为车辆储存能量的飞轮系统技术方案

一种用于为车辆储存能量和提供脉动力的飞轮－电动机－发电机组合的整体系统，包括： 一外壳体； 一位于上述外壳体之中的真空壳体，该真空壳体和外壳体形成了一空间； 一散热器； 一泵，用于使液体在所述空间的预定部中循环，以将废热传送给所述散热器。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种飞轮能量储存系统，更具体地说涉及一种为混合式电动车辆提供脉动力、动力制动和能量储存的飞轮-电动机-发电机组合。本专利技术特别适用于混合式电动车辆。本专利技术的一个方面涉及的是在高速飞轮转子所在的空间中保持真空。更具体地说，是在飞轮能量储存系统的飞轮组件中采用一个分子泵，将转子周围的气体泵送到一个与之隔离的腔室。在该腔室中最好设置有用于吸收由转子排出的气体分子的分子筛。空气质量控制部门鼓励使用由化学电池驱动的电动车辆，其目的是减少由目前普遍采用的内燃机所产生的空气污染。尽管为电池充电提供电能的电力设备本身也会导致污染，但总的结果还是有利于减少空气污染。然而，因在重量、寿命周期和成本方面化学电池的性能相对较差，使它难于在市场上和内燃机这一动力系统进行竞争。一种包括一个能够产生供车辆消耗的平均动力的涡轮发动机、一个飞轮脉动力发生器、一个电动牵引电动机、以及一个电子控制系统的混合式电动动力系不但能够降低污染程度，改善空气质量，而且其性能优于相应的内燃机。尽管涡轮发动机也需要使用烃类燃料，但是它所采用的催化燃烧器对空气造成的污染要小于给驱动电动车辆的化学电池提供充电电能的电力设备所产生的空气污染。通过将动力源分解为各个优化的单元，分别提供平均和峰值动力，并与动力制动性能相配合，能够提高在绝大多数行驶状态下的效率，从而减少所消耗的燃料。在1994年3月举行的SAE国际研讨会上，Robin Mackay发表的一篇题为“一种用于混合式车辆的24KW燃气涡轮发动机的开发”的论文，其中描述了一种适合用于混合式电动车辆的涡轮发动机。该论文被本申请引作参考文献。一个多世纪以来，已经产生了许多不同类型的电动机，用于牵引电力驱动的车辆。本专利技术涉及的是一种飞轮能量储存系统。上述电动动力系的第四个主要组成部分，即电子控制系统，已经在本申请人的另一尚未批准的名称为“电动动力系的控制”的专利申请No.08/246240中进行描述。现代具有较高强度-重量比的纤维材料使得制造高能量密度的飞轮成为可能，将这样的飞轮与高能电动机-发电机相结合，可以取代电化学电池，为混合式电动车辆提供一种很有吸引力的能量缓冲器。与传统的电化学电池相比，经过良好设计的飞轮系统能够提供较高的能量密度、较高的功率密度、较高的效率、以及较长的使用寿命。然而，车辆的行驶环境是对成功地将飞轮用于电动车辆的一种考验，包括必须克服由于车辆角运动所带来的陀螺力矩和适应于车辆的直线加速。此外，还必须考虑由飞轮储存的较高能量和动量所带来的一些安全问题，以及对真空腔室中的电动机-发电机进行冷却的困难。另外，为了节约能量和使用方便，还要求飞轮能量储存系统具有较低的能量释放速率。多年以前就有人提出了飞轮能量储存系统，甚至已经为电动车辆设计了许多种能量储存系统。例如，美国专利No.3741034公开了一种设置在真空球体中的飞轮，该飞轮由液体包围，并提供了各种安全装置。然而，该专利并没有涉及废热的产生和电动机-发电机的冷却要求。此外，该专利既没有涉及行驶环境的动态特性，也没有涉及在车辆停止时尽可能地减小动力消耗的问题。另一方面，美国专利No.4266442、No.4680611和No.4285251提出了制作高速转子的不同方法，但是，这些专利文献都没有考虑与电动车辆的行驶环境相适应的设计特点。此外，为了适应大约每秒1000米的轮缘线速度，容纳飞轮的壳体必须保持非常低的压力，例如低于0.01帕，以便减小风阻损失。