TWI670918B - 堆疊式飛輪轉子 - Google Patents

Abstract

本發明之實施例係關於一種飛輪轉子，其包含一者堆疊於另一者頂部上之兩個或更多個子轉子，其中各子轉子係旋轉對稱的，並且係盤形，其中該堆疊中之各子轉子之軸向中心旋轉對準，且各子轉子具有一上軸頸及一下軸頸，其自該子轉子之主旋轉質量之中心區段之原點向外延伸。該堆疊中之各對鄰近子轉子具有安置於一下子轉子之一上軸頸上方之一上子轉子之一下軸頸。另外，各對鄰近子轉子之間存在一接合機構，其將該上子轉子之該下軸頸固定地連接至該下子轉子之該上軸頸。

Description

堆疊式飛輪轉子

此描述大體上係關於能量儲存，且尤其係關於使用飛輪之能量儲存。

諸多能源，特別係諸如風力渦輪機及太陽能電池板之清潔能源產生能量無法暫時匹配所歷經負載之能量。在發達國家之大部分地區，能量產生遵循所歷經之負載，使得可根據需要提供能量。在高負載情況下，諸如使用峰化器發電機及在熱發電機上之自旋及非自旋儲備之技術允許匹配高及可變負載之發電。然而，儘管存在此等技術，但經常存在能量儲存對於滿足能量負載係重要之情況。 現有能量儲存系統皆具有一種形式或另一種形式之缺陷。大小、價格、儲存效率、效力及安全性皆係設計一能量儲存系統時所關注的。一般而言，較小大小、較低價格、用於儲存並將其提取用於分配之輸入能量之降低損耗、用於連續操作之降低損耗以及安全處理皆係能量儲存系統之所有較佳特性。 一飛輪係將能量儲存為旋轉動能之一種類型之能量儲存系統。一飛輪轉子係一加重、旋轉對稱質量，其在實體上直接或間接耦合至一馬達/交流發電機之同時自旋，該馬達/交流發電機本身電耦合至諸如一背對背反相器系統之一轉換器，其構成一交流-交流轉換子系統。當接收到用於儲存之電力時，轉子被驅動，從而增加飛輪轉子之旋轉速度。當提取電力時，飛輪轉子驅動馬達/交流發電機。一飛輪轉子可旋轉越快，其可儲存之能量越多，但轉子上引發之應力亦越多。一般而言，一轉子在操作時能夠承受之應力量係用於製造轉子之設計、材料及程序之一函數。具體而言，可承受之應力量取決於轉子材料之屈服強度、斷裂韌性、最大本質缺陷大小、循環疲勞特性及轉子形狀等因素之一組合。 一般而言，轉子厚度受製造其所用之材料之選擇之約束。例如，使用諸如300M鋼之低合金鋼材料時之轉子厚度通常限制在8至14英寸，此歸因於在淬火步驟期間完全硬化之約束。若使用諸如AISI 4340之一合金，則厚度進一步限制在約4至6英寸。 在大多數應用中，需要多個飛輪單元來滿足總能量儲存要求。藉由構建更大飛輪單元，即藉由併入更大旋轉或轉子質量而儲存更多動能之個別單元，可減少此等應用中之總系統成本。由於一單個轉子之厚度受到約束，其他方法可用於增加飛輪轉子質量，從而增加一個別飛輪單元之能量儲存能力。一種方法係按比例增大直徑，同時保持厚度受約束。按比例增大至大直徑在工程設計及通常已知製造技術方面係有效的，但對於執行如鍛造及機械加工之步驟以形成最終淨形狀之工具作業而言，需要大量資金投入。具有大的橫向尺寸之形狀可能會對運輸帶來後勤挑戰。

