具有可变速度驱动器的飞轮系统的制作方法

专利名称：具有可变速度驱动器的飞轮系统的制作方法
技术领域：
无背景技术
用于产生电力的飞轮系统可包括可旋转的飞轮，其驱动发电机以产生电流。在使用期间随着时间的过去，飞轮的旋转速度有所下降。在一些情况下，这可能有问题，例如在发电机是AC发电机的情况下。

发明内容
本发明可提供一种具有可变速度驱动器的飞轮系统，其可在需要时在恒定的旋转速度下驱动发电机。在一个实施例中，所述可变速度驱动器可具有第一可旋转驱动板，其用于耦合到可旋转飞轮。所述第一驱动板可围绕旋转轴线定位且具有大体上横向、跨越或横穿所述旋转轴线平放的驱动表面。第一可旋转驱动轮可具有用于啮合且由所述第一驱动板的所述驱动表面驱动的外部圆周。发电机可以可旋转方式耦合到所述第一驱动轮。第一致动器可控制所述第一驱动轮相对于所述第一驱动板上的径向驱动表面位置的位置以控制所述发电机的驱动比和旋转速度。在特定实施例中，控制系统可控制所述第一驱动轮的所述位置以在所述第一驱动板的变化旋转速度下提供所述发电机的恒定旋转速度。所述第一驱动轮可以可旋转方式锁定到第一驱动轮轴，同时还可在其上线性地滑动。所述第一致动器可控制所述第一驱动轮在所述第一驱动轮轴上的线性位置。可包括可旋转动力源，例如马达。第二可旋转驱动轮可耦合到所述可旋转动力源。第二可旋转驱动板可耦合到所述可旋转飞轮。所述第二驱动板可围绕所述旋转轴线定位且具有大体上横向、跨越或横穿所述旋转轴线平放的驱动表面。所述第二驱动轮可具有用于啮合所述第二驱动板的所述驱动表面以用可旋转方式驱动所述第二驱动板且因此所述可旋转飞轮的外部圆周。第二致动器可控制所述第二驱动轮相对于所述第二驱动板上的径向驱动表面位置的径向位置以控制驱动所述第二驱动板且因此所述飞轮的驱动比和旋转速度。所述控制系统可控制所述第二驱动轮的所述位置以在所要旋转速度下驱动所述第二驱动板。所述第二驱动轮可以可旋转方式锁定到第二驱动轮轴，同时还可在其上线性地滑动。所述第二致动器可控制所述第二驱动轮在所述第二驱动轮轴上的线性位置。本发明还可提供一种飞轮系统，其包括安装在水平飞轮轴上且可围绕旋转轴线旋转的可旋转飞轮。发电机驱动组合件可由所述飞轮驱动。所述发电机驱动组合件可包括第一可旋转驱动板，其安装到所述飞轮轴以围绕所述旋转轴线旋转且可具有大体上横向、跨越或横穿所述旋转轴线平放的驱动表面。第一可旋转驱动轮可具有用于啮合且由所述第一驱动板的所述驱动表面驱动的外部圆周。发电机可以可旋转方式耦合到所述第一驱动轮。第一致动器可控制所述第一驱动轮相对于所述第一驱动板上的径向驱动位置的位置以控制所述发电机的驱动比和旋转速度。在特定实施例中，控制系统可控制所述第一驱动轮的所述位置以在所述第一驱动板的变化旋转速度下提供所述发电机的恒定旋转速度。所述第一驱动轮可以可旋转方式锁定到第一驱动轮轴，同时还可在其上线性地滑动。所述第一致动器可控制所述第一驱动轮在所述第一驱动轮轴上的线性位置。所述飞轮系统可包括驱动组合件，其用于将所述飞轮驱动到所要速度。所述驱动组合件可包括可旋转动力源，例如马达。第二可旋转驱动轮可耦合到所述可旋转动力源。第二可旋转驱动板可安装到所述飞轮轴以围绕所述旋转轴线旋转且可具有大体上横向、跨越或横穿所述旋转轴线平放的驱动表面。所述第二驱动轮可具有用于啮合所述第二驱动板的所述驱动表面以用可旋转方式驱动所述第二驱动板和所述飞轮的外部圆周。第二致动器可控制所述第二驱动轮相对于所述第二驱动板上 的径向驱动表面位置的径向位置以控制驱动所述第二驱动板和飞轮的驱动比和旋转速度。所述控制系统可控制所述第二驱动轮的所述位置以在所要旋转速度下驱动所述第二驱动板和所述飞轮。所述第二驱动轮可以可旋转方式锁定到第二驱动轮轴，同时还可在其上线性地滑动。所述第二致动器可控制所述第二驱动轮在所述第二驱动轮轴上的线性位置。所述第一和第二驱动板可位于所述飞轮的相反侧上且可与所述飞轮间隔开。所述第一和第二驱动板的所述驱动表面可相对于所述飞轮面向向外，使得所述第一和第二驱动轮可相对于所述飞轮轴在大体上相反的轴向方向上在所述第一和第二驱动板上施加力。外壳可包围所述飞轮。所述第一和第二驱动板可位于所述外壳的外部。本发明还可提供一种用飞轮系统的可变速度驱动器驱动发电机的方法，其包括将第一可旋转驱动板耦合到可旋转飞轮，所述第一可旋转驱动板围绕旋转轴线定位且具有大体上跨越所述旋转轴线平放的驱动表面。第一可旋转驱动轮的外部圆周可与所述第一驱动板的所述驱动表面啮合以用于驱动所述第一驱动轮。发电机可以可旋转方式耦合到所述第一驱动轮。第一致动器可控制所述第一驱动轮相对于所述第一驱动板上的径向驱动表面位置的位置以控制所述发电机的驱动比和旋转速度。在特定实施例中，可用控制系统控制所述第一驱动轮的所述位置以在所述第一驱动板的变化旋转速度下提供所述发电机的恒定旋转速度。所述第一驱动轮可以可旋转方式锁定到第一驱动轮轴，同时还可在其上线性地滑动。所述第一致动器可控制所述第一驱动轮在所述第一驱动轮轴上的线性位置。可提供可旋转动力源，例如马达。第二可旋转驱动轮可耦合到所述可旋转动力源。第二可旋转驱动板可耦合到所述可旋转飞轮，且可围绕所述旋转轴线定位且具有大体上跨越所述旋转轴线平放的驱动表面。所述第二驱动轮可具有用于啮合所述第二板的所述驱动表面以用可旋转方式驱动所述第二驱动板且因此所述可旋转飞轮的外部圆周。第二致动器可控制所述第二驱动轮相对于所述第二驱动板上的径向驱动位置的径向位置以控制驱动所述第二驱动板和所述飞轮的驱动比和旋转速度。可用控制系统控制所述第二驱动轮的所述位置以在所要旋转速度下驱动所述第二驱动板。所述第二驱动轮可以可旋转方式锁定到第二驱动轮轴，同时还可在其上线性地滑动。第二致动器可控制所述第二驱动轮在所述第二驱动轮轴上的线性位置。
