DE60133025T2

DE60133025T2 - Schwungrad mit steifer metallnabe

Info

Publication number: DE60133025T2
Application number: DE60133025T
Authority: DE
Inventors: Norman C. North Reading BRACKETT
Original assignee: Beacon Power LLC
Current assignee: Beacon Power LLC
Priority date: 2000-11-03
Filing date: 2001-10-25
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2021-10-26
Also published as: ATE387650T1; EP1330689A4; WO2002037201A1; EP1330689A1; DE60133025D1; AU2002228708A1; US6817266B1; EP1330689B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Metallnabe für einen Energiespeicherrotor. Genauer betrifft die Erfindung eine steife Metallnabe für ein Schwungrad, die einen festen Presssitz mit einem sich radial verbiegenden Verbundring während eines Hochgeschwindigkeitsbetriebs durch Verbiegen an dem äußeren Ring der Nabe beibehält, welches Vibrationen minimiert und eine kritische Geschwindigkeit erzeugt, die wesentlich höher ist als die Bauartbetriebsgeschwindigkeit.
Beschreibung des Stands der Technik
Energiespeicherrotoren oder Schwungräder, welche intern kinetische Energie produzieren und speichern, sind als eine Alternative zu Batterien und anderen Energiespeichermitteln seit ungefähr 30 Jahren verfügbar. Anfänglich wurden Schwungradanordnungen aus Metall hergestellt, zum Beispiel aus hochfestem Stahl. Allerdings stellen Schwungräder, die aus Verbundmaterialien hergestellt sind, bessere Energiespeicherfähigkeiten bereit als Stahlschwungräder, da die hochfesten, leichtergewichtigen Verbundschwungräder mit höheren Geschwindigkeiten rotiert werden können. Mit der Erkenntnis, dass die Energiespeicherung proportional zur Masse des Schwungrads und dem Quadrat der Rotationsgeschwindigkeit ist, stellt ein wesentliches Vergrößern der Rotationsgeschwindigkeit und ein geringfügiges Verringern der Masse durch Ersetzen von Stahl mit einem Verbundmaterial eine größere Energiespeicherung bereit. Technologische Fortschritte haben somit Schwungradanordnungen leichtgewichtiger und fähig gemacht, bei höheren Betriebsgeschwindigkeiten betrieben zu werden, indem Verbundfasermaterialien, beispielsweise Glasfasern oder Kohlenstofffasern, die mit einem Harzbindemittel gewickelt sind (Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbund) in Schwungradanordnungen verwendet werden. Die hochfesten Verbundmaterialien niederer Dichte sind ideal geeignet für Schwungradanordnungen, insbesondere Schwungradringe, welche eine beherrschende Rolle in der gesamten Schwungradenergiespeicherung spielen.
Hohe Rotationsbetriebsgeschwindigkeiten erzeugen allerdings extrem hohe Zentrifugalkräfte, welche hohe Radial- und Umfangsspannungen in dem äußersten Verbundring erzeugen. Hohe Spannungen in dem Verbundring veranlassen den Ring in radialer Richtung zu „wachsen", d. h. sich nach außen in einer radialen Richtung zu verformen. Die Schwungradnabe, welche den Verbundring auf einer Drehwelle hält, im Allgemeinen durch einen festen Presssitz, wird herkömmlich aus einer hochfesten, leichtgewichtigen Metalllegierung oder einem Verbundmaterial hergestellt. Metalllegierungsnaben geben der Schwungradanordnung Festigkeit und Steifigkeit. Allerdings erfahren Metallnaben oft nicht das radiale Wachstum, das dem des sich verformenden Verbundrings entspricht, oder von derselben Größe wie dessen Wachstum ist. Folglich trennt sich der Verbundring von der Nabe, welches potentiell schädliche Vibrationen erzeugt. Naben aus Verbundmaterialien sind im Regelfall flexibler, was ein Trennen zwischen der Nabe und dem Verbundring wesentlich verringert. Allerdings sind Verbundnaben im Regelfall nicht ausreichend steif, um eine kritische Geschwindigkeit zu erzeugen, die eine Bauartbetriebsgeschwindigkeit übersteigt.
Wenn ein Verbundring sich von einer Nabe trennt, erscheinen Lücken oder Spalten in dem festen Presssitz zwischen der Nabe und dem Verbundring, was unerwünschte und möglicherweise schädliche Vibrationen verursacht. Solche Vibrationen sind nachteilig für den Betrieb der Schwungradanordnung. Des Weiteren, wenn sie bei der natürlichen oder der Resonanzfrequenz der Schwungradanordnung und/oder der Komponententeile der Schwungradanordnung auftreten, könnten diese Vibrationen die Schwungradanordnung ernsthaft beschädigen oder gänzlich zer stören. Somit hat der Fachmann eine großen Teil seiner Aufmerksamkeit auf Mittel zum Lösen des Kompatibilitätsproblems gerichtet, das mit Schwungradanordnungen, die leichtgewichtige hochfeste Verbundringe aufweisen, verknüpft ist.
