CN113424414A - 堆叠的叠片转子 - Google Patents

Abstract

本发明是一种飞轮转子，上述飞轮转子包括堆叠在彼此的顶部上的多个相邻的叠片，其中，每个叠片具有相同的形状，并且围绕中心轴线旋转对称，并且其中，上述形状是大致圆形的，并且包括位于圆周上的多个突出部，并且每个上述叠片包括至少一个用于供紧固螺栓穿过的孔。本发明通常包括位于堆叠的叠片的每个端部处的端板，并且两个端板中的一个附接到短轴。

Description

堆叠的叠片转子

技术领域

本说明书总体上涉及使用飞轮的能量存储。具体而言，涉及包括堆叠的叠片的飞轮转子的设计。

背景技术

应用于多个小时效用水平的应用的现代的能量存储转子、以及短时间电力应用(诸如不间断电源(UPS)设置)中的能量存储转子通常采用复合纤维绕线转子或由钢制成。当解决公用设施、以及某些商业/工业环境中出现的多个小时放电应用时，一个中心目标是优化转子成本。

飞轮转子的成本可能占到制造系统成本的50％。因此，其他飞轮部件占到系统成本的另一半。并且许多这些系统的成本与转子的体积和/或质量成比例。因此，减小转子质量和体积是飞轮能量存储系统的首要问题。

整体式钢转子能够利用标准钢加工工艺(一次熔化、二次再熔化净化步骤、锻造、淬火和回火)在能获得的设计空间内实现所需的形状和材料机械性能设定。通常，转子形状可以用“形状因子”k来表征。

k＝E/σV 等式1

式中，E是存储动能，V是转子总体积，以及σ是转子中的峰值应力。形状因子的范围为从0到1。大致上，形状因子是转子材料利用效率的指标。高形状因子是应力在转子体积上分布相当均匀的指标，因此对应于良好的材料利用率。从形状因子的定义也可以看出，存储的能量直接地与转子峰值应力成比例。因此，实际可用的峰值应力定义了能存储在转子中的能量。最大峰值应力会被与材料屈服或极限应力相关的失效准则限制、或可以由循环疲劳约束限制。

通常，轴向厚度大致处于6～20英寸范围内的大型多吨的整体式实心的圆柱形转子的形状因子处于0.55的范围内。对于非常薄的圆盘，在二维平面应力(零轴向应力)的假设下进行分析，形状因子被评估为略高于0.6，表示这种薄圆盘相对于整体式转子大约改善了10％。

为了制造具有足够能量容量的转子，转子的总体积(或质量)需要适当地作尺寸设计。使用转子的堆叠的叠片结构能够使得转子尺寸与单个叠片的制造过程分离。叠片横向尺寸仅受材料库存的可用供给宽度、即线圈宽度的限制。并且，堆叠的叠片转子的轴向尺寸由被堆叠的叠片的数量限定。因此，几乎可以实现转子的任何轴向尺寸。可以通过堆叠的叠片方法实现的相对不受约束的转子尺寸与通过实心锻造实现的尺寸形成对比，上述实心锻造也可用于某些转子设计。

冷轧是通常遵循标准热轧工艺的工艺，在该工艺中，先前s热轧的板材料的厚度进一步减小。术语“冷轧”涉及这样一种情况，工艺中允许的温度低于金属表面可能会形成氧化皮的温度。冷轧在整个金属加工行业中被普遍使用，产品以卷材或板材形式出售，并且在大量金属中提供许多可能的合金、处理和精加工条件。示例性材料是用于许多汽车制造的部件的材料，例如用于易于成型的汽车车身面板零件中、以及用于保险杠和结构面板的高强度部件中。在电气工业中用于制造变压器、电动机和发电机的硅钢材料也被冷轧，以实现所需的厚度、均匀性和光洁度。

用于关键应用(例如用于汽车保险杠和结构面板中)的冷轧的钢材料容易获得具有非常高的拉伸强度、例如高达2000MPa的拉伸强度。由全球领先的供应商提供的这种材料的厚度通常在约0.5mm至2.0mm范围。材料质量通常是优异的，容易利用自动光学检查系统来执行检查。因此，在大面板内通常不会出现缺陷。此外，可以使用非常基本的碳钢合金来实现非常高的强度，因为用于这种薄材料的淬火步骤允许足够的冷却速率从而容易地实现完全淬透，即使低合金钢也是如此。

如前所述，与整体式锻钢转子相比，叠片的钢转子具有若干成本和性能优点：(1)冷轧钢的连续加工比整体式转子所需的单独加工更经济。基本上，普遍存在的连续轧制工艺代替一次性锻造工艺；(2)整体式转子的厚度受到所使用的钢合金的淬透性的限制。对于6英寸厚的转子而言，为了实现与2mm厚的叠片相同的强度水平，必须使用明显更昂贵的钢合金。由于淬透性极限的限制，整体式锻件达到最大厚度的极限，而由冷轧叠片组成的转子则可以堆叠成所需厚度的组装式转子，因为每个叠片均单独地淬火和回火；(3)叠片钢转子相对于钢中存在的缺陷还具有一些优点。如上所述，冷轧和检查处理生产出非常高质量的材料。此外，在飞轮转子中，最大应力位于面内径向和环向(周向)方向上。垂直于径向或环向方向取向的缺陷将会形成裂纹，并且比平行于环向和径向方向的缺陷生长得更快。轧制处理使晶粒和任何缺陷平行于轧制方向取向，从疲劳裂纹生长的角度来看这是最佳的。整体式锻造转子可以具有平行于转子轴线取向的缺陷，这对于这种结构中的疲劳裂纹生长来说是最脆弱的取向。

