CN106134043B - 飞轮系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种飞轮系统。该飞轮系统包括旋转轴和连接至旋转轴的飞轮转子。此外，该系统包括连接至飞轮转子的驱动器和/或电力发电机。根据本发明，飞轮转子在径向方向上具有外部半径，该外部半径至少为0.85米，优选地，至少为米，并且更优选地，至少为1.30米。本发明还涉及一种飞轮转子，该飞轮转子在轴向方向上具有厚度，该厚度至少为0.30米，优选地，至少为0.45米，并且更优选地，至少为0.60米。最后，本发明还涉及一种飞轮系统，该飞轮系统的转子具有至少为2.5吨、优选地至少为4吨并且更优选地至少为5吨的重量。

Description

飞轮系统
技术领域
本申请涉及一种飞轮系统。
背景技术
通常已知许多飞轮系统至少包括飞轮和驱动器/发电机配置。对于通常的应用，例如，为了节约车辆等的能源，在本技术领域已存在提供日益紧凑且更小的飞轮系统的趋向。
尽管在本技术领域中有这种趋向，然而，特别地对于静止配置，仍然期望在长时间期间储存能量的有效的方式。在认为是与本申请更相关的技术领域的技术领域中已经完全忽略飞轮系统的潜能。
本申请旨在基于对能量的设想的高容量和高能量储存具有适合尺寸的飞轮，提供一种在长时间期间具体以机械方式储能的高效系统。
在此承认的是，US-2003/192449公开了一种具有辐条构造的大环形飞轮，辐条构造的辐条在旋转轴与环形飞轮之间形成连接元件。US-2011/120455公开了一种盘形飞轮，该盘形飞轮直接抵接旋转轴，WO-03/017449公开了一种由许多板构造成的飞轮，该许多板各自能绕圆锥形的毂旋转，该毂具有上壁和下壁，上壁和下壁围绕用于板的空间并具有产生升力的翼型轮廓。
发明内容
本申请的实施例提供一种飞轮系统，该飞轮系统包括：旋转轴；环形的飞轮转子；至少一个连接元件，所述至少一个连接元件将所述环形的飞轮转子连接至所述旋转轴；驱动器和/或电力发电机，所述驱动器和/或电力发电机连接至所述飞轮转子；其中，所述飞轮转子在径向方向上具有外部半径并且在轴向方向上具有厚度，所述外部半径至少为0.85米，优选地，至少为1米，并且更优选地，至少为1.30米，所述厚度至少为0.30米，优选地，至少为0.45米，并且更优选地，至少为0.60米，所述飞轮转子还有下述的重量，所述重量至少为2.5吨，优选地，至少为4吨，并且更优选地，至少为5吨。所述厚度可以在特定实施例中指直立定向或横卧定向的轴的长度，或者在其他实施例中照字面地指飞轮转子在旋转轴延伸的方向上的厚度。这些尺寸仅是尤其飞轮和飞轮系统的相对巨大尺寸的示例，根据这些尺寸，可储存于其中的能量的相关增量变得充分清楚。大小和重量方面的这些尺寸与朝小型化的相关技术领域的趋势形成强烈对比。尽管如此，可以由此实现相当高的效率，因而可以出乎意料地获得高效率的系统。
根据本申请，除了以上讨论的现有技术，所述至少一个连接元件是盘形的，并且布置于所述环形的飞轮转子的第一轴向端部上或布置成抵靠所述环形的飞轮转子的第一轴向端部以固定地连接所述环形的飞轮和所述旋转轴，其中，所述盘形的连接元件经由过盈配合连接而连接至所述旋转轴。
本申请的实施例呈现出可以在其中储存大量能量的独特优点和发明效果。这些根本上更大的飞轮的尺寸允许相关更高的能量可以储存于其中，直到其有效使用达到为止。
在特定实施例中，飞轮系统使得：飞轮转子可以是环形的并且可以在径向方向上具有至少0.75米，优选地至少1米，并且更优选地至少1.10米的内部半径。
例如，具有适当组合的如以上提及的尺寸的飞轮系统可以使得：在所述飞轮系统的使用中，所述驱动器和/或所述电力发电机布置成使所述飞轮能够以至少600转/分至1800转/分之间的速度旋转，优选地，所述速度在1000转/分以上或至少为1400转/分，并且更优选地，所述速度至多为大约1800转/分。更具体地，应注意到的是，通过与提及的旋转速度结合但不一定与空气悬浮结合的这些尺寸，可以获得能够将损耗限制到例如每小时至多7.5％的效率。即是说，系统可以呈现每小时损耗小于输入至飞轮的能量的量的7.5％的非常低损耗。任何本领域读者将认识到：这些结果至少令人惊讶，并指示本申请的这些实施例的优点和/或发明效果。