Medlicott ( USP 4,821,599 ) offenbart ein Energiespeicherschwungrad mit mindestens einem (aber vorzugsweise zwei oder mehr) „im Wesentlichen kreisförmigen gewölbten Elementen", die ein Elastizitätsmodul aufweisen, das geringer ist als das Elastizitätsmodul des Verbundrings. Wenn das Medlicott-Schwungrad bei höheren Geschwindigkeiten rotiert, verformt sich das gewölbte Element elastisch, was den Umfang des gewölbten Elements veranlasst, sich radial nach außen zu bewegen, wobei ein Kontakt mit dem weniger elastischen Verbundring beibehalten wird, welcher sich auch radial ausdehnt. Allerdings mit Naben mit gewölbten Elementen, die ein geringeres Modul als der Verbundring aufweisen, ist das Schwungrad weniger steif und folglich vibrationsanfälliger als ein System mit einer steiferen Nabe. Allerdings sind Bauartbetriebsgeschwindigkeiten typischerweise größer als kritische Geschwindigkeiten, wobei während einem Betrieb des Schwungradsystems eine Durchquerung durch die kritische Frequenz benötigt wird.
Flanagan et al. ( USP 4,860,611 ) offenbart auch einen Energiespeicherrotor mit einer flexiblen Ring-Nabe. Die Flanagan-Erfindung stellt eine sich ausdehnende Aluminiumnabenbauart bereit, auf welche ein Verbundring aufgeschrumpft wird. Die Flanagan-Nabe umfasst mehrere Speichen, die an dem Umfang durch einen kontinuierlichen Ring verbunden sind. Die Abschnitte des Rings zwischen benachbarten Speichen sind absichtlich dünner ausgestaltet, wodurch den Ringabschnitten zwischen benachbarten Speichen ermöglicht wird, sich nach außen zu verbiegen, um einen Presssitz mit dem Verbundring beizubehalten. Flanagan et al. offenbart, dass ein fester Press sitz bei geringen Betriebsfrequenzen und eine Ringflexibilität bei höheren Betriebsfrequenzen Vibrationen und Trennung wesentlich minimieren. Tatsächlich äußert Flanagan, dass eine kritische Frequenz, d. h. Resonanz, nicht auftritt, weil der Rotor seine Bauartbetriebsgeschwindigkeit, welche wesentlich höher als die kritische Geschwindigkeit ist, schnell erreicht, „so dass der Rotor die möglicherweise zerstörerische kritische Frequenz nicht durchquert". Tatsächlich erfordert das Flanagan-Schwungradsystem allerdings, dass der Rotor die kritische Frequenz durchquert, was den Rotor möglicherweise schädlichen Vibrationen aussetzt.
Bitterly et al. ( USP 5,124,605 ) offenbart ein Schwungrad mit einem „selbstrückstellenden Lagerungssystem", das eine Nabe umfasst, die mit einem Verbundring durch mehrere Rohranordnungen verbunden ist. Die Rohranordnungen, welche an der Nabe und dem Verbundring angebracht sind, ermöglichen eine verschiedene radiale Ausdehnung in der Nabe und dem Verbundring. Somit muss die radiale Ausdehnung der Nabe nicht kompatibel mit einer radialen Ausdehnung des Verbundrings sein. In der Tat komprimiert die Nabe, welche ein geringeres Elastizitätsmodul aufweist, und des Weiteren absichtlich ausgestaltet ist, um sich schneller auszudehnen als der Verbundring, die mehreren vorgespannten Rohranordnungen, welche die Spannung wie eine Feder absorbieren. Die Rohranordnungen behalten auch einen Kontakt mit dem sich radial verformenden Verbundring bei. Wie vorher ist ein Nachteil dieser Nabe, dass die kritische Geschwindigkeit geringer ist als die Bauartbetriebsgeschwindigkeit, welches den Rotor möglicherweise schädlichen Vibrationen aussetzen kann.
Swett et al. ( USP 5,732,603 ) offenbart einen Schwungradrotor mit einer ausdehnungsangepassten, selbstabgleichenden Faser- oder Matrixverbundnabe, welche einen ringförmigen Reifen und ein Paar nachgiebige Membranen umfasst, die durch den Reifen verbunden sind. Die Membrane umfassen eine ringförmige Feder, deren Nachgiebigkeit es vereinfacht, Kontakt an der Nabe/Ring-Grenzfläche beizubehalten. Ein Nachteil dieser Nabe ist wiederum, dass die kritische Geschwindigkeit geringer ist als die Bauartbetriebsgeschwindigkeit, was den Rotor möglicherweise schädlichen Vibrationen aussetzen kann.
Swett ( USP 6,014,911 ) offenbart einen Schwungradrotor mit einer selbstausdehnenden Nabe, die eine Doppelkegelkonfiguration aufweist. Wenn das Schwungrad rotiert, biegen sich die Nabenflächen, was eine Kompression an dem Rotor verursacht, die Matrixmaterial des Rotors daran hindert, bei hohen Geschwindigkeiten auseinandergezogen zu werden. Hier ist wiederum ein Nachteil dieser Nabe, dass die kritische Geschwindigkeit geringer ist als die Bauartbetriebsgeschwindigkeit, was den Rotor möglicherweise schädlichen Vibrationen aussetzen kann.
