为车辆储存能量的飞轮系统的制作方法

专利名称：为车辆储存能量的飞轮系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种飞轮能量储存系统，更具体地说涉及一种为混合式电动车辆提供脉动力、动力制动和能量储存的飞轮-电动机-发电机组合。本发明特别适用于混合式电动车辆。
本发明的一个方面涉及的是在高速飞轮转子所在的空间中保持真空。更具体地说，是在飞轮能量储存系统的飞轮组件中采用一个分子泵，将转子周围的气体泵送到一个与之隔离的腔室。在该腔室中最好设置有用于吸收由转子排出的气体分子的分子筛。
空气质量控制部门鼓励使用由化学电池驱动的电动车辆，其目的是减少由目前普遍采用的内燃机所产生的空气污染。尽管为电池充电提供电能的电力设备本身也会导致污染，但总的结果还是有利于减少空气污染。然而，因在重量、寿命周期和成本方面化学电池的性能相对较差，使它难于在市场上和内燃机这一动力系统进行竞争。
一种包括一个能够产生供车辆消耗的平均动力的涡轮发动机、一个飞轮脉动力发生器、一个电动牵引电动机、以及一个电子控制系统的混合式电动动力系不但能够降低污染程度，改善空气质量，而且其性能优于相应的内燃机。尽管涡轮发动机也需要使用烃类燃料，但是它所采用的催化燃烧器对空气造成的污染要小于给驱动电动车辆的化学电池提供充电电能的电力设备所产生的空气污染。通过将动力源分解为各个优化的单元，分别提供平均和峰值动力，并与动力制动性能相配合，能够提高在绝大多数行驶状态下的效率，从而减少所消耗的燃料。
在1994年3月举行的SAE国际研讨会上，Robin Mackay发表的一篇题为“一种用于混合式车辆的24KW燃气涡轮发动机的开发”的论文，其中描述了一种适合用于混合式电动车辆的涡轮发动机。该论文被本申请引作参考文献。一个多世纪以来，已经产生了许多不同类型的电动机，用于牵引电力驱动的车辆。本发明涉及的是一种飞轮能量储存系统。上述电动动力系的第四个主要组成部分，即电子控制系统，已经在本申请人的另一尚未批准的名称为“电动动力系的控制”的专利申请No.08/246240中进行描述。
现代具有较高强度-重量比的纤维材料使得制造高能量密度的飞轮成为可能，将这样的飞轮与高能电动机-发电机相结合，可以取代电化学电池，为混合式电动车辆提供一种很有吸引力的能量缓冲器。与传统的电化学电池相比，经过良好设计的飞轮系统能够提供较高的能量密度、较高的功率密度、较高的效率、以及较长的使用寿命。
然而，车辆的行驶环境是对成功地将飞轮用于电动车辆的一种考验，包括必须克服由于车辆角运动所带来的陀螺力矩和适应于车辆的直线加速。此外，还必须考虑由飞轮储存的较高能量和动量所带来的一些安全问题，以及对真空腔室中的电动机-发电机进行冷却的困难。另外，为了节约能量和使用方便，还要求飞轮能量储存系统具有较低的能量释放速率。
多年以前就有人提出了飞轮能量储存系统，甚至已经为电动车辆设计了许多种能量储存系统。例如，美国专利No.3741034公开了一种设置在真空球体中的飞轮，该飞轮由液体包围，并提供了各种安全装置。然而，该专利并没有涉及废热的产生和电动机-发电机的冷却要求。此外，该专利既没有涉及行驶环境的动态特性，也没有涉及在车辆停止时尽可能地减小动力消耗的问题。另一方面，美国专利No.4266442、No.4680611和No.4285251提出了制作高速转子的不同方法，但是，这些专利文献都没有考虑与电动车辆的行驶环境相适应的设计特点。
此外，为了适应大约每秒1000米的轮缘线速度，容纳飞轮的壳体必须保持非常低的压力，例如低于0.01帕，以便减小风阻损失。尽管在密封该壳体之前很容易实现上述压力，但是用于制作高能量密度飞轮的纤维复合材料具有一定的残留气体释放速率，因而难于在被密封的壳体中保持所期望的压力，即使之接近于真空。因此，常常需要不断地从壳体中排出释放的气体。在大多数情况下是采用一个外部泵来维持所期望的压力。
美国专利No.4023920、4732529和4826393公开了多种分子泵，它们都属于高真空泵类型，其主要部件的尺寸对应于在所期望的压力下气体分子的平均自由程。公知的分子泵有两种类型，一种是涡轮式分子泵，其结构类似于气体透平机中的轴流式压缩机，采用交错分布的转子叶片和定子叶片；另一种是分子阻压泵，它采用在定子上刻出的螺旋槽，而定子则置于紧靠高速转子的部位上，以便引导气体流过阻压泵。另外混合式分子泵也是公知的，它们分别采用上述类型的分子泵，泵包括的部分有所不同。更具体地说，美国专利No.4023920公开的涡轮式分子泵采用磁性轴承来支持泵的高速旋转的转子；美国专利No.4732529和4826393公开了混合式分子泵，在高真空输入侧采用涡轮式分子泵，而在输出侧采用螺旋槽式的分子阻压泵。
所有上述分子泵都是整装设计的，它们具有自己的轴、轴承系统以及动力源，即电动机。尽管这种方案对于静止系统来说可以获得令人满意的效果，但是却难于用在汽车上，因为车辆上没有可用于放置这种分子泵的空间，其重量也不合适。
如上所述，目前用于储存汽车能量的飞轮系统旨在取代电动车辆中的电池。在这样的应用场合，需要采用多个单元来储存所需的能量，以便使得每个电动机-发电机只需要提供一小部分车辆所需的动力。在所有脉动力都必须由单个飞轮来提供的系统中，具有相对较大体积的单个电动机-发电机难于做到既提供所需的能量密度，同时又不影响安全性能，即径向应力降低到一个可接受的程度，或者不大大增加成本。