如以上指示的，飞轮系统呈现出以下的特征：飞轮转子是环形的。在以空气悬浮为基础的非限制实施例中，飞轮转子可以包括作为封闭元件的盘形元件，该盘形元件将外周缘上的高质量环和中心处的旋转轴连接。特别对于相对于已知的飞轮具有增大尺寸的飞轮而言，所述特征有助于改善空气悬浮。此外，盘形元件在整个轴和/或毂上均匀地分配由离心力引起的张力。
同样在未以空气悬浮为基础的实施例中，封闭元件可以呈现以下的优点和/或发明效果：高质量飞轮转子可以以非常高的旋转速度绕旋转轴旋转，其中，飞轮转子的外周缘可以以接近声速的绝对速度移动。通过封闭元件或者甚至更具体的盘形元件的使用，可以在飞轮转子与旋转轴之间设置坚固连接，该坚固连接可以设计成在所有径向方向上均匀地承受由飞轮环产生的张力和/或拉力以及作用于封闭元件或甚至盘形元件的离心力。
要注意的是，本申请的实施例基于空气悬浮，而其他的却不是。例如，可以认为实施例在围绕飞轮的某处具有大气压力，但由于之后可能施加于飞轮上的空气阻力，认为该实施例不太吸引人。因此，优选地(但不排外地)，具有空气悬浮的实施例基于在飞轮处(优选地，在飞轮下方)产生气垫，该气垫具有比围绕飞轮的其他容积更高的压力，但该压力相对于大气层仍处于相当减小的压力。在不基于空气悬浮的实施例中，优选地，飞轮处的整个周围容积在没有允许空气悬浮的任何隔室的情况下处于相当减小的压力下，但优选地，处于尽可能地均匀真空下。
此外，飞轮系统可以呈现出以下的替代性或附加的特征：支撑环形飞轮的封闭元件或连接元件足够地柔性以承受离心力，而不呈现永久的变形。取决于封闭元件或连接元件的特定实施例，弯曲可被证明是不可避免的。然而，通过该特定特征，可以以可靠的方式调节作为整体的连接元件和飞轮的弯曲。同样，封闭元件或连接元件上的伸展或拉伸可以导致可控程度的径向延伸，而仍无永久变形发生。
在本申请的实施例中，具有环形飞轮转子的飞轮系统可以呈现出以下特征：在环形飞轮转子的第一轴向端部与旋转轴之间布置至少一个连接元件。附加地或替代性地，可以在飞轮转子的轴向相反的轴向端部与旋转轴之间布置至少一个附加的连接元件。这种连接元件或附加的连接元件可以有效地减小径向载荷、变形和膨胀以及环形飞轮转子上的侧向力或环形飞轮转子的侧向力。这些连接元件可以在特定实施例中(这里不进一步阐述)相对于环形飞轮转子的厚度在轴向中心位置处由盘形盖元件、轮辐或盘形成。然而，附加地或替代性地，根据本申请的飞轮系统可以使得：连接元件和附加的连接元件中的至少一个是盘形的，并且优选地，布置于环形飞轮转子的轴向端部上或布置成抵靠环形飞轮转子的轴向端部。在具有空气悬浮的实施例(本申请不限于该实施例)中，该盘形的连接元件可以与前述的封闭元件相比较并且用于环形飞轮转子的内部空间的封闭，以加强用于重的飞轮转子的气力提升或空气悬浮所需的真空或压差。此外，在与例如1.3米的半径对应的外圆周处，并且在围绕前述的飞轮转子的外圆周的所有径向位置处，甚至在非常高的速度下(例如，在一些实施例中，该速度(例如1800转/分)可以接近声速)，即使在任何空气悬浮的环境的外部，盘形的连接元件可以一致地绕飞轮转子的圆周固定至环形飞轮转子以产生非常强固和可靠的连接和装配，该连接和装配能够减小或甚至消除盘形飞轮转子的膨胀和/或变形和/或作用于其上的侧向力。
如以上指示的，盘形的连接元件或封闭元件可以是柔性的以支撑环形飞轮转子。具体地，在本申请的具有轴向相反的盘形的连接元件的实施例中，生成的组件的刚度通过轴向相反的盘形的连接元件的所述复制被提高。
在具有盘形的连接元件或附加的连接元件的实施例中，连接元件可以在旋转轴处比在环形飞轮转子处更厚。所述厚度在轴向方向上。该厚度相关特征可以提供期望程度的柔性。除此之外，盘形的连接元件和/或附加的连接元件的刚度取决于其厚度。厚度从旋转轴(或毂)沿径向方向的减小的相关特征允许在环形飞轮转子与一个或两个盘形的连接元件之间建立载荷、张力、离心力、膨胀和变形的最佳分布。这导致环形飞轮转子和一个或两个盘形的连接元件的组件的恒定载荷，而没有突然的载荷变化，因而可以本质上避免或消除疲劳相关现象。例如，一个或两个盘形的连接元件在旋转轴处的厚度在13mm以上，优选地，在16mm以上，更优选地，在18mm以上并且最优选地，为大约20mm。此外，作为示例，环形飞轮转子处的厚度小于19mm，优选地，小于17mm，更优选地，小于15mm并且最优选地，为大约12mm。这些尺寸与以下描述的特定实施例的很大程度和/或如关于飞轮转子的半径、厚度和环形在以上限定和描述的构型对应，但是可以适于任何替代性的构型。替代性地，关于连接元件和/或环形飞轮转子中的一个或关于其他形式的转子的任何其他特征可以促进期望程度的变形，以允许环由高旋转速度下的高离心力引起的膨胀。
