CN109563906A - 飞轮系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞轮系统，包括被布置在旋转轴上的环状的飞轮转子；和大致为圆筒形的壳体，该壳体至少在径向方向上包围飞轮转子，以在发生灾祸的情况下容纳飞轮。飞轮系统进一步表现出下述特征：壳体包括以及具有至少一个向内突出的缓冲件，该缓冲件在包围飞轮转子的壳体壁的横截面中限定出从圆形形状变形的变形部。壳体壁自身可以是圆形的并且缓冲件可限定出相对于该壳体壁的圆形形状偏移的偏移部，以在飞轮转子发生松脱的意外或灾祸的情况下增进对飞轮转子的减速。

Description

飞轮系统

技术领域

本发明涉及一种飞轮系统。常规而言，尺寸被设置得较大的飞轮系统可包括：被布置在旋转轴上的环状的飞轮转子；和大致为圆筒形的壳体，该壳体至少在径向方向上包围飞轮转子，以在发生灾祸的情况下容纳飞轮。在本文中，壳体用于在突发事件(诸如旋转轴、轴承和/或与飞轮转子装配的部件和零件失效)的情况下约束或限制飞轮转子。

背景技术

常规而言，这种壳体包括圆形的壁，该壁用于将飞轮转子保持在由该壁限定出的边界内。在发生这种突发事件(例如部件失效)的情况下，飞轮转子可自行停止旋转，并开始在壳体壁上滚动。在突发事件中，其中在轴承或转子组件失效后，飞轮转子开始接触壳体壁，当这些部件或零件中的一个或多个失效时，飞轮转子可沿轴向方向和径向方向自由移动。

如果转子能够在壳体内部不受约束地移动，则转子的旋转由于转子与壳体之间的摩擦而将会转变成滚动运动。最初，离心力和摩擦力缓慢增大，但在这之后，以之前意想不到的方式，滚动效应以及产生的力快速地不受控地增大。在壳体上的，更具体地在壳体壁上的滚动速度和相关的力的这种呈指数的或更快速的增大导致了整个构造(转子、壳体、基座)的繁重负荷和振动，并且最终导致灾祸性的失效。在这方面要注意的是，本发明涉及飞轮转子，例如或优选地，但不是唯一地，该飞轮转子具有：沿径向方向为至少0.85米的外半径，该外半径优选地为至少1米，更优选地为至少1.30米；沿轴向方向为至少0.20米或0.30米的厚度，该厚度优选地为至少0.45米，更优选地为至少0.60米；以及至少2.5吨的重量，该重量优选地为至少4吨，更优选地为至少5吨。在这种尺寸下，显然，飞轮在例如至少600rpm、有时甚至高达1800rpm的旋转速度下变得松脱的效果在第一次撞在加强的壳体壁上时将具有灾祸性的效果。应当注意，这些尺寸和参数仅是本发明可涉及的大型的飞轮转子的示例。

这里已知US-2004/025625公开了一种具有包围飞轮的内壁的壳体，该壳体具有完全为圆筒形的衬层和处于壳体的内壁的内部之间的能量吸收限制肋。虽然可以期望来自衬层和能量吸收限制肋的一些缓冲，但这些措施在灾祸的情况下，即转子发生摆脱时对防止转子的旋转升高是无效的。而且，参考DE-2050108，其公开了一种空气排放装置和相关的空气流引导板，限定出从完全的圆筒形形状(横截面为圆形)偏移的偏移部，但其中，排放装置和导流板对防止灾祸效果完全没有帮助。最后，这里参考DE-2049629，其公开了一种被布置成围绕水平轴竖立旋转的飞轮，该飞轮不具有壳体，其中制动件被布置在飞轮下方以在飞轮从其轴松脱的情况下降低旋转速度。

作为一种合理的解决方案，相关领域的技术人员将考虑对壳体进行进一步加强并且可能设置制动系统。然而，对壳体进行进一步加强将仅会出乎意料地加剧飞轮松脱时的效果，因为飞轮可进入到自加速固有频率类型的旋转模式并且加速失控。

