本申請為分案申請，原申請的申請日是2013年4月2日，申請?zhí)柺?01310112110.2，發(fā)明名稱為“空心式飛輪架構(gòu)”。

本公開內(nèi)容涉及飛輪能量儲(chǔ)存裝置，并且更具體而言涉及具有改進(jìn)的穩(wěn)定性和性能的無輪轂或空心式飛輪儲(chǔ)存裝置。

背景技術(shù)：

已知飛輪能量儲(chǔ)存裝置和系統(tǒng)用于儲(chǔ)存能量并且根據(jù)需要釋放儲(chǔ)存的能量。已知的飛輪組件具有有時(shí)由碳纖維復(fù)合材料制成的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)。這些轉(zhuǎn)子具有軸，在軸上安裝有電動(dòng)/發(fā)電機(jī)(m/g)和軸承永久磁體(pm)。軸通常經(jīng)由輪轂連接至邊沿。軸-輪轂型(shaft-and-hub)飛輪設(shè)計(jì)就其可達(dá)到的上限速度(upper-endvelocity)而言是有限的。為飛輪組件中的部件匹配可用的材料是有問題的，因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)子速度增加部件的徑向增長不一樣。輪轂必須將軸機(jī)械地聯(lián)接至邊沿，并且在飛輪運(yùn)行速度范圍內(nèi)的運(yùn)行頻率范圍內(nèi)不將彎曲模式引入轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中。但是，軸通常展現(xiàn)可忽略的徑向增長，而邊沿展現(xiàn)顯著的徑向增長。飛輪運(yùn)行期間部件增長的這種不平衡限制了飛輪性能并且可導(dǎo)致飛輪系統(tǒng)故障。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開內(nèi)容涉及飛輪和飛輪架構(gòu)，該飛輪架構(gòu)消除材料增長匹配問題并且避免另外地在各種頻率和速度下發(fā)生的徑向增長和彎曲模式問題。更具體而言，本文公開的是具有與軸-輪轂型架構(gòu)相對的“空心式”(無輪轂)架構(gòu)的飛輪組件。

本公開內(nèi)容涉及新型空心式飛輪能量儲(chǔ)存系統(tǒng)，其將獲得高能量、大功率密度和效率，同時(shí)具有顯著降低的尺寸輪廓。本公開內(nèi)容的飛輪儲(chǔ)存系統(tǒng)包括高溫超導(dǎo)(hts)軸承和包括高強(qiáng)度材料的轉(zhuǎn)子。優(yōu)選的高強(qiáng)度材料包括但不限于含碳纖維的材料、含玻璃纖維的材料、含金屬的材料等，以及其組合。

本公開內(nèi)容的制造的轉(zhuǎn)子中固有的期望性質(zhì)使得飛輪性能在以下方面顯著改進(jìn)：顯著增加的速度、增加的動(dòng)力儲(chǔ)存/產(chǎn)生和提高的系統(tǒng)耐久性。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了用于儲(chǔ)存和釋放能量的飛輪組件，其包括具有轉(zhuǎn)子的中空的大致圓柱形的轉(zhuǎn)子組件，所述轉(zhuǎn)子具有內(nèi)表面和外表面。轉(zhuǎn)子包括優(yōu)選地具有大約2gpa至大約20gpa的優(yōu)選的抗拉強(qiáng)度的材料。極其貼近轉(zhuǎn)子組件放置定子組件，至少一個(gè)柔性轉(zhuǎn)子磁體附接(affixe)到轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面并且至少一個(gè)定子磁體附接到定子。柔性轉(zhuǎn)子磁體優(yōu)選地包括febnd粉末。定子磁體在靜止時(shí)具有引力值，并且設(shè)定尺寸為預(yù)定的寬度以便當(dāng)轉(zhuǎn)子以大約300m/s至大約3000m/s的圓周速度運(yùn)行時(shí)基本上保持與轉(zhuǎn)子的引力值。轉(zhuǎn)子磁體和定子磁體相對于彼此放置以便在運(yùn)行期間促進(jìn)轉(zhuǎn)子的懸浮。飛輪架構(gòu)優(yōu)選為空心式架構(gòu)，其中在運(yùn)行期間轉(zhuǎn)子優(yōu)選地在其外半徑處達(dá)到大約300m/s至大約3000m/s的速度。

有利地，組件包括空心式架構(gòu)。

有利地，轉(zhuǎn)子在運(yùn)行期間達(dá)到大約300m/s至大約3000m/s的速度。

有利地，轉(zhuǎn)子由選自含碳纖維的材料、含玻璃纖維的材料、含金屬的材料以及其組合的材料制成。優(yōu)選地，材料包括選自石墨、e型玻璃、s型玻璃、二氧化硅、鋁、鈦、鋼以及其組合的材料的基體。

