因而能儲存更多的動能。同樣成立的是:在給定角速度ω的情況下，與圖7中描繪的飛輪質(zhì)量相比，圖8與圖9中所示的飛輪質(zhì)量更不可能破碎。
[0059]在另一構(gòu)想的配置(圖10中示意性繪出的)中，飛輪組件10的飛輪質(zhì)量12可包括多個相互堆疊的大致平坦的飛輪元件15。在這個配置中，板20與上飛輪元件15及下飛輪元件15接合，以致連接至板的軸19沿飛輪元件的旋轉(zhuǎn)軸線延伸。為了將組件固定在一起，使由各個飛輪元件15 限定的孔16與由板20限定的孔22對準(zhǔn)，以致固定元件23 (例如螺栓、銷、桿或短軸)可穿過每組對準(zhǔn)的孔并固定就位，從而將飛輪元件12、板20及軸19連接在一起。如本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員會理解的:這些元件僅借助穿過元件中的開口的螺栓相互定位，因此不需要要求形成三菱的配置中的用于使元件相互對準(zhǔn)的互補(bǔ)臺階及凹部這樣的復(fù)雜機(jī)加工。目前采用的配置也避免了三菱的配置在臺階/凹部交界處發(fā)生的應(yīng)力集中。
[0060]此配置的一個優(yōu)勢是:由飛輪元件組(與由單個質(zhì)量制成的飛輪相比，在一個飛輪元件破碎的情況下該飛輪元件組釋放的能量較少)構(gòu)成的飛輪能夠以與不具有孔隙的盤相同的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。此配置降低了減小在飛輪質(zhì)量發(fā)生失效的情況下質(zhì)量部分被彈出的可能性所需要的盛裝系統(tǒng)的重量及成本。此外，因?yàn)轱w輪元件大致是平坦的，且因此能不用額外加工而由金屬板材沖壓(或以其它方式成形加工)形成飛輪組件的大部分，所以這種設(shè)計的制造及組件的成本被進(jìn)一步降低。這使得這種飛輪設(shè)計在汽車能量回收系統(tǒng)以及尤其作為復(fù)合結(jié)構(gòu)的另選方案的基于地面的動力應(yīng)用中使用是有吸引力的。同樣，在給定能量儲存量的情況下，此結(jié)果下的飛輪以低于復(fù)合飛輪的圓周速度運(yùn)轉(zhuǎn)，因此減少了風(fēng)阻損失。
[0061]在將此發(fā)明作為地面動力儲存裝置應(yīng)用至發(fā)展中國家的情況下，此配置的一個優(yōu)勢是:如果一個或多個元件損壞掉，那么僅需要更換那些損壞的元件。因此，此設(shè)計的組裝及修理要比其它設(shè)計簡單，并且能以更有限的專門設(shè)備在車間中完成。[0062]圖11與圖12中示出了利用固定元件23將板20與一個或多個飛輪元件12固定在一起的多種方式。例如，固定元件24可穿過孔的僅一個開口部。另選的是，固定元件24可穿過孔的兩個或更多個開口部。所提出的配置的一個優(yōu)勢是可使用各種不同型號的固定件組裝飛輪組件。
[0063]現(xiàn)參照圖13 (a)至圖13 (C)，這里繪出了可貫穿飛輪質(zhì)量形成的其它孔的三個示意圖。圖13 (a)是貫穿飛輪質(zhì)量的孔32的示意圖，該孔主要呈橢圓形以便減小組成飛輪質(zhì)量的盤中的應(yīng)力。螺栓34穿過孔32，并且已在螺栓與孔之間添加了嵌件36以便使螺栓的位置穩(wěn)固。在一個構(gòu)想的配置中，嵌件可由諸如硬聚合物或輕金屬合金之類的低密度材料制成。在此具體的配置中，孔32 (至少大致)是對稱的，但有利的是可如圖13 (b)中所示使形狀不對稱以進(jìn)一步減小應(yīng)力。在另一配置中，可通過減小螺栓34的尺寸使一個嵌件38代替每個孔的兩個嵌件。此配置使組裝更簡易些，但可能會因孔的尺寸增大而增大應(yīng)力。
[0064]現(xiàn)參照圖14，這里描繪了另一飛輪組件40的示意圖。此實(shí)施方式的飛輪組件在許多方面與其它實(shí)施方式的方面相似，但是不同之處在于，在此實(shí)施方式中板20被配置成螺栓不從板的外表面突出(從而減小了風(fēng)阻損失)。