描述一種以降低之成本提供改良動能儲存之高強度金屬合金飛輪轉子。 飛輪轉子之效能部分基於其材料特性。在一個實施例中，其具有至少800 MPa之一屈服強度，至少40 MPa·m^0.5 之一斷裂韌性，及至多2毫米(mm)之一最大本質缺陷大小。此等特性貫穿其整體上係一致的。 在相同或一不同實施例中，轉子可由完全硬化及回火之300 M真空電弧重熔(vacuum-arc-remelting ；VAR)鋼製成。 在各種實施方案中，轉子亦可具有超出上述轉子之任何者之額外特性。例如，轉子可形成為具有大於其長度(或厚度)之一直徑，反之亦然。轉子可為旋轉對稱的。轉子可為不具有任何鑽孔之一整體形狀。轉子可包含自轉子突出之一或多個軸頸，從而允許一外部軸實體地附接至各軸頸。在一項實施例中，可使用一收縮配合來附接軸。 亦描述一種用於製造轉子之例示性方法。 揭示一種設計，其特徵係一起充當一單個整體式子轉子之多個、互連之子轉子。一般而言，兩個或更多個子轉子，一者堆疊於另一者頂部，其各具有相同軸向中心。使用一接合機構附接各對鄰近子轉子。此處，術語子轉子僅指個別轉子子單元。在一項實施例中，可根據本文所描述之任何程序或任何規範來製造各此轉子子單元。在另一實施例中，可藉由一替代技術或本申請案中未具體描述之一替代規範(包含在撰寫本文時尚未創建之規範)來製造各此轉子子單元。 在一項實施例中，子轉子對之間之接合機構係在鄰近軸頸周圍收縮配合之管狀接合套環，為方便起見，可將其稱為一上子轉子之一下軸頸及一上子轉子之一上軸頸。一對準銷可插入穿過鄰近軸頸之軸向中心以維持對準。 在另一實施例中，子轉子對之間之接合機構係附接至一上子轉子之軸頸上之一板，其被緊固至附接至一下子轉子之軸頸之一板。一對準銷可插入穿過鄰近軸頸之軸向中心以維持對準。