有利地，轉(zhuǎn)子包括含碳納米管的材料。優(yōu)選地，含碳納米管的材料包括含多壁碳納米管的材料。

有利地，柔性轉(zhuǎn)子磁體包括具有大約0.01gpa至大約2gpa的楊氏模量的材料。

有利地，柔性轉(zhuǎn)子磁體包括febnd粉末。

根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步方面，提供了用于空心式飛輪組件的飛輪轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子包括：大約2gpa至大約20gpa的抗拉強(qiáng)度，在大約300m/s至大約3000m/s的圓周速度時(shí)所述轉(zhuǎn)子能夠徑向向外延伸。

有利地，轉(zhuǎn)子由選自含碳纖維的材料、含玻璃纖維的材料、含金屬的材料以及其組合的材料制成。

有利地，材料包括選自石墨、e型玻璃、s型玻璃、二氧化硅、鋁、鈦、鋼以及其組合的材料的基體。

有利地，含碳纖維的材料是含碳納米管的材料。

根據(jù)本發(fā)明的又進(jìn)一步方面，提供了儲(chǔ)存用于隨后按需要釋放的能量的方法，其包括提供包括轉(zhuǎn)子的中空的大致圓柱形的轉(zhuǎn)子組件，所述轉(zhuǎn)子具有內(nèi)表面和外表面。轉(zhuǎn)子包括含碳纖維、含玻璃纖維或含金屬的材料(或其組合)，其中材料具有大約2gpa至大約20gpa的抗拉強(qiáng)度。極其貼近轉(zhuǎn)子組件提供和放置定子組件，優(yōu)選地在空心式架構(gòu)中。至少一個(gè)柔性轉(zhuǎn)子磁體附接到轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面，并且定子和轉(zhuǎn)子相對于彼此放置以便在運(yùn)行期間促進(jìn)轉(zhuǎn)子的懸浮。優(yōu)選地，在運(yùn)行期間轉(zhuǎn)子在其外半徑處達(dá)到大約300m/s至大約3000m/s的圓周速度。含碳纖維、含玻璃纖維或含金屬的材料優(yōu)選地包括選自石墨、e型玻璃、s型玻璃、二氧化硅、鋁、鈦、鋼以及其組合的材料的基體。一種特別優(yōu)選的材料是含碳納米管的材料，并且優(yōu)選為含單壁碳納米管的材料。

在優(yōu)選的變型中，飛輪組件特別地用作可持續(xù)的動(dòng)力源，用于固定式應(yīng)用和移動(dòng)式應(yīng)用，比如，例如有人駕駛的和無人駕駛的交通工具，包括航空器、航天器以及地面和水面(surface)及水下交通工具等等。

附圖簡述

已經(jīng)概括性地描述了本公開內(nèi)容的變型，現(xiàn)將參考附圖，其不必按比例繪制，并且其中：

圖1(a)是現(xiàn)有技術(shù)軸-輪轂型飛輪組件的橫截面圖；

圖1(b)是空心式飛輪組件的橫截面圖；

圖2是高溫超導(dǎo)軸承的部分分解圖；

圖3是顯示低位海爾貝克陣列(low-orderhalbacharray)的定向磁化的網(wǎng)格；

圖4是顯示完整極距圓周長度上方的徑向磁場的圖表；

圖5是比較空心式與軸-輪轂型飛輪的旋轉(zhuǎn)速率和電壓的圖表；

圖6是圖1(b)中所示的可選飛輪組件的特寫橫截面圖；

圖7是圖1(b)中所示的飛輪組件的特寫橫截面圖；

圖8(a)-8(e)與圖9(a)和9(b)是各種軸承構(gòu)造和磁化的特寫橫截面圖；

圖10是本公開內(nèi)容的變型的剖面圖，其顯示轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面，顯示具有磁化方向的pm；并且

圖11是本公開內(nèi)容的變型的剖面圖，顯示轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面，顯示pm和銅導(dǎo)體。

具體實(shí)施方式

根據(jù)本公開內(nèi)容，存在一些關(guān)鍵的技術(shù)，其被并入空心式飛輪架構(gòu)中，以在飛輪能量儲(chǔ)存裝置中實(shí)現(xiàn)期望的高能量密度，從而獲得優(yōu)異的結(jié)果和性能。這些進(jìn)展包括并入由高強(qiáng)度材料制成的轉(zhuǎn)子，以及用高溫超導(dǎo)(hts)軸承技術(shù)將轉(zhuǎn)子并入空心式(無輪轂)飛輪架構(gòu)中。