实心锻件的检查通常通过穿过体积的超声(UT)检查和通过用于表面检查的磁粉颗粒和/或模具渗透检查来进行。尽管这些是标准化的测试过程，但是由于检查错误可能是灾难性的，因此要求很高。相比之下，冷轧材料的检查在生产实践中已经大大提高了自动化程度，从而在检查成本和最终产品质量方面具有有利的结果。

在旨在进行10000多个全摆动应力循环的应用中，每个全摆动应力循环对应于飞轮能量存储系统的全深循环，应力摆动实际上通常受到循环疲劳的限制。循环疲劳寿命取决于缺陷的存在(或不存在)、以及其随后作为裂纹扩展到临界尺寸，然后突然断裂。裂纹扩展是应力在给定的最小水平与最大水平之间循环的直接结果。由于冷轧叠片具有有利的内在残余缺陷布置，因此，叠片表现出优异的抗循环疲劳的弹性。

发明内容

本发明涉及使用堆叠的叠片来制造飞轮能量系统中使用的转子。

在某些实施方式中，使用通过最大化转子对飞轮外壳的利用而改进了标准圆盘形状的转子形状。

对使得堆叠的叠片转子中的叠片能够有利地接合的转子形状的实施方式进行了说明。在某些实施方式中，公开了具有突出的扇形件的圆形形状(被称为扇形的圆形形状)。叠片包括一个或多个孔，轴向螺栓穿过该孔以对叠片进行接合和紧固。在其他实施方式中，使用允许靠近每个顶点的通孔而不会导致限制性能的应力升高的八边形形状。

某些实施方式涉及在任一端处对叠片的堆叠进行支承的端板的设计。实施方式中的端板包括中心区域、以及从该中心区域径向向外地发散的多个辐条。实施方式涉及多种辐条形状、以及用于将辐条紧固到中心区域的机构。

另外的实施方式涉及一种短轴，上述短轴包括附接到端板的联接部段。在某些实施方式中，联接部段包括一个或多个凸缘，上述凸缘连接到端板和圆锥形的中心区域。

进一步的实施方式涉及一种转子形状，上述转子形状使得能够通过作为平衡程序的一部分添加或移除转子质量来实现转子平衡。一个实施方式添加了平衡瓣，上述平衡瓣位于叠片的外周上，并且与用于对叠片堆进行紧固的一组扇形的突出部等距。

主要的实施方式是一种飞轮转子，上述飞轮转子包括堆叠在彼此的顶部上的多个相邻的叠片，其中，每个叠片具有相同的形状，并且相对于中心轴线具有相同的取向，并且其中，上述形状是大致圆形的，并且包括位于圆周上的多个突出部。该实施方式包括位于堆叠的叠片的每个端部处的端板。短轴附接到顶部和底部的每个端板的。

附图说明

参考以下附图描述本发明的非限制性和非穷举的实施方式。在附图中，除非另外指明，否则在整个各个附图中，相同的附图标记表示相同的部分

图1是飞轮能量存储系统(也称为飞轮单元)的一个实施方式的简化剖视图。

图2A示出了基于八边形的堆叠的叠片转子的形状，该形状与八边形相比能更好地利用叠片材料。

图2B示出了堆叠的叠片转子形状的一个维度中的最大长度的概念。

图2C示出了利用由旋转转子扫掠的体积的概念。

图2D给出了非圆形的叠片形状(被称为扇形环)的一个示例，包括在外周附近的低应力区域，在该区域处可以引入通孔。

图2E示出了被称为正八边形的形状，该形状是通过对称地截断正方形的四个角而从正方形获得的八边形。

图3示出了端板的一个实施方式，该端板从外径周围移除材料，从而使得端板具有辐条。

图4示出了具有紧固到中心区域的离散辐条的端板。

图5示出了具有矩形截面辐条的端板的截面。

图6示出了具有离散辐条的端板的另一实施方式。

图7A和图7B示出了具有离散辐条的端板的另一实施方式。

图8A和图8B示出了具有离散辐条的端板的另一实施方式。

图9A和图9B示出了具有离散辐条的端板的另一实施方式。

图10示出了附接到端板的短轴的一个实施方式。

图11示出了包括平衡凸角的叠片形状，每个平衡凸角位于外周上，并且与参照图2D的形状描述的扇形的突出部等距。

图12示出了转子叠片上的低应力的凸片的另一实施方式。

附图仅出于说明的目的示出本发明的实施方式。本领域技术人员将从以下讨论中容易地认识到，可采用本文所示的结构和方法的替代实施方式而不脱离本文所述的本发明的原理。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，这些附图构成本发明的一部分，并且通过图示示出了可以通过其实践本发明的具体示例性实施方式。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，并且不应被解释为限于此处所阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本公开将透彻和完整，并将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。其中，本发明可以实施为方法、过程、系统或装置。因此，以下详细说明不应被认为是限制性的。