本申請案主張2016年9月1日申請之美國臨時申請案第62/382,622號之優先權之權益。本申請案亦係2015年7月28日申請之先前同在申請中之美國申請案第14/811,012號之一部分接續申請案，美國申請案第14/811,012號係2014年8月26日申請之14/469,382之一接續申請案。前述所有申請案出於所有目的以引用的方式併入本文中。 I. 飛輪能量儲存系統 圖1係根據一項實施例之一例示性飛輪能量儲存系統100之一方塊圖。能量儲存系統包含一飛輪轉子130、一馬達/交流發電機140、一第一反相器150、一電容器160、一第二反相器170及一AC線180。能量自一AC線180汲取或被遞送至AC線180，諸如一習知三相60 Hz線。第一150及第二170反相器以及電容器160繪示用於將輸入交流電轉換成馬達/交流發電機140可接受之一交流電之一例示性背對背轉換器系統。馬達/交流發電機140在電能與機械能之間轉換，使得能量可儲存於飛輪轉子130中或自飛輪轉子130中汲取。馬達/交流發電機140使用一軸直接或間接地實體耦合至飛輪轉子130。馬達/交流發電機140經由線或其他電耦合件耦合至系統100之其餘部分。一般而言，儘管僅展示各組件中之一者，但實際上，一飛輪能量儲存系統100可包含各個別組件之倍數。圖1係交流-交流轉換系統之一種例示性類型。一般而言，本文描述之發明涉及一廣泛範圍之交流-交流轉換拓撲，以及直接與一直流(dc)線介接之系統。後者對於dc微電網及太陽能光電應用尤為重要。 II. 飛輪轉子形狀 圖2係根據一項實施例之一飛輪轉子130 (或簡稱為轉子)之一截面圖。轉子130由一單一質量之材料形成。然而，轉子130之兩個不同部分通常可謂執行不同功能。一主旋轉質量230構成轉子之質量之大部分，並且儲存由轉子儲存之大部分動能。兩個軸頸212a及212b自主旋轉質量之任一側垂直延伸，並且有助於將轉子耦合至單獨軸(未展示)。下文進一步描述此等部分之各者。在一些情況下，轉子亦可包含其外表面上之元件(例如離散質量)以提供離心負載。 轉子通常係旋轉對稱的，且因此可使用一圓柱座標系來描述轉子，其中原點係透過轉子之中心旋轉軸226。在包含外表面上之其他元件(例如離散質量)之實施方案中，轉子及離散質量元件兩者皆圍繞原點均勻分佈。雖然轉子之旋轉軸226被繪示為垂直的，但本發明並不如此受約束，並且可使用一水平或其他旋轉軸。 為提供尺度之一實例，在某些實施例中，轉子130直徑在36英寸至192英寸之間，重量在2噸至45噸之間。 II.A 一主旋轉質量 除旋轉對稱之外，主旋轉質量可形成為各種不同形狀，各形狀經設計以達成特定效能目標。在一個實施方案中，當自橫截面觀察時，轉子之主旋轉質量230具有一「魚尾」形狀。 魚尾形狀有助於確保歸因於施加在轉子上之旋轉力而在整個主旋轉質量230中之應力之一幾乎均勻分佈。魚尾形狀係用於最佳化轉子質量及材料體積利用(即，用於最佳化形狀因數)之一例示性形狀。一般而言，魚尾形狀包含一中心區段及一鄰接周邊質量。在中心區段中，轉子在靠近中心軸226附近更接近一第一半徑202，並且在遠離原點厚度連續減少至一第二半徑204。在一項實施例中，此中心區段由以下形式之一輪廓控管：其中t係轉子之縱向厚度，h係中心厚度，r係距原點沿著極軸之距離，β係一常數。 關於周邊質量之形狀，在轉子之外直徑210附近之第二半徑204與一第三半徑206之間，主旋轉質量230在縱向軸上之厚度連續增加。在第三半徑206與一第四半徑208之間，轉子在縱向軸上保持沿著極軸之一短距離之一恆定厚度。第四半徑208沿著極軸位於轉子之外表面210(例如，外直徑)處或附近。在第四半徑208附近，轉子之邊緣可為圓形或正方形的。 關於中心區段相對於周邊質量之相對比例，魚尾部分之質量之大部分位於中心區段。 在圖2中所繪示之實例中，轉子130之外表面210具有大於轉子130之魚尾部分之最寬厚度228之一直徑。如下面將進一步描述，允許轉子整體完全硬化之任何形狀之轉子能夠達成相對較高位準之工作應力。一般而言，具有大於其等之厚度之直徑之轉子以比具有大於其等之直徑之厚度之其等之相對物更慢的速度旋轉。較慢之旋轉速度降低允許轉子旋轉之軸承總成之操作要求，藉此降低飛輪系統之總成本。 在另一實施例中，轉子替代地具有一圓柱形狀，而非具有魚尾形狀。 II.B 軸頸 沿著轉子之縱向軸(或中心旋轉軸)，轉子包含兩個軸頸212，即212a及212b，用於附接及拆離用於在轉子與雙向馬達/交流發電機140之間轉移能量之一軸。軸頸212消除將轉子耦合至軸之一鑽孔之需要。一鑽孔導致鑽孔內直徑處之環向應力之一加倍。在製造轉子之後，此等鑽孔通常被鑽至轉子中，或轉子被故意地設計及製造成具有此一孔。對比而言，用軸頸212替代一鑽孔允許應力可更均勻地分佈在整個主旋轉質量中，藉此避免將以其他方式放置鑽孔之一應力陡升。 圖3係根據一項實施例之轉子之一軸頸212之一橫截面圖。各軸頸212自增加厚度之一凹坑214向外延伸218，凹坑214本身自主旋轉質量230之中心區段之原點向外延伸。凹坑214具有在鄰近軸頸212處具最大厚度之一錐形形狀，且隨著半徑增加其厚度逐漸減小。凹坑214之逐漸變細之形狀使軸頸在軸頸212鄰接主旋轉質量230之點處隔離而不經歷一應力陡升或峰值應力。 在軸頸212與凹坑214接合處存在一填角。填角避免軸頸212周圍之應力陡升。軸頸之外表面沿極軸大體上係平面的。