Waagepetersen ( USP 5,946,979 ) offenbart ein Schwungrad mit einer ausdehnbaren, dünnwandigen, kegelförmigen oder kegelstumpfförmigen Nabe, wobei die Ausdehnung entweder durch Anbringen eines flexiblen, faserverstärkten Kunststoffmaterials an dem Ende der Nabe oder durch anhaftendes Verbinden der Nabe direkt mit dem Ring möglich gemacht wird. Hier ist wiederum ein Nachteil dieser Nabe, dass die kritische Geschwindigkeit geringer als die Bauartbetriebsgeschwindigkeit ist, was den Rotor möglicherweise schädigenden Vibrationen aussetzen kann.
Fullwood et al. (PCT WO 97/13313 ) offenbart eine kegelförmige, faserverstärkte Endkappe („Nabe"), die sich in Richtung einer ebenen Konfiguration verbiegt, wenn sich die Rotorgeschwindigkeit erhöht. Solch ein Verbiegen stellt sicher, dass der Rotor und die Endkappe ihre anfängliche Spannung beibehalten. Wiederum ist hier ein Nachteil dieser Nabe, dass die kritische Geschwindigkeit geringer ist als die Bauartbe triebsgeschwindigkeit, was den Rotor möglicherweise schädigenden Vibrationen aussetzen kann.
US-A-5628232 offenbart einen Schwungradrotor eines Schwungradenergiespeichersystems, wobei die Nabe aus einem äußeren zylindrischen Element, einem kegelförmigen Element und einem inneren zylindrischen Element besteht.
WO 95/13647 offenbart eine Aluminiumnabe, die einen axiale Stärke aufweist, die sich mit einem sich vergrößernden Radius in ihrem Hauptbereich verringert. An dem äußersten Bereich der Nabe vergrößert sich die axiale Stärke wieder, um einen dünnen äußeren zylindrischen Abschnitt zu bilden.
Zusammenfassung der Erfindung
Somit wäre es wünschenswert, eine Schwungradnabe zum Befestigen eines hochfesten, stark wachsenden Verbundrings niedriger Dichte an einer rotierenden, hochfesten Metallschwungradwelle derart herzustellen, dass die Energiespeicherkapazität der Schwungradanordnung wesentlich maximiert wird; dass der Verlust eines Presssitzes zwischen der Nabe und Verbundring bei sehr hohen Rotationsgeschwindigkeit wesentlich minimiert wird; und dass möglicherweise zerstörerische oder schädliche Vibrationen, die daraus resultieren können, wesentlich minimiert werden.
Darum ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schwungradanordnung bereitzustellen, die eine steife Metallnabe aufweist, die im Wesentlichen Vibrationen während eines Hochgeschwindigkeitsbetriebs des Schwungrads minimiert und einfach herzustellen ist. Solch eine Schwungradanordnung wird in Anspruch 1 definiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Für ein besseres Verständnis der Art und erwünschten Ziele der vorliegenden Erfindung wird auf die folgende genaue Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, wobei gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile durchweg in den verschiedenen Ansichten bezeichnen, und wobei.
1 ein veranschaulichendes Beispiel einer Nabe nach dem Stand der Technik von USP 4,860,611 ist;
2 eine veranschaulichende Ausführungsform einer steifen Metallnabe für ein rotierendes Energiespeicherschwungrad ist;
3 eine isometrische Ansicht einer veranschaulichenden Ausführungsform einer steifen Metallnabe für ein rotierendes Energiespeicherschwungrad ist; und
4 eine isometrische Schnittansicht der veranschaulichenden Ausführungsform einer steifen Metallnabe für ein rotierendes Energiespeicherschwungrad aus 3 ist.
Genaue Beschreibung der Erfindung und ihrer bevorzugten Ausführungsformen
Schwungradbasierte Energiespeichervorrichtungen 10 umfassen relativ einfache Vorrichtungen zum leichten Speichern und Wiedergewinnen von Energie. Siehe 1–3. Konzeptionell wird mechanische kinetische Energie gespeichert, wenn ein Schwungrad 10 sich in einem Vakuum dreht, zum Beispiel hauptsächlich in dem äußersten Bereich (dem „Ring") der Schwungradanordnung 10. Die Menge an Energie, die in einer Schwung radanordnung 10 gespeichert ist, ist direkt proportional zu ihrer Masse und dem Quadrat der Rotationsgeschwindigkeit des Schwungrads 10. Die Rotationsgeschwindigkeit des Schwungrads 10 ist hauptsächlich verantwortlich für die Energiespeicherkapazität aufgrund des Effekts, den das Quadrieren der Geschwindigkeit auf die Energiespeicherung hat. Folglich entwickeln Fachmänner Schwungräder 10, die mit immer größeren Geschwindigkeiten rotieren.
Somit erkennt ein Fachmann, dass ein effektives Mittel zum Erhöhen der Energiespeicherkapazität einer Schwungradanordnung 10 ein Maximieren des Trägheitsmoments durch Verwenden von hochreißfesten Materialien niederer Dichte, zum Beispiel Verbundfasermaterialien, an dem äußersten Verbundring 20 ist, wo das Energiespeicherpotential am größten ist. Allerdings ist die Verwendung von flexiblen Verbundmaterialien in Kombination mit Stahl oder steifen Metallverbindungen problematisch. In der Tat ist das Problem ein Kompatibilitätsproblem.
