惯性飞轮传动组件及其系统的制作方法

【技术领域】

本发明有关于一种传动组件及其系统，特别指一种具有惯性飞轮的传动组件及其系统，可通过惯性飞轮提高整体能量应用的效率。

背景技术：

本发明提供一种可搭配现有的动力系统、发电系统的惯性飞轮传动组件。举例而言，本发明可应用于现有的发电设备，例如风力发电机、水力发电机、太阳能发电机或回收废物料的再生能源发电装置等常见的驱动装置。

无论是火力、风力发电装置需要持续性地供应动力以产生机械能，然后再将机械能转成电力。申请人有感目前最常见应用于动力系统的传动组件，多会造成动力传输过程中使得能量耗损，此种作业方式以现今节能的观点观之，实在太不经济、不符合现在节约能源的潮流。

本发明将惯性飞轮传动组件与驱动装置搭配的方式，在惯性飞轮传动组件达到一定的转速(可产生一定的惯性力矩)后，降低驱动装置的输出量的方式，改善现有高机械能输出需求造成能量浪费的缺点。

技术实现要素：

有鉴于上述问题，本发明提出一种惯性飞轮传动组件及其系统，可通过惯性飞轮提高整体能量应用的效率。

本发明的惯性飞轮传动组件，包括：至少一惯性飞轮以及至少一传动件。至少一惯性飞轮包括一飞轮本体以及一轴心，轴心穿设飞轮本体，飞轮本体能以轴心转动。至少一传动件与至少一惯性飞轮的轴心连动。飞轮本体为一碟状圆弧体，且飞轮本体具有一第一凸面与第二凸面，第一凸面的切面与第二凸面的切面具有一夹角。

在一实施例中，夹角介于5度至70度。

在一实施例中，夹角介于10度至40度。

在一实施例中，至少一传动件包含第一传动件。至少一惯性飞轮包含第一惯性飞轮跟第二惯性飞轮，第一惯性飞轮通过第一传动件带动第二惯性飞轮。

在一实施例中，第一惯性飞轮跟第二惯性飞轮为同轴或不同轴设置。

在一实施例中，至少一传动件包含第一传动件及第二传动件。至少一惯性飞轮包含第一惯性飞轮、第二惯性飞轮及第三惯性飞轮。第一惯性飞轮分别通过第一传动件、第二传动件带动第二惯性飞轮、第三惯性飞轮。

在一实施例中，第一惯性飞轮、第二惯性飞轮、与第三惯性飞轮为部份或全部同轴或不同轴设置。

在一实施例中，至少一传动件包含多个传动件。至少一惯性飞轮包含多个惯性飞轮，其中惯性飞轮分别通过传动件带动。

在一实施例中，传动件为皮带轮组、链轮组或是齿轮组。

在一实施例中，飞轮本体为一一体成形的金属构件或是由多个片材组合而成。

本发明还提供一种惯性飞轮传动组件系统，包括：至少一驱动装置、如前所述的任一惯性飞轮传动组件、惯性飞轮监控单元以及至少一输出装置。惯性飞轮传动组件与至少一驱动装置相连，至少一输出装置与惯性飞轮传动组件相连。

在一实施例中，至少一驱动装置与惯性飞轮传动组件的至少一惯性飞轮直接连接。

在一实施例中，至少一驱动装置、惯性飞轮传动组件与至少一输出装置可整合成一单一构件。

在一实施例中，至少一输出装置为多个输出装置。

在一实施例中，还包含一电控单元。

在一实施例中，还包括一系统监控单元，监控至少一驱动装置、惯性飞轮传动组件及至少一输出装置的使用状态。

在一实施例中，还包括一紧急中止单元，其中系统监控单元传送一状态异常信号给紧急中止单元，紧急中止单元传送一中止信号给至少一驱动装置或直接中止至少一惯性飞轮传动组件的运作。

