TW202335406A - 堆疊層壓之端蓋 - Google Patents

Abstract

一種用於一轉子之堆疊層壓之端蓋，其包含多個相鄰層壓，一個堆疊在另一個之上，其中各層壓具有一相同之形狀，該形狀具有一中心區域，其關於一中心軸線對稱，及多個輻條，各輻條自該中心區域徑向向外發散，其中各輻條在其遠端包含一通孔，及其中該等層壓一個堆疊在另一個之上並對齊，使得能夠對於各輻條，一螺栓透過各層壓之一相應通孔插入。

Description

堆疊層壓之端蓋

此描述大體上係關於用於一轉子之一端蓋之設計。具體而言，其涉及一端蓋之設計，端蓋由堆疊層壓形成，適合與一飛輪轉子結合使用。

應用於多小時公用事業規模應用及諸如不斷電系統(UPS)設定之短期電力應用中之現代儲能轉子通常由複合纖維纏繞轉子或由鋼製成。在解決公用事業應用及某些商業/工業環境中出現的多小時放電應用時，優化轉子成本係一中心目標。

一飛輪轉子之成本可構成製造系統成本之50%之範圍。因此，其他飛輪組件構成系統成本之另一半。許多此等系統成本與轉子體積及/或質量成比例。因此，減小轉子體積及質量係一飛輪儲能系統中之首要問題。

單體鋼轉子能夠利用標準的鋼工作程序——初級鎔化、次級重鎔凈化步驟、鍛造、淬火及回火——在一可實現之設計空間內獲得一所需之形狀及材料機械性能。通常，轉子形狀可用一「形狀因數」k來表徵 方程式 1 其中E係儲存之動能，V係總轉子體積，σ係轉子中之峰値應力。形狀因數之範圍自0至1。粗略地説，形狀因數係轉子材料利用效率之一指標。高形狀因數係一指標，其表明應力在轉子體積上相當均勻地分布，因此對應於良好之材料利用。自形狀因數之定義亦可看出，儲存之能量直接與轉子峰値應力成比例。因此，實際可用之峰値應力限定轉子中可儲存多少能量。 最大峰値應力可受到與材料良率或極限應力相關之一故障準則之限制，或可受到一循環疲勞約束之限制。

通常，實質的軸向厚度在6至20英寸範圍內之大型多噸單體實心圓柱轉子具有在0.55範圍內之形狀因數。對於非常薄之碟盤，假設對二維平面應力(零軸向應力)進行分析，形狀因數評估為略高於0.6，表示相對於單體轉子，此種一薄碟盤改良大約一10%。

為製造具有足夠能量容量之一轉子，需要適當地設定轉子之總體積(或質量)之尺寸。轉子之一堆疊層壓構造之使用將轉子大小與個別層壓之製造程序分離開來。圍繞一中心軸線對稱之一圓柱轉子之大小由其軸向長度及其直徑，或橫向長度指定。直徑僅受材料庫存之可用供應寛度(即線圈寛度)限制。並且，一堆疊層壓轉子之軸向尺寸由堆疊之層壓數量限定。因此，實際上可實現轉子之任何軸向尺寸。可通過堆疊層壓方法達成之相對不受約束之轉子尺寸與使用實心鍛造可實現之尺寸形成對比，實心鍛造係用於製造實心轉子之一替代方法。

冷軋係通常遵循一標準熱軋程序之一程序，其中先前熱軋之板材料之厚度進一步減小。術語冷軋是指程序中允許之溫度低於在金屬表面上形成水垢之溫度。冷軋在金屬生產行業中無處不在，產品以線圈或片材形式銷售，及為大量金屬提供許多可能之合金、處理及光潔度條件。實例材料係在汽車製造之許多零件中使用之材料，諸如易於成型之汽車車身面板零件，及用於保險桿及結構面板之高強度組件。用於建造變壓器、馬達及發電機之電氣工業中矽鋼材料亦經過冷軋，以達成所需之厚度、均勻性及光潔度。

用於關鍵應用之冷軋鋼材料，例如汽車保險桿及結構面板，具有非常高之抗拉強度係容易獲得的，例如高達2000 Mpa。全球領先之供應商通常提供之此類材料之厚度範圍為約0.5 mm至2.0 mm。材料質量通常非常好，通過使用一自動光學檢查系統輕鬆進行檢查。因此，在大面板中通常不會遇到缺陷。此外，非常鹼性之碳鋼合金可用於達成非常高之強度，因為即使對於低合金鋼，此種薄材料之淬火步驟允許一足夠之冷卻速率以容易地達成完全硬化。