Das Kompatibilitätsproblem entsteht, wenn der Verbundring 20 bei höheren Geschwindigkeiten rotiert, wobei Zentrifugalkräfte Umfangs- und Radialspannungen erzeugen, die den Verbundring 20 veranlassen, radial zu „wachsen". Die Drehwelle 25 verformt sich praktisch nicht. Somit muss die Nabe 40 eine Halteplattform für den rotierenden, sich ausdehnenden Verbundring 20 bereitstellen und einen festen Presssitz mit der sich nicht ausdehnenden Drehwelle 25 für alle Betriebsgeschwindigkeiten beibehalten. Implizit im Halten des Verbundrings 30 ist eine Anforderung, einen wesentlichen Presssitz zwischen der Nabe 40 und dem Ring 20 beizubehalten, was nur möglich ist, wenn die Nabe 40 auch radial wächst. Als ein Ergebnis umfassen die Merkmale der Nabe 40, die am wünschenswertesten für eine sichere und befriedigende Leistung der Schwungradanordnung 10 sind: (i) eine hohe Materialfestigkeit um sicherzustellen, dass die Nabe 40 nicht versagt; (ii) aus reichende Flexibilität, um einen festen Presssitz mit dem sich radial verformenden Verbundring 20 beizubehalten; (iii) ausreichende Steifigkeit, um einen festen Presssitz mit der steifen, sich nicht ausdehnenden Drehwelle 25 beizubehalten; (iv) ausreichende Steifigkeit, um die kritische Geschwindigkeit weit über der Betriebsgeschwindigkeit zu halten; und (v) relativ geringe Materialdichte, um Spannungen aufgrund von Zentrifugalkräften wesentlich zu minimieren.
Eine ideale veranschaulichende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Nabe 40, die flexibel genug ist, um sich auszudehnen oder zu verformen, in radialer Richtung entsprechend dem Wachstum des Verbundrings 20, um Kontakt, d. h. einen festen Presssitz, zwischen dem Ring 20 und der Nabe 40 beizubehalten, und eine Nabe 40, die steif genug ist, so dass die kritische Geschwindigkeit der Schwungradanordnung 10 wesentlich höher ist als die Bauartbetriebsgeschwindigkeit des Schwungrads 10, was bedeutet, dass sich während einem normalen oder gewöhnlichen Betrieb die Rotationsgeschwindigkeit des Schwungrads 10 nicht der kritischen Geschwindigkeit für die Schwungradanordnung 10 annähert. Als ein Ergebnis umfassen geeignete Materialien für Naben 40 Aluminium, Stahl und Titan. Aus Sicht der Kosten wird allerdings Aluminium über Stahl oder Titan bevorzugt.
Schwungradnaben 40 nach dem Stand der Technik (1) sind allerdings typischerweise nicht flexibel genug, um einen festen Presssitz zwischen dem Verbundring 20 und der Nabe 40 während einer Verformung beizubehalten; und/oder sie sind nicht steif genug. Tatsächlich ist es ein häufiger Mangel des Stands der Technik, dass die kritische Geschwindigkeit einer Schwungradanordnung 10 wesentlich geringer ist als die Bauartbetriebsgeschwindigkeiten der herkömmlichen Schwungradanordnungen 10, was bedeutet, dass Schwungräder nach dem Stand der Technik fast ausschließlich die Schwungradanordnung 10 möglicherweise schädigenden oder zerstörenden Vibrationen aussetzen, wenn die Frequenz des Schwungradrotors dessen kritische Frequenz durchquert, bevor er seine Bauartbetriebsgeschwindigkeit erreicht.
Als ein Beispiel ist in 1 die Schwungradanordnung 10 von Flanagan et al. ( USP 4,860,611 ) gezeigt, die eine steife Metallwelle 25, eine einheitliche, ausdehnbare Metallnabe 40, und einen zusammengesetzten Ring 20, welcher einen inneren Ring 20b und einem äußeren Ring 20a enthält, umfasst. Der zusammengesetzte Ring 20 des Flanagan-Schwungrads 10 wird um die dehnbare Nabe 40 aufgeschrumpft, welche gekennzeichnet ist durch mehrere Speichen 50 und Ringabschnitte 60 zwischen benachbarten Speichen 50, die absichtlich dünner ausgestaltet wurden, um die Ringabschnitte 60 flexibler zu machen.
Flanagan et al. nimmt sich dem Inkompatibilitätsproblem an durch Vorschrumpfen des zusammengesetzten Rings 20 auf die Nabe 40 und des Weiteren indem die kritische Geschwindigkeit der Schwungradanordnung 10 wesentlich geringer gehalten wird als Bauartbetriebsgeschwindigkeiten. Somit behalten bei Betriebsgeschwindigkeiten geringer oder gleich einer kritischen Geschwindigkeit die Nabe 40 und der zusammengesetzte Ring 20 aufgrund der Vorschrumpfens einen festen Presssitz bei. Des Weiteren sollte bei geringen Betriebsgeschwindigkeiten, bei denen ein fester Presssitz beibehalten wird, nur eine minimale Trennung des zusammengesetzten Rings 20 von der Nabe 40 stattfinden, und darum sollten keine Vibrationen in Nähe der kritischen Geschwindigkeit Resonanz verursachen. Flanagan et al. lehrt des Weiteren, dass bei höheren Frequenzen, welche die kritische Frequenz übertreffen, der Resonanzpunkt bereits überschritten wurde, so dass es keine weiteren Bedenken bezüglich Resonanz gibt.
