飛輪的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于構(gòu)造將扭矩從飛輪傳遞到驅(qū)動輪的磁力傳動聯(lián)接器的裝置和方法，聯(lián)接器采用永磁體陣列和在其之間的磁通量聯(lián)接元件，且聯(lián)接元件和陣列中的至少一個周向交錯或展開，以避免陣列和元件的完全對準(zhǔn)，并由此緩和扭矩聯(lián)接能力的振動。
【專利說明】飛輪
[0001] 本發(fā)明專利申請是國際申請?zhí)枮镻CT/GB2010/000592,國際申請日為2010年3月 26日，進(jìn)入中國國家階段的申請?zhí)枮?01080022351. 2,名稱為"飛輪"的發(fā)明專利申請的分 案申請。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明涉及一種飛輪和用于構(gòu)造能量儲存用的飛輪的方法。

【背景技術(shù)】
[0003] 已知用于以動能形式儲存能量、例如用于車輛的飛輪。在這種情況下，已知使用飛 輪來儲存能量，否則這種能量在車輛減速時將被轉(zhuǎn)換成車輛制動系統(tǒng)中的熱量，這種儲存 的能量隨后在需要時可用于使車輛加速。
[0004] 根據(jù)圖1的已有類型的飛輪具有可以安裝在諸如軸的中央支承體上的中央金屬 支承部（1)。至少一個復(fù)合環(huán)（2)安裝在中央支承部上。在這種類型飛輪中的復(fù)合環(huán)是由 碳纖維纏繞而得的細(xì)絲。當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)動時，該環(huán)將由于作用于其上的離心力趨向于沿直徑擴(kuò) 大。該環(huán)具有較高的環(huán)繞強(qiáng)度以當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)動時對離心力反作用。然而，外環(huán)會在中央支承 部上變成松配合，并潛在地（危險地）從中央支承部卸下。此外，徑向應(yīng)力會導(dǎo)致復(fù)合環(huán)的 失效。
[0005] 為了抵消環(huán)擴(kuò)大的趨勢，環(huán)通常機(jī)加工有比中央支承部的外徑小的內(nèi)徑，然后以 過盈配合安裝到中央支承部上。這種直徑上的不匹配導(dǎo)致預(yù)載荷，因而，該環(huán)將向內(nèi)的力施 加到中央支承部上。當(dāng)飛輪不轉(zhuǎn)動時這種向內(nèi)的預(yù)載荷最大，并且導(dǎo)致要求中央支承部結(jié) 構(gòu)上足夠強(qiáng)，以能在飛輪靜止時抵抗預(yù)載荷的力。已知一個以上的復(fù)合環(huán)被壓到一起并進(jìn) 一步安裝在中央支承體上。預(yù)載荷朝向飛輪的中心增大，并隨著被壓在一起的環(huán)的數(shù)目而 增大。因此，在飛輪的中央支承部中需要大量材料來抵消預(yù)載荷的力，且接近飛輪中心的這 種材料僅非常低效率地增加飛輪的轉(zhuǎn)動慣量。此外，如果輪轂比復(fù)合環(huán)更剛硬，則當(dāng)飛輪速 度增大而預(yù)載荷減小時，所增加的質(zhì)量將導(dǎo)致輪轂中的應(yīng)力管理問題。
[0006] 另外，在現(xiàn)有的系統(tǒng)中，超過復(fù)合環(huán)的最大應(yīng)力率會導(dǎo)致失效。在上述類型的飛輪 中，由于預(yù)載荷，中央支承部在復(fù)合環(huán)上施加向外的力。當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)動時，該力與作用在環(huán)上 的離心力的方向相同。然后，當(dāng)輪轂的硬度低于復(fù)合環(huán)時，環(huán)必須足夠堅(jiān)固，以在飛輪以最 大速度轉(zhuǎn)動時抵消預(yù)載荷力和離心力之和。因此，這種類型飛輪的另一問題在于預(yù)載荷降 低飛輪的最大轉(zhuǎn)動速度。
[0007] 現(xiàn)有系統(tǒng)的另一問題是，如果飛輪被聯(lián)接到例如車輛變速器，則通常需要鍵連接 的聯(lián)接器，以使較高的瞬時扭矩水平（例如當(dāng)快速改變車輛變速器的傳動比時，由此需要 飛輪來快速地進(jìn)行加速或減速）可以傳遞到飛輪而不會發(fā)生打滑。
[0008] 在2007年12月7日提交的英國專利申請0723996. 5中所述類型的飛輪通過提供 一種具有驅(qū)動傳遞元件和包括質(zhì)量元件的輪緣的飛輪克服了上述限制，其中，通過卷繞件 聯(lián)接輪緣和驅(qū)動傳遞元件。然而，當(dāng)飛輪以增大速度轉(zhuǎn)動時，這種類型的飛輪期望具有對飛 輪部件中應(yīng)力的指示。
[0009] 英國專利申請0902840. 8通過使警告或指示器環(huán)包含到飛輪中來提供對飛輪部 件中的應(yīng)力的上述指示。指示器環(huán)能以過盈配合安裝到飛輪，因而，在環(huán)和飛輪之間建立殘 余應(yīng)力。過盈配合或預(yù)載荷的水平和環(huán)以及環(huán)所安裝到飛輪上的那部分的相對硬度選擇 成，當(dāng)飛輪以預(yù)定觸發(fā)速度或超過預(yù)定觸發(fā)速度轉(zhuǎn)動時，預(yù)載荷基本上由離心力來克服，從 而使環(huán)和支承構(gòu)件至少部分分離。然后，該環(huán)能夠在飛輪上運(yùn)動，從而引起"不平衡"狀態(tài)， 從而導(dǎo)致可探測到的振動，這種振動作為飛輪部件中的應(yīng)力指示。
[0010] 現(xiàn)有飛輪的另一問題是需要仔細(xì)調(diào)飛輪的轉(zhuǎn)動質(zhì)量的平衡。由于儲存于轉(zhuǎn)動飛輪 中的運(yùn)動能量與?2成比例（其中，?是飛輪的角速度），所以增加飛輪的最大轉(zhuǎn)速允許更 多能量儲存于給定質(zhì)量的飛輪中，并由此增大這種飛輪的儲能密度。然而，當(dāng)轉(zhuǎn)速增大時， 組件的平衡變得更重要，如證實(shí)飛輪的結(jié)構(gòu)整體性那樣。此外，平衡飛輪的成本一般隨著所 需平衡的精確度而增加。
[0011] 另一個問題是當(dāng)平衡諸如英國專利申請0723996. 5和0902840. 8中所述類型的復(fù) 合飛輪時，若不嚴(yán)重影響復(fù)合物的結(jié)構(gòu)整體性，則在復(fù)合部件（即，質(zhì)量支承緣）上僅能進(jìn) 行有限量的機(jī)加工/處理。由此，這影響了平衡過程的簡單性，這是因?yàn)楸仨氃谶h(yuǎn)離復(fù)合緣 的位置從飛輪去除材料。
[0012] 另一個問題是用于平衡飛輪的現(xiàn)有方法一般包含從飛輪中機(jī)加工和/或磨削和/ 或鉆出材料。這種對復(fù)合飛輪的材料進(jìn)行機(jī)加工和/或磨削和/或鉆孔不但會損壞復(fù)合部 件的結(jié)構(gòu)完整性（如前所述），而且此外這種機(jī)加工限制以如下至少兩種方式可獲得的平 衡精度。首先，平衡操作的精度受到在機(jī)加工操作過程中飛輪所安裝到的車床主軸的精準(zhǔn) 度以及將飛輪質(zhì)量安裝到車床主軸的精度的限制。其次，平衡精度受到能在機(jī)加工/磨削/ 鉆孔過程中去除的材料的最小厚度的限制，這又會受到操作者的技術(shù)和/或（如果機(jī)加工 工具是計(jì)算機(jī)數(shù)值控制的話）數(shù)控機(jī)床的精度的影響。這使情況更為嚴(yán)重，因?yàn)閺娘w輪去 除的材料必定是緊密的（以使飛輪儲能密度最大化）。
[0013] 因此，可期望發(fā)現(xiàn)一種用于使這種飛輪簡單和快速平衡到較高精度的方法。還可 期望的是該方法應(yīng)同時確保飛輪的結(jié)構(gòu)完整性。這種方法將節(jié)約時間、生產(chǎn)成本、資金成本 并還將提高飛輪的性能和可靠性。
[0014] 現(xiàn)有飛輪有時構(gòu)造成飛輪的轉(zhuǎn)動質(zhì)量在含真空的腔室內(nèi)轉(zhuǎn)動。在真空下操作轉(zhuǎn)動 質(zhì)量是有利的，因?yàn)樗鼫p小由于空氣阻力（也已知為風(fēng)阻（windage))造成的能量損失。然 而，為了將能量傳遞到轉(zhuǎn)動的飛輪質(zhì)量內(nèi)并從其中傳遞出，需要聯(lián)接裝置。一些現(xiàn)有飛輪使 用穿過真空腔室內(nèi)的轉(zhuǎn)動密封件的轉(zhuǎn)動軸，以將扭矩從能量源聯(lián)接到飛輪儲能裝置。但轉(zhuǎn) 動密封件絕不是完美的，這是因?yàn)樗鼈儾豢杀苊獾匦孤?，并因此需要?lián)接到真空腔室的環(huán) 境管理系統(tǒng)，從而盡管有泄漏還是可保持真空。此外，密封件隨著時間推移以及隨轉(zhuǎn)速增大 而變得更"易漏"，并且以較高的速度磨損得也更快。因此，使用轉(zhuǎn)動密封件是不期望的。這 種環(huán)境管理系統(tǒng)的質(zhì)量、體積和成本是不期望的。
[0015] 磁聯(lián)接器可與飛輪一起使用以穿過真空腔室壁傳遞扭矩，由此避免需要轉(zhuǎn)動密封 件。然而，這種使用永磁體的磁聯(lián)接器的扭矩傳遞力在先前已發(fā)現(xiàn)是不足的。
[0016] 已發(fā)現(xiàn)至少部分是這樣，因?yàn)閷τ诮o定的磁極強(qiáng)度，在兩轉(zhuǎn)動構(gòu)件的磁極之間穿 過的磁通量受到兩構(gòu)件之間的"空氣間隙"的限制。實(shí)際上，空氣間隙包括外部轉(zhuǎn)動構(gòu)件和 真空壁之間的空氣間隙、真空壁本身以及真空壁和內(nèi)部轉(zhuǎn)動構(gòu)件之間的真空間隙。由于真 空腔室壁必須結(jié)構(gòu)上強(qiáng)到足以支承大氣壓，所以它的厚度必定相當(dāng)大，從而導(dǎo)致內(nèi)部轉(zhuǎn)動 構(gòu)件和外部轉(zhuǎn)動構(gòu)件之間較大的"空氣間隙"。
[0017] 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)應(yīng)通過采用電磁極來克服這種受限的扭矩聯(lián)接能力，以增大磁場強(qiáng)度并 由此提高扭矩聯(lián)接能力。然而，使用電磁極需要能量轉(zhuǎn)化，由此減少儲能飛輪的效率（因?yàn)?電磁體需要電能來操作它們，這必須從儲存在飛輪中的能量獲得）。此外，與電磁聯(lián)接器相 關(guān)的附加控制和功率電子大大增大包括這種電磁聯(lián)接器的飛輪儲能系統(tǒng)的尺寸和重量，由 此還減小這種飛輪儲能系統(tǒng)的儲能質(zhì)量密度和體積密度。因此，需要在真空腔室內(nèi)操作的、 將能量聯(lián)接到儲能飛輪內(nèi)并從其中聯(lián)接出的的方法，該方法在質(zhì)量、體積和能量方面是有 效的。