如已指出的，層壓鋼轉子相對於單體鍛鋼轉子有幾個成本及效能優點：(1)冷軋鋼之連續程序比單體轉子所需之個別程序更經濟。基本上，無處不在的連續軋製程序取代一次性鍛造步驟；(2)單體轉子厚度受所用合金鋼之淬透性限制。為使一6英寸厚之轉子達成與一2毫米厚之層壓相同之強度位準，必須使用一大體上更昂貴之合金鋼。歸因於淬透性限制，單體鍛造之最大厚度達到一限制，而由冷軋層壓組成之一轉子可堆疊成所需厚度之一組裝之轉子，因為各層壓係個別淬火及回火的；(3)層壓鋼轉子在鋼中存在之缺陷方面亦具有優點。如上所指，冷軋及檢驗程序生產出非常優質之材料。此外，在一飛輪轉子中，最大應力位於面內徑向及環向(周向)方向。垂直於徑向或環向之缺陷將形成裂紋，及比平行於環向及徑向之缺陷生長得更快。軋製程序使晶粒，及何平行於軋製方向之缺陷定向，自一疲勞裂紋生長角度來看係最佳的。單體鍛造轉子可具有平行於轉子軸線方向之缺陷，其係此一結構中疲勞裂紋生長最脆弱之方向。

實心鍛造之檢查通常透過體積藉由超音波(UT)檢查，及藉由磁粉及/或模具滲透檢查進行表面檢查。盡管此等係標準化測試程序，但要求很高，因為一檢查錯誤可能是災難性的。相比之下，冷軋材料之檢查在生產實踐中之自動化程度大大提高，在檢查成本及最終產品質量方面取得了有利之結果。

在旨在用於許多10,000個全擺動應力循環之應用中，各對應於飛輪儲能系統之一完整深度循環，應力擺動實際上通常受到循環疲勞之限制。循環疲勞壽年取決於一缺陷之存在(或不存在)，及其隨後作為一裂紋生長到一臨界尺寸，然後導致斷裂。裂紋生長係應力在一給定之最小値與最大値位準之間循環之一直接結果。由於冷軋層壓具有良好之其等固有殘餘缺陷配置，層壓表現出優異之抗循環疲勞彈性。

Seth R. Sanders等人於2020年2月11日申請之美國專利第11,362,558號描述一飛輪轉子，該飛輪轉子由多個相鄰層壓形成，一個堆疊在另一個之上。本發明亦揭示位於層壓堆疊之一端或兩端之一端蓋。美國專利第11,362,558號中揭示端蓋之各種實施例。然而，進一步硏究及開發表明，一鋼端蓋亦可受益於專利中揭示之用於鋼轉子之堆疊層壓方法。

正是針對此等考慮及其他考慮做出本發明。

本發明係關於使用堆疊層壓來製造用於一飛輪轉子之一端蓋。

特定實施例係關於端蓋之設計，該端蓋在兩端支撐形成一轉子之一層壓堆疊。端蓋實施例包含一中心區域及自該中心區域徑向向外發散之複數個輻條。在一實施例中，各輻條包含接收一螺栓之一孔。在特定實施例中，該螺栓穿過各轉子層壓並將該等層壓固定到該端蓋。在一實施例中，該端蓋本身由多個層壓構成，及各層壓具有與該等轉子層壓中之該等孔對齊之一孔。

其他實施例係關於用於一轉子之一堆疊層壓之端蓋，其包含多個相鄰層壓，一個堆疊在另一個之上，其中各層壓具有一相同之形狀，該形狀具有一中心區域，其關於一中心軸線對稱，及多個輻條，各輻條自該中心區域徑向向外發散，其中各輻條在其遠端包含一通孔，及其中該等層壓一個堆疊在另一個之上並對齊，使得能夠對於各輻條，一螺栓透過各層壓之一相應通孔插入。

現將在下文中參考構成本發明之一部分之附圖更全面地描述本發明，並通過繪示之方式展示可實踐本發明之特定例示性實施例。然而，本發明可以許多不同之形式來體現，及不應解釋為限於在此闡述之實施例；相反，提供此等實施例是為了使本發明透徹及完整，及將本發明之範疇充分地傳達給熟悉此項技術者。其中，本發明可體現為方法、程序、系統或裝置。因此，以下詳細描述不具有一限制意義。 介紹

一層壓轉子或一層壓端蓋藉由堆疊許多層壓構造，其中堆疊中之各個層壓具有相同形狀及相對於一中心軸線之相同方向。例如，一300 mm厚之轉子需要150個2 mm厚之層壓。一24 mm厚之端蓋需要12個2 mm厚之層壓。如下文所討論的，在層壓之間使用膠黏劑之情況下，端蓋厚度將略大於24 mm。目前正在進行之更大設計之厚度要大得多，對於我們迄今為止設想之最大設計，厚度可能高達75 mm左右。

