复合式飞轮的制作方法

复合式飞轮的制作方法
【专利摘要】一种飞轮（12）包含具有复合式轮缘结构（26）的轮，所述复合式轮缘结构（26）具有多个径向钢材料层。环氧树脂类型粘接剂（34）可将所述多个不锈钢层接合在一起。
【专利说明】复合式飞轮
[0001]相关申请案
[0002]本申请案主张2010年9月14日申请的美国临时申请案第61/382，694号的权利。上述申请案的全部教示内容以引用方式并入本文中。
【背景技术】
[0003]复合式飞轮可包含纤维或丝状体，该等纤维或丝状体缠绕成轮且通过粘接剂接合在一起。此类纤维可以是金属线。具有金属线的复合式飞轮的大小或速度通常受到限制，相对较小，以使得线与粘接剂不会彼此分离。

【发明内容】

[0004]本发明可提供一种飞轮，与现有复合式飞轮相比较，所述飞轮可制造得较大且较重，且能以较高速度旋转。飞轮可包含具有复合式轮缘结构的轮，复合式轮缘结构具有多个径向不锈钢材料层。环氧树脂类型粘接剂可将多个不锈钢层接合在一起。
[0005]在特定实施例中，径向不锈钢材料层可具有一系列型腔。在一些实施例中，不锈钢材料可包含一定长度的不锈钢纤维。环氧树脂类型粘接剂可被真空浸溃于不锈钢纤维与不锈钢材料的径向层之间的空间中。在一个实施例中，不锈钢材料可包含不锈钢钢丝绳。在另一实施例中，不锈钢材料可包含不锈钢编织线的网。在另一实施例中，不锈钢材料可包含不锈钢网格的网。复合式轮缘结构可围绕核心组件的外部圆周而定位。核心组件可安装于中央轴上。在一个实施例中，复合式轮缘结构可具有一系列离散同心圆形不锈钢材料环。在另一实施例中，复合式轮缘结构可具有一定长度的连续螺旋形缠绕的不锈钢材料。在其他实施例中，多个径向非金属纤维材料层可被包含且经定位，使得相邻的径向不锈钢材料层具有在彼此之间接合的非金属纤维材料层。非金属纤维材料可由碳形成。
[0006]本发明还可提供一种飞轮，所述飞轮包含具有复合式轮缘结构的轮。复合式轮缘结构可具有多个径向多孔钢网材料层及多个径向多孔非金属纤维网材料层，从而形成交替的径向多孔钢网材料层和径向多孔非金属纤维网材料层。粘接剂可将交替的径向多孔钢网材料层和径向多孔非金属纤维网材料层接合在一起。
[0007]在特定实施例中，多孔钢网材料和多孔非金属纤维网材料从连续长度缠绕成双层螺旋形配置。多孔钢网材料可由合金钢形成，合金钢在一些实施例中为不锈钢。多孔非金属纤维网材料可由碳形成。多孔钢网材料可呈网格形式，且多孔非金属纤维网材料可呈织物形式。金属性核心组件可被包含且具有外部圆周，复合式轮缘结构围绕所述外部圆周而定位。
[0008]本发明还可提供一种包含轮的飞轮，所述轮具有复合式轮缘结构，复合式轮缘结构具有多个经表面处理的径向钢材料层。粘接剂可将多个经表面处理的径向钢材料层接合
在一起。
[0009]在特定实施例中，钢的表面可经处理以移除铁锈和油。此外，钢的表面可经处理以增加与粘接剂接合的表面面积。在一些实施例中，钢的表面可经处理而具有铁锈抑制保护性涂层。
[0010]本发明还可提供一种形成飞轮的方法，所述方法包含使多个径向不锈钢材料层形成为轮。可用环氧树脂类型粘接剂使多个径向不锈钢材料层接合在一起以形成轮的复合式轮缘结构。
[0011]在特定实施例中，可向径向不锈钢材料层提供一系列型腔。在一些实施例中，可向不锈钢材料提供一定长度的不锈钢纤维。环氧树脂类型粘接剂可被真空浸溃于不锈钢纤维与不锈钢材料的径向层之间的空间中。在一个实施例中，不锈钢材料可以是不锈钢钢丝绳。在另一实施例中，不锈钢材料可以是不锈钢编织线的网。在另一实施例中，不锈钢材料可以是不锈钢网格的网。复合式轮缘结构可围绕核心组件的外部圆周而定位。核心组件可安装于中央轴上。在一个实施例中，复合式轮缘结构可由一系列离散同心圆形不锈钢材料环形成。在另一实施例中，复合式轮缘结构可由一定长度的连续螺旋形缠绕的不锈钢材料形成。在其他实施例中，复合式轮缘结构可包含多个径向非金属纤维材料层，所述多个径向非金属纤维材料层经定位，使得相邻的径向不锈钢材料层具有在彼此之间接合的非金属纤维层。径向非金属纤维材料层可由碳形成。
[0012]本发明还可提供一种形成飞轮的方法，所述方法包含使多个径向多孔钢网材料层及多个径向多孔非金属纤维网材料层形成为轮，从而具有交替的径向多孔钢网材料层和径向多孔非金属纤维网材料层。可用粘接剂将多个径向多孔钢网材料层和多个径向多孔非金属纤维网材料层接合在一起以形成轮的复合式轮缘结构。