[0018] 現(xiàn)有飛輪的另一問題是盡管飛輪本身應(yīng)能夠以較大角速度轉(zhuǎn)動，但使飛輪不變地 聯(lián)接到能量源或換能器（諸如發(fā)動機(jī)或變速器）的驅(qū)動軸和在真空腔室之外的相關(guān)部件由 于空氣阻力（或"風(fēng)阻"）而受到損耗。
[0019] 磁力傳動裝置使用磁體（例如永磁體）陣列和固定極片來在例如驅(qū)動軸的可轉(zhuǎn)動 構(gòu)件之間傳遞扭矩。當(dāng)與傳統(tǒng)機(jī)械式傳動裝置相比時，它們具有較低的磨損。但它們的扭 矩傳遞力取決于磁體相對彼此的轉(zhuǎn)動位置，因此隨著軸轉(zhuǎn)動而變化。例如，當(dāng)在圖上關(guān)于角 位置繪制扭矩傳遞力時，在扭矩曲線中會呈現(xiàn)若干波峰和波谷。這已知為"齒槽效應(yīng)"并導(dǎo) 致一組不期望的特征。
[0020] 首先，扭矩曲線中的波峰和波谷產(chǎn)生具有隨嚙合位置的可變化的"失步"扭矩的磁 力傳動裝置。即，在傳動裝置將滑出嚙合之前所需的扭矩根據(jù)轉(zhuǎn)動嚙合位置來變化。因此， 這種用于傳遞給定水平的扭矩的傳動組件必須設(shè)計(jì)成如由扭矩曲線中的波谷中的一個表 示的（圖26中示出為約20Nm)最小扭矩聯(lián)接能力比設(shè)計(jì)扭矩處理值大。為此，磁體陣列的 尺寸必須適當(dāng)更大，且這還通常導(dǎo)致在某些嚙合位置過度的扭矩聯(lián)接能力，從而表現(xiàn)出低 效率。因此，磁體陣列的尺寸通常大于如果扭矩曲線更接近地遵循平均扭矩處理能力所必 要的尺寸，由此增加它們的成本和尺寸，并減小包含這種磁力傳動裝置的飛輪的儲能密度。
[0021] 此外，由于磁力傳動裝置的輸入軸和輸出軸之間的角偏移根據(jù)所施加的扭矩和給 定嚙合位置處的扭矩聯(lián)接能力而變化，如果扭矩聯(lián)接能力隨嚙合位置而變化，則這將導(dǎo)致 軸中的扭轉(zhuǎn)振動。這種扭轉(zhuǎn)振動會減少相關(guān)機(jī)械部件的壽命，和/或可導(dǎo)致失效和/或脫 離。如果轉(zhuǎn)速使扭轉(zhuǎn)振動的頻率與機(jī)械系統(tǒng)的共振頻率重合，則這就是特別嚴(yán)重的問題。因 此，如果扭矩曲線中的波峰和波谷之間的變化可減小或消除則將是有利的。這將允許使用 較小、較便宜的磁體陣列，這是因?yàn)樽钚∨ぞ芈?lián)接能力將大大接近于平均扭矩聯(lián)接能力。軸 的扭轉(zhuǎn)振動也將減小，從而允許使用較便宜、較輕和較小的部件。采用這種較小、較便宜和 較輕部件的飛輪儲能系統(tǒng)將具有較高的儲能密度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0022] 權(quán)利要求書闡明了本發(fā)明。
[0023] 在本發(fā)明的第一方面，提供有如所附權(quán)利要求書的權(quán)利要求1中所限定的用于聯(lián) 接力的裝置。
[0024] 在本發(fā)明的第二方面，提供有如所附權(quán)利要求書的權(quán)利要求24中所限定的方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 現(xiàn)將參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中：
[0026] 圖1是已知飛輪的示意圖；
[0027] 圖2是本發(fā)明的實(shí)施例的等軸立體圖；
[0028] 圖3是圖2實(shí)施例的剖視圖；
[0029] 圖4是軸的構(gòu)造的視圖；
[0030] 圖5是卷繞方式的詳圖；
[0031] 圖6是軸處卷繞件的視圖；
[0032] 圖7是示出輪緣處另一纏繞方法的視圖；
[0033] 圖8是包含警告環(huán)的飛輪的剖視圖；
[0034] 圖9是圖8實(shí)施例的偵彳視圖；
[0035] 圖10是包含警告環(huán)的另一實(shí)施例的視圖；
[0036] 圖11是圖10實(shí)施例的側(cè)視圖；
[0037] 圖12是具有警告環(huán)的另一實(shí)施例的視圖；
[0038] 圖13是圖12實(shí)施例的側(cè)視圖；
[0039] 圖14是包含警告環(huán)的另一實(shí)施例的視圖。
[0040] 圖15是構(gòu)造在真空腔室內(nèi)的飛輪的視圖；
[0041] 圖16是圖15的飛輪的剖視圖；
[0042] 圖17a是一種類型的磁聯(lián)接器的視圖；
[0043] 圖17b是具有聯(lián)接元件的磁聯(lián)接器的視圖；
[0044] 圖18a是周轉(zhuǎn)的磁力傳動聯(lián)接器的視圖；
[0045] 圖18b是圖18a的聯(lián)接器的一部分的特寫視圖；
[0046] 圖19a到19c是圖18a聯(lián)接器的一部分在其轉(zhuǎn)動經(jīng)過連續(xù)三個位置時的連續(xù)視 圖；
[0047] 圖20是當(dāng)包含到真空腔室壁中時諸如圖18a中所示磁聯(lián)接器的剖視圖；
[0048] 圖21是包含交錯磁極的磁力傳動聯(lián)接器的視圖；
[0049] 圖22是包含交錯磁極的周轉(zhuǎn)磁力傳動聯(lián)接器的視圖；
[0050] 圖23是包含展開聯(lián)接元件的周轉(zhuǎn)磁力傳動聯(lián)接器的視圖；
[0051] 圖24是包含交錯聯(lián)接元件和展開聯(lián)接元件的周轉(zhuǎn)磁力傳動聯(lián)接器的視圖；
[0052] 圖25是包含周轉(zhuǎn)磁力傳動聯(lián)接器的飛輪的剖視圖；
[0053] 圖26是示出關(guān)于傳動裝置嚙合位置的扭矩聯(lián)接能力的兩條曲線的視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0054] 總體而言，在此所述的裝置和方法涉及一種飛輪能量儲存裝置，其中，以慣性有效 的方式來使用這種構(gòu)造中所用的材料，且支承結(jié)構(gòu)處于張力作用下，包括質(zhì)量元件的輪緣 通過卷繞件在其外表面上保持在位（該卷繞件還經(jīng)過驅(qū)動傳遞元件周圍），而不是例如通 過壓緊的過盈配合而保持到其內(nèi)表面。
[0055] 在其它實(shí)施例中，支承元件可圍繞輪緣以抵消離心力，并且可設(shè)置諸如軸的扭轉(zhuǎn) 適應(yīng)或彈性驅(qū)動傳遞元件。
[0056] 卷繞件可以下面所述的許多方式構(gòu)造并還可以被預(yù)張緊。驅(qū)動傳遞元件可以是 軸，該軸可以是中空的并可以由卷繞的碳纖維來構(gòu)造。輪緣可包括周向支承構(gòu)件（也被稱 為支承元件）以及徑向安裝在支承構(gòu)件內(nèi)部的質(zhì)量元件。
[0057] 在實(shí)施例中，輪緣可由復(fù)合材料，例如經(jīng)卷繞的碳纖維和樹脂構(gòu)造成。質(zhì)量元件 可以是被按壓到或模制到加強(qiáng)元件內(nèi)的環(huán)。替代地，質(zhì)量元件可包括一個或多個高密度元 件，這些元件可連接成串、通過模制、鉆孔、按壓包含到輪緣內(nèi)或者粘性附連于加強(qiáng)元件的 內(nèi)部。
[0058] 驅(qū)動傳遞元件例如可以是中空的軸，且可以由經(jīng)卷繞的碳纖維復(fù)合物構(gòu)成。復(fù)合 物可以卷繞有纖維，這些纖維沿設(shè)置成使軸的彎曲和軸的扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致纖維長度變化的方向來 定向，因此，這些變形受到纖維抵抗長度上變化這一自然趨勢的阻礙。因此，軸可以成形為 順應(yīng)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動。
[0059] 警告環(huán)或指示器環(huán)能夠安裝至飛輪輪緣，且飛輪能設(shè)置成警告環(huán)和其它部件中的 一個相對于另一個在足夠量的離心力作用下運(yùn)動、擴(kuò)大、收縮、變形或扭曲。這會例如通過 使組件不平衡而影響組件的轉(zhuǎn)動，這可被監(jiān)測或探測到以提供過載的指示。
[0060] 因?yàn)轱w輪包含有警告環(huán)或指示器環(huán)以在轉(zhuǎn)動時不同地運(yùn)轉(zhuǎn)，所以當(dāng)飛輪到達(dá)不期 望的轉(zhuǎn)動速度時，探測器可探測到不同表現(xiàn)的結(jié)果，例如飛輪中的不平衡。
[0061] 指示器環(huán)可以過盈配合安裝到飛輪，并且由支承構(gòu)件或由驅(qū)動傳遞元件（例如， 軸）來支承。該環(huán)可由周向卷繞的纖維（例如，碳纖維）構(gòu)造成，或者可以是其它具有足夠 環(huán)繞強(qiáng)度的材料，其環(huán)繞強(qiáng)度使其能夠在最大設(shè)計(jì)飛輪速度下進(jìn)行不失效地轉(zhuǎn)動，并具有 如下面進(jìn)一步所述的合適的硬度。當(dāng)環(huán)被安裝至支承構(gòu)件時，該環(huán)可徑向設(shè)置在支承構(gòu)件 的外側(cè)或內(nèi)側(cè)。當(dāng)該環(huán)徑向設(shè)置在支承構(gòu)件的內(nèi)側(cè)時，環(huán)具有比支承構(gòu)件大或基本上相同 的硬度。當(dāng)該環(huán)徑向設(shè)置在支承構(gòu)件的外側(cè)時，環(huán)具有比支承構(gòu)件小或基本上相同的硬度。 支承構(gòu)件包括周向卷繞的纖維，例如碳纖維。當(dāng)環(huán)被安裝到驅(qū)動傳遞元件（例如，軸）時， 該環(huán)具有比驅(qū)動傳遞元件小或基本相同的硬度。