美国专利No.3741034公开了一种转子设计方案，它采用由具有较高强度-重量比的纤维线复合材料绕制成相对较薄的同心圆柱缸体，这些缸体由径向弹簧彼此分开。尽管这样的结构能够将径向应力限制到可以接受的程度，但造价却过于昂贵。美国专利No.3859868公开了用于改进转子部件的弹性-能量密度比的几种技术，以将径向应力降低到最小程度。另一方面，美国专利No.4341001和4821599采用曲面金属轮毂将能量储存部件与轴相连接。此外，美国专利No.5124605公开了一种飞轮系统，它采用多个反向旋转的飞轮，每一个这样的飞轮包括一个轮毂、一个轮缘以及多个与轮毂轴线相平行的筒状组件，使得轮毂与轮缘相连接时，轮毂与轮缘之间可以产生微小的径向膨胀。
目前，尚没有任何参考文献披露将较大体积的大功率电动机-发电机与用于车辆的飞轮能量储存系统一体使用的实例。
本发明的目的在于为驱动车辆提供一种改进的飞轮-发电机能量储存系统。更具体地说，本发明的目的是克服现有飞轮能量储存系统所存在的缺点和问题。
本发明的主要目的是提供一种飞轮能量储存系统，它具有适合于电动车辆行驶环境的优化结构。本发明的飞轮能量储存系统能够提供足够的脉动力，满足汽车的瞬时负载的要求。
本发明的一个目的是使飞轮与车辆的角运动是彼此独立的。
本发明的另一个目的是在全向加速过程中为转子提供支撑，同时在旋转部件和静止部件之间保持较小的径向间隙。
本发明的再一个目的是为大功率电动机-发电机提供一个有效和紧凑的冷却系统。
本发明的再一个目的是为采用飞轮能量储存系统的车辆提供一种保护，使之不致于因为所储存的能量和动量矩的突然释放而受到损害。
本发明的再一个目的是提供一种具有较慢的能量释放速率的能量储存装置。
本发明的再一个目的是提供一个位于密封腔室之中的系统，用于保持该腔室的压力低于预定阈值。
本发明的再一个目的是为安装在一个密封壳体中的飞轮能量储存系统提供一压力控制系统，其中飞轮的轴驱动一个泵，以便将气体分子由壳体中的第一腔室泵送到第二腔室。
本发明的再一个目的是为安装在一个密封壳体中的飞轮能量储存系统提供一个压力控制系统，其中用于支持飞轮轴的轴承支持泵的转动部件，该泵将气体分子由壳体中的第一腔室泵送到第二腔室。
本发明的再一个目的是为安装在一个密封壳体中的飞轮能量储存系统提供一个压力控制系统，其中用于将气体分子由壳体中的第一腔室泵送到第二腔室的泵只需要增加很低的成本。
本发明的再一个目的是为安装在一个密封壳体中的飞轮能量储存系统提供一个压力控制系统，它通过用一个分子筛来吸收由壳体中的第一腔室泵送到第二腔室中的气体以保持压力。
本发明的再一个目的是提供一种具有高能量密度的转子。
本发明的再一个目的是提供一种具有高能量密度的转子，其内具有足够空间，用于安装一大体积功率较大的电动机-发电机。
本发明的再一个目的是提供一种易于制造的具有高能量密度的转子。
本发明的再一个目的是提供一种制造成本合理，且具有高能量密度的转子。
本发明的上述和其它目的、特点和优点是通过一种飞轮能量储存系统来实现的，该系统包括一个用纤维复合材料制成的能量储存转子，一个大功率电动机-发电机，它用液体冷却，由滚珠轴承支持，并安装在一个真空球体之中，该球体悬浮在位于外球形壳体中的液体之中。该能量储存系统包括一个飞轮-电动机-发电机组合，其质心相对于真空球体的质心较低，以便使得飞轮-电动机-发电机沿着转子的轴向的铅垂的方向定位。
本发明的上述和其它目的、特点和优点是通过将一个用于控制真空度的分子泵与飞轮能量储存系统相组合，形成一个整体式飞轮能量储存系统来实现的。该整体式的飞轮能量储存系统包括一个密封壳体；一个具有孔洞的隔板，用于将上述壳体分隔成一个低压第一腔室和一个具有相对高压的第二腔室；一个支持在位于第一腔室中的第一轴承和位于第二腔室中的第二轴承之间的轴，该轴位于上述孔洞之中；一个设置在第一腔室中的高速旋转的飞轮；以及一个由上述轴来带动的分子泵，用于将气体分子由上述第一腔室泵送到第二腔室。应当指出的是在不脱离本发明的实质性内容的前提条件下，还可以采用其他支承方式来支持轴。
根据本发明，将分子泵设置在飞轮组件之中，则可以利用能量储存系统中已有的部件来作为分子泵所必需的高速电动机、轴和轴承。上述分子泵最好能够将飞轮的转子以及周围部件释放出的气体转移到位于能量储存系统壳体内的另一个单独的腔室，即一个真空壳体中。该腔室最好装有所谓的分子筛材料，用于吸收绝大部分由飞轮转子所释放出的气体。也可以在真空壳体中的所有部位上放置其它吸收材料，以便吸收那些未能被上述分子筛吸收的微量气体。
本发明的上述和其它目的、特点和优点是通过在飞轮能量储存系统的密封壳体中设置一个分子泵来实现的，其中支持飞轮的轴用于驱动该分子泵，以便使飞轮转子周围的压力等于或低于一个预定压力，在该预定压力下，旋转飞轮所产生的阻力可以忽略不计。该分子泵将用于制造飞轮转子的材料所释放出的气体分子输送到一个装有分子筛的接收腔室之中，由分子筛予以吸收，从而将所述接收腔室中的压力保持为预定的第二压力。
用于实现上述本发明的目的、特点和优点的转子包括一个用于储存大部分能量的基本上呈圆筒状的外缸体部分，以及一个用于将上述外缸体部分与轴相连接的轮毂部分。在一个实例中，该轮毂部分包括一个经过加工的金属圆盘件，它可以通过一个具有较短轴向长度的内缸体部件与所述外缸体相连接。
