本申請涉及一種飛輪系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

通常已知許多飛輪系統(tǒng)至少包括飛輪和驅(qū)動器/發(fā)電機配置。對于通常的應(yīng)用，例如，為了節(jié)約車輛等的能源，在本技術(shù)領(lǐng)域已存在提供日益緊湊且更小的飛輪系統(tǒng)的趨向。

盡管在本技術(shù)領(lǐng)域中有這種趨向，然而，特別地對于靜止配置，仍然期望在長時間期間儲存能量的有效的方式。在認(rèn)為是與本申請更相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)域中已經(jīng)完全忽略飛輪系統(tǒng)的潛能。

本申請旨在基于對能量的設(shè)想的高容量和高能量儲存具有適合尺寸的飛輪，提供一種在長時間期間具體以機械方式儲能的高效系統(tǒng)。

在此承認(rèn)的是，US-2003/192449公開了一種具有輻條構(gòu)造的大環(huán)形飛輪，輻條構(gòu)造的輻條在旋轉(zhuǎn)軸與環(huán)形飛輪之間形成連接元件。US-2011/120455公開了一種盤形飛輪，該盤形飛輪直接抵接旋轉(zhuǎn)軸，WO-03/017449公開了一種由許多板構(gòu)造成的飛輪，該許多板各自旋轉(zhuǎn)地連接至轂，該轂具有上壁和下壁，上壁和下壁圍繞用于板的空間并具有產(chǎn)生升力的翼型輪廓。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本申請的實施例提供一種飛輪系統(tǒng)，該飛輪系統(tǒng)包括：旋轉(zhuǎn)軸；環(huán)形的飛輪轉(zhuǎn)子；至少一個連接元件，所述至少一個連接元件將所述環(huán)形的飛輪轉(zhuǎn)子連接至所述旋轉(zhuǎn)軸；驅(qū)動器和/或電力發(fā)電機，所述驅(qū)動器和/或電力發(fā)電機連接至所述飛輪轉(zhuǎn)子；其中，所述飛輪轉(zhuǎn)子在徑向方向上具有外部半徑并且在軸向方向上具有厚度，所述外部半徑至少為0.85米，優(yōu)選地，至少為1米，并且更優(yōu)選地，至少為1.30米，所述厚度至少為0.30米，優(yōu)選地，至少為0.45米，并且更優(yōu)選地，至少為0.60米，所述飛輪轉(zhuǎn)子還有下述的重量，所述重量至少為2.5噸，優(yōu)選地，至少為4噸，并且更優(yōu)選地，至少為5噸。所述厚度可以在特定實施例中指直立定向或橫臥定向的軸的長度，或者在其他實施例中照字面地指飛輪轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)軸延伸的方向上的厚度。這些尺寸僅是尤其飛輪和飛輪系統(tǒng)的相對巨大尺寸的示例，根據(jù)這些尺寸，可儲存于其中的能量的相關(guān)增量變得充分清楚。大小和重量方面的這些尺寸與朝小型化的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的趨勢形成強烈對比。盡管如此，可以由此實現(xiàn)相當(dāng)高的效率，因而可以出乎意料地獲得高效率的系統(tǒng)。

根據(jù)本申請，除了以上討論的現(xiàn)有技術(shù)，所述至少一個連接元件是盤形的，并且布置于所述環(huán)形的飛輪轉(zhuǎn)子的第一軸向端部上或布置成抵靠所述環(huán)形的飛輪轉(zhuǎn)子的第一軸向端部以連接所述環(huán)形的飛輪和所述旋轉(zhuǎn)軸，其中，所述盤形的連接元件經(jīng)由過盈配合連接而連接至所述旋轉(zhuǎn)軸。

本申請的實施例呈現(xiàn)出可以在其中儲存大量能量的獨特優(yōu)點和發(fā)明效果。這些根本上更大的飛輪的尺寸允許相關(guān)更高的能量可以儲存于其中，直到其有效使用達到為止。

在特定實施例中，飛輪系統(tǒng)使得：飛輪轉(zhuǎn)子可以是環(huán)形的并且可以在徑向方向上具有至少0.75米，優(yōu)選地至少1米，并且更優(yōu)選地至少1.10米的內(nèi)部半徑。

例如，具有適當(dāng)組合的如以上提及的尺寸的飛輪系統(tǒng)可以使得：在所述飛輪系統(tǒng)的使用中，所述驅(qū)動器和/或所述電力發(fā)電機布置成使所述飛輪能夠以至少600轉(zhuǎn)/分至1800轉(zhuǎn)/分之間的速度旋轉(zhuǎn)，優(yōu)選地，所述速度在1000轉(zhuǎn)/分以上或至少為1400轉(zhuǎn)/分，并且更優(yōu)選地，所述速度至多為大約1800轉(zhuǎn)/分。更具體地，應(yīng)注意到的是，通過與提及的旋轉(zhuǎn)速度結(jié)合但不一定與空氣懸浮結(jié)合的這些尺寸，可以獲得能夠?qū)p耗限制到例如每小時至多7.5％的效率。即是說，系統(tǒng)可以呈現(xiàn)每小時損耗小于輸入至飛輪的能量的量的7.5％的非常低損耗。任何本領(lǐng)域讀者將認(rèn)識到：這些結(jié)果至少令人驚訝，并指示本申請的這些實施例的優(yōu)點和/或發(fā)明效果。

