CN102428294A - 飞轮 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于构造将扭矩从飞轮传递到驱动轮的磁力传动联接器的装置和方法，联接器采用永磁体阵列和在其之间的磁通量联接元件，且联接元件和阵列中的至少一个周向交错或展开，以避免阵列和元件的完全对准，并由此缓和扭矩联接能力的振动。

Description

飞轮
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，
Figure BPA00001464308000022
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位置的可变化的“失步”扭矩的磁力传动装置。即，在传动装置将滑出啮合之前所需的扭矩根据转动啮合位置来变化。因此，这种用于传递给定水平的扭矩的传动组件必须设计成如由扭矩曲线中的波谷中的一个表示的(图26中示出为约20Nm)最小扭矩联接能力比设计扭矩处理值大。为此，磁体阵列的尺寸必须适当更大，且这还通常导致在某些啮合位置过度的扭矩联接能力，从而表现出低效率。因此，磁体阵列的尺寸通常大于如果扭矩曲线更接近地遵循平均扭矩处理能力所必要的尺寸，由此增加它们的成本和尺寸，并减小包含这种磁力传动装置的飞轮的储能密度。
此外，由于磁力传动装置的输入轴和输出轴之间的角偏移根据所施加的扭矩和给定啮合位置处的扭矩联接能力而变化，如果扭矩联接能力随啮合位置而变化，则这将导致轴中的扭转振动。这种扭转振动会减少相关机械部件的寿命，和/或可导致失效和/或脱离。如果转速使扭转振动的频率与机械系统的共振频率重合，则这就是特别严重的问题。因此，如果扭矩曲线中的波峰和波谷之间的变化可减小或消除则将是有利的。这将允许使用较小、较便宜的磁体阵列，这是因为最小扭矩联接能力将大大接近于平均扭矩联接能力。轴的扭转振动也将减小，从而允许使用较便宜、较轻和较小的部件。采用这种较小、较便宜和较轻部件的飞轮储能系统将具有较高的储能密度。
发明内容
权利要求书阐明了本发明。
在本发明的第一方面，提供有如所附权利要求书的权利要求1中所限定的用于联接力的装置。
在本发明的第二方面，提供有如所附权利要求书的权利要求24中所限定的方法。
附图说明
现将参照附图描述本发明的实施例，其中：
图1是已知飞轮的示意图；
图2是本发明的实施例的等轴立体图；
图3是图2实施例的剖视图；
图4是轴的构造的视图；
图5是卷绕方式的详图；
图6是轴处卷绕件的视图；
图7是示出轮缘处另一缠绕方法的视图；
图8是包含警告环的飞轮的剖视图；
图9是图8实施例的侧视图；
图10是包含警告环的另一实施例的视图；
图11是图10实施例的侧视图；
图12是具有警告环的另一实施例的视图；
图13是图12实施例的侧视图；
图14是包含警告环的另一实施例的视图。
图15是构造在真空腔室内的飞轮的视图；
图16是图15的飞轮的剖视图；
图17a是一种类型的磁联接器的视图；
图17b是具有联接元件的磁联接器的视图；
图18a是周转的磁力传动联接器的视图；
图18b是图18a的联接器的一部分的特写视图；
图19a到19c是图18a联接器的一部分在其转动经过连续三个位置时的连续视图；
图20是当包含到真空腔室壁中时诸如图18a中所示磁联接器的剖视图；
图21是包含交错磁极的磁力传动联接器的视图；
图22是包含交错磁极的周转磁力传动联接器的视图；
图23是包含展开联接元件的周转磁力传动联接器的视图；
图24是包含交错联接元件和展开联接元件的周转磁力传动联接器的视图；
图25是包含周转磁力传动联接器的飞轮的剖视图；
图26是示出关于传动装置啮合位置的扭矩联接能力的两条曲线的视图。
具体实施方式
总体而言，在此所述的装置和方法涉及一种飞轮能量储存装置，其中，以惯性有效的方式来使用这种构造中所用的材料，且支承结构处于张力作用下，包括质量元件的轮缘通过卷绕件在其外表面上保持在位(该卷绕件还经过驱动传递元件周围)，而不是例如通过压紧的过盈配合而保持到其内表面。
在其它实施例中，支承元件可围绕轮缘以抵消离心力，并且可设置诸如轴的扭转适应或弹性驱动传递元件。
卷绕件可以下面所述的许多方式构造并还可以被预张紧。驱动传递元件可以是轴，该轴可以是中空的并可以由卷绕的碳纤维来构造。轮缘可包括周向支承构件(也被称为支承元件)以及径向安装在支承构件内部的质量元件。
在实施例中，轮缘可由复合材料，例如经卷绕的碳纤维和树脂构造成。质量元件可以是被按压到或模制到加强元件内的环。替代地，质量元件可包括一个或多个高密度元件，这些元件可连接成串、通过模制、钻孔、按压包含到轮缘内或者粘性附连于加强元件的内部。
驱动传递元件例如可以是中空的轴，且可以由经卷绕的碳纤维复合物构成。复合物可以卷绕有纤维，这些纤维沿设置成使轴的弯曲和轴的扭转导致纤维长度变化的方向来定向，因此，这些变形受到纤维抵抗长度上变化这一自然趋势的阻碍。因此，轴可以成形为顺应扭转运动。
警告环或指示器环能够安装至飞轮轮缘，且飞轮能设置成警告环和其它部件中的一个相对于另一个在足够量的离心力作用下运动、扩大、收缩、变形或扭曲。这会例如通过使组件不平衡而影响组件的转动，这可被监测或探测到以提供过载的指示。
因为飞轮包含有警告环或指示器环以在转动时不同地运转，所以当飞轮到达不期望的转动速度时，探测器可探测到不同表现的结果，例如飞轮中的不平衡。
指示器环可以过盈配合安装到飞轮，并且由支承构件或由驱动传递元件(例如，轴)来支承。该环可由周向卷绕的纤维(例如，碳纤维)构造成，或者可以是其它具有足够环绕强度的材料，其环绕强度使其能够在最大设计飞轮速度下进行不失效地转动，并具有如下面进一步所述的合适的硬度。当环被安装至支承构件时，该环可径向设置在支承构件的外侧或内侧。当该环径向设置在支承构件的内侧时，环具有比支承构件大或基本上相同的硬度。当该环径向设置在支承构件的外侧时，环具有比支承构件小或基本上相同的硬度。支承构件包括周向卷绕的纤维，例如碳纤维。当环被安装到驱动传递元件(例如，轴)时，该环具有比驱动传递元件小或基本相同的硬度。
过盈配合导致在飞轮处于闲置时环及其安装件(例如，支承元件)之间产生预载荷。预载荷的水平和环以及环的安装件的相对硬度选择成，当飞轮在预定触发速度或超过预定触发速度转动时，由离心力基本上克服预载荷，从而使环和支承构件分离。一般来说，较小硬度的部件将倾向于比硬度大的元件伸展和“增大”得更多。但显然，在环及其安装件具有基本上相同硬度的情况下，两部件将仍倾向于在转动时分离，这是因为更大的力作用于在离开转动轴线更大半径处的部件。可以相应地调节径向位置和材料硬度的组合，以在期望的预定速度下达到分离。预定速度选择成比预期飞轮将要失效的速度低。环通过压配合而装配至其安装件，这导致在过盈配合的边界处产生不均匀的应力分布。
