CN113692497A - 飞轮系统及相关方法 - Google Patents

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Abstract

一种飞轮系统，包括飞轮转子，该飞轮转子包括转子盘和转子轴，并且飞轮转子的纵向轴线中央延伸穿过转子盘和转子轴。该系统进一步包括被配置成便于飞轮转子的旋转的轴颈组件。轴颈组件包括：套筒，具有从第一端延伸穿过套筒到相对的第二端的孔；杆，至少部分地设置在套筒的孔内；以及螺母，联接到杆的一部分。杆的长度大于套筒的长度，使得杆的一部分轴向延伸超过套筒的第一端。一种形成飞轮的方法包括将杆联接到转子轴并拉动杆的第二端以使杆张紧。当连接到螺母时，螺母保持杆中的张紧。

Description

飞轮系统及相关方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年3月4日提交的、序列号为16/291,895的“飞轮系统及相关方法”的美国专利申请的权益。
技术领域
本公开的实施例涉及一种飞轮储能系统。更特别地，本公开涉及一种用于支撑飞轮转子的旋转的轴颈组件。
背景技术
能量可以从一种形式转换成另一种形式，诸如从电能转换成动能，反之亦然。飞轮是一种将能量存储为旋转动能的能量系统。因此，可以将电能提供到可以使飞轮旋转的电动机。可以接收电能以将电能存储在飞轮中。飞轮的动量是所存储的能量的一种形式。电动机也可以用作发电机，将飞轮的旋转动能转换成电能。一旦飞轮具有动量，理论上就可以无限旋转。然而，诸如摩擦和阻力的寄生损失(parasitic losses)可能降低飞轮作为储能装置的效率。因此，可能期望增加飞轮储能系统的效率。此外，摩擦和阻力可能降低飞轮系统的可用寿命。作为示例，支撑飞轮旋转的轴承可能由于飞轮在操作期间不平衡而过早磨损。
发明内容
本公开的各个实施例包括一种飞轮系统，该飞轮系统包括飞轮转子，该飞轮转子包括转子盘和转子轴，该转子的纵向轴线中央延伸穿过转子盘和转子轴。该系统进一步包括被配置成便于飞轮转子的旋转的轴颈组件。轴颈组件包括套筒，该套筒具有从第一端延伸穿过套筒到相对的第二端的孔，并且套筒的纵向轴线从第一端延伸穿过套筒到第二端。套筒的第二端联接到转子轴。轴颈组件进一步包括至少部分地设置在套筒的孔内的杆。杆的第一端轴向地延伸超过套筒的第一端并且杆的第二端联接到转子轴。杆的纵向轴线从第一端延伸穿过杆到第二端，其中套筒和杆的纵向轴线与飞轮转子的纵向轴线同轴。轴颈组件进一步包括保持元件，该保持元件联接到轴向地延伸超过套筒的第一端的杆的第一端。
一种使用飞轮系统的方法，包括：旋转设置在上轴颈组件与下轴颈组件之间的飞轮转子。上轴颈组件和下轴颈组件中的每一个都联接到飞轮转子，并且包括：套筒，具有从第一端延伸穿过套筒到相对的第二端的孔；杆，设置在套筒的孔内，使得杆的一部分轴向地延伸超过套筒的第一端；以及保持元件，联接到轴向地延伸超过套筒的第一端的杆的一部分。该方法进一步包括将飞轮转子朝向上轴承组件轴向地提升并远离下轴承组件，以对设置在上轴承组件内的轴承施加轴向的压力。上轴承组件围绕上轴颈组件设置。
一种形成飞轮系统的方法，包括：将杆联接到飞轮转子轴。杆具有第一端和相对端，杆的第一端联接到飞轮转子轴。套筒围绕杆设置，并且套筒联接到飞轮转子轴。套筒具有第一端和相对的第二端。套筒的第一端联接到飞轮转子轴。杆的第二端轴向地延伸超过套筒的第二端。该方法进一步包括：拉动杆的第二端以使杆张紧；并且将保持元件联接到杆的第二端以保持杆的张紧。
附图说明
尽管说明书由特别指明并明确要求保护被视为本公开的实施例的权利要求决定，但当结合附图阅读时，可以更容易地从以下对本公开的示例性实施例的描述中确定本公开的实施例的各个特征和优点，其中：
图1是飞轮储能系统的截面图；
图2是图1的飞轮储能系统的壳体的局部视图；
图3是上部组件的放大截面图，示出图1的飞轮转子与电动机和/或发电机之间的连接；
图4是下部组件的放大截面图，示出图1的飞轮转子与电动机之间的连接；
图5是图1的轴颈组件的立体图；
图6是图5的轴颈组件的杆的立体图；并且
图7是图5的轴颈组件的套筒的立体图。
具体实施方式
本文呈现的说明并不意指任何特定组件、装置或系统的实际视图，而仅仅用于描述本公开的实施例的理想化表示。以下描述提供了本公开的实施例的具体细节，以便提供对本公开的实施例的彻底描述。然而，本领域普通技术人员将理解的是，本公开的实施例可以在不采用许多这种具体细节的情况下实践。实际上，本公开的实施例可以结合工业中采用的常规技术来实践。另外，以下提供的描述并不包括形成完整结构或组件的所有元件。下面仅详细描述理解本公开的实施例所必需的那些过程动作和结构。可以使用其它常规的动作和结构。还要注意的是，本申请随附的任何附图仅用于说明目的，并且因此未按比例绘制。另外，附图之间的共同元件可以具有相应的数字标记。
如本文所使用的，术语“包括有”、“包含有”、“包含”、“其特征在于”及其语法等同形式是包容性或开放性的术语，其既不排除附加的、未陈述的元件或方法步骤，而且还包括更具限制性的术语“由……组成”和“基本上由……组成”及其语法等同形式。
如本文所使用的，关于材料、结构、特征或方法动作的术语“可以”指示预期用于实施本公开的实施例，并且这种术语优先于更具限制性的术语“是”而使用，以便避免应当或必须排除可与其结合使用的其它兼容的材料、结构、特征和方法的任何暗示。
如本文所使用的，术语“配置”是指尺寸、形状、材料组成以及至少一种结构和至少一个设备中的一个或多个的布置，便于以预定的方式操作该结构和设备中的一个或多个。
如本文所使用的，除非上下文另外明确指出，否则在“一”、“一个”和“该”后面的单数形式也旨在包括复数形式。
如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任意和所有组合。
