專利名稱：一種大型平面渦卷彈簧的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及渦卷彈簧，特別是涉及用于發電機儲能的一種大型平面渦卷彈
O
背景技術：
平面渦卷彈簧，又名發條彈簧，是螺旋線在一個平面內的彈簧，其一端固定而另一端作用有扭矩；在扭矩作用下彈簧材料產生彎曲彈性變形，使彈簧在平面內產生扭轉，其變形角的大小與扭矩成正比。目前，出現了采用平面渦卷彈簧的機械式渦簧儲能箱，其作為蓄能裝置來儲存風力發電機組的多余風能。作為機械式儲能裝置，機械式渦簧儲能箱具有結構簡單、成本低、 可控性好、對環境無特殊要求、轉換效率高、無污染等優點，同時，機械式渦簧儲能箱還可以調控風力發電機組低速軸的轉速，保障發電機輸入轉速的穩定，在電力系統中具有推廣應用的前景。圖1是現有機械式渦簧儲能箱的示意圖，如圖1所顯示，機械式渦簧儲能箱由箱體 13、渦簧(平面渦卷彈簧)14和主軸10構成，主軸10貫穿箱體13且轉動支撐在箱體13上， 渦簧14位于箱體13內部，渦簧14的固定端固定在箱體13上，渦簧14的自由端和主軸10 連接。其儲能過程如下外部動力傳遞到主軸10，主軸10旋轉帶動渦簧14的自由端轉動， 從而旋緊渦簧14，使渦簧14儲存能量。其釋能過程如下旋緊的渦簧14在彈簧力的作用下放松，自由端帶動主軸10轉動，從而主軸10將能量輸送到外部裝置。可見，渦簧儲能結構是采用平面渦卷彈簧的彈性勢能達到存儲和釋放能量的目的，相比其他儲能方式，具有很大的優勢和發展潛力。但是，現有渦簧儲能結構仍然存在以下缺點1)基于結構上的原因，渦簧儲存的能量有限，如果要作為發電機的儲能裝置，需要大幅增加渦簧的尺寸和強度，就是在增大渦簧能量的存儲量同時，渦簧的質量也在大幅增加，這需要使用大量的儲能材料，成本高昂。2)增大渦簧的能量存儲能力后，渦簧的尺寸過大，不利于對大型渦簧的工作情況進行實時控制。因此，如何在增大渦簧的能量存儲能力的同時，控制渦簧的質量，是有待解決的技術問題。
實用新型內容本實用新型實施例的目的是提供一種大型平面渦卷彈簧，能夠在增大渦簧的能量存儲能力的同時，控制渦簧的質量，大幅度的提高大型平面渦卷彈簧的儲能密度。為了實現上述目的，本實用新型提供了一種大型平面渦卷彈簧，其包括沿左右方向并排排列的多根開槽渦簧片；所述開槽渦簧片左右對稱，并且左右兩側具有凹槽；所述凹槽上下對稱，對稱中心線位于所述渦簧片彎曲工作時扭矩的中性面上，所述凹槽在對稱中心線處最深，并且由所述中心線向上下兩端平滑過渡。優選地，上述的大型平面渦卷彈簧中，所述凹槽為半橢圓形凹槽。優選地，上述的大型平面渦卷彈簧中，所述凹槽為半圓形凹槽。優選地，上述的大型平面渦卷彈簧中，所述開槽渦簧片具有矩形截面，所述半圓形凹槽開在所述矩形截面的左右兩側。優選地，上述的大型平面渦卷彈簧中，所述大型平面渦卷彈簧具有長條形截面，相鄰的所述開槽渦簧片的所述半圓形凹槽相互對合，在所述長條形截面上形成多個圓形槽。優選地，上述的大型平面渦卷彈簧中，半圓形凹槽的半徑介于所述矩形截面的寬度的1/3到3/8之間。優選地，上述的大型平面渦卷彈簧中，所述大型平面渦卷彈簧位于儲能裝置的箱體內部，所述大型平面渦卷彈簧的一端固定在所述箱體上，另一端固定在貫穿所述箱體的主軸上。本實用新型實施例至少存在以下技術效果1)本實用新型根據渦簧工作時的受力原理，減少渦簧片的中性面處的材料，即在渦簧片的中性面附近制作出圓形或橢圓形孔槽，將對渦簧的抗彎強度影響小的部分材料去除掉，保留對渦簧抗彎強度影響大的部分，從而在承受的扭矩沒有明顯下降的情況下，減少了大量材料，大大提高了渦簧的儲能密度。