如以上指示的，飛輪系統(tǒng)呈現(xiàn)出以下的特征：飛輪轉(zhuǎn)子是環(huán)形的。在以空氣懸浮為基礎(chǔ)的非限制實施例中，飛輪轉(zhuǎn)子可以包括作為封閉元件的盤形元件，該盤形元件將外周緣上的高質(zhì)量環(huán)和中心處的旋轉(zhuǎn)軸連接。特別對于相對于已知的飛輪具有增大尺寸的飛輪而言，所述特征有助于改善空氣懸浮。此外，盤形元件在整個軸和/或轂上均勻地分配由離心力引起的張力。

同樣在未以空氣懸浮為基礎(chǔ)的實施例中，封閉元件可以呈現(xiàn)以下的優(yōu)點和/或發(fā)明效果：高質(zhì)量飛輪轉(zhuǎn)子可以以非常高的旋轉(zhuǎn)速度繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，其中，飛輪轉(zhuǎn)子的外周緣可以以接近聲速的絕對速度移動。通過封閉元件或者甚至更具體的盤形元件的使用，可以在飛輪轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)軸之間設(shè)置堅固連接，該堅固連接可以設(shè)計成在所有徑向方向上均勻地承受由飛輪環(huán)產(chǎn)生的張力和/或拉力以及作用于封閉元件或甚至盤形元件的離心力。

要注意的是，本申請的實施例基于空氣懸浮，而其他的卻不是。例如，可以認(rèn)為實施例在圍繞飛輪的某處具有大氣壓力，但由于之后可能施加于飛輪上的空氣阻力，認(rèn)為該實施例不太吸引人。因此，優(yōu)選地(但不排外地)，具有空氣懸浮的實施例基于在飛輪處(優(yōu)選地，在飛輪下方)產(chǎn)生氣墊，該氣墊具有比圍繞飛輪的其他容積更高的壓力，但該壓力相對于大氣層仍處于相當(dāng)減小的壓力。在不基于空氣懸浮的實施例中，優(yōu)選地，飛輪處的整個周圍容積在沒有允許空氣懸浮的任何隔室的情況下處于相當(dāng)減小的壓力下，但優(yōu)選地，處于盡可能地均勻真空下。

此外，飛輪系統(tǒng)可以呈現(xiàn)出以下的替代性或附加的特征：支撐環(huán)形飛輪的封閉元件或連接元件足夠地柔性以承受離心力，而不呈現(xiàn)永久的變形。取決于封閉元件或連接元件的特定實施例，彎曲可被證明是不可避免的。然而，通過該特定特征，可以以可靠的方式調(diào)節(jié)作為整體的連接元件和飛輪的彎曲。同樣，封閉元件或連接元件上的伸展或拉伸可以導(dǎo)致可控程度的徑向延伸，而仍無永久變形發(fā)生。

在本申請的實施例中，具有環(huán)形飛輪轉(zhuǎn)子的飛輪系統(tǒng)可以呈現(xiàn)出以下特征：在環(huán)形飛輪轉(zhuǎn)子的第一軸向端部與旋轉(zhuǎn)軸之間布置至少一個連接元件。附加地或替代性地，可以在飛輪轉(zhuǎn)子的軸向相反的軸向端部與旋轉(zhuǎn)軸之間布置至少一個附加的連接元件。這種連接元件或附加的連接元件可以有效地減小徑向載荷、變形和膨脹以及環(huán)形飛輪轉(zhuǎn)子上的側(cè)向力或環(huán)形飛輪轉(zhuǎn)子的側(cè)向力。這些連接元件可以在特定實施例中(這里不進一步闡述)相對于環(huán)形飛輪轉(zhuǎn)子的厚度在軸向中心位置處由盤形蓋元件、輪輻或盤形成。然而，附加地或替代性地，根據(jù)本申請的飛輪系統(tǒng)可以使得：連接元件和附加的連接元件中的至少一個是盤形的，并且優(yōu)選地，布置于環(huán)形飛輪轉(zhuǎn)子的軸向端部上或布置成抵靠環(huán)形飛輪轉(zhuǎn)子的軸向端部。在具有空氣懸浮的實施例(本申請不限于該實施例)中，該盤形的連接元件可以與前述的封閉元件相比較并且用于環(huán)形飛輪轉(zhuǎn)子的內(nèi)部空間的封閉，以加強用于重的飛輪轉(zhuǎn)子的氣力提升或空氣懸浮所需的真空或壓差。此外，在與例如1.3米的半徑對應(yīng)的外圓周處，并且在圍繞前述的飛輪轉(zhuǎn)子的外圓周的所有徑向位置處，甚至在非常高的速度下(例如，在一些實施例中，該速度(例如1800轉(zhuǎn)/分)可以接近聲速)，即使在任何空氣懸浮的環(huán)境的外部，盤形的連接元件可以一致地繞飛輪轉(zhuǎn)子的圓周固定至環(huán)形飛輪轉(zhuǎn)子以產(chǎn)生非常強固和可靠的連接和裝配，該連接和裝配能夠減小或甚至消除盤形飛輪轉(zhuǎn)子的膨脹和/或變形和/或作用于其上的側(cè)向力。