[0062] 過盈配合導(dǎo)致在飛輪處于閑置時環(huán)及其安裝件（例如，支承元件）之間產(chǎn)生預(yù)載 荷。預(yù)載荷的水平和環(huán)以及環(huán)的安裝件的相對硬度選擇成，當(dāng)飛輪在預(yù)定觸發(fā)速度或超過 預(yù)定觸發(fā)速度轉(zhuǎn)動時，由離心力基本上克服預(yù)載荷，從而使環(huán)和支承構(gòu)件分離。一般來說， 較小硬度的部件將傾向于比硬度大的元件伸展和"增大"得更多。但顯然，在環(huán)及其安裝件 具有基本上相同硬度的情況下，兩部件將仍傾向于在轉(zhuǎn)動時分離，這是因?yàn)楦蟮牧ψ饔?于在離開轉(zhuǎn)動軸線更大半徑處的部件?？梢韵鄳?yīng)地調(diào)節(jié)徑向位置和材料硬度的組合，以在 期望的預(yù)定速度下達(dá)到分離。預(yù)定速度選擇成比預(yù)期飛輪將要失效的速度低。環(huán)通過壓配 合而裝配至其安裝件，這導(dǎo)致在過盈配合的邊界處產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力分布。
[0063] 參見圖2和7,為了有效地提供較大慣量，包括質(zhì)量元件（10)的輪緣（50)設(shè)置在 離開提供中心轉(zhuǎn)動軸線（20)的諸如軸（60)的驅(qū)動傳遞元件、相比于飛輪（30)的尺寸來說 相對較大的半徑處，該質(zhì)量元件（10)例如包括相對較重材料的環(huán)。質(zhì)量元件（10)具有較 高密度以有效提供慣量。合適的材料也可以是鉛或鋼之類，但也可使用其它材料。當(dāng)飛輪 (30)轉(zhuǎn)動時，質(zhì)量元件（10)受到由離心力引發(fā)的應(yīng)力。
[0064] 外周向支承構(gòu)件（40)位于質(zhì)量元件的徑向外側(cè)。支承構(gòu)件（40)具有較高的環(huán)箍 強(qiáng)度并能抵消當(dāng)飛輪（30)轉(zhuǎn)動時作用于質(zhì)量元件（10)的離心力。支承構(gòu)件（40)較佳是碳 纖維復(fù)合物、沿周向卷繞，以賦有較高的環(huán)箍強(qiáng)度。在所示實(shí)施例中，支承構(gòu)件（40)以較小 的過盈配合的預(yù)載荷被壓到質(zhì)量元件（10)上，因而，兩者被有效連結(jié)，從而形成輪緣（50)。 僅需較小的預(yù)載荷，這是因?yàn)楫?dāng)飛輪靜止時，預(yù)載荷僅起到以過盈配合方式將兩元件保持 在一起的作用。替代地，兩者可通過粘結(jié)劑或類似物來連結(jié)。對質(zhì)量更為有效的布置，從而 使質(zhì)量集中在飛輪的輪緣附近，使得對于給定的能量儲存能力來說飛輪更輕。盡管在圖2 中所示的質(zhì)量元件示出為連續(xù)環(huán)，但替代地它也可以是分離的環(huán)段或可以是分立的質(zhì)量的 元件。例如，在圖7中示出另一結(jié)構(gòu)，其中，質(zhì)量可插入或模制到支承構(gòu)件（40)內(nèi)，作為環(huán) 或作為分立的元件而插入或模制到支承構(gòu)件（40)中的容納孔內(nèi)。
[0065] 參見圖2、5和6,卷繞件將輪緣（50)聯(lián)接到軸（60)。卷繞件構(gòu)造成它由從軸（60) 延伸到輪緣（50)的基本上或部分徑向部分（80)和圍繞輪緣（50)延伸的基本上軸向部分 (90)構(gòu)成。在所示實(shí)施例中，卷繞件是以如下的卷繞操作過程進(jìn)行卷繞的細(xì)絲：徑向部分 從軸（60)至lj輪緣（50)，軸向部分在輪緣（50)上，以形成"系帶/吊索（sling)"，然后徑向 部分以重復(fù)方式從輪緣（50)返回到軸（60)。在某些但不必在所有反復(fù)的卷繞操作之間，卷 繞件（87)可至少部分地經(jīng)過軸（60)的圓周周圍。卷繞件（80,90)將在離心力作用下隨輪 緣（50)增大而略微伸展，并將在輪緣（50)上施加反作用力。由此，卷繞件（80,90)幫助輪 緣（50)的支承構(gòu)件（40)抵抗作用于質(zhì)量元件（10)的離心力并有助于抵抗輪緣（50)的徑 向增大。卷繞件（80,90)可以由包括碳、玻璃纖維、凱夫拉爾、柴?。╖ylon)或尼龍的纖維 構(gòu)成，或者可以在較小的應(yīng)力場合中由金屬絲構(gòu)成。由此，不需要諸如中央支承部或輪輻的 較重的安裝結(jié)構(gòu)。
[0066] 在質(zhì)量元件包括易延展或可鍛材料的實(shí)施例中，支承構(gòu)件（10)和卷繞件（80,90) 可以在制造期間通過下述方法進(jìn)行預(yù)張緊：飛輪以文中上述的方式進(jìn)行組裝，而驅(qū)動傳遞 元件￠0)和輪緣（50)通過卷繞件來聯(lián)接，輪緣（50)包括質(zhì)量元件（10)和外支承構(gòu)件 (40)。在該階段，不需要或需要極少的向內(nèi)的預(yù)載荷。然后，飛輪以足夠快的角速度進(jìn)行旋 轉(zhuǎn)，以使質(zhì)量元件（10)上的離心力足以使飛輪屈服并且比其最終的抗拉強(qiáng)度小。由此，質(zhì) 量元件（10)向外屈服且其圓周增大。質(zhì)量元件（10)圓周的增大導(dǎo)致質(zhì)量元件（10)和支承 構(gòu)件（40)之間可靠的過盈配合，由此使支承構(gòu)件（40)伸展和預(yù)張緊并且還使卷繞件（80， 90)伸展和預(yù)張緊。質(zhì)量元件（10)具有低到中等的楊氏模量，該楊氏模量比支承構(gòu)件（40) 的小，因而，質(zhì)量元件（10)的在離心力作用下變形的趨勢比支承構(gòu)件（40)的變形趨勢大。 這種操作致使支承構(gòu)件（40)和卷繞件（80,90)都被預(yù)張緊。這樣，支承構(gòu)件（40)和卷繞 件（80,90)都被預(yù)張緊，相比于在增加卷繞件前使質(zhì)量元件（10)以過盈配合的方式配合至 支承構(gòu)件（40)，這將僅僅致使支承構(gòu)件（40)預(yù)張緊。在其它實(shí)施例中，上述方法可用于單 獨(dú)使支承構(gòu)件預(yù)張緊。
[0067] 在其它實(shí)施例中，具有極低楊氏模量的材料，諸如鉛，構(gòu)成質(zhì)量元件（10)。使用諸 如水銀的較高密度的液體可產(chǎn)生其中質(zhì)量元件（10)為自平衡的飛輪。支承構(gòu)件（40)將質(zhì) 量元件（10)限制在支承構(gòu)件（40)徑向內(nèi)側(cè)。
[0068] 包括質(zhì)量元件（10)的所使用的合適的易延展或可鍛材料具有相比于它們屈服強(qiáng) 度的第一點(diǎn)較大的最終抗拉強(qiáng)度，從而形成足夠大的易延展區(qū)域，以在上面詳述的制造操 作期間超過材料的屈服點(diǎn)，而沒有超過材料的最終抗拉強(qiáng)度的風(fēng)險。屈服強(qiáng)度比最終抗拉 強(qiáng)度之比接近1:2。用于質(zhì)量元件（10)的材料還具有第一屈服點(diǎn)，該屈服點(diǎn)足夠低以使其 可在中等的飛輪速度下被超過，從而避免飛輪其它部分的失效，這種部件例如是外支承構(gòu) 件（40)和卷繞件（80,90)。材料還具有如下特性，S卩，使產(chǎn)生預(yù)加載過程的離心力引起質(zhì)量 元件（10)的足夠大的周向變形，以使支承構(gòu)件（40)和卷繞件（80,90)的所產(chǎn)生的變形導(dǎo) 致預(yù)載荷，當(dāng)飛輪以在正常操作期間遇到的典型轉(zhuǎn)動速度進(jìn)行轉(zhuǎn)動時，該預(yù)載荷顯著抵消 作用于質(zhì)量元件（10)的離心力。
[0069] 在質(zhì)量元件（10)使用上述方法不延展又不被預(yù)加載的實(shí)施例中，質(zhì)量元件的最 終抗拉強(qiáng)度較優(yōu)地接近于支承構(gòu)件（40)的最終抗拉強(qiáng)度，且質(zhì)量元件（10)的屈服強(qiáng)度盡 可能接近支承構(gòu)件（40)的最終抗拉強(qiáng)度。
[0070] 參見圖5,可選擇卷繞部分（80)從軸（60)到輪緣（50)的角度，以決定軸（60)和 輪緣（50)之間的扭矩傳遞特性。所用的角度可在i)切向于軸的圓周以及ii)垂直于軸的 圓周之間選擇。接近于相對于軸（60)的垂直角的經(jīng)選擇的角度將增大由卷繞件（80)對抵 消作用于質(zhì)量元件（40)的離心力所作的貢獻(xiàn)。接近于切向于軸（60)的經(jīng)選擇的角度將增 大卷繞件（80)在軸（60)和輪緣（50)之間傳遞扭矩的能力。可以選擇在上述角度范圍內(nèi) 的折衷角度，以優(yōu)化由卷繞件所作的貢獻(xiàn)。由于卷繞件（80,90)僅能夠在張緊時傳遞扭矩， 因此徑向的卷繞部分（80)可沿順時針（85)和逆時針（86)方向設(shè)置，因而，根據(jù)飛輪在加 速還是在減速，順時針（85)或逆時針（86)的卷繞部分受拉。還可以改變圍繞設(shè)有卷繞件 的軸的軸向位置，以改變抗拉支承的強(qiáng)度。
[0071] 參見圖2,卷繞件（80,90)的繞圈數(shù)以及由此該卷繞件的強(qiáng)度可變化。同樣，可變 化碳支承構(gòu)件（40)內(nèi)的纖維的繞圈數(shù)，以改變其強(qiáng)度。由于抵抗作用于質(zhì)量元件（10)的 離心力的反作用是來自支承構(gòu)件（40)和卷繞件（80,90)組合的反作用，因此來自它們中每 一個的相關(guān)貢獻(xiàn)可通過改變卷繞件（80,90)內(nèi)的繞圈數(shù)和支承構(gòu)件（40)內(nèi)的繞圈數(shù)來變 化。一方面，支承構(gòu)件（40)可被完全移除，由此僅通過卷繞件（80,90)抵消作用于質(zhì)量元 件的離心力。此外，卷繞件可連續(xù)圍繞整個圓周延伸，或者可以由沿周向在各個纖維或各組 纖維之間的間隙來中斷，從而提供"像輪輻"的結(jié)構(gòu)。例如，在質(zhì)量元件是多個分立元件的 情況下，輪緣處的卷繞件（90)可與分立的質(zhì)量元件對準(zhǔn)。
[0072] 參見圖3,輪緣（50)至少暫時由可以是軸（60)的驅(qū)動傳遞元件上的支架部分 (70)來支承。支架部分較佳地由輕質(zhì)材料構(gòu)成，以減小總體飛輪質(zhì)量并將質(zhì)量聚集在周界 處。支架部分可例如由木、蠟、樹脂或其它輕質(zhì)材料制成。支架部分允許輪緣安裝在驅(qū)動傳 遞元件上，而在制造期間施加卷繞件。支架部分可以在卷繞件被施加到輪緣和驅(qū)動傳遞元 件之后借助于腐蝕、溶解、融化或升華來移除或可移除。
[0073] 對比于輪緣，卷繞件和支架部分相對較輕，由此飛輪可構(gòu)造有輪緣，該輪緣包括質(zhì) 量元件，因而，飛輪的大部分質(zhì)量靠近慣量上最有效的輪緣。支架部分（70)可以粘膠到軸 (60)和/或輪緣（50)。