根据本发明，转子具有易于制造的几何形状。
本发明的上述特征和优点通过下面结合附图所作的详细说明将变得更为清楚。
下面将结合附图对本发明的实施例进行说明，在不同的附图中采用相同的标记来表示相同的部件，其中附

图1是混合式电动车辆分解示意图，它示出了其动力系的各个部件；附图2是概括的方框图，示出了附图1所示车辆的动力控制系统；附图3示出了本发明的飞轮组件的整体结构；图4A是垂直于附图3所示飞轮轴线所取的横断面图，附图4B是包括在附图4A中的圆盘部件的断面图，它有助于理解圆盘件的结构和工作原理，附图4C是如附图4B所示圆盘件的径向应力曲线，图4D是附图4所示的圆盘件的切向应力曲线；附图5详细示出了附图3所示飞轮的上轴承组件及其润滑系统的结构；附图6详细示出了如附图3所示飞轮的下轴承系统及其相应的润滑系统的结构和工作原理；
附图7示出了分子阻压泵，它用于保持容纳如附图3所示飞轮的转子的腔室中的真空度；附图8详细示出了用于支持如附图3所示的飞轮组件的机械万向接头的一种实例；附图9示出了外部保护隔板和外部散热器的结构；附图10A和10B有助于解释如附图3所示飞轮的如图6所示的轴承中使用的挤压膜阻尼器的结构和工作原理。
附图1示出了一种以飞轮作为能量缓冲器的混合式电动车辆的动力系部件。在该结构中，飞轮1提供了车辆加速和爬坡用的脉动力，用于补充由诸如涡轮式发动机组之类的燃料动力源3所提供的相对低值的平稳动力。上述飞轮1也用于在动力制动和下坡的过程中吸收和储存能量。电动机4将飞轮1或者动力源3产生的电能转换成为机械动能。上述所有的部件最好都由电子控制器2控制。
图2是动力控制系统的方框图，示出了电子控制器如何根据驾驶员的输入来调节车辆的动力传递，所述输入是通过加速器踏板5和刹车踏板6来提供的。在正常行驶过程中，控制器2将涡轮发动机3产生的动力送到驱动电动机4，并将这一动力和飞轮1产生的动力相叠加，以便加速或爬坡。在制动或者下坡的过程中，驱动电动机4以发电机的方式进行工作。控制器2在此过程中最好利用该驱动电动机4来为飞轮补充能量。控制器2最好通过动力源3来补充能量，使飞轮1的转速维持在一个预定的范围之内，避免其转速值达到下限值；或者通过让飞轮承担更多的驱动负载，避免其转速达到上限值。为了便于起动，控制器2也将飞轮1的动力送到动力源3。在图2中，电能传输线路用实线来表示，而信号传输线路用虚线来表示。
图3是整个飞轮组件的横断面视图，它示出了其部件的总体结构。外壳体8封装了飞轮组件，并提供了与车辆之间的机械和电连接。在外壳体8和真空壳体10之间的空间中填充了液体9，上述真空壳体10悬浮在其中。应当指出的是轴承14、15是机械万向接头系统80的一部分，最好将它们设置在外壳体8和真空壳体10之间。对于上述万向接头系统80，下面将结合附图8对它进行详细的说明。
旋转组件100包括一个金属轴18，它由一个上轴承组件12和一个下轴承组件16支持。一个挤压膜阻尼器145与所述下轴承组件16相配合进行工作。由一个包括转子21a和定子21b的电动机-发电机17为上述旋转组件100提供动力。
上述定子21b与真空壳体10的凹入部分25，亦即具有多个轴向孔20a的金属缸体20形成良好的热接触，所述轴向孔20a形成了供液体9流过的通道。最好使得相邻的轴向孔20a交替地用于供液体9向上和向下流动。所有的轴向孔20a在缸体25的顶部被连接在一起，但是在缸体25的底部彼此分开，分别与入口管道25a和出口管道25b相连接。流体分离器10a最好与外壳体8之间具有较小的间隙，用于使得由一个外部泵54泵送的流体经过一个外部散热器55首先双向流过所述定子21b，以便带走其热量，然后流过外壳体8和真空壳体10之间的环形空间。如附图9所示，所述散热器55可以是一个由专用风扇56予以冷却的热交换器。如附图3所示，流体分离器的位置使得流体即使在车辆的最差的行驶角度条件下也能够流过缸体25。由于车辆作大角度转弯的时间通常非常短，流体的短暂中断不会在电动机-发电机17中产生不可接受的温升。
相对较冷的流体9最好由散热器55经过入口孔36泵送到飞轮1，并通过出口孔37流出飞轮1，经过泵54流回到散热器55。
组件100的纤维复合缸体11通过一个金属轮毂22和一个轴向较短的纤维复合缸体24与轴18相连接。上述金属轮毂22最好由铝制成，但是也可以用任何其他具有类似的高极限强度-弹性模量比的金属、金属复合材料或化合物制成。组件100以旋转动能的形式储存能量，其中绝大部分能量储存在缸体11中。最好设置一个螺线管磁体23，用于产生一个与旋转组件100的重量相等的提升力。
一个分子阻压泵26将材料中释放出的残余气体由低压腔室28送到腔室27，在腔室27中装有分子筛27a，用于吸收上述气体。金属圆盘29将上述两个腔室彼此分开。
附图4A是沿附图3所示飞轮1的旋转轴线的垂直方向所取的横断面图，它示出了由铝制轮毂22通过中间缸体24将轴18与缸体11相连接的情况。如附图4B的横断面图所示，轮毂22的轴向厚度随着其主体部分22a半径的增大而减小。应当指出的是所述主体部分22a构成了轮毂22的绝大部分。采用这一形状的优点是沿半径方向的任何位置上都具有基本上相同的应力。这种恒定的应力分布有助于在轮毂22的相应部位上获得最大的径向增长。