如本文所使用的，因为元件和特征在附图中被示出并定向，所以为了便于描述，可以使用诸如“在…之下”、“下面”、“下部”、“底部”、“上面”、“上部”、“顶部”、“前面”、“后部”、“左侧”、“右侧”等空间相对术语来描述一个元件或特征与另一或多个元件或特征的关系。除非另有说明，否则空间相对术语旨在涵盖除了图中描绘的朝向之外的材料的不同朝向。
如本文所使用的，术语“纵向的”、“纵向地”、“轴向的”或“轴向地”是指平行于本文描述的飞轮储能系统的一个或多个组件的旋转轴线的方向，该飞轮储能系统包括但不限于本文描述的飞轮转子。例如，“纵向的”或“轴向的”运动应意指沿基本上平行于本文描述的飞轮储能系统的旋转轴线的方向的运动。
如本文所使用的，术语“径向的”或“径向地”是指横向于本文所描述的飞轮储能系统的一个或多个组件的旋转轴线的方向，该飞轮储能系统包括但不限于本文所描述的飞轮转子。例如，“径向运动”应意指沿基本上横向于(例如，垂直于)如本文所描述的飞轮储能系统的一个或多个组件的旋转轴线的方向的运动。
如本文所使用的，关于给定参数、属性或条件的术语“基本上”意指并且在一定程度上包括本领域普通技术人员将理解的给定的参数、属性或条件满足一定程度的公差，诸如在可接受的制造公差内。作为示例，根据基本上满足的特定参数、属性或条件，参数、属性或条件可能至少是90.0％满足、至少95.0％满足、至少99.0％满足，甚至至少99.9％满足或者甚至100.0％满足。
如本文所使用的，关于特定参数的数值的“大约”或“近似”包括数值，并且本领域普通技术人员将理解的数值的偏差程度在特定参数的可接受公差内。例如，关于数值的“大约”或“近似”可以包括以下的其它数值：在数值的90.0％至110.0％范围内，在数值的95.0％至105.0％的范围内，在数值的97.5％至102.5％的范围内，在数值的99.0％至101.0％的范围内，在数值的99.5％至100.5％的范围内，或者在数值的99.9％至100.1％的范围内。
图1是飞轮储能系统100的截面图。系统100包括用于封闭飞轮转子104的壳体102。转子104包括转子盘106和具有中心轴线112的转子轴108。系统100被配置成使得转子104可以在操作中绕轴线112旋转。因此，轴线112在本文中也可以被称为旋转轴线。系统100进一步被配置成在操作中可沿轴线112轴向地平移。转子轴108是指在转子104的径向中心处和/或邻近转子104的径向中心的并且轴向地延伸超出转子盘106的部分。转子轴108包括在转子盘106的上表面103上轴向地延伸的上轴108a(图3)以及在转子盘106的下表面105上轴向地延伸的下轴108b(图4)。上轴108a和下轴108b各自分别可以包括用于将转子104分别联接到上轴颈组件200a(图3)和下旋转组件200b(图4)的突出(例如，阶梯状的)特征部107a、107b(图3和图4)。在一些实施例中，壳体102的内部可以经受真空以减少在操作期间转子104上的空气动力阻力。
转子104可以由磁性金属或金属合金形成。更特别地，转子104可以包括磁性钢。在一些实施例中，转子104由4340钢形成。其它合适的材料可以包括AISI 4330、5330、17-14PH(沉淀硬化)、M300和其它高强度钢。在更进一步的实施例中，转子104可以由被制定成在转子104的径向和轴向中心承受至少140ksi(968MPa)的力的任意金属或金属合金制成。
在一些实施例中，轴108可以与转子盘106一体形成，使得转子盘106和轴108形成单个整体单元。在其它实施例中，上轴108a和下轴108b可以分开形成(例如，机加工)，并且可以通过例如焊接固定到转子盘106。在没有上轴108a和下轴108b的情况下，转子盘106可以具有超过直径D106的基本上均匀的厚度T106。如本文所使用的，术语“盘”意指并且包括直径大于厚度的圆柱体。转子盘106的厚度T106可以在从大约15.24厘米延伸到大约45.72厘米的范围内，并且更特别地，可以为大约30.48厘米(例如，30.988厘米)。转子盘106的直径D106可以在从大约121.92厘米延伸到大约243.84厘米的范围内，并且更特别地，可以为大约203.2厘米。转子104的重量可以在从大约5443.1084千克到大约8164.6627千克的范围内，并且更特别地，可以是大约6803.8855千克或大约7711.0703千克(例如，7801.7888千克)。
系统100进一步包括设置在壳体102内的拆卸式磁体114。拆卸式磁体114可以联接(例如，固定)到上壳体构件116。在一些实施例中，拆卸式磁体114可以包括电磁体，该电磁体被配置成对转子104施加轴向力以将转子104向上(例如，沿着轴向方向)吸引(例如，提升)至上轴承组件128。
第一外部壳体118可以联接到壳体102的外部的上壳体构件116。电动机/发电机组件124可以设置在第一外部壳体118上(例如，上方)并且可以联接到第一外部壳体118。上轴承组件128可以设置在第一外部壳体118内。下轴承组件130可以联接到壳体102的外部的下壳体构件124。齿轮传动系统126可以联接到下轴承组件130。
