专利名称：含有飞轮的能量存储装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种含有飞轮的能量存储装置。这样的能量存储装置比如用于自动发电系统。更具体的，本发明涉及能量存储装置，其包括-飞轮，以可转动的方式绕着旋转轴线安装，所述飞轮包括主轴和多个磁极；-定子配置，面对着所述飞轮的磁极，包括多个与所述磁极配合的感应线圈；-壳体，包围所述飞轮和定子配置。
背景技术：
专利申请W02005/043721公开了一种含有能够存储动能的飞轮的能量存储装置， 以及一种由该动能提供电能的发电机配置。该飞轮为铁磁性材料并制成单个部件。然而，这个方案至少有两个缺点。第一，为了限制由于傅科电流而造成的损失，必 须在磁极区域机械加工出非常窄且深的沟槽，这需要在这样大的一个部分上实施特殊的且 高成本的机械加工技术。第二，对材料的选择要作不令人满意的折衷有些材料具有非常好 的磁特性，但抵抗由飞轮的转速和循环操作导致的高应力和高疲劳性能较差，而其它材料 具有良好的抗高应力和抗疲劳的性能，但有益的磁特性较差。
发明内容
本发明的一个目的在于至少减少上面提到过的部分缺点。为此目的，根据本发明的能量存储装置的特征在于，飞轮包括-多个磁力板，安装在所述主轴上；-第一和第二动力板，相邻于所述磁力板，并将该磁力板夹在中间，其中磁力板和 动力板可随着主轴刚性旋转，并相对于所述主轴径向延伸。得益于这些设置，使得能够将飞轮的两个主要技术功能分开一个是存储机械能， 另一个是与定子电磁配合，以在需要时将这种机械能转化为电能-机械能可主要存储在动力板内，制造该动力板的材料可以从具有良好机械性能 的材料中进行挑选，而不需要具有突出的磁特性；-磁力板与定子进行电磁配合，制造该磁力板的材料可以从具有良好磁特性的材 料中进行挑选，而不需要具有突出的机械性能(磁力板可设计为当飞轮转动时该磁力板仅 储存飞轮的小部分动能，这样在所述磁力板上的机械应力小于动力板上的机械应力)。因而，对动力板和磁力板的材料的选择可进行优化，且更进一步而言，与现有技术 相比，能够在不降低飞轮的机械性能和磁特性的前提下，选择成本较低的材料。进一步而言，使用几个磁力板能够限制由于傅科电流而造成的磁损。总而言之，本发明能够在小的或有限的体积内存储大量的动能，同时就离心应力 而言具有良好的安全裕度，并且对磁损的优化提高了机械能转化为电能的产量，成为一种 紧凑的且高效的能量存储装置。
在本发明的各种实施例中，可以将以下的一个和/或其它的特征进行组合-磁力板具有一外径，且动力板具有一外径，动力板的外径大于磁力板的外径的 70% ；-第一和第二动力板共同具有第一转动惯量，几个磁力板共同具有第二转动惯量， 第一转动惯量大于第二转动惯量；-主轴包括至少一个花键，每个磁力板和动力板具有至少一个容纳所述花键的互 补槽，这样，磁力板和动力板可以随着所述主轴进行刚性旋转；-能量存储装置包括锁定销，主轴包括槽，且每个磁力板和动力板具有相应的槽， 这样，锁定销可卡入所述槽内，以使得磁力板和动力板随着所述主轴进行刚性旋转；-动力板由球墨铸铁制成；-球墨铸铁具有铁素体结构；-动力板包括中心部，外缘以及中间部，中间部径向位于中心部和外缘之间，所述 外缘在平行于旋转轴线的方向上比所述中间部厚；-动力板是一个整块且为轴对称；-能量存储装置包括粘合在至少一个动力板的内缘上的平衡质量块，所述内缘为 径向向内定向；-所述壳体是密封的，且能量存储装置进一步包括真空泵，用于在所述壳体内产生 真空环境；-动力板至少部分涂覆有涂料，面对着动力板的壳体内侧也涂覆有涂料，所述涂料 适于辐射热的传递；