参见图2和7，为了有效地提供较大惯量，包括质量元件(10)的轮缘(50)设置在离开提供中心转动轴线(20)的诸如轴(60)的驱动传递元件、相比于飞轮(30)的尺寸来说相对较大的半径处，该质量元件(10)例如包括相对较重材料的环。质量元件(10)具有较高密度以有效提供惯量。合适的材料也可以是铅或钢之类，但也可使用其它材料。当飞轮(30)转动时，质量元件(10)受到由离心力引发的应力。
外周向支承构件(40)位于质量元件的径向外侧。支承构件(40)具有较高的环箍强度并能抵消当飞轮(30)转动时作用于质量元件(10)的离心力。支承构件(40)较佳是碳纤维复合物、沿周向卷绕，以赋有较高的环箍强度。在所示实施例中，支承构件(40)以较小的过盈配合的预载荷被压到质量元件(10)上，因而，两者被有效连结，从而形成轮缘(50)。仅需较小的预载荷，这是因为当飞轮静止时，预载荷仅起到以过盈配合方式将两元件保持在一起的作用。替代地，两者可通过粘结剂或类似物来连结。对质量更为有效的布置，从而使质量集中在飞轮的轮缘附近，使得对于给定的能量储存能力来说飞轮更轻。尽管在图2中所示的质量元件示出为连续环，但替代地它也可以是分离的环段或可以是分立的质量的元件。例如，在图7中示出另一结构，其中，质量可插入或模制到支承构件(40)内，作为环或作为分立的元件而插入或模制到支承构件(40)中的容纳孔内。
参见图2、5和6，卷绕件将轮缘(50)联接到轴(60)。卷绕件构造成它由从轴(60)延伸到轮缘(50)的基本上或部分径向部分(80)和围绕轮缘(50)延伸的基本上轴向部分(90)构成。在所示实施例中，卷绕件是以如下的卷绕操作过程进行卷绕的细丝：径向部分从轴(60)到轮缘(50)，轴向部分在轮缘(50)上，以形成“系带/吊索(sling)”，然后径向部分以重复方式从轮缘(50)返回到轴(60)。在某些但不必在所有反复的卷绕操作之间，卷绕件(87)可至少部分地经过轴(60)的圆周周围。卷绕件(80，90)将在离心力作用下随轮缘(50)增大而略微伸展，并将在轮缘(50)上施加反作用力。由此，卷绕件(80，90)帮助轮缘(50)的支承构件(40)抵抗作用于质量元件(10)的离心力并有助于抵抗轮缘(50)的径向增大。卷绕件(80，90)可以由包括碳、玻璃纤维、凯夫拉尔、柴隆(Zylon)或尼龙的纤维构成，或者可以在较小的应力场合中由金属丝构成。由此，不需要诸如中央支承部或轮辐的较重的安装结构。
在质量元件包括易延展或可锻材料的实施例中，支承构件(10)和卷绕件(80，90)可以在制造期间通过下述方法进行预张紧：飞轮以文中上述的方式进行组装，而驱动传递元件(60)和轮缘(50)通过卷绕件来联接，轮缘(50)包括质量元件(10)和外支承构件(40)。在该阶段，不需要或需要极少的向内的预载荷。然后，飞轮以足够快的角速度进行旋转，以使质量元件(10)上的离心力足以使飞轮屈服并且比其最终的抗拉强度小。由此，质量元件(10)向外屈服且其圆周增大。质量元件(10)圆周的增大导致质量元件(10)和支承构件(40)之间可靠的过盈配合，由此使支承构件(40)伸展和预张紧并且还使卷绕件(80，90)伸展和预张紧。质量元件(10)具有低到中等的杨氏模量，该杨氏模量比支承构件(40)的小，因而，质量元件(10)的在离心力作用下变形的趋势比支承构件(40)的变形趋势大。这种操作致使支承构件(40)和卷绕件(80，90)都被预张紧。这样，支承构件(40)和卷绕件(80，90)都被预张紧，相比于在增加卷绕件前使质量元件(10)以过盈配合的方式配合至支承构件(40)，这将仅仅致使支承构件(40)预张紧。在其它实施例中，上述方法可用于单独使支承构件预张紧。
在其它实施例中，具有极低杨氏模量的材料，诸如铅，构成质量元件(10)。使用诸如水银的较高密度的液体可产生其中质量元件(10)为自平衡的飞轮。支承构件(40)将质量元件(10)限制在支承构件(40)径向内侧。
包括质量元件(10)的所使用的合适的易延展或可锻材料具有相比于它们屈服强度的第一点较大的最终抗拉强度，从而形成足够大的易延展区域，以在上面详述的制造操作期间超过材料的屈服点，而没有超过材料的最终抗拉强度的风险。屈服强度比最终抗拉强度之比接近1∶2。用于质量元件(10)的材料还具有第一屈服点，该屈服点足够低以使其可在中等的飞轮速度下被超过，从而避免飞轮其它部分的失效，这种部件例如是外支承构件(40)和卷绕件(80，90)。材料还具有如下特性，即，使产生预加载过程的离心力引起质量元件(10)的足够大的周向变形，以使支承构件(40)和卷绕件(80，90)的所产生的变形导致预载荷，当飞轮以在正常操作期间遇到的典型转动速度进行转动时，该预载荷显著抵消作用于质量元件(10)的离心力。
在质量元件(10)使用上述方法不延展又不被预加载的实施例中，质量元件的最终抗拉强度较优地接近于支承构件(40)的最终抗拉强度，且质量元件(10)的屈服强度尽可能接近支承构件(40)的最终抗拉强度。
参见图5，可选择卷绕部分(80)从轴(60)到轮缘(50)的角度，以决定轴(60)和轮缘(50)之间的扭矩传递特性。所用的角度可在i)切向于轴的圆周以及ii)垂直于轴的圆周之间选择。接近于相对于轴(60)的垂直角的经选择的角度将增大由卷绕件(80)对抵消作用于质量元件(40)的离心力所作的贡献。接近于切向于轴(60)的经选择的角度将增大卷绕件(80)在轴(60)和轮缘(50)之间传递扭矩的能力。可以选择在上述角度范围内的折衷角度，以优化由卷绕件所作的贡献。由于卷绕件(80，90)仅能够在张紧时传递扭矩，因此径向的卷绕部分(80)可沿顺时针(85)和逆时针(86)方向设置，因而，根据飞轮在加速还是在减速，顺时针(85)或逆时针(86)的卷绕部分受拉。还可以改变围绕设有卷绕件的轴的轴向位置，以改变抗拉支承的强度。
参见图2，卷绕件(80，90)的绕圈数以及由此该卷绕件的强度可变化。同样，可变化碳支承构件(40)内的纤维的绕圈数，以改变其强度。由于抵抗作用于质量元件(10)的离心力的反作用是来自支承构件(40)和卷绕件(80，90)组合的反作用，因此来自它们中每一个的相关贡献可通过改变卷绕件(80，90)内的绕圈数和支承构件(40)内的绕圈数来变化。一方面，支承构件(40)可被完全移除，由此仅通过卷绕件(80，90)抵消作用于质量元件的离心力。此外，卷绕件可连续围绕整个圆周延伸，或者可以由沿周向在各个纤维或各组纤维之间的间隙来中断，从而提供“像轮辐”的结构。例如，在质量元件是多个分立元件的情况下，轮缘处的卷绕件(90)可与分立的质量元件对准。