发明内容

根据脱离了当前技术人员所预计构想的最合理的解决方案的本发明，飞轮系统表现出下述特征：至少沿径向方向包围飞轮转子的壳体包括至少一个向内突出的缓冲件，该缓冲件在包围飞轮转子的壳体壁的横截面(圆筒形形状)中限定出从圆形形状变形的变形部。作为壳体壁的非圆形形状的效果，阻碍了飞轮转子被升高至固有频率或自加速状态，并且防止了或者至少大致降低了以指数或更快的方式的加速，以使得即使在飞轮发生灾祸性释放进入到自加速的固有频率模式的情况下仍能够对飞轮进行控制。此外，以及作为其它的意想不到的有益效果或益处，在松脱时旋转的飞轮转子的摇摆运动(沿旋转轴的方向的起伏)被阻抑。

设置缓冲件以在灾祸的情况下限制飞轮是与技术人员的自然倾向完全相反的，因为在技术人员的意识中，总是应该尽可能地防止飞轮冲击在壳体上。恰恰相反，本发明依赖于有目的地设置缓冲件用于在灾祸的情况下使飞轮冲击在其上，以阻碍飞轮的旋转移动以及防止飞轮在基于固有或本征频率的旋转状态下进行旋转。

通过限定了本文所公开的实施例的范围的所附权利要求，本发明或多或少地包括多个优选实施例，其中的某些在下文的实施例描述中被描述，以及其中的某些可在从属权利要求中被具体限定。

在优选实施例中，根据本发明的飞轮系统可表现出下述特征：壳体壁包括至少一个向内突出的缓冲件，优选地包括至少两个缓冲件，更为优选地包括至少三个缓冲件。这种缓冲件可被考虑为从圆形的壳体壁偏移的特定类型，该缓冲件可足以防止变得松脱的飞轮转子在整个系统上导致灾祸性的效果。

另外，注意到具有三个缓冲件的限定出用于使飞轮转子有意地撞在其上的三个止动部或缓冲点的构造，该构造对飞轮转子设置了非常有效的罩壳；如果飞轮转子的直径大于相邻的缓冲件之间的直接圆周距离，壳体壁没有飞轮转子在呈突出部、止动部或缓冲部形式的缓冲件之间所能通过的部分。

在具有至少两个或更多个(优选地至少三个)例如由突出部、止动部或缓冲点形成的缓冲件的优选实施例中，优选的飞轮系统还表现出下述特征：向内突出的缓冲件均匀地分布在壳体壁上，尤其分布在该壳体壁的内周上。结果是，可以实现冲击力均匀地分布在壳体和壳体壁的外周上。

在任何具有至少一个缓冲件的实施例中，优选地，至少一个缓冲件沿壳体壁的切向方向限定出不连续部，该不连续部从沿圆形形状的切向方向的变化部偏移。由此，当变得松脱的飞轮转子在内壳体壁上滚动时，该飞轮转子将被重复地推向中心位置，降低了飞轮转子的能量并且还出人意料地快速而有效地降低了接触冲击力。使用相对于壳体壁的圆形或圆筒形形状的微小的不连续部已经实现了这种效果。

在任何具有至少一个缓冲件的实施例中，优选地，至少一个向内突出的缓冲件相对于壳体壁的邻接的部分向内朝向飞轮转子突出。

在任何具有至少一个缓冲件的实施例中，优选地，沿飞轮转子的旋转方向，壳体壁的横截面表现出具有半径的近乎于圆形的弯曲度(壁是圆筒形的)，该半径至少略微大于飞轮转子的半径。这使得飞轮转子在被由从壳体内壁的圆形形状偏移的偏移部限定的缓冲件推向中心之前能够在壳体内壁上在短距离内滚动。

在任何实施例中，无论是否通过一个或多个突出部、止动部和缓冲件、壳体的内壁的椭圆形形状或其它形状等实现了壳体壁的非圆形特性，飞轮系统均可额外地或替代地表现出壳体包括对壳体壁进行加强的加强件的特征。仅壳体壁的非圆形的形状将很大程度地有助于即使在突发事件的情况下仍能够保持对飞轮转子的控制，而当内壁在其外周上的合适的位置被加强时，该内壁可被实现为相对较轻。

加强件可包括在至少一个向内突出的缓冲件处的背部。对于由突出部、止动部、缓冲部形成或者被设计成被松脱的飞轮转子撞击的缓冲件，可以以这种方式来实现最有效和最高效的加强件，并且结果是可使用背部对该缓冲件进行最有效的加强，在其它位置可以省略这种背部或在不太坚固的实施例中设置该背部。