軸頸212之外表面比經構形以附接至軸頸212之一軸240之一連接端222更窄220。然後，軸240在其大部分長度上顯著地變窄224。一般而言，軸頸212之上表面與軸240之間之干涉配合之直徑220大於軸之直徑224。具有用於一干涉配合之一相對較大直徑220有利於進一步減小在軸頸212附近之轉子130內部之應力陡升，此係因為僅需要具有此一大直徑之以相對較輕干涉配合。此外，在軸頸區中引起之干涉應力通常係壓縮的，並且因此可減輕軸頸212中離心引起之應力。因此，軸頸212之錐形形狀及寬直徑220之組合產生一機構，其用於將最小化轉子130上之耦合之應力衝擊之軸耦合為一整體。 在一項實施例中，軸240經由一收縮配合耦合至軸頸212。例如，軸240可在附接至軸頸212之前被加熱，從而使軸240熱膨脹。在加熱後，可附接軸頸212及軸240。然後允許軸240冷卻，藉此熱收縮以產生與軸頸212之一干涉配合。在另一實施例中，可使用一內部壓配合，其中軸之冷卻用於在軸頸212與軸240之間產生干涉配合。若使用一中空圓柱形軸，軸240亦可經由一壓配合耦合至軸頸212，或與一中心軸向定向之固定螺栓耦合。此等係用於將軸240耦合至軸頸212之諸多替代方案之實例。 作為一實例，在一項實施例中，軸頸212具有大約4至6英寸之一直徑220，並且自凹坑向外突出大約一英寸。軸具有一外直徑為6到8英寸之一連接端222。遠離連接端，軸240具有1到3英寸之一外直徑，其比軸頸212之4到6英寸外直徑220更窄。在其他實施例中，軸頸212之直徑220可在2到12英寸之範圍中。 在某些實施例中，軸頸212略微向外變細，使得較遠軸向部分之圓周(即，遠離轉子中心之軸頸部分)具有比接近轉子之中心之部分更大的圓周。 變細之優點係在兩個部件耦合之後進一步確保軸240與軸頸212之間之配合。 包含主旋轉質量230及軸頸212之轉子被製造為一單件材料，例如使用下文描述之實例性材料及實例性方法。因此，轉子具有一單體構造，其中在主旋轉質量與軸頸212之間不存在焊縫、接頭、接縫、孔或構造差異。然而，亦如下文進一步描述，單體/單件轉子之不同部分可經受不同處理及/或製造程以在不同點改變轉子之性質。例如，轉子之表面可接收與轉子內部不同之處理。 III. 轉子材料性質及製造 轉子之效能係基於製造轉子之材料，以及經執行以將原材料轉換為其等出現在轉子中的最終狀態之製造程序。表徵轉子材料之重要參數包含轉子之屈服強度、轉子之斷裂韌性、轉子中之最大本質缺陷大小(或最大初始裂紋大小)以及循環疲勞(或循環裂紋生長速率)。轉子亦可根據此等性質之已知等效物或可轉化為/衍生自此等性質之其他性質來描述。 在一項實施例中，轉子具有參數值，使得轉子之屈服強度σ_yield 大於一第一臨限值，轉子之斷裂韌性σfracture大於一第二臨限值，且最大本質缺陷大小小於一臨限值大小。以此方式界定，轉子在工作應力σ_working 中達成顯著效能，其可承受其操作壽命。在操作期間，轉子將始終滿足以下條件：其中α係用於在0與1之間降額之一參數。此外，轉子材料經設計使得在轉子之操作壽命期間，在製造期間存在於轉子中之一初始裂紋之循環裂紋生長或生長緩慢增長至足以 允許數萬個完整壓力循環。 作為一具體實例，在一項實施例中，轉子具有至少800 MPa之一屈服強度σ_yield ，至少40兆帕每平方米之一斷裂韌性σfracture(MPa·m0.5)及為2毫米(mm)或更小之一最大本質缺陷大小。在另一實施例中，轉子具有在800 MPa與2 GPa之間之一屈服強度σ_yield (端值包含在內)，在40與200MPa·m0.5之間之一斷裂韌性σ_fracture (端值包含在內)，及在0.05 mm與2 mm之間之一最大本質缺陷大小(端值包含在內)。在其他實施例中，轉子可具有在上述範圍內之任何子範圍內之特性。例如，在一項實施例中，轉子具有800至1000 MPa、1000至1100 MPa、1100至1200 MPa、1200至1300 MPa、1300至1400 MPa、1400至1500 MPa、1500至1600、1600至1700 MPa、1700至1800 MPa、1800至1900 MPa、1900至2000 MPa之間(或其子範圍之任一組合)之一屈服強度σyield。在相同或一不同之實施例中，轉子具有40至50 MPa·m0.5、50至60 MPa·m0.5、60至70 MPa·m0.5、70至80 MPa·m0.5、80至90 MPa·m0.5、90至100 MPa·m0.5、100至110 MPa·m0.5、110至120 MPa·m0.5、120至130 MPa·m0.5、130至140 MPa·m0.5、140至150 MPa·m0.5、150至160 MPa·m0.5、160至170 MPa·m0.5、170至180 MPa·m0.5、180至190 MPa· m0.5、190至200 MPa·m0.5之間(或其子範圍之任一組合)之一斷裂韌性。在相同或一不同實施例中，轉子具有在0.5至0.6 mm、0.6至0.7 mm、0.7至0.8 mm、0.8至0.9 mm、0.9至1.0 mm、1.0至1.1 mm、1.1至1.2 mm、1.2至1.3 mm、1.3至1.4 mm、1.4至1.5 mm、1.5至1.6 mm、1.6至1.7 mm、1.7至1.8 mm、1.8至1.9 mm、1.9至2.0 mm之間(或其子範圍之任一組合)之一最大本質缺陷大小。 