碳納米管(cnt)是具有圓柱形納米結(jié)構(gòu)的碳的同素異形體。納米管已被構(gòu)造為具有高達(dá)132,000,000：1的長度直徑比，顯著大于任何其它材料。這些圓柱形碳分子具有不同尋常的性質(zhì)，其對于納米技術(shù)、電子學(xué)、光學(xué)以及其它材料科學(xué)和技術(shù)的領(lǐng)域是有價(jià)值的。由于其導(dǎo)熱性以及機(jī)械和電性質(zhì)，碳納米管可作為添加劑應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)材料。納米管分為單壁納米管(swnt)和多壁納米管(mwnt)。單個(gè)納米管自然地將其本身排列為由范德華力，更具體地，pi堆積(pi-stacking)保持在一起的“繩(rope)”。

就抗拉強(qiáng)度和彈性模量而言，cnt位于已發(fā)現(xiàn)的最強(qiáng)的和最硬的材料之列。這種強(qiáng)度源于在單個(gè)碳原子之間形成的共價(jià)sp²鍵。mwcnt經(jīng)測試具有大約63吉帕斯卡(gigapascal)(gpa)的抗拉強(qiáng)度。為了進(jìn)行說明，這解釋為在具有1mm²橫截面的光纜上承受重量等于6422kg的張力的能力。單個(gè)cnt殼具有高達(dá)大約100gpa的強(qiáng)度。由于cnt相對于固體具有大約1.3至大約1.4g/cm³的低密度，所以與例如具有大約154kn·m·kg^-1的比強(qiáng)度的高強(qiáng)度碳鋼相比，其高達(dá)大約48,000kn·m·kg^-1的比強(qiáng)度是已知材料中最好的。

雖然單個(gè)cnt殼的強(qiáng)度極高，但相鄰殼和管之間的弱剪切相互作用導(dǎo)致多壁碳納米管和碳納米管束的有效強(qiáng)度顯著降低至僅僅幾gpa。然而，施加使內(nèi)殼和管交聯(lián)的高能電子輻射有效地增加這些材料的強(qiáng)度至：對于多壁碳納米管為大約60gpa，并且對于雙壁碳納米管束為大約17gpa。

標(biāo)準(zhǔn)的單壁碳納米管(swcnt)可抵抗高達(dá)大約24gpa的壓力而不變形。其隨后經(jīng)過轉(zhuǎn)變成為超硬相納米管。用當(dāng)前實(shí)驗(yàn)技術(shù)測量的最大壓力為大約55gpa。然而，這些新的超硬相納米管在即使未知的甚至更高的壓力下斷裂。

多壁碳納米管(mwcnt)是被精確地嵌套在彼此內(nèi)的多個(gè)同心納米管。這些cnt展現(xiàn)出驚人的伸縮性質(zhì)，從而內(nèi)部納米管芯可在其外部納米管殼內(nèi)在幾乎沒有摩擦的情況下滑動(dòng)，因此產(chǎn)生了原子上完美的線性或旋轉(zhuǎn)的軸承。

根據(jù)本公開內(nèi)容，cnt直接用于制造復(fù)合材料轉(zhuǎn)子。對于無扭曲(twist-free)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，具有密度大約為0.2gm/m³的mwcnt線紗被認(rèn)為產(chǎn)生至少大約45gpa的保守最小材料強(qiáng)度。

用于制造本公開內(nèi)容的新型轉(zhuǎn)子的優(yōu)選的cnt具有大約0.075nm的壁厚度以及大約0.34nm的有效壁厚度和從大約150gpa至大約260gpa的物理壁強(qiáng)度。這提供了優(yōu)選的材料，其具有具備金屬、玻璃和/或聚合基體的30nm直徑的mwcnt的高達(dá)大約65％體積分?jǐn)?shù)。在mwcnt中引入缺陷被認(rèn)為提高內(nèi)壁強(qiáng)度以便將mwcnt線股之間到內(nèi)部線股“壁”的機(jī)械載荷傳遞提高大約2倍。

用于本公開內(nèi)容的優(yōu)選的cnt具體通過如下方式制成：控制基體中的定向角度和體積分?jǐn)?shù)以便提供不同于當(dāng)前已知的最終復(fù)合材料和產(chǎn)品期望的物理性質(zhì)(比如，例如更高的轉(zhuǎn)子抗拉強(qiáng)度)。

