专利名称：一种大型平面涡卷弹簧的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及涡卷弹簧，特别是涉及用于发电机储能的一种大型平面涡卷弹
O
背景技术：
平面涡卷弹簧，又名发条弹簧，是螺旋线在一个平面内的弹簧，其一端固定而另一端作用有扭矩；在扭矩作用下弹簧材料产生弯曲弹性变形，使弹簧在平面内产生扭转，其变形角的大小与扭矩成正比。目前，出现了采用平面涡卷弹簧的机械式涡簧储能箱，其作为蓄能装置来储存风力发电机组的多余风能。作为机械式储能装置，机械式涡簧储能箱具有结构简单、成本低、 可控性好、对环境无特殊要求、转换效率高、无污染等优点，同时，机械式涡簧储能箱还可以调控风力发电机组低速轴的转速，保障发电机输入转速的稳定，在电力系统中具有推广应用的前景。图1是现有机械式涡簧储能箱的示意图，如图1所显示，机械式涡簧储能箱由箱体 13、涡簧(平面涡卷弹簧)14和主轴10构成，主轴10贯穿箱体13且转动支撑在箱体13上， 涡簧14位于箱体13内部，涡簧14的固定端固定在箱体13上，涡簧14的自由端和主轴10 连接。其储能过程如下外部动力传递到主轴10，主轴10旋转带动涡簧14的自由端转动， 从而旋紧涡簧14，使涡簧14储存能量。其释能过程如下旋紧的涡簧14在弹簧力的作用下放松，自由端带动主轴10转动，从而主轴10将能量输送到外部装置。可见，涡簧储能结构是采用平面涡卷弹簧的弹性势能达到存储和释放能量的目的，相比其他储能方式，具有很大的优势和发展潜力。但是，现有涡簧储能结构仍然存在以下缺点1)基于结构上的原因，涡簧储存的能量有限，如果要作为发电机的储能装置，需要大幅增加涡簧的尺寸和强度，就是在增大涡簧能量的存储量同时，涡簧的质量也在大幅增加，这需要使用大量的储能材料，成本高昂。2)增大涡簧的能量存储能力后，涡簧的尺寸过大，不利于对大型涡簧的工作情况进行实时控制。因此，如何在增大涡簧的能量存储能力的同时，控制涡簧的质量，是有待解决的技术问题。
实用新型内容本实用新型实施例的目的是提供一种大型平面涡卷弹簧，能够在增大涡簧的能量存储能力的同时，控制涡簧的质量，大幅度的提高大型平面涡卷弹簧的储能密度。为了实现上述目的，本实用新型提供了一种大型平面涡卷弹簧，其包括沿左右方向并排排列的多根开槽涡簧片；所述开槽涡簧片左右对称，并且左右两侧具有凹槽；所述凹槽上下对称，对称中心线位于所述涡簧片弯曲工作时扭矩的中性面上，所述凹槽在对称中心线处最深，并且由所述中心线向上下两端平滑过渡。优选地，上述的大型平面涡卷弹簧中，所述凹槽为半椭圆形凹槽。优选地，上述的大型平面涡卷弹簧中，所述凹槽为半圆形凹槽。优选地，上述的大型平面涡卷弹簧中，所述开槽涡簧片具有矩形截面，所述半圆形凹槽开在所述矩形截面的左右两侧。优选地，上述的大型平面涡卷弹簧中，所述大型平面涡卷弹簧具有长条形截面，相邻的所述开槽涡簧片的所述半圆形凹槽相互对合，在所述长条形截面上形成多个圆形槽。优选地，上述的大型平面涡卷弹簧中，半圆形凹槽的半径介于所述矩形截面的宽度的1/3到3/8之间。优选地，上述的大型平面涡卷弹簧中，所述大型平面涡卷弹簧位于储能装置的箱体内部，所述大型平面涡卷弹簧的一端固定在所述箱体上，另一端固定在贯穿所述箱体的主轴上。本实用新型实施例至少存在以下技术效果1)本实用新型根据涡簧工作时的受力原理，减少涡簧片的中性面处的材料，即在涡簧片的中性面附近制作出圆形或椭圆形孔槽，将对涡簧的抗弯强度影响小的部分材料去除掉，保留对涡簧抗弯强度影响大的部分，从而在承受的扭矩没有明显下降的情况下，减少了大量材料，大大提高了涡簧的储能密度。