本申请的具有至少一个优选的盘形的连接元件的实施例可以替代性地或除了以上讨论的特征以外，使得：毂设置在旋转轴上或形成旋转轴的一部分，至少一个连接元件连接至该毂并且从该毂延伸至环形飞轮转子。毂可以提供至少一个连接元件到旋转轴的最可靠和旋转对称的附接。所述实施例可以使得：至少一个连接元件经由过盈配合连接而连接至毂。附加地或替代性地，该至少一个连接元件被预加应力与毂为连接。如果连接元件和附加的连接元件中的至少一个极其刚性，则过度的径向张力和作用力可能出现。同样地，如果连接元件和附加的连接元件中的至少一个的附接极其刚性，这导致环形飞轮转子和/或连接元件中的过度的径向力和应力或张力。然而，毂处的过度柔性的连接或附接会导致旋转期间的不稳定性，特别地如果连接元件出现从毂松开，则最轻微的不平衡可以导致飞轮转子的极其放大的偏心旋转，并伴随着巨大的径向力。可以有效地采用至少一个连接元件的过盈配合连接和/或预加应力以避免或甚至消除这些问题。在没有焊接或螺栓和/或其他常规的引发应力可能性的情况下，盘形的连接元件可以主要但并不排外地由于过盈配合连接而膨胀，同时，主要但并不排外地由于盘形的连接元件和/或附加的盘形的连接元件中的预加应力或盘形的连接元件和/或附加的盘形的连接元件的预加应力，至少一个优选的盘形的连接元件的任何膨胀不会导致相对于毂的任何游隙或运动自由度。面对毂与连接元件之间的连接的预加应力的效果，不言而喻的是，用于预加应力特征的任何适当设计的替代性构型可能导致实现相同的效果。例如，弹簧元件可以绕毂的圆周在毂与有时盘形的连接元件中的中心孔的内缘之间均匀地分布，以补偿连接元件的直径的任何增加并且更具体地补偿用于在其中容置毂的中心通道的直径的任何增加。在本申请和/或本发明的上下文内，另外的替代性实施例也是可能的。
此外，飞轮系统可以呈现出以下替代性的或附加的特征：气环包括同心的环元件，并且排气装置在每对相邻的同心的环元件之间包括至少一个排气连接件，所述至少一个排气连接件与排气机连接，所述排气机诸如为泵。因此，产生了单独的排气阶段，由此可以在由气环限定的空间中产生用于使飞轮在气环上空气悬浮的最佳环境。在该实施例中，可以设置另一个特征：除了在与所述至少一个排气连接件关联的至少一个位置上以外，在所述同心的环元件之间布置填充件，其中，所述填充元件能够呈现出其上边缘的朝排气连接件向下并朝所述同心的环元件的上部区域向上的曲率。因此，可以使从同心的环元件内排出空气的空间的大小减到最小。
此外，飞轮系统可以呈现出以下的替代性的或附加的特征：所述气环或所述同心的环元件中的至少一个包括顶部段，所述顶部段限定出至少两个突起和中间凹部，所述至少两个突起朝向所述飞轮延伸，所述中间凹部在所述突起之间相对于所述突起处于从所述飞轮缩回的位置。因此，可以产生气穴以提高飞轮在气环上或上方或在同心的环元件上或上方的空气悬浮。
此外，飞轮系统可以呈现出以下的替代性的或附加的特征：所述气环安装在升降机结构上，所述升降机结构布置成在所述飞轮静置时降低所述气环，在所述飞轮的发动期间升高所述气环，并且在所述飞轮以操作旋转速度旋转的所述飞轮系统的完全操作状态下使所述气环悬浮。因此，可以调节飞轮的弯曲，同时特别在飞轮的旋转运动的初始化期间呈现飞轮摩擦地接合气环。在该实施例中，可以设置以下的另一个特征：所述升降机结构布置成至少在发动状态和操作状态下在不接触所述飞轮的情况下紧密接近所述飞轮，例如，距所述飞轮大约50μm的距离。尽管其他尺寸取决于例如飞轮本身的参数可能同样证明有效，但是通过内部环与飞轮之间的空气间隙可以实现甚至最重的飞轮的有效的空气悬浮。
此外，飞轮系统可以呈现出以下的替代性的或附加的特征：外壳，所述外壳至少容置所述气环和所述上覆的飞轮，其中，所述外壳包括与排气机(诸如泵)连接的至少一个排气连接件，以相对于由所述气环和所述飞轮限定的空间的内部维持所述外壳的内部的低压。
此外，飞轮系统可以呈现出以下的替代性的或附加的特征：控制器和至少一个传感器，所述控制器与驱动器和/或电力发电机关联，所述至少一个传感器例如是振动传感器，所述至少一个传感器布置成当所述传感器检测到操作状态的不稳定性(诸如振动)时调节所述飞轮转子的旋转速度。虽然本领域的读者会立即意识到，在设计飞轮系统时需要投入所有适当的努力以避免固有频率可能发生。然而，特定的特征组能够通过检测振动和改变飞轮的旋转速度来监控飞轮装置并防止过度的振动振幅，以使系统能够远离这种潜在的危险状态。