在轮毂22半径的最外部22b上，其轴向厚度突然增大，从而形成了一个薄的外柱面部分22c。应当注意的是该外柱面部分22c包括端部垫片22d和22e。如附图3、4A、4B所示，有利于将上述垫片粘合在中间复合缸体24上。应当指出的是随着所施加的离心力的变化，上述柱面部分22c会产生弯曲。通过所述主体部分22a的延伸以及柱面部分22c的柔性的相互结合，就使得垫片22d、22e能够在不使轮毂22的任何部位产生过度应力的情况下随缸体24的径向增长。
旋转组件100的直径可以是例如12英寸，它最好能够在大约每秒6500弧度的最大转速下储存大约2千瓦小时，亦即7,200,000焦耳的能量。可以看出，上述转速相当于大约每秒钟1000米的表面线速度。这样的高速要求将旋转组件封装在一个真空容器之中。此外，这样高的离心加速度要求旋转组件100主要由高强度的纤维复合材料制成，例如由纤维线材绕圆周方向绕制而成。
如附图3详细示出的旋转组件100最好包括两个主要的部件，即一个外缸体部分11和一个金属轮毂22，所述外缸体部分的长度例如可以是12英寸。复合内缸体24将上述金属轮毂22与复合外缸体11连接起来。如附图3所示的复合外缸体11由两部分区域构成，其中最外层区域11a采用目前具有最高强度的石墨纤维材料绕制而成，它能够承受高达106G的离心加速度；最内层区域11b用纤维线材绕制而成，其密度和弹性模量可在外层区域11a施加一个适中的压力负载，这有助于将外层区域11a中的径向张力减小到最小程度。采用上述材料所获得的径向和切向应力分别如附图4C和4D所示，下面将对它们进行详细的说明。
用于制作最外层区域11a的上述具有最大强度的石墨纤维材料最好具有大约为924,0001b/in2(924kpsi)的最小抗拉强度，而用于绕制复合缸体24的纤维材料具有大约450kpsi的抗拉强度。缸体24最好采用商品名称为“Spectra”的材料制作。上述用于制作内层区域11b的具有适中强度的石墨纤维材料的最小抗拉度应为大约714kpsi。如上所述，最好采用最小抗拉强度为75 kpsi的高强度铝来制作轮毂22。
旋转组件100最好以两个单独的部分来制作，即轮毂22和包括缸体24、11的外圆筒部分，然后以压配合方式将这二者组装在一起。该压配合将使端部垫片22d、22e朝着轴18方向压紧。
抗拉强度和弹性模量是用于制造缸体24和11的纤维的重要特性。如附图4C所示，在从内半径3.7英寸的缸体24到外半径6英寸的缸体11的范围内，径向应力在最高转速下小于每平方英寸4000磅，该数值远在环氧树脂基质材料的承受范围之内。基质材料本身必须能够承受这一应力，因为用纤维线材料沿周向绕制不能提高径向强度。由于纤维材料的弹性模量逐级由缸体24的2.4×107psi上升到缸体11b的内层区域的3.3×107psi和缸体的外层区域11a的4.3×107psi，从而使得径向应力呈现出附图所示的曲线，并使之具有所期望的较小最大值。
附图4D示出的是环向应力。缸体24中的最大环向应力为105psi，缸体11中的最大环向应力为2×105psi。此应力由纤维线材来承受，上述数值都远低于所采用材料的最大应力值。缸体24所采用的纤维线材的最大抗拉强度为4.35×105psi，由于复合材料中的充填因子而使它减小到该数值的2/3，亦即2.9×105psi，缸体11的内层区域采用的纤维线材的最大抗拉强度减小到4.67×105psi，而外层区域采用的纤维线材的最大强度则减小为6.16×105psi。这三个指标能够承受由于疲劳而产生的性能降低，同时也提供了足够的安全裕度。
以压配合方式将缸体11套装在缸体24上，这与缸体24套装在轮毂22上的方式相同。这种方式使得轮毂22在转子处于静止状态时处于受压状态，这有助于在转子旋转时减小其径向增长和张力。这种技术使得金属轮毂能够在不产生过度应力的情况下适应复合缸体的径向增长。
附图5示出了上轴承组件12的详细结构。最好采用角面接触轴承30a来支持安装在真空壳体10中的旋转轴18，该轴承采用陶瓷滚珠30a以延长轴承的寿命。最好采用循环系统对轴承12进行润滑，在该系统中通过离心力和重力的共同作用来实现对润滑油的泵送。当润滑油装在旋转容器36中时，其自由表面在轴18旋转时形成了一个垂直圆柱状，超过预定的液位，与静止轴37相连的收集器32将多余的润滑油汲取到静止容器39中。此后最好润滑油依靠其重力由上述静止容器39流到中央腔室40。收集的润滑油被排出到旋转腔室35中。最好通过一个润滑油流量测量柱塞35来控制润滑油的流速，润滑油通过该柱塞在中央腔室40和旋转腔室35之间流动。因此，旋转腔室35中的离心力带动被引入的润滑油沿径向朝外流动。这将使得润滑油能够通过孔33进入轴承30中。轴承30的旋转部分产生的离心力使得润滑油进入旋转容器36，从而开始下一个循环。
如附图5所示，轴承12的旋转锥面和静止锥面之间的狭小间隙31起到了密封或者收集作用，它能够防止润滑油滴从轴承12的附近进入飞轮腔室27。任何有可能进入间隙31中的润滑油滴都会被圆锥形部件41的旋转表面向外加速，从而能够使之重新进入旋转容器36中。
应当指出的是在轴18开始旋转之前，润滑油保持在旋转腔室35中。一旦轴18开始旋转，就形成上述润滑油循环。
附图6示出了下轴承组件16的工作情况。与上轴承12一样，轴承140最好也采用角面接触型轴承，采用陶瓷滚珠140a以延长轴承的寿命。轴承140可以由一润滑油循环系统润滑。