[0013]在特定实施例中，多孔钢网材料和多孔非金属纤维网材料可从连续长度缠绕成双层螺旋形配置。多孔钢网材料可由合金钢形成，合金钢在一些实施例中可以是不锈钢。多孔非金属纤维网材料可由碳形成。多孔钢网材料可呈网格形式，且多孔非金属纤维网材料可呈织物形式。复合式轮缘结构可围绕金属性核心组件的外部圆周而定位。
[0014]本发明还可提供一种形成飞轮的方法，所述方法包含使多个经表面处理的径向钢材料层形成为轮。可用粘接剂使多个经表面处理的径向钢材料层接合在一起以形成轮的复合式轮缘结构。
[0015]在特定实施例中，钢的表面可经处理以移除铁锈和/或油。此外，钢的表面可经处理以增加用于与粘接剂接合的表面面积。在一些实施例中，钢的表面可经处理而具有铁锈抑制保护性涂层。
【专利附图】

【附图说明】
[0016]前述内容会在以下对于本发明实例实施例的更详细描述中显而易见，附图中亦作出相应图示，其中在所有各自不同的附图中，类似参考字符指代相同零件。附图不一定按比例绘制，而是着重于图示本发明的实施例。图1为本发明中飞轮系统的实施例的透视图。
[0017]图1为本发明中飞轮的实施例的透视图。
[0018]图2为本发明中飞轮的实施例的正视图。
[0019]图3为图2的飞轮在省略核心情况下的透视图。
[0020]图4为图2的飞轮的透视图。
[0021]图5为图2的飞轮的截面图。
[0022]图6为图5中由参考数字6指示的一部分的放大视图。[0023]图7为载入于本发明中的真空腔室壳体或外壳的实施例内的飞轮的分解透视图。
[0024]图8为载入于真空壳体内的飞轮的正视图。
[0025]图9为载入于真空壳体内且连接至真空泵和粘接剂贮存器的飞轮的侧视图。
[0026]图10为本发明中真空腔室壳体或外壳的一半(例如，上半部)的实施例的透视图。
[0027]图11为图10的真空腔室半部的正视图。
[0028]图12为图10的真空腔室半部的侧视图。
[0029]图13为图10的真空腔室半部的截面图。
[0030]图14为图10的真空腔室半部内部的仰视图。
[0031]图15为在支撑框架上的飞轮壳体的实施例的透视图。
[0032]图16为形成本发明中具有缠绕钢丝绳的飞轮的实施例的示意性透视图。
[0033]图17为形成本发明中具有同心圆形网格环的飞轮的另一实施例的示意性透视图。
[0034]图18为形成本发明中具有缠绕网格的飞轮的另一实施例的示意性透视图。
[0035]图19为用于形成本发明中飞轮的另一实施例的过程的示意图。
[0036]图20为由图19的方法形成的飞轮中的一部分的侧向示意图。
[0037]图21为描绘图19的飞轮的数个层中的一部分的示意图。
【具体实施方式】
[0038]本发明的实例实施例的描述如下。
[0039]参看图1，飞轮系统或装置10的实施例包含可由复合式材料形成的飞轮12。飞轮12可围绕横向或水平的支撑轴或驱动轴18旋转，支撑轴或驱动轴18具有纵向轴线A并由轴承17支撑，支撑轴或驱动轴18可以被包含在壳体、腔室或外壳14内。壳体14的内部可具有真空以减小飞轮12上的风阻(wind resistance)。壳体14及轴承17可以被支撑或安装在支撑框架、基座或平台16上。驱动单元20可以可旋转的方式连接至轴18的一个末端，以将飞轮12驱动至所要速度。驱动单元20可具有电动机和可变变速器，该电动机可以旋转并增大至所要速度。发电机单元22以可旋转的方式连接至轴杆18，连接在轴18的另一末端上，以通过飞轮12的旋转来发电。可将飞轮12增速至所要旋转速度以存储能量，所存储的能量在需要时可由发电机单元22转换成电。发电机单元22可包含由可变变速器驱动的发电机。可变变速器可允许发电机以所要的恒定旋转速度旋转，即使在飞轮12改变速度或停止旋转时也能如此。令发电机以恒定速度旋转能够提供恒定电力输出，而恒定电力输出则是人们所要的。发电机可以是DC或AC发电机，当发电机为AC发电机时，发电机能够以恒定旋转速度(例如，1800RPM)旋转，从而产生具有60赫兹频率的电力。在一些实施例中，1500RPM可适用于50赫兹。飞轮12能够以高于约1000RPM的速度旋转，(例如)在一些实施例中在约3000RPM至约6000RPM范围内的速度旋转且在其他实施例中以最高为约
10,000RPM的速度旋转。