本发明还可提供一种用飞轮系统驱动发电机的方法，其包括将可旋转飞轮安装在水平飞轮轴上且围绕旋转轴线旋转所述飞轮。可通过将第一可旋转驱动板安装到所述飞轮轴以围绕所述旋转轴线旋转且具有大体上跨越所述旋转轴线平放的驱动表面来用所述飞轮驱动发电机驱动组合件。第一可旋转驱动轮的外部圆周可与所述第一驱动板的所述驱动表面啮合以驱动所述第一驱动轮。所述发电机可以可旋转方式耦合到所述第一驱动轮。第一致动器可控制所述第一驱动轮相对于所述第一驱动板上的径向驱动表面位置的位置以控制所述发电机的驱动比和旋转速度。在特定实施例中，可用控制系统控制所述第一驱动轮的所述位置以在所述第一驱动板和飞轮的变化旋转速度下提供所述发电机的恒定旋转速度。所述第一驱动轮可以可旋转方式锁定到第一驱动轮轴，同时还可在其上线性地滑动。所述第一致动器可控制所述第一驱动轮在所述第一驱动轮轴上的线性位置。可用驱动组合件将所述飞轮驱动到所要速度。可提供可旋转动力源，例如马达。第二可旋转驱动轮可耦合到所述可旋转动力源。第二可旋转驱动板可安装到所述飞轮轴以围绕所述旋转轴线旋转且可具有大体上跨越所述旋转轴线平放的驱动表面。所述第二驱动轮可具有用于啮合所述第二驱动板的所述驱动表面以用可旋转方式驱动所述第二驱动板和所述飞轮的外部圆周。第二致动器可控制所述第·二驱动轮相对于所述第二驱动板上的径向驱动表面位置的径向位置以控制驱动所述第二驱动板和飞轮的驱动比和旋转速度。可用控制系统控制所述第二驱动轮的所述位置以在所要旋转速度下驱动所述第二驱动板和飞轮。所述第二驱动轮可以可旋转方式锁定到第二驱动轮轴，同时还可在其上线性地滑动。所述第二致动器可控制所述第二驱动轮在所述第二驱动轮轴上的线性位置。所述第一和第二驱动板可位于所述飞轮的相反侧上且与所述飞轮间隔开。所述第一和第二驱动板的所述驱动表面可相对于所述飞轮面向向外，使得所述第一和第二驱动轮在大体上相反的轴向方向上在所述第一和第二驱动板上施加力。外壳可包围所述飞轮，且所述第一和第二驱动板可位于所述外壳的外部。


将从随后对本发明的实例实施例的更具体描述中容易明白前述内容，在附图中说明所述实例实施例，其中在不同视图中相同参考字符始终指代相同部分。所述图式未必按比例绘制，而是重点放在说明本发明的实施例上。图I为本发明中的飞轮系统的实施例的透视图。图2和3为马达驱动组合件的实施例的透视图。图4为从相反侧来看的图I的飞轮系统的透视图。图5和6为发电机驱动组合件的实施例的透视图。图6A为控制系统的一个实施例的示意图。图7为本发明中的飞轮系统的另一实施例的透视图。图8为图7的飞轮系统的俯视图。图9为图8的飞轮系统的截面图。图10为马达驱动组合件的另一实施例的透视图。图11为图10的马达驱动组合件的端视图。图12为图11的马达驱动组合件的截面图。
图13为发电机驱动组合件的另一实施例的透视图。图14为图13的发电机驱动组合件的端视图。图15为图14的发电机驱动组合件的截面图。图16为驱动轮的另一实施例的透视图。图17为图16的驱动轮的前视图。图18为驱动板的实施例的后部透视图。图19为图18的驱动板的后视图。图20为驱动轮的另一实施例的截面图。
图21为图20的驱动轮的放大部分。图22为驱动轮的另一实施例的截面图。图23为驱动轮的另一实施例的一部分的放大截面图。图24为驱动轮的又一实施例的截面图。图25为驱动组合件的另一实施例的一部分的俯视图。
具体实施例方式参看图I到6，在一个实施例中，本发明可提供一种飞轮系统25，其具有以可旋转方式耦合到马达驱动组合件16的飞轮12 (通过窗口 22看到展示为在飞轮外壳或壳体20内部的多个部分)以及位于支撑或安装框架或支架34上的发电机驱动组合件18。外壳20内的环境可处于真空状态或具有低密度气体。马达驱动组合件16可将飞轮12带到围绕轴线A的所要旋转速度，且可经调整以调整其驱动飞轮12的速度。发电机驱动组合件18可经调整以在所要或恒定速度下驱动发电机10a，例如1800RPM，而不管飞轮12正在旋转的速度如何。飞轮12可由马达驱动组合件16以高于1000RPM的速度进行旋转，例如，在一些实施例中，在3000RPM到6000RPM的范围内，以及在一些例子中，高达大约10，000RPM。参看图I到3,马达驱动组合件16可包括马达10。马达10可为AC或DC马达,且可旋转到所要速度(例如，3600RPM)。在其它实施例中，旋转速度可变化。马达驱动圆形可旋转部件或轮2可通过可旋转的驱动轴24和驱动轮轴(其可为围绕轴线B的滚珠花键轴3)以可旋转方式耦合到马达10。驱动轮2的边缘或外部周边或圆周26可具有驱动表面，其以滚动接触方式啮合圆形可旋转马达驱动部件或板11的驱动表面28。外部圆周26可具有狭窄的环形隆脊或冠状物76，其接触驱动表面28。驱动表面28可为驱动板11的平坦或平面的面，其可大体上跨越或横穿以及垂直或正交于飞轮12和驱动板11的旋转轴线A而横向地延伸、定位或平放。