在一些实施例中，转子104可以包括至少一个凹槽111，凹槽111的尺寸和配置被设置成容纳一个或多个重物，以平衡与壳体102一起旋转的转子104。凹槽111可以环形地延伸并且邻近上表面103和/或下表面105中的转子盘106的外围。在转子104与轴颈组件200a、200b组装在壳体102内之后，转子104可以平衡。因此，如图2中的壳体102的局部截面图所示，壳体102可以包括一个或多个凸缘开口113，重物可以穿过凸缘开口113而设置在凹槽111内。系统100可以进一步包括至少一个加速度计，该速度计联接到轴承136(图3和图4)和/或围绕轴承136的大约外围设置以测量转子104的不平衡程度。转速计或其它装置也可以可操作地联接到转子104，并且可以设置在壳体102内以测量转子104的旋转速度。因此，当通过转速计测量转子104的旋转速度时，由加速度计测量的加速度的幅度提供关于转子盘106的质量不平衡的信息。可以确定质量不平衡的位置，使得可以在凹槽111内放置重物以平衡转子104。可以在转子104的上表面103和下表面105上设置标记，诸如角度标记，以识别重物的适当位置。作为非限制性示例，可以在转子104的上表面103和/或下表面105上以5度的间隔设置角度标记。平衡转子104减少了由于诸如转子振荡和振动的飞轮失衡以及可能由这种失衡导致的轴承136过早磨损而对转子104造成的潜在损坏。总体上，平衡转子104可以延长飞轮系统100的可用寿命。
图3和图4分别是图1的上轴承组件128和下轴承组件130的放大截面图。上轴承组件128和下轴承组件130在各自的上轴108a和下轴108b可操作地联接到转子104。
继续参照图3，上轴承组件128包括外壳体132和内壳体134。外壳体132围绕(例如，环绕)内壳体134延伸。外壳体132可以是固定的，并且可以固定(例如，联接到)上壳体构件116。内壳体134可以在外壳体132内轴向地平移(例如，移动)。可以在内壳体134周围并且在内壳体134与外壳体132之间设置一个或多个密封元件，以防止流体从上轴承组件128流入壳体102。可以在内壳体134与外壳体132之间设置诸如销或销钉(dowel)的一个或多个紧固元件，以抑制内壳体134相对于外壳体132旋转。轴承136可以设置在内壳体134内(例如，由其环绕)并且围绕上轴颈组件200a。
轴承136可以包括机械轴承，诸如包括滚道内的多个滚珠的滚珠轴承。在一些实施例中，上轴承组件128和下轴承组件130可以各自包括单个滚珠轴承，其包括滚道内的多个轴承元件(例如，滚珠轴承)。在其它实施例中，上轴承组件128、130可以各自包括邻近于彼此轴向地堆叠的两个或多个轴承组件。轴承136可以包括被配置成在飞轮系统100的操作期间支撑径向和轴向载荷的角接触轴承。
板138可以设置在外壳体132的第一上端139上。止推板140可以设置在内壳体134的第一上端142处。负荷传感器144可以轴向地设置在第一板138和止推板140之间。当在操作期间，止推板140可以与内壳体134轴向地平移，并且在转子提升104时可以对负荷传感器144施加力，使得负荷传感器144被定位并被配置成在系统100的操作期间测量施加在上轴承组件128中的轴承136上的力。密封板147可以设置在内壳体134的第二下端145上。密封板147被定位并配置成提供壳体102内的真空环境与上轴承组件128内的大气环境之间的密封并且将流体密封在上轴承组件130内，使得流体不会流入壳体102。
流体循环系统可以联接到上轴承组件128和下轴承组件130中的至少一个。流体循环系统被配置成在飞轮系统100的操作期间，向轴承136提供诸如油的流体以用于润滑，并且在上轴承组件128(图3)的外壳体132与内壳体134之间以及下轴承组件130(图4)的外壳体170与内壳体172之间提供流体流动，以用于可能由飞轮转子104的失衡引起的阻尼振动。
参照图3，外壳体132和内壳体134可以包括多个开口(例如孔、通道等)，流体可以通过这些开口在上轴承组件128中循环。外壳体132包括靠近第一端139并从外壳体132的外表面延伸到第一通道148的第一孔146。第一通道148在第一孔146和第二孔150之间的外壳体132内轴向地延伸。第二孔150位于外壳体132的第一端139与相对的第二端141之间(例如，中间)。第一孔146和第二孔150位于第一通道148的相对端，使得第一孔146、第一通道148和第二孔150与流体入口152流体连通，流体可以通过流体入口152被引入到上轴承组件128中。
外壳体132包括位于第二端141附近并从外壳体132的内表面延伸到集液槽156的多个第三孔154。第三孔154可以围绕外壳体132圆周间隔开。集液槽156包括在外壳132内环形延伸的腔体。第二通道158在外壳体132内集液槽156与第一端139之间轴向地延伸。第四孔160位于第一端139附近，并且从第二通道158延伸到外壳体132的外表面。第三孔154、集液槽156、第二通道158和第四孔160可以流体连通，使得通过第三孔154流入集液槽156的流体可以通过回油泵从集液槽156通过第二通道158、第四孔160和流体出口168去除，该回油泵联接到集液槽156。
内壳体134包括围绕内壳体134的外表面环形延伸并位于第一端142附近的第一凹槽162。多个第一孔164延伸穿过第一凹槽162与内壳体134的内表面之间的内壳体134。第一孔164可以围绕内壳体134圆周间隔开。多个第二孔166可以被设置成靠近内壳体134的第二端145，并且在内壳体134的内表面与外表面之间延伸。第二凹槽163围绕其位于第二端141附近的外表面环形延伸。第二凹槽163与第二孔166流体连通。内壳体134位于外壳体132内，使得第一凹槽162可以与外壳体132的第二孔150基本对齐并流体连通，并且使得内壳体134的第二孔166与外壳体132的第三孔154流体连通。
在操作中，通过将流体引入流体入口152，穿过外壳体132的第一孔146、第一通道148和第二孔150，并且从第二孔150径向地向内到达内壳体134的第一凹槽162和第一孔164，可以将流体提供到轴承136以进行润滑。第一孔164轴向地位于轴承136上方，使得流体流入轴承136并通过轴承136以冲击密封板147。密封板147上的流体径向地向外转移到第二孔166，通过第三孔154，并且进入集液槽156。