Im Vergleich ist die metallische Nabe 40 der vorliegenden Erfindung (2, 3 und 4) erkennbar steifer als die Flanagan-Nabe. Die zusätzliche Steifigkeit der metallischen Nabe 40 der vorliegenden Erfindung kann den Materialeigenschaften der Nabe 40 als auch ihrem Querschnitt und ihren Abmessungen zugeschrieben werden. Die Nabe 40 der offenbarten Erfindung erzeugt eine kritische Geschwindigkeit und eine kritische Frequenz, die die Bauartbetriebsgeschwindigkeiten bzw. Frequenzen der Schwungradanordnung 10 übersteigen, was einen Faktor von Sicherheit gegen Resonanz von größer eins erzeugt. Kritische Geschwindigkeit und kritische Frequenz sind wiederum als die Geschwindigkeit bzw. die Frequenz definiert, bei denen schädliche Resonanz auftritt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die kritische Geschwindigkeit (oder Frequenz) das zwischen ungefähr 1,40 und ungefähr 3-fache der Bauartbetriebsgeschwindigkeit (oder Frequenz) der Schwungradanordnung 10, wobei ein Sicherheitsfaktor gegen Resonanz zwischen ungefähr 40 und 200 Prozent bereitgestellt wird. Wohingegen die Flanagan-Nabe 40 lehrt, die kritische Geschwindigkeit der Schwungradanordnung 10 bei einer Geschwindigkeit, die viel geringer ist als die Bauartbetriebsgeschwindigkeit, zu erreichen, erzeugt die Steifigkeit der Nabe 40 der vorliegenden Erfindung als ein Ergebnis eine kritische Geschwindigkeit, die Bauartbetriebsgeschwindigkeiten wesentlich übersteigt.
Abmessungen und Materialeigenschaften der Nabe 40 werden typischerweise interaktiv bestimmt, zum Beispiel unter Verwendung von Finite-Elemente-Analysen und nachfolgend durch Testen eines Prototyps bestätigt. Für eine betriebsfähige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird Finite-Elemente-Software, zum Beispiel ANSYS, hergestellt von Swanson Analytical Systems, verwendet, um die Metallnabe 40 für eine er wünschte Bauartbetriebsgeschwindigkeit oder Frequenz zu bemessen.
Tatsächlich wird bei dieser veranschaulichenden betriebsfähigen Ausführungsform von einer Nabe 40 für eine Bauartbetriebsgeschwindigkeit von ungefähr 22.500 Umdrehungen pro Minute (RPM), was einer Bauartbetriebsfrequenz von 375 Hertz entspricht, verlangt, die benötigte Energiespeicherfähigkeit bereitzustellen. Ein Sicherheitsfaktor von zum Beispiel zwei (2) erfordert eine kritische Geschwindigkeit von ungefähr 45.000 RPM, welches einer kritischen Frequenz von 750 Hertz entspricht. Bei diesem veranschaulichenden Beispiel wird die Nabe 40 aus Aluminium hergestellt. Es sollte jedoch klar sein, dass ein Fachmann die vorliegende Erfindung unter Verwendung höherer oder geringerer Bauartbetriebsgeschwindigkeiten, höherer oder geringerer Sicherheitsfaktoren, und/oder verschiedenen Materialien benutzen kann, ohne vom Umfang und dem Gedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Die Nabe 40 der vorliegenden Erfindung weist einen zentralen Kern 70 in festem Presssitz mit einer steifen Drehwelle 25 auf. Die Nabe 40 wird auf die steife Drehwelle 25 durch Eintauchen der Drehwelle 25 in flüssigen Stickstoff und Erhitzen des zentralen Kerns 70, zum Beispiel in einem Ofen, auf ungefähr 250 Grad Fahrenheit aufgeschrumpft. Wenn der unterkühlte Schaft 25 und der erhitzte zentrale Kern 70 zusammengefügt wurden und Umgebungs- und/oder Bauartbetriebstemperaturen erreichen, besteht ungefähr eine diametrische Presssitztoleranz von 11 mm.
Abmessungen des zentralen Kerns 70 (Länge und Breite) werden sich als eine Funktion der Bauartbetriebsgeschwindigkeit und -frequenz des Schwungrads 20 ändern. Bei relativ hohen Betriebsgeschwindigkeiten wird ein Bereich des zentralen Kerns 75, welcher sich direkt unter dem Steg 80 befindet, weggezo gen oder getrennt von der Drehwelle 25, wobei eine Lücke oder ein Spalt erzeugt wird. Aus diesem Grund, um Stabilität beizubehalten, muss genügend des zentralen Kerns 70 in festem Presssitz mit der Drehwelle 25 bleiben, um jegliche Tendenz der Drehwelle 25 zu Vibrieren aufzuhalten. Bei der veranschaulichenden bevorzugten Ausführungsform für eine Bauartbetriebsgeschwindigkeit von ungefähr 22.500 RPM (375 Hertz) wird ein fester Presssitz zwischen dem zentralen Kern 70 und der Drehwelle 25 beibehalten, wenn mindestens ungefähr 1,8 Inch des zentralen Kerns 70 in festem Presssitz mit der Drehwelle 25 verbleiben. Eine Finite-Elemente-Analyse dieser Bauartparameter benötigt eine Stärke des zentralen Kerns 70 von ungefähr 1,3 Inch und eine Länge von ungefähr 6,7 Inch.