[0065]在使飛輪組件40運(yùn)轉(zhuǎn)之前并且同樣在板20用于將飛輪質(zhì)量連接至軸19之前，將組成飛輪質(zhì)量的盤12與板20由螺栓42、44夾在一起。因?yàn)榇藢?shí)施方式中僅需要兩個板，所以板20會比飛輪盤設(shè)計得稍微復(fù)雜些。板被配置成減小飛輪質(zhì)量中的應(yīng)力，并且也支撐螺栓42、44。
[0066]在一個構(gòu)想的配置中，螺栓42、44各自由兩個內(nèi)螺紋沉頭機(jī)械螺釘46構(gòu)成，外螺紋桿48可與該螺釘46接合。通過設(shè)置內(nèi)螺紋螺釘，飛輪質(zhì)量的盤定位在機(jī)械螺釘?shù)南鄬ζ交耐獗砻嫔?，從而避免了定位在不精確的外螺紋上。在優(yōu)選的配置中，小間隙50存在于螺釘46之間，以便飛輪質(zhì)量的中間盤仍在不喪失由螺栓42、44提供的夾緊力的情況下定位。
[0067]圖15與圖16是說明性機(jī)械螺釘?shù)氖疽庑越孛鎴D。圖15中示出了連接至桿48的一部分的內(nèi)螺紋機(jī)械螺釘。當(dāng)俯視螺栓的軸線時，通過向彼此抵靠的兩個機(jī)械螺釘施加扭矩而在螺栓中產(chǎn)生拉伸。圖16中描繪了機(jī)械螺釘?shù)牧磉x設(shè)計。在此配置中，桿48能恰好穿過機(jī)械螺釘以避免盲孔。在此配置中，機(jī)械螺釘上的用于施加扭矩的特征部(諸如六角插口)必須大于貫穿螺釘?shù)穆菁y孔。
[0068]圖17示出了用于拉伸螺栓的另選配置。在此配置中，桿48在一側(cè)突出到機(jī)械螺釘46外，從而螺母49被擰到突出的螺紋上。機(jī)械設(shè)備(本【技術(shù)領(lǐng)域】中公知類似的機(jī)械設(shè)備)用于沿長箭頭的方向拉螺母同時該設(shè)備壓靠板20。本【技術(shù)領(lǐng)域】中的技術(shù)人員公知這種設(shè)備，并且這種設(shè)備具有孔隙以便通過使工具與形成在螺釘46中的定位特征部50接合而轉(zhuǎn)動機(jī)械螺釘。需要向定位特征部50施加小的扭矩，因?yàn)橐坏C(jī)械設(shè)備釋放了作用力，螺栓中就會產(chǎn)生大的拉伸。此操作完成后，可通過切割或其它形式的機(jī)加工移除突出的桿。通過以此方式將螺栓連接在一起，可向螺栓施加正確水平的拉伸，并且完成的飛輪組件本質(zhì)上不易篡改。
[0069]圖18是另一配置的示意圖，在該配置中飛輪相對短些。在此配置中，僅在一側(cè)上需要用于飛輪的軸承支撐件，并且借助此配置，一個板可因移除了通常需要軸承定位的軸而輕量化。
[0070]應(yīng)理解:盡管此前已經(jīng)描述了本發(fā)明的多個方面及實(shí)施方式，但是本發(fā)明的范圍不限于在此陳述的具體配置，相反適用范圍擴(kuò)展至包含所有落入所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的配置、及其變型例與變更例。
[0071]例如，在一個構(gòu)想的配置中，一個或多個軸19可直接固定至圖3中的飛輪元件20，以致這個軸或每個軸19沿旋轉(zhuǎn)軸線18的長度延伸。而且，還構(gòu)想:貫穿飛輪質(zhì)量及板的孔不必由幾組圓形孔組成，盡管這些孔易于通過鉆銷加工制成。非圓形孔可用于進(jìn)一步減小孔隙中的應(yīng)力，但是這種孔需要更復(fù)雜的機(jī)加工而制成?？衫盟淞?、激光切割或沖壓形成此類型的孔隙。
[0072]在另一構(gòu)想的配置中，飛輪質(zhì)量不必夾在一對支撐件之間，而是可代之以連接至單個支撐件。例如，如果支撐件垂直取向(從而飛輪質(zhì)量繞垂直軸線旋轉(zhuǎn))，那么可不需要第二支撐板。如果設(shè)置使飛輪質(zhì)量懸空的機(jī)構(gòu)而不是第二支撐件，那么同樣可不需要第二支撐件。例如，飛輪質(zhì)量可包括一個或多個磁體，并且殼體(飛輪質(zhì)量在該殼體內(nèi)旋轉(zhuǎn))可包括另一磁體，殼體上的磁體及飛輪質(zhì)量上的磁體被布置成同極相對。