此外，内壳体134和外壳体132的尺寸和配置为在内壳体134和外壳体132之间提供流体流动。环绕轴承136的内壳体134和外壳体132的一部分的尺寸和配置为使得流体可以在内壳体134与外壳体132之间的环形空间中流动并形成压膜阻尼器的流体膜。环形空间可以在内壳体134与外壳体132之间径向地延伸，并且在内壳体134的第一凹槽162与第二凹槽163之间轴向地延伸。在操作中，流体可以被引入到流体入口152，穿过外壳体132的第一孔146、第一通道148和第二孔150，从第二孔150到第一凹槽162，轴向地从第一凹槽162到第二凹槽163，并且穿过外壳体132的第三孔154进入到集液槽156中。在一些实施例中，可以选择第一孔164的直径以限制(例如，约束)流体流过第一孔164中的速率并在第一孔164的上游诸如在第一凹槽162和第一通道148内建立流体压力。在其它实施例中，可以在第一孔164内设置诸如喷嘴的流体流动限制装置，以约束流过第一孔164中的流体并在第一孔164的上游建立流体压力。选择第一孔164的直径和/或流体流动限制装置，使得穿过流体入口154提供流体的速率(例如，流速)大于穿过第一孔164流入轴承136的流体的速率。
当与径向和/或轴向振动相关联的力从上轴颈组件200a传递到轴承136并传递到壳体132、134之间的流体膜时，就会出现挤压膜阻尼。流体膜对任何径向和/或轴向振动施加相反的力，以防止(例如，抑制或减弱)振动。另外，流体膜在轴承136和轴颈组件200a上提供径向力，以使轴颈组件200a的径向居中旋转。因此，提供了一种通用的流体循环系统以在飞轮系统100的操作期间润滑轴承136并抑制振动，从而减少轴承136的过早磨损。抑制转子104绕其旋转的轴线112的偏斜和阻尼振动导致飞轮系统100的可用寿命增加。选择被选择为流过上轴承组件128的流体(例如，油)，以具有当流体在轴承136内流动时在大约5厘斯(cSt)至大约50cSt的范围内延伸的粘度以及当流体在外壳132、134之间流动时在大约5cSt至大约30cSt的范围内延伸的粘度。
参照图4，类似于上轴承组件128，下轴承组件130包括围绕内壳体172延伸的外壳体170。外壳体170可以是固定的，并且固定到下壳体构件124。内壳体172可以在外壳体170内轴向地平移。可以在内壳体172周围并且在内壳体172与外壳体170之间设置一个或多个密封元件，以阻止流体从下轴承组件130流入壳体102。可以在内壳体172与外壳体170之间设置一个或多个紧固元件，以阻止内壳体172相对于外壳体170旋转。轴承136可以设置在内壳体172内并且围绕下轴颈组件200b。
第一密封板176可以设置在内壳体172的第一上端175，并且第二密封板179可以设置在内壳体172的第二下端177。第一密封板176被定位并配置成将壳体102内的真空环境与下轴承组件130内的大气环境密封。第二密封板179被定位并配置成将下轴承组件130内的流体密封，使得流体不会流入齿轮传动系统126。齿轮传动系统126可以邻近内壳体172的第二端177设置。齿轮传动系统126包括联接到中心小齿轮183的步进电动机180。中心小齿轮183与齿轮181螺纹(threadedly)啮合。一个或多个轴187可以在齿轮181与止推板178之间延伸并啮合。负荷传感器174可以位于第二密封板179与止推板178之间。负荷传感器174被定位并配置成在系统100的操作期间测量施加在下轴承组件130中的轴承136上的力。齿轮传动系统126可以被配置成调节施加到轴承136的负荷。步进电动机180可以使中心小齿轮183旋转，使得中心小齿轮183的旋转带动齿轮181旋转。齿轮181的旋转使与齿轮181接合的轴187轴向地上升或下降，因此轴187使止推板178上升或下降。使止推板178上升可以将轴向向上的力施加到下轴承组件130的负荷传感器174。
流体循环系统可以进一步联接到下轴承组件130。外壳体170和内壳体172可以包括多个开口，流体可以通过这些开口在下轴承组件130中循环。外壳体170包括位于第一下端171附近并从外壳体170的外表面延伸到第一通道184的第一孔182。第一通道184在第一孔182和第二孔186之间的外壳体170内轴向地延伸。第二孔186靠近外壳体170的第二上端173。第一孔182和第二孔186位于第一通道184的相对端，使得第一孔182、第一通道184和第二孔186与流体入口185流体连通，流体可以通过流体入口152被引入下轴承组件130。第三孔188靠近第一端171，并且从外壳体170的内表面延伸到外表面。
内壳体172包括围绕外表面环形延伸并靠近第一端175的第一凹槽190。多个第一孔192延伸穿过第一凹槽190与内表面之间的内壳体134。第二凹槽191围绕内壳体172的外表面环形地延伸，并且位于内壳体172的第一端175和第二端177之间。第二凹槽191与多个第二孔194流体连通。第二孔194延伸穿过第二凹槽191与内表面之间的内壳体134。第一孔192和第二孔194可以围绕内壳体172圆周间隔开。第三孔196可以延伸穿过邻近壳体172的第二端口177的壳体172来设置。内壳体172位于外壳体170中，使得第一凹槽190与外壳体170的第二孔186流体连通，并且使得内壳体172的第三孔196与外壳体170的第三孔186流体连通。
在操作中，通过将流体引入流体入口185，并且穿过外壳体170的第一孔182、第一通道184和第二孔186，并且穿过内壳体172的第二孔186、第一凹槽191和第一孔192，可以将流体提供到轴承136以对轴承136进行润滑。内壳体172和外壳体170可以被定位成使得第一孔192轴向地位于轴承136上方，以提供流入轴承136并穿过轴承136以冲击第二密封板179的流体。第二密封板179上的流体径向地向外转移到内壳体172的第三孔196、外壳体170的第三孔196以及流体出口198。