[0040]参看图2至图6，飞轮12可包含内部核心或核心组件24以及外部复合式轮缘结构26，内部核心或核心组件24紧固或安装至轴18或围绕轴18来紧固或安装，外部复合式轮缘结构26围绕核心24来紧固、形成或安装。核心24可由两个夹钳紧固组件、板或凸缘28紧固至轴18，该两个夹钳紧固组件、板或凸缘28位于核心24及飞轮12的相对的两侧或两面13上。板28可用例如螺杆、螺栓、螺母等的螺纹组件紧固至核心24并紧固至轴18上的肩部。在一些实施例中，可使用其他合适紧固方法。在一些实施例中，核心24可由聚合或复合式材料形成。在一个实施例中，核心24可由编织条带、带材、网、纤维、丝状体或绳索材料24a形成，这些材料用粘接剂、胶或树脂34缠绕或卷绕并接合在一起。粘接剂34可为环氧树脂类型粘接剂，且可填充核心24中的孔隙、型腔、凹穴或空间25。在一些实施例中，粘接剂可以是用于轮缘26的相同粘接剂34。材料24a可例如用粘接剂、胶或树脂34紧固至轴18，且在张力作用下缠绕成所要直径并例如由粘接剂、胶或树脂34紧固于适当位置。材料24a可为编织聚酯或尼龙。在一个实施例中，可使用直径为1/2英寸的尼龙绳。在其他实施例中，材料24a可以是具有与飞轮12的宽度相同的宽度的扁平网。
[0041]在一些实施例中，核心24可由可被加工成为圆形、同心且均衡的合适金属形成，所述金属可包含不锈钢，、各种其他钢、钛等。所述金属性核心可包含用于紧固至外部复合式轮缘结构26的机械特征或紧固件。同心且均衡的金属核心24可以实现外部轮缘26的构造在形成时能够允许飞轮12更易于达到均衡。金属核心24可易于加工为同心的，并且在金属核心24上形成外部轮缘26的过程期间不会发生畸形，而在核心24由某种复合式材料形成时，有时可发生金属核心24变为畸形的现象。
[0042]外部轮缘26可由一系列或多个径向不锈钢材料层形成。不锈钢材料可为多孔的，且安装或紧固至核心24并卷绕核心24，并用粘接剂34接合在一起。在一些实施例中，粘接剂34可以是双组分环氧树脂类型粘接剂，其中环氧树脂与环氧树脂硬化剂相混合。在一个实施例中，环氧树脂可具有约10，OOOcP至15，OOOcP (例如，约13560cP)的高粘性，环氧树脂硬化剂可具有约IOcP至30cP (例如，约21cP)的低粘性，且环氧树脂与环氧树脂硬化剂可以约78/22比率相混合。在混合时，环氧树脂在固化之前可具有糖浆状粘性(syrupyviscosity)(例如，约590cP)，具有(例如)约24小时至72小时的长固化时间，且在固化时可具有至少约1000PSI的抗剪强度(其可以是1490PSI)。可对所使用的环氧树脂有所选择以耐受温暖温度，例如在真空壳体中操作的飞轮典型地遭遇的温暖温度。在一个实施例中，不锈钢材料可以是不锈钢钢丝绳30，所述不锈钢钢丝绳30 (例如)可在张力下连续地缠绕至所要轮直径，直径可以是1/2英寸，可由多个钢丝索、纤维或丝状体形成。参看图6，钢丝绳30内在钢丝索之间的孔隙、型腔、凹穴或空间31，以及钢丝绳30的径向且横向相邻的纬圈(course)之间的孔隙、型腔、凹穴或空间33，可由粘接剂34填充并占据。这样就可以将钢丝绳30中的各个单独的钢丝索连续地接合在一起，并且将钢丝绳30的每一径向且横向相邻纬圈连续接合在一起。在一些实施例中，在需要时，钢丝绳30可以是一整根纤维或丝状体。
[0043]孔隙25处于核心24的材料24a内并且围绕核心24a的材料24a，孔隙31和33处于外部轮缘26的钢丝绳30内并且围绕外部轮缘26的钢丝绳30，孔隙25以及孔隙31和33可以由粘接剂34填充，粘接剂34在真空下被引入且浸溃于核心24和外部轮缘26中。参看图7至图15，可将具有不含粘接剂的核心24及外部轮缘26的飞轮12放置于真空腔室、外壳或壳体的内部21内，所述内部21具有成品飞轮的尺寸上准确的大小及形状。真空壳体可与图1的外壳14类似或相同(具有适当大小选择或尺寸)，或可为独立或不同的外壳。真空壳体14可具有具上部或上半部14a和下部或下半部14b的抓斗(clamshell)结构，上半部14a和下半部14b可在凸缘15a和15b处结合或螺栓连结在一起以实现密封。每一半部14a和14b可大体上为盘或圆柱体的一半,具有约180°的半圆形外部圆周,所述半部14a和14b在组合时共同形成大体为盘形或圆柱形的真空壳体14。为了增加强度，每一半部14a和14b的外部可包含肋状物或加力板19。每一半部14a和14b具有内部区21a及21b,内部区21a及21b共同形成真空壳体14的内部21。真空壳体14的每一侧上的密封凸缘23可提供围绕轴18的密封。每一密封凸缘23可具有上部23a及下部23b，上部23a及下部23b与结合在一起的半部14a及14b相关联。