参见图3，轮缘(50)至少暂时由可以是轴(60)的驱动传递元件上的支架部分(70)来支承。支架部分较佳地由轻质材料构成，以减小总体飞轮质量并将质量聚集在周界处。支架部分可例如由木、蜡、树脂或其它轻质材料制成。支架部分允许轮缘安装在驱动传递元件上，而在制造期间施加卷绕件。支架部分可以在卷绕件被施加到轮缘和驱动传递元件之后借助于腐蚀、溶解、融化或升华来移除或可移除。
对比于轮缘，卷绕件和支架部分相对较轻，由此飞轮可构造有轮缘，该轮缘包括质量元件，因而，飞轮的大部分质量靠近惯量上最有效的轮缘。支架部分(70)可以粘胶到轴(60)和/或轮缘(50)。
参见图4，轴(60)可以是实心的，但较佳为中空的，以减小其质量。轴(60)较佳为碳纤维复合物，其编织成扭转适应且轴向刚硬。但轴可以由诸如玻璃纤维、钢、钛、其它金属或复合物的其它材料制成。在纤维复合轴的情况下，可以变化纤维的编织方式，以影响抵抗弯曲和扭转的程度并良好地调节轴的扭转顺应性。轴可以具有按压或胶粘到其上的一个或多个支承表面(65)。一个或多个支承表面(65)还可包含驱动联接器(66)或者单独的驱动联接器可胶粘或按压到轴上。轴的扭转顺应性对限制驱动联接器处的峰值扭矩水平有效果，因此允许使用具有比键连接的驱动联接器的峰值扭矩处理能力低的驱动联接器，例如摩擦或磁性联接器。
通过参见附图3和6可进一步理解飞轮的制造。卷绕件(80，90)可通过“湿卷绕”过程来成形，由此例如使用树脂或粘合剂来提供连结。形成卷绕件(80，90)的纤维可浸渍有树脂或粘合剂，并且可在树脂或粘合剂还“湿”时卷绕，即，树脂或粘合剂还处于未固化的状态下。替代地，支承构件(40)可在形成卷绕件(80，90)的过程前或期间涂敷有树脂和粘合剂，以使卷绕件(80，90)粘附于支承构件(40)。类似地，轴(60)可在卷绕过程前或期间涂敷有树脂和粘合剂，以使卷绕件(80，90)粘附于轴(60)。这些技术增强轴(60)和轮缘(50)之间的扭矩传递。替代地，可使用卷绕件(80，90)、轴(60)以及轮缘(50)之间的过盈配合。
参见图7，卷绕件(80，90)和支承构件(40)在下文中被描述为分离的卷绕元件。然而，可以通过例如使卷绕件(80，90)的绕圈和支承构件(40)的绕圈交叉/交织来组合两个元件。还可首先形成支承构件(40)、形成穿过支承构件的孔(45)，然后形成具有穿过支承构件(40)内的孔(45)的卷绕部分(80，90)的卷绕件(80，90)。支承构件(40)的形状可以是半球形或抛物线形，以将应力分布在卷绕件(90)的与支承构件(40)接触的部分上。任何光滑的截面轮廓形状都被设想为合适的。
参见图2和5，在轮缘处的卷绕部分(80，90)之间留有空间，因而进入支架部分(70)的通路被保留。支架部分(70)可以在已形成缠绕件(80，90)之后保留在位或可以通过爆破、腐蚀、溶解、融化或升华来移除。支架部分可例如由陶瓷、树脂、蜡、树脂或其它能够进行该操作的材料制成。移除支架部分(70)将产生更轻的飞轮，该飞轮具有更低比例的惯性效率低的质量。由于去除了支架部分，卷绕件提供用于支承驱动传递元件上轮缘的唯一实质装置。
在替代的方法中，飞轮可构造有周向支承构件，这些支承构件提供环绕强度，但使用传统的中央支承部而不是卷绕件来安装环。
使用时，飞轮可安装在车辆中或为了储存能量或诸如稳定作用的其它目的的任何其它合适的设置中，并且适当地经由驱动传递元件与诸如电动机、发动机或发电机的提供驱动或接收驱动的部件联接或脱开联接
参见图8和9，这些图示出具有警告环或指示器环(800)的飞轮(30)的第一个实施例，可以看到警告环(800)安装在支承构件(40)的外圆周上。警告环(800)使用过盈配合安装在支承构件(40)的径向外侧，并且通常被按压在位。当飞轮(30)闲置时，警告环(800)和支承构件(40)之间的过盈配合导致这两个部件之间的预加载力。将警告环(800)组装到支承构件(40)导致在两者之间的残余非均匀应力。卷绕件(80)经过警告环(800)、支承构件(40)和质量元件(10)周围。飞轮被仔细地调平衡，以避免在转动时振动。在制造期间，在组装警告环后进行平衡操作，因而，在警告环在位的情况下使飞轮平衡。
如图8和9中所示，卷绕件(80)经过警告环(800)和支承构件(40)周围。因此，卷绕件倾向于保持警告环(800)与支承构件(40)接触，从而抵消警告环离开支承构件(40)而增大的趋势。然而，通过适当选择警告环(800)、卷绕件(80)和支承构件(40)的硬度，可以确保警告环(800)能够在离心力作用下径向离开支承构件(40)(即，增大)运动。在其它实施例中(诸如图10和11中所示)，警告环(800)被按压到支承构件(40)的外侧上并且在卷绕件(80)的径向外侧上。
在图8至11中所示的实施例中，警告环(800)具有比支承构件(40)低的杨氏模量(刚性更低)，因而，在操作中当飞轮转动时，警告环(800)(在离心力作用下)径向上增大比支承构件(40)更多的量，从而在离心力到达足够量时导致分离。在卷绕件经过警告环(800)周围的图8和9中所示的实施例中，卷绕件(80)连同警告环(800)的硬度足够低，因而，在飞轮转动时卷绕件(80)和警告环(800)比支承构件(40)增大得更多。警告环(800)仅需是相比于支承构件(40)具有相对较低强度的轻质环，这是因为警告环(800)实质上不支承质量元件(10)。
警告环的扩大导致警告环(800)和支承构件(40)之间预载荷的释放。在触发转动速度或离心力大小下(由过盈配合的预载荷的量以及警告环与支承元件之间的相对硬度来预先确定)，克服预载荷，且警告环(800)和支承构件(40)至少部分分离。可能会不均匀地发生分离，这是因为过盈配合在过盈配合的边界处具有不均匀的应力分布，从而导致转动质量中的运动偏离中心以及不平衡。此外，警告环(800)和支承构件(40)之间残余的不均匀应力至少部分地通过警告环(800)相对于支承构件(40)的运动来释放。这种运动使(在制造期间被仔细地调平衡的)飞轮至少略微不平衡。由残余应力的释放引起的不平衡是永久的(即，不平衡是永久的，除非后来至少部分地重新制造飞轮，例如通过至少执行使飞轮重新平衡的步骤以及选择性地，在重新平衡前，执行移除警告环以及将其重新安装到支承元件上的步骤，以使残余的非均匀应力被恢复，由此，恢复如果预载荷被再次克服则飞轮摆脱平衡的能力)并且可以被认为是已触发的机械“保险丝(fuse)”的根据。