内壳体172和外壳体170的尺寸和配置进一步为在内壳体172和外壳体170之间提供流体流动，以形成围绕下轴承组件130的轴承136的如先前关于上轴承组件128所述的压膜阻尼器。环绕轴承136的内壳体172和外壳体170的一部分的尺寸和配置为使得在内壳体172和外壳体170之间提供用于流体流动的环形空间。可以在内壳体172与外壳体170之间径向地设置环形空间，并且在内壳体172的第一凹槽190与第二凹槽191之间轴向地设置环形空间。因此，流体可以被引入到流体入口185，穿过外壳体170的第一孔182、第一通道184和第二孔186，从第二孔186到第一凹槽190，从第一凹槽190轴向地到第二凹槽191，穿过第二孔194，径向地向内穿过内壳体172，冲击第二密封板179，并径向地向外穿过第三孔196、第三孔186和流体出口198。如先前参照第一孔164所描述的，可以选择第一孔192的直径，并且/或者可以包括流体流动限制装置，该流体流动限制装置限制流体从第一孔192中流过并进入轴承136，并且在第一孔192的上游，诸如在第一凹槽191和/或第一通道184中，建立流体压力。
参照图3和图4中的每个图，上轴承组件128和下轴承组件130分别围绕(例如，环绕)上轴颈组件200a和下旋转组件200b的至少一部分。上旋转组件200a和下旋转组件200b可与转子104分离并联接到转子104。图5是用于上轴承组件128和下轴承组件130的轴颈组件200的立体图。图6和7分别示出当轴颈组件200被拆卸时轴颈组件200的杆202和套筒204的立体图。上轴颈组件200a和下轴颈组件200b可以被设置成与飞轮转子104一起旋转并在上轴承组件128和下轴承组件130内旋转。
继续参照图5至图7，每个轴颈组件200可以包括杆202、套筒204和保持元件206。如图6最佳地示出的，杆202可以包括整体单元，该整体单元包括头部208、细长的轴210以及在头部208与细长的轴210之间的环形凸缘212。头部208可以位于杆202的第一端214，并且一个或多个连接特征部216(例如，螺纹)可以靠近杆202的第二相对端218。可以设置连接特征部216以联接杆202和保持元件206。保持元件206可以是螺母和/或可以包括相应的螺纹或其它连接特征部。
凸缘212径向地延伸超过细长的轴210和头部208的外表面。在一些实施例中，并且如图6最佳地示出的，凸缘212的外周可以是多边形。例如，凸缘212可以是六角形。轴108a、108b的突出特征部107a、107b中的至少一个的外周也可以是多边形，并且可以具有与凸缘212的多边形相对应的侧边的数量。在一些实施例中，凸缘212可以包括穿过凸缘212延伸的至少一个孔213，并且轴108a、108b可以包括在轴108a、108b中的多个凹部。在轴颈组件200与转子104的组装期间，凸缘212的孔213可以与轴108a、108b中的凹部对齐，以适当地定向(例如，对齐)凸缘212的多边形的侧边和突出特征部107a、107b。可以在凸缘212的孔213和突出特征部107a、107b的凹部中设置机械紧固件，以协助将杆202与转子104对齐。
如图7最佳地示出的，套筒204可以包括整体单元，其包括细长的(例如，轴向地延伸的)轴220以及从轴220轴向地和径向地延伸的放大的头部222。套筒204可以进一步包括从第一端226轴向地延伸穿过套筒204到第二相对端228的孔224。套筒204的孔224的尺寸和配置为在孔224中容纳杆202的至少一部分。套筒204包括靠近第二端228的一个或多个连接元件230。这种连接元件230可以被设置成将上轴颈组件200a的套筒204可操作地联接到电动机/发电机组件124。
套筒204的头部222内的孔224的一部分的形状可以与转子轴108的突出特征部107a、107b互补。因此，限定头部222内的孔224的一部分的套筒204的内表面可以是与凸缘212和突出特征部107a、107b的多边形的形状相对应的多边形。凸缘212、孔224和突出特征部107a、107b的相应形状防止杆202、套筒204和转子104在飞轮系统100的操作期间相对于彼此旋转。
当上轴颈组件200a和下轴颈组件200b的杆202和套筒204组装在一起时，如图3至5最佳所示，细长的轴210延伸穿过套筒204的孔224。组装后，在套筒204的第一端226与第二端228之间中心延伸穿过套筒204的孔224的纵向轴线与在第一端214和第二端218之间中心延伸穿过杆202的纵向轴线可以同轴。杆202的轴210的主要部分(例如，大部分)可以保持在套筒204的轴220内并被套筒204的轴220环绕。杆202可以具有大于套筒204的长度。因此，杆202可以设置在套筒204内，使得当杆202设置在套筒204中时，轴210的至少一部分可以轴向地延伸超过套筒204的第二端228，并且使得连接元件216是可接入的并且未被轴220围绕。可以沿着轴210、220的大部分长度在孔224内的杆202的轴210与套筒204的轴220之间提供滑动间隙配合。可以在与保持元件206相邻设置的轴210、220的第二端218、228处的杆202的轴210与套筒204的轴220之间提供滑动配合。提供长度比套筒204的长度更长的杆202防止在系统100操作期间，套筒204内的杆202的偏转，诸如杆202的纵向轴线相对于套筒204的纵向轴线和/或转子104的旋转轴线112的倾斜，并且阻止杆202内产生弯曲力。
