本公開(kāi)內(nèi)容涉及飛輪能量?jī)?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(wú)輪轂或空心式飛輪儲(chǔ)存裝置。

背景技術(shù)：
已知飛輪能量?jī)?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(wèn)題的，因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)子速度增加部件的徑向增長(zhǎng)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(zhǎng)，而邊沿展現(xiàn)顯著的徑向增長(zhǎng)。飛輪運(yùn)行期間部件增長(zhǎng)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(kāi)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(zhǎng)匹配問(wèn)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(zhǎng)和彎曲模式問(wèn)題。更具體而言，本文公開(kāi)的是具有與軸-輪轂型架構(gòu)相對(duì)的“空心式”(無(wú)輪轂)架構(gòu)的飛輪組件。本公開(kāi)內(nèi)容涉及新型空心式飛輪能量?jī)?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(kāi)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(kāi)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(duì)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(duì)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(wú)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(jiǎn)述已經(jīng)概括性地描述了本公開(kāi)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(zhǎng)度上方的徑向磁場(chǎng)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(xiě)橫截面圖；圖7是圖1(b)中所示的飛輪組件的特寫(xiě)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(xiě)橫截面圖；圖10是本公開(kāi)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(kāi)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(kāi)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?jī)?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(wú)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(zhǎng)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(duì)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(cè)試具有大約63吉帕斯卡(gigapascal)(GPa)的抗拉強(qiáng)度。為了進(jìn)行說(shuō)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(duì)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(duì)于多壁碳納米管為大約60GPa，并且對(duì)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(guò)轉(zhuǎn)變成為超硬相納米管。用當(dāng)前實(shí)驗(yàn)技術(shù)測(cè)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(méi)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(kāi)內(nèi)容，CNT直接用于制造復(fù)合材料轉(zhuǎn)子。對(duì)于無(wú)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(kāi)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(kāi)內(nèi)容的優(yōu)選的CNT具體通過(guò)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(kāi)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?，F(xiàn)將參考附圖在下文中更充分地描述本公開(kāi)內(nèi)容的一些變型，附圖顯示了本公開(kāi)內(nèi)容中的一些但不是全部的變型。實(shí)際上，本公開(kāi)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(shuō)明性的變型以便本公開(kāi)內(nèi)容將是完整和全面的，并且將會(huì)充分傳達(dá)本公開(kāi)內(nèi)容的范圍給本領(lǐng)域技術(shù)人員。例如，除非另做說(shuō)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(shuō)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(lái)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(kāi)內(nèi)容制造的飛輪架構(gòu)30的橫截面圖。在該“無(wú)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(lái)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(kāi)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(zhǎng)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(guò)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(wú)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(kāi)內(nèi)容，這些PM必須足夠柔性以適應(yīng)飛輪的徑向增長(zhǎng)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(duì)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(duì)本公開(kāi)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(kāi)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...