[0074] 參見圖4,軸（60)可以是實(shí)心的，但較佳為中空的，以減小其質(zhì)量。軸（60)較佳為 碳纖維復(fù)合物，其編織成扭轉(zhuǎn)適應(yīng)且軸向剛硬。但軸可以由諸如玻璃纖維、鋼、鈦、其它金屬 或復(fù)合物的其它材料制成。在纖維復(fù)合軸的情況下，可以變化纖維的編織方式，以影響抵抗 彎曲和扭轉(zhuǎn)的程度并良好地調(diào)節(jié)軸的扭轉(zhuǎn)順應(yīng)性。軸可以具有按壓或膠粘到其上的一個或 多個支承表面（65)。一個或多個支承表面（65)還可包含驅(qū)動聯(lián)接器（66)或者單獨(dú)的驅(qū) 動聯(lián)接器可膠粘或按壓到軸上。軸的扭轉(zhuǎn)順應(yīng)性對限制驅(qū)動聯(lián)接器處的峰值扭矩水平有效 果，因此允許使用具有比鍵連接的驅(qū)動聯(lián)接器的峰值扭矩處理能力低的驅(qū)動聯(lián)接器，例如 摩擦或磁性聯(lián)接器。
[0075] 通過參見附圖3和6可進(jìn)一步理解飛輪的制造。卷繞件（80,90)可通過"濕卷繞" 過程來成形，由此例如使用樹脂或粘合劑來提供連結(jié)。形成卷繞件（80,90)的纖維可浸漬 有樹脂或粘合劑，并且可在樹脂或粘合劑還"濕"時卷繞，即，樹脂或粘合劑還處于未固化的 狀態(tài)下。替代地，支承構(gòu)件（40)可在形成卷繞件（80,90)的過程前或期間涂敷有樹脂和粘 合劑，以使卷繞件（80,90)粘附于支承構(gòu)件（40)。類似地，軸（60)可在卷繞過程前或期間 涂敷有樹脂和粘合劑，以使卷繞件（80,90)粘附于軸￠0)。這些技術(shù)增強(qiáng)軸￠0)和輪緣 (50)之間的扭矩傳遞。替代地，可使用卷繞件（80,90)、軸￠0)以及輪緣（50)之間的過盈 配合。
[0076] 參見圖7,卷繞件（80,90)和支承構(gòu)件（40)在下文中被描述為分離的卷繞元件。 然而，可以通過例如使卷繞件（80,90)的繞圈和支承構(gòu)件（40)的繞圈交叉/交織來組合兩 個元件。還可首先形成支承構(gòu)件（40)、形成穿過支承構(gòu)件的孔（45)，然后形成具有穿過支 承構(gòu)件（40)內(nèi)的孔（45)的卷繞部分（80,90)的卷繞件（80,90)。支承構(gòu)件（40)的形狀 可以是半球形或拋物線形，以將應(yīng)力分布在卷繞件（90)的與支承構(gòu)件（40)接觸的部分上。 任何光滑的截面輪廓形狀都被設(shè)想為合適的。
[0077] 參見圖2和5,在輪緣處的卷繞部分（80,90)之間留有空間，因而進(jìn)入支架部分 (70)的通路被保留。支架部分（70)可以在已形成纏繞件（80,90)之后保留在位或可以通 過爆破、腐蝕、溶解、融化或升華來移除。支架部分可例如由陶瓷、樹脂、蠟、樹脂或其它能夠 進(jìn)行該操作的材料制成。移除支架部分（70)將產(chǎn)生更輕的飛輪，該飛輪具有更低比例的慣 性效率低的質(zhì)量。由于去除了支架部分，卷繞件提供用于支承驅(qū)動傳遞元件上輪緣的唯一 實(shí)質(zhì)裝置。
[0078] 在替代的方法中，飛輪可構(gòu)造有周向支承構(gòu)件，這些支承構(gòu)件提供環(huán)繞強(qiáng)度，但使 用傳統(tǒng)的中央支承部而不是卷繞件來安裝環(huán)。
[0079] 使用時，飛輪可安裝在車輛中或?yàn)榱藘Υ婺芰炕蛑T如穩(wěn)定作用的其它目的的任何 其它合適的設(shè)置中，并且適當(dāng)?shù)亟?jīng)由驅(qū)動傳遞元件與諸如電動機(jī)、發(fā)動機(jī)或發(fā)電機(jī)的提供 驅(qū)動或接收驅(qū)動的部件聯(lián)接或脫開聯(lián)接
[0080] 參見圖8和9,這些圖示出具有警告環(huán)或指示器環(huán)（800)的飛輪（30)的第一個實(shí) 施例，可以看到警告環(huán)（800)安裝在支承構(gòu)件（40)的外圓周上。警告環(huán)（800)使用過盈配 合安裝在支承構(gòu)件（40)的徑向外側(cè)，并且通常被按壓在位。當(dāng)飛輪（30)閑置時，警告環(huán) (800)和支承構(gòu)件（40)之間的過盈配合導(dǎo)致這兩個部件之間的預(yù)加載力。將警告環(huán)（800) 組裝到支承構(gòu)件（40)導(dǎo)致在兩者之間的殘余非均勻應(yīng)力。卷繞件（80)經(jīng)過警告環(huán)（800)、 支承構(gòu)件（40)和質(zhì)量元件（10)周圍。飛輪被仔細(xì)地調(diào)平衡，以避免在轉(zhuǎn)動時振動。在制 造期間，在組裝警告環(huán)后進(jìn)行平衡操作，因而，在警告環(huán)在位的情況下使飛輪平衡。
[0081] 如圖8和9中所示，卷繞件（80)經(jīng)過警告環(huán)（800)和支承構(gòu)件（40)周圍。因此， 卷繞件傾向于保持警告環(huán)（800)與支承構(gòu)件（40)接觸，從而抵消警告環(huán)離開支承構(gòu)件（40) 而增大的趨勢。然而，通過適當(dāng)選擇警告環(huán)（800)、卷繞件（80)和支承構(gòu)件（40)的硬度，可 以確保警告環(huán)（800)能夠在離心力作用下徑向離開支承構(gòu)件（40)(即，增大）運(yùn)動。在其 它實(shí)施例中（諸如圖10和11中所示），警告環(huán)（800)被按壓到支承構(gòu)件（40)的外側(cè)上并 且在卷繞件（80)的徑向外側(cè)上。
[0082] 在圖8至11中所示的實(shí)施例中，警告環(huán)（800)具有比支承構(gòu)件（40)低的楊氏模 量（剛性更低），因而，在操作中當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)動時，警告環(huán)（800)(在離心力作用下）徑向上增 大比支承構(gòu)件（40)更多的量，從而在離心力到達(dá)足夠量時導(dǎo)致分離。在卷繞件經(jīng)過警告環(huán) (800)周圍的圖8和9中所示的實(shí)施例中，卷繞件（80)連同警告環(huán)（800)的硬度足夠低，因 而，在飛輪轉(zhuǎn)動時卷繞件（80)和警告環(huán)（800)比支承構(gòu)件（40)增大得更多。警告環(huán)（800) 僅需是相比于支承構(gòu)件（40)具有相對較低強(qiáng)度的輕質(zhì)環(huán)，這是因?yàn)榫姝h(huán)（800)實(shí)質(zhì)上不 支承質(zhì)量元件（10)。
[0083] 警告環(huán)的擴(kuò)大導(dǎo)致警告環(huán)（800)和支承構(gòu)件（40)之間預(yù)載荷的釋放。在觸發(fā)轉(zhuǎn) 動速度或離心力大小下（由過盈配合的預(yù)載荷的量以及警告環(huán)與支承元件之間的相對硬 度來預(yù)先確定），克服預(yù)載荷，且警告環(huán)（800)和支承構(gòu)件（40)至少部分分離。可能會不均 勻地發(fā)生分離，這是因?yàn)檫^盈配合在過盈配合的邊界處具有不均勻的應(yīng)力分布，從而導(dǎo)致 轉(zhuǎn)動質(zhì)量中的運(yùn)動偏離中心以及不平衡。此外，警告環(huán)（800)和支承構(gòu)件（40)之間殘余的 不均勻應(yīng)力至少部分地通過警告環(huán)（800)相對于支承構(gòu)件（40)的運(yùn)動來釋放。這種運(yùn)動 使（在制造期間被仔細(xì)地調(diào)平衡的）飛輪至少略微不平衡。由殘余應(yīng)力的釋放引起的不平 衡是永久的（即，不平衡是永久的，除非后來至少部分地重新制造飛輪，例如通過至少執(zhí)行 使飛輪重新平衡的步驟以及選擇性地，在重新平衡前，執(zhí)行移除警告環(huán)以及將其重新安裝 到支承元件上的步驟，以使殘余的非均勻應(yīng)力被恢復(fù)，由此，恢復(fù)如果預(yù)載荷被再次克服則 飛輪擺脫平衡的能力）并且可以被認(rèn)為是已觸發(fā)的機(jī)械"保險絲（fuse)"的根據(jù)。
[0084] 所造成的不平衡在飛輪轉(zhuǎn)動時引起振動，且可通過振動傳感器探測到振動，以給 出飛輪超速的指示，該指示與例如由飛輪速度傳感器得出的任何指示是分開的。合適的振 動傳感器的例子是壓電加速計(jì)。因此，即使主飛輪速度傳感器發(fā)生故障，對過度飛輪速度提 供分開的和獨(dú)立的指示。此外，永久的指示使得示出飛輪在某些位置超出其設(shè)計(jì)速度運(yùn)轉(zhuǎn) 并由此可能將來在某些位置失效。
[0085] 在圖10和11中所示的第二實(shí)施例中，警告環(huán)經(jīng)過卷繞件（80)的外側(cè)并且相應(yīng)地 選擇其相對硬度以提供相同的效果。
[0086] 在另一實(shí)施例中，如圖12和13中所示，警告環(huán)（800)以過盈配合的方式安裝在支 承構(gòu)件（40)的徑向內(nèi)側(cè)。在此實(shí)施例中，質(zhì)量元件（10)插設(shè)在支承構(gòu)件（40)和警告環(huán) (800)之間，但在其它實(shí)施例中，可如前所述包含到支承構(gòu)件（40)內(nèi)或警告環(huán)可插設(shè)在質(zhì) 量元件（10)和支承構(gòu)件（40)之間。在這些其它的實(shí)施例中，警告環(huán)（800)具有比支承構(gòu) 件（40)高的楊氏模量（更剛硬）。
[0087] 在操作中，當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)動時，支承構(gòu)件（40)徑向增大（在離心力的作用下）比警告 環(huán)（800)的增大更多的量。類似于前述實(shí)施例，警告環(huán)（800)和支承構(gòu)件（40)之間的預(yù)載 荷由離心力克服，從而使警告環(huán)（800)能夠運(yùn)動。當(dāng)支承構(gòu)件（40)徑向增大到支承構(gòu)件 內(nèi)的空間大于警告環(huán)（800)的外徑時，警告環(huán)（800)能夠離開支承構(gòu)件（40)內(nèi)的中心運(yùn) 動，從而導(dǎo)致不平衡。此外，在不均勻的殘余應(yīng)力的影響下（由制造期間的壓配組裝操作 而殘余的，由此，警告環(huán)被壓入支承元件的中心內(nèi)），致使當(dāng)由離心力克服預(yù)載荷時，警告環(huán) (800)在支承元件內(nèi)運(yùn)動，由此使飛輪永久不平衡，從而引起振動。如上所述，可以通過傳感 器探測到振動并用作警告指示。