如以上指示的，盤形的連接元件或封閉元件可以是柔性的以支撐環(huán)形飛輪轉(zhuǎn)子。具體地，在本申請的具有軸向相反的盤形的連接元件的實施例中，生成的組件的剛度通過軸向相反的盤形的連接元件的所述復(fù)制被提高。

在具有盤形的連接元件或附加的連接元件的實施例中，連接元件可以在旋轉(zhuǎn)軸處比在環(huán)形飛輪轉(zhuǎn)子處更厚。所述厚度在軸向方向上。該厚度相關(guān)特征可以提供期望程度的柔性。除此之外，盤形的連接元件和/或附加的連接元件的剛度取決于其厚度。厚度從旋轉(zhuǎn)軸(或轂)沿徑向方向的減小的相關(guān)特征允許在環(huán)形飛輪轉(zhuǎn)子與一個或兩個盤形的連接元件之間建立載荷、張力、離心力、膨脹和變形的最佳分布。這導(dǎo)致環(huán)形飛輪轉(zhuǎn)子和一個或兩個盤形的連接元件的組件的恒定載荷，而沒有突然的載荷變化，因而可以本質(zhì)上避免或消除疲勞相關(guān)現(xiàn)象。例如，一個或兩個盤形的連接元件在旋轉(zhuǎn)軸處的厚度在13mm以上，優(yōu)選地，在16mm以上，更優(yōu)選地，在18mm以上并且最優(yōu)選地，為大約20mm。此外，作為示例，環(huán)形飛輪轉(zhuǎn)子處的厚度小于19mm，優(yōu)選地，小于17mm，更優(yōu)選地，小于15mm并且最優(yōu)選地，為大約12mm。這些尺寸與以下描述的特定實施例的很大程度和/或如關(guān)于飛輪轉(zhuǎn)子的半徑、厚度和環(huán)形在以上限定和描述的構(gòu)型對應(yīng)，但是可以適于任何替代性的構(gòu)型。替代性地，關(guān)于連接元件和/或環(huán)形飛輪轉(zhuǎn)子中的一個或關(guān)于其他形式的轉(zhuǎn)子的任何其他特征可以促進期望程度的變形，以允許環(huán)由高旋轉(zhuǎn)速度下的高離心力引起的膨脹。

本申請的具有至少一個優(yōu)選的盤形的連接元件的實施例可以替代性地或除了以上討論的特征以外，使得：轂設(shè)置在旋轉(zhuǎn)軸上或形成旋轉(zhuǎn)軸的一部分，至少一個連接元件連接至該轂并且從該轂延伸至環(huán)形飛輪轉(zhuǎn)子。轂可以提供至少一個連接元件到旋轉(zhuǎn)軸的最可靠和旋轉(zhuǎn)對稱的附接。所述實施例可以使得：至少一個連接元件經(jīng)由過盈配合連接而連接至轂。附加地或替代性地，該至少一個連接元件被預(yù)加應(yīng)力與轂為連接。如果連接元件和附加的連接元件中的至少一個極其剛性，則過度的徑向張力和作用力可能出現(xiàn)。同樣地，如果連接元件和附加的連接元件中的至少一個的附接極其剛性，這導(dǎo)致環(huán)形飛輪轉(zhuǎn)子和/或連接元件中的過度的徑向力和應(yīng)力或張力。然而，轂處的過度柔性的連接或附接會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)期間的不穩(wěn)定性，特別地如果連接元件出現(xiàn)從轂松開，則最輕微的不平衡可以導(dǎo)致飛輪轉(zhuǎn)子的極其放大的偏心旋轉(zhuǎn)，并伴隨著巨大的徑向力。可以有效地采用至少一個連接元件的過盈配合連接和/或預(yù)加應(yīng)力以避免或甚至消除這些問題。在沒有焊接或螺栓和/或其他常規(guī)的引發(fā)應(yīng)力可能性的情況下，盤形的連接元件可以主要但并不排外地由于過盈配合連接而膨脹，同時，主要但并不排外地由于盤形的連接元件和/或附加的盤形的連接元件中的預(yù)加應(yīng)力或盤形的連接元件和/或附加的盤形的連接元件的預(yù)加應(yīng)力，至少一個優(yōu)選的盤形的連接元件的任何膨脹不會導(dǎo)致相對于轂的任何游隙或運動自由度。面對轂與連接元件之間的連接的預(yù)加應(yīng)力的效果，不言而喻的是，用于預(yù)加應(yīng)力特征的任何適當(dāng)設(shè)計的替代性構(gòu)型可能導(dǎo)致實現(xiàn)相同的效果。例如，彈簧元件可以繞轂的圓周在轂與有時盤形的連接元件中的中心孔的內(nèi)緣之間均勻地分布，以補償連接元件的直徑的任何增加并且更具體地補償用于在其中容置轂的中心通道的直徑的任何增加。在本申請和/或本發(fā)明的上下文內(nèi)，另外的替代性實施例也是可能的。