附图说明
在本申请的实施例的各方面的前述一般指示后，本文在下面将仅以示例的方式描述根据本发明的飞轮系统的特定实施例，根据所附权利要求的保护范围不受该示例影响。
图1至图10示出根据本申请的飞轮的全体示例性特定实施例的特定相应视图，和/或其特定细节。
具体实施方式
图1示出飞轮系统1，该飞轮系统包括飞轮转子2和驱动器和/或电力发电机4，飞轮转子2布置在驱动轴3上。驱动器和/或电力发电机4可以包括驱动飞轮转子2绕由驱动轴3限定的直立轴线进行旋转运动的马达，和/或可以用于通过飞轮转子2的旋转运动建立或产生电能或电力。转子2可以布置成直立的，以能绕横卧的水平旋转轴线旋转。
飞轮转子2和驱动器/发电机4的组件容置于外壳5中，在外壳5中设置泵6形式的许多排气泵以提供空中悬浮(这在本申请中是可选的)。与包含飞轮转子的现有技术系统相反，本实施例相对非常大。事实上，本实施例的飞轮系统足以大地让外壳包含通道7，以允许维修人员等进入外壳5。
如图4所示，实际的飞轮转子2是环形的。图1的飞轮系统1的毂8与形成旋转轴的驱动轴3连接并经由下盘形盖元件9和上盘形盖元件10与实际的飞轮转子2连接，下盘形盖元件9在毂8与环形的飞轮转子2之间形成连接元件，上盘形盖元件10在毂8与环形的飞轮转子2之间形成附加连接元件。优选地，盖元件9、10赋予图4所示的驱动轴3、转子8和盖元件9、10的组件相当大的刚度。然而，在实际飞轮2的比重下，盖元件9、10的弯曲可被证明是不可避免的，对于这种可能性，用于盖元件9、10的材料或盖元件9、10的材料可以专门选择成尽可能地坚硬和刚性的，但同时也可以是必要程度的柔性的，以确保由于飞轮转子2的相当大的重量而造成的屈曲。此外，盖元件9、10的屈曲或膨胀应能够补偿高速时对盖元件9、10施予的巨大张力和离心力，飞转转子2在高速下旋转并倾向于膨胀或可能倾向于膨胀。具体地，盖元件9和10的厚度可以在径向方向上变化，在旋转轴处，盖元件9和10的厚度为13mm以上，优选地，为16mm以上，更优选地，为18mm以上并且最优选地，为大约20mm或20mm以上。在环形的飞轮转子2处，厚度可以小于19mm，优选地，小于17mm，更优选地，小于15mm并且最优选地，为大约12mm。随着厚度的这种变化(这种变化仅是示例性的)，飞轮转子2在高速时的膨胀可以被因此可能拉伸(但未变形)的盖元件9、10吸收。
除了如焊接、螺钉或螺栓(图4描绘了螺栓)的所示的机械连接以外或作为对焊接、螺钉或螺栓(图4描绘了螺栓)的所示的机械连接的替代，驱动轴3和盖元件9、10可以使用过盈配合连接而被连接。例如，毂8可以冷却至-170℃的温度，而盖元件9、10可以加热至200℃的温度，以在装配后当毂8与盖元件9、10之间的相对温差变小时允许驱动轴和盖元件熔融或过盈配合在一起。在所述装配之前，毂可以超过尺寸0.6mm至1.2mm之间，更优选地超过尺寸0.8mm至1.0mm之间，以允许盖元件9、10在飞轮转子2为1800转/分的转速时的膨胀例如为0.35mm。替代性地，盖元件9、10可以在两者之间没有毂8的情况下过盈配合到驱动轴3上。由于实现盖元件9、10与毂8或驱动轴3的这种连接的要求，当毂8或轴3冷却且元件9、10加热时，在最大温差的状态下，其尺寸应非常紧密对应。当温差减小时，毂8或轴3在变暖至例如室温时将趋于膨胀，而盖元件9、10在降温时将趋于过盈配合。与之相结合，可以建立高度可靠的连接。
驱动轴3延伸驱动器/发电机4或延伸到驱动器/发电机4中，以允许飞轮转子2被驱动进行旋转运动，或通过这种进行中的旋转运动获得电力或电能。