[0073]還應(yīng)注意的是，盡管所附的權(quán)利要求闡述了在此描述的特征的具體組合，但是本發(fā)明的范圍不限于此后要求的具體組合，相反其范圍擴(kuò)展至包含在此公開的特征的任一組
口 ο
【權(quán)利要求】
1.一種飛輪組件，該飛輪組件包括: 至少一個飛輪質(zhì)量支撐件，該支撐件或每個所述支撐件具有沿旋轉(zhuǎn)軸線延伸的軸，在使用中所述支撐件能繞該旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，該支撐件或每個所述支撐件包括多個各自從所述旋轉(zhuǎn)軸線偏移的開口； 飛輪質(zhì)量，該飛輪質(zhì)量包括多個各自布置成與所述支撐件中的相應(yīng)開口對準(zhǔn)的開口；以及 連接機(jī)構(gòu)，該連接機(jī)構(gòu)用于使所述飛輪質(zhì)量連接至該支撐件或每個所述支撐件，以便在使用中所述飛輪質(zhì)量能與該支撐件或每個所述支撐件一起旋轉(zhuǎn)，所述連接機(jī)構(gòu)被配置成延伸穿過該支撐件或每個所述支撐件及所述飛輪質(zhì)量中的對準(zhǔn)的開口， 其中，所述飛輪質(zhì)量包括夾在一起而形成一摞元件的多個大致平坦的飛輪質(zhì)量元件，每個所述元件包括多個與該支撐件或每個所述支撐件中的開口對準(zhǔn)并與所述摞中的相鄰元件中的開口對準(zhǔn)的開口，所述飛輪元件僅借助延伸穿過所述元件及該支撐件或每個所述支撐件中的對準(zhǔn)的開口的所述連接機(jī)構(gòu)連接在一起并相互對準(zhǔn)，從而形成所述飛輪質(zhì)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛輪組件，其中，所述飛輪質(zhì)量與該支撐件或每個所述支撐件中的至少一者中的所述開口是大致圓形的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的飛輪組件，其中，所述飛輪質(zhì)量與該支撐件或每個所述支撐件中的至少一者中的所述開口是非圓形的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3 中任一項所述的飛輪組件，其中，所述飛輪質(zhì)量中的所述開口與該支撐件或每個所述支撐件中的所述開口具有相同的形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的飛輪組件，其中，所述飛輪質(zhì)量中的所述開口與該支撐件或每個所述支撐件中的所述開口具有不同的形狀，這些形狀彼此互補(bǔ)，使得所述飛輪質(zhì)量中的開口能與該板或每個所述板中的開口對準(zhǔn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的飛輪組件，其中，該支撐件或每個所述支撐件與所述飛輪質(zhì)量中的至少一者中的所述開口包括主要區(qū)域與附屬區(qū)域。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的飛輪組件，其中，所述主要區(qū)域與所述附屬區(qū)域具有相同或不同的截面形狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的飛輪組件，其中，所述主要區(qū)域的中心點(diǎn)與所述附屬區(qū)域的中心點(diǎn)距所述旋轉(zhuǎn)軸線的距離是相等的。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一項所述的飛輪組件，其中，所述主要區(qū)域包括具有第一直徑的部分圓形，并且所述附屬區(qū)域包括具有小于所述第一直徑的第二直徑的部分圓形。