介绍

叠片转子通过堆叠许多叠片而构成，其中，堆叠中的每个叠片具有相同的形状和相对于中心轴线的相同取向。例如，300mm厚的转子分别需要150个2mm厚的叠片。通过组织整体式堆叠设计，可以针对抗单点缺陷进行弹性设计，使得在单点缺陷的情况下，相邻的叠片可以承受额外的负载，以避免灾难性的故障。

因此，与整体式锻钢转子相比，由堆叠的钢叠片构成的转子的成本更低，并且可以提供更高的应力摆动。这直接地转化成转子的每单位成本利用率的更好性能，并因此改善了系统的飞轮平衡的利用率。

可以理解的是，堆叠的叠片转子的形状不需要是圆形的，因为叠片可以通过冲压、激光切割或任何其他合适的工艺来制造。这些工艺可以用于产生任何形状；因此，可以产生任何形状的叠片。因此，由堆叠的叠片制成的转子不限于圆形轮廓或圆柱形形状。本发明的主要目的是实现堆叠的叠片转子的有利形状和提供相关的支承元件。

定义

如本文使用的，以下术语具有以下给出的含义：

如本文所使用的“能量存储系统”是指存储和释放能量的系统。能量存储系统通常联接到电网，从而使得电网能够根据需要存储和提取能量。

如本文所使用的“飞轮能量存储系统”、“飞轮单元”、“飞轮装置”或“飞轮”是将动能存储在飞轮转子中的能量存储系统。当联接在一起时，一个或多个飞轮单元形成能量存储系统。飞轮单元是指飞轮外壳或外壳、以及其容纳的任何转子、电动机/交流发电机和其他元件、以及可容纳并安装在飞轮外壳上的任何电力电子元件。

如本文所使用的“飞轮转子或转子”是能量存储系统的主要部件，该主要部件通常是处于旋转中的旋转对称的质量、诸如圆柱体或圆盘。转子直接或间接地物理联接到电动机/交流发电机，上述电动机/交流发电机本身电气地联接到构成AC-AC转换子系统的转换器(诸如背对背逆变器子系统)。当接收到用于存储的电力时，转子被驱动而增加飞轮的旋转速度。飞轮转子旋转得越快，其存储的能量就越多。当提取电力时，飞轮转子驱动电动机/交流发电机。

如本文所使用的“叠片”是指通常通过冷轧处理制造的薄的、平滑的、平坦的通常为钢的材料片。虽然冷轧钢是可用于叠片的材料的明显示例，但是也可以使用其他类型的材料，尤其是塑料、铝、水泥、玻璃、钢(除了冷轧钢之外)。如本文所使用的“叠片”被切割成一定形状，并且具有两个侧面、即顶侧和底侧。

如本文所使用的“堆叠的叠片转子”、也称为叠片堆是指构造成一个堆叠在下一个上的多个相邻叠片的转子。堆叠的叠片转子具有两个端部、即顶端和底端。通常，叠片具有相同的形状，并彼此相邻定位，并且相对于中心轴线具有相同的旋转取向，并被接合或保持在一起。例如，多个圆形叠片将呈现为圆柱体。多个矩形叠片将呈现为矩形立方体。虽然如本文所述的堆叠的叠片转子的主要应用是用于飞轮能量存储，但本发明并不限于此。例如，可以将本发明应用于电动机和其他机械装置中使用的转子。

飞轮能量存储系统

图1是飞轮能量存储系统(也称为飞轮单元100)的一个实施方式的简化剖视图。飞轮单元100包括飞轮转子组件130(或简称为飞轮转子130)、电动机和交流发电机140(也称为电动机/交流发电机140，因为这两种功能通常由单个子系统执行)、飞轮壳体或外壳110和电力电子单元120，。

电动机/交流发电机140在电能与机械能之间转换，使得能量可以存储在飞轮转子130中或从飞轮转子130提取。电动机/交流发电机140结合了电动机和交流发电机的功能，因此也可以称为电动机和交流发电机140。在某些实施方式中，电动机/交流发电机140通过下短轴134间接地联接到飞轮转子130，该下短轴134又联接到飞轮转子130的下轴颈，并且还连接到下支承轴承。上短轴132将飞轮转子130联接到上轴承。在其他实施方式中，飞轮转子130结合有联接到电动机/交流发电机140的轴。电动机/交流发电机140经由导线或其他电气联轴部与电力电子单元120联接，这些电气联轴部通常穿过飞轮外壳110的真空馈通部。