此外，飛輪系統(tǒng)可以呈現(xiàn)出以下替代性的或附加的特征：氣環(huán)包括同心的環(huán)元件，并且排氣裝置在每對相鄰的同心的環(huán)元件之間包括至少一個排氣連接件，所述至少一個排氣連接件與排氣機連接，所述排氣機諸如為泵。因此，產(chǎn)生了單獨的排氣階段，由此可以在由氣環(huán)限定的空間中產(chǎn)生用于使飛輪在氣環(huán)上空氣懸浮的最佳環(huán)境。在該實施例中，可以設(shè)置另一個特征：除了在與所述至少一個排氣連接件關(guān)聯(lián)的至少一個位置上以外，在所述同心的環(huán)元件之間布置填充件，其中，所述填充元件能夠呈現(xiàn)出其上邊緣的朝排氣連接件向下并朝所述同心的環(huán)元件的上部區(qū)域向上的曲率。因此，可以使從同心的環(huán)元件內(nèi)排出空氣的空間的大小減到最小。

此外，飛輪系統(tǒng)可以呈現(xiàn)出以下的替代性的或附加的特征：所述氣環(huán)或所述同心的環(huán)元件中的至少一個包括頂部段，所述頂部段限定出至少兩個突起和中間凹部，所述至少兩個突起朝向所述飛輪延伸，所述中間凹部在所述突起之間相對于所述突起處于從所述飛輪縮回的位置。因此，可以產(chǎn)生氣穴以提高飛輪在氣環(huán)上或上方或在同心的環(huán)元件上或上方的空氣懸浮。

此外，飛輪系統(tǒng)可以呈現(xiàn)出以下的替代性的或附加的特征：所述氣環(huán)安裝在升降機結(jié)構(gòu)上，所述升降機結(jié)構(gòu)布置成在所述飛輪靜置時降低所述氣環(huán)，在所述飛輪的發(fā)動期間升高所述氣環(huán)，并且在所述飛輪以操作旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)的所述飛輪系統(tǒng)的完全操作狀態(tài)下使所述氣環(huán)懸浮。因此，可以調(diào)節(jié)飛輪的彎曲，同時特別在飛輪的旋轉(zhuǎn)運動的初始化期間呈現(xiàn)飛輪摩擦地接合氣環(huán)。在該實施例中，可以設(shè)置以下的另一個特征：所述升降機結(jié)構(gòu)布置成至少在發(fā)動狀態(tài)和操作狀態(tài)下在不接觸所述飛輪的情況下緊密接近所述飛輪，例如，距所述飛輪大約50μm的距離。盡管其他尺寸取決于例如飛輪本身的參數(shù)可能同樣證明有效，但是通過內(nèi)部環(huán)與飛輪之間的空氣間隙可以實現(xiàn)甚至最重的飛輪的有效的空氣懸浮。

此外，飛輪系統(tǒng)可以呈現(xiàn)出以下的替代性的或附加的特征：外殼，所述外殼至少容置所述氣環(huán)和所述上覆的飛輪，其中，所述外殼包括與排氣機(諸如泵)連接的至少一個排氣連接件，以相對于由所述氣環(huán)和所述飛輪限定的空間的內(nèi)部維持所述外殼的內(nèi)部的低壓。

此外，飛輪系統(tǒng)可以呈現(xiàn)出以下的替代性的或附加的特征：控制器和至少一個傳感器，所述控制器與驅(qū)動器和/或電力發(fā)電機關(guān)聯(lián)，所述至少一個傳感器例如是振動傳感器，所述至少一個傳感器布置成當(dāng)所述傳感器檢測到操作狀態(tài)的不穩(wěn)定性(諸如振動)時調(diào)節(jié)所述飛輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度。雖然本領(lǐng)域的讀者會立即意識到，在設(shè)計飛輪系統(tǒng)時需要投入所有適當(dāng)?shù)呐σ员苊夤逃蓄l率可能發(fā)生。然而，特定的特征組能夠通過檢測振動和改變飛輪的旋轉(zhuǎn)速度來監(jiān)控飛輪裝置并防止過度的振動振幅，以使系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)離這種潛在的危險狀態(tài)。

附圖說明

在本申請的實施例的各方面的前述一般指示后，本文在下面將僅以示例的方式描述根據(jù)本發(fā)明的飛輪系統(tǒng)的特定實施例，根據(jù)所附權(quán)利要求的保護范圍不受該示例影響。

圖1至圖10示出根據(jù)本申請的飛輪的全體示例性特定實施例的特定相應(yīng)視圖，和/或其特定細(xì)節(jié)。

具體實施方式

圖1示出飛輪系統(tǒng)1，該飛輪系統(tǒng)包括飛輪轉(zhuǎn)子2和驅(qū)動器和/或電力發(fā)電機4，飛輪轉(zhuǎn)子2布置在驅(qū)動軸3上。驅(qū)動器和/或電力發(fā)電機4可以包括驅(qū)動飛輪轉(zhuǎn)子2繞由驅(qū)動軸3限定的直立軸線進行旋轉(zhuǎn)運動的馬達，和/或可以用于通過飛輪轉(zhuǎn)子2的旋轉(zhuǎn)運動建立或產(chǎn)生電能或電力。轉(zhuǎn)子2可以布置成直立的，以能繞橫臥的水平旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)。