2)本实用新型采用开槽涡簧片并排排列组合形成大型平面涡卷弹簧，因为在开槽涡簧片两侧加工半圆形或半椭圆形凹槽比较容易，相对于在整块材料上直接打贯通的圆孔来说，这种半圆形或半椭圆形凹槽材料拼接的大型平面涡卷弹簧大大降低了加工难度。3)开槽涡簧片两侧采用半圆形或半椭圆形凹槽，使得开槽涡簧片的实体结构是从中性面向远离中性面的两端呈弧形逐渐增大厚度，这就避免了应力集中，增加了涡簧片的抗折断能力。4)由图4可以看出，在没有明显降低储能量的条件下，减少的横截面积超过了 1/3，也就是节约了 1/3的材料，储能密度提高了 30%以上。5)本实用新型大大增加了涡簧储能密度，可以在控制涡簧质量的条件下生产出具有很大储能能力的大型涡簧，从而为风力发电机提供了良好的储能装置，提高了风力发电系统的稳定性和市场竞争力。
图1为现有技术的机械式涡簧储能箱的示意图；图2为本实用新型大型平面涡卷弹簧的长条形截面的示意图；图3为本实用新型开槽涡簧片的结构图；图4为本实用新型半圆形开槽涡簧片的结构图；图5为本实用新型由半圆形开槽涡簧片组合成的大型平面涡卷弹簧的长条形截面的示意图；图6为本实用新型本风力发电机组的储能装置的剖视图；图7为本实用新型本风力发电机组的储能装置的主视图。附图标记说明如下[0033]箱体13、涡簧14、主轴10开槽涡簧片30、凹槽301、中性面40大型平面涡卷弹簧501、箱体502、主轴503、支架50具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对具体实施例进行详细描述。传统的平面涡卷弹簧的结构尺寸有一定的限制，一般厚度不超过4mm，宽度不超过 80mm。在基于大型涡簧的机械式储能方式中使用的涡簧，其厚度、宽度和长度的尺寸比传统涡簧要大很多，相应的涡簧质量也要增大。对于这种大型的储能涡簧，本实用新型提供了一种大型平面涡卷弹簧，图2为本实用新型大型平面涡卷弹簧的长条形截面的示意图，图3为本实用新型开槽涡簧片的结构图；如图2图3所示，本实用新型实施例的大型平面涡卷弹簧包括沿左右方向并排排列的多根开槽涡簧片30 ；所述开槽涡簧片左右对称，并且左右两侧具有凹槽301 ；所述凹槽301上下对称，对称中心线位于所述涡簧片弯曲工作时扭矩的中性面40 上，所述凹槽301在对称中心线处最深，并且由所述中心线向上下两端平滑过渡。可见，本实用新型是提出了一种新型的平面涡卷弹簧的结构设计，根据涡簧工作时的受力原理，减少涡簧片中性面处的材料，即在涡簧片的中性面附近制作出凹槽，将对涡簧的抗弯强度影响小的中性面处的部分材料去除掉，保留对涡簧抗弯强度影响大的部分， 从而减少涡簧片横截面积，保持涡簧承受的扭矩没有明显下降，旋紧后存储的能量变化不大，达到提高涡簧的储能密度的目的。如图2图3所示，所述凹槽为半椭圆形凹槽。使得开槽涡簧片的实体结构是从中性面向远离中性面的两端呈圆弧形逐渐增大厚度，也就是对弯矩影响小的中性面处材料去除的最多，使得在大大减低质量的情况下，涡簧承受的扭矩没有明显下降。并且，半椭圆的弧形过渡避免了应力集中，增加了涡簧片的抗折断能力。在另一实施例中，凹槽可以为半圆形，图4为本实用新型半圆形开槽涡簧片的结构图，如图4所示，开槽涡簧片30是在矩形截面的结构基础上，在两个侧面分别制作两个对称的半圆槽，半圆槽的圆心放置在涡簧片受工作扭矩的弯曲中性面上，保证开槽涡簧片30 的结构是从中性面向远离中性面的两端，呈圆弧形逐渐增大厚度。其中，所述开槽涡簧片可以是在钢材成型时直接拉压成型的方式获得，也可以通过对钢材进行冷加工的方式获得。图5为本实用新型由半圆形开槽涡簧片组合成的大型平面涡卷弹簧的长条形截面的示意图，相邻的开槽涡簧片的半圆槽相对合，使大型平面涡卷弹簧的长条形截面上形成多个圆形槽。