所造成的不平衡在飞轮转动时引起振动，且可通过振动传感器探测到振动，以给出飞轮超速的指示，该指示与例如由飞轮速度传感器得出的任何指示是分开的。合适的振动传感器的例子是压电加速计。因此，即使主飞轮速度传感器发生故障，对过度飞轮速度提供分开的和独立的指示。此外，永久的指示使得示出飞轮在某些位置超出其设计速度运转并由此可能将来在某些位置失效。
在图10和11中所示的第二实施例中，警告环经过卷绕件(80)的外侧并且相应地选择其相对硬度以提供相同的效果。
在另一实施例中，如图12和13中所示，警告环(800)以过盈配合的方式安装在支承构件(40)的径向内侧。在此实施例中，质量元件(10)插设在支承构件(40)和警告环(800)之间，但在其它实施例中，可如前所述包含到支承构件(40)内或警告环可插设在质量元件(10)和支承构件(40)之间。在这些其它的实施例中，警告环(800)具有比支承构件(40)高的杨氏模量(更刚硬)。
在操作中，当飞轮转动时，支承构件(40)径向增大(在离心力的作用下)比警告环(800)的增大更多的量。类似于前述实施例，警告环(800)和支承构件(40)之间的预载荷由离心力克服，从而使警告环(800)能够运动。当支承构件(40)径向增大到支承构件内的空间大于警告环(800)的外径时，警告环(800)能够离开支承构件(40)内的中心运动，从而导致不平衡。此外，在不均匀的残余应力的影响下(由制造期间的压配组装操作而残余的，由此，警告环被压入支承元件的中心内)，致使当由离心力克服预载荷时，警告环(800)在支承元件内运动，由此使飞轮永久不平衡，从而引起振动。如上所述，可以通过传感器探测到振动并用作警告指示。
在另一实施例中，警告环(800)以产生预载荷的过盈配合方式被压配到驱动传递元件(例如，轴)。如上所述，飞轮被仔细地调平衡。轴(60)比警告环(800)更刚硬，且在飞轮转动时警告环在径向上比轴增大得更多。在预定的速度下克服预载荷，从而使警告环(800)能够在轴上运动，这引导在机械失效前可被探测到的不平衡。
在飞轮速度超过触发速度时有意产生的不平衡以及对由此引起的振动的探测如上所述提供一种警告，即，飞轮正在或者已经超出其最大安全工作速度地运转。这种警告可与主飞轮速度监测系统分开确定，并由此在主速度监测系统失效时提供对于飞轮超速的第二失效保护指示。将注意到，过载的探测可通过在探测器处设定告知过载的不平衡水平或者通过修改警告环和/或其它轮缘部件及其组合的相对特性来触发。系统可以标定成在所有或部分警告环脱开时或在相对的运动/尺寸的改变足以形成可脱开或超过阈值的不平衡时指示过速。
警告环(800)由卷绕件(80)围住的实施例的优点在于，如果飞轮以比触发速度高的速度工作，从而使警告环从支承构件(40)松开，则警告环(800)包含在卷绕件(80)内，进而不会有警告环(800)完全脱开的危险。
将会看到由于上述构造，因此可提供一种更强、更安全和更有效的飞轮。
现在描述一种平衡这种飞轮的方法。参见图15，飞轮(30)可置于真空腔室(1550)内。在真空下操作飞轮是有利的，这是因为它减小与空气阻力(或“风阻”)相关的摩擦损失/过热。飞轮缘(50)不可避免地具有表面不规则部(1630)，这些不规则部由于在飞轮制造过程在飞轮上进行的平衡操作中和/或在用于构造飞轮的方法中的不适当造成。业已发现，如前所述，这些不规则部将导致飞轮(30)的不完美的转动平衡。
在所示实施例中，飞轮通过轴承支承于真空腔室(1550)内，因而，飞轮能够在真空腔室内转动。真空腔室是能够抵抗由大气压和真空腔室内压力之间的压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够强度来支承大气压抵抗腔室内部的真空。真空腔室包括气体入口(1520)和气体出口(1510)中的至少一个。可选择地，气体入口和气体出口组合成一个端口。每个气体入口和气体出口都与真空腔室的内部连通。
联接器(1566，1567)由第一构件和第二构件构成并设置成联接可转动驱动轴(1570)和飞轮轴(60)之间的扭矩。第一构件(1566)联接到飞轮轴(60)，而第二构件(1567)联接到驱动轴(1570)。飞轮轴(60)支承于轴承上并借助于诸如之前已述的手段连接到飞轮缘(50)。飞轮缘(50)由复合材料构成，其较佳地通过制造过程中的机加工、钻孔或磨削来仔细调平衡。此实施例中的飞轮缘(50)是使用前述周向卷绕纤维和树脂所构造的复合物。飞轮缘通过径向纤维联接到轴(60)，因而，扭矩可从飞轮轴(60)传递到飞轮缘(50)。
驱动轴(1570)通过轴承支承于真空腔室之外并可转动。飞轮轴(60)和驱动轴(1570)被支承为两个联接构件(1566，1567)设置成紧靠布置在两者之间的真空外壳(1550)的壁。这两个构件设置成使联接构件(1566，1567)和真空腔室壁(1550)之间的“空气间隙”最小。术语“空气间隙”一般用于描述联接器的两个构件(1566，1567)之间的总间隙。真空腔室可以任何通常已知的方式构造，例如，铸造、机加工等。
参见图16，阀(1610，1620)包含到或附连于出口(1510)和入口(1520)。操作时，阀能打开或关闭以可选择地使真空腔室(1550)的内部相对大气密封，或者允许真空腔室(1550)的内部和大气之间的连通。出口可在使用时连接到真空泵(未示出)。
使用时，真空腔室通过关闭入口阀(1620)而相对大气密封，以使处于大气压的入口(1520)与真空腔室(1550)的内部隔离开。出口阀通常连接到能够产生较高真空或高度真空的真空泵。出口阀(1610)被打开以允许连接到真空泵的出口(1510)与真空腔室(1550)的内部连通。然后，真空泵运行直到真空腔室(1550)包含高度真空为止。较佳地，该真空度优于1mbar，通常为10-2mbar。然后，飞轮(30)通过经由联接器(1566，1567)将扭矩从驱动轴(1570)施加到飞轮轴(60)而转动。这又使飞轮缘(50)转动。飞轮以如此速度转动，即，轮缘(50)表面以超过声速(马赫数为1)的速度运动。飞轮表面速度也被称为“外圆速度”。在此操作之前，如前所述，飞轮将通过诸如磨削、钻孔或机加工的机械操作来平衡到实际允许的尽可能高的程度(在成本限制之内)或至少高到有必要使飞轮能够以没有机械失效危险的速度转动。
接下来，当飞轮以至少马赫数为1的周界速度转动时，入口阀(1620)被打开，以允许一定量的气体进入真空腔室。该气体较佳是诸如氮气的非活性气体，并较佳是干燥气体，即，它不包含大量的水蒸气，以避免将湿气引入组件中。如果气体不是普通空气，则入口将首先需要连接到所述气体的合适的供给装置。允许进入的气体量足以使真空大幅减小到基本上高于10-1mbar的压力，例如高到0.5bar。1bar将可良好地运行。已发现气体进入的速率并不重要。