润滑油循环系统130最好包括一个旋转圆盘141，它使得润滑油由轴承140的旋转部分朝外抛入到容器142之中。容器142中的润滑油液位由虚线来指示。润滑油通过孔143进入挤压膜阻尼器145，由同心金属缸体145a、145b形成的狭窄环形空间装有径向弹簧145c以及润滑油。上述挤压膜阻尼器145的详细结构如附图10所示，其中附图10A是挤压膜阻尼器145的一个较小弧形部分的轴向视图，它示出了在同心缸体145a和145b之间装有径向弹簧145c的环形空间。
弹簧145c最好以化学方式进行刻蚀，形成如附图10B所示的刻蚀图形。当径向弹簧145c卷绕在缸体145a上时，图形的一半矩形部分朝外突出，形成数百个单元弹簧，其端部与缸体145b的内表面相接触。缸体145a和145b之间的没有被径向弹簧145c占据的空间由润滑油来填充。弹簧145c能够提供一个恢复力，以克服外缸体145a相对于内缸体145b的径向位移，前者与真空球形壳体10相连接，而后者通过轴承140以可转动的方式与旋转轴18相连接。
将粘稠润滑油填充在上述环形空间中能够产生一个与位移变化率成正比的径向力。所述挤压膜阻尼器145的作用是限制由旋转组件100的残留不平衡(residual unbalance)所造成的在轴的临界频率下振动的振幅。
参见附图6，润滑油通过位于挤压膜阻尼器145底部的孔149进入容器144。容器144中的润滑油液位由虚线来表示。润滑油进入旋转锥体150的垂直孔146，并通过径向孔147流出，冲击到轴承140的旋转部分上，然后重新开始一个新的循环。
可以通过一个双贝氏垫片(double Belleville Washer)148来给轴承12和轴承16加预载。垫片148在轴承12、16的曲面座圈上产生了一个轴向推力，它有助于在径向方向上挤压每一个轴承中的滚珠。由此产生的压力保证了在滚珠和相应座圈之间形成所需的接触面，进而使得轴承组件获得所需的径向刚度。由于在轴承的使用寿命的绝大部分时间中，预加负载是轴承所承受的唯一负载，因此在满足径向刚度要求的条件下应使得该预加负载尽可能地小，以延长轴承的寿命。
附图7显示了分子阻压泵26的结构，它用于保持真空壳体10内为预定压力。应当指出的是气体会缓慢地从飞轮材料中释放出。分子阻压泵26最好将释放出的气体分子由腔室28泵送到腔室27，轴18在腔室28中旋转，而腔室27中设有分子筛27a，该分子筛能够吸收被泵送的气体分子。上述泵送操作将使得腔室28中的气体压力尽可能地低，以便获得较小的气动阻力，从而将组件100的纤维复合旋转缸体11产生的热量减少到最低程度，该缸体的表面线速度超过每秒1000米。阻压泵26具有在静止缸体38内侧形成的一条螺旋槽构成，该缸体和旋转轴18靠得很近。由于轴承组件12、16和用于驱动分子阻压泵26的电动机17同时也是飞轮1所需要的，因此增加这一重要功能所需的附加成本可以忽略不计。
更具体地说，隔板29形成了与轴承12、16中的一个相靠近的单独气体储存腔室27。如附图7所示，隔板29具有用于插入轴18的孔29a。轴承12最好安装在分子泵26内，该泵最好是一个分子阻压泵26。气体储存腔室27内最好设置所谓分子筛27a，下面将要对该分子筛进行详细的说明。
本发明的目的之一是在飞轮转子旋转的空间中保持较高的真空度，以使旋转组件100产生的阻力可以忽略不计。在优选轮缘线速度达到约1000m/s时，壳体10中的空气压力应小于0.01帕。还应注意的是用于制作高能量密度飞轮，亦即飞轮组件100的纤维复合材料具有以一定的速率释放出残留气体的属性，从而难于在密封的腔室中保持所需的真空度。因此，在传统的系统中，通常是采用外部泵将释放出的气体连续地从腔室中抽出。
与传统系统不同，在本发明的飞轮1中，设计一个分子泵，采用飞轮能量储存系统中现成的高速电动机、轴、轴承系统将飞轮组件以及周围释放出的气体输送到一个单独的腔室27，该腔室完全包容在整个真空壳体10之中。腔室27最好装有分子筛27a来吸收绝大部分由诸如缸体11所产生的气体。另外，最好在真空壳体10内布满吸收剂，以便吸收那些不易被分子筛27a所吸收的微量气体。
在一个实施例中，飞轮组件100的直径为12英寸，其最大旋转角速度为每秒6500弧度，相当于表面线速度每秒1000米，这样高的速度要求将环境气压保持在低于0.01帕，以便使得飞轮组件具有足够长的能量释放时间。
尽管在密封真空壳体10之前对它进行抽成真空的同时，还对飞轮组件100进行了高温烘干处理，然而复合材料，特别是用于制作飞轮组件100的环氧树脂中包含的大量挥发性物质将会以一定的速率产生残留气体，所产生的气体能够在较短的时间内使得壳体内的压力超过允许压力。分子阻压泵26的优点在于它能够用来将这样的气体泵送到气体储存腔室27内，在该腔室中由分子筛27a加以吸收。这样，既使储存腔室27中的压力有可能升高1帕，也能够在飞轮缸体11的附近保持壳体10中的压力。
由于采样任何结构的分子泵按照标准都需要配置价格昂贵的高速轴承和电机，因此如果将分子阻压泵26作为一个整装构件，仅用它来维持壳体10中压力，使之低于允许的最大压力值，就显得过于昂贵了。将分子阻压泵26与飞轮组件100设计为一整体，就使得供飞轮组件使用的轴、轴承和电机也能够用于分子阻压泵26。值得指出的是，将分子阻压泵合并到飞轮能量储存系统中所需要增加的成本是非常低的。