飞轮单元100还包括提升磁体150(也称为磁性卸载器)，上述提升磁体150至少部分地使转子130的质量悬浮。提升磁体150定位在飞轮转子130上方。

电力电子单元120具有包围并容纳包括电力转换器的电气部件的壳体，上述电力转换器用于将输入电流(直流或交流)转换成电动机/交流发电机140可接受的交流电流。电力电子单元120还可以根据需要包括传感器、处理器、存储器、计算机存储器和网络适配器，以便执行飞轮单元100的通信、控制和状态监测。

尽管飞轮壳体110被示出为对单个飞轮转子130和单个电动机/交流发电机140进行封装，但是在其他实施方式中，单个外壳可以封装多个转子和电机/交流发电机。

单独的叠片形状

尽管圆形盘状的叠片是提供最常规的对称性的飞轮转子形状的自然选择，但是其他形状也是可行的并且具有显著优势。由于冷轧叠片材料通常由制造商以卷材形式提供，因此，可以以有策略形状选择来改进叠片材料的利用。例如，与常规圆相比，正多边形能够以更高的百分比使用叠片材料，上述正多边形具有与所供给的线圈宽度重合的至少两个侧边或边缘。

图2A至图2E示出了堆叠的叠片转子的替代形状的实施方式。在这些实施方式中，该形状是绕中心轴线对称的，也称为旋转对称的。这些形状接近于圆形，但是沿该形状的外周、外边缘或圆周具有突出部。该突出部使得能够在突出部内沿叠片形状的圆周形成旨在用于放置紧固或接合螺栓的通孔，这最小化了与通孔相关的应力。叠片堆通过紧固机构结合在一起。在某些实施方式中，紧固机构具有穿过通孔的两个以上的拉杆或螺栓。当叠片被紧固时，紧固机构确保堆叠中的每个叠片相对于中心轴线具有相同的取向。端板还在堆叠的每个轴向端部处对堆叠进行固定。虽然本文公开的形状的实施方式全都是旋转对称的，但是本发明不限于此，非旋转对称的其他形状也落入本发明的范围内。

作为参考，相对于供圆内切的正方形，该圆占据可用材料的π/4或大约0.785百分比。八边形共享所供给的正方形的每个边缘的一部分，该正八边形占据可用材料的大约0.83百分比。

图2A示出了基于八边形的形状200(在此称为弧形八边形)，该形状200与八边形相比更好地利用了叠片材料。该形状具有圆弧，每个圆弧在八边形的四个相对侧边上以共同中心点同心。占据面积百分比为0.84。该百分比0.84与能从同一正方形叠片面积切割而成的最大圆相比大7％，这表示多了7％的可用能量储存容量。

如以上在公式1中所介绍的，形状因子k是在受到离心诱导应力时应力在板内如何有效地分布的指标。对于具有0.3的常规钢泊松比的2mm厚的叠片，具有43英寸直径的圆形形状通过有限元分析能产生达到两位精度的0.61的形状因子。这基本上与无限薄的圆盘的理想平面应力分析值匹配，因此，相对于相同直径的10～14英寸厚的整体式转子而言，表现出大约10％的改善。对具有四个圆弧的形状200的类似分析也得到了0.61的形状因子。因此，改型的八边形的能量性能等于常规圆形形状的能量性能，但是形状200的改型的八边形利用了供该八边形切割的正方形的0.84的面积(和体积)百分比。结果是许多类似的非圆形形状也表现出大约0.61的大致相等的形状因子。

材料面积利用率可以用面积比A_s/s²来概括，其中A_s是叠片形状的面积，s是包含该形状的最小正方形的侧边。此处的构思是冷轧卷材宽度s限定了能够供叠片形状切割的可用的正方形区面积。图2B示出了内接在具有侧边s的正方形内的叠片形状的实施方式。具体而言，示出了内接在具有侧边s的正方形内的八边形的叠片形状。

整体形状的另一个考虑因素是设计的形状如何很好地利用外壳的可用扫掠体积。图2C示出了利用外壳体积的概念。在这种情况下，从旋转中心到外壳的最近的限制边界的径向距离是R，并且与半径为R的边界圆对应地，可容纳的最大轴向投影面积是πR²。鉴于这种限制，占据边界圆区域的最大可能百分比的形状在对外壳体积的利用方面是最有效的。因此，优化标准是使该比率A_s/πR²最大化，以便最佳地利用可用的扫掠面积，并因此最佳地利用飞轮单元外壳的体积。

尽管图2A和图2B中表示的叠片形状优化设计标准不是一致的，但是可以遵循表示这些标准之间的帕累托最优折衷的形状优化的过程。因此，策略性的设计可以考虑这两个标准，并应选择最佳折衷方案。

堆叠的叠片组件和接合策略

叠片彼此的接合以及叠片与通过轴承提供支承的短轴(或轴)的接合对形状设计施加了更重要的约束。使用非圆形的叠片形状能够实现有利的接合技术。

叠片可以通过许多可能的方式接合在一起。这些方式包括粘合剂粘合、过盈配合到中心轴上(如许多电机转子组件一样)、通过许多可能的焊接工艺中的一种焊接在外周上、以及保持轴向螺栓。迄今为止，所有先前已知的接合策略都存在挑战。