[0088] 在另一實(shí)施例中，警告環(huán)（800)以產(chǎn)生預(yù)載荷的過盈配合方式被壓配到驅(qū)動傳遞 元件（例如，軸）。如上所述，飛輪被仔細(xì)地調(diào)平衡。軸（60)比警告環(huán)（800)更剛硬，且在 飛輪轉(zhuǎn)動時警告環(huán)在徑向上比軸增大得更多。在預(yù)定的速度下克服預(yù)載荷，從而使警告環(huán) (800)能夠在軸上運(yùn)動，這引導(dǎo)在機(jī)械失效前可被探測到的不平衡。
[0089] 在飛輪速度超過觸發(fā)速度時有意產(chǎn)生的不平衡以及對由此引起的振動的探測如 上所述提供一種警告，即，飛輪正在或者已經(jīng)超出其最大安全工作速度地運(yùn)轉(zhuǎn)。這種警告可 與主飛輪速度監(jiān)測系統(tǒng)分開確定，并由此在主速度監(jiān)測系統(tǒng)失效時提供對于飛輪超速的第 二失效保護(hù)指示。將注意到，過載的探測可通過在探測器處設(shè)定告知過載的不平衡水平或 者通過修改警告環(huán)和/或其它輪緣部件及其組合的相對特性來觸發(fā)。系統(tǒng)可以標(biāo)定成在所 有或部分警告環(huán)脫開時或在相對的運(yùn)動/尺寸的改變足以形成可脫開或超過閾值的不平 衡時指示過速。
[0090] 警告環(huán)（800)由卷繞件（80)圍住的實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于，如果飛輪以比觸發(fā)速度高 的速度工作，從而使警告環(huán)從支承構(gòu)件（40)松開，則警告環(huán)（800)包含在卷繞件（80)內(nèi)， 進(jìn)而不會有警告環(huán)（800)完全脫開的危險。
[0091] 將會看到由于上述構(gòu)造，因此可提供一種更強(qiáng)、更安全和更有效的飛輪。
[0092] 現(xiàn)在描述一種平衡這種飛輪的方法。參見圖15,飛輪（30)可置于真空腔室（1550) 內(nèi)。在真空下操作飛輪是有利的，這是因?yàn)樗鼫p小與空氣阻力（或"風(fēng)阻"）相關(guān)的摩擦損 失/過熱。飛輪緣（50)不可避免地具有表面不規(guī)則部（1630)，這些不規(guī)則部由于在飛輪制 造過程在飛輪上進(jìn)行的平衡操作中和/或在用于構(gòu)造飛輪的方法中的不適當(dāng)造成。業(yè)已發(fā) 現(xiàn)，如前所述，這些不規(guī)則部將導(dǎo)致飛輪（30)的不完美的轉(zhuǎn)動平衡。
[0093] 在所示實(shí)施例中，飛輪通過軸承支承于真空腔室（1550)內(nèi)，因而，飛輪能夠在真 空腔室內(nèi)轉(zhuǎn)動。真空腔室是能夠抵抗由大氣壓和真空腔室內(nèi)壓力之間的壓力差所施加的力 的密封腔室。真空腔室壁的厚度作成足以使其有足夠強(qiáng)度來支承大氣壓抵抗腔室內(nèi)部的真 空。真空腔室包括氣體入口（1520)和氣體出口（1510)中的至少一個?？蛇x擇地，氣體入 口和氣體出口組合成一個端口。每個氣體入口和氣體出口都與真空腔室的內(nèi)部連通。
[0094] 聯(lián)接器（1566,1567)由第一構(gòu)件和第二構(gòu)件構(gòu)成并設(shè)置成聯(lián)接可轉(zhuǎn)動驅(qū)動軸 (1570)和飛輪軸（60)之間的扭矩。第一構(gòu)件（1566)聯(lián)接到飛輪軸（60)，而第二構(gòu)件 (1567)聯(lián)接到驅(qū)動軸（1570)。飛輪軸（60)支承于軸承上并借助于諸如之前已述的手段連 接到飛輪緣（50)。飛輪緣（50)由復(fù)合材料構(gòu)成，其較佳地通過制造過程中的機(jī)加工、鉆孔 或磨削來仔細(xì)調(diào)平衡。此實(shí)施例中的飛輪緣（50)是使用前述周向卷繞纖維和樹脂所構(gòu)造 的復(fù)合物。飛輪緣通過徑向纖維聯(lián)接到軸（60)，因而，扭矩可從飛輪軸（60)傳遞到飛輪緣 (50)。
[0095] 驅(qū)動軸（1570)通過軸承支承于真空腔室之外并可轉(zhuǎn)動。飛輪軸（60)和驅(qū)動 軸（1570)被支承為兩個聯(lián)接構(gòu)件（1566,1567)設(shè)置成緊靠布置在兩者之間的真空外殼 (1550)的壁。這兩個構(gòu)件設(shè)置成使聯(lián)接構(gòu)件（1566,1567)和真空腔室壁（1550)之間的"空 氣間隙"最小。術(shù)語"空氣間隙"一般用于描述聯(lián)接器的兩個構(gòu)件（1566,1567)之間的總間 隙。真空腔室可以任何通常已知的方式構(gòu)造，例如，鑄造、機(jī)加工等。
[0096] 參見圖16,閥（1610,1620)包含到或附連于出口（1510)和入口（1520)。操作時， 閥能打開或關(guān)閉以可選擇地使真空腔室（1550)的內(nèi)部相對大氣密封，或者允許真空腔室 (1550)的內(nèi)部和大氣之間的連通。出口可在使用時連接到真空泵（未示出）。
[0097] 使用時，真空腔室通過關(guān)閉入口閥（1620)而相對大氣密封，以使處于大氣壓的入 口（1520)與真空腔室（1550)的內(nèi)部隔離開。出口閥通常連接到能夠產(chǎn)生較高真空或高 度真空的真空泵。出口閥（1610)被打開以允許連接到真空泵的出口（1510)與真空腔室 (1550)的內(nèi)部連通。然后，真空泵運(yùn)行直到真空腔室（1550)包含高度真空為止。較佳地， 該真空度優(yōu)于lmbar，通常為l(T 2mbar。然后，飛輪（30)通過經(jīng)由聯(lián)接器（1566,1567)將扭 矩從驅(qū)動軸（1570)施加到飛輪軸￠0)而轉(zhuǎn)動。這又使飛輪緣（50)轉(zhuǎn)動。飛輪以如此速 度轉(zhuǎn)動，即，輪緣（50)表面以超過聲速（馬赫數(shù)為1)的速度運(yùn)動。飛輪表面速度也被稱為 "外圓速度"。在此操作之前，如前所述，飛輪將通過諸如磨削、鉆孔或機(jī)加工的機(jī)械操作來 平衡到實(shí)際允許的盡可能高的程度（在成本限制之內(nèi)）或至少高到有必要使飛輪能夠以沒 有機(jī)械失效危險的速度轉(zhuǎn)動。
[0098] 接下來，當(dāng)飛輪以至少馬赫數(shù)為1的周界速度轉(zhuǎn)動時，入口閥（1620)被打開，以允 許一定量的氣體進(jìn)入真空腔室。該氣體較佳是諸如氮?dú)獾姆腔钚詺怏w，并較佳是干燥氣體， 艮P，它不包含大量的水蒸氣，以避免將濕氣引入組件中。如果氣體不是普通空氣，則入口將 首先需要連接到所述氣體的合適的供給裝置。允許進(jìn)入的氣體量足以使真空大幅減小到基 本上高于l〇 4mbar的壓力，例如高到0. 5bar。lbar將可良好地運(yùn)行。已發(fā)現(xiàn)氣體進(jìn)入的速 率并不重要。
[0099] 當(dāng)氣體被允許進(jìn)入真空腔室（1550)時，沖擊波建立在表面不規(guī)則部（1630)和真 空腔室（1550)壁之間的空氣內(nèi)。沖擊波和表面不規(guī)則部（1630)和氣體之間的摩擦起到汽 化、熔化、升華、侵蝕或腐蝕表面不規(guī)則部（1630)的作用，以減小它們的尺寸并由此使飛輪 (30)的平衡度改進(jìn)到通過單獨(dú)機(jī)加工、鉆孔或磨削可獲得的較高平衡度。
[0100] 此外，飛輪通常以最大安全操作速度而設(shè)計(jì)。在制造過程中，這種飛輪必須被證實(shí) 可抵抗它所設(shè)計(jì)的最大轉(zhuǎn)速。這通常通過使飛輪以等于設(shè)計(jì)速度乘以2的平方根的速度來 轉(zhuǎn)動。特別是在復(fù)合飛輪構(gòu)造類型中，它可確實(shí)確保如果飛輪經(jīng)受在此較高速度下的轉(zhuǎn)動， 則它將在其壽命持續(xù)的時間段中總是可以經(jīng)受以設(shè)計(jì)速度運(yùn)轉(zhuǎn)。將這種證實(shí)操作與上述平 衡操作結(jié)合起來也是有利的。
[0101] 已發(fā)現(xiàn)氣體被允許進(jìn)入的速率并不重要。在允許氣體進(jìn)入之后，允許飛輪慢慢靜 止，但繼續(xù)以至少馬赫數(shù)為1的外圓速度轉(zhuǎn)動約10到60秒，通常為15秒。.這已發(fā)現(xiàn)對于 去除表面不規(guī)則部同時避免飛輪緣過熱來說足夠久了。飛輪靜止下來所需的時間在一個實(shí) 施例中為約3分鐘。氣體密度在整個真空腔室中并不均勻。非活性氣體是較佳的，以避免 氣體與飛輪部件反應(yīng)。當(dāng)飛輪以超出馬赫數(shù)為1的外圓速度轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生的超音速沖擊波 產(chǎn)生比使用亞音速飛輪速度好得多的平衡效果。
[0102] 在實(shí)施例中，期望使用例如磁聯(lián)接器以避免需要隔離真空的轉(zhuǎn)動密封件。圖17a 示出用于聯(lián)接兩個可轉(zhuǎn)動軸￠0,1570)的現(xiàn)有技術(shù)的磁聯(lián)接器。每根軸都聯(lián)接到包括交 替磁極陣列的聯(lián)接構(gòu)件（1766,1767)。兩陣列靠近彼此設(shè)置，因而，磁通量能經(jīng)由空氣間隙 (較佳為盡可能小）從一個陣列通到另一陣列。因此，扭矩可以有效地從一根軸傳遞到另一 根軸。
[0103] 這在飛輪應(yīng)用場合中可以是特別有效的，這是因?yàn)閮蓚€聯(lián)接元件（1766,1767)不 需要接觸來傳遞兩者之間的扭矩。真空腔室（1550)的壁可置于聯(lián)接元件（1766,1767)之 間，由此允許扭矩聯(lián)接在真空腔室（1550)內(nèi)的飛輪（30)與真空腔室外的驅(qū)動軸（1570)之 間。這允許真空腔室密封而無須使用上述轉(zhuǎn)動密封件。在真空下運(yùn)轉(zhuǎn)飛輪是有效的，這是因 為它避免與空氣阻力（"風(fēng)阻"）相關(guān)的損失。因此，如果飛輪以超音速轉(zhuǎn)動，則這變得更為 重要。真空避免由于與空氣的摩擦而產(chǎn)生的超音速沖擊波和/或過熱。然而，由于真空腔 室壁的厚度構(gòu)成聯(lián)接元件（1766,1767)之間空氣間隙的一部分，所以磁通量能夠從一個聯(lián) 接元件到另一個的容易程度就降低，因此，減小了磁通密度，且由此減小扭矩聯(lián)接能力。下 述實(shí)施例解決這個問題。