在一实施例中，飞轮本体的直径大于飞轮本体的厚度。

在一实施例中，系统还包括多个减震单元。

在一实施例中，系统还包括至少一惯性飞轮监控单元，用以侦测所述惯性飞轮传动组件中的所述至少一惯性飞轮的转速，其中所述驱动装置包括一动力调控单元，用以调控所述驱动装置的输出，其中所述动力调控单元调控所述驱动装置提供一初始输出给所述惯性飞轮传动组件，待所述惯性飞轮传动组件的所述惯性飞轮达到一额定转速，所述惯性飞轮监控单元传送一调整信号给所述动力调控单元，据此所述动力调控单元调整所述驱动装置的输出量。

基于上述，本发明的惯性飞轮传动组件及其系统，可通过惯性飞轮提高整体能量应用的效率。

【附图说明】

图1是本发明惯性飞轮的立体图。

图2是图1的惯性飞轮的剖面示意图。

图3是本发明的惯性飞轮传动组件的其一实施例的示意图。

图4是本发明的惯性飞轮传动组件的又一实施例的示意图。

图5是本发明的惯性飞轮传动组件的系统的架构示意图。

图6是图5的系统的其一实施例的示意图。

图7是图5的系统的又一实施例的示意图。

图8是图5的系统的再一实施例的示意图。

图9是图5的系统的又一实施例的示意图。

附图标号：

1：惯性飞轮传动组件；111a：飞轮本体；113a：轴心；11a：第一惯性飞轮；11b：第二惯性飞轮；11c：第三惯性飞轮；13a：第一传动件；13b：第二传动件；113a：第一轴心；113b：第二轴心；2：惯性飞轮传动组件系统；21：驱动装置；23：惯性飞轮传动组件；231：第一惯性飞轮；232：第二惯性飞轮；25：输出装置；27：惯性飞轮监控单元；29：电控单元；θ：夹角；a：第一凸面；b：第二凸面；l1：直径；d1：厚度。

【具体实施方式】

以下结合附图来详细说明本发明的具体实施方式。在本说明书及后续的申请专利范围中，“连接”一词包含任何直接及间接的连接手段，此外连接方式非本新型的技术要点，故不特别详述。为了便于理解，本发明的相同、相似元件或装置皆使用同样的元件符号。此外，为了维持图面的简洁，图面已省略部份已知构件，例如轴承都不特别绘制于图面，但应不影响到本领域的通常知识者对于本发明的核心概念理解。

本实施例揭示一种惯性飞轮传动组件，此惯性飞轮传动组件可搭配既有的动力装置、发电装置使用，通过惯性飞轮传动组件启动后可维持一固定惯性的特性，以及获得一稳定的质动量，可大幅的减少整体动力的供给。本实施例的惯性飞轮传动组件包含至少一惯性飞轮及至少一传动件。其惯性飞轮及传动件的数量可依据需求而有所调整。以下将依序介绍可能的实施态样。

首先，先针对惯性飞轮传动组件的惯性飞轮进行介绍，请先一并参考图1及图2，图1是本发明的惯性飞轮的立体图。图2是图1的惯性飞轮的剖面示意图。本实施例的惯性飞轮11a包括一飞轮本体111a以及一轴心113a。轴心113a穿设飞轮本体111a，飞轮本体111a得以以轴心113a转动。若此惯性飞轮11a欲搭配一个传动件时，传动件可连结轴心113a，并被轴心113a连动后将机械能传出。

进一步而言，本实施例的飞轮本体111a为一碟状圆弧体，其中央部分鼓起、周围部分较为扁平。例如，飞轮本体111a的厚度可为由圆心渐次往圆周方向递减。飞轮本体111a的直径l1大于其厚度d1，且表面呈现流线型。此外，飞轮本体可为一一体成形的金属构件或是由多个片材组合而成，且为了达到较佳的效果，可挑选质量比重较大的金属制作。一般而言，传统的惯性飞轮的设计上与本发明恰好相反，质量分布上为外围较厚重，中央浅薄，或部份/局部镂空的设计；相较传统的设计，本发明的惯性飞轮设计的惯性质量较大。

本实施例的飞轮本体具有一第一凸面a与第二凸面b，第一凸面a的切面与第二凸面b的切面(图面以虚线示意)具有一夹角θ。其中，且夹角θ介于5度至70度，但不以此为限。较佳地，夹角θ介于10度至40度。申请人设计实验试验时，所制造的飞轮本体111a直径为74公分，重量为220公斤，但可依据不同的需求调整飞轮的大小、材质以及重量。