-定子配置包括至少一个励磁线圈，以及至少一个感应线圈，其与磁极和壳体形成 了磁路；-动力板包括位于面对着磁力板的外围区域的斜面，所述斜面与磁力板形成了相 邻于磁极并位于磁极每侧的中空楔形，以减小磁损；-动力板包括肩部表面，大体上平行于中间部，从中间部径向向外定位，并从磁力 板的方向上从中心和中间部突出，当飞轮组装时所述肩部表面支承在磁力板上；-主轴包括-第一和第二端部；-相邻于第一端部的第一轴承；-轴肩，相邻于所述第一轴承，其直径大于动力板的孔的直径，-中心部，大体上具有等截面，接纳动力板和磁力板；-螺纹，与锁紧垫圈和锁紧螺母相配合，所述螺母靠所述锁紧垫圈锁定；-相邻于第二端部的第二轴承。本发明的上述的和其它目的及优点将通过对本发明的两个实施例进行详细说明， 并结合附图，而变得清晰。
图1示出了自动发电系统，其中使用了根据本发明的能量存储装置；图2为根据本发明第一实施例的飞轮的侧视截面图3为图2中飞轮的前截面视图，该截面为沿着图2中线III-III剖开；图4为前述视图中飞轮的透视分解视图；图5为根据本发明的能量存储装置的截面视图，包括了图2-4中的飞轮；图6为图5的局部放大视图；以及图7为本发明第二实施例的飞轮的透视分解视图。
具体实施例方式在各附图中，同样的附图标记代表相同或相似的元件。图1示出了一个自动发电系统的实例，其中使用了根据本发明的能量存储装置。 这样的系统包括提供机械能的热力发动机80 (Eng.)，能量存储装置8 (Stor.)，以及插入在 热力发动机80和能量存储装置8之间的传输配置82 (Trans.)。该传输配置82可包括联轴 器以及变速齿轮装置。能量存储装置8适于存储动能并向用户电路⑴se)提供由动能产生的电能。系统控制器84(Contr.)控制热力发动机80，传输配置82和能量存储装置8。这 个控制器能够-控制传送到用户电路86的电能传送，-监控存储于能量存储装置8中的能量的量-控制热力发动机80以及传输配置82的操作，以在需要时提供或重新充满能量存 储装置8。在一些时间段内，热力发动机运行，并通过传输配置82为能量存储装置8提供机 械能。在其它的时间段内，热力发动机停止，传输配置松开，仅能量存储装置8从存储的 动能为用户电路86提供电能。第一实施例能量存储装置8包括在图2，3和4中所示的飞轮1。该飞轮1绕着旋转轴线X旋 转，并包括-主轴2-第一动力板4-多个磁力板3-第二动力板5±M主轴2在第一和第二端部之间延伸，其包括-相邻于第一端部的第一轴承23，其适于容纳在第一滚柱轴承13的内环内，所述 第一滚柱轴承13容纳在第一壳体侧板63的中心处，-轴肩21，相邻于所述第一轴承23，其具有大于动力板的孔直径的直径，-中心部22，大体上具有等截面，接纳动力板4，5和磁力板3，-与锁紧垫圈16和螺母18配合的螺纹25，所述螺母靠所述锁定垫圈可旋转地固 定，-相邻于第二端部的第二轴承对，其适于容纳在第二滚柱轴承14的内环内，所述第二滚柱轴承14容纳在第二壳体侧板64的中心处，-能够接纳联轴器9的第三轴承沈，将在下面进行说明。主轴的中心部安装有多个与互补槽38，48，58配合的花键观，这些凹槽分别位于 磁力板和动力板3，4，5的中心孔32，42，52上。所述花键28和凹槽38，48，58使得磁力板 和动力板3，4，5能够沿着平行于旋转轴线X的方向从第二端部向主轴的中心部滑动，但使 得磁力板和动力板3，4，5随着所述主轴2围绕旋转轴线X刚性旋转。第一动力板第一动力板以垂直于轴线X的方向在相邻于磁力板的后表面40与前表面49之间 延伸，前表面49与所述后表面平行并与之相反，且包括-中心部41，具有与主轴2的花键互补的凹槽的孔42，所述中心部41适于安装于 主轴2上，-外缘43-中间部47，径向地位于中心部和外缘43之间。外缘43在平行于旋转轴线的方向上比所述中间部47厚。第一动力板包括位于其后表面40上的肩部表面46，大体上平行于中间部并从该 中间部突出，且从中间部径向向外定位。磁力板在第一和第二动力板4，5之间设置有多个磁力板。磁力板大体上是平坦的并相互 平行，且以垂直于轴线X的方向延伸。它们包括多个轴向突起的磁极31，且进一步包括在所 述磁极31之间延伸的多个凹进35，所述磁极和凹进被径向表面34间隔开。磁力板由透磁材料制成，其能增强能量存储装置的磁特性。它们涂敷有薄的绝缘 薄层。