驱动板11可在飞轮轴14上耦合到飞轮12以围绕共同旋转轴线A旋转。轴线A可跨越、横穿、90°或正交于马达10的轴24、轴3和轴线B而定位。驱动轮2的边缘在驱动板11的平坦面上的滚动啮合使驱动板11和轴14围绕轴14的旋转轴线A旋转，进而还使飞轮12旋转。这种配置可形成横穿、90°、正交或直角传动。飞轮12可竖直地定位，其中轴14沿着水平轴线A平放且由轴承30 (例如液力轴承或其它合适的轴承，例如磁性或滚珠轴承)支撑于紧固到框架34的轴承底座或支座32 (图4)上。马达10的轴24可耦合到滚珠花键轴3，其两者均水平地定位于轴线B上。驱动轮2的水平或线性位置(例如，驱动轮2与马达10之间的距离)可由线性致动器4调整，所述线性致动器可使驱动轮2沿着驱动轮轴或滚珠花键轴3沿着轴线B线性地或纵向地并且相对于驱动板11横向地或径向地平移、移动或滑动，如箭头所示。驱动轮2可以可旋转方式锁定到驱动轮轴或滚珠花键轴3，同时可在其上线性地滑动。移动驱动轮2的线性位置会改变驱动轮2在驱动板11上相对于驱动板11的驱动表面28或中心和轴线A的径向接触位置，进而改变驱动轮2驱动驱动板11且因此驱动飞轮12的驱动比和旋转速度。因而，为了较慢地驱动驱动板11和飞轮12，驱动轮2可经径向调整以在驱动板11的外部边缘附近并且远离中心和轴线A接触驱动板11。为了较快地驱动驱动板11和飞轮12，驱动轮2可经径向调整以较靠近驱动板11的中心和轴线A接触驱动板11。马达10和线性致动器4可连接到控制系统60 (图6A)，其可具有控制器64、传感器62和电子器件，所述电子器件可用以调整驱动轮2相对于驱动板11的径向位置以获得飞轮12的所要速度。传感器62可包括与飞轮12、轴14、驱动板11、驱动轮2、线性致动器4和马达10中的一些或全部相关联的各种位置传感器和旋转速度传感器。马达驱动组合件16可安装到可移动或可定位的框架，例如具有枢转毂8的枢转框架7，这允许例如液压或气压缸等致动器使枢转框架7移动或枢转以将驱动轮2定位成与驱动板11成水平或横向压力啮合或实现分离。 参看图3，线性致动器4可具有线性轴承壳体或组合件6以用于以可滑动方式引导导轴5，所述导轴5在由线性致动器4线性地致动或移动时引导驱动轮2的线性移动。在一些实施例中，线性致动器可具有往复式致动器杆或其它合适的可移动致动部件以用于移动轴承壳体保持件9或导轴5，或可为所述导轴5中的一者。轴承壳体保持件9可紧固到轴承壳体耦合件1，且充当用于导轴5的安装表面。轴承壳体耦合件I收纳允许驱动轮2随驱动轮轴或滚珠花键轴3 —起旋转(包括在正由线性致动器4沿着滚珠花键轴3水平地或线性地平移的同时，其中所述线性致动器4不旋转)的轴承。滚珠花键轴3可由具有轴承48的两个托架23以可旋转方式支撑，所述托架安装到枢转框架7且在驱动轮2的相反侧上彼此间隔开。线性致动器4和线性轴承壳体6可安装到远端托架23，且可稍微地从轴线B偏移，如图所示。枢转框架7可具有开口 27以用于向驱动轮2提供间隙。参看图4到6，发电机驱动组合件18可定位于飞轮12的与马达驱动组合件16相反的轴向侧上，且可具有与马达驱动组合件16相似的构造。发电机驱动组合件18可包括旋转式圆形发电机驱动部件或板11a，其安装到轴14，且因此由飞轮12围绕轴14的轴线以及围绕共同旋转轴线A的旋转来驱动。发电机驱动圆形可旋转部件或轮2a可通过围绕轴线C的驱动轴36和驱动轮轴(其可为滚珠花键轴3a)以可旋转方式安装到发电机10a，且可沿着滚珠花键轴3a和轴线C线性地或纵向地并且相对于驱动板Ila横向地或径向地平移、移动或滑动，如箭头所示。驱动轮2a可以可旋转方式锁定到滚珠花键轴3a，同时可在其上线性地滑动。轴线C可水平地定向且跨越、横穿、直角或正交于轴线A，且可平行于轴线B。驱动轮2a的外部边缘、周边或圆周26可具有驱动表面,其以滚动接触方式啮合驱动板Ila的驱动表面28。外部圆周26可具有狭窄的环形隆脊或冠状物76，其接触所述驱动表面。驱动表面28可为驱动板Ila的平坦或平面表面，其可大体上跨越或横穿以及垂直或正交于飞轮12和驱动板Ila的旋转轴线A而横向地延伸、定位或平放。因而，发电机驱动组合件18还可具有横穿或直角传动，且飞轮12和驱动板Ila围绕轴线A的旋转可驱动或滚动驱动轮2a以使驱动轮2a围绕轴线C旋转且使发电机IOa转动以产生电流。驱动轮2a相对于发电机10a、驱动表面28、轴线A或驱动板Ila的中心的水平或线性位置可由线性致动器4a自动地调整以啮合驱动板Ila的驱动表面28面上的不同径向位置以用于控制发电机IOa的驱动比和旋转速度，使得发电机IOa可以恒定的所要速度(例如1800RPM)连续地旋转，而不管飞轮12旋转的速度如何。举例来说，随着飞轮12的旋转速度随时间改变且减小，线性致动器4a可自动地径向移动驱动轮2a以使其更靠近驱动板Ila的中心和轴线A以便维持发电机IOa的同一所要速度，例如1800RPM。如果飞轮12的速度改变且增大，那么驱动轮2a可远离轴线A移动到驱动板Ila上的外部径向位置。以恒定速度旋转发电机IOa可为合乎需要的,例如在发电机为AC发电机时。在一些实施例中，1800RPM可适合于60Hz的输出频率，且1500RPM可适合于50Hz。在其它实施例中，发电机可为DC发电机。