飛輪轉(zhuǎn)子2和驅(qū)動器/發(fā)電機4的組件容置于外殼5中，在外殼5中設(shè)置泵6形式的許多排氣泵以提供空中懸浮(這在本申請中是可選的)。與包含飛輪轉(zhuǎn)子的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)相反，本實施例相對非常大。事實上，本實施例的飛輪系統(tǒng)足以大地讓外殼包含通道7，以允許維修人員等進入外殼5。

如圖4所示，實際的飛輪轉(zhuǎn)子2是環(huán)形的。圖1的飛輪系統(tǒng)1的轂8與形成旋轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動軸3連接并經(jīng)由下盤形蓋元件9和上盤形蓋元件10與實際的飛輪轉(zhuǎn)子2連接，下盤形蓋元件9在轂8與環(huán)形的飛輪轉(zhuǎn)子2之間形成連接元件，上盤形蓋元件10在轂8與環(huán)形的飛輪轉(zhuǎn)子2之間形成附加連接元件。優(yōu)選地，蓋元件9、10賦予圖4所示的驅(qū)動軸3、轉(zhuǎn)子8和蓋元件9、10的組件相當(dāng)大的剛度。然而，在實際飛輪2的比重下，蓋元件9、10的彎曲可被證明是不可避免的，對于這種可能性，用于蓋元件9、10的材料或蓋元件9、10的材料可以專門選擇成盡可能地堅硬和剛性的，但同時也可以是必要程度的柔性的，以確保由于飛輪轉(zhuǎn)子2的相當(dāng)大的重量而造成的屈曲。此外，蓋元件9、10的屈曲或膨脹應(yīng)能夠補償高速時對蓋元件9、10施予的巨大張力和離心力，飛轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子2在高速下旋轉(zhuǎn)并傾向于膨脹或可能傾向于膨脹。具體地，蓋元件9和10的厚度可以在徑向方向上變化，在旋轉(zhuǎn)軸處，蓋元件9和10的厚度為13mm以上，優(yōu)選地，為16mm以上，更優(yōu)選地，為18mm以上并且最優(yōu)選地，為大約20mm或20mm以上。在環(huán)形的飛輪轉(zhuǎn)子2處，厚度可以小于19mm，優(yōu)選地，小于17mm，更優(yōu)選地，小于15mm并且最優(yōu)選地，為大約12mm。隨著厚度的這種變化(這種變化僅是示例性的)，飛輪轉(zhuǎn)子2在高速時的膨脹可以被因此可能拉伸(但未變形)的蓋元件9、10吸收。

除了如焊接、螺釘或螺栓(圖4描繪了螺栓)的所示的機械連接以外或作為對焊接、螺釘或螺栓(圖4描繪了螺栓)的所示的機械連接的替代，驅(qū)動軸3和蓋元件9、10可以使用過盈配合連接而被連接。例如，轂8可以冷卻至-170℃的溫度，而蓋元件9、10可以加熱至200℃的溫度，以在裝配后當(dāng)轂8與蓋元件9、10之間的相對溫差變小時允許驅(qū)動軸和蓋元件熔融或過盈配合在一起。在所述裝配之前，轂可以超過尺寸0.6mm至1.2mm之間，更優(yōu)選地超過尺寸0.8mm至1.0mm之間，以允許蓋元件9、10在飛輪轉(zhuǎn)子2為1800轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速時的膨脹例如為0.35mm。替代性地，蓋元件9、10可以在兩者之間沒有轂8的情況下過盈配合到驅(qū)動軸3上。由于實現(xiàn)蓋元件9、10與轂8或驅(qū)動軸3的這種連接的要求，當(dāng)轂8或軸3冷卻且元件9、10加熱時，在最大溫差的狀態(tài)下，其尺寸應(yīng)非常緊密對應(yīng)。當(dāng)溫差減小時，轂8或軸3在變暖至例如室溫時將趨于膨脹，而蓋元件9、10在降溫時將趨于過盈配合。與之相結(jié)合，可以建立高度可靠的連接。

驅(qū)動軸3延伸驅(qū)動器/發(fā)電機4或延伸到驅(qū)動器/發(fā)電機4中，以允許飛輪轉(zhuǎn)子2被驅(qū)動進行旋轉(zhuǎn)運動，或通過這種進行中的旋轉(zhuǎn)運動獲得電力或電能。