,,,EI ImEI根据弯矩的公式-J涡簧片所受到的弯矩T等同于涡簧的工作扭
矩，涡簧的工作扭矩T与惯性矩I成正比，惯性矩I与簧片的横截面形状和尺寸有关。其中 η是涡簧的工作图数，E是涡簧片的弹性模量，I是涡簧片的惯性矩，1是涡簧片的长度。[0046]矩形截面的惯性矩= γ如图4，b是横截面的左右方向宽度，h是横截面上下方向厚度。
TdJ4圆形截面的惯性矩/其中，D是半圆槽的直径。 因此，图4所示的开槽涡簧片30的惯性矩其中b > 0，且1! > D。所以，异型涡簧组工作扭矩的公式可以写成义=根据以上的公式说明，当h = 0的时候，I = 0，涡簧片的中性面处弯矩等于零，对涡簧的弹性势能储量没有影响，大量的减少涡簧片中性面附近的材料，对涡簧的惯性矩I 影响很小，对涡簧的工作扭矩也没大的影响。可见，开槽涡簧片的这种结构可以使得开槽涡簧片承受的工作扭矩与传统的矩形截面的平面涡簧没有大的差别，但是开槽涡簧片的质量比传统的簧片减轻了很多。在实际应用中，开槽涡簧片的截面中心不能太薄，可以保持原来的1/3到1/4的宽度，也就是半圆槽的半径介于b/3到北/8之间，这个范围可以即保持了一定的强度也最大限度的降低了涡簧片的截面积，也就是最大限度降低了质量，其中，h > b。因此，本实用新型实施例是提出了一种新型的平面涡卷弹簧的结构设计，针对传统的平面涡卷弹簧的矩形截面，以及根据涡簧工作时的受力原理，减少涡簧片中性面处的材料，即在涡簧片的中性面附近制作出圆形孔槽，将对涡簧的抗弯强度影响小的部分材料去除掉，保留对涡簧抗弯强度影响大的部分，从而减少涡簧片横截面积，保持涡簧承受的扭矩没有明显下降，旋紧后存储的能量变化不大，达到提高涡簧的储能密度的目的。本实用新型实施例还提供了一种风力发电机组的储能装置，图6为储能装置的剖视图，如图6所示，储能装置包括箱体502、大型平面涡卷弹簧501和主轴503 ；所述主轴 503贯穿所述箱体502，所述大型平面涡卷弹簧501位于所述箱体502内部，所述大型平面涡卷弹簧501的一端固定在所述箱体502上，另一端固定在所述主轴503上；其中，所述大型平面涡卷弹簧501包括沿左右方向并排排列的多根开槽涡簧片30 ；所述开槽涡簧片左右对称，并且左右两侧具有半圆形凹槽；所述半圆形凹槽的圆心位于所述涡簧片弯曲工作时扭矩的中性面上。图7为本实用新型本风力发电机组的储能装置的主视图，如图所示，主轴503安装在支架504的轴承上。箱体502与支架504 —样固定在地面。本实用新型储能装置的工作过程是在储存能量的时候，外来扭矩驱动主轴503旋转，箱体502始终固定在地面，主轴 503驱动安装在主轴上的多根开槽涡簧片30组成的大型平面涡卷弹簧501旋紧，把外来的扭矩转化为弹性势能存储在储能装置里。在释放能量的时候，箱体502始终固定在地面，存储在大型平面涡卷弹簧501中的弹性势能驱动释放，驱动主轴503逆向旋转，存储的弹性势能转化为扭矩做功，由主轴503 输出。