鉴于由于高速旋转而产生的大离心负载所遇到的轴向和径向应力，粘合剂存在强度限制，其中，泊松引起的轴向负载与大平面内的拉伸负载相关。粘合剂还受到热限制以及在真空外壳中使用的兼容性方面的挑战。

在一些情况下，在外周上的焊接是可行的，但是由于焊接的相关热影响区域，焊接通常会造成材料劣化。激光焊接通常用于小型电工钢叠片堆，但是这些轻质焊缝并不旨在作为根本的结构性焊缝。

使用中心轴或轴向固定螺栓需要通孔、即轴向地穿过堆叠的叠片转子中的堆叠的叠片的孔。通常，对于环向应力和径向应力几乎相等(双轴应力条件)的靠近转子中心区域，在所需通孔处的环向应力是普遍主应力中的任一个的两倍。在远离中心区域的区域中、例如在圆盘的外周上，应力是单轴的，并且是环向(周向)取向的。在单轴应力的情况下，圆形通孔会导致局部应力上升至普遍应力的三倍。因此，圆形叠片形状的通孔通常不适用于圆形叠片。

然而，由于叠片形状不必是圆形，因此，存在许多如下的非圆形的形状：这些形状使在可引入通孔的外周附近的低应力区域成为可能，而相对于叠片的主体中的总体普遍应力没有显著的应力增加。图2D给出了非圆形的叠片形状220(被称为扇形环)的一个示例，包括在外周附近的低应力区域，在该区域处可以引入通孔。形状220是在一个本来是圆形的形状上引入了突出的“扇形件”，这些扇形件在本来是圆形的外周上突出了一小部分。形状220具有八个沿本来是圆形的叠片形状的外周均匀地间隔开的扇形件222。在离心负载下，扇形件(扇贝形件)是有效地屏蔽普遍存在的环向应力的区域，因此保持非常低的应力。因此，可以容易地在每个扇形件中引入一个或多个通孔，而不会导致应力升高的问题。这种方法允许利用轴向取向的螺栓将叠片接合在一起。此外，轴向螺栓可以接合或紧固到端接的上端板和下端板，以便于在完全组装好的转子的顶部和底部处与相应的短轴相互连接。

尽管形状220的突出部是等距的和扇形的，但是本发明不限于此。在其他实施方式中，突出部可以不是等距的，并且突出部的形状可以不同于扇形。

为了说明本发明的普遍性，图2E示出了一种被称为八边形的形状240，它是通过对称地截断正方形的四个角而从正方形获得的八边形。正如对“八边形(正八边形)”叠片的堆叠的三维模型进行的有限元分析所确定的那样，在施加离心负载的情况下，八边形的顶点相对于形状的大部分体积保持在低得多的应力水平。在有限元分析中，相对于转子的中心区域的普遍应力水平，冯-米塞斯(vonmises)等效应力在顶点附近降低了一个数量级。因此，每个顶点附近的区域可以维持一个通孔，而不会导致限制性能的应力升高。

利用通孔，可以直接地引入一组结构固定螺栓，以为组装好的叠片堆提供三维刚性。这种组件的挑战之一是在可变负载条件下、以及在跨不同操作条件(诸如变化的温度)的情况下避免滑移。任何滑移都可能导致失去平衡，更糟糕的是，如果滑移在旋转框架中呈现显著阻尼，则可能会导致动态不稳定。与滑移相关的任一结果实际上都是故障模式。为了防止滑移，应当规定固定贯穿螺栓的尺寸和张紧力，以在扇形件或顶点内的通孔的近端区域中在整个堆叠中保持足够的压缩表面接触负载。针对滑移的摩擦考虑因素用于计算所需的压缩表面接触应力，进而计算贯穿螺栓的直径、材料和张力水平。

确定螺栓张力水平的一种方便方法是在螺栓张紧时简单地测量螺栓的长度延伸量。与螺栓扭矩规格的常规使用相比，这提供了螺栓应变和应力状态的直接测量。

另一个考虑因素是使用宽容的通孔槽衬，以减轻螺栓插入和操作期间的螺栓和叠片界面磨损。当处于离心负载下时，随着离心负载的循环应用，贯穿螺栓可能(循环地)在其相应的间隙孔内发生偏移，并且进而由间隙孔的侧壁支承。随着循环离心的加载和卸载，这种与侧壁的循环相互作用构成了磨损过程，可能会产生表面磨损并随后使螺栓可靠性劣化。槽衬可以由如铝或黄铜等较软的金属、或有机材料制成。槽衬可以制成整体式管、或开槽管。开槽管可以通过由例如厚度处于0.1～1.0mm范围内的铝板锭的片材弯曲形成槽衬来制造。

接合到短轴

在某些实施方式中，对于在操作、静止或运输期间由两个以上的机械轴承约束的旋转系统，堆叠的叠片转子必须接合到一对短轴，以与轴承交界。下面的讨论主要集中在转子叠片堆的单个端部，但是可以理解的是，在堆叠的叠片转子的任一端均可以使用同等的接合方法。