接着，请参考图3，是本发明的惯性飞轮传动组件的其一实施例的示意图。本实施例例示了两个惯性飞轮搭配一传动件的情况。

本实施例的惯性飞轮传动组件1包括至少一传动件以及至少一惯性飞轮。进一步而言，至少一惯性飞轮包含第一惯性飞轮11a跟一第二惯性飞轮11b。本实施例的传动件为第一传动件13a，且第一惯性飞轮11a通过第一传动件13a带动第二惯性飞轮11b。此处的第一传动件13a例如可为皮带轮组、链轮组、齿轮组或是其他的等效可传递机械能的构件。

实际运用的时候，可通过一马达带动第一惯性飞轮11a的第一轴心113a，使第一惯性飞轮11a克服初始的静止摩擦力后开始转动。其中，为了灵活的调整马达的转速，本实施例的马达可以搭配电子式或者机械式的变速器使用。同时，第一轴心113a也可带动传动件13a开始运动。因传动件13a可使得第一轴心113a与第二轴心113b连动，故第二惯性飞轮11b克服初始的摩擦力后也会开始转动。

须特别注意的是，本实施例的第一惯性飞轮11a跟第二惯性飞轮11b虽为不同轴设置的实施态样，但也可有其他实施态样采用同轴设置的配置，不应此实施态样为限制。

本实施例的第二惯性飞轮11b与前述实施例的第一惯性飞轮11a的构造相似，故不将再次针对其细部特征进行限定。

请参考图4，是本发明之惯性飞轮传动组件的又一实施例的示意图。本实施例例示了三个惯性飞轮搭配两个传动件的情况。

本实施例的惯性飞轮传动组件1的至少一惯性飞轮包含第一惯性飞轮11a、一第二惯性飞轮11b以及第三惯性飞轮11c，并搭配第一传动件13a以及第二传动件13b。相似地，第一惯性飞轮11a通过第一传动件13a带动第二惯性飞轮11b，且第一惯性飞轮11a还可通过第二传动件13b带动第三惯性飞轮11c。然而，在其他实施态样中，第三惯性飞轮也可通过第二传动件被第二惯性飞轮带动。也即，第一惯性飞轮带动第二惯性飞轮，而第二惯性飞轮则带动第三惯性飞轮。

须特别注意的是，本实施例的第一惯性飞轮11a跟第二惯性飞轮11b、第三惯性飞轮11c虽为不同轴设置的实施态样，但也可有其他实施态样采用部份同轴、全部同轴、部份异轴设置的配置，不应此实施态样为限制。此外，第一惯性飞轮11a的质量可设置地较第二惯性飞轮11b、第三惯性飞轮11c大，第一惯性飞轮11a的质惯量较其他惯性飞轮大的情况下，较易带动质惯量较小的第二惯性飞轮11b、第三惯性飞轮11c。

此处的本实施例的第三惯性飞轮11c与前述实施例的第一惯性飞轮11a、第二惯性飞轮11b的构造相似，且第二传动件13b与前述的第一传动件13a相似，故皆不再次针对其细部特征进行限定。

补充说明的是，虽然图1至图4例示了一至三个惯性飞轮的应用例示，但本发明并不限定只能搭配三个惯性飞轮使用。使用者可以依据不同的需求搭配多个传动件以及多个惯性飞轮。相似地，所述惯性飞轮分别通过所述传动件带动。

接着，请一并参考图5及图6，图5为本发明的惯性飞轮传动组件2的系统的架构示意图。图6是图5的系统的其一实施例的示意图。以下将会开始叙述惯性飞轮传动组件应用于一系统中的情况。

本实施例为一种具有惯性飞轮传动组件系统2，包括至少一驱动装置21、惯性飞轮传动组件23以及至少一输出装置25。

此处的驱动装置21可为马达或者是任一可以提供惯性飞轮传动组件23机械能的驱动装置。在本发明一实施例中，驱动装置21还可包括一动力调控单元(图未绘出)，用以调控驱动装置21的输出。动力调控单元并非本发明的必要构件，也非本发明权利范围的限制。