如以上指示的，飞轮系统相对地大。更具体地，飞轮系统可以使得飞轮转子2在径向方向上具有至少0.75米、优选地至少1米、且更优选地至少1.10米的内部半径。进一步，飞轮系统可以使得飞轮转子2在径向方向上具有至少0.85米、优选地至少1米、且更优选地至少1.30米的外部半径。仍进一步，飞轮系统1可以使得飞轮转子2在轴向方向上具有至少0.30米、优选地至少0.45米、且更优选地至少0.60米的厚度。在特定实施例中，环形的飞轮转子2可以实际上由任何材料制成，优选地，该材料具有相对高的质量密度，比如为金属。在公开的实施例中，该材料可以是钢，并且可以甚至通过铅或类似物加重。具体地，飞轮系统1可以使得飞轮转子2具有至少2.5吨、优选地至少4吨、且更优选至少5吨的重量。在根据附图的实施例中，这种飞轮可以发展成高达或超过1800转/分的旋转速度，其中，飞轮的重量大约是5吨。非常惊讶的是，这种非常大且重的飞轮转子2可以以7.5％或甚至更少的损耗工作。这种高效鉴于现有技术的开发是完全想不到的，现有技术开发的主要方向是使飞轮系统更加紧凑，屈从于这种具有较小的飞轮的飞轮系统。然而，自然地，本申请和根据所附权利要求的保护范围不限于任何这种使用的参数，替代性实施例的飞轮甚至可以以更低的旋转速度或甚至更高的旋转速度工作，该更低的旋转速度例如为600转/分或至少1000转/分，优选地，为至少1400转/分。为了确保飞轮转子2将经由盖元件9、10保持连接至轴3或毂8，应限制或约束旋转速度，为此，可以采用控制系统。出于例示的目的，这里应注意的是，当以例如1800转/分的速度旋转时，实施例的在其外部半径处具有1.3米的半径的转子2的外周接近或超过音速。如果相对于此仍期望速度的增加，则需要设想确保毂8或旋转轴3处的适当和强固连接的进一步措施。
图2呈现根据图1的飞轮系统1的分解图。其中，外壳5再一次呈现为至少将泵6和飞轮转子2容纳在下壳体15中。下壳体15还包括本质上用于驱动器/发电机4的圆筒形容置部16。在本实施例中，外壳5还含有上壳体11以更紧密地容置飞轮转子2，盖12可以在飞轮转子2上方布置于上壳体11上。在图2的透视图中，上壳体11明显呈现环形形状，其中心开口用于容置载体构件13，载体构件13包括气环14。载体构件13还用于将驱动器/发电机4附接至驱动轴3，驱动轴3还被连接至飞轮转子2。
图3呈现沿图1的线III-III截取的横截面图并且示出处于装配状态的飞轮系统1的更多细节，例如导管17，导管17连接(未示出)至泵6中的与相关的排气连接件(以下更详细地描述)的位置对应的所选择的泵，在该情况下，从飞轮2的周围环境排出空气。这里再要注意的是，空中悬浮和与之关联的全部特征对于本申请是可选的。
图5呈现图2和图3的载体构件13的透视图。载体构件13包括基板18，基板18可以形成外壳5的组件的一部分或者可以至少附接至外壳5。同时地或替代性地，基板18可以形成载体构件13本身的一部分。图5还更详细地示出气环14，气环14包括若干同心的气环元件19、20和21。单独的环元件的顶面可以特别设计成在紧急停止的情况下当空气可以在这种情况下进入室中时产生尽可能多的空气阻力(drag)，以使通过的气流减速。例如，可以在顶面中或顶面上布置型线(profiles)。附加地或替代性地，这种气闸可以是可扩展的(特别在非真空室中)以在正常操作期间提供尽可能小的阻力。如还在图7的俯视图中示出的，最内部环元件19与中心环元件20之间的排气连接件22连接至导管17的所选择的导管，中心环元件20与外部环元件21之间的排气连接件23连接至剩余导管17中的所选择的导管。此外，在最内部环元件19与中心环元件20之间设置填充元件24，在中心环元件20与最外部环元件21之间设置填充元件25。因此，优化了从同心的环元件19至21之间的空间排出空气的效率，如在图6所示，填充元件24、25呈现朝排气连接件22、23向下且朝同心的环元件19至21的上部区域向上的上边缘的曲率，以使同心的环元件19至21之间的敞开空间最小化并进而使从这种敞开空间排出的空气的量最小化以及优化空气的排出效率。填充元件可以由金属或任何其他便捷或适合的材料制成。还要注意的是，由于从排气连接件传输空气/气体至泵的理想管道直径不配合气环的顶面，3D印刷插件40可以靠近排气连接件22施加，以提供装配的填充元件24、25、40非常好的预定曲率以尽可能高效地促进空气的排放。
距离传感器26可以设置于基板18上或甚至与环元件19至21中的任一者(例如，最外部环元件21)接触。另外，如在图10中示出的，可以在驱动轴上或抵靠驱动轴或在飞轮系统1的其他任何地方设置振动传感器。振动传感器的功能可以是检测特别由于飞轮转子2本身的高质量而可能不利于飞轮系统的有害振动。例如在接近固有频率的飞轮2的特定旋转速度下发生振动的情况下，控制器(未示出)可以接收来自距离传感器26或振动检测器的测量信号，以调控飞轮转子2的旋转速度，其中系统可能开始共振。