与上文讨论的那些类似的结构贯穿螺栓可以用于连接到端板。如本文所使用的术语“端板”可以尤其是单个的实体部件，也可以由一些部件组装而成。端板的目的是在转子外周附近的轴向贯穿螺栓与中央短轴之间提供结构上的充分连接。

在某些实施方式中，使用实心的圆形端板。旋转盘中的峰值等效应力出现在中心处。任何用于将圆柱形轴或其他策略性地设计的短轴接合到平板的方法都会在该峰值应力区域中产生应力升高。此外，如上所述，考虑到叠片形状设计，在靠近外周的圆形端板中引入通孔会产生严重的局部应力升高。在中中和/或外周处的应力升高限制了转子的最大速度，并因此限制了转子的能量存储容量。转子的顶部和底部的端板的形状必须设计成能够减少轴连接以及与结构贯穿螺栓的连接上的应力。

在某些实施方式中，基于磁体的卸载系统(在此称为提升磁体150)为转子提供磁力提升力，以抵消其重力负载，否则该重力负载会施加在系统轴承上。为了与提升磁体150相互作用，理想的是将用于飞轮转子130的铁磁顶部钢端板的区域维持全密度和圆对称性。因此，使用磁力提升会对上端板的设计施加一个约束。

图3示出了端板300的一个实施方式，该端板300从外径周围移除材料，从而使得端板有辐条310。在端板300中，材料被移除以形成从中心区域320径向向外地延伸的辐条310。中心区域320通常由实心钢制成并与提升磁体相互作用以使飞轮转子130悬浮。端板300的外周的质量减小有效地降低了中心区域320中的应力，从而允许附接到下短轴134。端板300可以通过多种机构(包括中心孔330、孔口、螺栓圆或用于连接到轴的焊接部)附接到短轴134。在这种设计中可以使用任意数量的辐条。在某些实施方式中，辐条310的端部随后通过直接连接到前面讨论的贯穿螺栓而与相邻的叠片堆连接。在某些实施方式中，顶部端板和底部端板以支架方式连接到叠片堆。在其他实施方式中，在叠片堆的顶部或底部处可能仅存在单个端板。端板300的中心区域通常由实心铁磁钢制成，以与提升磁体相互作用。该约束仅对转子130的顶部的端板是必要的，因为提升磁体150位于转子130上方。因此，在某些实施方式中，下端板的中心区域可以不由铁磁钢制成。

也可以使用其他的机械连接。辐条310可以向外逐渐变细或者可以是哑铃形的，使得与沿其长度相比在辐条的端部处具有更多的质量。辐条310的端部均可以经由围绕外径的轮缘连接。然后，可以对在辐条的端部处添加的质量进行设计，使得辐条的端部在承受离心负载时经历与相邻圆形板中的径向位移相等的径向位移，从而防止辐条处的应力升高到达贯穿螺栓接头。辐条310的长度和宽度由板的中心处的最大允许应力和用于提升转子的卸载磁体的面积决定。

在某些实施方式中，端板300可以具有超出如上所述的内容的特征。例如，端板可以是三维形状而不是具有平坦轮廓。中心毂可以具有任何直径，并且整个端板直径不必与叠片堆的直径相同。辐条与中心毂相交处的端板300内的圆角可以具有足以减轻局部应力升高的任何半径，并且辐条端部处的质量可以是足以在辐条中施加离心力的任何形状，使得径向位移与相邻的叠片堆匹配。辐条310可以向外逐渐变细，朝向辐条的端部增加质量；或向内逐渐变细。如图3所示，辐条310可以在辐条的端部处具有附加地特征，以增加质量。

除非另有说明，否则关于端板300的设计和结构的说明适用于以下描述的其他端板的实施方式。

使用整体式实心钢端板、即由单块钢制成在材料成本、加工成本和应力模式方面可能不是最理想的。由实心钢制成的端板300的实施方式在制造中需要舍弃大量材料、即从圆形或矩形的实心板中移除大量材料。制造还需要大量的机加工和精加工步骤。而且，由于该零件保留了整体的实心钢辐条，残留的离心负载仍可能在中心区域中施加限制应力。

为了解决这些潜在的挑战，端板的实施方式可以具有紧固到中心区域的离散辐条。如本文所使用的，离散辐条经由紧固机构(诸如尤其是螺栓、焊缝或螺柱)附接或紧固到端板的中心区域。相比之下，端板300的辐条310和中心区域320由单件材料加工而成。示例性的材料选择尤其包括铝、钢、钛和复合材料。

图4是具有离散辐条410的端板400的一个实施方式。辐条410由大致中空的中空管412制成。中空管412的横截面可以是矩形或圆形的，并且可以由具有高强度和足够高的强度-重量比的任何有利材料制成。例如，商业上提供的碳纤维复合管具有多种横截面形状、尺寸、壁厚和材料选择，并因此构成了相当有利的选择。使用密度低于钢的某种材料(例如碳纤维)制成的离散辐条能减少质量，因为该材料的密度低于钢并且是中空的，但是仍能保持与高强度钢类似的抗拉强度等级。该外周区域中的质量减少反过来又减少了实心的中心区域中的离心负载。采用这种离散的辐条设计还能减少材料成本，因为中心板的直径很小，并且使制造中的材料损失最小化。