[0044]真空泵36可例如在底部处通过管道37和切断阀38连接至真空壳体14，(例如)移除内部的空气、水、湿气和气体，直至达成约28至32英寸汞柱真空。真空泵36可由切断阀38切断及/或隔离。粘接剂34的贮存器42可通过管道40和切断阀44连接至真空壳体
14。阀44可经开启以使粘接剂34进入并浸溃真空壳体14的内部，渗入并浸溃飞轮12的核心24及/或外部轮缘26，填充核心24内的孔隙25和外部轮缘26中的孔隙31和33。在需要时，贮存器42可包含用于泵汲粘接剂34的泵，或者，泵可连接至贮存器42或管道40。通过具有(例如)约72小时的长固化时间，粘接剂34在固化之前进行真空浸溃时具有足够时间渗透至并实际上填充所有孔隙25、31和33。一旦粘接剂34已经冷却、凝固或固化，便可自真空壳体14移除经浸溃的飞轮12。飞轮12的外部直径可被加工成相对于轴18成同心的，且可将两侧13加工成平坦的。在不同的实施例中，管道37和40的位置可被逆转，或位于其他位置。另外，如此项技术中所熟知，可执行其他合适的真空浸溃方法。
[0045]在一些实施例中，飞轮12直径可为约48英寸或更大。在一个实施例中，飞轮12直径可为约120英寸，宽度为约48英寸，且可具有直径为约90英寸的核心24。应理解，视现场使用和情形而定，宽度和直径可更大或更小。
[0046]参看图16至图18，描绘形成外部轮缘26的三种构造方法。在图16中展示的第一种方法描绘金属性或不锈钢钢丝绳30，其例如通过紧固件、粘接剂、胶或树脂附接至核心24，且在张力下连续缠绕。钢丝绳30可以在横向纬圈中层层缠绕，以使每一径向纬圈形成至所要宽度(例如，宽度为48英寸)。缠绕足够多的径向纬圈，直至形成所要直径，例如，直径为120英寸，其中钢丝绳30 (例如)用粘接剂、胶或树脂紧固于适当位置。在一个实施例中，核心24直径可为90英寸且外部轮缘直径为120英寸，上述情形可形成径向方向15英寸或飞轮12的总半径的约1/4厚的外部轮缘26。
[0047]图17中展示的第二种方法描绘围绕核心24形成金属性或不锈钢网格32的个别、分离或离散同心圆形环46。每一环46可由一定长度的网格32组成，所述网格32具有可在张力下紧固在一起的末端32，例如通过横向销48—次性地将一整个圆周紧固。在其他实施例中，可使用其他合适紧固方法，例如，用金属线进行缝合或缝纫、锁定环等。网格32可为相对平坦的多孔编织金属线网格带、织物、筛网、带材、延展或打孔的金属片材，从而具有在网格32的纤维或组件35之间的在网路32中的孔隙31且形成每一同心圆形环46之间的孔隙33。第一环46可例如用紧固件、粘接剂、胶或树脂紧固至核心24，然后接着添加后续环46。在一个实施例中，网格32可具有飞轮12的所要宽度W，例如48英寸宽，且可围绕直径为90英寸的核心24添加足够数目个环46以产生所要大小的外径(例如，120英寸)。在一些实施例中，每一环46的网格32中的纤维或组件35可与径向相邻环46中的网格32中的纤维或组件35互锁。当涂敷粘接剂34时，粘接剂34可填充纤维或组件35之间的网格35中的孔隙，从而将纤维或组件35接合在一起，并填充孔隙33从而将网格32的径向层接合在一起。
[0048]在图18中展示的第三种方法描绘金属性或不锈钢网格32的带，所述带已例如由紧固件、粘接剂、胶或树脂紧固至核心24，且在张力下围绕核心24以螺旋形方式连续缠绕或卷绕，形成多个径向层，直至获得所要外径。在一些实施例中，网格32可具有飞轮12的所要宽度W，约48英寸宽，且围绕90英寸的核心24缠绕，直至获得最终所要直径，例如约120英寸。在一些实施例中，钢丝绳30及网格32可由不锈钢线编织物替换。在其他实施例中，核心24可被省略，且外部轮缘26可围绕轴18形成或紧固至轴18。