此处的惯性飞轮传动组件23，可应用前述任一实施例的惯性飞轮传动组件，但不以前述实施例为限制。惯性飞轮传动组件23可与驱动装置21相连，驱动装置21可带动惯性飞轮传动组件23的惯性飞轮转动。图6例示的有一个惯性飞轮的惯性飞轮传动组件23，但不以一个惯性飞轮为限制。图面虽示意了驱动装置21与输出装置25分别设置于惯性飞轮传动组件23的两侧的技术，但也可有一实施态样可将驱动装置21与输出装置25设至于惯性飞轮传动组件23同一侧，此种设置方式的优点在于所需的配置空间较小(动装置21与输出装置25共用同一侧的空间)，可应用于一些精简或是小型的系统之中。

特别说明的是，本发明可依据负载所需，而设计适当的驱动装置21，而惯性飞轮传动组件23、驱动装置21及输出装置25采用相同或者为不同的传动轮径(此处的轮径可依据不同的传动件指称不同的对象，例如若为皮带轮组则为皮带轮的轮径)，使用者可通过传动轮径的比例来调整惯性飞轮传动组件23、驱动装置21及输出装置25的相互的相对转动速度。以传动件为皮带轮组为例，可令驱动装置侧的皮带轮的轮径为惯性飞轮侧的皮带轮的轮径的一半，使得两者的转速呈现倍数关系(驱动装置的转动速度快于惯性飞轮的转动速度)。但不以此比例关系为限制。

在本发明一实施例中，惯性飞轮传动组件系统2也可包括一惯性飞轮监控单元27，用以侦测所述惯性飞轮传动组件23中的至少一惯性飞轮的转速。惯性飞轮监控单元27例如可为一个接触式或感应式转速计。至少一输出装置25，与惯性飞轮传动组件23相连。输出装置25可为发电机等。在一实施态样中，惯性飞轮组件23直接耦接到其他的电子装置使用或者搭配一电池将产生的电能储存或输出。本实施例是以一个惯性飞轮搭配两个输出装置25为例，但不以此为限制。惯性飞轮监控单元27并非本发明的必要构件，也非本发明权利范围的限制。

以直径74公分重量240公斤的惯性飞轮为例，当转速到达1800rpm的时候可以产生约9kw的功率。或者，当转速到达2400rpm则可产生约17kw的功率。或者，当转速为1200rpm时则可产生约4kw的功率。

此外，在图6的实施例中，还包含一电控单元29，本实施例以整流单元为例，但于其他实施例中以可依据需求调整为整压单元、整压单元、变压单元、整压/整流单元、变压/变流单元等。电控单元29可将接收到的电能提供给系统本身使用，也可传送至外部的装置，外部的装置将会储存此电能、直接使用或者外部装置即为电网。

实际操作的时候，动力调控单元(图未绘出)调控驱动装置21提供一初始输出给惯性飞轮传动组件23。此处的初始输出将会依据惯性飞轮传动组件23的惯性飞轮数量、惯性飞轮的重量以及设计有所调整，初始输出将能克服惯性飞轮传动组件23的启动的静摩擦力(整个系统组件里的总合静摩擦力)，并使得惯性飞轮传动组件23的所述惯性飞轮开始转动。然而，除了惯性飞轮传动组件23的启动的静摩擦力以外，系统中还有其他的摩擦力存在，例如轴承摩擦力、轴心摩擦力等等，但这些系统中存在的摩擦力并非本发明着重的要点且为本领域之通常知识者可轻易思及，故不特别赘述。

惯性飞轮监控单元27将会持续地监控惯性飞轮传动组件23，待惯性飞轮传动组件23的惯性飞轮达到一额定转速，惯性飞轮监控单元27将会传送一调整信号给动力调控单元(图未绘出)，据此动力调控单元(图未绘出)调整输出量。调整后的输出量将会低于初始输出量，因初始输出量需要克服惯性飞轮传动组件23的静摩擦力，待惯性飞轮传动组件23启动后，仅须提供一较低输出量克服其动摩擦力，也即其输出量调整至可维持系统运转的程度即可。惯性飞轮监控单元27并非本发明的必要构件，也非本发明权利范围的限制。