如以上指示的，飛輪系統(tǒng)相對地大。更具體地，飛輪系統(tǒng)可以使得飛輪轉(zhuǎn)子2在徑向方向上具有至少0.75米、優(yōu)選地至少1米、且更優(yōu)選地至少1.10米的內(nèi)部半徑。進一步，飛輪系統(tǒng)可以使得飛輪轉(zhuǎn)子2在徑向方向上具有至少0.85米、優(yōu)選地至少1米、且更優(yōu)選地至少1.30米的外部半徑。仍進一步，飛輪系統(tǒng)1可以使得飛輪轉(zhuǎn)子2在軸向方向上具有至少0.30米、優(yōu)選地至少0.45米、且更優(yōu)選地至少0.60米的厚度。在特定實施例中，環(huán)形的飛輪轉(zhuǎn)子2可以實際上由任何材料制成，優(yōu)選地，該材料具有相對高的質(zhì)量密度，比如為金屬。在公開的實施例中，該材料可以是鋼，并且可以甚至通過鉛或類似物加重。具體地，飛輪系統(tǒng)1可以使得飛輪轉(zhuǎn)子2具有至少2.5噸、優(yōu)選地至少4噸、且更優(yōu)選至少5噸的重量。在根據(jù)附圖的實施例中，這種飛輪可以發(fā)展成高達或超過1800轉(zhuǎn)/分的旋轉(zhuǎn)速度，其中，飛輪的重量大約是5噸。非常驚訝的是，這種非常大且重的飛輪轉(zhuǎn)子2可以以7.5％或甚至更少的損耗工作。這種高效鑒于現(xiàn)有技術(shù)的開發(fā)是完全想不到的，現(xiàn)有技術(shù)開發(fā)的主要方向是使飛輪系統(tǒng)更加緊湊，屈從于這種具有較小的飛輪的飛輪系統(tǒng)。然而，自然地，本申請和根據(jù)所附權(quán)利要求的保護范圍不限于任何這種使用的參數(shù)，替代性實施例的飛輪甚至可以以更低的旋轉(zhuǎn)速度或甚至更高的旋轉(zhuǎn)速度工作，該更低的旋轉(zhuǎn)速度例如為600轉(zhuǎn)/分或至少1000轉(zhuǎn)/分，優(yōu)選地，為至少1400轉(zhuǎn)/分。為了確保飛輪轉(zhuǎn)子2將經(jīng)由蓋元件9、10保持連接至軸3或轂8，應(yīng)限制或約束旋轉(zhuǎn)速度，為此，可以采用控制系統(tǒng)。出于例示的目的，這里應(yīng)注意的是，當(dāng)以例如1800轉(zhuǎn)/分的速度旋轉(zhuǎn)時，實施例的在其外部半徑處具有1.3米的半徑的轉(zhuǎn)子2的外周接近或超過音速。如果相對于此仍期望速度的增加，則需要設(shè)想確保轂8或旋轉(zhuǎn)軸3處的適當(dāng)和強固連接的進一步措施。

圖2呈現(xiàn)根據(jù)圖1的飛輪系統(tǒng)1的分解圖。其中，外殼5再一次呈現(xiàn)為至少將泵6和飛輪轉(zhuǎn)子2容納在下殼體15中。下殼體15還包括本質(zhì)上用于驅(qū)動器/發(fā)電機4的圓筒形容置部16。在本實施例中，外殼5還含有上殼體11以更緊密地容置飛輪轉(zhuǎn)子2，蓋12可以在飛輪轉(zhuǎn)子2上方布置于上殼體11上。在圖2的透視圖中，上殼體11明顯呈現(xiàn)環(huán)形形狀，其中心開口用于容置載體構(gòu)件13，載體構(gòu)件13包括氣環(huán)14。載體構(gòu)件13還用于將驅(qū)動器/發(fā)電機4附接至驅(qū)動軸3，驅(qū)動軸3還被連接至飛輪轉(zhuǎn)子2。

圖3呈現(xiàn)沿圖1的線III-III截取的橫截面圖并且示出處于裝配狀態(tài)的飛輪系統(tǒng)1的更多細(xì)節(jié)，例如導(dǎo)管17，導(dǎo)管17連接(未示出)至泵6中的與相關(guān)的排氣連接件(以下更詳細(xì)地描述)的位置對應(yīng)的所選擇的泵，在該情況下，從飛輪2的周圍環(huán)境排出空氣。這里再要注意的是，空中懸浮和與之關(guān)聯(lián)的全部特征對于本申請是可選的。

圖5呈現(xiàn)圖2和圖3的載體構(gòu)件13的透視圖。載體構(gòu)件13包括基板18，基板18可以形成外殼5的組件的一部分或者可以至少附接至外殼5。同時地或替代性地，基板18可以形成載體構(gòu)件13本身的一部分。圖5還更詳細(xì)地示出氣環(huán)14，氣環(huán)14包括若干同心的氣環(huán)元件19、20和21。單獨的環(huán)元件的頂面可以特別設(shè)計成在緊急停止的情況下當(dāng)空氣可以在這種情況下進入室中時產(chǎn)生盡可能多的空氣阻力(drag)，以使通過的氣流減速。例如，可以在頂面中或頂面上布置型線(profiles)。附加地或替代性地，這種氣閘可以是可擴展的(特別在非真空室中)以在正常操作期間提供盡可能小的阻力。如還在圖7的俯視圖中示出的，最內(nèi)部環(huán)元件19與中心環(huán)元件20之間的排氣連接件22連接至導(dǎo)管17的所選擇的導(dǎo)管，中心環(huán)元件20與外部環(huán)元件21之間的排氣連接件23連接至剩余導(dǎo)管17中的所選擇的導(dǎo)管。此外，在最內(nèi)部環(huán)元件19與中心環(huán)元件20之間設(shè)置填充元件24，在中心環(huán)元件20與最外部環(huán)元件21之間設(shè)置填充元件25。因此，優(yōu)化了從同心的環(huán)元件19至21之間的空間排出空氣的效率，如在圖6所示，填充元件24、25呈現(xiàn)朝排氣連接件22、23向下且朝同心的環(huán)元件19至21的上部區(qū)域向上的上邊緣的曲率，以使同心的環(huán)元件19至21之間的敞開空間最小化并進而使從這種敞開空間排出的空氣的量最小化以及優(yōu)化空氣的排出效率。填充元件可以由金屬或任何其他便捷或適合的材料制成。還要注意的是，由于從排氣連接件傳輸空氣/氣體至泵的理想管道直徑不配合氣環(huán)的頂面，3D印刷插件40可以靠近排氣連接件22施加，以提供裝配的填充元件24、25、40非常好的預(yù)定曲率以盡可能高效地促進空氣的排放。