[0049]飞轮12的重量可为至少约17001bs，且通常可具有如下重量:约50001bs、约10，OOOlbs、约 20，OOOlbs、约 30，OOOlbs、约 40，OOOlbs、约 50，OOOlbs、约 60，OOOlbs 和约70, OOOlbs0在高于约1000RPM且在约10，000RPM以下范围的旋转速度下，大型重型飞轮通常会出现故障。然而，本发明可提供具有先前所描述的大小、重量及旋转速度的大型重型飞轮12。具有重型质量或重量(17001bs和以上)的大直径(48英寸或更大)飞轮12可通过以先前所描述的方式，将不锈钢接合在一起形成外部轮缘26来形成，且可以高速度(1000RPM和以上)运行。已发现，不锈钢可藉由例如环氧树脂等粘接剂而具有增加的粘接剂接合强度，所述粘接剂强度高于通常市售钢金属线上的粘接剂接合强度，增加的粘接剂接合强度可允许这些大的大小、重量和速度。例如，与例如市售钢等金属相比较，不锈钢材料的使用可藉由粘接剂34形成更强健的表面接合。市售钢在其表面上会形成氧化物或铁锈，氧化物或铁锈通常会限制与粘接剂34的表面接合的强度。如果钢涂布有例如油等限制氧化或生锈的物质，那么涂层通常也会限制表面接合的强度。与此相比，通过使用不锈钢材料，氧化物、铁锈或涂层通常不存在，使得可获得不锈钢材料的表面与粘接剂34之间的较高强度表面接合。在需要时，不锈钢表面可经处理以使表面面积进一步增加，或例如通过例如用酸或其他合适化学品进行蚀刻来在表面上形成微孔或刻痕。也可例如由研磨材料或组件来执行机械表面处理。不锈钢具有足以在大型高速度飞轮12中使用的强度，且具有所要重量特性。此外，通过使用多孔不锈钢材料和在延长或长的时间周期上在真空作用下浸溃于外部轮缘26中的粘接剂34，可用粘接剂34填充不锈钢材料内的实际所有孔隙31和不锈钢材料之间的孔隙33，藉此使在粘接剂34与不锈钢材料之间高量表面接合形成或最大化。此夕卜，孔隙31及33的填充可形成粘接剂34的互锁区，藉此也提供不锈钢材料层相对于彼此的锁定。因此，飞轮12归因于以下情形中的一或多者在操作期间能够耐受高的力:粘接剂可形成与不锈钢材料的强健表面接合；当所使用的不锈钢材料为具有高表面面积的多孔材料时，接合可覆盖高或大的表面面积，进而将接合最大化；且粘接剂可具有高于约1000PSI的抗剪强度，例如约1490PSI。
[0050]除上述环氧树脂外，在一些实施例中，可使用其他类型的环氧树脂，以及其他合适胶、树脂和粘接剂(包含热固性树脂)。而且，可使用除不锈钢外的金属或合金。例如，如果采取措施以补偿或防止生锈及腐蚀，那么可使用无油涂层的普通钢或碳钢。普通钢可在无湿气环境下运输、存储并组装以防止形成铁锈或腐蚀。此外，普通钢的表面可经表面处理以在组装成轮之前移除任何铁锈或腐蚀。例如金属性或氧化物涂层等保护性铁锈抑制涂层也可用以防止铁锈或腐蚀形成。可使用除碳钢或普通钢外的钢合金，例如4000系列钢。而且，所使用的其他金属也可包含钛或其他合适金属或合金。
[0051]当碳钢或普通钢进行清洁且进行表面处理以移除油、铁锈及/或腐蚀时，可使得表面为更多孔的，且相较于由不锈钢可获得的最初接合，使用粘接剂34的最初接合可更强健。然而，随时间流逝，如果粘接剂34吸收湿气或如果碳钢或普通钢与粘接剂34缓慢地发生化学或电化学反应，那么碳钢或普通钢可能会随后生锈或腐蚀，使得碳钢或普通钢与粘接剂34的接合随时间变弱。鉴于飞轮12的机械故障可为灾难性的，飞轮12的接合弱化为非所要的。然而，使用不锈钢可减小、限制或防止与粘接剂34接合之后的后续生锈或腐蚀，这是由于不锈钢能够抵抗源自湿气的生锈和腐蚀，且也能够具有相应电化学抗性，不会与许多种或大多数粘接剂34发生化学或电化学反应。因此，不锈钢可具有在时间上基本上保持相同或一致的与粘接剂34的接合强度。为了辅助或增加不锈钢与粘接剂34的接合强度，可将例如此项技术中已知的预涂环氧树脂底漆(pre-epoxy primer)涂覆至不锈钢以在与粘接剂34接合之前处理或蚀刻表面。
[0052]参看图19及图20，飞轮50为本发明中飞轮的另一实施例，其与以图18的方式制成的飞轮12不同在于，外部轮缘26可用多孔不锈钢材料或网格32的网与多孔非金属纤维材料或织物52的夹层网围绕核心24来形成，多种长度的上述网或夹层网围绕核心24连续缠绕以形成双层螺旋形复合式轮结构或配置60，从而具有以粘接剂34接合的网格32与夹层52 (图21)的交替层。核心24可以是金属性核心，所述金属性核心被加工成圆形且同心地安装至轴18，且可被均衡。紧固组件28可用以将核心24安装至轴18，但也可替代地使用此项技术中已知的例如用栓、花键等的其他合适紧固组件或方法。核心24的外部圆周可具有用于在缠绕之前将网格32和夹层52的末端紧固至核心24的紧固或附接位置、结构或夹具55。紧固结构55可包含一或多个槽或孔54及/或夹钳组件56以固定、夹钳或紧固网格32和夹层52至核心24的外表面。夹钳组件56可经弹簧加载，或者可由螺钉或螺栓上紧。网格32和夹层52的网可具有约为飞轮50的宽度的宽度W，且可在张力下围绕核心24连续地缠绕，直至获得所要直径。最终外层58可以是夹层材料52，使得网格32可被在周向外部圆周上复合的夹层52和粘接剂34囊封并容纳，此情形通常具有最高应力。飞轮50的宽度W范围通常可为12英寸至48英寸，且外径的直径范围通常可为36英寸至120英寸。飞轮50可用相同粘接剂34或例如环氧树脂等树脂，并以与针对飞轮12所描述的相同方式接合在一起。