另外，已經(jīng)在飛輪組件中使用的陶瓷型磁體尚未實(shí)踐于更高的旋轉(zhuǎn)速度(圓周速度)，因?yàn)槠涔逃刑匦?，包括但不限于例如其脆性。因此，隨著旋轉(zhuǎn)的飛輪速度增加，需要各種磁體類型。已知的陶瓷磁體一般限于小于大約300m/s的圓周速度。本公開內(nèi)容考慮并入具有期望性質(zhì)的柔性磁體，包括其隨著轉(zhuǎn)子材料本身在非常高速的運(yùn)行中擴(kuò)展而擴(kuò)展的能力。優(yōu)選的柔性磁體包括febnd粉末。

現(xiàn)將參考附圖在下文中更充分地描述本公開內(nèi)容的一些變型，附圖顯示了本公開內(nèi)容中的一些但不是全部的變型。實(shí)際上，本公開內(nèi)容可能以許多不同的形式實(shí)施，并且不應(yīng)當(dāng)被理解為限于本文提及的變型。反而，提供這些說明性的變型以便本公開內(nèi)容將是完整和全面的，并且將會(huì)充分傳達(dá)本公開內(nèi)容的范圍給本領(lǐng)域技術(shù)人員。例如，除非另做說明，否則提及一些事物為第一、第二等不應(yīng)理解為暗示具體順序。同樣地，一些事物可能被描述為在另一些事物的“上面”，并且除非另做說明，否則可改為“下面”，并且反之亦然。類似地，一些事物被描述為在另一些事物的左邊，可以改為在右邊，并且反之亦然。同樣的參考數(shù)字在全文中指同樣的元件。

圖1(a)顯示了傳統(tǒng)軸-輪轂型飛輪組件10的橫截面圖，該組件例如在各種頻率和更高的速度下顯示出有限的性能。纖維復(fù)合材料邊沿轉(zhuǎn)子12被連接到輪轂14，輪轂14依次被連接到軸16。燒結(jié)的永磁體(pm)15和18在連接到軸16的提升pm20和高溫超導(dǎo)體22上施加引力和排斥力。pm20被顯示連接到支撐件17。來自電動(dòng)/發(fā)電機(jī)(m/g)的定子線圈24被顯示懸掛在m/gpm26和支撐件17之間。

圖1(b)顯示了根據(jù)本公開內(nèi)容制造的飛輪架構(gòu)30的橫截面圖。在該“無輪轂的”空心式飛輪架構(gòu)(用虛線表示中心線)中，彈性永磁體(pm)34、36和38被顯示附接至纖維復(fù)合材料邊沿轉(zhuǎn)子32。來自電動(dòng)/發(fā)電機(jī)(m/g)的提升軸承定子pm48和定子線圈42被連接到支撐結(jié)構(gòu)43。高溫超導(dǎo)體(hts)45鄰近支撐件46放置。pm48和34包括提升軸承，并且元件45和38包括穩(wěn)定性軸承。

本公開的空心式架構(gòu)呈現(xiàn)了一種新型設(shè)計(jì)，其能夠使纖維復(fù)合材料邊沿和hts軸承實(shí)現(xiàn)最佳性能，且不存在在軸-輪轂飛輪設(shè)計(jì)中固有的部件徑向增長不一致的設(shè)計(jì)限制。應(yīng)該理解，在其垂直定向所示的整個(gè)空心式飛輪30被容納在一個(gè)真空腔(未顯示)內(nèi)。在優(yōu)選的垂直定向上，環(huán)形轉(zhuǎn)子32優(yōu)選地通過被動(dòng)穩(wěn)定的磁性軸承懸掛，所述磁性軸承包含在一端或“頂部”的提升軸承pm48和34以及在第二端或“底部”的hts穩(wěn)定性軸承45和38。優(yōu)選地，無刷pm電動(dòng)/發(fā)電機(jī)36和42將功率輸入和輸出轉(zhuǎn)子。如圖1(b)所示，轉(zhuǎn)子pm34、36和38沿著轉(zhuǎn)子32的內(nèi)表面33放置。根據(jù)本公開內(nèi)容，這些pm必須足夠柔性以適應(yīng)飛輪的徑向增長或者“空間膨脹”，且不破壞或以其它方式危害結(jié)構(gòu)完整性或者性能。因此，pm期望地具有從大約0.01mpa至大約2mpa的范圍內(nèi)具有相對低的楊氏模量。這些磁體的實(shí)例材料包括含有分散在橡膠中的febnd粉末的那些。小型低溫制冷機(jī)的冷卻頭(未顯示)熱傳導(dǎo)至hts穩(wěn)定性軸承45，以維持從大約30k到大約90k并且優(yōu)選為大約60k的期望溫度。小型渦輪分子或吸氣升華泵(未顯示)維持腔內(nèi)部的真空。

hts軸承的使用對本公開內(nèi)容是重要的，并且允許飛輪轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)以及利用空心式架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。只要hts部件的溫度保持在80k以下，hts軸承就保持被動(dòng)穩(wěn)定。與進(jìn)入hts的低熱量泄露結(jié)合的hts的熱容量產(chǎn)生了保持足夠低的溫度以便保持穩(wěn)定性并運(yùn)行軸承的能力。