构成分子筛的气体吸收剂具有适应于被吸收分子直径的孔径。所需的分子筛可以采用美国联合碳化物公司的商品名称为“MOLSIV”的产品。该产品的吸收能力受压力的影响很大，例如，在飞轮组件100的正常工作压力下，其吸收能力很低。应当指出的是，气体储存腔室27的正常工作压力P2通常是壳体10中压力P1的大约1000倍，在此压力下分子筛27a能够吸收飞轮组件100所释放出的所有气体。换句话说，在分子阻压泵26的上游压力P1处，对飞轮组件100产生的目标气体分子的吸收率是较低的。如果增大腔室27中的压力P2，就能够提高吸收率。最好按照这样的方式来选择分子筛材料，使得它在低于分子阻压泵26的关闭压头(Shut off head)的压力下最小吸收率也能够与飞轮组件100的气体分子释放速率相匹配。
在分子阻压泵26的定子上刻出的螺旋槽26a提供了一个供被释放气体从高真空腔室流到装有分子筛27a的腔室27的通道，所述高真空腔室中的压力P1例如可以是0.01帕，而腔室27中的压力P2可以高达10.0帕。
在本发明的另一个实施例中采用涡轮分子泵26′来取代分子阻压泵26。泵26包括多个安装在泵轴18上的涡轮叶片，这些叶片与板29所支持的定子叶片交错排列。分子泵26′的功能与分子阻压泵26相同，都是用于将飞轮组件100释放出的气体泵送到装有分子筛27a的气体储存腔室27中。与附图3所示的结构相比，采用涡轮分子泵26′的优点在于在某些飞轮结构情况下能够沿轴向留出更多的空间。
附图8示出了机械万向接头组件80，该组件由位于外壳体8和真空壳体10之间环形空间中的钢带50构成。钢带50通过两个滑动轴承14和15安装在真空壳体上，上述两滑动轴承在直径方向上彼此相对。第二对滑动轴承51(图中已示)和52(图中未示)也在直径方向上彼此相对，它们与连接在真空壳体10外表面上的钢带50上的第一组滑动轴承14、15在安装位置上旋转了90度。这种安装方式能够使得包含飞轮组件100的真空壳体10不受车辆颠簸和摇摆运动的影响。电动机-发电机产生的转矩作用在万向接头80上，该万向接头也用于传递由于真空球体在悬浮液体9中略微偏离平衡浮力而造成的残留加速负载。上述滑动轴承所支持的轴的尺寸应当使之能够承受较高的过载力矩，当发生轴承卡死造成飞轮故障时会产生此过载力矩。这是为了防止飞轮引起车辆产生跳动而采取的安全措施。
除了上述功能之外，上述万向接头组件也用于为电源引线提供机械支持作用，该引线必须由外壳引入到真空壳体之中，以便与电动机-发电机相连接。
下面将详细地说明飞轮-电动机-发电机组合的工作情况。
支持系统的目的是使得飞轮1在所有行驶条件下均能够可靠地实现其作为能量缓冲器的功能，并在停车时仅仅消耗可以忽略不计的动力，即使是停止在一个陡坡上也是如此。由于在最大负载下，旋转组件100的表面线速度高达每秒1000米，必须将组件100设置在一个真空环境之中。只要保持机械负载尽可能地低，用较少的油来润滑的陶瓷滚珠轴承30、140就能够达到所需的工作寿命。本发明的飞轮系统的整个设计就是为了尽可能地减小上述负载。
将真空壳体10置于一个万向接头系统80中，使得飞轮1几乎不受车辆转弯的影响。如果飞轮1不是用万向接头方式支持的，车辆转弯时会产生一个幅度为Hdp/dt的陀螺力矩，其中H是飞轮1的动量矩，dp/dt是车辆的颠簸和摇摆角速度。对于附图3所示的能够最大储存2KWH能量的飞轮组件来说，当车辆作颠簸或转动运动时，每一轴承的反作用力将达到每秒每弧度6000牛顿。除非车辆始终是在极为平坦的道路上行驶，否则上述反作用力会缩短轴承的使用寿命。采用上述万向接头系统80就能够将作用在轴承30、140的力矩减小为仅仅承受在真空壳体10上的液压力以及由电源引线的弹性力所产生的力矩。由于液体9对内壳体提供了一个基本上平衡的浮力，因此机械万向接头不必承受大部分加速负载。换句话说，该负载是由液体9来承担的。机械万向接头只需要承受由电动机-发电机17所产生的向上旋转和向下转矩，当飞轮1以每秒6400弧度的静态工作速度旋转，传递或者吸收80KW的能量时，上述转矩仅仅为12.5牛顿.米。这样，万向接头80就最好具有足够小的阻力面积，以使得它在车辆作颠簸或摇摆运动时所产生的液压转矩减小到可以忽略不计的程度。
在平稳驾驶过程中，转子轴线处于垂直方向，从而使得真空壳体10及其内容物的质心低于其浮心，这将有助于在真空壳体10上产生一个恢复力矩。在这一状态下，组件100的重量由螺线管磁体23承受，作用在轴承上的力是由预加载弹簧148所产生的力。只要径向刚度要求允许，该力可以尽可能地小。
当车辆加速或者被制动时，旋转轴就不再是垂直的，在经过一个过渡过程后将朝向一个等效的重力场，该重力场是地球重力加速度与车辆加速度的矢量和。这样，在匀加速过程中的轴承负载将主要是轴向的。在过渡过程中，将导致转轴的一个衰减运动，轴承通过施加一个径向力来克服由这一运动所产生的较小力矩。
当车辆停止时，即使是停在一个坡面上，旋转轴线与平稳行驶时一样，非常接近于垂直方向。由穿过万向接头系统80的动力引线所产生的弹性力将产生一个力矩，该力矩倾向于使得所述轴线垂直于坡面，但是最好让该力足够小，以使得由此所产生的偏离可以忽略不计。使转子轴线在车辆静止时处于垂直方向，转子的重量就能够完全由磁体23来承受，从而将作用到轴承上的负载减小到最小程度，进而延长轴承的寿命。