[0053]相较于不锈钢网格32与粘接剂34具有的接合，多孔非金属夹层52与粘接剂34具有的接合可更强健，且夹层52和粘接剂34可形成高强度螺旋形复合式结构60a，所述高强度螺旋形复合式结构60a接合至由网格32和粘接剂34形成的螺旋形复合式结构60b，并连续地以螺旋形方式将螺旋形复合式结构60内外包围并夹紧，藉此形成双层螺旋形复合式轮结构60。夹层52可以是例如芳族聚酰胺纤维、碳纤维、玻璃纤维和碳纳米管等合适材料或纤维的编织物或非编织物的网。碳纳米管可视作纤维。当夹层52由例如碳纤维或碳纳米管纸或织物等碳形成时，螺旋形复合式结构60a相较于螺旋形复合式结构60b可具有较高强度，且可产生比飞轮12中的轮缘结构更强健的外部复合式轮缘结构26。通过呈双层螺旋形配置，螺旋形结构60b中的网格32可通过复合式结构60a的相邻夹层螺旋结构连续地在相邻处得到内外支撑，接合至所述相邻夹持螺旋结构且由相邻夹持螺旋结构锁定于适当位置。螺旋形复合式结构60a可在外部径向侧上以螺旋形沿周向环绕螺旋形复合式结构60b，并同时以螺旋形在径向上向外缠绕，且可以螺旋形沿周向并在径向上将复合式结构60b锁定于高强度结构内。因而，在飞轮50的旋转期间，螺旋形复合式结构60a能够在一系列整体连接的径向层中，连续地以螺旋形来容受或抵抗在螺旋形复合式结构60b中网格32的每一径向层的向外离心力F。
[0054]参看图21，与飞轮12中相比较，夹层52还能减小外部轮缘26中径向层之间的空间或孔隙33的大小，此情形也可有助于实现较高强度，这是由于粘接剂34可越过较小孔隙。例如，参看图18中的飞轮12，网格32的纤维或组件35具有纤维或组件35之间的型腔、空间、凹穴或孔隙31，且网格32的径向层彼此相邻。因而，网格32的径向层之间的空间或孔隙33还能够扩展至网格32内的型腔或孔隙31中，藉此使粘接剂34占据的空间增力口。对于网格32的一个径向层中的孔隙31而言，有可能扩展至网格32的相邻径向层之间的孔隙33中且进一步扩展至网格32的下一径向层中的孔隙31中，进而产生大或长的连续孔隙。占用较大或较长孔隙的粘接剂34相较于占用较小或较短孔隙的粘接剂会更易于折断或剪切。然而，在飞轮50中，如在图21中所看出，夹层52可充当网格32的相邻径向层之间的分离物、隔离物或障壁，从而使网格32的径向层彼此分开，使得网格32的相邻径向层中的孔隙31通常并不越过空间或孔隙33，因而不会扩展至网格32的下一径向层中。此夕卜，夹层52可比网格32的层薄得多，使得夹层52的纤维或组件52a之间的型腔、孔隙、凹穴或空间52b可为小或短的，且即使与网格32的径向层中的孔隙31组合，仍不会产生比所发现的最初孔隙31大或长得多的组合孔隙。因此，粘接剂34可占据较小或较短孔隙31、33和52b，且对剪切力具有较高抵抗力。在一些实施例中，网格32的相邻径向层和夹层52的纤维或组件32a和52a可以经历某种互锁，从而提供机械锁定和进一步的强度。
[0055]在一些实施例中，不锈钢网格32厚度可为约3/8英寸，且厚度范围可为约1/8英寸至约1/2英寸；且夹层52厚度可为约1/32英寸至1/16英寸，且厚度范围为约1/64英寸至约1/8英寸。网格32的径向层和夹层52的数目取决于外部轮缘26的厚度以及网格32和夹层52的厚度。例如，在直径为36英寸的飞轮50中，对于具有为约总半径的1/4的厚度的外部轮缘26的实施例，外部轮缘26径向方向上厚度可为约4.5英寸，且可具有小达8个径向层(网格32和夹层52中的每一者各8个，总计16个)；或多达各自32个径向层(总计64个)。在直径为48英寸的飞轮50中，外部轮缘26在径向方向上厚度可为约6英寸，且可具有各自小达10个径向层(总计20个)，或各自多达42个径向层(总计84个)。