Sich radial von dem zentralen Kern 70 erstreckend befindet sich ein durchgängiger Steg 80 von näherungsweise gleichförmiger Stärke. Der Steg 80 weitet sich auf in Nähe wo der Steg 80 sich mit dem zentralen Kern 70 und dem äußeren Ring 80 vereint. Die Materialeigenschaften, die Stärke und die durchgängige Art des Stegs 80 stellen im Prinzip die Steifigkeit und Starrheit der Nabe 40 bereit. Aus diesem Grund ist die Nabe 40 steifer, je dicker der Steg 80 ist. Darüber hinaus unterstützen dickere Stege 80 höhere kritische Geschwindigkeiten. Im Vergleich sind die mehreren Speichen 50, im Zusammenhang mit Flanagan et al. nach dem Stand der Technik, nicht durchgängig und weniger steif. Folglich ist die kritische Geschwindigkeit des Stands der Technik geringer als die Bauartbetriebsgeschwindigkeiten von Schwungrädern 10 nach dem Stand der Technik.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform benötigen Drehwellen 25, die von mechanischen Lagern (nicht gezeigt) gehalten werden, eine Steg-80-Stärke, die mindestens ungefähr eine 40 Prozent Geschwindigkeitsmarge erzeugt, d. h. die kritische Frequenz sollte ungefähr 40 Prozent größer sein als die Bau artbetriebsfrequenz. Als ein Ergebnis beträgt für eine Welle 25, die von mechanischen Lagern gehalten wird, und eine Bauartbetriebsfrequenz von ungefähr 375 Hertz, die kritische Frequenz für eine Bauart ungefähr 525 Hertz. Finite-Elemente-Analyse dieser Bauartparameter benötigen eine Steg-80-Stärke von ungefähr 7/8 Inch (0,875 Inch).
Bei einer anderen Ausführungsform benötigen Drehwellen 25, die von aktiven magnetischen Lagern (nicht gezeigt) gehalten werden, eine Steg-80-Stärke, die mindestens ungefähr eine 200 Prozent Geschwindigkeitsmarge erzeugt, d. h. die kritische Frequenz sollte ungefähr 200 Prozent größer sein als die Bauartbetriebsfrequenz. Somit beträgt für eine Welle 25, die von aktiven magnetischen Lagern gehalten wird und eine Bauartbetriebsfrequenz von ungefähr 375 Hertz die kritische Frequenz für eine Bauart ungefähr 750 Hertz. Finite-Elemente-Analysen dieser Bauartparameter benötigen eine Steg-80-Stärke von ungefähr 2,4 Inch.
Der Steg 80 ist mit einem relativ dünnen, flanschförmigen äußeren Ring 90 verbunden. Der äußere Ring 90 befindet sich in festem Presssitz mit dem Verbundring 20, welcher aufgeschrumpft wurde, um den festen Presssitz bereitzustellen. Der Verbundring 20 kann an dem äußeren Ring 90 auf beliebige Weise angebracht werden. Bei einer veranschaulichenden Ausführungsform wird der Verbundring 20 in flüssigen Stickstoff getaucht und dann auf den äußeren Ring 90 gesetzt, wobei ein Presssitz mit einer diametrischen Toleranz von 35 mm bereitgestellt wird.
Die Abmessungen des äußeren Rings 90 werden gemäß den Abmessungen, der Bauartenergiespeicherkapazität und der Bauartbetriebsgeschwindigkeit des Schwungrads 10 als auch den Materialeigenschaften der Nabe 40 variieren. Somit kann eine Varia tion dieser Parameter von einem Fachmann durchgeführt werden, ohne von der Lehre dieser Erfindung abzuweichen.
Bei sehr hohen Betriebsgeschwindigkeiten kann ein Bereich des Verbundrings 95, welcher sich direkt unter dem Steg 80 befindet, von dem äußeren Ring 90 weggezogen werden oder sich von diesem trennen, wobei eine Lücke oder Spalte erzeugt wird. Aus diesem Grund, um Stabilität beizubehalten, muss genügend von dem äußeren Ring 90 in einem festen Presssitz mit dem Verbundring 20 verbleiben, um Vibrationen zu minimieren. Bei einer Ausführungsform kann ein fester Presssitz zwischen dem äußeren Ring 90 und dem Verbundring 20 beibehalten werden, wenn jeder Abschnitt des Flansches 90a, 90b eine Länge von ungefähr 5 Inch aufweist, was eine gesamte Länge einschließlich der Steg-80-Stärke von ungefähr 11 Inch ergibt, wenn die Welle 25 bei einer Bauartfrequenz von ungefähr 375 Hertz betrieben wird. Allerdings sind längere, kürzere und ungleiche Längen von Flanschabschnitt 90a, 90b bei der vorliegenden Erfindung möglich, solange ein ausreichender Teil des äußeren Rings 90 in Kontakt mit dem Verbundring 20 verbleibt.