本发明的另一个目的是在任何驱动条件下充分冷却电动机-发动机17，当车辆处于反复停止-起动行驶状态时，尤其需要冷却。在这样的循环工作过程中，当车辆加速时，电动机-发电机17作为一个发电机传递能量；动力制动时，电动机-发电机17作为一个电动机吸收能量，交替转换。尽管本发明的装置在两种工作模式下都能够十分有效地进行工作，但是却会产生高达几十千瓦的较高能量如果不进行冷却，由铁损和铜损所产生的温升将使电动机-发电机受到损坏。
如上所述，本发明的一种优选方案是使得悬浮液体9通过金属缸体25的轴向孔20a进行循环，从而为电动机-发电机定子21a提供有效的冷却。由于轴承12、16只对旋转轴18作极小的热传导，电动机-发电机转子21b主要是以辐射方式予以冷却。通过选用能够尽可能减小转子损失的电动机-发电机，例如同步感应式电机，能够将上述热辐射所需的转轴温度保持在可以接受的限度之内。温度相对较低的球形空间，即作为旋转组件100热辐射对象的真空壳体10有助于将转子温度保持在可接受的限度之内。
本发明的再一个目的是在发生撞车或者飞轮1出现机械故障的情况下，保护车辆以及其乘客不受储存能量的突然释放或者动量矩变化的影响。尽管所储存的最大能量只相当于燃烧6盎司汽油产生的能量，但危险的释放方式，即突然释放仍是必须加以考虑的。最好在旋转组件100和外界之间设置4道屏障，即真空腔室10、液体9、外壳体8、以及纤维复合材料52构成的外包装，该外包装采用泡沫垫板53在间隙空间中包围并支撑壳体8。见附图9。
由最大储存能量所释放的热量将会使液体的温度上升大约数百度，但是不会导致严重的危险。如果允许突然地将转子的动量矩转移到车辆，就会对车辆产生危险的冲击。在本发明的最佳实施例中，通过在轴承被卡住或者在转子碎裂时剪断机械万向接头中的销子，便真空壳体10逐渐朝下旋转，防止了上述现象。详见附图8。
上述对本发明最佳实施例的说明仅仅是举例性的，本发明并不限于上述说明。根据上述说明，还可以对本发明作出种种改进。上述实施仅仅用于说明本发明的原理以及它在电动车辆中的实际实用，从而使得本技术领域里的普通技术人员能够将本发明运用于各种不同的实施例中，对于不同的应用场合可以对本发明作出不同的改进。本发明的保护范围由下述权利要求来界定。
权利要求
1.一种用于为车辆储存能量和提供脉动力的飞轮-电动机-发电机组合的整体系统，包括一外壳体；一位于上述外壳体之中的真空壳体，该真空壳体和外壳体形成了一空间；一散热器；一泵，用于使液体在所述空间的预定部中循环，以将废热传送给所述散热器。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述飞轮-电动机-发电机的定子的位置接近于所述空间的所述预定部。
3.如权利要求1所述的系统，还包括多个可以被剪切断的支持件，它们位于所述外壳体和真空壳体之间可以运转。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述飞轮-电动机-发电机组合具有相应的质心，所述真空壳体具有相应的浮心，所述浮心位于相对于所述质心某一位置处，从而产生一对应于所述飞轮-电动机-发电机组合的恢复力矩。
5.如权利要求4所述的飞轮组件系统，其中所述的恢复力矩被施加在飞轮-电动机-发电机组合的转子轴上，无论车辆以任何方向运动，都使得转子轴线在车辆的平稳行驶状态下或者在车辆停止的状态下处于垂直方向。
6.如权利要求1所述的飞轮系统，其中用泵对位于所述预定部位之外的液体进行输送，以使所述部之外的由该液体湿润的真空壳体保持接近于环境温度。
7.一种为车辆储存能量的飞轮-电动机-发电机组合的飞轮支持系统，该支持系统包括一个液体悬浮系统，它包括一外部壳体；一位于所述外壳体之中的真空壳体，该真空壳体和外壳体形成了一个空间；一通过液体与所述空间相连通的散热器；一在运转情况下与所述散热器和所述空间相连接的泵；其中所述泵、散热器和空间构成了一冷却回路，所述液体通过该冷却回路在散热器和该空间之间循环，以将废热传送到散热器。
8.如权利要求7所述的飞轮支持系统，其中所述真空壳体包括一与所述飞轮-电动机-发电机组合的定子热连接的部件，所述定子位置接近于该部件，液体流过该部件，从而为飞轮-电动机-发电机提供冷却。
9.如权利要求7所述的飞轮支持系统，还包括多个可以被剪切断的支持部件，它们被置于所述外壳体和真空壳体之间并可运转。
10.如权利要求7所述的飞轮支持系统，其中所述飞轮-电动机-发电机组合具有相应的质心，所述真空壳体具有相应的浮心，所述浮心位于相对于所述质心某一位置，从而产生一相应于所述飞轮-电动机-发电机组合的恢复力矩。
11.如权利要求10所述的飞轮支持系统，其中所述恢复力矩作用在飞轮-电动机-发电机组合的转子轴线上，以便无论车辆的方位如何，都使得转子轴线在车辆的平稳行驶状态下或者在车辆停止的状态下处于垂直方向。
12.如权利要求7所述的飞轮支持系统，其中位于所述部之外的液体被强制循环，以便将位于所述部之外的由该液体湿润的真空壳体保持在环境温度下。
13.一种用于高能量密度飞轮组件的安全系统，包括一真空壳体；一种能量吸收悬浮液体；一外壳体；一种增强环绕；它以一定的次序排列，形成多个隔断层和能量消耗部件，用于保护车辆及其乘客，使之不致于受到由飞轮组件突然释放的能量的损害。
14.如权利要求13所述的安全系统，还包括一个机械万向接头，它包括可以被剪切断的万向接头销子，用于在多个轴承中的至少一个被卡住时或者当真空壳体和飞轮组件之间产生接触时保护乘客和车辆，使之不致于受到突然传递的动量矩的损害，当所述万向接头的销子被剪切断时，使得真空壳体克服置于它与外壳体之间的液体的阻力，逐渐旋转下降。