在直径为72英寸的飞轮50中，外部轮缘26在径向方向上厚度可为约9英寸，且可具有各自小达15个径向层(总计30个)，或各自多达64个径向层(总计128个)。在直径为120英寸的飞轮50中，外部轮缘26在径向方向上厚度可为约15英寸，且可具有各自小达24个径向层(总计48个)，或各自多达107个径向层(总计214个)。应理解，飞轮50的直径、外部轮缘的径向厚度以及网格32和夹层52的厚度可视情形而发生变化，使得网格32和夹层52的径向层的数目可发生很大程度的变化。网格32除如先前针对飞轮12所描述的配置或其他对应物外也可包含非编织多孔不锈钢纤维材料和链节(chain link)或综眼(mail)。夹层52可包含形成为多孔材料配置、织物或纸(薄织物可被视作纸)的编织和非编织纤维或组件52a，且最常见地由碳纤维或碳纳米管形成以实现高强度。尽管优选例如不锈钢网格32等钢合金，但仍可使用其他耐腐蚀钢合金，例如，可比不锈钢重的钥钢。此外，可使用4000系列钢，所述4000系列钢并非耐腐蚀的，但可为更节省生本的；或者可使用钛。此外，在一些实施例中，可使用描绘于图17中的过程来制造飞轮50，其中网格32和夹层52的同心圆形环围绕核心24来形成并组装。如果使用围绕同心或圆形核心24形成的网格32和夹层52，并且宽度W约等于飞轮50的宽度，就可以产生大体更易于达成均衡的轮。
[0056]虽然已参看本发明的实例实施例特别展示且描述了本发明，但所属领域的技术人员应理解，可在不偏离由所附权利要求书所涵盖的本发明的范围的前提下进行细节和形式上的各种改变。
[0057]例如，应理解，所描述的飞轮的尺寸、重量和旋转速度可视现场情形来进行改变。
【权利要求】
1.一种飞轮，其包括: 具有复合式轮缘结构的轮，所述复合式轮缘结构包括多个径向不锈钢材料层；以及 环氧树脂类型粘接剂，所述环氧树脂类型粘接剂将所述多个径向不锈钢材料层接合在一起。
2.根据权利要求1所述的飞轮，其中所述径向不锈钢材料层具有一系列型腔。
3.根据权利要求2所述的飞轮，其中所述不锈钢材料包括一定长度的不锈钢纤维。
4.根据权利要求3所述的飞轮，其中所述环氧树脂类型粘接剂被真空浸溃于所述不锈钢纤维与所述不锈钢材料的所述径向层之间的空间中。
5.根据权利要求4所述的飞轮，其中所述不锈钢材料包括不锈钢钢丝绳。
6.根据权利要求4所述的飞轮，其中所述不锈钢材料包括不锈钢编织线的网。
7.根据权利要求4所述的飞轮，其中所述不锈钢材料包括不锈钢网格的网。
8.根据权利要求4所述的飞轮，其进一步包括具有外部圆周的核心组件，所述复合式轮缘结构围绕所述外部圆周而定位。
9.根据权利要求8所述的飞轮，其进一步包括中央轴，所述核心组件安装于所述中央轴上。
10.根据权利要求1所述的飞轮，其中所述复合式轮缘结构具有一系列离散同心圆形不锈钢材料环。
11.根据权利要求1所述的飞轮，其中所述复合式轮缘结构具有一定长度的连续螺旋形缠绕的不锈钢材料。
12.根据权利要求1所述的飞轮，其进一步包括多个径向非金属纤维材料层，所述多个径向非金属纤维材料层经定位，使得相邻的径向不锈钢材料层具有在彼此之间接合的非金属纤维材料层。
13.根据权利要求12所述的飞轮，其中所述径向非金属纤维材料层由碳形成。
14.一种飞轮,其包括: 具有复合式轮缘结构的轮，所述复合式轮缘结构包括多个多孔钢网材料层及多个径向多孔非金属纤维网材料层，从而形成交替的径向多孔钢网材料层和径向多孔非金属纤维网材料层；以及 粘接剂，所述粘接剂将所述交替的径向多孔钢网材料层和径向多孔非金属纤维网材料层接合在一起。
15.根据权利要求14所述的飞轮，其中所述多孔钢网材料和所述多孔非金属纤维网材料从连续长度缠绕成双层螺旋形配置。
16.根据权利要求15所述的飞轮，其中所述多孔钢网材料由合金钢形成。
17.根据权利要求16所述的飞轮，其中所述合金钢为不锈钢。
18.根据权利要求16所述的飞轮，其中所述多孔非金属纤维材料由碳形成。
19.根据权利要求14所述的飞轮，其中所述多孔钢网材料呈网格形式，且所述多孔非金属纤维网材料呈织物形式。
20.根据权利要求14所述的飞轮，其进一步包括具有外部圆周的金属性核心组件，所述复合式轮缘结构围绕所述外部圆周而定位。
21.一种飞轮，其包括:具有复合式轮缘结构的轮，所述复合式轮缘结构包括多个经表面处理的径向钢材料层；以及 粘接剂，所述粘接剂将所述多个经表面处理的径向钢材料层接合在一起。
22.根据权利要求21所述的飞轮，其中所述钢的表面经处理以移除铁锈和油中的至少一者.