可能針對單點缺陷進行彈性設計，藉由組織整體堆疊設計，使得在一單點缺陷之情況下，相鄰層壓可支撐額外負載，以避免一災難性故障。

大體上，由堆疊之鋼層壓組成之一轉子可比一單體鋼轉子之成本更低，及可提供比一單體鍛鋼轉子更高之應力擺動。此直接轉化為更好之轉子單位成本利用效能，及因此，改良了系統飛輪平衡之利用。

一堆疊層壓轉子之形狀不需要為圓形的係可理解的，因為層壓可藉由衝壓、雷射切割或任何其他合適之程序來製造。此過程可用於創建任何形狀；因此，可創建任何形狀之層壓。因此，由堆疊層壓製成之一轉子不限於一圓形輪廓或圓柱形。達成一堆疊層壓轉子之一有利形狀及提供相關聯之支撐元件係本發明之一主要目的。 定義

如本文所用，以下術語具有以下給出之含義：

儲能系統——如本文所用，是指儲存及釋放能量之一系統。儲能系統通常耦合至一電力網，使電網能夠根據需要儲存及提取能量。

飛輪儲能系統、飛輪單元或飛輪裝置或飛輪——如本文所用，係在一飛輪轉子中儲存動能之一儲能系統。當耦合在一起時，一或多個飛輪單元形成一儲能系統。一飛輪單元是指一飛輪殼體或外殻及其可容納之任何轉子、馬達/交流發電機及其他元件及可容納且安裝在飛輪外殻上之任何電力電子元件。

飛輪轉子或轉子——如本文所用，係一儲能系統之一主要組件，其通常係一旋轉之旋轉對稱質量，諸如一圓柱體或光碟。轉子直接或間接地實體耦合至一馬達/交流發電機，其本身電耦合至一轉換器。轉換器可為將馬達/發電機連接到一直流母線之一單個變流器。此使得多個飛輪在直流母線上聚合在一起，其使用一共同的、更高電力之變流器。

當接收到用於儲存之電力時，將驅動轉子，從而增加飛輪轉子之旋轉速度。一飛輪轉子旋轉得越快，其儲存之能量就越多。當要提取電力時，飛輪轉子驅動馬達/交流發電機。

層壓——如本文所用，是指通常藉由一冷軋程序製造之一薄的、光滑的、平坦之材料片，通常係鋼。雖然冷軋鋼係可用於一層壓之一材料之一明顯實例，但也可使用其他類型之材料，尤其是塑膠、鋁、水泥、玻璃、碳纖維複合材料、其他複合材料、鋼(冷軋除外)。如本文所用，一層壓切割成一形狀及具有兩個側面，即一頂面及一底面。除非另有説明，否則此處之一層壓在形狀上係圓形的，或主要係圓形的，及可藉由兩個尺寸來表徵，一軸向尺寸及一徑向或橫向尺寸。

層壓堆疊——如本文所用，是指一三維物體，諸如一轉子或端蓋，由複數個相鄰層壓構成，一個堆疊在下一個之上。一層壓堆疊具有兩端，一頂端及一底端。通常，層壓具有相同之形狀，彼此相鄰定位及相對於一中心軸線具有相同之旋轉方向及連接或保持在一起。例如，複數個圓形層壓將呈現為一圓柱體。複數個矩形層壓將呈現為一矩形長方體。雖然本文所述之一層壓堆疊之主要應用係用於飛輪儲能，但本發明不限於此。例如，馬達及其他機械裝置中使用之轉子及端蓋可利用本發明。

堆疊層壓轉子——如本文所用，是指由一層壓堆疊構成之一轉子，即作為複數個相鄰層壓，一個堆疊在下一個之上。

堆疊層壓之端蓋——如本文所用，是指由一層壓堆疊構成之一端蓋，即作為複數個相鄰層壓，一個堆疊在下一個之上。 飛輪儲能系統

圖(FIG.)1係一飛輪儲能系統之一實施例之一簡化橫截面視圖，亦稱為一飛輪單元100。飛輪單元100包含一飛輪轉子總成130或簡稱為飛輪轉子130，一馬達及交流發電機140，亦稱為馬達/交流發電機140，因為此兩種功能通常藉由一單個子系統、一飛輪殼體或外殻 110，及一電力電子單元120執行。

馬達/交流發電機140在電能與機械能之間轉換，使得能量可儲存在飛輪130中或從飛輪130中提取。馬達/交流發電機140結合一馬達及一交流發電機之功能，及因此亦可以稱為馬達及交流發電機140。在特定實施例中，馬達/交流發電機140透過一下短軸134間接地耦合到飛輪轉子130，繼而下短軸134耦合到飛輪轉子130之一下軸頸，及亦連接到一下支撐軸承。一上短軸132將飛輪轉子130耦合到一上軸承。在其他實施例中，飛輪轉子130包含耦合到馬達/交流發電機140之一軸。馬達/交流發電機140經由通常透過飛輪外殻110之一真空饋通之線或其他電耦合耦合到電力電子單元120。