当与套筒204组装时，杆202可以保持张紧，因此可以被称为“张紧杆”。在一些实施例中，当杆202设置在套筒204内时，可以将张紧力施加到杆202。通过在杆202的第二端218上轴向地机械拉动，可以将张紧力施加到杆202。可以将压力施加到套筒204，同时将张紧力施加到杆202。可以将杆202的第一端214设置在转子轴108的凹部103中，同时将张紧力施加到杆202的第二端218上。可以施加张紧力直到测量到杆202中的张紧力在从大约10,000lbf到大约20,000lbf的范围内，诸如大约12,000lbf。当在杆202中测量到期望的张紧力时，套筒204上的压力被释放，并且保持元件206可以联接到杆202。保持元件206在飞轮系统100的操作期间保持杆202内的张紧力。在系统100的操作期间，杆202内的张紧力可以防止杆202相对于套筒204的倾斜，使得杆202和套筒204保持同轴布置。杆202中的张紧力还可以增加轴颈组件200a、200b的刚度，并且进一步抑制组件200a、200b相对于转子104的摆动(例如，倾斜)。
当轴颈组件200a、200b与转子104组装在一起时，如图3和图4最佳地示出的，杆202可以联接(例如，紧固)到转子104。在一些实施例中，上轴108和下轴108b包括形成在上轴108和下轴108b中的用于将杆202联接到转子104的各自的上凹部103a和下凹部103b。凹部103a、103b的尺寸和配置为在凹部103a、103b中分别容纳轴颈组件200a、200b的杆202的头部208。更特别地，凹部103a、103b的尺寸和配置为通过机械干涉或过盈配合，更特别地通过压装配合将杆202的头部208保持在凹部103a、103b中。可选地或附加地，凹部103a、103b内的轴108a、108b的内表面可以包括具有诸如在其上螺纹的一个或多个联接特征部，并且杆202的头部208的外表面可以包括相应的联接特征部，使得杆202的头部208可以保持在转子轴108a、108b中。轴承136可以通过诸如压装配合的无螺纹连接保持在套筒204周围。
如图3和图4进一步所示，套筒204可以联接到转子104。当套筒204与转子104组装在一起时，套筒204的头部222的至少一部分可以围绕(例如，环绕)轴108a、108b的突出特征部107a、107b延伸。轴108a、108b的突出特征部107a、107b以及杆202的凸缘212可以设置在套筒204的头部222内的孔224的一部分内。因此，凸缘212可以轴向地设置在套筒204与转子104之间。孔224的尺寸和配置为使得套筒204的头部222可以通过诸如压装配合的机械干涉(例如，过盈配合)而联接到轴108a、108b。套筒204与杆202之间的过盈配合防止套筒204和杆202相对于彼此以及相对于转子104的摆动，并且保持套筒204和杆202使得套筒204和杆202同轴布置。套筒204的头部222可以围绕突出特征部107a、107b圆周设置，并且头部222在突出特征部107a、107b上施加径向压力。径向压力将套筒204联接到转子104，防止套筒204相对于转子104旋转，并且/或者防止转子104在飞轮系统100的操作期间相对于组件200a、200b的摆动(例如，转子104沿横向于轴线112的轴线的倾斜)。选择径向压力以将套筒202相对于转子104的倾斜度限制为大约0.000001英寸。径向压力可以被选择在大约500lbf至大约1500lbf的范围内扩展，诸如大约1025lbf。在组装后，套筒204和杆202的纵向轴线与转子102的轴线112可以是同轴的。
继续参照图3和图4，密封流道230可以围绕套筒204设置，并且可以配置成防止轴承136沿套筒204轴向移动。密封流道230可以轴向设置在轴承136与套筒204的头部222之间。密封流道230可以径向设置在套筒204与上轴承组件128和下轴承组件130的各自的密封板147、179之间。密封流道230可以通过诸如压装配合的无螺纹连接保持在套筒204周围。密封件232可以被设置在套筒204周围，并且被压缩在密封流道230与轴220之间。密封件232可以包括O形环、垫圈或其它元件，其被配置成防止(例如，阻止)来自轴承136的流体在密封流道230与套筒204之间流动并流入壳体102。
在操作中，电动机/发电机124通过上轴颈组件200a联接到转子104，并且被配置成通过将能量输入到系统100中来使转子104转动(例如，旋转)，将电能转换成旋转动能，并且/或者将转子104的旋转动能转换成电能。因此，能量可以存储在转子104中和/或从转子104获得。为了使转子104旋转，可以使用拆卸式磁体106来提升转子104。当转子104至少为时，转子104的重量由下轴承组件130的轴承136支撑。在一些实施例中，将电流提供到拆卸式磁体106以产生施加到转子104的磁力，以朝向上壳体构件116将轴向提升力(例如，沿平行于转子104的轴线112的方向)提供到转子104上。
最初，施加到拆卸式磁体106的电流足以使转子104悬浮在壳体102内，使得转子104不向轴承136施加轴向力(例如，直接平行于轴线112测量的力)。尽管在整个飞轮操作期间使转子104悬浮在壳体102内可以通过减少系统100中的摩擦损失来使飞轮系统100的效率最大化，但在整个操作期间，转子104可能将力施加到轴承136上以防止轴承136中的滚珠打滑是不可行的。因此，可以在转子104的操作期间调节施加到拆卸式磁体106的电流，以保持上轴承组件128中的轴承136上的预定负荷。附加地，可以在转子104的操作期间调节联接到下轴承组件130的齿轮传动系统126，以保持下轴承组件130中的轴承136上的预定负荷。在一些实施例中，施加到上轴承组件128和下轴承组件130的轴承136并由负荷传感器144、174测量的预定力被选择成基本上相等。在其它实施例中，可以将不同的力施加到上轴承组件128和下轴承组件130的轴承上。例如，可将范围在大约45.3592kg至约226.796kg或者大约136.078kg的负荷施加到轴承136中的每一个，并由各自的负荷传感器144、174测量。
