[發明專利]嵌套轉子無鐵心飛輪

在審

• 申請號: 201310042062.4
• 申請日: 2013-02-01
• 公開（公告）號: CN103368322A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: J·R·豪爾;M·斯特拉西克;J·A·米特萊德;M·S·威倫斯基;M·P·科扎
• 申請（專利權）人: 波音公司
• 主分類號: H02K7/02
• 分類號: H02K7/02;F16F15/30
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 趙蓉民

技術領域

本公開涉及飛輪能量存儲裝置，并且更具體地涉及具有改進的穩定性和性能的無輪轂或無鐵心（open-core）飛輪能量存儲裝置。

背景技術

用于根據需求儲存能量和釋放被儲存的能量的飛輪能量存儲裝置及系統是已知的。已知的飛輪組件具有一個有時由碳纖維復合材料制成的傳統轉子設計。這些轉子具有一個軸，在該軸上安裝了馬達/發電機和軸承永磁體（PM）。軸通常經由一個轂被連接到邊沿。軸-轂型飛輪設計在其可達到的上限速度方面是有限的。為飛輪組件中的部件匹配可用的材料已經成為難題，因為當轉子速度增加時元件徑向生長改變。轂必須機械地將軸連接到輪輞，而不能在飛輪運轉速度范圍內在操作頻率范圍內將彎曲模態引入到轉子結構內。但是，當輪輞呈現顯著的徑向生長時，軸通常顯示出可忽略的徑向生長。

因此，通過使用不斷前進的材料使得飛輪的較高速度不幸地加劇轂的生長-匹配（growth-matching）問題，因為增加的輪輞徑向生長超過任何其它被連接元件（例如連接軸）所呈現的生長。而且，飛輪技術提供的總效率被目前可用材料所限制，當飛輪以超過材料公差的速度運轉時所述材料失效。

此外，當需要高能量密度來實現最大能量存儲和部署時，已知的飛輪組件中可實現的能量密度是有限的。而且，由于凈角動量的存在，通常很難達到飛輪系統的能量存儲和部署的最大能力，并且空間約束通常阻止了飛輪技術的用處。

發明內容

本公開涉及一種飛輪和飛輪架構，其可消除材料生長-匹配難題并且避免在不同頻率和速度下發生的徑向生長和彎曲模態問題。更具體地，此處公開的變化是針對具有“無鐵心”（無轂）架構的飛輪組件，其與軸-轂型架構截然相反。

本公開的變化是針對一種新型無鐵心飛輪能量存儲系統，該系統將獲得高能、大功率密度和高效率且具有顯著減小的尺寸外形。飛輪存儲系統包括高溫超導（HTS）軸承和包含高強度材料的多個轉子。轉子中固有的期望性能，導致飛輪性能在速度顯著增加、能量存儲/生成顯著增加和系統耐用性增加方面的明顯改進。

根據本公開，公開一種飛輪系統和單元，其能夠被用于能量存儲。真空腔包含多個嵌套轉子環或圓筒（cylinder）（此后稱為轉子），每個轉子作為一個獨立飛輪運轉。在一個優選的變化中，至少一個轉子是反轉轉子。每個轉子優選地被一個被動穩定磁軸承懸浮，該軸承包含位于轉子任一端的一個永磁體（PM）提升軸承和一個HTS穩定性軸承。轉子PM理想地并可預測地被定位成沿著每個轉子的內表面，并且一個小型低溫制冷機的冷卻頭熱傳導至HTS以維持期望的操作溫度。優選地，一個小型渦輪分子泵或吸氣升華泵可保持包含整個組件的腔內部的真空。

根據本發明的一方面，其提供了一種用于存儲和釋放能量的飛輪系統，此系統包含在真空腔內的大體上圓柱形轉子組件，該組件包括具有內表面和外表面的多個轉子并且優選地包含一種高強度材料，例如碳纖維、玻璃纖維、金屬及其組合物等等。每個轉子優選地包括含碳纖維的(carbon-fiber-containing)材料、含玻璃纖維的(glass-fiber-containing)材料或含金屬的(metal-fiber-containing)材料（或其組合），且該材料優選地具有從大約2GPa到大約60Gpa的抗拉強度。至少一個定子組件被提供并且設置成鄰近轉子組件，優選地在無鐵心結構內。多個轉子磁體被附著在轉子的內表面和定子并且相對彼此被定位成促進轉子在運轉時懸浮。優選地，轉子在操作時其外半徑處的速度可實現從大約300m/s到大約3000m/s。含碳纖維的、含玻璃纖維的或含金屬的材料優選地包含選自由如下材料構成的組中的材料基體：石墨、無堿玻璃纖維（E-glass）、高強度玻璃纖維（S-glass）、硅、鋁、鈦、鋼和其組合物。一個特別優選的材料是含碳納米管的（carbon?nanotube-containing）材料，并且優選地是含單壁碳納米管的（single-walled?carbon?nanotube-containing）材料。第一轉子沿第一方向旋轉并且第二轉子沿第二方向旋轉。轉子組件可以包含具有不同半徑的三個轉子，并且其中兩個轉子沿第一方向旋轉且第三轉子沿第二方向旋轉。轉子組件可以包含具有不同尺寸的轉子，該尺寸被預選成基本上消除角動量。

每個轉子具有不同的半徑，以便具有較小半徑的轉子可以“嵌套”在具有較大半徑的轉子內。優選的飛輪組件還包含多個定子組件，其中每個定子組件均鄰近一個轉子組件。至少一個轉子磁體被附著到每個轉子的內表面，并且至少一個定子磁體被附著到每個定子，以便轉子磁體和定子磁體相對彼此被定位成促進轉子在運轉時懸浮。