飛輪單元100進一步包含一起重磁鐵150，亦稱為一磁性卸載機，其至少部分地懸浮轉子130之質量。起重磁鐵150定位在飛輪轉子130上方。

電力電子單元120具有一殼體，該殼體封閉及容納電氣組件，其包含一功率轉換器，其用於將輸入電流(直流或交流)轉換為馬達/交流發電機140可接受之一交流電。電力電子單元120亦可包含傳感器、處理器、記憶體、電腦儲存器及網路適配器以執行飛輪單元100之通信、控制及狀態監測。

盡管飛輪殼體110展示為封閉一單個飛輪轉子130及一單個馬達/交流發電機140，但在其他實施例中，一單個外殻可封閉多個轉子及馬達/交流發電機。 轉子層壓形狀

盡管圓碟盤形層壓係一轉子之一自然選擇及提供最傳統之對稱性，但是其他形狀亦係實用的及是大體上有利的。由於冷軋層壓材料通常由一製造商以線圈形式提供，因此可通過一戰略性形狀選擇來改良層壓材料之利用。例如，至少有兩條邊或邊與一供應之線圈寛度一致之規則多邊形使用比一傳統圓形一更高百分比之層壓材料。

圖2A繪示用於形成一堆疊層壓轉子之一層壓之一形狀之一實施例。在此實施例中，各層壓具有相同之形狀及該形狀圍繞一中心軸線對稱。此形狀可稱為旋轉對稱。層壓形狀大致為圓形，但沿其周邊或圓周具有突起。突起使得用於放置緊固或連接螺栓之通孔能夠沿層壓形狀之圓周插入突起內，從而最小化與通孔相關之應力。

一層壓堆疊藉由一緊固機制結合在一起。在特定實施例中，緊固機制具有穿過通孔之兩個或更多個拉杆或螺栓。緊固機制確保堆疊中各層壓在緊固層壓時相對於一中心軸線具有相同之方向。一端蓋進一步將堆疊固定在堆疊之一或兩個軸向端。雖然本文所揭示之形狀實施例均為旋轉對稱，但本發明不限於此，及非旋轉對稱之形狀均在其範疇內。

作為參考，一圓相對於其中刻有其之一正方形消耗了 或大約一0.785之可用材料。共享所提供正方形各邊之一部分之一正八邊形消耗大約一0.83之可用材料。 堆疊層壓製造及連接策略

將一層壓堆疊中之層壓彼此連接，及連接到一短軸(或軸)以藉由一軸承提供支撐對形狀設計施加一重要之約束。非圓形層壓形狀之使用使得有利之連接技術成為可能，如下文所述。

層壓可藉由許多可能之方式連接在一起。此等包含膠黏合、干擾配合到一中心軸上(如許多電機轉子總成所做的那樣)、藉由許多可能之焊接程序之一者進行焊接，及固定軸向螺栓。

可使用多種膠黏劑來黏合層壓，包含丙烯酸金屬膠、氰基丙烯酸酯、厭氧金屬膠黏劑及環氧樹脂。環氧樹脂，通常簡稱為環氧樹脂，認為是對金屬最強之膠黏劑。

在一些情況下，在周邊上進行焊接可係可行的，但歸因於焊接之相關熱影響區域，焊接通常會造成材料退化。雷射焊接通常用於小型電工層壓堆疊，但此等輕型焊縫並非用作基本結構焊接。

一中心軸或軸向固定螺栓之使用需要通孔，即軸向穿過一層壓堆疊中之各層壓之孔。通常，對於環向應力及徑向應力幾乎相等之轉子中心附近之區域(雙軸應力條件)，所需通孔處之環向應力係任一普遍主應力之兩倍。在遠離中心區域之區域，例如在一圓碟盤之周邊，在環向(圓周)方向中，應力係單軸的。對於單軸應力，一圓形通孔導致一局部應力提升，其為普遍應力之三倍。因此，圓形層壓形狀之通孔大體上不適用於圓形層壓。

然而，由於層壓形狀不需要嚴格為圓形，因此存在許多非圓形形狀，諸如圖2A及圖3A中描繪的那些，其允許靠近周邊之低應力區域，在該區域可引入通孔，而不會大體上增加相對於層壓主體中之總體普遍應力之應力。

圖2A給出一層壓形狀200之一個實例，在本文中稱為一扇形圓，其包含靠近可引入通孔之周邊之低應力區域。形狀200具有突出的「扇形飾邊」202，各個「扇形飾邊」202突出超出圓形周邊或圓周之外之少量。形狀202具有8個均勻間隔之扇形飾邊202，而其他實施例可具有更多或更少之扇形飾邊。在離心負載下，扇形飾邊202 是有效屛蔽普遍環向應力之區域，及因此保持在非常低之應力下。因此可容易地將一或多個通孔204引入一或多個扇形飾邊中，而不會引起一應力提升之一困難。此種方法允許使用軸向螺栓將層壓連接在一起。此外，軸向螺栓可連接或緊固到端接之上端蓋及下端蓋，其有助於在完全組裝之轉子之頂部及底部與一相應之短軸互連。