图8描绘了沿图7的线VIII-VIII截取的横截面图，图7本身是沿图5的箭头VII的方向的俯视图。其中，示出环元件19至21中的每一个具有同心形状的顶部，顶部由突起27和凹部28构成，突起27和凹部28相对于驱动轴3同心地布置。经由排气连接件22、导管17和相关的关联的泵6从最内部环元件19与中心环元件20之间的空间排出的空气沿图8的箭头A的方向越过最内部环元件19排出。经由排气连接件23、导管17和相关的关联的泵6从中心环元件20与最外部环元件21之间的空间排出的空气沿图8的箭头A的方向越过最内部环元件20排出。如例如在图3示出的，飞轮2直接布置于气环14的顶部上但未与气环14接触。气环14与飞轮2之间的距离可以非常小以使两者之间的间隙可以例如测量仅50μm。优选地，气环14与飞轮转子2之间的空气间隙可以甚至小于50μm，本申请的更多实施例也能够在具有更大空气间隙的情况下工作。相对于气环14的顶表面的凹部28用于捕获越过最内部或中心环元件19、20被排出的空气中的一些。这些气穴和沿箭头A和B的方向的空气流使飞轮转子2能够在气环14上方的提及的短距离处被空气悬浮。
在气环14的外部，泵6还可以连接至图3的空间31，以沿图8中的箭头C的方向排出空气流。泵6还可以连接至导管17，以在飞轮转子2下方通过如图6中示出的基板18中的和轴3附近的通孔35使图3的空间32的内部排空。随后，室或空间32中的相对气压应保持在更高压力下(即使低于大气层，进而低于室或空间31的气压)，以便使空气能够从内部空间32越过气环14流动地排出。例如，空间32内的压力可以在300至350mb附近，在该情况下空间31被排空到大约1mb或类似的值。
以上，已注意到的是，即使尽可能地避免弯曲，盖元件9、10和飞轮转子2仍可能在静置或在低旋转速度下向下弯曲(尤其在非旋转状态)。因此，飞轮2可能静置于气环14上，这是不期望的情况。从这种非旋转状态，在飞轮转子2与环14之间接触的情况下，特别地，非常重的飞轮不能被设置成旋转运动。当飞轮转子2达到操作性的旋转速度时，离心力会将盖元件9、10和飞轮转子2拉直，但是首先需要实现这种操作性的旋转状态。如例如在图3中描绘的，为解决该问题，将特定特征结合到实施例中。
作为第一方式，气环14布置于升降机结构29上，升降机结构29例如由可以是液力油或气动的汽缸构成。升降机结构29可以相对于外壳5升高或降低气环14，以当飞轮转子2静止或以低速旋转时通过降低气环14而相对于盖元件9、10和/或重的飞轮转子2的弯曲状态来调节气环14的位置，或者通过升高气环14而相对于盖元件9、10和/或重的飞轮转子2的拉直状态来调节气环14的位置。因此，在所有情况下，可以维持内环14与飞轮2之间的间隙。以上涉及的距离检测器26可以用于确定这种间隙的尺寸，控制器可以驱动升降机结构29以维持气环14与飞轮2之间的例如为50μm的恒定的间隙尺寸。应注意到的是，在目前公开的实施例中，气环14既不设计成也不用于主动将飞轮升高至盖元件9、10的拉直位置，当达到了飞轮2的操作速度时，由于离心力，这种拉直自动实现。然而，在替代性实施例中，气环14可以主动用于升高飞轮2。
此外，作为第二方式，如同样在图3示出的，可以在上壳体11的内侧顶表面的顶部上设置滑动轴承30，以支撑处于静止状态或以更低速度旋转时的下盖元件9和/或飞轮转子2。这种滑动轴承30还利于例如使用驱动器/发电机4的驱动功能而使飞轮转子2运动。随着飞轮转子2的旋转速度增加并且在该旋转速度达到操作旋转速度之前，因离心力对盖元件9、10和/或飞轮转子2的拉直作用，一方面下盖元件9和/或飞轮转子2与另一方面滑动轴承30之间的接触将减小和消失。
图9以透视图呈现载体构件13与第一安装板33和第二安装板36的组件，图10以侧横截面图呈现该组件，该载体构件13具有位于其顶部上的气环14，第一安装板33和第二安装板36还在图3中示出。载体构件13与安装板33的该组件布置在环形的上壳体11的中心通道中，载体构件被配置在安装板33上并且允许导管17和类似物的装配，其中，飞轮转子2也布置于所述中心通道中，但是位于上壳体11的内部顶表面34上，这也已经在上面提到。更具体地，如以上描述的，飞轮转子2不会静置于所述顶表面34上或甚至不会静置在气环14上。因此，可以认为的是，载体构件13实际上不会承载飞轮转子2的重量，而飞轮转子2在气环14上方非常短的距离处空气悬浮在气环14上。尽管如此，载体构件13实际上不会承载驱动器/发电机4。