当气体被允许进入真空腔室(1550)时，冲击波建立在表面不规则部(1630)和真空腔室(1550)壁之间的空气内。冲击波和表面不规则部(1630)和气体之间的摩擦起到汽化、熔化、升华、侵蚀或腐蚀表面不规则部(1630)的作用，以减小它们的尺寸并由此使飞轮(30)的平衡度改进到通过单独机加工、钻孔或磨削可获得的较高平衡度。
此外，飞轮通常以最大安全操作速度而设计。在制造过程中，这种飞轮必须被证实可抵抗它所设计的最大转速。这通常通过使飞轮以等于设计速度乘以2的平方根的速度来转动。特别是在复合飞轮构造类型中，它可确实确保如果飞轮经受在此较高速度下的转动，则它将在其寿命持续的时间段中总是可以经受以设计速度运转。将这种证实操作与上述平衡操作结合起来也是有利的。
已发现气体被允许进入的速率并不重要。在允许气体进入之后，允许飞轮慢慢静止，但继续以至少马赫数为1的外圆速度转动约10到60秒，通常为15秒。这已发现对于去除表面不规则部同时避免飞轮缘过热来说足够久了。飞轮静止下来所需的时间在一个实施例中为约3分钟。气体密度在整个真空腔室中并不均匀。非活性气体是较佳的，以避免气体与飞轮部件反应。当飞轮以超出马赫数为1的外圆速度转动时，产生的超音速冲击波产生比使用亚音速飞轮速度好得多的平衡效果。
在实施例中，期望使用例如磁联接器以避免需要隔离真空的转动密封件。图17a示出用于联接两个可转动轴(60，1570)的现有技术的磁联接器。每根轴都联接到包括交替磁极阵列的联接构件(1766，1767)。两阵列靠近彼此设置，因而，磁通量能经由空气间隙(较佳为尽可能小)从一个阵列通到另一阵列。因此，扭矩可以有效地从一根轴传递到另一根轴。
这在飞轮应用场合中可以是特别有效的，这是因为两个联接元件(1766，1767)不需要接触来传递两者之间的扭矩。真空腔室(1550)的壁可置于联接元件(1766，1767)之间，由此允许扭矩联接在真空腔室(1550)内的飞轮(30)与真空腔室外的驱动轴(1570)之间。这允许真空腔室密封而无须使用上述转动密封件。在真空下运转飞轮是有效的，这是因为它避免与空气阻力(“风阻”)相关的损失。因此，如果飞轮以超音速转动，则这变得更为重要。真空避免由于与空气的摩擦而产生的超音速冲击波和/或过热。然而，由于真空腔室壁的厚度构成联接元件(1766，1767)之间空气间隙的一部分，所以磁通量能够从一个联接元件到另一个的容易程度就降低，因此，减小了磁通密度，且由此减小扭矩联接能力。下述实施例解决这个问题。
参见图17b，联接元件(1730)置于联接元件(1766，1767)之间。磁联接元件(1730)具有较高的相对导磁率(超过400)，因此在操作时磁通量容易通过它从第一构件(1766)的磁极(1710，1720)到第二构件(1767)的磁极(1740，1750)，且反之亦然。联接元件“有效地”透过磁场。联接元件(1730)是具有较高导磁率的材料，例如软铁。联接元件(1730)还应具有尽可能高的电阻，以减小感应涡流和由于与其相关的电阻性加热造成的损失。尽管为了清楚起见示出单个联接元件(1730)，但也可将多个联接元件设置在第一构件和第二构件(1766，1767)之间。有足够的联接构件，以跨越构件(1766，1767)的具有最宽间隔开的磁极(1710，1720，1740，1750)的至少两个南北磁极对。联接元件之间的空间具有比联接元件低得多的导磁率，例如，材料是塑料的。当在使用时如此设置时，磁通量自每个构件(1766，1767)的磁极起经由每个联接元件(1730)联接，并且由此扭矩在第一构件和第二构件(1766，1767)之间联接。显然，使用时，与图17a中第一构件和第二构件相对转动相反，图17b的构件沿相同方向转动。图17b的第一构件和第二构件的表面实际上沿相反方向相对彼此经过。
当图17b的联接器包含到真空封闭的飞轮应用场合中时，联接元件(1730)包含到真空腔室(1550)壁内。这具有的优点是真空腔室壁的厚度并不影响第一构件和第二构件(1766，1767)的磁极之间的总“空气间隙”中。总“空气间隙”由第一构件磁极的表面和真空腔室壁的表面之间的间隙、加上真空腔室壁的厚度、加上真空腔室壁和第二构件磁极之间的间隙、减去联接元件的厚度而构成。因此，联接元件大大减小了总空气间隙。较小的空气间隙具有较小的磁通阻力，由此，允许使用时第一构件和第二构件的磁极之间有较大的磁通密度，并因此允许较大的扭矩联接能力。这对于使用穿过真空腔室壁的磁联接器的传统结构来说是有利的。
磁极(1710，1720，1740，1750)是稀土磁体，因为这些对于给定的磁体材料体积来说具有较高的磁场密度。磁体较小、较轻、较紧凑并能够传递较大扭矩。还发现稀土磁体能较好抵抗压缩力并因此适于放置到以高速转动的飞轮的内周缘上。
现参见图18a，示出图17b中所示的磁联接器的同心设置的实施例。图18a是示出同心位于第二构件(1767)之外的第一构件(1766)和同心位于两者之间的真空外壳(1550)的剖视图。联接元件(1730)包含在真空外壳(1550)中。在此同心设置的实施例中，第一构件和第二构件相对转动。和图17b中的实施例相同，构件表面相对彼此沿相反方向转动。
对于围绕第一构件和第二构件之间的真空外壳的周缘均匀间隔的分布来说，所需的联接元件的数目等于第一构件(1766)的南/北磁极对的数目加上第二构件(1767)的南/北磁极对的数目。联接元件可限制于围绕真空外壳的周缘的特定区域，或者能围绕周缘均匀分布。在联接元件限制于特定区域的情况下，联接元件(1730)相对彼此间隔开，除了省略一些元件以外，就好像全部数目的联接元件围绕真空腔室壁等距隔开。定位理想地选择成联接元件围绕真空腔室壁周缘对称定位，以避免产生合力。所需联接元件的最小数目是将跨越第一构件和第二构件中具有更大磁极间隔的一个的两对南/北磁极对。这个最小数目确保扭矩能在构件之间传递以及良好地限定第一构件和第二构件转动的相对方向。
背衬铁片(backing iron)(1890)设置在磁极远离联接元件的那侧，以有助于第一构件和第二构件中的每个构件的共同磁极对的磁通量的传递。此外，背衬铁片有助于永磁体的耐久的使用寿命。
这种同心设置的磁力变速联接器可以使用标准机加工技术和使用如图17b中所示实施例所述的材料来构造。