尽管在密封该壳体之前很容易实现上述压力，但是用于制作高能量密度飞轮的纤维复合材料具有一定的残留气体释放速率，因而难于在被密封的壳体中保持所期望的压力，即使之接近于真空。因此，常常需要不断地从壳体中排出释放的气体。在大多数情况下是采用一个外部泵来维持所期望的压力。美国专利No.4023920、4732529和4826393公开了多种分子泵，它们都属于高真空泵类型，其主要部件的尺寸对应于在所期望的压力下气体分子的平均自由程。公知的分子泵有两种类型，一种是涡轮式分子泵，其结构类似于气体透平机中的轴流式压缩机，采用交错分布的转子叶片和定子叶片；另一种是分子阻压泵，它采用在定子上刻出的螺旋槽，而定子则置于紧靠高速转子的部位上，以便引导气体流过阻压泵。另外混合式分子泵也是公知的，它们分别采用上述类型的分子泵，泵包括的部分有所不同。更具体地说，美国专利No.4023920公开的涡轮式分子泵采用磁性轴承来支持泵的高速旋转的转子；美国专利No.4732529和4826393公开了混合式分子泵，在高真空输入侧采用涡轮式分子泵，而在输出侧采用螺旋槽式的分子阻压泵。所有上述分子泵都是整装设计的，它们具有自己的轴、轴承系统以及动力源，即电动机。尽管这种方案对于静止系统来说可以获得令人满意的效果，但是却难于用在汽车上，因为车辆上没有可用于放置这种分子泵的空间，其重量也不合适。如上所述，目前用于储存汽车能量的飞轮系统旨在取代电动车辆中的电池。在这样的应用场合，需要采用多个单元来储存所需的能量，以便使得每个电动机-发电机只需要提供一小部分车辆所需的动力。在所有脉动力都必须由单个飞轮来提供的系统中，具有相对较大体积的单个电动机-发电机难于做到既提供所需的能量密度，同时又不影响安全性能，即径向应力降低到一个可接受的程度，或者不大大增加成本。美国专利No.3741034公开了一种转子设计方案，它采用由具有较高强度-重量比的纤维线复合材料绕制成相对较薄的同心圆柱缸体，这些缸体由径向弹簧彼此分开。尽管这样的结构能够将径向应力限制到可以接受的程度，但造价却过于昂贵。美国专利No.3859868公开了用于改进转子部件的弹性-能量密度比的几种技术，以将径向应力降低到最小程度。另一方面，美国专利No.4341001和4821599采用曲面金属轮毂将能量储存部件与轴相连接。此外，美国专利No.5124605公开了一种飞轮系统，它采用多个反向旋转的飞轮，每一个这样的飞轮包括一个轮毂、一个轮缘以及多个与轮毂轴线相平行的筒状组件，使得轮毂与轮缘相连接时，轮毂与轮缘之间可以产生微小的径向膨胀。目前，尚没有任何参考文献披露将较大体积的大功率电动机-发电机与用于车辆的飞轮能量储存系统一体使用的实例。本专利技术的目的在于为驱动车辆提供一种改进的飞轮-发电机能量储存系统。更具体地说，本专利技术的目的是克服现有飞轮能量储存系统所存在的缺点和问题。本专利技术的主要目的是提供一种飞轮能量储存系统，它具有适合于电动车辆行驶环境的优化结构。本专利技术的飞轮能量储存系统能够提供足够的脉动力，满足汽车的瞬时负载的要求。本专利技术的一个目的是使飞轮与车辆的角运动是彼此独立的。本专利技术的另一个目的是在全向加速过程中为转子提供支撑，同时在旋转部件和静止部件之间保持较小的径向间隙。本专利技术的再一个目的是为大功率电动机-发电机提供一个有效和紧凑的冷却系统。本专利技术的再一个目的是为采用飞轮能量储存系统的车辆提供一种保护，使之不致于因为所储存的能量和动量矩的突然释放而受到损害。本专利技术的再一个目的是提供一种具有较慢的能量释放速率的能量储存装置。本专利技术的再一个目的是提供一个位于密封腔室之中的系统，用于保持该腔室的压力低于预定阈值。本专利技术的再一个目的是为安装在一个密封壳体中的飞轮能量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：哈罗德·A·罗森，丹尼尔·巴克霍丁，罗伯特·W·博斯利，克里斯·C·皮尔逊，斯科特·B·帕诺，
申请(专利权)人：罗森发动机制造公司，
类型：发明
国别省市：