每个辐条410与从端板400的中心区域420突出的圆头螺栓414交界或紧固到该圆头螺栓414上。中空的辐条410可以由如上参考端板300可知的许多可能的材料制成。在某些实施方式中，端板400在每个辐条的外侧终端处具有凸耳430，以提供与相应的贯穿螺栓的结构接口。

图5示出了具有矩形横截面的多个离散辐条510的端板500的一部分。值得注意的是，辐条510可以与由中央的实心钢的中心区域520加工而成的突出短柱530直接地交界。贯穿螺栓540将端板500连接到下方的叠片。在带有贯穿螺栓540的外侧终端处，可以使用也可以不使用凸耳。

图6示出了具有辐条610的端板600的另一实施方式。端板600的布置在大多数方面与端板400的布置类似。然而，在端板600中，辐条由实心金属圆棒(例如高强度钢)加工而成，并且通过螺纹配合或过盈配合到中心区域620的孔口612中而紧固到端板600的中心区域620。辐条610还在它们的远端处结合有凸耳630以便于与其相应的结构贯穿螺栓交界。

图7A和图7B示出了具有多个辐条710的端板700的另一实施方式。

在该实施方式中，中心区域720的外径具有带有成对的径向螺纹孔的平坦区域。辐条710的近端上的相应凸缘730随后可以使用常规的机械螺钉734紧固到中心区域720。

图7C和图7D示出了具有多个辐条750的端板740的又一实施方式。

在该实施方式中，中心区域760的外径具有螺丝扣附接机构762。

图8A和图8B示出了具有多个辐条810的端板800的另一实施方式。在又一实施方式中，中心区域820在外周处具有轴向孔，上述轴向孔用于经由一个或多个剪切销830对辐条810进行连接。端板800的每个辐条810具有两个轴向销830和两个孔(不可见，因为这两个孔被销830充满)。在端板800的其他实施方式中，每个辐条具有一个轴向销830、或每个辐条具有两个以上的轴向销。在又一实施方式中，轴向剪切销830可以由贯穿螺栓代替，以摩擦地将每个辐条夹紧到中心板。

图9A和图9B示出了具有多个辐条910的端板900的另一实施方式。在该实施方式中，中心区域920具有杉树样式的切口930，该切口930与辐条910的端部上的相应特征交界。在其他实施方式中，切口930可以具有替代的几何形状、诸如球茎和根部，从而在辐条910与中心区域920之间维持系留接头。杉树概念通常用于航空航天工业，并且是经久耐用和自锁的。此外，锁定机构、尤其是锁定线、固定螺钉、锤击、销或钥匙可以用于在组装之后将辐条保持在适当位置。

由于前面讨论的原因，图3至图9中说明的端板的实施方式全都包括辐条。通常，本发明包括旋转对称的端板，该端板具有中心区域，并且具有从中心区域径向向外发散的辐条。可以使用多种辐条形状和将辐条紧固到中心区域的机构。此外，辐条以及中心区域可以由多种材料(尤其包括钢、塑料和碳纤维)制成。此外，端板可以在中心区域中具有一个或多个孔以允许使用螺栓。此外，辐条的远端可以具有通孔以允许使用将端板紧固到叠片堆的螺栓。

图10示出了附接到端板的短轴1000的一个实施方式。短轴1000与飞轮130旋转对称。短轴1000具有位于顶部的圆柱形部段1010以及位于底端的联接部段1015，上述联接部段1015附接到诸如端板300、400、500、600、700、800、900的端板。

联接部段115包括一个或多个凸缘1030以及一个中心区域1020。凸缘1030在短轴1000的底部处经由焊接或机械附接(诸如螺纹螺栓)与端板连接。在某些实施方式中，中心区域1020是圆锥形的，使得该中心区域1020能够弯曲并允许凸缘1030径向地移动，同时能维持足够的轴向刚度。这种设计能适应转子130在与端板的连接处的径向膨胀和收缩。

短轴1000可以被施加横向弯曲顺应性。这种弯曲顺应性可以用作飞轮单元100的悬挂功能来管理共振模式。将这种模态频率设计为低于工作速度范围通常具有策略意义，以避免在常规操作期间激发这种共振。

平衡

由于堆叠的叠片转子由多个部件组装而成，因此，预计组装时转子可能会表现出一定程度的静态和动态不平衡。如本文所使用的，静态不平衡涉及转子的质心相对于由其轴承轴颈限定的旋转轴线的偏移。动态不平衡涉及惯性矩的极主轴线相对于其轴承轴颈限定的旋转轴线的倾斜角度。标准的平衡台可以用于评估和微调静态和动态平衡、即提供双平面平衡。