滿足以上例示性臨限值之一轉子可由300M鋼製成。300M鋼由航空材料標準(AMS)汽車工程師協會(SAE) 6257(簡稱SAE-6257)描述。300M鋼之一化學組成比例為：1.6％矽(Si)、0.82％鉻(Cr)、1.8％鎳(Ni)、0.40％鉬(Mo)、0.08％釩(V)、及範圍為0.40至0.44％之碳(C)、其餘為鐵(Fe)。300M鋼具有一相對較低成本，且因此有利於降低包括由此材料製成之一轉子之一飛輪能量儲存系統之成本。V及Si係提供改良硬化性之合金元素，並且允許製成高達14"厚並且全部完全硬化之厚截面轉子，例如如上文描述之魚尾形狀。 然而，僅僅獨有300M鋼之規格不足以確保上述參數。使用額外製造步驟來改良轉子之效能。此等步驟包括精煉、多步鍛造、熱處理、表面處理及機械加工。 使用諸如真空電弧重熔(「VAR」)、電渣重熔(「electro-slag-remelting； ESR」)或真空感應熔煉(vacuum induction melting ；VIM)之一精製程序精製300M鋼。此等程序有助於去除大於所需最大本質缺陷大小之缺陷。對比而言，若300M鋼替代地在開放空氣中熔化，則傾向於含有大於此所需最大本質缺陷大小之缺陷，諸如夾雜物或其他雜質。VAR精製有助於確保最大本質缺陷大小為2 mm或更小。 多步鍛造將定向顆粒引入轉子中。一般而言，基於所使用之鍛造程序決定顆粒定向。一單步鍛造程序可能不足以確保貫穿轉子整體存在一致定向顆粒。執行多個鍛造步驟有助於確保貫穿轉子整體之一致顆粒定向。控制顆粒定向亦具有成形及定向存在於轉子中之任何夾雜物之額外益處。 一般而言，使用熱處理來提高鋼之屈服強度及硬度。在一熱處理中，鋼被加熱(或沃斯田鐵化(austenetized))為沃斯田鐵(austenite)相。加熱之時間及溫度部分地界定轉子之顆粒大小。然後將沃斯田鐵部分快速冷卻(或淬火)。淬火將沃斯田鐵轉換成鋼之若干其他材料相之一者，諸如波來鐵(pearlite)、 變韌鐵(bainite)及麻田散鐵(martensite)。歸因於熱轉移之物理性質，並非鋼內之所有深度皆以相同速度冷卻，此意謂鋼之較淺深度通常將淬火成一相當大比例之麻田散鐵(例如，大於50％之麻田散鐵)，而較深深度之鋼可能淬火成一相當大比例之波來鐵或其他材料相，只有一少部分鋼淬火成麻田散鐵(例如，小於50％之麻田散鐵)。一鋼淬火成之各種材料相之比例係由材料之過渡曲線(稱為一TTT曲線)所支配。具體而言，麻田散鐵特別適用於一轉子，此係因為其具有極高屈服強度以及極高硬度。當在每一厚度處鋼含有至少50％麻田散鐵時，一塊鋼據稱係完全硬化的。 在一項實施例中，在轉子中使用VAR 300M鋼，因為可將300M鋼完全硬化至8至14英寸之深度，使其對於形成足夠大小之一轉子以儲存大量動能而言非常有用。特定言之，300M中之Si及V合金元素在淬火期間延遲波來鐵之形成，有利於向麻田散鐵之轉變，從而導致在鋼內顯著深度處之增加的全部硬度。在一VAR 300M轉子中，完全硬化允許轉子達成高達2 GPa之一屈服強度σyield。 淬火鋼具有具有一低斷裂韌性之一缺點。因此，在淬火步驟之後可進行一回火步驟。在緩慢冷卻回至室溫之前，回火將鋼在低於沃斯田鐵溫度(例如，600至1200華氏溫度(F))之一溫度下維持一段時間(例如，若干小時)。以犧牲一些屈服強度σ_yield 為代價，回火顯著改良斷裂韌性，並消除殘餘之內應力。在一VAR 300M轉子中，回火允許轉子達成至少70 MPa·m0.5之一斷裂韌性σfracture，同時亦維持超過900 MPa之一σyield。 表面處理保護轉子之表面。可使用若干不同表面處理。一第一者係噴丸處理，其中賦予轉子表面之壓應力使其硬化。一第二者係類似地增加轉子表面之硬度以及屈服強度之氮及/或碳處理。亦可使用其他表面處理。 儘管300M合金鋼係一飛輪轉子之一個例示性選擇(如上文詳細描述)，但在4000系列合金(例如，4340)中存在具有類似性質之其他合金。一些此等合金具有300M之主要優點，且亦適用於飛輪轉子應用。 如上文描述般構造之一轉子之一個優點係可以相對於其他可能想到的程序之低成本來製造一顯著更大轉子(能夠儲存數十至數百千瓦時能量之轉子)。 IV. 製造方法 圖4係根據一項實施例之製造一轉子之一例示性程序。在圖4之實例中，元素係經合金化401以製造具有一特定材料組成之鋼。例如，若使用300M，則將Si、Cr、Ni、Mo、V、C及Fe一起鑄成合金。然後對合金元素進行精製403以除去大缺陷。繼續上文實例，VAR程序可用於精製300M合金。然後使用多步程序將精製合金鍛造405至接近淨形狀以定向顆粒大小及方向。應用407一熱處理及淬火以完全硬化鍛造轉子材料以改良屈服強度。然後執行回火409以改良斷裂韌性。然後可將轉子材料機械加工411以將轉子形成所需之最終形狀。 V. 堆疊轉子實施例 如以上討論，使用低合金鋼材料(諸如300M鋼)之轉子厚度通常限於8至14英寸，此歸因於淬火步驟期間之完全硬化之約束。若使用諸如AISI 4340之一合金，則厚度進一步限制在約4到6英寸。如先前論述，降低一飛輪單元之製造成本之一種方法係增加轉子之質量。達成此目的之一種方法係在一單個飛輪單元內堆疊及互連多個子轉子以形成一轉子。 圖5描繪一飛輪單元之一橫截面，其中轉子包含藉由一接合機構506互連之兩個子轉子之一堆疊。