[0104] 參見圖17b，聯(lián)接元件（1730)置于聯(lián)接元件（1766,1767)之間。磁聯(lián)接元件 (1730)具有較高的相對導(dǎo)磁率（超過400)，因此在操作時磁通量容易通過它從第一構(gòu)件 (1766)的磁極（1710,1720)到第二構(gòu)件（1767)的磁極（1740,1750)，且反之亦然。聯(lián)接元 件"有效地"透過磁場。聯(lián)接元件（1730)是具有較高導(dǎo)磁率的材料，例如軟鐵。聯(lián)接元件 (1730)還應(yīng)具有盡可能商的電阻，以減小感應(yīng)潤流和由于與其相關(guān)的電阻性加熱造成的損 失。盡管為了清楚起見示出單個聯(lián)接元件（1730)，但也可將多個聯(lián)接元件設(shè)置在第一構(gòu)件 和第二構(gòu)件（1766,1767)之間。有足夠的聯(lián)接構(gòu)件，以跨越構(gòu)件（1766,1767)的具有最寬 間隔開的磁極（1710,1720,1740,1750)的至少兩個南北磁極對。聯(lián)接元件之間的空間具有 比聯(lián)接元件低得多的導(dǎo)磁率，例如，材料是塑料的。當(dāng)在使用時如此設(shè)置時，磁通量自每個 構(gòu)件（1766,1767)的磁極起經(jīng)由每個聯(lián)接元件（1730)聯(lián)接，并且由此扭矩在第一構(gòu)件和第 二構(gòu)件（1766,1767)之間聯(lián)接。顯然，使用時，與圖17a中第一構(gòu)件和第二構(gòu)件相對轉(zhuǎn)動相 反，圖17b的構(gòu)件沿相同方向轉(zhuǎn)動。圖17b的第一構(gòu)件和第二構(gòu)件的表面實(shí)際上沿相反方 向相對彼此經(jīng)過。
[0105] 當(dāng)圖17b的聯(lián)接器包含到真空封閉的飛輪應(yīng)用場合中時，聯(lián)接元件（1730)包含到 真空腔室（1550)壁內(nèi)。這具有的優(yōu)點(diǎn)是真空腔室壁的厚度并不影響第一構(gòu)件和第二構(gòu)件 (1766,1767)的磁極之間的總"空氣間隙"中?？?空氣間隙"由第一構(gòu)件磁極的表面和真 空腔室壁的表面之間的間隙、加上真空腔室壁的厚度、加上真空腔室壁和第二構(gòu)件磁極之 間的間隙、減去聯(lián)接元件的厚度而構(gòu)成。因此，聯(lián)接元件大大減小了總空氣間隙。較小的空 氣間隙具有較小的磁通阻力，由此，允許使用時第一構(gòu)件和第二構(gòu)件的磁極之間有較大的 磁通密度，并因此允許較大的扭矩聯(lián)接能力。這對于使用穿過真空腔室壁的磁聯(lián)接器的傳 統(tǒng)結(jié)構(gòu)來說是有利的。
[0106] 磁極（1710,1720,1740,1750)是稀土磁體，因?yàn)檫@些對于給定的磁體材料體積來 說具有較高的磁場密度。磁體較小、較輕、較緊湊并能夠傳遞較大扭矩。還發(fā)現(xiàn)稀土磁體能 較好抵抗壓縮力并因此適于放置到以高速轉(zhuǎn)動的飛輪的內(nèi)周緣上。
[0107] 現(xiàn)參見圖18a，示出圖17b中所示的磁聯(lián)接器的同心設(shè)置的實(shí)施例。圖18a是示出 同心位于第二構(gòu)件（1767)之外的第一構(gòu)件（1766)和同心位于兩者之間的真空外殼（1550) 的剖視圖。聯(lián)接元件（1730)包含在真空外殼（1550)中。在此同心設(shè)置的實(shí)施例中，第一 構(gòu)件和第二構(gòu)件相對轉(zhuǎn)動。和圖17b中的實(shí)施例相同，構(gòu)件表面相對彼此沿相反方向轉(zhuǎn)動。
[0108] 對于圍繞第一構(gòu)件和第二構(gòu)件之間的真空外殼的周緣均勻間隔的分布來說，所需 的聯(lián)接元件的數(shù)目等于第一構(gòu)件（1766)的南/北磁極對的數(shù)目加上第二構(gòu)件（1767)的南 /北磁極對的數(shù)目。聯(lián)接元件可限制于圍繞真空外殼的周緣的特定區(qū)域，或者能圍繞周緣均 勻分布。在聯(lián)接元件限制于特定區(qū)域的情況下，聯(lián)接元件（1730)相對彼此間隔開，除了省 略一些元件以外，就好像全部數(shù)目的聯(lián)接元件圍繞真空腔室壁等距隔開。定位理想地選擇 成聯(lián)接元件圍繞真空腔室壁周緣對稱定位，以避免產(chǎn)生合力。所需聯(lián)接元件的最小數(shù)目是 將跨越第一構(gòu)件和第二構(gòu)件中具有更大磁極間隔的一個的兩對南/北磁極對。這個最小數(shù) 目確保扭矩能在構(gòu)件之間傳遞以及良好地限定第一構(gòu)件和第二構(gòu)件轉(zhuǎn)動的相對方向。
[0109] 背襯鐵片（backing iron) (1890)設(shè)置在磁極遠(yuǎn)離聯(lián)接元件的那側(cè)，以有助于第一 構(gòu)件和第二構(gòu)件中的每個構(gòu)件的共同磁極對的磁通量的傳遞。此外，背襯鐵片有助于永磁 體的耐久的使用壽命。
[0110] 這種同心設(shè)置的磁力變速聯(lián)接器可以使用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)加工技術(shù)和使用如圖17b中所 示實(shí)施例所述的材料來構(gòu)造。
[0111] 第一構(gòu)件和第二構(gòu)件（1766,1767)可具有相同的南/北磁極對數(shù)，或者具有不同 的南/北磁極對數(shù)。在所示實(shí)施例中，第二構(gòu)件具有比第一構(gòu)件少的南/北磁極對數(shù)。操 作時，當(dāng)具有南/北磁極對數(shù)m的第一構(gòu)件（1766)沿逆時針方向轉(zhuǎn)動時，具有南/北磁極 對數(shù)η的第二構(gòu)件（1767)沿順時針轉(zhuǎn)動。第二構(gòu)件以相對于第一構(gòu)件的轉(zhuǎn)速乘以一個因 數(shù)的速度轉(zhuǎn)動：η除以m。圖18b示出經(jīng)由聯(lián)接元件（1730)在第一構(gòu)件和第二構(gòu)件的磁極 之間穿過的磁力線（1880)，這些聯(lián)接元件嵌入真空腔室壁（1550)。
[0112] 圖19a到19c示出第一構(gòu)件和第二構(gòu)件經(jīng)過三個位置的轉(zhuǎn)動順序。圖19a示出處 于第一位置的第一構(gòu)件和第二構(gòu)件之間的磁力線。圖19b示出上面構(gòu)件略微沿順時針方向 轉(zhuǎn)動，而下面構(gòu)件略微沿逆時針方向轉(zhuǎn)動。磁力線具有相應(yīng)的運(yùn)動位置，并且尤其是磁力線 (1880)已伸展開。圖19c示出上面構(gòu)件沿順時針和下面構(gòu)件沿逆時針的進(jìn)一步轉(zhuǎn)動。磁力 線（1880)現(xiàn)伸展遠(yuǎn)至它斷開且通量轉(zhuǎn)換成穿過最左邊的聯(lián)接元件（1895)來形成新的磁力 線（1890)。當(dāng)磁力線如此從一條路徑切換到另一路徑時，從第一構(gòu)件傳遞到第二構(gòu)件的扭 矩等于通量變化率。
[0113] 使用稀土磁體的另一優(yōu)點(diǎn)是它們每單位尺寸較高的磁通密度，特別是當(dāng)以這種方 式使用時，這是因?yàn)榭梢栽诘谝缓?或第二構(gòu)件的周緣周圍設(shè)置許多磁極對并由此增大磁 通變化率及由此增大扭矩聯(lián)接能力。
[0114] 同樣，由于對于給定強(qiáng)度來說稀土磁通的尺寸相對較小，所以可以具有第一構(gòu)件 上的磁極對數(shù)與第二構(gòu)件上的磁極對數(shù)之間的較大比率，這是因?yàn)樵S多磁體可包裝到較小 尺寸中，由此以緊湊尺寸來傳遞較高的傳動比。這特別在采用真空腔室（1550)的飛輪應(yīng)用 場合下具有優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樵诳諝庵羞\(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動軸和相關(guān)部件能夠以較低速度運(yùn)行，由此減小 與風(fēng)阻和空氣阻力相關(guān)的損耗，同時真空腔室（1550)內(nèi)部的飛輪通過磁聯(lián)接器變速到以 較高速度運(yùn)轉(zhuǎn)，以增大飛輪的儲能密度。
[0115] 現(xiàn)有系統(tǒng)采用變速器來允許真空腔室內(nèi)的飛輪以較高速度轉(zhuǎn)動，同時連接到能量 源/同步裝置的驅(qū)動軸能夠在空氣中以較小的角速度轉(zhuǎn)動。然而，變速箱會經(jīng)受摩擦損失 并增加儲能系統(tǒng)的成本、復(fù)雜度和尺寸。
[0116] 圖20示出具有輪緣（50)(包含大部分質(zhì)量）的飛輪（30)的實(shí)施例，該飛輪安裝 在軸（60)上，聯(lián)接到第一構(gòu)件（1766)并容納在真空腔室（1550)內(nèi)，真空腔室包含聯(lián)接元 件（1730)。在此實(shí)施例中，驅(qū)動軸（1570)聯(lián)接到第二元件（1767)。驅(qū)動軸和飛輪軸支承 于軸承（2010)上。每個第一構(gòu)件和第二構(gòu)件（1766,1767)都具有磁極（1710,1720,1740， 1750)。由此，飛輪能經(jīng)由第一構(gòu)件和第二構(gòu)件以及磁極通過聯(lián)接到飛輪的驅(qū)動軸在真空下 以較高速度驅(qū)動。由于第一構(gòu)件和第二構(gòu)件上的磁極對數(shù)的不相等而導(dǎo)致的變速作用，在 空氣中運(yùn)行的驅(qū)動軸能夠以較低速度運(yùn)行，由此減少與"風(fēng)阻"或空氣阻力相關(guān)的損耗。
[0117] 此外，聯(lián)接元件（1730)減小各磁極之間的空氣間隙并使永磁體能夠用于在第一 元件和第二元件之間聯(lián)接高水平的扭矩，從而避免需要如例如如果使用電磁體所需的那樣 的能量轉(zhuǎn)換。通過使用聯(lián)接元件（1730)，不需要電磁體，這是因?yàn)檫@種更有效率的結(jié)構(gòu)使得 永磁體的較為有限的磁場強(qiáng)度就足夠了。