在早期已知的hts軸承中，hts元件被浸泡在液氮中。先進(jìn)的hts軸承不需要液體冷凍劑。圖2示意性地顯示根據(jù)本公開內(nèi)容的系統(tǒng)60的hts部分，其包括低溫冷卻。低溫制冷機(jī)64包含冷卻頭66。冷卻頭66連接到可以是柔性的電纜68，并且該電纜68優(yōu)選地作為冷凍溫度下的熱導(dǎo)體。電纜優(yōu)選地包含銅、銅合金、鋁、鋁合金、以及其組合物等等。通過傳導(dǎo)凸塊72電纜68連接到優(yōu)選地平坦的導(dǎo)熱板70。hts元件62置于導(dǎo)熱板70的頂部。導(dǎo)熱板70優(yōu)選地置于非導(dǎo)熱板74上并由其支撐。凸塊72優(yōu)選地在一個(gè)或更多個(gè)位置通過板74內(nèi)的開口穿透非熱傳導(dǎo)板74，并且優(yōu)選地不接觸板74。板74被連接到接地支撐件78的非導(dǎo)熱支撐件76機(jī)械地連接。系統(tǒng)的低溫部分可以被覆蓋在一個(gè)或更多個(gè)膜片材(未顯示)內(nèi)，該膜具有低輻射率以便減少通過輻射對系統(tǒng)的熱輸入。

這種構(gòu)造類似于如在materialsscienceandengineeringb151(2008)195-198mstrasik,j.r.hull,p.e.johnson,j.mittleider,k.e.mccrary,c.r.mciver,a.c.day,performanceofaconduction-cooledhigh-temperaturesuperconductingbearing中報(bào)告的，在5-kwh、3kw飛輪組件中使用的超導(dǎo)穩(wěn)定性軸承的定子部件。如實(shí)驗(yàn)軸承損失值顯示的，在hts元件情況下銅熱總線的存在沒有顯著增加軸承損失。間隙是飛輪轉(zhuǎn)子磁體的底部和hts晶體頂部之間的距離。對于hts軸承而言，優(yōu)選的間隙是從大約2mm到4mm。hts軸承中的旋轉(zhuǎn)損失與(△b)³/jc成比例，其中△b是在旋轉(zhuǎn)方向上測量的pm部件的磁場不均勻性，并且jc是hts中的臨界電流密度。

根據(jù)本公開內(nèi)容的進(jìn)一步變型，為了hts軸承的最佳運(yùn)行，軸承的定子部分優(yōu)選地必須保持在低于大約80k且更優(yōu)選地從大約30k至大約80k的冷凍溫度下。這可以通過在塊狀hts的支撐基座和低溫制冷機(jī)的冷卻頭之間建立具有高熱導(dǎo)率的柔性機(jī)械連接來實(shí)現(xiàn)。本公開內(nèi)容的優(yōu)選飛輪系統(tǒng)中所包括的可考慮的一種優(yōu)選低溫制冷機(jī)是sunpowercryoteltm(sunpowerinc.,athens,oh)。優(yōu)選的低溫制冷機(jī)是線性的無活塞的集成斯特林循環(huán)機(jī)，其使用空氣軸承且沒有基于摩擦的失效模式，并且具有在大約77k時(shí)提供高達(dá)大約15w的冷卻。此外，優(yōu)選的低溫制冷機(jī)具有當(dāng)需要較少冷卻時(shí)節(jié)流輸入功率的能力，并且應(yīng)該相對于飛輪尺寸為hts軸承提供高達(dá)大約100kwh的冷卻。

根據(jù)本公開內(nèi)容，m/g作為一種傳統(tǒng)的徑向間隙無刷設(shè)計(jì)，其中在電動(dòng)模式中電流以定時(shí)的方式通過定子線圈以便與轉(zhuǎn)子pm的磁場相互作用以產(chǎn)生扭矩。在發(fā)電機(jī)模式中，旋轉(zhuǎn)的pm的磁通量掃過定子線圈并且根據(jù)法拉第定律產(chǎn)生電壓。在低速時(shí)，霍爾效應(yīng)傳感器測量來自m/gpm的磁場以便控制定子電流的定時(shí)。在高速時(shí)，線圈上的背面電磁場為這種控制提供輸入。在傳統(tǒng)的徑向間隙m/g中，定子線圈通常從pm徑向向外定位。然而，根據(jù)本公開內(nèi)容的優(yōu)選的變型，在優(yōu)選的空心式設(shè)計(jì)中，位置被顛倒，定子線圈從pm徑向向內(nèi)定位，如圖1(b)所示。