堆疊中之各子轉子之軸向中心垂直對準。接合機構506將頂部子轉子502之下軸頸與下子轉子504之頂部軸頸固定連接，使得兩個子轉子502至504同步旋轉，即，以相同速度、在同一方向上並在同一時間旋轉。圖6到圖7中描述接合機構506之兩個實施例，應理解接合機構506之其他實施例係可能的並在本發明之範疇及精神內。 在一項實施例中，以下參照圖6描述，接合機構506環繞堆疊中之各對鄰近軸頸，並且軸頸通常直接接觸。在另一實施例中，以下參照圖7描述，接合機構506利用接合板，使得各對軸頸間接接觸，即各軸頸附接至一接合板，並且接合板緊固在一起。因此，當使用接合機構506時，各對鄰近子轉子軸頸係直接或間接接觸之並且一者位於另一者之上。因此，同時圖5展示子轉子502之下軸頸與子轉子504之上軸頸之間之一空間，此一空間在兩個軸頸不直接接觸之實施例中將不存在，且在兩個軸頸之間不存在一板或其他鏈接材料之實施例中將被填滿。在接合機構506之其他實施例中，在鄰近軸頸之間可能存在一最小空間，例如以避免鄰近軸頸之間之摩擦。一般而言，接合機構506形成兩個鄰近軸頸之間之一接頭。 圖5中繪示及以下討論之堆疊概念可被概括為包括具有任何整體數個盤形子轉子之一堆疊。在某些實施例中，如上文參照圖4描述般製造各個別盤形子轉子。 然而，子轉子堆疊設計不取決於一特定之轉子製造方法，並且亦將與使用其他方法製造之轉子一起使用。 此外，儘管子轉子之軸向中心被繪示，並且在此之前被描述為共用一垂直軸，但本發明並不如此受約束。主要要求係子轉子之中心係同軸的，即共用一共同旋轉軸。因此，例如，子轉子之中心可沿著一共同之水平軸對齊。在此情況下，接合機構506將兩個鄰近軸頸互連，其中一者位於右側或左側，而非位於下一者之上方或下方。 一般而言，可在三維空間中以任何角度定向共同旋轉軸。 圖6繪示用藉由一接合套環610連接之兩個整體式盤形子轉子之一堆疊構建之一例示性轉子之一橫截面。在此實施例中，接合套環610係接合機構506之一實施例。在某些實施例中，接合套環610係一圓柱形管或中空圓柱體，其圍繞一上子轉子608之下軸頸及一下子轉子614之上軸頸配合。通常，接合軸環610由鋼製成，但亦可由其他材料製成。 實施具有足夠剛度之接頭係戰略性的，以便於使所有所得轉子內部振動模式處於足夠高頻率，以便於不與工作速度範圍重疊。若轉子受到殘餘不平衡之影響，速度範圍中之振動模式可能導致非所要之大振幅強制諧振回應。本文概述之方案促進充分堅硬之轉子接合，以避免在工作機械頻率(或速度)範圍中之放置模式。 在一項實施例中，為組裝兩個子轉子之堆疊，接合套環610被加熱並放置在下部子轉子614上方。下一個上子轉子608配合在接合套環610之頂部上，並且其下軸頸配合在接合套環610內部。當接合套環610冷卻時，達成一收縮配合。在其他實施例中，接合套環610可相對於上及下軸頸螺栓連接或以其他方式附接至適當位置。 在某些實施例中，一對準銷612透過上子轉子608之下軸頸之軸向中心及下子轉子614之上軸頸插入至一預鑽孔中。對準銷612在組裝及操作期間維持兩個子轉子之間之同心性；即，其防止在操作期間之兩個子轉子之間之徑向位移或滑動。 如圖6中進一步繪示，上子轉子608附接至一上樞軸606，上樞軸606繼而連接至一上軸承604。類似地，下子轉子614附接至一下樞軸618，下樞軸618繼而連接至一下軸承616。元件之總體容納於一外殼602內。 圖7係一接合機構506之一第二實施例之一橫截面圖，接合機構506接合兩個子轉子使得其等有效地作為一單個整體式轉子進行操作。在此實施例中，藉由將一第一接合板704收縮配合至上子轉子702之下軸頸以及將一第二接合板706收縮配合至下子轉子712之上軸頸來達成接合。接合板704、706之各者具有與一各自軸頸配合之一部分。兩個配合板704、706接著與緊固件708接合。在某些實施例中，緊固件708係一螺栓圖案，即一圓形或其他特定螺栓配置。為接受收縮配合，取決於盤形子轉子尺寸及機械要求，軸頸可具有經定尺寸在2至12英寸之範圍中之一直徑。匹配板界面之大平行區域確保固持平行度，同時在界面中提供優異剛度。通常，接合板704及706與上子轉子702及下子轉子712相同，但其他構形亦係可能的。 接合板704、706通常由鋼製成並且具有預鑽孔以接納螺栓或其他緊固器件。接合板704、706通常相對於軸頸及子轉子之旋轉軸對稱。接合板704、706之一最佳厚度在0.5至2英寸之範圍中；而在某些實施例中，每板0.25英寸至3英寸之一範圍係可接受的。 類似於圖6中所繪示之接合機構實施例，一對準銷710可透過上子轉子702之下軸頸及下子轉子712之上軸頸之軸向中心插入至一預鑽孔中。對準銷710維持兩個子轉子之間之對準(即同心性)，藉此防止在操作期間兩個子轉子之間之徑向位移或滑動。其進一步用於防止或減少振動。 圖6及圖7繪示用於機械地接合兩個子轉子以形成一單個整體式轉子之兩種技術。其他接合技術可被使用，並且在本發明之範疇及精神內。 在閱讀本發明之後，熟習此項技術者將透過本文揭示之原瞭解額外替代結構及功能設計。因此，雖然已經繪示及描述特定實施例及應用，但應理解，所揭示之實施例並不限於本文揭示之精確構造及組件。熟習此項技術者將清楚，在不脫離隨附申請專利範圍界定之精神及範疇之情況下，可對本文中揭示之方法及裝置之配置、操作及細節進行各種修改、改變及變動。