雖然形狀200之突起係等距的及扇形的，但本發明不限於此。在其他實施例中，突起可不為等距的，及突起之形狀可不為扇形。

形狀200包含各扇形飾邊202中之一通孔204。通常，在製造程序中，一結構固定螺栓插入穿過各通孔204 以為一最終組裝之層壓堆疊提供三維剛度。此一總成之挑戰之一者係避免在可變負載條件下及跨操作條件(例如變化之溫度)下滑動。任何滑動都可導致一失去平衡，及更糟糕的是，如果滑動在旋轉框架中呈現明顯之阻尼，則可導致動態不穩定。與滑動相關之任何一種結果實際上都是一故障模式。為防止滑動，應指定固定貫穿螺栓之尺寸及張力，以在扇形飾邊或頂點內之通孔之近端區域中之整個堆疊中保持足夠之壓縮表面接觸負載。針對滑動之摩擦考慮用於計算所需之壓縮表面接觸應力，及繼而計算貫穿螺栓直徑、材料及張力位準。

確定螺栓張力位準之一便利方法係在螺栓張力時簡單地量測螺栓長度延伸。此提供螺栓應變及應力狀態之一直接量測，其與一螺栓扭矩規格之傳統使用形成對比。

另一考慮係使用一寛容通孔槽襯，以減輕螺栓插入期間及操作期間之螺栓及層壓界面磨損。隨著離心負載之循環應用，貫穿螺栓可在其各自之間隙孔內(週期性地)偏轉，及在承受離心負載時開始由間隙孔之側壁支撐。在循環離心負載及卸載之情況下，此與側壁之循環相互作用構成一磨損程序，其可產生表面磨損及隨後降低螺栓之可靠性。一槽襯可由硬化鋼、一較軟之金屬(如鋁或黃銅)，或一有機材料製成。一槽襯可製成一整體管，或一開槽管。後者可藉由自例如厚度在0.1至1.0 mm之範圍內之一鋁材片彎曲形成槽襯來製造。

圖2B使用一虛線繪示層壓形狀200之一圓形圓周206。雖然形狀200歸因於突出扇形飾邊202而不是完全圓形，但是形狀200可理解為具有一層壓圓周206，其中層壓圓周206係形狀200內最大之內接圓，其不包含來自任何扇形飾邊202之材料。在此實施例中，各通孔204完全位於圓周206之外但完全位於一對應扇形飾邊202之內。 端蓋設計

在特定實施例中，對於在操作、靜止或運輸期間由兩個或更多個機械軸承約束之一旋轉系統，堆疊層壓轉子必須連接到一對短軸以與軸承介接。以下討論集中於一堆疊層壓轉子之一單個端，理解一等效連接方法可用於堆疊層壓轉子之任一端或兩端。

類似於上文所討論之此等結構性貫穿螺栓可連接到一端蓋。如本文所用，術語端蓋尤其可為一單個固體零件，或其可由複數個層壓形成，或其可由多個組件組裝而成。端蓋之一個目的係在穿過轉子之軸向貫穿螺栓之間在一轉子周邊附近提供一結構上充分之連接。一第二個目標係為一中心短軸提供連接或接合轉子之一方式。

在特定實施例中，使用一實心圓形端蓋。一旋轉碟盤中之峰値等效應力出現在中心。任何用於將一圓柱軸或其他精心設計之短軸連接到一平板之方法都會在此峰値應力區域創建一應力提升。此外，如上所述，考慮到層壓形狀設計，在靠近周邊之一圓形端蓋中引入一通孔產生一嚴重之局部應力提升。此位於中心及/或周邊之應力提升限制轉子之最大速度，及從而限制能量儲存容量。轉子之頂部及底部端蓋之形狀必須減少軸連接上之應力，及透過螺栓連接到結構上之應力。

在特定實施例中，基於一磁鐵之卸載系統，在本文中稱為起重磁鐵150，向轉子提供一磁提升力以抵消否則將施加在系統軸承上之重力負載。為與起重磁鐵150相互作用，需要保持用於飛輪轉子130之一鐵磁頂部鋼端蓋區域具有全密度及圓對稱性。因此，使用磁提升對上端蓋之設計施加一個限制。

