[发明专利]飞轮组件

说明书

本发明涉及一种飞轮组件，特别涉及用于降低高速飞轮失效过程中所带来的载荷。

飞轮组件的重量希望最小化。这样通常会使该组件易于运输。更特别地，在诸如车辆中的应用之类的移动应用中，重量的降低会变得特别有利。但该组件需要足够牢固以承受高速旋转的飞轮在失效过程中所产生的载荷。

本发明提供一种飞轮组件，其包括外壳、可旋转地安装在该外壳内并具有内圆周表面和外圆周表面的飞轮和从飞轮的内圆周表面径向向内间隔开的内体，其中该飞轮在使用中绕着并相对于该内体旋转，该组件限定了从该飞轮的外圆周表面径向向外间隔开的接合表面，并且该内体与该外壳柔性联接，这样如果该飞轮安装件在一定速度的旋转过程中出现失效而导致飞轮偏移，由偏移的飞轮施加在该内体上的力所导致的联接部挠曲使得该飞轮可以与该接合表面接触。

允许该飞轮与内表面和外表面接触极大地降低了飞轮失效所产生的载荷。

在一些实施例中，该飞轮可以构成马达的转子，同时该内体成为它的定子。

优选地，该内体与该外壳之间的柔性联接部包括柔性聚合材料。可选地，该柔性可以由一个或多个弹簧的布置来提供。

下面将通过实例结合如下所附示意图的方式来描述本发明的实施例：

图1是飞轮组件的解剖透视图；

图2是体现本发明的飞轮组件横向截面；

图3是基于本发明一个实施例的柔性定子安装件的横截面示意图；

图4是基于本发明另一实施例的柔性定子安装件的透视图；

图5是飞轮失效过程中反映径向力和旋进频率与时间关系的曲线图。

图1所示的飞轮组件包括转子1，其由带有磁性的复合材料构成。该转子具有内侧部分和外侧部分(分别是1a和1b)。该内侧部分包含玻璃纤维和磁性微粒，同时外侧部分包含碳丝。这两部分联结在一起。

该转子1与复合端盖2刚性地连接。该端盖安装在轴3上，该轴设置在陶瓷轴承4上。该轴承由外壳或容器5支承。该部件包括支承板5a和圆柱形滚筒5b。

该转子的内侧部分1a构成了马达的永磁元件。该马达还包括通过定子支架7安装在外壳上的定子6。该定子提供电能来驱动和制动该飞轮。该转子在真空腔8内运转，并且该定子是由通过由定子壳10形成的腔9进行循环的油进行油冷却。

该飞轮具有两个主要的失效模式。其中一个是“爆破失效(burst failure)”，该转子的复合外侧部分失效。另一个是“转子无损伤失效(intact rotor failure)”，该转子的复合外侧部分保持完好，但是要么轴承4失效，要么复合端盖2失效。在后一种情况中，该转子不受轴3的限制而高速旋转。所产生的传递到飞轮支架上的振动载荷是相当大的。本发明正是寻求来大大降低这些载荷。

图1所示的飞轮组件中，定子支架7是刚性安装在外壳上的刚性结构。在具体体现本发明的飞轮组件中，该定子与组件外壳柔性联结。在转子无损伤失效的过程中，该转子偏离了它相对于该外壳的正常位置，并且与内部安装的定子的外径接触。这两个部件之间的相互摩擦导致转子开始绕着定子作旋进运动。随着旋进频率的增加，由转子旋进所产生的力也在增大，导致转子内孔及定子的外壳磨损，径向间隙增大。将定子安装在合适设计的柔性支架上使得转子可以在径向上移动，从而使转子的外径接触外壳的内部。

转子和外壳之间产生的摩擦在与由与定子相接触造成的运动相反的方向上产生了旋进运动，从而抑制旋进频率的增大。这样会降低失效过程所产生的径向力。

所产生的力的大小是由柔性支架的刚度、转子外径与外壳内孔的初始间隙、和定子外径与转子内孔的初始间隙决定的。支架的刚度越低，旋进频率越低，从而产生的力越小。应当合理选择刚度以使定子支架的固有频率不会影响飞轮能量存储系统正常运行。为了实现这一目的，适合的径向阻尼可以加入到支架的设计中。

图2示出了飞轮组件的横截面，在该组件中转子无损伤失效已经发生。在转子20逆时针旋转过程中，产生转子与定子24之间的触点22的逆时针旋进，以及转子与环绕的外壳30之间的触点26的顺时针旋进28。

图3示出了使用模制聚合物支架的柔性定子支架32的示例。

定子24位于圆柱形支承体34上。该支承体34通过橡胶安装件38与刚性毂36联接。

该安装件38可以在PDMS(或者另一种可以与例如硅油的用于冷却定子的油相共存的柔性材料)中铸造，并且该安装件与毂36的外圆周表面和支承体34的内圆周表面相联结。

在一个实施例中，橡胶安装件在径向上10mm厚，在纵向上20mm宽。这样的布置可以产生在5mm径向移动下的2500N/mm的径向刚度。