6[0061]在储能和释能的过程中，多根开槽涡簧片30并排压紧相互作用，可以抵消簧片窄小而可能导致的刚度不足现象。以在涡簧箱组建的强度允许的前提下，涡簧箱内可以大量并排安装开槽涡簧片30，不存在簧片宽度过大导致的刚度不足问题。可见，本实用新型实施例具有以下优势1)本实用新型根据涡簧工作时的受力原理，减少涡簧片的中性面处的材料，即在涡簧片的中性面附近制作出圆形或椭圆形孔槽，将对涡簧的抗弯强度影响小的部分材料去除掉，保留对涡簧抗弯强度影响大的部分，从而在承受的扭矩没有明显下降的情况下，减少了大量材料，大大提高了涡簧的储能密度。2)本实用新型采用开槽涡簧片并排排列组合形成大型平面涡卷弹簧，因为在开槽涡簧片两侧加工半圆形或半椭圆形凹槽比较容易，相对于在整块材料上直接打贯通的圆孔来说，这种半圆形或半椭圆形凹槽材料拼接的大型平面涡卷弹簧大大降低了加工难度。3)开槽涡簧片两侧采用半圆形或半椭圆形凹槽，使得开槽涡簧片的结构是从中性面向远离中性面的两端呈弧形逐渐增大厚度，这就避免了应力集中，增加了涡簧片的抗折断能力。4)由图4可以看出，在没有明显降低储能量的条件下，减少的横截面积超过了 1/3，也就是节约了 1/3的材料，储能密度提高了 30%以上。5)本实用新型大大增加了涡簧储能密度，可以在控制涡簧质量的条件下生产出具有很大储能能力的大型涡簧，从而为风力发电机提供了良好的储能装置，提高了风力发电系统的稳定性和市场竞争力。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
权利要求1.一种大型平面涡卷弹簧，其特征在于，包括沿左右方向并排排列的多根开槽涡簧片；所述开槽涡簧片左右对称，并且左右两侧具有凹槽；所述凹槽上下对称，对称中心线位于所述涡簧片弯曲工作时扭矩的中性面上，所述凹槽在对称中心线处最深，并且由所述中心线向上下两端平滑过渡。
2.根据权利要求1所述的大型平面涡卷弹簧，其特征在于，所述凹槽为半椭圆形凹槽。
3.根据权利要求1所述的大型平面涡卷弹簧，其特征在于，所述凹槽为半圆形凹槽。
4.根据权利要求3所述的大型平面涡卷弹簧，其特征在于，所述开槽涡簧片具有矩形截面，所述半圆形凹槽开在所述矩形截面的左右两侧。
5.根据权利要求4所述的大型平面涡卷弹簧，其特征在于，所述大型平面涡卷弹簧具有长条形截面，相邻的所述开槽涡簧片的所述半圆形凹槽相互对合，在所述长条形截面上形成多个圆形槽。
6.根据权利要求5所述的大型平面涡卷弹簧，其特征在于，半圆形凹槽的半径介于所述矩形截面的宽度的1/3到3/8之间。
7.根据权利要求5所述的大型平面涡卷弹簧，其特征在于，所述大型平面涡卷弹簧位于储能装置的箱体内部，所述大型平面涡卷弹簧的一端固定在所述箱体上，另一端固定在贯穿所述箱体的主轴上。
专利摘要本实用新型提供一种大型平面涡卷弹簧，其包括沿左右方向并排排列的多根开槽涡簧片；所述开槽涡簧片左右对称，并且左右两侧具有凹槽；所述凹槽上下对称，对称中心线位于所述涡簧片弯曲工作时扭矩的中性面上，所述凹槽在对称中心线处最深，并且由所述中心线向上下两端平滑过渡。本实用新型根据涡簧工作时的受力原理，减少涡簧片的中性面处的材料，即在涡簧片的中性面附近制作出圆形或椭圆形孔槽，将对涡簧的抗弯强度影响小的部分材料去除掉，保留对涡簧抗弯强度影响大的部分，从而在承受的扭矩没有明显下降的情况下，减少了大量材料，大大提高了涡簧的储能密度。
文档编号F16F15/08GK202176664SQ20112028732
公开日2012年3月28日 申请日期2011年8月9日 优先权日2011年8月9日
发明者余洋, 汤敬秋, 王璋奇, 米增强 申请人:华北电力大学(保定)