[0118] 根據(jù)所述方法，完全取消使用轉(zhuǎn)動密封件，由此不需要環(huán)境管理裝置來保持真空 腔室（1550)內(nèi)的真空。真空腔室內(nèi)的真空能無限地保持在那里，這是因?yàn)榍皇也皇褂脮?漏的轉(zhuǎn)動密封件因而完全密封。移除相關(guān)環(huán)境管理設(shè)備（例如真空泵、潤滑泵、相關(guān)管道工 程和系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和/電子）還減小飛輪儲能系統(tǒng)的重量和尺寸并增加扭矩聯(lián)接能力。 此外，由此改進(jìn)了這種更為簡單的系統(tǒng)的可靠性并降低成本。由此，提供高效的飛輪儲能裝 置。
[0119] 聯(lián)接器還具有的優(yōu)點(diǎn)是，如果發(fā)生過大扭矩的狀況，則聯(lián)接器在過大扭矩存在時 無害地滑動，然后聯(lián)接器重新開始正常功能，而沒有不利影響。此外，由于Enshaw定律，僅 扭轉(zhuǎn)能量經(jīng)由聯(lián)接器傳遞，因此聯(lián)接器提供了軸向和徑向的對振動的隔離。在替代的實(shí)施 例中，聯(lián)接元件能支承于第三構(gòu)件中，該第三構(gòu)件由軸驅(qū)動或者可以驅(qū)動軸，以提供其它的 傳動比。
[0120] 去除轉(zhuǎn)動密封件還允許飛輪以大于由于密封件的劣化率而能夠有的速度（當(dāng)轉(zhuǎn) 速增大時變得更差）來轉(zhuǎn)動，從而進(jìn)一步增大儲能密度。由于密封潤滑流體中的剪切（轉(zhuǎn) 動密封件的必要特征）造成的寄生損失也將通過去除密封件而降低。
[0121] 如前所述并參見圖17b，磁力變速器可具有隨第一構(gòu)件和第二構(gòu)件（1766,1767) 的轉(zhuǎn)動嚙合位置可變化的扭矩聯(lián)接能力。這已發(fā)現(xiàn)是由于當(dāng)?shù)谝粯?gòu)件和第二構(gòu)件（1766， 1767)運(yùn)動經(jīng)過彼此時從第一路徑（1880)切換到第二路徑（1890)的磁通量（如在圖19c中 所示）所造成的。磁力變速聯(lián)接器的扭矩聯(lián)接能力變化的另一原因是當(dāng)?shù)谝粯?gòu)件和第二構(gòu) 件（1766,1767)運(yùn)動經(jīng)過彼此時磁通路徑長度作變化（以圖19a到19c的順序示出）。較 長的磁通路線經(jīng)受較大的磁阻，由此減小磁通量密度，并且由于扭矩與磁通變化率成比例， 該角嚙合位置處的磁力變速器的扭矩聯(lián)接能力的降低也類似地減小。
[0122] 現(xiàn)遵循圖26,作為曲線可以看到相對于輸入軸的角度的對于特定物理結(jié)構(gòu)來說的 扭矩聯(lián)接能力的變化，該曲線中呈現(xiàn)出扭矩聯(lián)接能力（在約20Nm和50Nm之間）的較多排 除在外的值。
[0123] 業(yè)已發(fā)現(xiàn)扭矩聯(lián)接能力相對于嚙合角度（或"齒槽效應(yīng)"）的變化能通過將構(gòu)件的 每個磁極分成"分割部分"(2110, 2111，2112, 2113, 2120, 2121，2122, 2123)來減小。這些分 割部分沿運(yùn)動方向設(shè)置以形成分割陣列。分割陣列沿垂直于運(yùn)動方向的軸線并排設(shè)置，如 圖21中所示。每個分割陣列沿運(yùn)動方向相對于另一分割陣列偏移，因而，覆蓋相對位置的 跨度。各位置的跨度應(yīng)至少約覆蓋構(gòu)件的具有最寬磁極間隔的南北磁極對的距離。由于分 割陣列的相對位置遍布（或者"交錯"）各位置的范圍，所以每個分割陣列的磁極不可以同 時與聯(lián)接元件和另一構(gòu)件的磁極完全對準(zhǔn)，由此防止"完全對準(zhǔn)"。由此，通過使一個或兩個 構(gòu)件的磁極分割和交錯，和/或通過分割聯(lián)接元件和使每個分割的聯(lián)接元件部分的位置交 錯，可以防止構(gòu)件和/或聯(lián)接元件的完全對準(zhǔn)。
[0124] 在圖21中所示的實(shí)施例中，在第一構(gòu)件（1766)上有四個分割陣列。返回參見圖 19a到19c，防止完全對準(zhǔn)的這種結(jié)構(gòu)的結(jié)果是磁力線（1880,1890)從一個聯(lián)接元件到另一 聯(lián)接元件（或從一個分割磁極到另一個分割磁極）的切換的位置（在此實(shí)施例中為角位 置）在每個分割陣列之間變化。如果如圖21中所示的實(shí)施例中有四個分割陣列，且那些分 割陣列沿運(yùn)動方向偏移（在此實(shí)施例中為轉(zhuǎn)動偏移）以避免磁極和聯(lián)接元件的完全對準(zhǔn)， 則對于較小的運(yùn)動（如果允許完全對準(zhǔn)則將引起整個磁場的轉(zhuǎn)變），現(xiàn)在將僅有一小部分 所示的磁通量轉(zhuǎn)換（在此實(shí)施例中為四分之一）。然而，在該實(shí)施例中，對于組件的特定運(yùn) 動距離（例如，全周轉(zhuǎn)動）將有四次這種轉(zhuǎn)變。因此，那種運(yùn)動的扭矩傳遞總體上是相同 的，但更為持續(xù)地傳遞，從而導(dǎo)致較小的"齒槽效應(yīng)"。為了清楚起見，僅在圖17b中示出單 個聯(lián)接元件。如圖21中所示，該聯(lián)接元件也能分成聯(lián)接部分（2130)到（2133)。如此分割 聯(lián)接構(gòu)件可減少構(gòu)件的分割陣列之間的相互作用，但對于實(shí)現(xiàn)"齒槽效應(yīng)"的減少并不是必 須的。
[0125] 現(xiàn)在參見圖22,其中示出本發(fā)明的周轉(zhuǎn)實(shí)施例，此時第一構(gòu)件具有沿運(yùn)動方向設(shè) 置在其上的第一陣列的（成對）磁極。聯(lián)接元件（2130)在第一（可轉(zhuǎn)動）構(gòu)件和第二（可 轉(zhuǎn)動）構(gòu)件之間同心設(shè)置。聯(lián)接元件也被分割成多個聯(lián)接部分（在此實(shí)施例中又是三個聯(lián) 接部分）。為了清楚起見示出單個聯(lián)接元件，但可采用多個聯(lián)接元件，從而形成同心圍繞第 一構(gòu)件的筒狀物（barrel)。第二構(gòu)件在第一構(gòu)件和聯(lián)接元件之外同心設(shè)置。第二構(gòu)件在其 內(nèi)周緣上具有沿運(yùn)動方向設(shè)置的第二陣列的南/北磁極對。第二陣列的磁極被分割成多個 分割陣列（在此實(shí)施例中為三個分割陣列），分割陣列沿轉(zhuǎn)動軸線（轉(zhuǎn)動軸線垂直于運(yùn)動方 向）并排設(shè)置。使用時，第一構(gòu)件和第二構(gòu)件相對轉(zhuǎn)動。如果一個構(gòu)件轉(zhuǎn)動，則磁通量通過 聯(lián)接元件在第一陣列的磁極和第二陣列的磁極之間聯(lián)接，而使另一構(gòu)件相對轉(zhuǎn)動，反之亦 然。
[0126] 還將從圖21和22中理解到，代替或者除了沿第一磁極陣列和/或第二磁極陣列 的軸向長度（軸線垂直于相對運(yùn)動的方向）來分割磁極陣列（分成分割陣列）以及沿每個 分割陣列的運(yùn)動方向偏移外，每個聯(lián)接元件（2130)能可選擇地、替代地或者同樣地沿其軸 向長度如所示被分成各聯(lián)接部分（2130, 2131，2132)，且這些聯(lián)接部分也能相應(yīng)地偏移。能 包含一個特征或者這些特征的組合，以使磁通量如圖19c中所示從一條路徑切換到另一條 的位置多樣化。這種策略可被稱為交錯磁極，或者交錯聯(lián)接元件。當(dāng)關(guān)于位置來繪圖時，交 錯磁極和/或交錯聯(lián)接元件使扭矩聯(lián)接能力的變化減小。這在圖26中示出為具有扭矩聯(lián) 接能力的相對較小的變化（約25到35Nm)的曲線。出于以下原因，這表示性能相對于傳統(tǒng) 磁力變速聯(lián)接器性能的改善。
[0127] 改進(jìn)的磁力變速器的最小扭矩聯(lián)接能力大于且并不會落到25Nm之下，如圖26中 所示。（相反，現(xiàn)有技術(shù)的磁力變速器的扭矩聯(lián)接能力在某些角度嚙合位置會落到小于 20Nm的數(shù)值）。由此，對于給定設(shè)計(jì)的扭矩力來說，在改進(jìn)的磁力變速器中使用的磁體尺寸 可相應(yīng)地減小，但同時仍能傳遞扭矩聯(lián)接能力。由此，扭矩聯(lián)接能力的變化的減小允許用較 小、較輕和較便宜的磁體來設(shè)計(jì)這種改進(jìn)的磁力變速器。
[0128] 在此所述的改進(jìn)的磁力變速器的另一優(yōu)點(diǎn)是在使用時扭矩聯(lián)接能力變化較少，當(dāng) 扭矩施加到改進(jìn)的磁力變速聯(lián)接器時，所得的角偏移或"打滑"（與所施加的扭矩和扭矩聯(lián) 接能力成比例）比現(xiàn)有技術(shù)中所得的更為恒定。由此，降低了由這種變化引起的扭轉(zhuǎn)振動。 減小的扭轉(zhuǎn)振動不太可能致使劇烈共振，這種共振可能損壞部件，需要相對于相關(guān)成本提 高的部件強(qiáng)度或者致使聯(lián)接器滑出嚙合及錯位。
[0129] 在圖23中示出另一實(shí)施例，其中，聯(lián)接元件（2330)跟隨沿垂直于第一構(gòu)件和第二 構(gòu)件運(yùn)動方向的軸線（在此實(shí)施例中，沿第一構(gòu)件和第二構(gòu)件的轉(zhuǎn)動軸線）的正弦路徑，因 而，它在第一構(gòu)件和第二構(gòu)件的運(yùn)動方向中的位置沿該軸線變化。聯(lián)接元件的形狀沿軸線 在其端部是對稱的，以平衡所得的軸向力并由此消除這些軸向力。由此，如圖19c中所示， 磁力線變換位置的位置隨軸向位置而變化。同樣，為了清楚起見，僅在圖中示出單個聯(lián)接元 件（2330)。然而，如前所述，通常將采用多個聯(lián)接元件。
[0130] 此外，盡管圖18a到23 -般示出轉(zhuǎn)動實(shí)施例，第一構(gòu)件和第二構(gòu)件在彼此的旁邊 或者相對于彼此同心設(shè)置，但如圖24中所示，第一構(gòu)件和第二構(gòu)件也可以端對端對準(zhǔn)。在 這種端對端的實(shí)施例中，聯(lián)接元件（2430)可以彎曲或者可以分成交錯的部分（2431)到 (2436)，且聯(lián)接元件和/或第一構(gòu)件和第二構(gòu)件的磁極還可分割，這時不是沿轉(zhuǎn)動軸線分 割而是沿徑向分割。
[0131] 此外參見圖22和23,第一構(gòu)件和第二構(gòu)件（1766,1767)中的一個或兩個可展開以 形成平坦表面。這種實(shí)施例將類似于齒輪齒條，或者在彼此上面可滑動的一對導(dǎo)軌，而聯(lián)接 元件設(shè)置在兩者之間。在這種實(shí)施例中，第一構(gòu)件和/或第二構(gòu)件和/或聯(lián)接元件將沿垂 直于運(yùn)動方向且平行于構(gòu)件之間表面的方向交錯。