由于多个磁力板彼此之间相互电气绝缘，由傅科电流引起的损失变得很低。第二动力板第二动力板与第一动力板相似，相对于垂直于轴线X的平面对称设置，其包括具 有孔52的中心部51，外缘53，以及径向地位于中心部和外缘53之间的中间部57。第二动 力板以垂直于轴线X的方向在相邻于磁力板的后表面50和前表面59之间延伸。动力板和磁力板具有大体上相等的直径。MM磁力板3和动力板4，5在轴肩21和螺纹25之间以下面将描述的顺序在主轴2上 进行组装。首先，第一动力板4在主轴上从第二端部向第一端部的方向滑动，直到到达轴肩 21。由于所述轴肩的直径大于中心孔42的直径，第一动力板4被阻挡并抵靠在轴肩21上。第二，多个磁力板3在主轴上从第二端部向着第一端部的方向滑动，直到它们到 达第一动力板4。磁力板的第一板抵靠在第一动力板4的后表面40上，更具体的是抵靠在 肩部表面46上。第三，第二动力板5在主轴2上，从第二端部向着第一端部的方向滑动，直到它到 达磁力板3。所述第二动力板后表面50的肩部表面56抵靠在磁力板3上。最后，引入锁紧垫圈16和螺母18以锁定飞轮组件。锁紧垫圈16具有可折叠的锁 耳，并以公知的方式与螺母18相配合，因而不再详细说明，从而防止使用中组件的松开。
现参考附图5和6，飞轮1装在在壳体6内，该壳体包括第一侧板63，第二侧板64 以及外围环62。第一侧板63包括位于其中心处的轴承，以容纳第一滚柱轴承13。第二侧 板64包括位于其中心处的轴承，以容纳第二滚柱轴承14。定子配置7相邻于外围环62，并从外围环62径向向内定位。定子配置面对着第一 和第二动力板的外缘43，53，以及包括磁极31的磁力板的外围区域。定子配置包括-至少一个励磁线圈72，以垂直于轴线X的方向延伸，且对中在轴线X上，-多个感应线圈73，以基本上平行于壳体外围环62的方向延伸，并面对着飞轮1 的磁极31，-设置在感应线圈73的中间部分的至少一个磁芯71，-将输出电流传送到用户电路86(见图1)的电线94，95。此磁路通过下面成套的元件组成-磁极31，-磁芯71，-第一和第二动力板4，5的外缘，-壳体外围环62，以及侧板63，64。励磁磁场由励磁线圈72产生，磁力线遵循图6所示的路径75。为了提高磁路的效率并减少磁损失，在动力板后表面40，50的径向端部设置斜面 44，54。这些斜面绕着磁极在两侧上形成了位于斜面44，M和磁极31之间的外围中空楔形 78。因此所有穿过定子磁芯71的磁力线，也穿过磁极31。动力方面根据本发明的能量存储装置的一个目标是在最小的体积内存储大量的动能，同时 将摩擦和磁损最小化。动能与飞轮的转动惯量和转速的平方成正比，因此需要达到高的转 速。然而，高转速会由于飞轮材料而承受高的离心应力，且必须避免由疲劳带来的超出弹性 极限的任何变形或破损。因此，根据本发明的飞轮一方面包括-由铁合金制造的具有良好铁磁渗透性的磁力板，所述磁力板具有限量的转动惯 量，以及另一方面，-动力板，具有高转动惯量，优选地由球墨铸铁制成，按力学要求抵抗该材料上产 生的应力和疲劳。优选地，动力板的转动惯量比磁力板的转动惯量大50 %，且更优选地，动力板的转 动惯量比磁力板的转动惯量大90%。动力板的球墨铸铁特别受到关注，因为它包括了大量的小石墨球，具有止住开裂 发展的能力，这种开裂倾向于在已知为疲劳现象的交变应力下发展。优选地，为动力板选择 的球墨铸铁具有铁素体结构，且更优选地，它从铸铁标准，如EN-GJS-350或EN-GJS-400中 选出。此外，如本领域中公知的，钻孔或孔洞将局部地在这样的孔洞或钻孔的边缘处增 加机械应力。因此，为了避免在钻孔区域达到应力峰值，除了位于旋转轴线上的孔外，在动力板和磁力板上没有孔洞。这样就可以使用到材料的最大抗力，该最大抗力总是位于具有 重要安全裕度的弹性极限之下。动力板和磁力板紧密组装在一起，除了位于旋转轴线上的 孔洞外，在动力板和磁力板上没有孔洞。飞轮组件以高速旋转，于是，它必须保持良好的平衡以避免由于不平衡导致振动 的形成。在各零件制造并组装后，飞轮的不平衡要进行测量。