线性致动器4a和发电机IOa可连接到控制系统60，其可具有传感器62以及用于启用自动调整以维持所要速度的电子器件。传感器62可包括与飞轮12、轴14、驱动板I la、驱动轮2a、线性致动器4a和发电机IOa中的一些或全部相关联的各种位置传感器和旋转速度传感器。线性致动器4a可类似于线性致动器4。驱动轮2a还可借助例如液压或气压缸等致动器通过可移动的或可定位的枢转框架7a和枢转毂8a移动或定位(例如，枢转)成与驱动板Ila成水平或横向压力啮合或牵引或者实现分离。参看图6，线性致动器4a可具有线性轴承壳体或组合件6a以用于以可滑动方式引·导导轴5a，所述导轴5a在由线性致动器4a线性地致动或移动时引导驱动轮2a的线性移动。轴承壳体保持件9a可紧固到轴承壳体耦合件la，且充当用于导轴5a的安装表面。轴承壳体耦合件Ia包括允许驱动轮2a随驱动轮轴或滚珠花键轴3a —起旋转(包括在正由线性致动器4a沿着滚珠花键轴3a水平地或线性地平移的同时，其中所述线性致动器4a不旋转)的轴承。滚珠花键轴3a可由具有轴承48的两个托架23a以可旋转方式支撑，所述托架安装到枢转框架7a且在驱动轮2a的相反侧上彼此间隔开。线性致动器4a和线性轴承壳体6可安装到远端托架23a，且可稍微地从轴线C偏移，如图所示。枢转框架7a可具有开口27a以用于向驱动轮2a提供间隙。马达驱动组合件16可将飞轮12带到所要速度且接着分离，从而允许飞轮12自由地旋转。发电机驱动组合件18可在所要时间处分离，以由飞轮12驱动且产生电力。马达驱动组合件16可周期性地与飞轮12重新啮合以将飞轮12带回到所要的旋转速度，这可在电力产生之前、期间或之后发生。可存在当马达驱动组合件16和发电机驱动组合件18两者同时被啮合时的时间。在一些实施例中，马达驱动组合件16、马达10、发电机驱动组合件18和/或发电机IOa可包括离合器。这可允许驱动轮2和/或2a保持与驱动板11和Ila啮合。可根据需要来选择马达10、发电机10a、飞轮12、驱动板IlUla和驱动轮2、2a的旋转方向。可选择轴线A的驱动轮2和2a接触驱动板11和Ila的那侧以确定旋转方向。参看图7到19，在另一实施例中，马达驱动组合件16的马达10可为500HP马达以用于驱动直径为大约120英寸、48英寸宽且大约85，000磅的飞轮12。应理解,飞轮12的大小和重量可变化。飞轮12可安装或构造于飞轮轴14上且可由复合材料形成，所述材料可包括(例如)用树脂和粘合剂接合在一起的金属线。飞轮12的一些实施例可具有与2010年4月8日公开的第US2010/0083790号公开案中所描述的构造相似的构造，所述公开案的内容的全部以引用的方式并入本文中。在其它实施例中，飞轮12可由金属或其它合适的材料或方法来形成。飞轮轴14的直径可在末端处减小，例如在两个台阶中，如图所示，或可替代地具有恒定直径。在其它实施例中，马达10和飞轮12的大小以及配置和/或构造可变化。保持引导托架33可安装到框架34的上表面以用于以可移动方式俘获或捕获枢转框架7和7a的一个或两个末端的上表面，以用于引导并允许枢转框架7和7a横向地或水平地但不是向上地移动、滑动、平移或枢转。由马达10驱动的驱动轮2的实施例(图16和17)可由金属(例如铝、钢或铸铁)或复合物形成。在一个实施例中，驱动轮2可具有大约32英寸的外部基座直径，且可在外部圆周26上具有外部材料层38以用于供驱动板11磨损和接触的目的，所述外部材料层38可为大约1/2英寸厚，从而产生大约33英寸的总外径。外部材料层38可由适合的材料形成，所述材料包括聚合材料、橡胶、尿烷、例如钢、硬化钢或碳化物等金属、陶瓷，可包括摩擦或硬化涂层，等等。驱动轮2可具有中心毂40以用于借助安装孔43中的螺杆或螺栓紧固到花键螺母50以安装到滚珠花键轴3，且可具有一系列孔42以减小重量。可使用与用于发电机驱动组合件18的驱动轮2a相同或相似的驱动轮，且所述驱动轮可为相同大小或可在需要时或根据需要具有不同大小。所使用的花键螺母50和滚珠花键轴3可具有通常市售的类型，且可允许驱动轮2沿着滚珠花键轴3进行线性或纵向运动，同时提供旋转扭矩传动。由轴承壳体耦合件I收纳的轴承52可装配于颈状物41上方以提供线性致动器4的非 旋转式引导杆5与可旋转驱动轮2之间的旋转接合。而且，在发电机驱动组合件18中，轴承52由轴承壳体耦合件Ia收纳，且可装配于颈状物41上方以用于驱动轮2a。如先前所提及，在马达驱动组合件16和发电机驱动组合件18的实施例中，由线性致动器4或4a移动的引导轴5或5a可紧固到轴承壳体保持件9或9a。轴承壳体保持件9或9a可包括紧固到非旋转式轴承壳体耦合件I或Ia的板。轴承52可装配于旋转式颈状物41与非旋转式轴承壳体稱合件I或Ia之间，以允许驱动轮2或2a在正连接到非旋转式线性致动器4或4a并且由其线性地移动的同时旋转。马达驱动组合件16的驱动板11的实施例(图18和19)可由金属(例如铝、钢或铸铁)或复合物形成，且可具有圆形的平坦或平面驱动表面28，其可为带纹理的或涂覆有摩擦、硬化或抗磨涂层。驱动板11可在与驱动表面28相反的侧上具有肋状物44，其可径向延伸以用于维持平坦的驱动表面的面，以及用于实现强度和刚性。肋状物44还可在旋转期间提供冷却。驱动板11可具有中心毂46以用于安装到飞轮轴14。