通过使用拆卸式磁体106轴向地平移转子104并通过在转子104与外壳体132的板138之间压缩上轴颈组件200a和上轴承组件128的一个或多个组件，可以将负荷施加到轴承136并且由上轴承组件128中的负荷传感器144测量该负荷。当转子104被提升时，密封流道230、轴承136、内壳体134、止推板140和负荷传感器144也相应地与联接到转子104的上轴颈组件200a一起被提升。当上轴承组件128的组件在固定的外壳体132内轴向地平移时，负荷传感器144被压缩在止推板140和板138之间。当负荷传感器144被压缩并且由负荷传感器144测量负荷时，可以将压力施加到上轴承组件128的轴向相邻的部件之上和之间。因此，转子104可以对套筒204施加压力，套筒204可以对密封流道230施加压力，密封流道230可以对轴承136的滚道施加压力，轴承136的滚道可以对内壳体134施加压力，止推板140可以对负荷传感器144施加压力，并且负荷传感器144可以对板138施加压力。前述压力中的每一个都可以沿平行于中心轴线112的轴向方向施加。
通过轴向地平移齿轮传动系统126的止推板178并通过在转子104与固定到齿轮传动系统126的止推板178之间压缩下轴颈组件200a和下轴承组件130的一个或多个部件，可以将负荷施加到轴承136并且由下轴承组件130中的负荷传感器174测量该负荷。在齿轮传动系统126中，步进电动机180可以使中心小齿轮183旋转，使得齿轮181旋转。齿轮181的旋转被转换成可操作地联接到齿轮181的轴187的轴向移动。轴187的轴向移动沿中心轴线112使止推板178升高或降低。当止推板178被提升时，下轴颈组件200b和下轴承组件130的一个或多个组件被相应地提升。当止推板178被提升时，负荷传感器174、第一密封板176、内壳体172、轴承136、密封流道230和套筒204被相应地提升，并且在固定的外壳体170内轴向地平移，使得负荷传感器174被压缩在止推板178与第二密封板179之间。当负荷传感器174被压缩并且负荷传感器174测量负荷时，可以将压力施加到下轴承组件130的轴向相邻的部件之上和之间。在这种实施例中，第二密封板179可以对内壳体172施加压力，内壳体172可以对轴承136的滚道施加压力，轴承136的滚道可以对密封流道230施加压力，密封流道230可以对套筒204施加压力，并且套筒204可以对转子104施加压力。前述压力中的每一个都可以沿平行于中心轴线112的轴向方向施加。
在一些实施例中，齿轮传动系统126和拆卸式磁体106联接到至少一个控制器，该控制器监测(例如，测量)由负荷传感器144、174测量的负荷，并基于所测量的负荷，可以调节施加到拆卸式磁体106的电流和/或止推板178的轴向位置，使得将预定的负荷施加到负荷传感器144、174。在一些实施例中，齿轮传动系统126和拆卸式磁体106可以联接到单独的控制器。齿轮传动系统126和拆卸式磁体106106可以单独调节。控制器可以采用诸如比例积分微分(PID)控制回路的反馈控制回路。PID控制回路描述飞轮系统100相对于期望的设定点或预定负荷的当前状态(比例)、飞轮系统100中的过去误差的累积(积分)以及对飞轮系统的未来误差的预测(微分)，以调节或保持施加到拆卸式磁体106的电流并且/或者调节或保持止推板178的位置。
下面阐述本公开的其它非限制性示例实施例：
实施例1：一种飞轮系统，包括：飞轮转子，包括转子盘和转子轴，飞轮转子的纵向轴线中央延伸通过转子盘和转子轴；轴颈组件，被配置成便于飞轮转子的旋转，轴颈组件包括：套筒，具有从第一端延伸穿过套筒到相对的第二端的孔，套筒的第二端联接到转子轴，套筒的纵向轴线从第一端延伸穿过套筒到第二端；杆，至少部分地设置在套筒的孔内，杆的第一端轴向地延伸超过套筒的第一端并且杆的第二端联接到转子轴，杆的纵向轴线从第一端延伸穿过杆到第二端，其中套筒和杆的纵向轴线与飞轮转子的纵向轴线同轴；以及保持元件，联接到轴向地延伸超过套筒的第一端的杆的第一端。
实施例2：根据实施例1的飞轮系统，其中杆的张紧力为12,000lbf或更大。
实施例3：根据实施例2的飞轮系统，其中张紧力由保持元件保持在杆内。
实施例4：根据实施例1至3中任一项的飞轮系统，其中杆包括在第一端的细长的轴、在第二端的头部以及在细长的轴与头部之间的凸缘。
实施例5：根据实施例4的飞轮系统，其中转子轴包括在转子轴中形成的凹部，该凹部的尺寸和配置为通过机械干涉将杆的头部保持在其中。
实施例6：根据实施例4的飞轮系统，其中套筒包括在第一端的细长的轴以及在第二端的头部，并且其中延伸穿过套筒的头部的孔的一部分的尺寸和配置为通过机械干涉将套筒保持在转子轴周围。
实施例7：根据实施例1至6中任一项的飞轮系统，进一步包括环绕轴颈组件的轴承组件，轴承组件包括设置在内壳体与外壳体之间的轴承。
实施例8：根据实施例7的飞轮系统，其中环形空间在轴承周围的内壳体与外壳体之间径向地延伸，环形空间的尺寸和配置用于在轴承周围形成压膜阻尼器。
实施例9：根据实施例7或实施例8的飞轮系统，其中内壳体相对于外壳体轴向平移。
实施例10：根据实施例7至9中任一项的飞轮系统，其中内壳体相对于外壳体旋转固定。
实施例11：一种使用飞轮系统的方法，包括：旋转设置在上轴颈组件与下轴颈组件之间的飞轮转子，其中上轴颈组件和下轴颈组件中的每一个都联接到飞轮转子并且包括：套筒，具有从第一端延伸穿过套筒到相对的第二端的孔；杆，设置在套筒的孔内，使得杆的一部分轴向地延伸超过套筒的第一端；以及保持元件，联接到轴向地延伸超过套筒的第一端的杆的一部分；并且将飞轮转子朝向上轴承组件轴向地提升并远离下轴承组件，以对设置在上轴承组件内的轴承施加轴向的压力，上轴承组件围绕上轴颈组件设置。
实施例12：根据实施例11的方法，其中上轴承组件包括：内壳体；第一板，设置在内壳体的上表面上；外壳体，环绕内壳体；第二板，设置在外壳体的上表面上；以及负荷传感器，设置在第一板与第二板之间。