图10进一步更详细地示出升降机结构的构型，升降机结构包括支撑柱39的孔38中的活塞37。通过使活塞37从孔38延伸来升高气环14。
对本领域读者应显而易见的是，以上描述的实施例不是根据所附权利要求的本申请的实施例的保护范围的界限和限制内的唯一可能性。例如，空气悬浮可以省略。飞轮转子2可以是大规模的或实心的，但应是具有敞开中部的环形的，以使距旋转轴一距离处的重量集中最大化。飞轮2和盖元件9、10可以形成集成单元或组件。相对于文中以上公开的那些尺寸，飞轮转子的尺寸和形成连接元件的关联的盖元件的尺寸可以变化，操作速度和压力值也可以变化。相对于文中描述的、示出的和公开的实施例，可以将泵和导管的数目减到最小。取决于外壳的结构，可以省略上壳体的构型。除非这些附加的和/或替代性的实施例偏离权利要求的特定限定特征所隐含的单一发明构思，否则，还可以设想其他变型和改型，这些变型和改型将落入由所附权利要求限定的保护范围的界限和分界内。

Claims (48)

1.一种飞轮系统，包括：
-旋转轴；
-环形的飞轮转子；
-至少一个连接元件，所述至少一个连接元件将所述环形的飞轮转子连接至所述旋转轴；
-驱动器和/或电力发电机，所述驱动器和/或电力发电机连接至所述飞轮转子；
其中，所述飞轮转子
-在径向方向上具有至少为0.85米的外部半径，
-在轴向方向上具有至少为0.30米的厚度，以及
-具有至少为2.5吨的重量，
其特征在于，
所述至少一个连接元件是盘形的，并且布置于所述环形的飞轮转子的第一轴向端部上或布置成抵靠所述环形的飞轮转子的第一轴向端部，以固定地连接所述环形的飞轮和所述旋转轴，其中，盘形的连接元件经由过盈配合连接而连接至所述旋转轴。
2.根据权利要求1所述的飞轮系统，其中，所述驱动器和/或所述电力发电机布置成在所述飞轮系统的使用中使所述飞轮转子以至少600转/分至1800转/分之间的速度旋转。
3.根据权利要求1或2所述的飞轮系统，包括：
-气环，所述气环在所述飞轮转子下方；以及
-排气装置，所述排气装置与所述气环或由该气环限定的空间相关联，
-其中，所述气环布置成使所述飞轮转子在由所述气环限定和包围的空间中的气垫上空气悬浮。
4.根据权利要求1或2所述的飞轮系统，其中，所述飞轮转子在径向方向上具有至少为0.75米的内部半径。
5.根据权利要求1或2所述的飞轮系统，其中，在所述飞轮转子的与所述第一轴向端部相反的轴向端部与所述旋转轴之间布置至少一个附加的连接元件。
6.根据权利要求5所述的飞轮系统，其中，所述附加的连接元件是盘形的。
7.根据权利要求6所述的飞轮系统，其中，所述盘形的连接元件是柔性的以支撑所述环形的飞轮转子。
8.根据权利要求5所述的飞轮系统，其中，所述盘形的连接元件和/或附加的连接元件在所述旋转轴处比在所述环形的飞轮转子处更厚。
9.根据权利要求8所述的飞轮系统，其中，所述旋转轴处的厚度在13mm以上。
10.根据权利要求8所述的飞轮系统，其中，所述环形的飞轮转子处的厚度小于19mm。
11.根据权利要求1或2所述的飞轮系统，其中，毂设置在所述旋转轴上或形成所述旋转轴的一部分，至少一个连接元件连接至所述毂并从所述毂延伸至所述环形的飞轮转子。
12.根据权利要求11所述的飞轮系统，其中，所述至少一个连接元件被预加应力为与所述毂连接。
13.根据权利要求11所述的飞轮系统，其中，所述旋转轴或所述毂在与所述至少一个连接元件装配之前被冷却，并且所述至少一个连接元件在与所述旋转轴或所述毂装配之前被加热。
14.根据权利要求13所述的飞轮系统，其中，所述旋转轴或所述毂相对于容置部的尺寸超出0.6mm至1.2mm，以允许所述至少一个连接元件在所述环形的飞轮转子和所述至少一个连接元件的组件的旋转速度不超过1800转/分时膨胀0.35mm。
15.根据权利要求11所述的飞轮系统，其中，在所述毂与所述连接元件之间布置至少一个压缩或膨胀元件。
16.根据权利要求3所述的飞轮系统，其中，所述气环包括同心的环元件，并且所述排气装置在每对相邻的同心的环元件之间包括至少一个排气连接件，所述至少一个排气连接件与排气机连接。
17.根据权利要求16所述的飞轮系统，其中，填充元件布置在与所述至少一个排气连接件关联的至少一个位置上，同时布置在所述同心的环元件之间，其中，所述填充元件能够呈现出所述填充元件的上边缘朝向排气连接件向下并朝向所述同心的环元件的上部区域向上的曲率。