在一些实施例中，驱动板11可具有大约72英寸的外径，其中径向开始点外部接触直径为大约66英寸，以用于啮合具有33英寸直径的驱动轮2。这可形成的驱动轮与驱动板的开始驱动比为在ORPM下I. 98:1(大约2:1)，且在驱动板的中心附近的最终或最大比为在10，000RPM下大约.36:1，所述比可在其之间变动。可使用与用于发电机驱动组合件18的驱动板Ila相同或相似的驱动板，且其可为相同大小或可在需要时或根据需要而具有不同大小。驱动轮2与驱动板11之间的驱动比可通过改变驱动轮2相对于驱动板直径或半径的位置来在上限比与下限比之间变化，以允许马达10将飞轮12从ORPM驱动到所要速度，例如，在一些实施例中在3000RPM到6000RPM之间，且在其它实施例中高达大约10，000RPM。为了初始开始飞轮12的旋转，驱动轮2可定位在径向开始点外部接触直径处且随着飞轮12的速度增加而逐渐地向内朝向轴线A和驱动板11的中心移动，直到获得所要速度为止。在一些实施例中，驱动轮2和驱动板11的大小可根据需要而变化以获得其它t匕。图12描绘穿过马达驱动组合件16的驱动轮2和滚珠花键轴3的横截面以展示驱动轮2在滚珠花键轴3、轴承壳体耦合件I和致动器导轴5上的细节，所述致动器导轴5可在由线性致动器4致动时平移驱动轮2以调整驱动轮2相对于驱动板11的径向位置。轴承壳体耦合件I可提供旋转式驱动轮2与线性或水平移动的非旋转式致动器导轴5之间的界面。参看图13到15，发电机驱动组合件18的实施例可具有驱动板11a，其具有与用于马达驱动组合件16的驱动板11相同的直径和构造。在一个实施例中，发电机驱动组合件18的驱动轮2a可具有大约41英寸的外部基座直径，其中在外部圆周上具有大约1/2英寸的外部材料层38以用于磨损和接触的目的，这可产生大约42英寸的总外径。驱动轮2a可由先前针对马达驱动轮2所描述的材料形成。对于具有大约72英寸的外径和大约66英寸的径向开始点外部接触直径的驱动板Ila以及具有42英寸直径的驱动轮2a，驱动轮2a和驱动板Ila的开始比可为在ORPM下I. 584:1(大约I. 5:1)，且最终或最大比为在10，000RMP下大约18:1，其中所述比可在其之间变动。发电机驱动组合件18中的驱动轮2a与驱动板Ila之间的比可通过改变驱动轮2a相对于驱动板Ila直径或半径、轴线A和驱动表面28的位置而在上限比与下限比之间变化，以在所要或恒定速度下驱动发电机10a，而不管飞轮12的旋转速度的变化如何。为了初始开始发电机IOa的旋转，驱动轮2a可定位在径向开 始点外部接触直径处和逐渐地向内朝向轴线A和驱动板Ila的中心移动，直到获得发电机IOa的所要速度为止。驱动发电机IOa的速度可取决于发电机的类型，例如DC、AC、60Hz或50Hz。在一些实施例中，可变化驱动轮2a和驱动板Ila的大小以获得其它比。图15描绘穿过发电机驱动组合件18的驱动轮2a和滚珠花键轴3a的横截面以展示驱动轮2a在滚珠花键轴3a、轴承壳体耦合件Ia和致动器导轴5a上的细节，所述致动器导轴5a在由线性致动器4a致动时平移驱动轮2a以按与马达驱动组合件16相似的方式调整驱动轮2a相对于驱动板Ila的径向位置。在一些实施例中，参看图I和图7到9，飞轮系统25的组件可安装在框架34上。驱动板11和Ila可定位在飞轮轴14的相反轴向末端处，且可位于包围飞轮12的外壳20的外部。轴承30也可位于外壳20的外部。因而，由轴承30产生的颗粒或驱动轮2和2a与驱动板11和Ila之间的磨损不会污染包围飞轮12的外壳20内的环境。另外，鉴于更换驱动板11和Ila通常比修理或更换飞轮12要便宜，所以在驱动板11和Ila上而不在飞轮12其自身上经历任何磨损。通过将驱动板11和Ila定位成通过大或实质的空气间隙远离飞轮12 (例如，图9展示在一个实施例中驱动板11和I Ia与飞轮12远离大约一个飞轮宽度)，飞轮12可大体上与驱动板11和Ila热隔尚。在飞轮12具有带有树脂和粘合剂的复合构造的实施例中，闻温可损害树脂和粘合剂的强度，这可对飞轮12有害。由驱动板11和Ila与驱动轮2和2a的滚动啮合所产生的摩擦热可致使加热驱动板11和11a。将驱动板11和Ila定位成远离飞轮12且大体上使驱动板11和Ila与飞轮12热隔离可帮助减少飞轮12的加热。将轴承30定位成紧接于驱动板11和Ila也可大体上使在轴承30中所产生的热量与飞轮12热隔离。另外，将飞轮12定位在外壳20内也可提供进一步的热隔离。虽然飞轮轴14可将一些热量从驱动板11和Ila以及轴承30传导到飞轮12，但将驱动板11和Ila以及轴承30定位在飞轮轴14的轴向末端上远离飞轮12某一实质距离可帮助限制所传导的热量的量，因为热量必须沿着飞轮轴14行进某一实质长度且可沿着所述路径受到冷却，例如在轴14的暴露于外部环境的部分上。在一些实施例中，驱动板11和Ila的驱动表面28不必为平坦的，而是可为弯曲的、成角度的或圆锥形的。在这些情况下，驱动组合件16和18和/或驱动轮2和2a可适应或考虑这些形状。支撑飞轮轴14的轴承30可定位在外壳20的外部，且可在底座或支撑件32上。在需要时，外壳20可具有用于密封在飞轮轴14周围以便维持外壳20内的所要环境的密封件19。