Die Stärke des äußeren Rings 90 der vorliegenden Erfindung ist ungefähr gleichmäßig, außer in Nähe des Stegs 80. In der Tat erfordert eine Finite-Elemente-Analyse dieser Bauartparameter eine äußere Ring-90-Stärke von ungefähr 0,403 Inch. Der äußere Ring 90 ist wesentlich länger als der zentrale Kern 70, weil Zentrifugalkräfte an dem äußeren Ring 90 größer sind aufgrund des wesentlich längeren Hebelarms von der Drehachse (nicht gezeigt) zu dem äußeren Ring 90. Des Weiteren ist der Reibungskoeffizient zwischen der Stahldrehwelle 25 und der Nabe 40 größer als der Reibungskoeffizient zwischen dem Verbundring 20 und der Nabe 40. Somit wird eine längere Fläche benötigt, um die gleiche Größe von Reibungswiderstand an dem äußeren Ring 90 wie an dem zentralen Kern 70 bereitzustellen.
Ein Paar von Schienen 100a und 100b ist näherungsweise senkrecht zu der Fläche des äußeren Rings 90 ausgerichtet. Eine Schiene 100b dient als ein axialer Anschlag und ist von der Welle 25 weggerichtet und in Richtung des Verbundrings 20 gerichtet. Die axiale Anschlagschiene 100b stellt zusätzlichen Schutz dagegen bereit, dass der Verbundring 20 von der Nabe 40 während einer Hochgeschwindigkeitsrotation fällt. Tatsächlich wachsen die Nabe 40 und der Verbundring 20 bei sehr hohen Geschwindigkeiten in radialer Richtung, aber schrumpfen in axialer Richtung. Wenn die Nabe 40 mehr als der Verbundring 20 schrumpft, dann kann der Verbundring 20 möglicherweise von dem äußeren Ring 90 gleiten. Anordnen eines axialen Anschlags 100b in der Präzessionsrichtung stellt eine größere Sicherheit dagegen bereit, dass der Verbundring 20 von dem äußeren Ring 90 der Nabe 40 fällt.
Die andere Auswuchtungsschiene 100a, welche von dem Verbundring 20 weggerichtet und in Richtung der Welle 25 gerichtet ist, wird vorgesehen, um ein Auswuchten der Nabe 40 zu unterstützen. Durch ihre Ausgestaltung, zum Beispiel Abmessungen und/oder durch Anbringen von Auswuchtungsgewichten (nicht gezeigt) an diese, unterstützt die Auswuchtungsschiene 100a ein Verhindern von Unwuchten, die schädliche Vibrationen erzeugen könnten. Bei einer anderen Ausführungsform könnte eine zusätzliche Auswuchtungsschiene (nicht gezeigt) unter dem axialen Anschlag 100b hinzugefügt werden. Eine Finite-Elemente-Analyse dieser Bauartparameter erfordern eine Schienenlänge von ungefähr 0,25 Inch und eine Breite von ungefähr 0,107 Inch, wobei die Breite in eine Richtung gemessen wird, die senkrecht zu der Fläche des äußeren Rings 90 ist.
Der Verbundring 20 kann eine beliebige Anzahl von koaxialen Ringen 20a, 20b, 20c umfassen. Der Stand der Technik (1) zeigt einen zweiringigen Ring 20 mit einem inneren Ring 20b und einem äußeren Ring 20a, 2 zeigt einen dreiringigen Ring 20, der einen inneren Ring 20a, einen mittleren Ring 20b und einen äußeren Ring 20c umfasst. Bei einer Anzahl verschiedener Ausführungsformen reicht die Anzahl von Ringen, die der Verbundring 20 der vorliegenden Erfindung umfasst, von eins (1) bis fünf (5). Allerdings gibt es keinen Grund, warum nicht mehr als fünf Ringe in einem Verbundring 20 verwendet werden können.
Die Nabe 40 der vorliegenden Erfindung kann aus jeglichem hochstarken Metall oder jeglicher hochstarken Legierung hergestellt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist Aluminium das wirtschaftlichste Material für die Nabe 40. Allerdings funktionieren Stahl und Titan ebenfalls gut.

Die folgende Tabelle fasst Ergebnisse von Finite-Elemente-Analysen für eine Aluminium-Nabe 40 mit einer angenommenen Bauartbetriebsgeschwindigkeit von 22.500 RPM (375 Hertz) zusammen:

	Sicherheitsfaktor = 1,4
Kritische Geschwindigkeit (RPM)	31.500
Kritische Frequenz (Hz)	525
Gesamter Durchmesser von Nabe	12,596 Inch
Länge äußerer Ring	10,920 Inch
Stärke äußerer Ring	0,403 Inch
Stegstärke	0,875 Inch
Länge zentraler Kern	6,700 Inch
Stärke zentraler Kern	1,307 Inch

Die Drehwelle 25 eines Energiespeichersystems, das die vorliegende Erfindung umfasst, ist fähig, Betriebsgeschwindigkeiten von ungefähr 22.500 RPM (375 Hertz) zu erreichen, welches wesentlich mehr kinetische Energie in dem Schwungrad 10 speichert. Bei relativ geringen Rotationsgeschwindigkeiten ist die Wirkung der Rotation auf den Verbundring 20 minimal, d. h. es findet eine vernachlässigbare oder keine Verformung des Verbundrings 20 statt. Wenn sich die Rotationsgeschwindigkeit erhöht, kann der Verbundring 20 beginnen, sich radial zu deformieren. Wenn sich der Verbundring 20 deformiert, dehnt sich der äußere Ring 90 der steifen Metallnabe 40 entsprechend aus, was zwei Dinge erreicht. Zunächst behält das Dehnen der Nabe 40 einen festen Presssitz zwischen der Nabe 40 und Verbundring 20 bei. Dieses minimiert Abnutzung und Verschleiß zwischen der Nabe 40 und dem Verbundring 20. Darüber hinaus und zweitens minimiert ein fester Presssitz Vibrationen wesentlich, welche für die Drehwelle 25 oder andere Teile des Energiespeichersystems schädlich oder zerstörerisch sein könnten. Weil die Nabe 40 steif ist, ist die kritische Geschwindigkeit durch die Bauart größer als Bauartbetriebsgeschwindigkeiten. Somit ist es so gut wie sicher, dass die Vibrationen keine Resonanz erzeugen werden, sogar wenn ein Schwungrad 10 Vibrationen erzeugt.