根據(jù)本公開內(nèi)容，空心式g/m的pm在低位海爾貝克陣列中被磁化，如圖3所示。在圓周(x)方向上顯示8度的單個(gè)磁極長度上的低位海爾貝克陣列的磁化?！皕”值表示豎直方向并且“y”值表示徑向方向。粘結(jié)的磁體殼的厚度決定了在沒有嚴(yán)格地限制可用通量并且扭曲定子芯中的理想正弦波形的情況下圓周磁極長度不可太大。磁極長度優(yōu)選地大于轉(zhuǎn)子pm內(nèi)半徑和定子線圈外半徑之間間隙的大約10倍。圖4顯示的示例飛輪的實(shí)驗(yàn)計(jì)算表明在pm和定子之間間隙大約為5mm的90度磁極(90-pole)機(jī)器提供充足的通量和波形。圖4顯示從圖3中所示的pm徑向向內(nèi)5mm處的完整磁極距λ上方的徑向磁場。對于這種m/g，優(yōu)選的最大電頻率是大約30khz。包括litz繞組但沒有鐵磁芯的定子足以提供所需的功率輸出而不會(huì)產(chǎn)生大量的渦電流或其它附加損失。

轉(zhuǎn)子的高速度和大量磁極可產(chǎn)生高的功率密度。而且，因?yàn)楦鶕?jù)本公開內(nèi)容的某些變型所制造的飛輪的相對低的功率要求，定子繞組的徑向厚度相對較小，例如從大約1mm至大約10mm。

本公開內(nèi)容的公開的空心式飛輪架構(gòu)的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子隨速度的增長明顯地加寬了電力電子設(shè)備能夠從飛輪有效地提取能量的速度范圍。根據(jù)空心式架構(gòu)的變型，轉(zhuǎn)子的尺寸隨著飛輪速度增加而徑向增長。此外，隨著m/g的pm遠(yuǎn)離定子線圈移動(dòng)時(shí)，通過線圈的磁通量減少。這產(chǎn)生了在飛輪的上限速度范圍上的相對恒定的電壓。設(shè)計(jì)的外部飛輪的示例計(jì)算在圖5中示出。速度增加到大約48,500rpm，轉(zhuǎn)子半徑增加了大約4.2mm。當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓介于最大設(shè)計(jì)值的大約0.6到大約1.0之間時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)功率電子設(shè)備通?？梢詮娘w輪去除能量。這將來自軸-輪轂型飛輪的可用能量限于最大動(dòng)能的64％。如圖5所示，在本公開內(nèi)容的變型的空心式設(shè)計(jì)中，針對大于大約15,000rpm的速度，最大電壓的60％是可用的，并且對于負(fù)載可用超過90％的最大動(dòng)能。圖5中所示的示例中，最大電壓發(fā)生在大約40,000rpm處，并且在超過大約40,000rpm的速度處略有下降。

圖6顯示關(guān)于中心線120同心的空心式飛輪100。飛輪包括轉(zhuǎn)子110和定子120。轉(zhuǎn)子110優(yōu)選地包括纖維復(fù)合材料邊沿112、上部穩(wěn)定性軸承永磁體(pm)114、下部穩(wěn)定性永磁體pm116和電動(dòng)/發(fā)電機(jī)永磁體pm陣列118。定子120包括上部穩(wěn)定性軸承hts陣列124、下部穩(wěn)定性軸承hts陣列126、定子線圈組件128及機(jī)械支撐件134、136和138。機(jī)械支撐件134支撐上部穩(wěn)定性軸承hts124。機(jī)械支撐件136支撐下部穩(wěn)定性軸承hts陣列126。機(jī)械支撐件138支撐定子線圈組件128。機(jī)械支撐件134、136和138被固定地連接到圍繞飛輪組件100的真空腔(未顯示)。應(yīng)當(dāng)理解雖然示出支撐件134和138為彼此緊鄰，但是這些支撐件可以彼此相隔期望的距離。飛輪轉(zhuǎn)子110通過磁性軸承部件磁懸浮，該磁性軸承部件包括上部穩(wěn)定性軸承(包括轉(zhuǎn)子pm114和定子hts124)以及下部穩(wěn)定性軸承(包括轉(zhuǎn)子pm116和下部定子hts陣列126)。通過轉(zhuǎn)子pm118和定子線圈128之間的電磁相互作用來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子110繞中心線102的旋轉(zhuǎn)加速度。機(jī)械支撐件136使hts陣列126與地面熱隔絕。通常還有一個(gè)位于hts陣列126和熱絕緣結(jié)構(gòu)136之間的導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)(未顯示)，所述導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)將hts陣列126連接到冷卻源，例如如圖2所示的低溫制冷機(jī)等。類似地，機(jī)械支撐件134將hts124與地面熱隔絕，并且通常有一個(gè)定位在hts124和支撐件134之間的導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)(未顯示)，該導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)將hts124連接到冷卻源。