根据本发明的另一飞轮系统可表现出具有制动件的特征，该制动件被构造成当生效时至少作用在飞轮转子上以在突发事件的情况下减慢飞轮转子。这种制动件可有助于在飞轮转子松脱之后降低该飞轮转子的旋转速度，但将仅由于由壳体壁的整体非圆形的形状或特性以及优选地轴向延伸的突出部、止动部或缓冲部实现的摇摆运动抑制才起作用。

根据本发明的另一飞轮系统可表现出连接至飞轮转子的驱动器和/或发电机的特征。

根据本发明的另一飞轮系统可表现出下述特征：壳体壁包括环状的或圆筒形的壁或者盘状的基底，该壳体壁以一游隙度以与飞轮同心的构造被夹紧，以当飞轮撞击在壳体壁上时吸收冲击能量。这本身就被认为是一项发明，即使具有不包含相对于否则(除了缓冲件之外)可能完全是圆筒形或圆形(沿横截面)的壳体壁向内突出的至少一个缓冲件的实施例。

根据本发明的飞轮系统表现出下述特征：壳体壁自身是圆形的(即，圆筒形的)并且包括至少一个缓冲件，该缓冲件限定出从壳体壁的圆形形状偏移的偏移部。

根据本发明的另一飞轮系统可表现出下述特征：缓冲件包括至少一个直的板，该板相对于壳体壁的圆形形状被布置在圆形部段处、在限制飞轮转子的包围的圆形或圆筒形形状旁侧。

根据本发明的另一飞轮系统可表现出下述特征：壳体壁包括至少一个前部板，限定出相对于壳体壁的圆形形状偏移的偏移部和冲击吸收缓冲件。在这一实施例中，前部板可由比飞轮的材料软的材料和/或具有比飞轮的熔融温度低的熔融温度的材料制成。在具有前部板的实施例中，前部板可被涂覆减摩涂层。

根据本发明的另一飞轮系统可表现出下述特征：壳体壁包括至少一个缓冲件，该缓冲件包括板的组件。在这一实施例中，组件可包括下述部件中的至少两个：被连接至壳体壁或与该壳体壁为一体的背部板；黄铜前部板；玻璃纤维层；和基底板。

附图说明

根据以下的实施例描述，根据本发明的飞轮系统的实施例的更多的和其它的特征可变得明显，在该实施例描述中，对优选实施例的附图进行参照，并且其中，可使用相同的附图标记对不同实施例中的相似的或相同的元件、部件和特征进行标记，只要其功能在所有实施例中都基本相同即可。进一步地，所示出的和所描述的实施例仅作为实施本发明的可能的方式的示例被提供，但根据所附的权利要求的保护范围决不应被理解为局限于以下实施例描述中的特征中的任何特征，即使没有描述或示出替代方案亦如此；本发明的保护范围仅由所附的独立权利要求的范围决定，并且对于具体限定的特征甚至可包括在递交本发明之前尚未预见到的替代方案。在附图中：

图1示出了根据本发明的实施例中的飞轮系统的透视示意图；

图1A和图1B示出了基于两个突出部的处于正常运行状态下的飞轮系统的俯视图，并且其中飞轮转子变得松动在壳体的内壁上滚动；

图2A和图2B示出了基于三个突出部的处于正常运行状态下的飞轮系统的俯视图，并且其中飞轮转子变得松动在壳体的内壁上滚动；

图3A和图3B示出了基于四个突出部的处于正常运行状态下的飞轮系统的俯视图，并且其中飞轮转子变得松动在壳体的内壁上滚动；

图4示出了包括制动件的实施例的细节的侧面剖视图；

图5和图6分别示出了对于初始冲击速度为0.5m/s和2.8m/s时的旋转速度的转子位移图；

图7示出了图1A和图1B中的构造的替代方案的示意图；

图8示出了其它实施例的放大图，其中壳体壁的内表面的非圆形形状由两个偏置的圆构造成，这两个偏置的圆各自具有大于飞轮转子的直径；

图9示出了飞轮系统的进一步的实施例的透视图；

图10为沿图9中的箭头X的视图；

图11示出了在任意飞轮系统中的或用于任意飞轮系统的缓冲件的示例性实施例；以及

图12示出了沿图11中的缓冲件的线XII-XII的横截面侧视图。

具体实施方式

图1示出了基于三个突出部的飞轮系统1的示意性透视图，该飞轮系统具有壳体2和盘状或环状的飞轮转子3，该壳体包括基底4和壳体壁5。飞轮转子较大；当飞轮转子从将飞轮转子3连接至被称为驱动器/发电机6的能量储存驱动器或能量回收发电机的轴承或从旋转轴7摆脱时，该飞轮转子产生巨大的力并释放巨大的能量。

