[发明专利]嵌套转子无铁心飞轮

说明书

技术领域

本公开涉及飞轮能量存储装置，并且更具体地涉及具有改进的稳定性和性能的无轮毂或无铁心（open-core）飞轮能量存储装置。

背景技术

用于根据需求储存能量和释放被储存的能量的飞轮能量存储装置及系统是已知的。已知的飞轮组件具有一个有时由碳纤维复合材料制成的传统转子设计。这些转子具有一个轴，在该轴上安装了马达/发电机和轴承永磁体（PM）。轴通常经由一个毂被连接到边沿。轴-毂型飞轮设计在其可达到的上限速度方面是有限的。为飞轮组件中的部件匹配可用的材料已经成为难题，因为当转子速度增加时元件径向生长改变。毂必须机械地将轴连接到轮辋，而不能在飞轮运转速度范围内在操作频率范围内将弯曲模态引入到转子结构内。但是，当轮辋呈现显著的径向生长时，轴通常显示出可忽略的径向生长。

因此，通过使用不断前进的材料使得飞轮的较高速度不幸地加剧毂的生长-匹配（growth-matching）问题，因为增加的轮辋径向生长超过任何其它被连接元件（例如连接轴）所呈现的生长。而且，飞轮技术提供的总效率被目前可用材料所限制，当飞轮以超过材料公差的速度运转时所述材料失效。

此外，当需要高能量密度来实现最大能量存储和部署时，已知的飞轮组件中可实现的能量密度是有限的。而且，由于净角动量的存在，通常很难达到飞轮系统的能量存储和部署的最大能力，并且空间约束通常阻止了飞轮技术的用处。

发明内容

本公开涉及一种飞轮和飞轮架构，其可消除材料生长-匹配难题并且避免在不同频率和速度下发生的径向生长和弯曲模态问题。更具体地，此处公开的变化是针对具有“无铁心”（无毂）架构的飞轮组件，其与轴-毂型架构截然相反。

本公开的变化是针对一种新型无铁心飞轮能量存储系统，该系统将获得高能、大功率密度和高效率且具有显著减小的尺寸外形。飞轮存储系统包括高温超导（HTS）轴承和包含高强度材料的多个转子。转子中固有的期望性能，导致飞轮性能在速度显著增加、能量存储/生成显著增加和系统耐用性增加方面的明显改进。

根据本公开，公开一种飞轮系统和单元，其能够被用于能量存储。真空腔包含多个嵌套转子环或圆筒（cylinder）（此后称为转子），每个转子作为一个独立飞轮运转。在一个优选的变化中，至少一个转子是反转转子。每个转子优选地被一个被动稳定磁轴承悬浮，该轴承包含位于转子任一端的一个永磁体（PM）提升轴承和一个HTS稳定性轴承。转子PM理想地并可预测地被定位成沿着每个转子的内表面，并且一个小型低温制冷机的冷却头热传导至HTS以维持期望的操作温度。优选地，一个小型涡轮分子泵或吸气升华泵可保持包含整个组件的腔内部的真空。

根据本发明的一方面，其提供了一种用于存储和释放能量的飞轮系统，此系统包含在真空腔内的大体上圆柱形转子组件，该组件包括具有内表面和外表面的多个转子并且优选地包含一种高强度材料，例如碳纤维、玻璃纤维、金属及其组合物等等。每个转子优选地包括含碳纤维的(carbon-fiber-containing)材料、含玻璃纤维的(glass-fiber-containing)材料或含金属的(metal-fiber-containing)材料（或其组合），且该材料优选地具有从大约2GPa到大约60Gpa的抗拉强度。至少一个定子组件被提供并且设置成邻近转子组件，优选地在无铁心结构内。多个转子磁体被附着在转子的内表面和定子并且相对彼此被定位成促进转子在运转时悬浮。优选地，转子在操作时其外半径处的速度可实现从大约300m/s到大约3000m/s。含碳纤维的、含玻璃纤维的或含金属的材料优选地包含选自由如下材料构成的组中的材料基体：石墨、无碱玻璃纤维（E-glass）、高强度玻璃纤维（S-glass）、硅、铝、钛、钢和其组合物。一个特别优选的材料是含碳纳米管的（carbon nanotube-containing）材料，并且优选地是含单壁碳纳米管的（single-walled carbon nanotube-containing）材料。第一转子沿第一方向旋转并且第二转子沿第二方向旋转。转子组件可以包含具有不同半径的三个转子，并且其中两个转子沿第一方向旋转且第三转子沿第二方向旋转。转子组件可以包含具有不同尺寸的转子，该尺寸被预选成基本上消除角动量。

每个转子具有不同的半径，以便具有较小半径的转子可以“嵌套”在具有较大半径的转子内。优选的飞轮组件还包含多个定子组件，其中每个定子组件均邻近一个转子组件。至少一个转子磁体被附着到每个转子的内表面，并且至少一个定子磁体被附着到每个定子，以便转子磁体和定子磁体相对彼此被定位成促进转子在运转时悬浮。