由此，补偿性平衡质量块11 被限定并安装于一个或两个动力板的内缘45，55上。这个内缘径向向内延伸，这样离心力 倾向于促进平衡质量块11抵住所述内缘。无论如何，对于停顿和低速，这个平衡质量块用 胶粘合，也不具有任何孔洞和钻孔。为了减少由于空气动力导致的损失，根据本发明的能量存储装置可包括气密性外 壳和通过管道65连接到气密性外壳的真空泵66。气密性外壳包括密封件77，该密封件设 置在壳体外围环62和侧板63，64之间。气密性外壳还包括附加的壳体1 和支承在轴1 上的密封垫15，以封闭位于传输配置82 —侧的外壳。在气密性外壳内具有低压的副作用就是缺乏对流交换。另外，由于傅科电流而引 起的一些损失，虽然很少，也需要从飞轮排出到壳体。热传导仅可能通过滚子轴承13，14的 滚珠进行。如上所解释的，由于低气压，热对流非常有限。根据本发明，每个动力板的前表 面49、59涂覆有涂料，每个壳体侧板63、64的内表面63a、6^也涂覆有涂料因此，在涂覆 有涂料的地方的热辐射传递比没有进行涂覆加工材料上发生的热辐射传递大很多。对涂料 进行选择使它呈现出相对较高的红外光吸收系数，从而利于辐射热的传递。定子线圈72、73通过多条电线94、95连接到系统控制器84。这些电线94、95在填 充有领域内公知的密封凝胶或树脂材料96的穿孔内穿过壳体外围环62，这样便通过防止 气体或空气从外部进入到气密性壳体内来实现对壳体的密封。此外，能量存储装置包括与传输配置82 (见图1)的界面，传输配置82穿过安装于 主轴2上的轴承沈的联轴盘9，界面相邻于主轴的第二端部(联轴器和传输配置的其余部 分均未示出)。根据本发明的飞轮1提供了一个关于动力应力的另外的优点。在动力板上，惯性 力所产生的力Fl的方向为径向向外(见图5)，作用点位于边缘区域43、53上。反作用力 F2产生并对抗惯性力。作用力的施加点位于动力板中间部47、57上。这些力F1、F2的矢 量和为零，但由此产生的力矩T3不为零并趋向于在磁力板的方向上旋转轮圈43、53。这样 对增强位于动力板4、5之间的磁力板3的夹持应力产生了技术效果。第二实施例图7示出了根据本发明的能量存储装置的第二实施例。在本发明的该第二实施例 中，能量存储装置系统与第一实施例中描述的系统相同或相似，因此此处不再赘述。壳体6 和定子配置也与第一实施例中描述的相同或相似，因此此处不再赘述。只有位于主轴2上的飞轮组件的机械装配不同。主轴包括至少一个沿着旋转轴线 X延伸的纵向槽91，其能够没有空隙地容纳锁定销90。该锁定销90沿着旋转轴线X延伸， 其长度比主轴槽的长度短，并优选地具有部分容纳于槽91中的矩形横截面。当安装在槽91 内时，锁定销从轴外围突起。第一动力板4具有相应的槽94 ；每个磁力板3具有相应的槽 93，最后，第二动力板5具有相应的槽95。动力板和磁力板通过从主轴第二端部的滑动运动 安装在主轴2上安装好后，锁定销90被收纳在板槽93、97、98内。磁力板3余下的设计与在第一实施例中描述的设计相同或相似；另外动力板4、5余下的设计与在第一实施例中描 述的设计相同或相似；因此动力板和磁力板不再进一步详细说明。
权利要求
1.能量存储装置(8)包括-飞轮(1)，以可旋转的方式绕着旋转轴线(X)进行安装，所述飞轮包括主轴O)以及多个磁极(31)，-定子配置(7)，面对着所述飞轮的磁极，其包括多个与所述磁极配合的感应线圈，-壳体(6)，包围飞轮和定子配置，其特征在于，飞轮包括-多个相邻的磁力板(3)，安装于所述主轴上，包括形成磁极的径向突起，并以平行于 径向板的方向延伸，-第一和第二动力板(4，5)，夹住磁力板，并平行于所述磁力板，其中，磁力板和动力板随着所述主轴(2)刚性旋转，并相对于主轴径向延伸。
2.根据权利要求1所述的能量存储装置(8)，其中，磁力板C3)具有一外径，动力板(4， 5)具有一外径，动力板(4，幻的外径大于磁力板外径的的70%。