第一构件和第二构件(1766，1767)可具有相同的南/北磁极对数，或者具有不同的南/北磁极对数。在所示实施例中，第二构件具有比第一构件少的南/北磁极对数。操作时，当具有南/北磁极对数m的第一构件(1766)沿逆时针方向转动时，具有南/北磁极对数n的第二构件(1767)沿顺时针转动。第二构件以相对于第一构件的转速乘以一个因数的速度转动：n除以m。图18b示出经由联接元件(1730)在第一构件和第二构件的磁极之间穿过的磁力线(1880)，这些联接元件嵌入真空腔室壁(1550)。
图19a到19c示出第一构件和第二构件经过三个位置的转动顺序。图19a示出处于第一位置的第一构件和第二构件之间的磁力线。图19b示出上面构件略微沿顺时针方向转动，而下面构件略微沿逆时针方向转动。磁力线具有相应的运动位置，并且尤其是磁力线(1880)已伸展开。图19c示出上面构件沿顺时针和下面构件沿逆时针的进一步转动。磁力线(1880)现伸展远至它断开且通量转换成穿过最左边的联接元件(1895)来形成新的磁力线(1890)。当磁力线如此从一条路径切换到另一路径时，从第一构件传递到第二构件的扭矩等于通量变化率。
使用稀土磁体的另一优点是它们每单位尺寸较高的磁通密度，特别是当以这种方式使用时，这是因为可以在第一和/或第二构件的周缘周围设置许多磁极对并由此增大磁通变化率及由此增大扭矩联接能力。
同样，由于对于给定强度来说稀土磁通的尺寸相对较小，所以可以具有第一构件上的磁极对数与第二构件上的磁极对数之间的较大比率，这是因为许多磁体可包装到较小尺寸中，由此以紧凑尺寸来传递较高的传动比。这特别在采用真空腔室(1550)的飞轮应用场合下具有优点，因为在空气中运转的驱动轴和相关部件能够以较低速度运行，由此减小与风阻和空气阻力相关的损耗，同时真空腔室(1550)内部的飞轮通过磁联接器变速到以较高速度运转，以增大飞轮的储能密度。
现有系统采用变速器来允许真空腔室内的飞轮以较高速度转动，同时连接到能量源/同步装置的驱动轴能够在空气中以较小的角速度转动。然而，变速箱会经受摩擦损失并增加储能系统的成本、复杂度和尺寸。
图20示出具有轮缘(50)(包含大部分质量)的飞轮(30)的实施例，该飞轮安装在轴(60)上，联接到第一构件(1766)并容纳在真空腔室(1550)内，真空腔室包含联接元件(1730)。在此实施例中，驱动轴(1570)联接到第二元件(1767)。驱动轴和飞轮轴支承于轴承(2010)上。每个第一构件和第二构件(1766，1767)都具有磁极(1710，1720，1740，1750)。由此，飞轮能经由第一构件和第二构件以及磁极通过联接到飞轮的驱动轴在真空下以较高速度驱动。由于第一构件和第二构件上的磁极对数的不相等而导致的变速作用，在空气中运行的驱动轴能够以较低速度运行，由此减少与“风阻”或空气阻力相关的损耗。
此外，联接元件(1730)减小各磁极之间的空气间隙并使永磁体能够用于在第一元件和第二元件之间联接高水平的扭矩，从而避免需要如例如如果使用电磁体所需的那样的能量转换。通过使用联接元件(1730)，不需要电磁体，这是因为这种更有效率的结构使得永磁体的较为有限的磁场强度就足够了。
根据所述方法，完全取消使用转动密封件，由此不需要环境管理装置来保持真空腔室(1550)内的真空。真空腔室内的真空能无限地保持在那里，这是因为腔室不使用会泄漏的转动密封件因而完全密封。移除相关环境管理设备(例如真空泵、润滑泵、相关管道工程和系统、控制系统和/电子)还减小飞轮储能系统的重量和尺寸并增加扭矩联接能力。此外，由此改进了这种更为简单的系统的可靠性并降低成本。由此，提供高效的飞轮储能装置。
联接器还具有的优点是，如果发生过大扭矩的状况，则联接器在过大扭矩存在时无害地滑动，然后联接器重新开始正常功能，而没有不利影响。此外，由于Enshaw定律，仅扭转能量经由联接器传递，因此联接器提供了轴向和径向的对振动的隔离。在替代的实施例中，联接元件能支承于第三构件中，该第三构件由轴驱动或者可以驱动轴，以提供其它的传动比。
去除转动密封件还允许飞轮以大于由于密封件的劣化率而能够有的速度(当转速增大时变得更差)来转动，从而进一步增大储能密度。由于密封润滑流体中的剪切(转动密封件的必要特征)造成的寄生损失也将通过去除密封件而降低。
如前所述并参见图17b，磁力变速器可具有随第一构件和第二构件(1766，1767)的转动啮合位置可变化的扭矩联接能力。这已发现是由于当第一构件和第二构件(1766，1767)运动经过彼此时从第一路径(1880)切换到第二路径(1890)的磁通量(如在图19c中所示)所造成的。磁力变速联接器的扭矩联接能力变化的另一原因是当第一构件和第二构件(1766，1767)运动经过彼此时磁通路径长度作变化(以图19a到19c的顺序示出)。较长的磁通路线经受较大的磁阻，由此减小磁通量密度，并且由于扭矩与磁通变化率成比例，该角啮合位置处的磁力变速器的扭矩联接能力的降低也类似地减小。
现遵循图26，作为曲线可以看到相对于输入轴的角度的对于特定物理结构来说的扭矩联接能力的变化，该曲线中呈现出扭矩联接能力(在约20Nm和50Nm之间)的较多排除在外的值。
业已发现扭矩联接能力相对于啮合角度(或“齿槽效应”)的变化能通过将构件的每个磁极分成“分割部分”(2110，2111，2112，2113，2120，2121，2122，2123)来减小。这些分割部分沿运动方向设置以形成分割阵列。分割阵列沿垂直于运动方向的轴线并排设置，如图21中所示。每个分割阵列沿运动方向相对于另一分割阵列偏移，因而，覆盖相对位置的跨度。各位置的跨度应至少约覆盖构件的具有最宽磁极间隔的南北磁极对的距离。由于分割阵列的相对位置遍布(或者“交错”)各位置的范围，所以每个分割阵列的磁极不可以同时与联接元件和另一构件的磁极完全对准，由此防止“完全对准”。由此，通过使一个或两个构件的磁极分割和交错，和/或通过分割联接元件和使每个分割的联接元件部分的位置交错，可以防止构件和/或联接元件的完全对准。
在图21中所示的实施例中，在第一构件(1766)上有四个分割阵列。返回参见图19a到19c，防止完全对准的这种结构的结果是磁力线(1880，1890)从一个联接元件到另一联接元件(或从一个分割磁极到另一个分割磁极)的切换的位置(在此实施例中为角位置)在每个分割阵列之间变化。如果如图21中所示的实施例中有四个分割阵列，且那些分割阵列沿运动方向偏移(在此实施例中为转动偏移)以避免磁极和联接元件的完全对准，则对于较小的运动(如果允许完全对准则将引起整个磁场的转变)，现在将仅有一小部分所示的磁通量转换(在此实施例中为四分之一)。然而，在该实施例中，对于组件的特定运动距离(例如，全周转动)将有四次这种转变。因此，那种运动的扭矩传递总体上是相同的，但更为持续地传递，从而导致较小的“齿槽效应”。为了清楚起见，仅在图17b中示出单个联接元件。如图21中所示，该联接元件也能分成联接部分(2130)到(2133)。如此分割联接构件可减少构件的分割阵列之间的相互作用，但对于实现“齿槽效应”的减少并不是必须的。