圖7顯示進(jìn)一步變型，其中空心式飛輪150是繞中心線152同心的。飛輪包括轉(zhuǎn)子160和定子170。轉(zhuǎn)子160包括纖維復(fù)合材料邊沿162、提升軸承pm164、穩(wěn)定性pm166和電動(dòng)/發(fā)電機(jī)pm陣列168。定子170包括提升軸承pm174、hts組件176、定子線圈組件178以及機(jī)械支撐件184、186和188。機(jī)械支撐件184支撐定子提升軸承pm174。機(jī)械支撐件186支撐hts陣列176。機(jī)械支撐件188支撐定子線圈組件178。機(jī)械支撐件184、186和188被固定地連接到優(yōu)選地包圍飛輪組件150的真空腔(未顯示)。飛輪轉(zhuǎn)子160通過磁性軸承部件磁懸浮，所述磁性軸承部件包含提升軸承(包括轉(zhuǎn)子pm164和定子pm174)和穩(wěn)定性軸承(包括轉(zhuǎn)子pm166和定子pm176)。通過在轉(zhuǎn)子pm168和定子線圈178之間的電磁相互作用來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子160繞中心線152的旋轉(zhuǎn)加速。機(jī)械支撐件186使hts陣列176與地面熱隔絕。通常還有一個(gè)位于hts軸承組件176和熱絕緣結(jié)構(gòu)186之間的導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)(未顯示)，所述導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)將hts176連接到冷卻源，比如，例如如圖2所示的低溫制冷機(jī)等。

考慮了關(guān)于新型空心式飛輪組件中的提升軸承的幾種構(gòu)造。圖8(a)涉及顯示飛輪組件的上部的一種變型。pm204連接在復(fù)合材料邊沿202的上部。定子pm206豎直地定位在pm204上方并且連接到機(jī)械支撐件208。圖8(a)中的黑色箭頭指出優(yōu)選的磁化方向。在該實(shí)例中，在pm204上有向上的引力，其幫助抵抗重力來提升轉(zhuǎn)子202。定子pm206足夠?qū)挘沟靡﹄S著轉(zhuǎn)子復(fù)合材料邊沿202徑向向外增長而幾乎一致。

可選的提升軸承在圖8(b)中示出，顯示定位在轉(zhuǎn)子pm204以下且從其徑向向內(nèi)的第二定子pm207。這種情況中的磁力是排斥力，并且定子pm207在轉(zhuǎn)子pm204下面的位置優(yōu)選地在轉(zhuǎn)子202上提供額外的向上的力。應(yīng)當(dāng)理解可增加額外的磁體，以便增加所述力，如圖8(c)所示。在該情況中，在定子pm207和轉(zhuǎn)子pm210之間的相互作用下，有額外的引力，并且在轉(zhuǎn)子202上產(chǎn)生額外的向上的力。在轉(zhuǎn)子pm210和定子pm212之間的相互作用下，還有額外的排斥力，并且在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生向上的力。

如圖8(d)所示，現(xiàn)公開的額外的變型考慮了不是豎直的磁化，例如徑向磁化等等。圖8(e)顯示連接到機(jī)械支撐件209的額外pm207。

而且，本公開內(nèi)容考慮了將穩(wěn)定性軸承定向成不同設(shè)置。圖9(a)顯示可存在于圖6中的pm116的磁化。在圖9(b)中，備選方案顯示從穩(wěn)定性軸承pm304徑向向內(nèi)定位的hts306。在這種定向中，pm304沿徑向方向被磁化。雖然圖9(b)顯示磁化方向?yàn)閺较蛳騼?nèi)，應(yīng)該理解這種磁化可以是徑向向外的。

此外，圖6顯示進(jìn)一步替代方案，其中提升軸承被第二穩(wěn)定性軸承替代。在圖6中所示并且相對于圖3-5討論的電動(dòng)/發(fā)電機(jī)pm118顯示徑向的、圓周的或兩者結(jié)合的磁化。圖9顯示涉及如下設(shè)置的進(jìn)一步考慮的變型，其中電動(dòng)/發(fā)電機(jī)pm具有繞圓周的交錯(cuò)方向的豎直磁化。