实现平衡通常需要在特定位置处添加或移除转子质量。例如，对于形状220的堆叠的叠片转子，可以设计能逐步地磨掉以调节转子平衡的牺牲材料。图11示出了包括附加平衡凸角的叠片形状1100，每个上述平衡凸角位于外周上，并且与参照形状220描述的扇形的突出部等距。在某些实施方式中，针对每个扇形件1110，存在一个平衡凸角1120。如形状1100所示，平衡凸角1120可以具有与标准的扇形件1110不同的尺寸。平衡凸角1120位于低应力的区域中，因此在转子系统中不会发挥重要的结构作用。当转子安装在平衡台上时，可以对平衡凸角1120进行研磨以调节和实现适当的平衡。

质量也可以添加到转子的叠片或端板和短轴组件中，以便校正动态或静态不平衡。图12示出了转子叠片上的低应力的凸片1220的另一实施方式。该凸片1220比形状1100的凸片大；此外，凸片1220还包括孔1230。当转子叠片被堆叠时，孔1230是通孔，并且取决于所需的平衡校正，能将不同密度的材料以整体地或部分地穿过转子厚度的方式添加到这些孔中。该概念也可以应用于端板。

形状1200具有四个平坦的侧凸片和四个弧形的侧凸片，这能够优化给定的方形板材的材料利用率和体积扫掠。该形状1200的面积百分比为0.81，扫掠体积百分比为0.95。

在其他实施方式中，这些相同的平衡瓣可以用作添加质量的位置，例如经由已知质量增量的螺纹硬件或压配合销。与移除质量相比，添加质量的益处是可以容易可逆地对平衡调节进行微调。这还能提供比研磨更可预测的结果。

许多其他可能的类似布置也可以在外周上实现这种牺牲的平衡瓣或质量。例如，在多边形的情况下，每个顶点通常是低应力的局部区域。因此，每个顶点可以用作通孔或用作平衡凸角。

在阅读本公开后，本领域技术人员将通过本文公开的原理理解另外的替代的结构和功能设计。因此，虽然已经说明和描述了特定实施方式和应用，但是应该理解，所公开的实施方式不限于本文公开的精确的构造和部件。在不脱离所附权利要求限定的精神和范围的情况下，可以在本文公开的方法以及设备的布置、运行以及细节中进行对本领域技术人员显而易见的各种修改、改变和变化。

Claims (17)

1.一种飞轮转子，包括：

堆叠在彼此的顶部上的多个相邻的叠片，其中，每个所述叠片具有相同的形状以及相对于中心轴线的相同旋转位置，并且其中，所述形状是大致圆形的，并且包括位于圆周上的多个突出部，其中，多个所述叠片中的每一个包括至少一个通孔；以及

至少有一个螺栓，所述螺栓穿过多个所述叠片中的每一个的至少一个通孔。

2.如权利要求1所述的飞轮转子，其特征在于，不存在穿过叠片的轴向中心的通孔。

3.如权利要求1所述的飞轮转子，其特征在于，所述叠片由选自包括钢、塑料、碳纤维、复合材料和水泥的组中的材料制成。

4.如权利要求1所述的飞轮转子，其特征在于，所述叠片的形状选自包括弧形八边形、扇形圆和八边形的组。

5.如权利要求1所述的飞轮转子，其特征在于，还包括：

分别位于叠片堆的每个端部处的两个端板，其中，每个所述端板具有与堆叠中的叠片的一侧接触的底表面。

6.如权利要求5所述的飞轮转子，其特征在于，至少一个螺栓中的每一个还穿过每个端板并紧固到每个端板。

7.如权利要求5所述的飞轮转子，其特征在于，每个端板具有中心区域、以及从所述中心区域径向地发散的多个辐条。

8.如权利要求7所述的飞轮转子，其特征在于，至少一个所述端板的所述中心区域由实心钢制成。

9.如权利要求7所述的飞轮转子，其特征在于，所述辐条是经由紧固机构附接到所述中心区域的离散辐条。

10.如权利要求9所述的飞轮转子，其特征在于，所述紧固机构选自由螺栓、螺柱和焊接部组成的组。

11.如权利要求7所述的飞轮转子，其特征在于，所述辐条是圆柱形的管。

12.如权利要求7所述的飞轮转子，其特征在于，管是大致中空的。

13.如权利要求7所述的转子飞轮，其特征在于，每个辐条的外侧终端具有孔，以接收相应的贯穿螺栓。

14.如权利要求5所述的飞轮转子，其特征在于，还包括：

短轴，所述短轴附接到所述转子并与所述转子旋转对称，其中，两个端板中的一个的顶表面紧固到所述短轴。

15.如权利要求14所述的飞轮转子，其特征在于，所述短轴具有位于顶部的圆柱形部段和位于底部的联接部段，所述联接部段紧固到所述端板。

16.如权利要求15所述的飞轮转子，其特征在于，所述联接部段具有中心部段、以及一个或多个附接到所述端板的凸缘。

17.如权利要求1所述的飞轮转子，其特征在于，所述形状具有多个凸角，其中，每个凸角从所述叠片的圆周突出，并且其中，在平衡阶段期间，减小至少一个凸角的质量以实现转子平衡。

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