当飞轮12围绕水平定位的飞轮轴14旋转时，驱动轮2和2a在驱动板11和Ila上的力可在轴线A上在轴14的纵向轴线的方向上朝向飞轮12在飞轮轴14上施加横向推力，且不增加由轴承30支撑的飞轮12的总重量。在当两个驱动轮2和2a同时接触两个驱动板11和Ila时的情况下，驱动轮2和2a抵靠着驱动板11和Ila的力可在相反的轴向方向上且可大体上彼此抵消。驱动板11和Ila的大小或直径可小于飞轮12的直径。如明显的，马达10和发电机IOa的类型和大小可变化。在一些实施例中，可省略马达10，且可通过机械可旋转动力源将飞轮12带到某一速度，所述机械可旋转动力源可(例如)由水或风供能。而且，发电机IOa可为马达/发电机。线性致动器4和4a可为市售的线性致动器，且可由伺服或步进马达驱动，但在其它实施例中，可由气体力、水力、电磁力或线性马达驱动，或可为其它合适的装置或机构。在一些实施例中，框架7和7a可线性地平 移进入和离开啮合位置来代替枢转。在一些实施例中，可省略滚珠花键轴3和3a，且可将马达10和发电机IOa连同其各自的驱动轮2和2a作为组合件一起移动，以改变驱动轮2和2a相对于驱动板11和Ila的径向位置。飞轮12、驱动板11和Ila以及驱动轮2和2a可定位在其它定向中且沿着其它轴线，并且在不同方向或轴线上移动或旋转。另外，马达驱动组合件16和发电机驱动组合件18可相对于飞轮12定位在同一侧上，且在一些实施例中，可共享单个驱动板，例如在驱动板的相反侧上。参看图20和21，驱动轮70为可用于驱动轮2和2a的驱动轮的另一实施例。外径可类似于先前所描述的外径。中心毂40可具有沿着轴线D延伸的孔或钻孔78，其具有键槽80和内部保持环沟槽82以用于紧固到花键螺母50。从中心毂40径向向外延伸的轮部分72可具有基座直径74，外部材料层38可位于、定位于、施加于、层压于或接合于所述基座直径74上方。外部材料层38可具有居中于轮部分72的中心或中心线E上的环形冠状物76，且具有以角度Θ从水平线或轴线D倾斜的倾斜侧76a。图21展示以3°的角度Θ倾斜的环形冠状物76的侧76a，然而可使用较大的角度，例如在一些实施例中高达15°，或更大。在一个实施例中，外部材料层38可为层压尿烷，其可为肖氏A级硬度为90的尿烷。在其它实施例中，可使用其它合适的材料，例如先前针对驱动轮2所描述的材料。当针对材料38使用例如金属等一些材料时，可在需要时将轮部分72形成为其上集成有材料38。参看图22，驱动轮85为可用于驱动轮2和2a的驱动轮的另一实施例。驱动轮85与驱动轮70的不同之处可在于可省略轮部分72中的孔42。外部材料层38在由尿烷制成时可由能够承受大约1800磅/英寸2的尿烷形成。参看图23，在一些驱动轮实施例中，轮部分72的基座直径74可具有环形沟槽88，其啮合外部材料层38的变窄环形边缘或边沿部分86。环形冠状物76可为辐射式的，例如，具有大约1/8英寸的半径。冠状物76的侧76a可以角度Θ倾斜，所述角度Θ可大到大约
30。。参看图24，驱动轮90为可用于驱动轮2和2a的驱动轮的另一实施例。驱动轮90与驱动轮85的不同之处可在于轮部分72和外部材料层38可更厚或更宽，且外部材料层38的底部可啮合基座直径74中的环形沟槽88。冠状物76可具有中心平坦部分以及可以大约45°的角度Θ倾斜的倾斜侧76a。轮部分72的面向颈状物41的侧可具有形成于其上的环形浮雕部分92。外部材料层38在由尿烷制成时可由能够承受大约2500磅/英寸2的尿烷形成。在一些实施例中，可组合或省略所描述的驱动轮的各种特征。另外，尺寸可依据附近情形而变化。在一些实施例中，外部材料层38可为辐射式的，例如以自行车轮胎的方式。在一些情况下，外部材料层38可与驱动轮(由相同材料制成的驱动轮)一体式形成或形成在其中。另外，可将冠状物76制作为具有非常狭窄的接触边沿以用于点接触。参看图25，驱动组合件100为可用于马达驱动组合件16和/或发电机驱动组合件18的驱动组合件的另一实施例。驱动轮2或2a可在外部边缘、周边或圆周26上具有成斜面或成角度的驱动、啮合或接触表面112，从而形成大体上截头圆锥体形轮以用于以滚动接触方式啮合驱动板11或Ila的驱动表面28。举例来说，成角度的接触表面112可相对于旋转轴线B或C为大约30°，但可成更大或更小的角度，例如45或15度。驱动轮2或2a可为驱动轮组合件102的一部分，且可围绕轴线B或C以可旋转方式耦合到可旋转轴104， 所述可旋转轴104可以可旋转方式支撑在两个支座106之间，所述支座106紧固在安装板或基座102a上。驱动轮2或2a可相对于轴104旋转地或线性地固定。马达10或发电机IOa的驱动轴24或36可通过传动件108 (例如，滑轮或齿轮传动件)以可旋转方式连接到轴104。在一些实施例中，传动件108可具有其它配置和/或定向，或可被省略，且马达10或发电机IOa的轴24或36可沿着轴线B或C耦合到轴104。驱动轮组合件102且因此驱动轮2或2a可紧固到线性致动器4或4a，且由线性致动器4或4a在箭头的方向上(其可正交于轴线A)相对于轴线A横向或横穿并且沿着或平行于驱动板11或Ila的驱动表面28平移。线性致动器4或4a可安装到支座或基座110。驱动轮2或2a相对于驱动板11或Ila的移动可改变驱动比和旋转速度。驱动轮2或2a的成斜面或成角度的接触表面112可以滚动啮合方式接触驱动板11或Ila的驱动表面28,其中驱动轮2或2a的旋转轴线B或C相对于驱动表面28的平面成锐角或横穿，且与驱动板11或Ila形成横穿传动。