图2A和图2B的实施例在突出部的数量方面最类似于图1的实施例。在该实施例中，限定出突出部的三个缓冲件8以均等或均匀分布在飞轮转子3周围的方式被设置。只要飞轮转子处于图2A的状态下，一切都正常。

然而，当飞轮转子3如在图2B中那样摆脱，该飞轮转子将开始沿壳体壁5的内表面滚动并还可能开始摇摆，即，相对于绘制图2A和图2B的平面上下摇摆。缓冲件8限定出突出部并且从本发明的意义上来讲更一般地限定出从壳体壁5的圆形内表面偏移的偏移部。在飞轮3每次冲击在这种缓冲件8上时，飞轮被朝向壳体壁的中间推动并且结果是被定心在该壳体壁的中间。缓冲件8沿系统1的旋转轴7的轴向方向延伸。结果，在摆脱之后，当飞轮3开始歪斜并且结果开始摇摆时，飞轮转子3的外表面与伸长的缓冲件8的相对定向使得飞轮转子3变得水平。由此可有效地防止由于飞轮转子3的偏斜位置致使飞轮转子可能瞬时被卡在壳体2中的情况，该情况使转子3非常突然地停止并且结果是具有爆发性的效果。

图1A和图1B与根据图2A和图2B的构造基本相同，除了在图1A和图1B中，系统9包括两个限定出突出部的缓冲件8。再次地，缓冲件8均匀地分布，但相对于图2A、图2B、图3A和图3B的构造可以考虑另一种分布。图3A和图3B也基本相同，除了系统10存在四个缓冲件8。

图7以扩展(exaggerated)图的方式示出了与图1A和图1B略有不同的实施例。实施例的不同之处在于突出部形成在过渡区域或过渡点13处，两个圆形14、15在该过渡区域或过渡点处交会，壳体壁5的内表面由这两个圆形形成。图示在下述方面被扩展：转子可在这些圆中的一个的内部旋转或经过8字形的轨迹，但实施例的重点在于过渡点处的形状，圆形14、15在该过渡点处交会并限定出沿切向方向T1和T2的不连续的过渡部。

图8示出了关于在其中限定出的突出部的又一实施例。在这里，基本为三角形的转块16被布置在壳体壁5的内表面上的铰接部17处。支腿19防止转块16朝向飞轮转子3延伸得过远。弹簧18或另一偏转运动吸收元件在径向上被设置在转块16的后方，并且向内朝向飞轮转子3推动转块16。当飞轮转子3处于摆脱状态并且在壳体壁5的内表面上滚动时，转块16逆着来自弹簧18的作用力被向外压，该弹簧力用于将飞轮3推回到壳体的中心。而且，弹簧吸收由于转块16的偏转产生的能量，有助于更快地减速。

图1A、图1B、图2A、图2B、图3A和图3B中的每个缓冲件8均设有被封装在框架12中的偏斜回退构件11。由此，具体地，缓冲件可被加强以承受当飞轮转子摆脱该飞轮转子的轴承或旋转轴7等时在该缓冲件上释放的力。

图4示出了与制动件20有关的其它特征。制动件20出于以下两个原因而被布置在飞轮转子的中心附近：

-飞轮转子的在飞轮转子的中心处的直线速度比在飞轮转子3的周缘处的直线速度低。尤其是在高达或高于1800rpm的高旋转速度、在一米或更大的半径下，以及在5吨或更高的重量下，在飞轮转子3的外径处的任何制动器在被部署后几乎都会被立刻烧毁。