现在参见图22，其中示出本发明的周转实施例，此时第一构件具有沿运动方向设置在其上的第一阵列的(成对)磁极。联接元件(2130)在第一(可转动)构件和第二(可转动)构件之间同心设置。联接元件也被分割成多个联接部分(在此实施例中又是三个联接部分)。为了清楚起见示出单个联接元件，但可采用多个联接元件，从而形成同心围绕第一构件的筒状物(barrel)。第二构件在第一构件和联接元件之外同心设置。第二构件在其内周缘上具有沿运动方向设置的第二阵列的南/北磁极对。第二阵列的磁极被分割成多个分割阵列(在此实施例中为三个分割阵列)，分割阵列沿转动轴线(转动轴线垂直于运动方向)并排设置。使用时，第一构件和第二构件相对转动。如果一个构件转动，则磁通量通过联接元件在第一阵列的磁极和第二阵列的磁极之间联接，而使另一构件相对转动，反之亦然。
还将从图21和22中理解到，代替或者除了沿第一磁极阵列和/或第二磁极阵列的轴向长度(轴线垂直于相对运动的方向)来分割磁极阵列(分成分割阵列)以及沿每个分割阵列的运动方向偏移外，每个联接元件(2130)能可选择地、替代地或者同样地沿其轴向长度如所示被分成各联接部分(2130，2131，2132)，且这些联接部分也能相应地偏移。能包含一个特征或者这些特征的组合，以使磁通量如图19c中所示从一条路径切换到另一条的位置多样化。这种策略可被称为交错磁极，或者交错联接元件。当关于位置来绘图时，交错磁极和/或交错联接元件使扭矩联接能力的变化减小。这在图26中示出为具有扭矩联接能力的相对较小的变化(约25到35Nm)的曲线。出于以下原因，这表示性能相对于传统磁力变速联接器性能的改善。
改进的磁力变速器的最小扭矩联接能力大于且并不会落到25Nm之下，如图26中所示。(相反，现有技术的磁力变速器的扭矩联接能力在某些角度啮合位置会落到小于20Nm的数值)。由此，对于给定设计的扭矩力来说，在改进的磁力变速器中使用的磁体尺寸可相应地减小，但同时仍能传递扭矩联接能力。由此，扭矩联接能力的变化的减小允许用较小、较轻和较便宜的磁体来设计这种改进的磁力变速器。
在此所述的改进的磁力变速器的另一优点是在使用时扭矩联接能力变化较少，当扭矩施加到改进的磁力变速联接器时，所得的角偏移或“打滑”(与所施加的扭矩和扭矩联接能力成比例)比现有技术中所得的更为恒定。由此，降低了由这种变化引起的扭转振动。减小的扭转振动不太可能致使剧烈共振，这种共振可能损坏部件，需要相对于相关成本提高的部件强度或者致使联接器滑出啮合及错位。
在图23中示出另一实施例，其中，联接元件(2330)跟随沿垂直于第一构件和第二构件运动方向的轴线(在此实施例中，沿第一构件和第二构件的转动轴线)的正弦路径，因而，它在第一构件和第二构件的运动方向中的位置沿该轴线变化。联接元件的形状沿轴线在其端部是对称的，以平衡所得的轴向力并由此消除这些轴向力。由此，如图19c中所示，磁力线变换位置的位置随轴向位置而变化。同样，为了清楚起见，仅在图中示出单个联接元件(2330)。然而，如前所述，通常将采用多个联接元件。
此外，尽管图18a到23一般示出转动实施例，第一构件和第二构件在彼此的旁边或者相对于彼此同心设置，但如图24中所示，第一构件和第二构件也可以端对端对准。在这种端对端的实施例中，联接元件(2430)可以弯曲或者可以分成交错的部分(2431)到(2436)，且联接元件和/或第一构件和第二构件的磁极还可分割，这时不是沿转动轴线分割而是沿径向分割。
此外参见图22和23，第一构件和第二构件(1766，1767)中的一个或两个可展开以形成平坦表面。这种实施例将类似于齿轮齿条，或者在彼此上面可滑动的一对导轨，而联接元件设置在两者之间。在这种实施例中，第一构件和/或第二构件和/或联接元件将沿垂直于运动方向且平行于构件之间表面的方向交错。
图25示出实际实施例的剖视图，其中，驱动轴(1570)联接到第二构件(1767)，该第二构件具有以阵列方式围绕其周界设置的磁极(1740)。第二构件(1740)的磁极沿与转动轴线平行(垂直于转动方向)的方向分成多个分割部分(在此实施例中为八个)。这产生了设置在第二构件上的分割磁极的多个分割阵列。在此实施例中有八个分割阵列，每个分割阵列围绕第二构件周界设置，且每个分割阵列沿转动轴线并排设置。每个分割阵列在位置上相对于彼此偏移。在此实施例中，每个分割阵列相对于彼此略微转动，以跨越至少等于构件的南北磁极对之间距离的角度的跨度范围。背衬铁片(2580)在第二构件(1767)和分割磁极(1740)之间同心设置。
同心位于第二构件及其磁极阵列之外的是真空腔室(1550)壁，该壁围绕装置的轴向端部延伸由此形成环形，并包含到其内周壁联接元件(2130，2131)内。这允许非常有效地封装飞轮，易于制造和密封。这些联接元件同心位于第一构件和第二构件之间并以形成筒状物的阵列方式同心设置在第二构件周围和第一构件内部。每个联接元件都沿它们的轴向长度分割以形成每个联接元件的多个联接部分(在此例中为每个联接元件八个联接部分)。因此，由联接元件构成的筒状物被分成环，且每个环较佳地与另一个环偏移(在此实施例中为转动偏移)。替代地，联接元件不分割，而是能成形为仍位于内真空腔室壁的筒状物内，但当横穿筒状物的长度时例如以V形或正弦波方式沿运动方向变化其位置。
同心位于更外侧，第一构件(1766)的磁极(2110，2111)支承于复合飞轮缘(50)内部，而背衬铁片(2590)插设在轮缘和磁极之间。同样，第一构件的每个磁极(2110，2111)都沿装置的轴向长度分成每个磁极多个分割磁极(在此实施例中为八个)。这些分割磁极设置在轮缘(50)的内表面周围，以形成分割阵列(在此实施例中为八个)。第一构件和第二构件(1766，1767)支承于轴承(2010)上，因而它们能转动。由此，第一构件(1766)能够在真空腔室(1550)内转动，而第二构件能够在真空腔室内但在真空外(例如在空气中)同心转动并通过真空腔室壁(1550)与第一构件分隔开。
使用时，真空腔室较佳包含高度真空。尽管未示出，但第一构件和第二构件具有不同数量的南/北磁极对，这些磁极对围绕它们沿径向设置，因而，在它们之间产生传动比。使用时，这允许(在空气中操作的)第二构件(1767)以比在真空中操作的第一构件(1766)相对较低的速度转动。由此，在第二构件转动时与空气阻力(或风阻)相关的损耗降低。另外，通过使用真空来容纳飞轮能够使用第一构件和飞轮部件的超音速，这是因为避免超音速冲击和摩擦过热。
