[发明专利]高速飞轮的密封装置

说明书

技术领域

本发明涉及飞轮，特别涉及用于车辆中的高速飞轮。

背景技术

飞轮典型地包括较重的质量，被设置为绕轴旋转。提供轴承将轴可旋转 地与外壳连接。飞轮在车辆中的使用是已知的，例如用作车辆加速或减速的 辅助设备。还已知的是将飞轮用作电池，从而飞轮的动能被转化为电能。飞 轮的动能与转动惯量以及角速度的平方直接成比例。在车辆中用于能量存储 的飞轮必须实现质量、惯量和转速的最佳平衡。飞轮被制造成旋转的越快， 对于给定存储容量将越小且越轻。

固定式飞轮能够在例如高于100,000转每分钟的高速下运转。然而，由 于某些约束，用在车辆中的飞轮典型地在大约20,000转每分钟或更低的速 度下运转。首先，车辆内的飞轮能够运行的速度受到对车辆运行时引起的振 动的敏感性限制，这会在飞轮支座和轴承上引起显著的应力，从而增加摩擦 和磨损并降低飞轮的效率，此外还构成潜在的安全风险。飞轮对振动的敏感 性能够通过提供具有高固有振动频率的飞轮而被最小化。

由于以上原因，车辆中的飞轮必须遵守严格的安全标准，包括有利的或 至少可控的失效模式的规定。在达到主失效模式时，即在最低转速下发生的 模式时，飞轮和其外壳必须被设计成封闭飞轮部件破碎时产生的所有碎片。

当飞轮失效时，轮毂的破裂发生在裂纹部位，引起飞轮和轴承之间的连 接的刚度损失。结果，飞轮变得不稳定，致使其在轴上振荡。如果振荡不受 限制，则将逐渐变得更大，从而在裂纹部位产生过度应力，并使裂纹变长， 直到发生飞轮的完全失效，即轮缘从轴承脱离。

当飞轮失效时，存储在飞轮中的大量动能迅速消散，并在飞轮外壳内产 生大的瞬时压力。因此必须封闭失效所产生的碎片，这需要大且重的密封装 置。在飞轮失效以及封闭碎片时所遇到的问题通过能量消散所用的短时间量 来减轻。

本发明的目的是为了解决飞轮失效时遇到的问题，特别是为了增加飞轮 能量消散所用的时间。

发明内容

于是，本发明提供如所附权利要求的权利要求1所要求的高惯量飞轮。

本发明的一个优点是，当飞轮失效时，飞轮破裂所用的时间被延长，并 且能量通过更长的时间释放。因此更易于安全地封闭产生的碎片，并可以使 控制系统具有充分的时间来安全地降低失效飞轮的速度。

优选地，环形圈被提供在设置于外壳上的法兰上，使得接触环形圈的表 面位于周界的内表面上。其优点在于，当轮毂在飞轮振荡时接触所述圈时， 表面速度以及由摩擦接触产生的能量远小于接触发生在轮缘的外侧上的表 面速度和能量。

环形圈可设置有向内和/或向外突出的法兰，从而法兰具有与周界端面、 腹板或一些其他基本径向表面极接近的邻接面。在环形圈上提供具有邻接面 的法兰的优点为，当飞轮失效时，飞轮被引起与增加的表面面积接触，因此 引起更大量的摩擦，从而导致飞轮速度下降更大。而且，如果飞轮的失效发 展到轮缘和轴分离或连接的刚度充分恶化的状态，飞轮轮缘的轴向运动被控 制，并且轮缘基本上在其原始位置围绕轴的原始中心线旋转的时间被延长， 从而进一步消散能量。

表面涂层可以被应用到环形圈和/或当飞轮振荡时轮毂与圈接触的部分 上。表面涂层能够被选择例如用于控制减速率或热生成。例如制动衬面的具 有高摩擦系数的涂层将提供高减速率，这在一些应用中是适用的。在其它应 用中，例如类金刚石(DLC)的具有低摩擦系数的涂层将降低减速率并使热 生成最小化。

优选地，轮毂的设计为最大应力位于将轴连接到轮缘的腹板中，导致飞 轮的主失效模式为由于破裂引起的金属轮毂失效。将确保主失效模式为金属 轮毂破裂的特定设计特征能够包括，例如在不同半径处的特定质量分布。当 飞轮旋转时发生在腹板中的应力也受腹板的厚度影响。例如，由于当飞轮旋 转时远离中心的部分的质量有效地拉伸位于中心的部分的影响，基本恒定厚 度的腹板将导致最高应力朝飞轮的中心发生。

飞轮的主失效模式为轮毂的破裂的优点为，当轮毂由于破裂失效并破碎 时，具有相当大强度储备的复合材料轮缘用于封闭产生的碎片。

附图说明

图1是根据本发明的飞轮的侧视图。

图2是图1的飞轮沿着线II-II的剖视图。

图3和图4是图1的飞轮的可替代实施例沿着线II-II的剖视图。

图5和图6分别是图3和4的实施例的局部细节图。

具体实施方式