2)本實用新型采用開槽渦簧片并排排列組合形成大型平面渦卷彈簧，因為在開槽渦簧片兩側加工半圓形或半橢圓形凹槽比較容易，相對于在整塊材料上直接打貫通的圓孔來說，這種半圓形或半橢圓形凹槽材料拼接的大型平面渦卷彈簧大大降低了加工難度。3)開槽渦簧片兩側采用半圓形或半橢圓形凹槽，使得開槽渦簧片的實體結構是從中性面向遠離中性面的兩端呈弧形逐漸增大厚度，這就避免了應力集中，增加了渦簧片的抗折斷能力。4)由圖4可以看出，在沒有明顯降低儲能量的條件下，減少的橫截面積超過了 1/3，也就是節約了 1/3的材料，儲能密度提高了 30%以上。5)本實用新型大大增加了渦簧儲能密度，可以在控制渦簧質量的條件下生產出具有很大儲能能力的大型渦簧，從而為風力發電機提供了良好的儲能裝置，提高了風力發電系統的穩定性和市場競爭力。
圖1為現有技術的機械式渦簧儲能箱的示意圖；圖2為本實用新型大型平面渦卷彈簧的長條形截面的示意圖；圖3為本實用新型開槽渦簧片的結構圖；圖4為本實用新型半圓形開槽渦簧片的結構圖；圖5為本實用新型由半圓形開槽渦簧片組合成的大型平面渦卷彈簧的長條形截面的示意圖；圖6為本實用新型本風力發電機組的儲能裝置的剖視圖；圖7為本實用新型本風力發電機組的儲能裝置的主視圖。附圖標記說明如下[0033]箱體13、渦簧14、主軸10開槽渦簧片30、凹槽301、中性面40大型平面渦卷彈簧501、箱體502、主軸503、支架50具體實施方式
為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對具體實施例進行詳細描述。傳統的平面渦卷彈簧的結構尺寸有一定的限制，一般厚度不超過4mm，寬度不超過 80mm。在基于大型渦簧的機械式儲能方式中使用的渦簧，其厚度、寬度和長度的尺寸比傳統渦簧要大很多，相應的渦簧質量也要增大。對于這種大型的儲能渦簧，本實用新型提供了一種大型平面渦卷彈簧，圖2為本實用新型大型平面渦卷彈簧的長條形截面的示意圖，圖3為本實用新型開槽渦簧片的結構圖；如圖2圖3所示，本實用新型實施例的大型平面渦卷彈簧包括沿左右方向并排排列的多根開槽渦簧片30 ；所述開槽渦簧片左右對稱，并且左右兩側具有凹槽301 ；所述凹槽301上下對稱，對稱中心線位于所述渦簧片彎曲工作時扭矩的中性面40 上，所述凹槽301在對稱中心線處最深，并且由所述中心線向上下兩端平滑過渡。可見，本實用新型是提出了一種新型的平面渦卷彈簧的結構設計，根據渦簧工作時的受力原理，減少渦簧片中性面處的材料，即在渦簧片的中性面附近制作出凹槽，將對渦簧的抗彎強度影響小的中性面處的部分材料去除掉，保留對渦簧抗彎強度影響大的部分， 從而減少渦簧片橫截面積，保持渦簧承受的扭矩沒有明顯下降，旋緊后存儲的能量變化不大，達到提高渦簧的儲能密度的目的。如圖2圖3所示，所述凹槽為半橢圓形凹槽。使得開槽渦簧片的實體結構是從中性面向遠離中性面的兩端呈圓弧形逐漸增大厚度，也就是對彎矩影響小的中性面處材料去除的最多，使得在大大減低質量的情況下，渦簧承受的扭矩沒有明顯下降。并且，半橢圓的弧形過渡避免了應力集中，增加了渦簧片的抗折斷能力。在另一實施例中，凹槽可以為半圓形，圖4為本實用新型半圓形開槽渦簧片的結構圖，如圖4所示，開槽渦簧片30是在矩形截面的結構基礎上，在兩個側面分別制作兩個對稱的半圓槽，半圓槽的圓心放置在渦簧片受工作扭矩的彎曲中性面上，保證開槽渦簧片30 的結構是從中性面向遠離中性面的兩端，呈圓弧形逐漸增大厚度。其中，所述開槽渦簧片可以是在鋼材成型時直接拉壓成型的方式獲得，也可以通過對鋼材進行冷加工的方式獲得。圖5為本實用新型由半圓形開槽渦簧片組合成的大型平面渦卷彈簧的長條形截面的示意圖，相鄰的開槽渦簧片的半圓槽相對合，使大型平面渦卷彈簧的長條形截面上形成多個圓形槽。