3.根据权利要求1或2所述的能量存储装置(8)，其中，第一和第二动力板(4，幻共同 具有第一转动惯量，而几个磁力板共同具有第二转动惯量，第一转动惯量大于第二转动惯 量。
4.根据前述任一权利要求所述的能量存储装置(8)，其中，主轴( 包括至少一个花键 (25)，每个磁力板C3)和动力板(4，幻具有至少一个容纳所述花键的互补槽，这样磁力板和 动力板可随所述主轴刚性旋转。
5.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的能量存储装置(8)，包括锁定销(90)，其 中，主轴( 包括槽(91)，且其中每个磁力板和动力板都具有相应的槽，这样锁定销卡入所 述槽中，以使得磁力板和动力板随着所述主轴刚性旋转。
6.根据前述任一权利要求所述的能量存储装置(8)，其中，动力板0，5)由球墨铸铁制成。
7.根据权利要求6所述的能量存储装置(8)，其中球墨铸铁具有铁素体结构。
8.根据前述任一权利要求所述的能量存储装置(8)，其中，动力板(4，幻包括中心部 (41，51)，外缘(43,53)以及径向位于中心部和外缘之间的中间部(47，57)，所述外缘在平 行于旋转轴线的方向上比所述中间部要厚，且所述外缘G3，53)以相反于磁力板的方向轴 向突起。
9.根据前述任一权利要求所述的能量存储装置(8)，其中，动力板(4，幻是一整块并呈 轴对称。
10.根据前述任一权利要求所述的能量存储装置(8)，进一步包括粘合在至少一个动 力板(4，5)的内缘05，55)上的平衡质量块(11)，所述内缘为径向向内定向。
11.根据前述任一权利要求所述的能量存储装置(8)，其中，壳体(6)为密封的壳体，且 能量存储装置进一步包括用于在所述壳体内部产生真空的真空泵(66)。
12.根据前述任一权利要求所述的能量存储装置(8)，其中，动力板(4，幻至少部分地 涂覆有涂料，且其中，面对着动力板的壳体内侧(63a、64a)也涂覆有涂料，所述涂料适于促 进辐射热的传递。
13.根据前述任一权利要求所述的能量存储装置(8)，其中，定子配置(7)包括至少一 个励磁线圈(72)，以及至少一个感应线圈(73)，它们与磁极(31)和壳体(6) —起形成磁路(75)。
14.根据前述任一权利要求所述的能量存储装置(8)，其中，动力板(4，幻包括位于面 对着磁力板(3)的外围区域上的斜面G4，M)，所述斜面与磁力板形成了在磁极(31)每侧 上相邻于磁极(31)的中空楔形(78)，以减少磁损。
15.根据前述任一权利要求所述的能量存储装置(8)，其中，动力板(4，幻包括中心部 (41，51)，外缘(43,53)以及径向地位于中心部和外缘之间的中间部(47，57)，且其中，所述 动力板(4，5)包括大体上平行于中间部07，57)的肩部表面06，56)，从中间部径向向外 地定位，并在磁力板的方向上从中心部和中间部突出，当飞轮组装时所述肩部表面(46，56) 支承于磁力板(3)上。
16.根据前述任一权利要求所述的能量存储装置(8)，其中，主轴( 包括-第一和第二端部-相邻于第一端部的第一轴承03)，-相邻于所述第一轴承的轴肩(21)，其具有大于动力板的钻孔直径的直径，-中心部(22)，大体上具有等截面，容纳动力板(4，幻和磁力板(3)，-与锁紧垫圈(16)和螺母(18)配合的螺纹，所述螺母通过所述锁紧垫圈固定，-相邻于第二端部的第二轴承04)。
全文摘要
能量存储装置(8)包括飞轮(1)、定子配置(7)以及壳体(6)。飞轮(1)，以可旋转的方式绕着旋转轴线(X)进行安装，其包括主轴(2)，多个相邻的具有磁极(31)的磁力板(3)，以及夹住磁力板的两个动力板(4、5)。该磁力板和动力板可随着主轴刚性旋转。定子配置包括多个与磁极相配合的感应线圈(72、73)。
文档编号H02K7/02GK102047532SQ200880129576
公开日2011年5月4日 申请日期2008年4月7日 优先权日2008年4月7日
发明者安德雷·勒内·吉奥吉斯·吉内斯奥克斯 申请人:埃内吉斯特罗公司