23.根据权利要求21所述的飞轮，其中所述钢的表面经处理以增加用于与所述粘接剂接合的表面面积。
24.根据权利要求21所述的飞轮，其中所述钢的表面经处理而具有铁锈抑制保护性涂层。
25.一种形成飞轮的方法，其包括: 使多个径向不锈钢材料层形成为轮；以及 使所述多个径向不锈钢材料层与环氧树脂类型粘接剂接合在一起以形成所述轮的复合式轮缘结构。
26.根据权利要求25所述的方法，其进一步包括向所述径向不锈钢材料层提供一系列型腔。
27.根据权利要求26所述的方法，其进一步包括向所述不锈钢材料提供一定长度的不锈钢纤维。
28.根据权利要求27所述的方法，其进一步包括将所述环氧树脂类型粘接剂真空浸溃于所述不锈钢纤维与所述不锈钢材料的所述径向层之间的空间中。
29.根据权利要求28所述的方法，其进一步包括提供不锈钢材料，所述不锈钢材料包括不锈钢钢丝绳。
30.根据权利要求28所述的方法，其进一步包括提供不锈钢材料，所述不锈钢材料包括不锈钢编织线的网。
31.根据权利要求28所述的方法，其进一步包括提供不锈钢材料，所述不锈钢材料包括不锈钢网格的网。
32.根据权利要求28所述的方法，其进一步包括围绕核心组件的外部圆周定位所述复合式轮缘结构。
33.根据权利要求32所述的方法，其进一步包括将所述核心组件安装于中央轴上。
34.根据权利要求25所述的方法，其进一步包括由一系列离散同心圆形不锈钢材料环形成所述复合式轮缘结构。
35.根据权利要求25所述的方法，其进一步包括用一定长度的连续螺旋形缠绕的不锈钢材料形成所述复合式轮缘结构。
36.根据权利要求25所述的方法，其进一步包括形成所述复合式轮缘结构以包含多个径向非金属纤维材料层，所述多个径向非金属纤维材料层经定位，使得相邻的径向不锈钢材料层具有在彼此之间接合的所述非金属纤维材料的层。
37.根据权利要求36所述的方法，其进一步包括由碳形成所述径向非金属纤维材料层。
38.一种形成飞轮的方法，其包括: 使多个径向多孔钢网材料层及多个径向多孔非金属纤维网材料层形成为轮，从而具有交替的径向多孔钢网材料层和径向多孔非金属纤维网材料层；以及 用粘接剂将所述多个径向多孔钢网材料层和多个径向多孔非金属纤维网材料层接合在一起以形成所述轮的复合式轮缘结构。
39.根据权利要求38所述的方法，其进一步包括将所述多孔钢网材料和所述多孔非金属纤维网材料从连续长度缠绕成双层螺旋形配置。
40.根据权利要求38所述的方法，其进一步包括由合金钢形成所述多孔钢网材料。
41.根据权利要求40所述的方法，其进一步包括由不锈钢形成所述多孔钢网材料。
42.根据权利要求38所述的方法，其进一步包括由碳形成所述多孔非金属纤维网材料。
43.根据权利要求38所述的方法，其进一步包括提供呈网格形式的所述多孔钢网材料及呈织物形式的所述多孔非金属纤维网材料。
44.根据权利要求38所述的方法，其进一步包括围绕金属性核心组件的外部圆周来定位所述复合式轮缘结构。
45.一种形成飞轮的方法，其包括: 使多个经表面处理的径向钢材料层形成为轮；以及 用粘接剂使所述多个经表面处理的径向钢材料层接合在一起以形成所述飞轮的复合式轮缘结构。
46.根据权利要求45所述的`方法，其进一步包括处理所述钢的表面以移除铁锈和油中的至少一者。
47.根据权利要求45所述的方法，其进一步包括处理所述钢的表面以增加用于与粘接剂接合的表面面积。
48.根据权利要求45所述的方法，其进一步包括处理所述钢的表面，以使所述表面具有铁锈抑制保护性涂层。
【文档编号】F16F15/30GK103502685SQ201180054521
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2011年9月12日 优先权日:2010年9月14日
【发明者】佛德瑞克·E·摩根, 克里斯多夫·V·巴隆尼, 杰佛瑞·史托黑克尔 申请人:动力树公司