10.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的飛輪組件，其中，所述連接機(jī)構(gòu)包括多個固定構(gòu)件，每個所述固定構(gòu)件被配置成延伸穿過由所述飛輪元件限定的一組對準(zhǔn)的開口。
11.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的飛輪組件，其中，該支撐件或每個所述支撐件包括板，所述開口設(shè)置在該板中并且所述軸從該板延伸。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的飛輪組件，其中，所述板與所述軸包括單個元件，或者包括兩個相互固定連接的分離元件。
13.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的飛輪組件，其中，該支撐件或每個所述支撐件僅借助延伸穿過該支撐件或每個所述支撐件及所述飛輪質(zhì)量的所述連接機(jī)構(gòu)固定至所述飛輪質(zhì)量。
14.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的飛輪組件，所述飛輪組件包括兩個支撐件，每個所述支撐件包括延伸有軸的板，所述飛輪質(zhì)量夾在這些支撐件的所述板之間，以致每個支撐件的所述軸相互對準(zhǔn)并沿相同的旋轉(zhuǎn)軸線延伸。
15.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的飛輪組件，其中，所述支撐件或每個所述支撐件包括支撐主體，所述支撐主體具有凹部，該凹部環(huán)繞每個所述開口，以致當(dāng)所述連接機(jī)構(gòu)將該支撐件或每個所述支撐件連接至所述飛輪質(zhì)量時，所述連接機(jī)構(gòu)不從該支撐件或每個所述支撐件的所述支撐主體突出。
16.一種在前述任一項權(quán)利要求的飛輪組件中使用的飛輪質(zhì)量，該飛輪質(zhì)量限定一個或多個開口，這些開口從一旋轉(zhuǎn)軸線偏移，該旋轉(zhuǎn)軸線是所述飛輪元件被配置成在使用中旋轉(zhuǎn)所圍繞的旋轉(zhuǎn)軸線。
17.一種飛輪組件， 該飛輪組件包括: 第一飛輪質(zhì)量支撐件與第二飛輪質(zhì)量支撐件，每個所述支撐件包括板和軸，該軸沿旋轉(zhuǎn)軸線從該板延伸，在使用中所述支撐件能圍繞該旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，每個所述支撐件還包括各自從所述旋轉(zhuǎn)軸線偏移的多個開口； 飛輪質(zhì)量，該飛輪質(zhì)量包括多個各自布置成與每個所述支撐件中的相應(yīng)開口對準(zhǔn)的開口 ；以及 連接機(jī)構(gòu)，該連接機(jī)構(gòu)用于將所述飛輪質(zhì)量連接至每個所述支撐件，以致所述飛輪質(zhì)量夾在所述支撐件的各個板之間并且所述支撐件的各個軸沿相同的旋轉(zhuǎn)軸線沿相反的方向延伸，所述連接機(jī)構(gòu)被配置成延伸穿過所述第一支撐件中的對準(zhǔn)的開口，穿過所述飛輪質(zhì)量，并且穿過所述第二支撐件中的所述開口 ； 其中，所述飛輪質(zhì)量包括夾在一起而形成一摞元件的多個大致平坦的飛輪質(zhì)量元件，每個所述元件包括多個開口，這些開口與所述支撐件中的開口對準(zhǔn)并與所述摞中的相鄰元件中的開口對準(zhǔn)，所述飛輪元件僅借助延伸穿過所述元件及所述支撐件中的對準(zhǔn)的開口的所述連接機(jī)構(gòu)連接在一起并相互對準(zhǔn)，從而形成所述飛輪質(zhì)量。
【文檔編號】H02K7/02GK104025429SQ201280044098
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月18日
【發(fā)明者】K·R·普倫 申請人:城市大學(xué)