相较现有的动力装置，本发明的惯性飞轮传动组件系统2仅须在初始阶段提供较大的能量以启动惯性飞轮传动组件23，待惯性飞轮传动组件23可持续地通过惯性转动后，驱动装置21可将能量输出调降，维持在可保持惯性飞轮传动组件23的惯性飞轮可持续转动的程度即可。通过此种作法，本发明的系统整体的能量耗损将会较现有的动力系统低，较为节能，且符合现今世界能源应用趋势。

举例来说，若将本发明应用于现有的太阳能发电系统中，则驱动装置即为光伏太阳能板、马达以及稳压整流器的组合。光伏太阳能板将会通过稳压整流器将电流汇入电池，提供给马达，让马达带动惯性飞轮，以提供后续的输出装置(发电机组系统)。当惯性飞轮达到额定转速以后，即可降低光伏太阳能板的电流供给，此时这些所获得的电流可通过电池储存。或者，这些所获得的电流也可供应负载使用或输往电网。也即，本发明产生的电力也可通过电池储存、直接供应负载使用或直接输往电网。

若将本发明应用于现有的水力发电系统之中，驱动装置即为水力发电系统中的涡轮机。而若是应用于风力发电系统时，驱动装置即为风机。若是应用于回收废物料的再生能源发电装置，则驱动装置即为内燃机。以上皆为举例，不应以这些例子限制本发明的应用。

此外，本发明的其一实施态样，系统还包括一系统监控单元，监控至少一驱动装置、惯性飞轮传动组件及至少一输出装置的运作状态。设置系统监控单元的目的在于，避免所述惯性飞轮传动组件因为惯性力矩抖动或是异常，使得惯性飞轮失速、或是脱落产生意外。

例如，系统监控单元可与惯性飞轮监控单元27相连接，监控系统中的各个惯性飞轮的转速。除了系统中的各个惯性飞轮的转速，也可有一实施态样的监控单元可监控系统中的全部或部份旋转件的转速。或者一系统监控单元可为一感测单元，监控各个惯性飞轮的轴心振动状况、整体的振动状况。或者系统监控单元可与输出装置电性连接，以监控系统整体的运作状态、电力及输出量。

此外，此处的系统监控单元可远端操控，例如可通过无线网路、蓝芽或者红外线的方式进行监控。在一实施态样中，多个系统的系统监控单元可搭配一监控中心，不同系统的系统监控单元将会统一将监测的状况回报给监控中心。

且为了搭配上述的系统监控单元，本发明的系统还包括一紧急中止单元。当系统监控单元监控到异常状态时，系统监控单元会通知紧急中止单元停止整体的运作。

详细而言，当系统监控单元监控的过程侦测到，惯性飞轮的转速过快、惯性飞轮的轴心不正常的振动、惯性飞轮的本体不正常的振动、惯性飞轮的轴心脱落或偏移、系统装置设置的平面振动频率过大或者输出装置的输出量增大速度过快、或慢或是速度不稳等异常情况，系统监控单元传送一状态异常信号给紧急中止单元，紧急中止单元将会传送一中止信号给至少一驱动装置或直接中止所述至少一惯性飞轮传动组件的运作，强迫系统停俥，以避免意外的发生。系统停俥后，再由工程人员进一步检视、修护。

补充说明的是，系统还可包括多个减震单元(图未示出)，一者可以减少系统整体振动导致轴心偏移、卡合偏移的问题，再者所述减震单元也可以降低无谓的能量耗损，提高整体能量的效率。减震单元可设置于惯性飞轮传动组件或者设置于系统的外壳体、机架等任何可以减少、吸收振动的位置。此外，减震单元也可进一步防范地震对系统造成的损伤。

接着，请参考图7，是图5的系统的又一实施例的示意图。与前述实施例相似地，本实施例的惯性飞轮传动组件系统2，包括至少一驱动装置21、惯性飞轮传动组件23、惯性飞轮监控单元(图未绘出)以及至少一输出装置25。其中本实施例的至少一输出装置25为一个无刷发电机，但不以此为限制。