轴线B或C还可横穿或相对于轴线A成非正交或锐角。在所展示的实施例中，驱动轮2或2a的接触表面112的向内成角度侧可指向驱动板11或Ila的外部周边的方向上。驱动轮2或2a的截头圆锥体形状可提供合乎需要的磨损特性，其成斜面的接触表面112以滚动接触方式啮合驱动板11或Ila的平坦或平面驱动表面28。驱动轮2或2a可由多种材料形成，且可具有外部材料层38，如先前所描述。在一些实施例中，驱动轮2或2a可以悬臂方式轴向定位超出远端支座106，且驱动轮2或2a的接触表面112可在相反方向上成角度，且/或在轴线A的相反侧上啮合驱动表面28。尽管已参看本发明的实例实施例来特定展示并描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，可在不脱离由所附权利要求书涵盖的本发明范围的情况下在其中做出各种形式和细节改变。举例来说，可省略或组合所描述和展示的各种特征。另外，应理解，组件的大小和尺寸可变化。
权利要求
1.一种用于飞轮系统的可变速度驱动器，其包含 第一可旋转驱动板，其用于耦合到可旋转飞轮，并且围绕旋转轴线定位且具有大体上跨越所述旋转轴线平放的驱动表面； 第一可旋转驱动轮，其具有外部圆周，所述外部圆周用于啮合所述第一驱动板的所述驱动表面且被所述驱动表面驱动； 发电机，其以可旋转方式耦合到所述第一驱动轮；以及 第一致动器，其用于控制所述第一驱动轮相对于所述第一驱动板上的径向驱动表面位置的位置以控制所述发电机的驱动比和旋转速度。
2.根据权利要求I所述的驱动器，其进一步包含控制系统，所述控制系统用于控制所述第一驱动轮的所述位置以在所述第一驱动板的变化旋转速度下提供所述发电机的恒定旋转速度。
3.根据权利要求I所述的驱动器，其中所述第一驱动轮以可旋转方式锁定到第一驱动轮轴，同时还可在其上线性地滑动，所述第一致动器控制所述第一驱动轮在所述第一驱动轮轴上的线性位置。
4.根据权利要求I所述的驱动器，其进一步包含 可旋转动力源； 第二可旋转驱动轮，其耦合到所述可旋转动力源； 第二可旋转驱动板，其用于耦合到所述可旋转飞轮，并且围绕所述旋转轴线定位且具有大体上跨越所述旋转轴线平放的驱动表面，所述第二驱动轮具有用于啮合所述第二驱动板的所述驱动表面以用可旋转方式驱动所述第二驱动板的外部圆周；以及 第二致动器，其用于控制所述第二驱动轮相对于所述第二驱动板上的径向驱动表面位置的径向位置以控制驱动所述第二驱动板的驱动比和旋转速度。
5.根据权利要求4所述的驱动器，其进一步包含控制系统，所述控制系统用于控制所述第二驱动轮的所述位置以在所要旋转速度下驱动所述第二驱动板。
6.根据权利要求4所述的驱动器，其中所述第二驱动轮以可旋转方式锁定到第二驱动轮轴，同时还可在其上线性地滑动，所述第二致动器控制所述第二驱动轮在所述第二驱动轮轴上的线性位置。
7.一种飞轮系统，其包含 可旋转飞轮，其安装在水平飞轮轴上且可围绕旋转轴线旋转； 发电机驱动组合件，其由所述飞轮驱动，所述发电机驱动组合件包含 第一可旋转驱动板，其安装到所述飞轮轴以围绕所述旋转轴线旋转且具有大体上跨越所述旋转轴线平放的驱动表面； 第一可旋转驱动轮，其具有外部圆周，所述外部圆周用于啮合所述第一驱动板的所述驱动表面且被所述驱动表面驱动； 发电机，其以可旋转方式耦合到所述第一驱动轮； 第一致动器，其用于控制所述第一驱动轮相对于所述第一驱动板上的径向驱动表面位置的位置以控制所述发电机的驱动比和旋转速度。
8.根据权利要求7所述的飞轮系统，其进一步包含控制系统，所述控制系统用于控制所述第一驱动轮的所述位置以在所述第一驱动板的变化旋转速度下提供所述发电机的恒定旋转速度。
9.根据权利要求7所述的飞轮系统，其中所述第一驱动轮以可旋转方式锁定到第一驱动轮轴，同时还可在其上线性地滑动，所述第一致动器控制所述第一驱动轮在所述第一驱动轮轴上的线性位置。
10.根据权利要求7所述的飞轮系统，其进一步包含驱动组合件，所述驱动组合件用于将所述飞轮驱动到所要速度，所述驱动组合件包含 可旋转动力源； 第二可旋转驱动轮，其耦合到所述可旋转动力源； 第二可旋转驱动板，其安装到所述飞轮轴以围绕所述旋转轴线旋转且具有大体上跨越所述旋转轴线平放的驱动表面，所述第二驱动轮具有用于啮合所述第二驱动板的所述驱动表面以用可旋转方式驱动所述第二驱动板和所述飞轮的外部圆周；以及 第二致动器，其用于控制所述第二驱动轮相对于所述第二驱动板上的径向驱动表面位置的径向位置以控制驱动所述第二驱动板和飞轮的驱动比和旋转速度。
11.根据权利要求10所述的飞轮系统，其进一步包含控制系统，所述控制系统用于控制所述第二驱动轮的所述位置以在所要旋转速度下驱动所述第二驱动板和所述飞轮。
12.根据权利要求10所述的飞轮系统，其中所述第二驱动轮以可旋转方式锁定到第二驱动轮轴，同时还可在其上线性地滑动，所述第二致动器控制所述第二驱动轮在所述第二驱动轮轴上的线性位置。
13.根据权利要求10所述的飞轮系统，其中所述第一和第二驱动板位于所述飞轮的相反侧上且与所述飞轮间隔开。
14.根据权利要求13所述的飞轮系统，其中所述第一和第二驱动板的所述驱动表面相对于所述飞轮面向向外，使得所述第一和第二驱动轮在大体上相反的轴向方向上在所述第一和第二驱动板上施加力。