实施例13：根据实施例12的方法，其中将飞轮转子朝向上轴承组件轴向地提升包括在外壳体内轴向地平移内壳体，使得负荷传感器被压缩在第一板与第二板之间。
实施例14：根据实施例12或实施例13的方法，进一步包括使流体通过形成在内壳体和/或外壳体中的多个开口流入到上轴承组件中，进入轴承占据的区域。
实施例15：根据实施例14的方法，其中轴承占据的区域包括位于内壳体与外壳体之间的环形空间。
实施例16：根据实施例15的方法，进一步包括使用流动的流体在轴承占据的区域中形成压膜阻尼器。
实施例17：一种形成飞轮系统的方法，包括：将杆的第一端联接到飞轮转子轴，杆具有第一端和相对的第二端，杆的第一端联接到飞轮转子轴；将套筒围绕杆设置并且将套筒联接到飞轮转子轴，套筒具有第一端和相对的第二端，套筒的第一端联接到飞轮转子轴，杆的相对的第二端轴向地延伸超过套筒的第二端；拉动杆的第二端以使杆张紧；并且将保持元件联接到杆的第二端以保持杆的张紧。
实施例18：根据实施例17的方法，进一步包括在拉动杆的第二端时将压力施加到套筒上。
实施例19：根据实施例17或实施例18的方法，其中将杆的第一端联接到飞轮转子轴包括将杆的第一端设置在飞轮转子轴中形成的凹部中，杆的第一端通过机械干涉联接到飞轮转子轴。
实施例20：根据实施例17至19中任一项的方法，其中将套筒的第一端联接到飞轮转子轴包括将套筒的一部分围绕飞轮转子轴圆周地设置，套筒的第一端通过机械干涉联接到飞轮转子轴。
尽管本文已经针对某些示出的实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员将认识并理解的是，本发明不限于此。相反，在不脱离如此后所声称的本发明的范围，包括其合法的等同形式的情况下，可以对所示的实施例进行许多添加、删除和修改。此外，来自一个实施例的特征可以与另一实施例的特征组合，同时仍然被涵盖在本发明人所预期的本发明的范围内。

Claims (15)

1.一种飞轮系统：包括：
飞轮转子，包括转子盘和转子轴，所述飞轮转子的纵向轴线中央延伸穿过所述转子盘和所述转子轴；
轴颈组件，被配置成便于所述飞轮转子的旋转，所述轴颈组件包括：
套筒，具有从第一端延伸穿过所述套筒到相对的第二端的孔，所述套筒的所述第二端联接到所述转子轴，所述套筒的纵向轴线从第一端延伸穿过所述套筒到第二端；
杆，至少部分地设置在所述套筒的所述孔内，所述杆的第一端轴向地延伸超过所述套筒的第一端并且所述杆的第二端联接到所述转子轴，所述杆的纵向轴线从第一端延伸穿过所述杆到第二端，其中所述套筒和所述杆的纵向轴线与所述飞轮转子的纵向轴线同轴；以及
保持元件，联接到轴向地延伸超过所述套筒的第一端的所述杆的第一端。
2.根据权利要求1所述的飞轮系统，其中所述杆的张紧力为12,000lbf或更大。
3.根据权利要求2所述的飞轮系统，其中所述张紧力由所述保持元件保持在所述杆内。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的飞轮系统，其中所述杆包括在第一端的细长的轴、在第二端的头部以及在所述细长的轴与所述头部之间的凸缘。
5.根据权利要求4所述的飞轮系统，其中所述转子轴包括在所述转子轴中形成的凹部，所述凹部的尺寸和配置为通过机械干涉将所述杆的所述头部保持在其中。
6.根据权利要求4所述的飞轮系统，其中所述套筒包括在第一端的细长的轴以及在第二端的头部，并且其中延伸穿过所述套筒的头部的所述孔的一部分的尺寸和配置为通过机械干涉将所述套筒保持在所述转子轴周围。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的飞轮系统，进一步包括环绕所述轴颈组件的轴承组件，所述轴承组件包括设置在内壳体与外壳体之间的轴承。
8.根据权利要求7所述的飞轮系统，其中环形空间在所述轴承周围的所述内壳体与所述外壳体之间径向地延伸，所述环形空间的尺寸和配置用于在所述轴承周围形成压膜阻尼器。
9.根据权利要求7所述的飞轮系统，其中所述内壳体相对于所述外壳体轴向平移。
10.根据权利要求7所述的飞轮系统，其中所述内壳体相对于所述外壳体旋转固定。
11.一种使用飞轮系统的方法，包括：
旋转设置在上轴颈组件与下轴颈组件之间的飞轮转子，其中所述上轴颈组件和所述下轴颈组件中的每一个都联接到所述飞轮转子，并且包括：
套筒，具有从第一端延伸穿过所述套筒到相对的第二端的孔；
杆，设置在所述套筒的所述孔内，使得所述杆的一部分轴向地延伸超过所述套筒的所述第一端；以及
保持元件，联接到轴向地延伸超过所述套筒的所述第一端的所述杆的一部分；并且
将所述飞轮转子朝向上轴承组件轴向地提升并远离下轴承组件，以对设置在所述上轴承组件内的轴承施加轴向的压力，所述上轴承组件围绕所述上轴颈组件设置。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述上轴承组件包括：
内壳体；
第一板，设置在所述内壳体的上表面上；
外壳体，环绕所述内壳体；
第二板，设置在所述外壳体的上表面上；以及
负荷传感器，设置在所述第一板与所述第二板之间。
13.根据权利要求12所述的方法，其中将所述飞轮转子朝向所述上轴承组件轴向地提升包括在所述外壳体内轴向地平移所述内壳体，使得所述负荷传感器被压缩在所述第一板与所述第二板之间。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的方法，进一步包括使流体通过形成在所述内壳体和/或所述外壳体中的多个开口流入到所述上轴承组件中，进入轴承占据的区域。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述轴承占据的区域包括位于所述内壳体与所述外壳体之间的环形空间。
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