圖3A繪示一端蓋300之一實施例，其自一外徑周圍移除材料使得板具有輻條310。在端蓋300中，移除材料以創建自一中心區域320徑向向外延伸之輻條310。端蓋300之周邊中降低之質量有效地降低了中心區域320中之應力，從而允許附接至下短軸134。端蓋300可藉由各種機制附接至短軸132、134，尤其包含一中心孔330、一內孔、一螺栓圈，或用於連接一軸之一焊接。在此設計中可使用任意數量之輻條。在特定實施例中，輻條310之端部然後藉由直接連接到先前討論之貫穿螺栓而連接到一相鄰層壓堆疊。在特定實施例中，一頂部端蓋及一底部端蓋支架連接到一層壓堆疊。在其他實施例中，在一層壓堆疊之頂部或底部可能僅有一單個端蓋。

中心區域330通常由實心鐵磁鋼製成，以與一起重磁鐵(諸如起重磁鐵150)相互作用。此約束僅對於在轉子130頂部之一端蓋係必需的，因為起重磁鐵150位於轉子130上方。因此，在特定實施例中，一下端蓋之一中心區域可不由鐵磁鋼製成。

輻條310可向外逐漸變細或可為狗骨形，使得在輻條之端部比沿其長度有更多之質量。輻條310之端部可經由圍繞外徑之一輪緣連接。然後可設計輻條之端部之附加質量，使輻條之端部在承受離心負載時經歷與相鄰圓板相同之徑向位移，從而防止透過螺栓連接在輻條處產生一應力提升。輻條310之長度及寛度藉由板中心處之最大允許應力及用於提升轉子之卸載磁鐵之面積決定。

在特定實施例中，端蓋300可具有超出上述內容之特徵。例如，發明人Seth R. Sanders於2020年2月11日申請之美國專利第11,362,558號揭示端蓋之多個實施例。

使用一單體實心鋼端蓋，即由一單片鋼製成，在材料成本、機械加工成本及應力模式方面可不係最佳的。由實心鋼製成之端蓋300之實施例需要在製造過程中自圓形或矩形之一實心板中犧牲(即移除)大量材料。製造亦需大量之機械加工及精加工步驟。而且，由於零件保畱完整之實心鋼輻條，殘餘離心負載可仍會在中心區域施加極限應力。

在特定實施例中，中心區域320大致為圓形。圖3B使用一虛線繪示中心區域320之一圓形圓周340。雖然中心區域320歸因於突出輻條310而不是完全圓形的，但中心區域320可理解為具有一圓周340，其中圓周340係最大之內切圓，其適合在中心區域320內且不包含來自任何輻條310之材料。 堆疊層壓之端蓋

由複數個堆疊層壓405制成之一堆疊層壓之端蓋400，亦稱為端蓋400，如圖4A所示，避免許多先前討論之挑戰。最重要的是，經驗表明，與相同形狀之一實心鋼制端蓋相比，機械加工端蓋400之成本大大降低。例如，可使用一低成本雷射切割裝置創建輻條。在端蓋400中，各層壓405係一體的，即由一單片鋼或另一材料製成。此外，各層壓405之形狀相同及關於一中心軸線A旋轉對稱。各層壓405具有八個輻條410及一中心區域420。在其他端蓋實施例中，使用更多或更少之輻條。

層壓405在各輻條410之一遠端具有一通孔430。在製造程序中，層壓405一個堆疊在另一個上面並對齊，使得對於各輻條410，各層壓405之各對應之通孔430對齊，使得一螺栓能夠穿過各層壓之所有對應之通孔430。在特定實施例中，穿過各層壓405之各通孔430之螺栓亦穿過轉子層壓堆疊。在特定實施例中，通孔430係帶螺紋的。

在特定實施例中，端蓋400具有一或多個中間通孔440。在端蓋400中，各對輻條410之間有一中間通孔440。在其他實施例中，可有更多或更少之中間通孔440。在特定實施例中，中間通孔440帶螺紋的及插入環首螺栓。例如，此能夠在安裝及維護期間進行提升。為簡化創建穿過各個孔440之一螺紋之程序，可在製造程序中將一螺帽445插入及結合到孔440內。

在一實施例中，在構成中間孔440之一些層壓中切割出一圖案，以便接受一標準六角螺帽。螺帽黏合到位，同時固化放置在各層端蓋300之間之一膠黏劑。使用一堆疊12 x 2 mm之片材，一雷射切割之六角形圖案可存在於大約5個片材中，在提升時可靠地固定螺帽。

圖4B繪示可併入到端蓋400中之額外特徵。一螺栓圈450提供將端蓋400連接到一相鄰結構或裝置例如一短軸之一方式。例如，螺栓圈450可用於將端蓋400連接到一短軸，諸如上短軸132或下短軸134，或下文討論之短軸500。除一螺栓圈外之其他連接機制可用於此目的，尤其包含一單個螺栓。

端蓋400 亦可包含一標籤460。標籤460 可在製造程序中用於將各個端蓋層壓405相對於彼此對齊。對齊可用於補償可變厚度及歸因於用於創建片材之軋制製造程序而變化之其他性能。標籤460可為一或多個層壓405之一組成部分，例如透過雷射切割實現。或者，除其他外，其可附接至一或多個層壓405。在特定實施例中，各片材相對於相鄰之相鄰片材旋轉，以便保持性能之間之均勻性，諸如8個輻條上之厚度。