与前述实施例不同处在于，本实施例的惯性飞轮传动组件23具有两个惯性飞轮，两个惯性飞轮分别设置于左右两侧。为了方便理解，此处的两个惯性飞轮分别称之为第一惯性飞轮231以及第二惯性飞轮232。本实施例还包括一反向机构26，反向机构26内部有多个齿轮。驱动装置21带动反向机构26，反向机构26内部的齿轮将会分别耦接第一惯性飞轮231以及第二惯性飞轮232，并带动第一惯性飞轮231以及第二惯性飞轮232转动，其中第一惯性飞轮231与第二惯性飞轮232的转动方向相反。接着，第一惯性飞轮231与第二惯性飞轮232将会分别与无刷发电机(输出装置25)的磁转子以及电枢转子连接(此无刷发电机并无设置定子)，据此使得无刷发电机(输出装置25)的磁转子与电枢转子分别相对地反向转动。相较于现有的发电机可切割更大量的磁力线，增加电能的产出。其中磁转子与电枢转子相对反向转动的额外好处在于，其较一般发电机具有相对更高的转速，故可提供较多的电力。

其余元件的关系、元件的设置与前述实施例相似，将不再赘述。

接着，请参考图8，图8是图5的系统的再一实施例的示意图。与前述两个实施例相似地，本实施例的惯性飞轮传动组件系统2，包括至少一驱动装置21、惯性飞轮传动组件23、惯性飞轮监控单元(图未绘出)以及至少一输出装置25。

与前述实施例不同处在于，本实施例的惯性飞轮传动组件23具有三个惯性飞轮，且三个惯性飞轮皆不同轴设置。且其中两个惯性飞轮可各搭配两个输出装置。换言之，本发明的输出装置的数量可不仅一个，也依据需求搭配多个输出装置。

与前述实施例相似地，所述多个输出装置25可与电控单元(图未示出)相连接，再通过电控单元将额外的电力储存在电瓶之中、或通过电控单元将接收到的电能提供给系统本身使用或传送至外部的装置，让外部的装置直接使用或者外部装置即为电网。

最后，请参考图9，是图5的系统的又一实施例的示意图。与前述实施态样不同处在于，本发明的至少一驱动装置21与惯性飞轮传动组件23的至少一所述至少一惯性飞轮直接连接。本实施例仅以一个惯性飞轮为例，但不以此为限制。此外，至少一驱动装置21、惯性飞轮传动组件23与至少一输出装置25可整合成一单一构件(共构)。此外，此单一构件内还包括：电控单元29以及一电瓶。输出装置25与电控单元29相连接，电控单元29再将额外的电力储存在电瓶之中。储存在电瓶的电力可配置插座提供给其他外接电器或者直接提供给驱动装置21使用。驱动装置21除了可以提供惯性飞轮传动组件23所需的机械能外，也可提供外部一机械能。此种设计的优点是，可将整合成单一构件(共构)的系统视为一个模块与其他既有的模块搭配使用，使得使用者在应用上更为简单方便。

综上所述，本发明将惯性飞轮传动组件与驱动装置搭配的方式，在惯性飞轮传动组件达到一定的转速(可产生一定的惯性力矩)后，可大幅地降低驱动装置的机械能输出量的方式，改善现有技术需要维持驱动装置高输出量(高机械能)造成能量浪费的缺点，实已可达到提高发电效率的目的。

本发明的通过将惯性飞轮传动组件的惯性飞轮的飞轮本体设计为碟状圆弧体，迥异于传统外缘厚重中心浅薄或部份镂空的惯性飞轮设计，其甚具有新颖性。且通过此设计，也可得到相较传统惯性飞轮更高的运作效率以及质动量，具有非预期的功效，因此当然具有进步性。此外，本发明的系统以及惯性飞轮传动组件皆以实际测试以及试做，其运作效率以及各元件的搭配皆已证实，且足以作为商业运作的规模，足兹证明具有产业利用性。

据此，本发明人认为本发明已符合专利法所规定的申请要件，因此爰依法提出申请，敬请审查委员审查后尽速给予核准，以裨尽早投产实施，以利用本发明为日益暖化的地球环境贡献棉薄之力，是所至盼。

以上所述仅是本发明的优选实施方式。本发明的范围并不以上述实施方式为限。举凡熟习本领域技术人员援依本发明的精神所作的等效修饰或变化，皆应包含在权利要求内。