Claims

Schwungradanordnung für eine Energiespeichervorrichtung, die eine steife, metallische Nabe (40) umfasst, wobei die Nabe eine kritische Geschwindigkeit erzeugt, die eine Bauartbetriebsgeschwindigkeit der Schwungradanordnung übersteigt, wobei die steife, metallische Nabe umfasst: einen zentralen Kern (70) in einem festen Presssitz mit einer Drehwelle der Schwungradanordnung; einen äußeren Ringabschnitt (90) in festem Presssitz mit einem hochfesten Verbundfaserring niedriger Dichte der Schwungradanordnung; und einen Stegabschnitt, der einstückig mit dem zentralen Kern (70) und dem äußeren Ringabschnitt ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stegabschnitt (80) im Wesentlichen eben ist, wobei der Stegabschnitt in Umfangsrichtung durchgängig ist, der Stegabschnitt im Wesentlichen eben ist wenn sich die Nabe im Stillstand befindet, der gesamte Stegabschnitt (80) sich in radialer Richtung erstreckt, und der Stegabschnitt eine im Wesentlichen konstante Stärke in einer axialen Richtung aufweist.
Schwungradanordnung nach Anspruch 1, wobei der äußere Ring einen axialen Anschlag (100b) umfasst, der verhindert, dass der Verbundfaserring von dem äußeren Ring der Nabe während einem Hochgeschwindigkeitsbetrieb abfällt.
Schwungradanordnung nach Anspruch 1, wobei die Nabe aus einem Material hergestellt ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Aluminium, Titan und Stahl umfasst.
Schwungradanordnung nach Anspruch 1, wobei der zentrale Kern (70) eine vorbestimmte Länge aufweist wodurch ein vorbestimmter minimaler Teil des zentralen Kerns in einem festen Presssitz mit der Welle während einem Betrieb der Nabe bleibt.
Schwungradanordnung nach Anspruch 1, wobei die kritische Geschwindigkeit zwischen ungefähr 1,4 und ungefähr 3-mal der Bauartbetriebsgeschwindigkeit der Schwungradanordnung beträgt.
Schwungradanordnung nach Anspruch 1, wobei bei hohen Betriebsgeschwindigkeiten der äußere Ringabschnitt (90) fähig ist, sich in radialer Richtung entsprechend einer radialen Verformung des Verbundfaserrings der Schwungradanordnung zu verformen, um einen festen Presssitz beizubehalten, um im Wesentlichen Vibrationen zu minimieren.
Schwungradanordnung nach Anspruch 1, wobei die Bauartbetriebsgeschwindigkeit der Schwungradanordnung ungefähr 22.500 Umdrehungen pro Minute beträgt.
Schwungradanordnung nach Anspruch 1, wobei der zentrale Kern (70) eine kritische Länge aufweist, um einen festen Presssitz mit der Drehwelle der Schwungradanordnung beizubehalten, wobei die kritische Länge ungefähr 4,6 cm bei einer Betriebsgeschwindigkeit von ungefähr 22.500 Umdrehungen pro Minute beträgt.
Schwungradanordnung nach Anspruch 1, wobei der äußere Ringabschnitt (90) eine kritische Länge aufweist, um einen festen Presssitz mit dem Verbundfaserring der Schwungradanordnung beizubehalten, wobei die kritische Länge ungefähr 25 cm für eine Betriebsgeschwindigkeit von ungefähr 22.500 Umdrehungen pro Minute beträgt.
Schwungradanordnung nach Anspruch 1, wobei der Stegabschnitt eine Stärke von ungefähr 2,2 cm bei einer Betriebsge schwindigkeit von ungefähr 22.500 Umdrehungen pro Minute aufweist, wenn die Drehwelle von mechanischen Lagern gehalten wird.
Schwungradanordnung nach Anspruch 1, wobei der Stegabschnitt (80) eine Stärke von ungefähr 6,1 cm bei einer Betriebsgeschwindigkeit von ungefähr 22.500 Umdrehungen pro Minute aufweist, wenn die Drehwelle von magnetischen Lagern gehalten wird.
Schwungradanordnung nach Anspruch 1, wobei der äußere Ring mindestens eine Auswuchtungsschiene zum Auswuchten der Schwungradanordnung umfasst, um im Wesentlichen Vibrationen zu minimieren.