如前所述，製造堆疊層壓之端蓋400比製造大小及深度相當之一形狀相似之實心端蓋更具成本效益。 製造步驟

用於製造端蓋400之一實例程序包含以下主要步驟：

各層壓都是從已經卷成一矩形或其他形狀之一平板鋼板上切割下來的。歸因於軋製程序，材料之厚度存在輕微之不規則性。例如，一片材之中心可比邊緣稍厚。要自多個層壓中創建一單個黏合端蓋，必須在後續製造步驟中補償此等厚度不規則性。產生可接受結果之一堆疊層壓之端蓋之一種製造程序如下所示：

1.自軋制鋼材之一庫存線圈上切割一或多個正方形片材，各片材大到足以適合一端蓋層壓。可使用各種方法來切割，尤其包含雷射遮沒及剪切。

2.將各端蓋層壓雷射切割或衝壓成一指定之形狀，諸如端蓋300之形狀。此形狀可可選地包含標籤。

3.將諸如環氧樹脂之一膠黏劑施加到各層壓。在特定實施例中，使用一薄膜膠黏劑。 此係已混合硬化劑之環氧樹脂(與預浸玻璃纖維與碳纖維材料一樣)，及然後低溫儲存直到可使用。薄膜膠黏劑切割成型及與鋼層壓片材板堆疊以獲得均勻之黏合線性能。(黏合線係黏合層之厚度。)然後，堆疊各層壓，一個在另一個之上，標籤對齊(如圖4B所示)。薄膜膠黏劑或任何其他膠黏劑可在各層壓被添加到堆疊之後施加。

4.將一螺帽445併入到各中間通孔440中。

5.將一Peek、Teflon、Delrin或其他合適之塑膠塞子，或其他類型之塞子應用到層壓堆疊中之最頂部及最底部之通孔430及中間通孔440。此可防止環氧樹脂在後續步驟中進入孔中。使用像聚醚醚酮這樣之一聚合物係有利的，因為其具有比鋼更大之一溫度膨脹係數。當在高溫下在一平壓機中固化環氧樹脂時，塞子膨脹緊緊地塡充孔及防止環氧樹脂進入。冷卻後，塞子收縮回來，及可很容易地移除。聚醚醚酮係一種可能之材料，由於其強度、摩擦性能以環氧樹脂不會與聚醚醚酮結合，因此其亦係有利的。如上所述，其他聚合物材料如Teflon及Delrin亦非常適合此目的。

6.使用一平壓機，施加一指定之壓力及溫度曲線以用於膠黏劑固化。由印刷機施加之曲線或程式根據膠黏劑供應商提供之指南控制溫度。冷卻發生在平壓機中。

7. 自通孔430、440中取出塞子。必要時移除周邊周圍多餘之膠黏劑。 廣義端蓋設計

廣義而言，端蓋300及400各包含輻條，原因如前所述。通常，本發明包括旋轉對稱之端蓋，其具有一中心區域，及具有自中心區域徑向向外發散之輻條。可使用各種輻條形狀及用於將輻條緊固到中心區域之機制。此外，輻條及中心區域可由多種材料製成，尤其包含鋼、塑膠及包含碳纖維、Kevlar及玻璃纖維之複合材料。此外，端蓋可在中央區域具有一或多個孔以供螺栓使用。此外，輻條之遠端可具有一通孔以允許將端蓋緊固到一轉子層壓堆疊之螺栓。

圖5繪示與諸如端蓋400耦合或附接至端蓋之一短軸500之一實施例。短軸500與飛輪130旋轉對稱。短軸500具有一頂部圓柱形部分510及一底端，稱為一耦合部分515，其連接到一端蓋。

耦合部分515包含一或多個凸緣530及一中心區域520。在短軸500之底部，凸緣530經由一螺栓圈連接至一端蓋，諸如螺栓圈450、一焊接或另一種類型之機械附接，諸如一單個螺紋螺栓。在特定實施例中，中心區域520係圓錐形的，使其能夠彎曲及允許凸緣530徑向移動同時保持足夠之軸向剛度。此設計適應轉子130在與一端蓋連接處之徑向膨脹及收縮。

可將短軸500賦予橫向彎曲順應性。此種彎曲順應性可用作飛輪單元100中之一懸架功能以管理共振模式。將此類模態頻率設計為低於工作速度範圍通常係戰略性的，以避免在正常運行期間避免此類共振。