在圖10中，空心式飛輪組件的轉(zhuǎn)子460優(yōu)選地包括纖維復(fù)合材料邊沿462、上部pm464、下部pm466和pm環(huán)468。應(yīng)當(dāng)理解轉(zhuǎn)子460基本上是圓柱形，并且理解pm464、466和468優(yōu)選地繞轉(zhuǎn)子邊沿462的內(nèi)表面的整個(gè)圓周延伸。居中放置的pm468被顯示為根據(jù)箭頭磁化，其中磁化方向在豎直向上或向下方向交替。

圖11顯示本公開內(nèi)容的轉(zhuǎn)子的可選變型?？招氖斤w輪組件的轉(zhuǎn)子510優(yōu)選地包括纖維復(fù)合材料邊沿512、上部pm514、下部pm516和梯形銅導(dǎo)體518。應(yīng)當(dāng)理解轉(zhuǎn)子邊沿512基本上是圓柱形，并且理解pm514、516和518優(yōu)選地繞轉(zhuǎn)子邊沿512的內(nèi)表面的整個(gè)圓周延伸。在該變型中，電動(dòng)/發(fā)電機(jī)功能優(yōu)選地以感應(yīng)電動(dòng)拓?fù)鋵W(xué)進(jìn)行。

根據(jù)本公開內(nèi)容，使具有顯著改善的強(qiáng)度/密度比的轉(zhuǎn)子材料——包括優(yōu)選的mwcnt——并入空心式飛輪架構(gòu)中，將使飛輪轉(zhuǎn)子能量密度從大約264wh/kg的當(dāng)前已知值提高到至少大約473wh/kg，并且使纖維抗拉強(qiáng)度相應(yīng)從大約11gpa增加到大約63gpa(從已知設(shè)備至少增加大約80％的效率和強(qiáng)度)。實(shí)際上，當(dāng)mwcnt的壁厚度被標(biāo)準(zhǔn)化為大約0.075mm時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)至少大約300gpa的理論壁強(qiáng)度。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步理解單壁cnt(swcnt)也被本公開內(nèi)容考慮并且可能被并入本文提出的發(fā)明的飛輪組件的轉(zhuǎn)子部件中，因?yàn)閟wcnt可提供適當(dāng)?shù)幕蛏踔粮霰姷馁|(zhì)量效率增強(qiáng)。典型的swcnt具有大約1.35nm的直徑。使用該直徑和一個(gè)1原子原子間距離，可實(shí)現(xiàn)僅39％的vfs。3nm的直徑將產(chǎn)生60％的vfs。應(yīng)當(dāng)理解與本公開內(nèi)容的變型結(jié)合使用的優(yōu)化的cnt平衡cnt直徑、可實(shí)現(xiàn)的vf和cnt增強(qiáng)的效率。

根據(jù)本公開內(nèi)容的優(yōu)選變型，大多數(shù)飛輪轉(zhuǎn)子包括纏絲式(filament-wound)纖維復(fù)合材料，其通過hts軸承磁懸浮。hts軸承包括pm轉(zhuǎn)子和hts定子。由于hts定子的超導(dǎo)性質(zhì)，懸浮是被動(dòng)的，不需要顯著的反饋或主動(dòng)控制。hts定子優(yōu)選地包括y-ba-cu-o的單個(gè)hts晶體的陣列，或者其中y被其它稀土元素比如gd、nd、eu等代替的其他材料，其通過與低溫制冷機(jī)的冷卻頭熱傳導(dǎo)從而被冷卻到大約70k至大約80k的溫度。優(yōu)選地，對于軸承運(yùn)行不需要低溫流體(例如，液氮等等)。無刷m/g包括pm轉(zhuǎn)子和優(yōu)選地在鐵磁軛內(nèi)包含銅繞組的定子。m/g定子冷卻是通過熱傳導(dǎo)至真空腔壁來實(shí)現(xiàn)的。對于此功能不需要附加能量。吸收能量的密封襯套置于旋轉(zhuǎn)的飛輪和外部真空殼之間。優(yōu)選的是將真空腔以及真空腔內(nèi)的靜止部件的重量都保持在最小，以便滿足飛輪陣列的能量密度要求。優(yōu)選系統(tǒng)的其它主要部件包括提升軸承、觸地(touchdown)軸承和電力電子設(shè)備。

雖然已經(jīng)闡明和描述了優(yōu)選的變型和備選方案，但應(yīng)當(dāng)明白在不偏離本公開內(nèi)容的精神和范圍的情況下可對其進(jìn)行各種改變和替代。因此，本公開內(nèi)容的范圍應(yīng)當(dāng)僅通過所附權(quán)利要求及其等價(jià)物來限定。