飞轮制造技术

本发明专利技术涉及一种用于制造储能飞轮的方法，特别是用于在制造过程中对飞轮仔细调平衡的方法，该方法特别是与具有复合构造的飞轮一起使用，且该方法还适合于同时证实飞轮的结构完整性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种飞轮和用于构造能量储存用的飞轮的方法。
技术介绍
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( 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 2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)。因此，可期望发现一种用于使这种飞轮简单和快速平衡到较高精度的方法。还可期望的是该方法应同时确保飞轮的结构完整性。这种方法将节约时间、生产成本、资金成本并还将提高飞轮的性能和可靠性。现有飞轮有时构造成飞轮的转动质量在含真空的腔室内转动。在真空下操作转动质量是有利的，因为它减小由于空气阻力(也已知为风阻(windage))造成的能量损失。然而，为了将能量传递到转动的飞轮质量内并从其中传递出，需要联接装置。一些现有飞轮使用穿过真空腔室内的转动密封件的转动轴，以将扭矩从能量源联接到飞轮储能装置。但转动密封件绝不是完美的，这是因为它们不可避免地泄漏，并因此需要联接到真空腔室的环境管理系统，从而尽管有泄漏还是可保持真空。此外，密封件随着时间推移以及随转速增大而变得更“易漏”，并且以较高的速度磨损得也更快。因此，使用转动密封件是不期望的。这种环境管理系统的质量、体积和成本是不期望的。磁联接器可与飞轮一起使用以穿过真空腔室壁传递扭矩，由此避免需要转动密封件。然而，这种使用永磁体的磁联接器的扭矩传递力在先前已发现是不足的。已发现至少部分是这样，因为对于给定的磁极强度，在两转动构件的磁极之间穿过的磁通量受到两构件之间的“空气间隙”的限制。实际上，空气间隙包括外部转动构件和真空壁之间的空气间隙、真空壁本身以及真空壁和内部转动构件之间的真空间隙。由于真空腔室壁必须结构上强到足以支承大气压，所以它的厚度必定相当大，从而导致内部转动构件和外部转动构件之间较大的“空气间隙”。现有结构应通过采用电磁极来克服这种受限的扭矩联接能力，以增大磁场强度并由此提高扭矩联接能力。然而，使用电磁极需要能量转化，由此减少储能飞轮的效率(因为电磁体需要电能来操作它们，这必须从储存在飞轮中的能量获得)。此外，与电磁联接器相关的附加控制和功率电子大大增大包括这种电磁联接器的飞轮储能系统的尺寸和重量，由此还减小这种飞轮储能系统的储能质量密度和体积密度。因此，需要在真空腔室内操作的、 将能量联接到储能飞轮内并从其中联接出的的方法，该方法在质量、体积和能量方面是有效的。现有飞轮的另一问题是尽管飞轮本身应能够以较大角速度转动，但使飞轮不变地联接到能量源或换能器(诸如发动机或变速器)的驱动轴和在真空腔室之外的相关部件由于空气阻力(或“风阻”)而受到损耗。磁力传动装置使用磁体(例如永磁体)阵列和固定极片来在例如驱动轴的可转动构件之间传递扭矩。当与传统机械式传动装置相比时，它们具有较低的磨损。但它们的扭矩传递力取决于磁体相对彼此的转动位置，因此随着轴转动而变化。例如，当在图上关于角位置绘制扭矩传递力时，在扭矩曲线中会呈现若干波峰和波谷。这已知为“齿槽效应”并导致一组不期望的特征。首先，扭矩曲线中的波峰和波谷产生具有随啮合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.03.27 GB 0905345.51.一种用于平衡具有相对较密外缘的飞轮的方法，所述方法包括如下步骤 使飞轮在真空腔室内转动，所述真空腔室具有允许气体进入装置并包含至少部分真空，控制允许气体进入装置，以在所述飞轮还在转动时，允许预定量的气体进入所述真空腔室。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述飞轮缘是复合缘。3.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述飞轮具有表面不规则部。4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述飞轮转动，因而，所述轮缘的表面基本上以音速或超过音速运动。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，热量引起材料状态的变化。6.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，当允许气体进入时，超音速冲击波产生在表面不规则部和所述真空腔室之间的气体中。7.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述真空腔室壁和所述飞轮之间的间隙较窄并较佳是约10毫米。8.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述气体是惰性的，并较佳是氮气。9.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述飞轮首...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·阿特金斯，
申请(专利权)人：里卡多英国有限公司，
类型：发明
国别省市：