,,,EI ImEI根據彎矩的公式-J渦簧片所受到的彎矩T等同于渦簧的工作扭
矩，渦簧的工作扭矩T與慣性矩I成正比，慣性矩I與簧片的橫截面形狀和尺寸有關。其中 η是渦簧的工作圖數，E是渦簧片的彈性模量，I是渦簧片的慣性矩，1是渦簧片的長度。[0046]矩形截面的慣性矩= γ如圖4，b是橫截面的左右方向寬度，h是橫截面上下方向厚度。
TdJ4圓形截面的慣性矩/其中，D是半圓槽的直徑。 因此，圖4所示的開槽渦簧片30的慣性矩其中b > 0，且1! > D。所以，異型渦簧組工作扭矩的公式可以寫成義=根據以上的公式說明，當h = 0的時候，I = 0，渦簧片的中性面處彎矩等于零，對渦簧的彈性勢能儲量沒有影響，大量的減少渦簧片中性面附近的材料，對渦簧的慣性矩I 影響很小，對渦簧的工作扭矩也沒大的影響。可見，開槽渦簧片的這種結構可以使得開槽渦簧片承受的工作扭矩與傳統的矩形截面的平面渦簧沒有大的差別，但是開槽渦簧片的質量比傳統的簧片減輕了很多。在實際應用中，開槽渦簧片的截面中心不能太薄，可以保持原來的1/3到1/4的寬度，也就是半圓槽的半徑介于b/3到北/8之間，這個范圍可以即保持了一定的強度也最大限度的降低了渦簧片的截面積，也就是最大限度降低了質量，其中，h > b。因此，本實用新型實施例是提出了一種新型的平面渦卷彈簧的結構設計，針對傳統的平面渦卷彈簧的矩形截面，以及根據渦簧工作時的受力原理，減少渦簧片中性面處的材料，即在渦簧片的中性面附近制作出圓形孔槽，將對渦簧的抗彎強度影響小的部分材料去除掉，保留對渦簧抗彎強度影響大的部分，從而減少渦簧片橫截面積，保持渦簧承受的扭矩沒有明顯下降，旋緊后存儲的能量變化不大，達到提高渦簧的儲能密度的目的。本實用新型實施例還提供了一種風力發電機組的儲能裝置，圖6為儲能裝置的剖視圖，如圖6所示，儲能裝置包括箱體502、大型平面渦卷彈簧501和主軸503 ；所述主軸 503貫穿所述箱體502，所述大型平面渦卷彈簧501位于所述箱體502內部，所述大型平面渦卷彈簧501的一端固定在所述箱體502上，另一端固定在所述主軸503上；其中，所述大型平面渦卷彈簧501包括沿左右方向并排排列的多根開槽渦簧片30 ；所述開槽渦簧片左右對稱，并且左右兩側具有半圓形凹槽；所述半圓形凹槽的圓心位于所述渦簧片彎曲工作時扭矩的中性面上。圖7為本實用新型本風力發電機組的儲能裝置的主視圖，如圖所示，主軸503安裝在支架504的軸承上。箱體502與支架504 —樣固定在地面。本實用新型儲能裝置的工作過程是在儲存能量的時候，外來扭矩驅動主軸503旋轉，箱體502始終固定在地面，主軸 503驅動安裝在主軸上的多根開槽渦簧片30組成的大型平面渦卷彈簧501旋緊，把外來的扭矩轉化為彈性勢能存儲在儲能裝置里。在釋放能量的時候，箱體502始終固定在地面，存儲在大型平面渦卷彈簧501中的彈性勢能驅動釋放，驅動主軸503逆向旋轉，存儲的彈性勢能轉化為扭矩做功，由主軸503 輸出。