-即使突出部的伸长的实施例可出人意料地用于防止飞轮转子3的摇摆运动，任何这种摇摆运动都将在飞轮转子3的外径处最为明显，同样在紧接着上文提到的具有更低旋转速度和更小尺寸的飞轮转子的情况下也是这样，减弱了处于飞轮转子3的周缘处的制动件(如果存在任何制动件的话)的效果。

制动件可示意性地包括盘，该盘以力F被夹紧到飞轮盘3的顶部表面上，在这之后，飞轮3开始不受控旋转，如双箭头A所示，以在壳体壁5的内表面上滚动。替代地，制动元件(未示出)可从飞轮转子3旋转所围绕的轴22或从壳体壁5的内表面等凸出。

图9和图10示出了壳体壁5或基底4可以以有限的游隙度被夹紧以在飞轮3撞击在该壳体壁或基底上的情况下吸收能量所用的方式。竖立件或固定件24形成了结构性部件，该竖立件或固定件被固定至地面或基部(未示出)。竖立件或固定件24沿着或者穿过壳体壁5或基底4延伸。在图10的构造中，壳体壁5具有被布置在基底4上的环的形式。在环状的壁5被固定至基底4或者不具有单独的环状壁5的实施例中，基底4可被固定至地面、地板或基部(未示出)。特别地，竖立件或固定件24之后可被定位在图1和图9所示的基底4的斜切的端部中或定位在该端部处。

竖立件或固定件24通过壳体壁5或基底4中的孔26穿过壳体壁5或基底4延伸，该孔的尺寸被设置为大于竖立件24的直径。以这种方式，环状的壳体壁5或基底4能够在距其原始布置处有限的距离上移动，其中壳体壁5或基底4的原始布置与飞轮3同心。

夹紧块25被布置在壳体壁5或基底4的下方和上方，并且在环状的壳体壁5或基底4上施加夹紧力F。当无论出于什么原因飞轮3发生摆脱时，该飞轮都很可能撞击在壳体壁5或基底4上，因此，该壳体壁或基底被设计成让出一小的距离，该小的距离与孔26相对于竖立件24的直径的过尺寸相对应。因此，夹紧块25阻抑了环状的壳体壁5或基底4的这种移动，由此更快速地吸收冲击能量。

在具有环状的壁5的实施例中，下部夹紧块25可由基底4的上表面形成。上部夹紧块25可被连接至任何元件或部件，或者甚至与竖立件附接或与该竖立件是一体的，以在壳体壁5或基底4上产生想要的或所需的夹紧和阻抑力F。

图11和图12示出了缓冲件8的又一实施例，该缓冲件限定出壳体壁5相对于该壳体壁的完美的圆形的变形部。该实施例中的缓冲件8包括背部28，该背部形成壳体壁5的一部分或者被刚性地连接至该壳体壁。背部28限定出用于黄铜的或铜的前部板31、用于隔离的中间玻璃纤维层30以及基底板29的组件的容纳部。黄铜的前部板的特性使得前部板的材料能够通过该材料的变形吸收一些冲击能量，因为黄铜是相对较软的金属。所有的元件28-31都是直的板并且因此在俯视图中黄铜板的前表面限定出壳体壁5的圆形形状的部段以及突出到该圆形形状的内部中的突出部。共同地，缓冲件8使得飞轮3在正常运行状态下具有足够的空间旋转。当飞轮制动器松脱，缓冲件8限定出受控的冲击点，飞轮3在该受控的冲击点处进行缓冲以损失能量和速度。

替代地，前部板31可由铸铁制成，在这种情况下，用于隔离的中间玻璃纤维层30和基底板29在某些实施例中可以被省略，取决于前部板31实际选择的材料。

非铜或黄铜的替代材料也可以被证实是合适的。选择铜、黄铜和/或铸铁的目的涉及具有较低的熔融温度和/或比飞轮3更软的材料，使得一旦发生撞击，飞轮不会撕裂前部板31。

在任意具有或不具有用于隔离的中间玻璃纤维层30和基底板29的实施例中，前部板还可设有由诸如特氟龙、尼龙、UHMWPE等的塑料或任何其它合适的材料制成的减摩涂层，以鉴于前部板上的这种涂层的减摩特性促使飞轮3在撞击到缓冲件8上时滑离该缓冲件。