距離傳感器26可以設(shè)置于基板18上或甚至與環(huán)元件19至21中的任一者(例如，最外部環(huán)元件21)接觸。另外，如在圖10中示出的，可以在驅(qū)動軸上或抵靠驅(qū)動軸或在飛輪系統(tǒng)1的其他任何地方設(shè)置振動傳感器。振動傳感器的功能可以是檢測特別由于飛輪轉(zhuǎn)子2本身的高質(zhì)量而可能不利于飛輪系統(tǒng)的有害振動。例如在接近固有頻率的飛輪2的特定旋轉(zhuǎn)速度下發(fā)生振動的情況下，控制器(未示出)可以接收來自距離傳感器26或振動檢測器的測量信號，以調(diào)控飛輪轉(zhuǎn)子2的旋轉(zhuǎn)速度，其中系統(tǒng)可能開始共振。

圖8描繪了沿圖7的線VIII-VIII截取的橫截面圖，圖7本身是沿圖5的箭頭VII的方向的俯視圖。其中，示出環(huán)元件19至21中的每一個具有同心形狀的頂部，頂部由突起27和凹部28構(gòu)成，突起27和凹部28相對于驅(qū)動軸3同心地布置。經(jīng)由排氣連接件22、導(dǎo)管17和相關(guān)的關(guān)聯(lián)的泵6從最內(nèi)部環(huán)元件19與中心環(huán)元件20之間的空間排出的空氣沿圖8的箭頭A的方向越過最內(nèi)部環(huán)元件19排出。經(jīng)由排氣連接件23、導(dǎo)管17和相關(guān)的關(guān)聯(lián)的泵6從中心環(huán)元件20與最外部環(huán)元件21之間的空間排出的空氣沿圖8的箭頭A的方向越過最內(nèi)部環(huán)元件20排出。如例如在圖3示出的，飛輪2直接布置于氣環(huán)14的頂部上但未與氣環(huán)14接觸。氣環(huán)14與飛輪2之間的距離可以非常小以使兩者之間的間隙可以例如測量僅50μm。優(yōu)選地，氣環(huán)14與飛輪轉(zhuǎn)子2之間的空氣間隙可以甚至小于50μm，本申請的更多實施例也能夠在具有更大空氣間隙的情況下工作。相對于氣環(huán)14的頂表面的凹部28用于捕獲越過最內(nèi)部或中心環(huán)元件19、20被排出的空氣中的一些。這些氣穴和沿箭頭A和B的方向的空氣流使飛輪轉(zhuǎn)子2能夠在氣環(huán)14上方的提及的短距離處被空氣懸浮。

在氣環(huán)14的外部，泵6還可以連接至圖3的空間31，以沿圖8中的箭頭C的方向排出空氣流。泵6還可以連接至導(dǎo)管17，以在飛輪轉(zhuǎn)子2下方通過如圖6中示出的基板18中的和軸3附近的通孔35使圖3的空間32的內(nèi)部排空。隨后，室或空間32中的相對氣壓應(yīng)保持在更高壓力下(即使低于大氣層，進而低于室或空間31的氣壓)，以便使空氣能夠從內(nèi)部空間32越過氣環(huán)14流動地排出。例如，空間32內(nèi)的壓力可以在300至350mb附近，在該情況下空間31被排空到大約1mb或類似的值。

以上，已注意到的是，即使盡可能地避免彎曲，蓋元件9、10和飛輪轉(zhuǎn)子2仍可能在靜置或在低旋轉(zhuǎn)速度下向下彎曲(尤其在非旋轉(zhuǎn)狀態(tài))。因此，飛輪2可能靜置于氣環(huán)14上，這是不期望的情況。從這種非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，在飛輪轉(zhuǎn)子2與環(huán)14之間接觸的情況下，特別地，非常重的飛輪不能被設(shè)置成旋轉(zhuǎn)運動。當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)子2達到操作性的旋轉(zhuǎn)速度時，離心力會將蓋元件9、10和飛輪轉(zhuǎn)子2拉直，但是首先需要實現(xiàn)這種操作性的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。如例如在圖3中描繪的，為解決該問題，將特定特征結(jié)合到實施例中。