100‧‧‧飛輪能量儲存系統

130‧‧‧飛輪轉子

140‧‧‧馬達/交流發電機

150‧‧‧第一反相器

160‧‧‧電容器

170‧‧‧第二反相器

180‧‧‧AC線

202‧‧‧第一半徑

204‧‧‧第二半徑

206‧‧‧第三半徑

208‧‧‧第四半徑

210‧‧‧外表面/外直徑

212‧‧‧軸頸

212a‧‧‧軸頸

212b‧‧‧軸頸

214‧‧‧凹坑

218‧‧‧向外延伸長度

220‧‧‧直徑

222‧‧‧連接端

224‧‧‧軸之直徑

226‧‧‧中心旋轉軸/中心軸/旋轉軸

228‧‧‧最寬厚度

230‧‧‧主旋轉質量

240‧‧‧軸

401‧‧‧步驟

403‧‧‧步驟

405‧‧‧步驟

407‧‧‧步驟

409‧‧‧步驟

411‧‧‧步驟

502‧‧‧子轉子

504‧‧‧子轉子

506‧‧‧接合機構

602‧‧‧外殼

604‧‧‧上軸承

606‧‧‧上樞軸

608‧‧‧上子轉子

610‧‧‧接合套環

612‧‧‧對準銷

614‧‧‧下子轉子

616‧‧‧下軸承

618‧‧‧下樞軸

702‧‧‧上子轉子

704‧‧‧接合板

706‧‧‧接合板

708‧‧‧緊固件

710‧‧‧對準銷

712‧‧‧下子轉子

圖1係根據一項實施例之一例示性飛輪能量儲存系統之一方塊圖。 圖2係根據一項實施例之一飛輪轉子之一橫截面圖。 圖3係根據一項實施例之一飛輪轉子之一軸徑之一橫截面圖。圖3亦繪示將樞軸安裝至軸頸上之一收縮配合。 圖4係根據一項實施例之用於製造飛輪轉子之一例示性程序。 圖5係藉由一接合機構互連之一飛輪單元之兩個子轉子之一疊層之一橫截面圖。 圖6係藉由一接合套環連接之兩個子轉子之一堆疊構建之一例示性轉子之一橫截面圖。 圖7係一接合機構之一第二實施例之一橫截面圖，該接合機構使用接合板連接兩個子轉子使得其等有效地作為一單個整體式轉子進行操作。 圖式僅僅出於繪示之目的描繪本發明之實施例。熟習此項技術者將自以下討論中容易地認識到，在不脫離本文描述之本發明之原理之情況下，可採用本文所繪示之結構及方法之替代實施例。