作为对壳体5的内壁的非圆形形状尤其不是唯一地通过突出部的方式的效果的证实，根据本发明，图5和图6示出了在各自的初始旋转冲击速度为0.5m/s和2.8m/s时，在沿图4中的箭头A的方向的转子位移方面的阻抑。清楚地，在几秒钟内可实现对飞轮转子3的径向位移的阻抑，鉴于上文提到的庞大的飞轮转子的尺寸以及飞轮转子3的极大的旋转速度，这是极为出人意料的。

本发明整体的范围或在所附的权利要求中限定的保护范围决不限于在上述实施例描述的框架内明确描述的任何特征。仅所附的权利要求赋以了这些限定，并且允许不存在制动件、允许如上文指出的所示制动件的替代方案、允许非凸出部或突出部的其它特征来限定从壳体壁的圆形形状偏移的缓冲件，例如在图7和/或图8所指明的实施例，甚至考虑壳体壁的椭圆形形状以包括相对于大的椭圆直径具有较小直径的缓冲件，等等。

Claims (15)

1.飞轮系统，所述飞轮系统包括：

-被布置在旋转轴上的环状的飞轮转子；以及

-大致为圆筒形的壳体，所述壳体至少在径向方向上包围所述飞轮转子，以在发生灾祸的情况下容纳飞轮，

其特征在于，

-所述壳体包括至少一个向内突出的缓冲件，所述缓冲件在包围所述飞轮转子的壳体壁的横截面中限定出从圆形形状变形的变形部。

2.根据权利要求1所述的飞轮系统，其中，所述壳体壁包括至少两个向内突出的缓冲件，优选地包括至少三个向内突出的缓冲件。

3.根据权利要求2所述的飞轮系统，其中，所述向内突出的缓冲件均匀地分布在所述壳体壁上。

4.根据前述权利要求中任一项或多于一项所述的飞轮，其中，所述至少一个向内突出的缓冲件由沿所述壳体壁的切向方向的不连续部限定出，所述不连续部从沿圆形形状的切向方向的变化部偏移。

5.根据前述权利要求中任一项或多于一项所述的飞轮，其中，沿所述飞轮转子的旋转方向，所述壳体壁表现出具有半径的近乎于圆形的弯曲度，所述半径至少略微大于所述飞轮转子的半径。

6.根据前述权利要求中任一项或多于一项所述的飞轮，其中，所述壳体包括对所述壳体壁进行加强的加强件，所述加强件优选地由在所述至少一个向内突出的缓冲件处的背部形成。

7.根据前述权利要求中任一项或多于一项所述的飞轮系统，所述飞轮系统进一步包括制动件，所述制动件被构造成当生效时至少作用在所述飞轮转子上以在突发事件的情况下减慢所述飞轮转子。

8.根据前述权利要求中任一项或多于一项所述的飞轮系统，其中，所述壳体壁包括环状的或圆筒形的壁或者盘状的基底，所述壳体壁以一游隙度以相对于所述飞轮同心的构造被夹紧，以当所述飞轮撞击在所述壳体壁上时吸收冲击能量。

9.根据权利要求8所述的飞轮系统，其中，所述至少一个向内突出的缓冲件被省略。

10.根据前述权利要求中任一项或多于一项所述的飞轮系统，其中，所述至少一个缓冲件包括至少一个直的板，所述板相对于所述壳体壁的圆形形状被布置在圆形部段处、在限制所述飞轮转子的包围的圆形或圆筒形形状旁侧。

11.根据前述权利要求中任一项或多于一项所述的飞轮系统，其中，所述壳体壁包括至少一个前部板，所述前部板限定出相对于所述壳体壁的圆形形状偏移的偏移部和冲击吸收缓冲件。

12.根据权利要求11所述的飞轮系统，其中，所述前部板由比所述飞轮的材料软的材料和/或具有比所述飞轮的熔融温度低的熔融温度的材料制成。

13.根据权利要求11或12所述的飞轮系统，其中，所述前部板被涂覆减摩涂层。

14.根据前述权利要求中任一项或多于一项所述的飞轮系统，其中，所述壳体壁包括至少一个缓冲件，所述缓冲件包括板的组件。

15.根据权利要求14所述的飞轮系统，其中，所述组件包括下述部件中的至少两个：被连接至所述壳体壁或与所述壳体壁为一体的背部板；黄铜前部板；玻璃纤维层；和基底板。