真空腔室(1550)没有转动密封件并因此能够完全无泄漏地密封(当使用转动密封件时泄漏是不可避免的，当在较高转速时情况更糟)，由此避免需要与保持真空相关的设备，诸如真空泵、控制电子、管道工程等。去除转动密封件还允许较高的转动飞轮速度以及由于消除阻碍(drag)的较低损失。由此，飞轮的储能密度增大且这种飞轮的相关成本降低。由于这种结构简单化的提升并由于去除使用时会磨损(在高转速下磨损得特别快)的转动密封件还提高了可靠性。
此外，该实施例中包含的“抗齿槽效应”特征如前所述允许使用较小的永磁体(由于最小扭矩联接能力更接近平均扭矩联接能力)，这具有低成本和低重量的相关优点，由此增大飞轮的储能密度。较小的磁体还能够产生较高的传动比，这是因为较大数目的南/北磁极对能装配到给定尺寸的飞轮内。这种较高的传动比还减小装置的空气侧上与空气阻力或风阻相关的损失，从而进一步增加飞轮的效率及其储能密度。先前所述的抗齿槽效应的特征的另一优点改进噪声振动和振动粗糙度并由于由这些特征导致的扭转振动的减小而延长部件的使用寿命。这将允许部件重新制定规格，以使用较便宜的材料或较少材料，由此带来成本和/或重量的优点。还可由于使用不抵抗扭转振动但在制造过程中易于机加工或处理的材料而获得制造效率。
将会看到由于上述特征，因此可以为了能量储存而提供一种更安全、更轻、更有效率和更有效的飞轮。

Claims (25)

1.一种用于在第一和第二运动构件之间联接力的装置，
所述第一构件和第二构件中的每一个都具有交替磁极的阵列，所述交替磁极具有在其之间沿所述构件之间的相对运动方向的间隔，
磁通量联接元件设置在所述第一构件和第二构件之间，由此在所述第一构件的磁极和所述第二构件的磁极之间提供相对较高磁通密度的磁通密度区，其中
所述第一构件和第二构件及所述联接元件相对彼此设置成防止完全对准。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，第一磁极阵列和第二磁极阵列中的一个沿它们的轴线分割成分割磁极部分，且所述分割磁极部分中的一个沿运动方向与另一分割磁极部分有差别地对准。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述分割磁极部分的对准形成对称样式。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述分割磁极部分的对准形成V形或正弦波样式。
5.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述联接装置沿其轴线分割，且所述分割联接部分中的一个设置成沿相对于所述第一构件和第二构件的所述磁极中的一个的运动方向与另一所述分割联接部分有差别地对准。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述分割磁极部分的对准形成对称样式。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述分割磁极部分的对准形成V形或正弦波样式。
8.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一构件和第二构件能转动，且第一间隔和第二间隔是角间隔。
9.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一阵列设置在所述第二阵列之内。
10.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一阵列与所述第二阵列相对设置。
11.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一阵列设置在所述第二阵列旁边。
12.如权利要求1-7所述的装置，其特征在于，所述第一构件和第二构件能直线运动，且第一和第二间隔是直线间隔。
13.如权利要求1-7所述的装置，其特征在于，所述第一构件和第二构件能转动，第一间隔和第二间隔中的对应一个间隔是角间隔，所述第一构件和第二构件中的另一个能直线运动，而第一间隔和第二间隔中的对应另一个是直线间隔。
14.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述联接装置包括具有较高相对导磁率的材料构成的一个或多个联接元件。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述相对导磁率大于约400。
16.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述联接装置具有较小导电率。
17.如权利要求14所述的装置，其特征在于，每个联接元件包含到分隔所述第一构件和第二构件的隔膜中。
18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，每个联接元件与所述隔膜的厚度基本上相等或更大。
19.如权利要求14所述的装置，其特征在于，每个联接元件的尺寸随离开转动轴线的半径而增大。
20.如权利要求14所述的装置，其特征在于，在每个联接元件之间是具有较小导磁率和较小传导率的材料。
21.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，每个阵列的所述磁极相对于同一阵列中的其它磁极基本上等间隔。
22.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一阵列的所述磁极具有与所述第二阵列的那些磁极基本上相同的间隔。
23.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一阵列的所述磁极具有比所述第二阵列的那些磁极间隔大或小的间隔。
24.一种制造用于在第一运动构件和第二运动构件之间联接力的联接器的方法，所述方法包括：
将交替磁极的阵列设置到每个第一构件和第二构件上，所述磁极具有在其间沿所述构件之间的相对运动方向的间隔；
将磁通量联接装置设置在所述第一构件和第二构件之间，由此提供所述第一构件的磁极和所述第二构件的磁极之间相对较高磁通密度的磁通密度区；以及
将所述第一构件、第二构件和所述联接装置中的至少一个设置成防止完全对准。
25.一种参见附图、基本上如文中所述的方法或装置。
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