作為第一方式，氣環(huán)14布置于升降機結(jié)構(gòu)29上，升降機結(jié)構(gòu)29例如由可以是液力油或氣動的汽缸構(gòu)成。升降機結(jié)構(gòu)29可以相對于外殼5升高或降低氣環(huán)14，以當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)子2靜止或以低速旋轉(zhuǎn)時通過降低氣環(huán)14而相對于蓋元件9、10和/或重的飛輪轉(zhuǎn)子2的彎曲狀態(tài)來調(diào)節(jié)氣環(huán)14的位置，或者通過升高氣環(huán)14而相對于蓋元件9、10和/或重的飛輪轉(zhuǎn)子2的拉直狀態(tài)來調(diào)節(jié)氣環(huán)14的位置。因此，在所有情況下，可以維持內(nèi)環(huán)14與飛輪2之間的間隙。以上涉及的距離檢測器26可以用于確定這種間隙的尺寸，控制器可以驅(qū)動升降機結(jié)構(gòu)29以維持氣環(huán)14與飛輪2之間的例如為50μm的恒定的間隙尺寸。應(yīng)注意到的是，在目前公開的實施例中，氣環(huán)14既不設(shè)計成也不用于主動將飛輪升高至蓋元件9、10的拉直位置，當(dāng)達到了飛輪2的操作速度時，由于離心力，這種拉直自動實現(xiàn)。然而，在替代性實施例中，氣環(huán)14可以主動用于升高飛輪2。

此外，作為第二方式，如同樣在圖3示出的，可以在上殼體11的內(nèi)側(cè)頂表面的頂部上設(shè)置滑動軸承30，以支撐處于靜止?fàn)顟B(tài)或以更低速度旋轉(zhuǎn)時的下蓋元件9和/或飛輪轉(zhuǎn)子2。這種滑動軸承30還利于例如使用驅(qū)動器/發(fā)電機4的驅(qū)動功能而使飛輪轉(zhuǎn)子2運動。隨著飛輪轉(zhuǎn)子2的旋轉(zhuǎn)速度增加并且在該旋轉(zhuǎn)速度達到操作旋轉(zhuǎn)速度之前，因離心力對蓋元件9、10和/或飛輪轉(zhuǎn)子2的拉直作用，一方面下蓋元件9和/或飛輪轉(zhuǎn)子2與另一方面滑動軸承30之間的接觸將減小和消失。

圖9以透視圖呈現(xiàn)載體構(gòu)件13與第一安裝板33和第二安裝板36的組件，圖10以側(cè)橫截面圖呈現(xiàn)該組件，該載體構(gòu)件13具有位于其頂部上的氣環(huán)14，第一安裝板33和第二安裝板36還在圖3中示出。載體構(gòu)件13與安裝板33的該組件布置在環(huán)形的上殼體11的中心通道中，載體構(gòu)件被配置在安裝板33上并且允許導(dǎo)管17和類似物的裝配，其中，飛輪轉(zhuǎn)子2也布置于所述中心通道中，但是位于上殼體11的內(nèi)部頂表面34上，這也已經(jīng)在上面提到。更具體地，如以上描述的，飛輪轉(zhuǎn)子2不會靜置于所述頂表面34上或甚至不會靜置在氣環(huán)14上。因此，可以認(rèn)為的是，載體構(gòu)件13實際上不會承載飛輪轉(zhuǎn)子2的重量，而飛輪轉(zhuǎn)子2在氣環(huán)14上方非常短的距離處空氣懸浮在氣環(huán)14上。盡管如此，載體構(gòu)件13實際上不會承載驅(qū)動器/發(fā)電機4。

圖10進一步更詳細(xì)地示出升降機結(jié)構(gòu)的構(gòu)型，升降機結(jié)構(gòu)包括支撐柱39的孔38中的活塞37。通過使活塞37從孔38延伸來升高氣環(huán)14。

對本領(lǐng)域讀者應(yīng)顯而易見的是，以上描述的實施例不是根據(jù)所附權(quán)利要求的本申請的實施例的保護范圍的界限和限制內(nèi)的唯一可能性。例如，空氣懸浮可以省略。飛輪轉(zhuǎn)子2可以是大規(guī)模的或?qū)嵭牡?，但?yīng)是具有敞開中部的環(huán)形的，以使距旋轉(zhuǎn)軸一距離處的重量集中最大化。飛輪2和蓋元件9、10可以形成集成單元或組件。相對于文中以上公開的那些尺寸，飛輪轉(zhuǎn)子的尺寸和形成連接元件的關(guān)聯(lián)的蓋元件的尺寸可以變化，操作速度和壓力值也可以變化。相對于文中描述的、示出的和公開的實施例，可以將泵和導(dǎo)管的數(shù)目減到最小。取決于外殼的結(jié)構(gòu)，可以省略上殼體的構(gòu)型。除非這些附加的和/或替代性的實施例偏離權(quán)利要求的特定限定特征所隱含的單一發(fā)明構(gòu)思，否則，還可以設(shè)想其他變型和改型，這些變型和改型將落入由所附權(quán)利要求限定的保護范圍的界限和分界內(nèi)。