Claims (19)

1. 一種飛輪轉子(flywheel rotor)，其包括：一者堆疊於另一者頂部上之複數個子轉子(sub-rotor)，各子轉子係旋轉對稱的，並且係盤形，其中該堆疊中之各子轉子之軸向中心旋轉對準，其中各子轉子具有一上軸頸(journal)及一下軸頸，其自該子轉子之主旋轉質量之中心區段之原點向外延伸，且其中針對該堆疊中之各對相鄰(adjacent)子轉子，一上子轉子之一下軸頸安置於一下子轉子之一上軸頸上方；及一接合(joining)機構，其用於各對相鄰子轉子，該接合機構將該上子轉子之該下軸頸固定地連接至該下子轉子之該上軸頸。
2. 如請求項1之飛輪轉子，其進一步包括：一對準銷，其插入至該上子轉子之該下軸頸中之一預鑽孔中，並插入至該下子轉子之該上軸頸中，以進一步維持相鄰子轉子之間之對準。
3. 如請求項1之飛輪轉子，其中各子轉子由一單片鋼製成。
4. 如請求項1之飛輪轉子，其中各子轉子為實質上相同大小及形狀。
5. 如請求項4之飛輪轉子，其中各子轉子之厚度係在實質上8英寸與14英寸之間。
6. 如請求項4之飛輪轉子，其中在其距離其各自子轉子之中心最遠處之各軸頸之直徑係在實質上4英寸與6英寸之間。
7. 如請求項1之飛輪轉子，其中該複數個子轉子由兩個子轉子組成。
8. 如請求項1之飛輪轉子，其中該接合機構形成足以將該轉子之最低自諧振頻率模式設定在設計速度範圍之上之一接頭。
9. 如請求項1之飛輪轉子，其中該接合機構包括一接合套環，其中該接合套環係環繞該上子轉子之該下軸頸並進入該下子轉子之該上軸頸之一中空圓柱體。
10. 如請求項1之飛輪轉子，其中該接合套環由鋼製成並且與其環繞之該等子轉子之各者收縮配合。
11. 如請求項9之飛輪轉子，其進一步包括：一對準銷，其插入至該上子轉子之該下軸頸中之一孔中並插入至該下子轉子之該上軸頸中，以進一步維持相鄰子轉子之間之對準。
12. 如請求項1之飛輪轉子，其中該接合機構包括：兩個接合板，其中第一接合板附接至該上子轉子之該下軸頸，且第二接合板附接至該下子轉子之該上軸頸；及一或多個緊固件(fasteners)，其連接該第一及第二接合板。
13. 如請求項12之飛輪轉子，其中各接合板相對於旋轉軸對稱，並且包括接合至一各自子轉子軸頸之一部分。
14. 如請求項12之飛輪轉子，其中各接合板之厚度係在0.25至3英寸之範圍內。
15. 如請求項12之飛輪轉子，其中各接合板由鋼製成。
16. 如請求項12之飛輪轉子，其中用一圓形螺栓圖案來實施該一或多個緊固件。
17. 如請求項12之飛輪轉子，其中該一或多個緊固件之張力足以賦予接合板之間之壓縮負載，使得該接合板在所有操作負載條件下保持正接觸，該所有操作負載條件包含暫態及連續負載條件。
18. 如請求項12之飛輪轉子，其進一步包括：一對準銷，其插入至該上子轉子之該下軸頸上之該接合板中之一預鑽孔中，並插入至該下子轉子之該上軸頸之該接合板，以進一步維持相鄰子轉子之間之對準。
19. 一種飛輪轉子，其包括：水平(horizontally)堆疊之複數個子轉子，各子轉子係旋轉對稱的， 並且係盤形，其中該堆疊中之各子轉子之軸向中心旋轉對準，其中各子轉子具有一左軸頸及一右軸頸，其自該子轉子之主旋轉質量之中心區段之原點向外延伸，且其中針對該堆疊中之各對相鄰子轉子，一第一子轉子之一右軸頸相鄰一第二子轉子之一左軸頸而安置；及一接合機構，其用於各對相鄰子轉子，該接合機構將該第一子轉子之該右軸頸固定地連接至該第二子轉子之該左軸頸。