15.根据权利要求14所述的飞轮系统，其进一步包含包围所述飞轮的外壳，所述第一和第二驱动板位于所述外壳的外部。
16.一种用飞轮系统的可变速度驱动器驱动发电机的方法，其包含 将第一可旋转驱动板耦合到可旋转飞轮，所述第一可旋转驱动板围绕旋转轴线定位且具有大体上跨越所述旋转轴线平放的驱动表面； 将第一可旋转驱动轮的外部圆周与所述第一驱动板的所述驱动表面啮合以用于驱动所述第一驱动轮； 将发电机以可旋转方式耦合到所述第一驱动轮；以及 使用第一致动器，控制所述第一驱动轮相对于所述第一驱动板上的径向驱动表面位置的位置以控制所述发电机的驱动比和旋转速度。
17.根据权利要求16所述的方法，其进一步包含用控制系统控制所述第一驱动轮的所述位置以在所述第一驱动板的变化旋转速度下提供所述发电机的恒定旋转速度。
18.根据权利要求16所述的方法，其进一步包含将所述第一驱动轮以可旋转方式锁定到第一驱动轮轴，同时还可在其上线性地滑动，所述第一致动器控制所述第一驱动轮在所述第一驱动轮轴上的线性位置。
19.根据权利要求16所述的方法，其进一步包含提供可旋转动力源； 将第二可旋转驱动轮耦合到所述可旋转动力源； 将第二可旋转驱动板耦合到所述可旋转飞轮，所述第二可旋转驱动板围绕所述旋转轴线定位且具有大体上跨越所述旋转轴线平放的驱动表面，所述第二驱动轮具有用于啮合所述第二驱动板的所述驱动表面以用可旋转方式驱动所述第二驱动板的外部圆周；以及 使用第二致动器，控制所述第二驱动轮相对于所述第二驱动板上的径向驱动表面位置的径向位置以控制驱动所述第二驱动板和所述飞轮的驱动比和旋转速度。
20.根据权利要求19所述的方法，其进一步包含用控制系统控制所述第二驱动轮的所述位置以在所要旋转速度下驱动所述第二驱动板。
21.根据权利要求19所述的方法，其进一步包含将所述第二驱动轮以可旋转方式锁定到第二驱动轮轴，同时还可在其上线性地滑动，所述第二致动器控制所述第二驱动轮在所述第二驱动轮轴上的线性位置。
22.—种用飞轮系统驱动发电机的方法,其包含 将可旋转飞轮安装在水平飞轮轴上且围绕旋转轴线旋转； 通过以下方式用所述飞轮驱动发电机驱动组合件， 将第一可旋转驱动板安装到所述飞轮轴以围绕所述旋转轴线旋转且具有大体上跨越所述旋转轴线平放的驱动表面； 将第一可旋转驱动轮的外部圆周与所述第一驱动板的所述驱动表面啮合以驱动所述第一驱动轮； 将所述发电机以可旋转方式耦合到所述第一驱动轮；以及 使用第一致动器，控制所述第一驱动轮相对于所述第一驱动板上的径向驱动表面位置的位置以控制所述发电机的驱动比和旋转速度。
23.根据权利要求22所述的方法，其进一步包含用控制系统控制所述第一驱动轮的所述位置以在所述第一驱动板的变化旋转速度下提供所述发电机的恒定旋转速度。
24.根据权利要求22所述的方法，其进一步包含将所述第一驱动轮以可旋转方式锁定到第一驱动轮轴，同时还可在其上线性地滑动，所述第一致动器控制所述第一驱动轮在所述第一驱动轮轴上的线性位置。
25.根据权利要求22所述的方法，其进一步包含用驱动组合件将所述飞轮驱动到所要速度，所述驱动包含 提供可旋转动力源； 将第二可旋转驱动轮耦合到所述可旋转动力源； 将第二可旋转驱动板安装到所述飞轮轴以围绕所述旋转轴线旋转且具有大体上跨越所述旋转轴线平放的驱动表面，所述第二驱动轮具有用于啮合所述第二驱动板的所述驱动表面以用可旋转方式驱动所述第二驱动板和所述飞轮的外部圆周；以及 使用第二致动器，控制所述第二驱动轮相对于所述第二驱动板上的径向驱动表面位置的径向位置以控制驱动所述第二驱动板和飞轮的驱动比和旋转速度。
26.根据权利要求25所述的方法，其进一步包含用控制系统控制所述第二驱动轮的所述位置以在所要旋转速度下驱动所述第二驱动板和所述飞轮。
27.根据权利要求25所述的方法，其进一步包含将所述第二驱动轮以可旋转方式锁定到第二驱动轮轴，同时还可在其上线性地滑动，所述第二致动器控制所述第二驱动轮在所述第二驱动轮轴上的线性位置。
28.根据权利要求25所述的方法，其进一步包含将所述第一和第二驱动板定位在所述飞轮的相反侧上且与所述飞轮间隔开。
29.根据权利要求28所述的方法，其进一步包含使所述第一和第二驱动板的所述驱动表面相对于所述飞轮面向向外，使得所述第一和第二驱动轮在大体上相反的轴向方向上在所述第一和第二驱动板上施加力。
30.根据权利要求29所述的方法，其进一步包含将所述飞轮包围在外壳内，所述第一和第二驱动板位于所述外壳的外部。
全文摘要
一种用于飞轮系统的可变速度驱动器可具有第一可旋转驱动板，其用于耦合到可旋转飞轮。所述第一驱动板可围绕旋转轴线定位且具有大体上横向、跨越或横穿所述旋转轴线平放的驱动表面。第一可旋转驱动轮可具有用于啮合且由所述第一驱动板的所述驱动表面驱动的外部圆周。发电机可以可旋转方式耦合到所述第一驱动轮。第一致动器可控制所述第一驱动轮相对于所述第一驱动板上的径向驱动表面位置的位置以控制所述发电机的驱动比和旋转速度。
文档编号F16H15/10GK102906976SQ201180022263
公开日2013年1月30日 申请日期2011年3月4日 优先权日2010年3月8日
发明者佛德瑞克·E·摩根, 克里斯多夫·V·巴隆尼 申请人:佛德瑞克·E·摩根, 克里斯多夫·V·巴隆尼