15.一种用于飞轮能量储存系统的压力保持系统，所述飞轮能量储存系统包括一个密封腔室，一个支撑在与所述壳体可运转连接的第一轴承和第二轴承之间的轴，该轴支持一个高速旋转的飞轮转子，而该转子以预定的速率释放出气体分子，该压力保持系统包括一个具有孔洞的隔板，将所述壳体分成第一腔室和第二腔室，其内分别保持第一和第二预定压力；一个和轴可运转连接的由所述轴带动的分子泵，用于将所述气体分子由第一腔室泵送到第二腔室。
16.如权利要求15所述的压力保持系统，还包括置于所述第二腔室中的分子筛，用于吸收由所述分子泵送出的气体分子。
17.如权利要求16所述的压力保持系统，其中所述气体分子具有预定的体积，气体分子由所述飞轮释放，所述分子筛对于具有所述体积的气体分子具有亲和性。
18.如权利要求16所述的压力保持系统，其中所述气体分子具有预定的体积，气体分子由所述飞轮释放，被所述分子筛吸收，所述分子筛对于具有所述体积的气体分子具有亲和性，该分子筛的吸收率受压力影响，所述预定的第二压力介于最小吸收率与所述分子泵的关闭压头之间。
19.如权利要求15所述的压力保持系统，其中所述的分子泵是一个分子阻压泵。
20.如权利要求15所述的压力保持系统，其中所述的分子泵是一个分子阻压泵，在泵的定子上形成有多个螺旋槽。
21.如权利要求15所述的压力保持系统，其中所述分子泵是一涡轮式分子泵。
22.如权利要求15所述的压力保持系统，其中所述分子泵是一混合式分子泵，包括一级涡轮分子泵和一级分子阻压泵。
23.一种为车辆储存能量、产生脉动力并支持飞轮轴的飞轮-电动机-发电机组合的整体轴承系统，包括一上角接触轴承；一下角接触轴承；其中所述上、下角接触轴承分别由一个单独的闭合循环油路系统润滑，所述油循环系统的特征在于每一个相应的循环油路系统由重力和离心力的合力提供动力；每一个相应的循环油路系统包括流动阻挡件，用于防止润滑油溢流出到相邻的真空腔室中；每一个相应的循环油路系统与一个磁体以运转方式连接，该磁体用于使得轴承系统免于承受设置在高真空腔室中的旋转组件产生的重力负载；每一个相应循环油路系统以机械方式与预载弹簧相连接，该弹簧用于提供一个轴向力，该轴向力分别在上、下轴承中产生所需的径向刚度。
24.如权利要求23所述的整体轴承系统，其中所述的下角接触轴承包括一挤压膜阻尼器装置，它包括两个同心的垂直缸体，在它们之间形成了一个狭窄的环形空间，在该空间中具有径向弹簧和油，所述挤压膜阻尼器被结合在下轴承的循环油路系统的流动通路之中，用于显著地减小由于转子的不平衡而在临界频率下轴的振动振幅。
25.一种用于储存能量、并可随轴的旋转而旋转的飞轮组件，包括一邻近于轴的轮毂，它具有基本上呈圆筒形的区域，一具有恒定应力的中间区域，以及一外层连接区域，该区域形成了一基本上与轴平行且同心的具有柔性的圆筒；一个圆筒部，飞轮组件的绝大部分质量集中在此部上。
26.如权利要求25所述的飞轮组件，其中所述柔性圆筒包括位于该柔性圆筒两个相对边缘上的连接垫片，用于和所述圆筒部的连接。
27.如权利要求26所述的飞轮组件，其中包括连接垫片的柔性圆筒在飞轮组件处于静止状态时被所述圆筒部在径向方向上进行挤压。
28.如权利要求25所述的飞轮组件，其中所述的圆筒部包括一个最内层的缸体和一个最外层的缸体，所述最内层的缸体以机械方式将所述柔性圆筒连接到最外层的缸体上。
29.如权利要求28所述的飞轮组件，其中所述最外层缸体包括一内部第一区域和一外部第二区域，所述最内层缸体、第一区域和第二区域分别由具有第一强度、第二强度和第三强度的纤维材料制成，所述纤维材料的相应强度是根据与轴之间的距离来选择的。
30.一种飞轮系统，它和真空泵和卸载磁体结合，该真空泵用于保持高真空度，从而减小对旋转组件的气动阻力，该卸载磁体用于减小相应的轴承载荷，从而减小旋转组件的阻力，这能够减小总阻力，从而使飞轮系统具有一个较长的自身能量释放时间。
全文摘要
一种飞轮支持系统，它能够使得飞轮(1)和电动机-发电机(21)与电动车辆的行驶状态无关。在飞轮组件的外壳体(8)和真空壳体(10)之间填充了一种合适的液体(9)，用于对外壳体产生浮力和阻尼，冷却电动机-发电机，并在发生意外事故或故障时屏蔽转子能量和动量矩。正常运行时，一个能够被剪切断的机械万向接头系统(80)使得真空壳体位于外壳体的中央部位，响应于电动机-发电机所产生的旋转力矩，并为电引线进入真空壳体提供一个通道。在轴承被卡住或者转子出现故障的情况下，机械万向接头将被剪切断，使得真空腔室能够在液体中逐渐地旋转下降。一个用油进行润滑的角面接触滚珠轴承(12，13)系统用于支持包括电动机-发电机的转子(21b)在内的旋转组件。一个与最下面的轴承(13)相配合的挤压膜阻尼器(145)用于减小机械振动。采用一分子泵(26)来保持旋转组件所需要的高真空度。由于真空壳体连同其内部结构的质心低于浮心，从而使真空壳体在车辆不加速的情况下处于垂直方向，能够采用一个磁体(23)使飞轮转子卸载。
文档编号B60K6/30GK1134765SQ94194065
公开日1996年10月30日 申请日期1994年11月7日 优先权日1993年11月8日
发明者哈罗德·A·罗森, 丹尼尔·巴克霍丁, 罗伯特·W·博斯利, 克里斯·C·皮尔逊, 斯科特·B·帕诺 申请人:罗森发动机制造公司