[0132] 圖25示出實(shí)際實(shí)施例的剖視圖，其中，驅(qū)動軸（1570)聯(lián)接到第二構(gòu)件（1767)，該 第二構(gòu)件具有以陣列方式圍繞其周界設(shè)置的磁極（1740)。第二構(gòu)件（1740)的磁極沿與轉(zhuǎn) 動軸線平行（垂直于轉(zhuǎn)動方向）的方向分成多個分割部分（在此實(shí)施例中為八個）。這產(chǎn) 生了設(shè)置在第二構(gòu)件上的分割磁極的多個分割陣列。在此實(shí)施例中有八個分割陣列，每個 分割陣列圍繞第二構(gòu)件周界設(shè)置，且每個分割陣列沿轉(zhuǎn)動軸線并排設(shè)置。每個分割陣列在 位置上相對于彼此偏移。在此實(shí)施例中，每個分割陣列相對于彼此略微轉(zhuǎn)動，以跨越至少等 于構(gòu)件的南北磁極對之間距離的角度的跨度范圍。背襯鐵片（2580)在第二構(gòu)件（1767)和 分割磁極（1740)之間同心設(shè)置。
[0133] 同心位于第二構(gòu)件及其磁極陣列之外的是真空腔室（1550)壁，該壁圍繞裝置的 軸向端部延伸由此形成環(huán)形，并包含到其內(nèi)周壁聯(lián)接元件（2130,2131)內(nèi)。這允許非常有 效地封裝飛輪，易于制造和密封。這些聯(lián)接元件同心位于第一構(gòu)件和第二構(gòu)件之間并以形 成筒狀物的陣列方式同心設(shè)置在第二構(gòu)件周圍和第一構(gòu)件內(nèi)部。每個聯(lián)接元件都沿它們的 軸向長度分割以形成每個聯(lián)接元件的多個聯(lián)接部分（在此例中為每個聯(lián)接元件八個聯(lián)接 部分）。因此，由聯(lián)接元件構(gòu)成的筒狀物被分成環(huán)，且每個環(huán)較佳地與另一個環(huán)偏移（在此 實(shí)施例中為轉(zhuǎn)動偏移）。替代地，聯(lián)接元件不分割，而是能成形為仍位于內(nèi)真空腔室壁的筒 狀物內(nèi)，但當(dāng)橫穿筒狀物的長度時例如以V形或正弦波方式沿運(yùn)動方向變化其位置。
[0134] 同心位于更外側(cè)，第一構(gòu)件（1766)的磁極（2110,2111)支承于復(fù)合飛輪緣（50) 內(nèi)部，而背襯鐵片（2590)插設(shè)在輪緣和磁極之間。同樣，第一構(gòu)件的每個磁極（2110,2111) 都沿裝置的軸向長度分成每個磁極多個分割磁極（在此實(shí)施例中為八個）。這些分割磁極 設(shè)置在輪緣（50)的內(nèi)表面周圍，以形成分割陣列（在此實(shí)施例中為八個）。第一構(gòu)件和第 二構(gòu)件（1766,1767)支承于軸承（2010)上，因而它們能轉(zhuǎn)動。由此，第一構(gòu)件（1766)能夠 在真空腔室（1550)內(nèi)轉(zhuǎn)動，而第二構(gòu)件能夠在真空腔室內(nèi)但在真空外（例如在空氣中）同 心轉(zhuǎn)動并通過真空腔室壁（1550)與第一構(gòu)件分隔開。
[0135] 使用時，真空腔室較佳包含高度真空。盡管未示出，但第一構(gòu)件和第二構(gòu)件具有不 同數(shù)量的南/北磁極對，這些磁極對圍繞它們沿徑向設(shè)置，因而，在它們之間產(chǎn)生傳動比。 使用時，這允許（在空氣中操作的）第二構(gòu)件（1767)以比在真空中操作的第一構(gòu)件（1766) 相對較低的速度轉(zhuǎn)動。由此，在第二構(gòu)件轉(zhuǎn)動時與空氣阻力（或風(fēng)阻）相關(guān)的損耗降低。另 夕卜，通過使用真空來容納飛輪能夠使用第一構(gòu)件和飛輪部件的超音速，這是因?yàn)楸苊獬?速沖擊和摩擦過熱。
[0136] 真空腔室（1550)沒有轉(zhuǎn)動密封件并因此能夠完全無泄漏地密封（當(dāng)使用轉(zhuǎn)動密 封件時泄漏是不可避免的，當(dāng)在較高轉(zhuǎn)速時情況更糟），由此避免需要與保持真空相關(guān)的設(shè) 備，諸如真空泵、控制電子、管道工程等。去除轉(zhuǎn)動密封件還允許較高的轉(zhuǎn)動飛輪速度以及 由于消除阻礙（drag)的較低損失。由此，飛輪的儲能密度增大且這種飛輪的相關(guān)成本降 低。由于這種結(jié)構(gòu)簡單化的提升并由于去除使用時會磨損（在高轉(zhuǎn)速下磨損得特別快）的 轉(zhuǎn)動密封件還提高了可靠性。
[0137] 此外，該實(shí)施例中包含的"抗齒槽效應(yīng)"特征如前所述允許使用較小的永磁體（由 于最小扭矩聯(lián)接能力更接近平均扭矩聯(lián)接能力），這具有低成本和低重量的相關(guān)優(yōu)點(diǎn)，由此 增大飛輪的儲能密度。較小的磁體還能夠產(chǎn)生較高的傳動比，這是因?yàn)檩^大數(shù)目的南/北 磁極對能裝配到給定尺寸的飛輪內(nèi)。這種較高的傳動比還減小裝置的空氣側(cè)上與空氣阻力 或風(fēng)阻相關(guān)的損失，從而進(jìn)一步增加飛輪的效率及其儲能密度。先前所述的抗齒槽效應(yīng)的 特征的另一優(yōu)點(diǎn)改進(jìn)噪聲振動和振動粗糙度并由于由這些特征導(dǎo)致的扭轉(zhuǎn)振動的減小而 延長部件的使用壽命。這將允許部件重新制定規(guī)格，以使用較便宜的材料或較少材料，由此 帶來成本和/或重量的優(yōu)點(diǎn)。還可由于使用不抵抗扭轉(zhuǎn)振動但在制造過程中易于機(jī)加工或 處理的材料而獲得制造效率。
[0138] 將會看到由于上述特征，因此可以為了能量儲存而提供一種更安全、更輕、更有效 率和更有效的飛輪。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于在第一和第二運(yùn)動構(gòu)件（1766 ;1767)之間聯(lián)接力的裝置， 所述第一構(gòu)件和第二構(gòu)件（1766 ; 1767)中的每個都具有磁極（2110,2120 ; 1740,1750) 的陣列， 其中，所述第一構(gòu)件和第二構(gòu)件（1766 ;1767)同心地設(shè)置，用以所述第一和第二構(gòu)件 之間的相對轉(zhuǎn)動， 磁通量聯(lián)接元件（2130)設(shè)置在第一構(gòu)件和第二構(gòu)件（1766 ;1767)之間，由此在所述第 一構(gòu)件（1766)的磁極（2110,2120)和所述第二構(gòu)件（1767)的磁極（1740,1750)之間提供 相對較高磁通密度的磁通密度區(qū)，其中 所述磁通量聯(lián)接元件（2130)沿其軸線分割成多個磁通量聯(lián)接元件（2130, 2131，2132， 2133)。
2. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述磁通量聯(lián)接元件（2130)是設(shè)置在所述 第一和第二構(gòu)件（1766 ;1767)之間的多個磁通量聯(lián)接元件中的一個，以形成同心地圍繞所 述第一構(gòu)件（1766)的筒狀物。
3. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，每個磁通量聯(lián)接元件（2130)包含到分隔所 述第一構(gòu)件和第二構(gòu)件（1766 ; 1767)的隔膜中。
4. 如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，每個聯(lián)接元件（2130)與所述隔膜的厚度基 本上相等或更大。
5. 如權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，每個聯(lián)接元件（2130)的尺寸 隨離開轉(zhuǎn)動軸線的半徑而增大。
6. 如權(quán)利要求2至5所述的裝置，其特征在于，在每個聯(lián)接元件（2130)之間是具有較 小導(dǎo)磁率和較小傳導(dǎo)率的材料。
7. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述磁通量聯(lián)接部分（2130， 2131，2132,2133)中的一個設(shè)置成沿相對于所述第一構(gòu)件和第二構(gòu)件（1766;1767)的所述 磁極（2110,2120 ;1740,1750)中的一個的運(yùn)動方向與所述磁通量聯(lián)接部分（2130,2131， 2132,2133)中的另一個有差別地對準(zhǔn)。
8. 如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述分割磁極部分的對準(zhǔn)形成對稱樣式。
9. 如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述分割磁極部分的對準(zhǔn)形成V形或正弦波 樣式。
10. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二構(gòu)件（1766 ; 1767)中的至少一個的磁極陣列沿其軸線分割成分割磁極部分（2110, 2111，2112, 2113)。
11. 如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述分割磁極部分（2110,2111，2112， 2113)中的至少一個沿運(yùn)動方向與所述分割磁極部分（2110, 2111，2112, 2113)中的至少另 一個有差別地對準(zhǔn)。
12. 如權(quán)利要求10或11所述的裝置，其特征在于，所述分割磁極部分的對準(zhǔn)形成對稱 樣式。
13. 如權(quán)利要求10或11所述的裝置，其特征在于，所述分割磁極部分的對準(zhǔn)形成V形 或正弦波樣式。
【文檔編號】H02K49/10GK104110461SQ201410350092
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2010年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2009年3月27日
【發(fā)明者】A·阿特金斯, J·戴爾比 申請人:里卡多英國有限公司