圖6繪示適用於一飛輪儲能系統之一完全組裝之轉子600之一實施例。組裝之轉子包含一短軸610、兩個端蓋620及一堆疊層壓轉子640。端蓋620在頂部及底部耦合到堆疊層壓轉子640。堆疊層壓轉子640由複數個層壓形成，各個層壓具有一扇形圓形狀，如圖2A所示。各端板620具有八個輻條，各個輻條在遠端處具有一相應之通孔，一螺栓穿過該通孔插入。一馬達/發電機650之一部分在下端耦合到堆疊層壓轉子640。

在閲讀本發明後，熟悉此項技術者將透過本文揭示之原理理解額外之替代結構及功能設計。因此，雖然已説明及描述特定實施例及應用，但是應當理解，所揭示之實施例不限於本文所揭示之精確構造及組件。在不脫離隨附申請專利範圍所限定之精神及範疇之情況下，可對本文揭示之方法及設備之配置、操作及細節進行各種修改、改變及變化，其對熟悉此項技術者係顯而易見的。

100:飛輪單元 110:一飛輪殼體/外殻 120:電力電子單元 130:飛輪轉子/飛輪轉子總成 132:上短軸 134:下短軸 140:馬達/交流發電機 150:起重磁鐵 200:層壓形狀/形狀 202:扇形飾邊 204:通孔 206:圓形圓周/層壓圓周 300:端蓋 310:輻條 320:中心區域 330:中心孔 340:圓周 400:堆疊層壓之端蓋/端蓋 405:層壓 410:輻條 420:中心區域 430:通孔 440:中間通孔 445:螺帽 450:螺栓圈 460:標籤 500:短軸 510:頂部圓柱形部分 515:底端/耦合部分 520:中心區域 530:凸緣 600:組裝之轉子 610:短軸 620:端蓋 640:堆疊層壓轉子 650:馬達/發電機

參考以下附圖描述本發明之非限制性及非詳盡性實施例。在附圖中，除非另有説明，否則相同附圖標記貫穿各個附圖指代相同部分。

圖1係一飛輪儲能系統(亦稱為一飛輪單元)之一實施例之一簡化橫截面視圖。

圖2A繪示稱為一扇形圓之一層壓形狀，其包含靠近可插入通孔之周邊之低應力區域。

圖2B用一虛線繪示圖2A之層壓形狀之一圓周。

圖3A繪示一端蓋之一實施例，該端蓋自一外徑周圍移除材料使得端蓋具有輻條。

圖3B用一虛線繪示圖3A之端蓋之一中心區域之一圓周。

圖4A繪示由堆疊層壓製成之一端蓋。

圖4B繪示圖4A之端蓋之一實施例，其包括用於一短軸及對齊標簽之一附接機制。

圖5繪示附接至一端蓋之一短軸之一實施例。

圖6繪示適用於一飛輪儲能系統之一完全組裝之轉子之一實施例。

附圖僅出於説明之目的描繪本發明之實施例。熟悉此項技術者將自以下討論容易地認識到，可在不背離此處描述之本發明之原則之情況下採用此處所示之結構及方法之替代實施例。

600:組裝之轉子

610:短軸

620:端蓋

640:堆疊層壓轉子

650:馬達/發電機

Claims (12)

1. 一種用於一轉子之堆疊層壓之端蓋，其包括： 複數個相鄰層壓，一個堆疊在另一個之上，其中各層壓具有一相同之形狀，該形狀包括： 一中心區域，其關於一中心軸線對稱；及 複數個輻條，各輻條自該中心區域徑向向外發散，其中各輻條在其遠端包含一通孔； 其中該等層壓一個堆疊在另一個之上並對齊，使得對於各輻條，一螺栓能夠插入透過各層壓之一相應通孔。
2. 如請求項1之端蓋，其中將一螺紋螺帽插入各輻條之該通孔中。
3. 如請求項1之端蓋，其中有8個輻條。
4. 如請求項1之端蓋，其中透過該中心區域之該軸向中心沒有通孔。
5. 如請求項1之端蓋，其中該等層壓係選自由鋼、塑膠、碳纖維、複合材料及水泥組成之群之一材料製成。
6. 如請求項1之端蓋，其中各層壓由一單片材料形成。
7. 如請求項1之端蓋，其中一層壓之該等輻條係藉由自該中心區域外部之相鄰輻條之間之區域移除材料而形成的。
8. 如請求項1之端蓋，其中該相同形狀進一步包括： 各對相鄰輻條之間之一或多個中間通孔。
9. 如請求項8之端蓋，其中該中心區域之形狀大致為圓形，及各中間通孔位於該中心區域之一圓周之外部。
10. 如請求項1之端蓋，其中該等層壓中之至少一者包含一標籤，其中在製造程序中使用一標籤來對齊複數個相鄰層壓中之各者。
11. 如請求項1之端蓋，其中該相同形狀進一步包括： 該中心區域中之一螺栓圈，其可用於將該端蓋連接到一短軸上。
12. 如請求項1之端蓋，其中在該製造程序中，將一膠黏劑施加到各層壓。