6[0061]在儲能和釋能的過程中，多根開槽渦簧片30并排壓緊相互作用，可以抵消簧片窄小而可能導致的剛度不足現象。以在渦簧箱組建的強度允許的前提下，渦簧箱內可以大量并排安裝開槽渦簧片30，不存在簧片寬度過大導致的剛度不足問題。可見，本實用新型實施例具有以下優勢1)本實用新型根據渦簧工作時的受力原理，減少渦簧片的中性面處的材料，即在渦簧片的中性面附近制作出圓形或橢圓形孔槽，將對渦簧的抗彎強度影響小的部分材料去除掉，保留對渦簧抗彎強度影響大的部分，從而在承受的扭矩沒有明顯下降的情況下，減少了大量材料，大大提高了渦簧的儲能密度。2)本實用新型采用開槽渦簧片并排排列組合形成大型平面渦卷彈簧，因為在開槽渦簧片兩側加工半圓形或半橢圓形凹槽比較容易，相對于在整塊材料上直接打貫通的圓孔來說，這種半圓形或半橢圓形凹槽材料拼接的大型平面渦卷彈簧大大降低了加工難度。3)開槽渦簧片兩側采用半圓形或半橢圓形凹槽，使得開槽渦簧片的結構是從中性面向遠離中性面的兩端呈弧形逐漸增大厚度，這就避免了應力集中，增加了渦簧片的抗折斷能力。4)由圖4可以看出，在沒有明顯降低儲能量的條件下，減少的橫截面積超過了 1/3，也就是節約了 1/3的材料，儲能密度提高了 30%以上。5)本實用新型大大增加了渦簧儲能密度，可以在控制渦簧質量的條件下生產出具有很大儲能能力的大型渦簧，從而為風力發電機提供了良好的儲能裝置，提高了風力發電系統的穩定性和市場競爭力。以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。
權利要求1.一種大型平面渦卷彈簧，其特征在于，包括沿左右方向并排排列的多根開槽渦簧片；所述開槽渦簧片左右對稱，并且左右兩側具有凹槽；所述凹槽上下對稱，對稱中心線位于所述渦簧片彎曲工作時扭矩的中性面上，所述凹槽在對稱中心線處最深，并且由所述中心線向上下兩端平滑過渡。
2.根據權利要求1所述的大型平面渦卷彈簧，其特征在于，所述凹槽為半橢圓形凹槽。
3.根據權利要求1所述的大型平面渦卷彈簧，其特征在于，所述凹槽為半圓形凹槽。
4.根據權利要求3所述的大型平面渦卷彈簧，其特征在于，所述開槽渦簧片具有矩形截面，所述半圓形凹槽開在所述矩形截面的左右兩側。
5.根據權利要求4所述的大型平面渦卷彈簧，其特征在于，所述大型平面渦卷彈簧具有長條形截面，相鄰的所述開槽渦簧片的所述半圓形凹槽相互對合，在所述長條形截面上形成多個圓形槽。
6.根據權利要求5所述的大型平面渦卷彈簧，其特征在于，半圓形凹槽的半徑介于所述矩形截面的寬度的1/3到3/8之間。
7.根據權利要求5所述的大型平面渦卷彈簧，其特征在于，所述大型平面渦卷彈簧位于儲能裝置的箱體內部，所述大型平面渦卷彈簧的一端固定在所述箱體上，另一端固定在貫穿所述箱體的主軸上。
專利摘要本實用新型提供一種大型平面渦卷彈簧，其包括沿左右方向并排排列的多根開槽渦簧片；所述開槽渦簧片左右對稱，并且左右兩側具有凹槽；所述凹槽上下對稱，對稱中心線位于所述渦簧片彎曲工作時扭矩的中性面上，所述凹槽在對稱中心線處最深，并且由所述中心線向上下兩端平滑過渡。本實用新型根據渦簧工作時的受力原理，減少渦簧片的中性面處的材料，即在渦簧片的中性面附近制作出圓形或橢圓形孔槽，將對渦簧的抗彎強度影響小的部分材料去除掉，保留對渦簧抗彎強度影響大的部分，從而在承受的扭矩沒有明顯下降的情況下，減少了大量材料，大大提高了渦簧的儲能密度。
文檔編號F16F15/08GK202176664SQ20112028732
公開日2012年3月28日 申請日期2011年8月9日 優先權日2011年8月9日
發明者余洋, 湯敬秋, 王璋奇, 米增強 申請人:華北電力大學(保定)