18.根据权利要求3所述的飞轮系统，其中，所述气环包括同心的环元件，所述气环或所述同心的环元件中的至少一个同心的环元件包括顶部段，所述顶部段限定出至少两个突起和中间凹部，所述至少两个突起朝向所述飞轮转子延伸，所述中间凹部在所述突起之间相对于所述突起处于从所述飞轮转子缩回的位置。
19.根据权利要求3所述的飞轮系统，其中，所述气环安装在升降机结构上，所述升降机结构布置成在所述飞轮转子静置时降低所述气环，在所述飞轮转子的发动期间升高所述气环，并且在所述飞轮转子以操作旋转速度旋转的所述飞轮系统的完全操作状态下使所述气环升高。
20.根据权利要求19所述的飞轮系统，其中，所述升降机结构布置成至少在发动状态和操作状态的期间在不接触所述飞轮转子的情况下紧密地接近所述飞轮转子。
21.根据权利要求3所述的飞轮系统，还包括外壳，所述外壳至少容置所述气环和所述飞轮转子，其中，所述外壳包括与排气机连接的至少一个排气连接件，以相对于由所述气环和所述飞轮转子限定的空间的内部维持所述外壳的内部的低压。
22.根据权利要求3所述的飞轮系统，还包括控制器和至少一个传感器，所述控制器与所述驱动器和/或电力发电机关联，所述至少一个传感器布置成当所述传感器检测到操作状态的不稳定性时调节所述飞轮转子的旋转速度。
23.根据权利要求1所述的飞轮系统，其中，所述飞轮转子在径向方向上具有至少为1米的外部半径。
24.根据权利要求1所述的飞轮系统，其中，所述飞轮转子在径向方向上具有至少为1.30米的外部半径。
25.根据权利要求1所述的飞轮系统，其中，所述飞轮转子在轴向方向上具有至少为0.45米的厚度。
26.根据权利要求1所述的飞轮系统，其中，所述飞轮转子在轴向方向上具有至少为0.60米的厚度。
27.根据权利要求1所述的飞轮系统，其中，所述飞轮转子具有至少为4吨的重量。
28.根据权利要求1所述的飞轮系统，其中，所述飞轮转子具有至少为5吨的重量。
29.根据权利要求2所述的飞轮系统，其中，所述驱动器和/或所述电力发电机布置成在所述飞轮系统的使用中使所述飞轮转子以1000转/分以上的速度旋转。
30.根据权利要求2所述的飞轮系统，其中，所述驱动器和/或所述电力发电机布置成在所述飞轮系统的使用中使所述飞轮转子以至多为大约1800转/分的速度旋转。
31.根据权利要求4所述的飞轮系统，其中，所述飞轮转子在径向方向上具有至少为1米的内部半径。
32.根据权利要求4所述的飞轮系统，其中，所述飞轮转子在径向方向上具有至少为1.10米的内部半径。
33.根据权利要求9所述的飞轮系统，其中，所述旋转轴处的厚度在16mm以上。
34.根据权利要求9所述的飞轮系统，其中，所述旋转轴处的厚度在18mm以上。
35.根据权利要求9所述的飞轮系统，其中，所述旋转轴处的厚度在20mm以上。
36.根据权利要求10所述的飞轮系统，其中，所述环形的飞轮转子处的厚度小于17mm。
37.根据权利要求10所述的飞轮系统，其中，所述环形的飞轮转子处的厚度小于15mm。
38.根据权利要求10所述的飞轮系统，其中，所述环形的飞轮转子处的厚度为大约12mm。
39.根据权利要求14所述的飞轮系统，其中，所述旋转轴或所述毂相对于所述容置部的尺寸超出0.8mm至1.0mm。
40.根据权利要求3所述的飞轮系统，其中，所述气垫在所述飞轮转子下方。
41.根据权利要求20所述的飞轮系统，其中，所述升降机结构布置成至少在发动状态和操作状态的期间在不接触所述飞轮转子的情况下距所述飞轮转子大约50μm的距离。
42.根据权利要求15所述的飞轮系统，其中，所述至少一个压缩或膨胀元件为弹簧。
43.根据权利要求16所述的飞轮系统，其中，所述排气机为泵。
44.根据权利要求21所述的飞轮系统，其中，所述排气机为泵。
45.根据权利要求22所述的飞轮系统，其中，所述至少一个传感器为振动传感器。
46.根据权利要求22所述的飞轮系统，其中，所述不稳定性为振动。
47.根据权利要求29所述的飞轮系统，其中，所述驱动器和/或所述电力发电机布置成在所述飞轮系统的使用中使所述飞轮转子以至少为1400转/分的速度旋转。
48.根据权利要求35所述的飞轮系统，其中，所述旋转轴处的厚度为大约20mm。
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