CN103368323A - 空心式飞轮架构 - Google Patents

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Abstract

本发明名称为“空心式飞轮架构”。描述了用于飞轮系统的装置、系统和方法，该飞轮系统用高温超导(HTS)轴承技术将由高强度材料制成的转子并入空心式飞轮架构中，以实现飞轮能量储存设备中的期望的高能量密度，以获得优异的结果和性能，并且其消除材料增长匹配问题以及避免另外地在各种高频率和速度下发生的径向增长和弯曲模式问题。

Description

空心式飞轮架构
技术领域
本公开内容涉及飞轮能量储存装置，并且更具体而言涉及具有改进的稳定性和性能的无轮毂或空心式飞轮储存装置。
背景技术
已知飞轮能量储存装置和系统用于储存能量并且根据需要释放储存的能量。已知的飞轮组件具有有时由碳纤维复合材料制成的传统转子设计。这些转子具有轴，在轴上安装有电动/发电机(M/G)和轴承永久磁体(PM)。轴通常经由轮毂连接至边沿。轴-轮毂型(shaft-and-hub)飞轮设计就其可达到的上限速度(upper-end velocity)而言是有限的。为飞轮组件中的部件匹配可用的材料是有问题的，因为随着转子速度增加部件的径向增长不一样。轮毂必须将轴机械地联接至边沿，并且在飞轮运行速度范围内的运行频率范围内不将弯曲模式引入转子结构中。但是，轴通常展现可忽略的径向增长，而边沿展现显著的径向增长。飞轮运行期间部件增长的这种不平衡限制了飞轮性能并且可导致飞轮系统故障。
发明内容
本公开内容涉及飞轮和飞轮架构，该飞轮架构消除材料增长匹配问题并且避免另外地在各种频率和速度下发生的径向增长和弯曲模式问题。更具体而言，本文公开的是具有与轴-轮毂型架构相对的“空心式”(无轮毂)架构的飞轮组件。
本公开内容涉及新型空心式飞轮能量储存系统，其将获得高能量、大功率密度和效率，同时具有显著降低的尺寸轮廓。本公开内容的飞轮储存系统包括高温超导(HTS)轴承和包括高强度材料的转子。优选的高强度材料包括但不限于含碳纤维的材料、含玻璃纤维的材料、含金属的材料等，以及其组合。
本公开内容的制造的转子中固有的期望性质使得飞轮性能在以下方面显著改进：显著增加的速度、增加的动力储存/产生和提高的系统耐久性。
根据本发明的一个方面，提供了用于储存和释放能量的飞轮组件，其包括具有转子的中空的大致圆柱形的转子组件，所述转子具有内表面和外表面。转子包括优选地具有大约2GPa至大约20GPa的优选的抗拉强度的材料。极其贴近转子组件放置定子组件，至少一个柔性转子磁体附接(affixe)到转子的内表面并且至少一个定子磁体附接到定子。柔性转子磁体优选地包括FeBNd粉末。定子磁体在静止时具有引力值，并且设定尺寸为预定的宽度以便当转子以大约300m/s至大约3000m/s的圆周速度运行时基本上保持与转子的引力值。转子磁体和定子磁体相对于彼此放置以便在运行期间促进转子的悬浮。飞轮架构优选为空心式架构，其中在运行期间转子优选地在其外半径处达到大约300m/s至大约3000m/s的速度。
有利地，组件包括空心式架构。
有利地，转子在运行期间达到大约300m/s至大约3000m/s的速度。
有利地，转子由选自含碳纤维的材料、含玻璃纤维的材料、含金属的材料以及其组合的材料制成。优选地，材料包括选自石墨、e型玻璃、S型玻璃、二氧化硅、铝、钛、钢以及其组合的材料的基体。
有利地，转子包括含碳纳米管的材料。优选地，含碳纳米管的材料包括含多壁碳纳米管的材料。
有利地，柔性转子磁体包括具有大约0.01Gpa至大约2GPa的杨氏模量的材料。
有利地，柔性转子磁体包括FeBNd粉末。
根据本发明的进一步方面，提供了用于空心式飞轮组件的飞轮转子，所述转子包括：大约2GPa至大约20GPa的抗拉强度，在大约300m/s至大约3000m/s的圆周速度时所述转子能够径向向外延伸。
有利地，转子由选自含碳纤维的材料、含玻璃纤维的材料、含金属的材料以及其组合的材料制成。
有利地，材料包括选自石墨、e型玻璃、S型玻璃、二氧化硅、铝、钛、钢以及其组合的材料的基体。
有利地，含碳纤维的材料是含碳纳米管的材料。
根据本发明的又进一步方面，提供了储存用于随后按需要释放的能量的方法，其包括提供包括转子的中空的大致圆柱形的转子组件，所述转子具有内表面和外表面。转子包括含碳纤维、含玻璃纤维或含金属的材料(或其组合)，其中材料具有大约2GPa至大约20GPa的抗拉强度。极其贴近转子组件提供和放置定子组件，优选地在空心式架构中。至少一个柔性转子磁体附接到转子的内表面，并且定子和转子相对于彼此放置以便在运行期间促进转子的悬浮。优选地，在运行期间转子在其外半径处达到大约300m/s至大约3000m/s的圆周速度。含碳纤维、含玻璃纤维或含金属的材料优选地包括选自石墨、E型玻璃、S型玻璃、二氧化硅、铝、钛、钢以及其组合的材料的基体。一种特别优选的材料是含碳纳米管的材料，并且优选为含单壁碳纳米管的材料。
在优选的变型中，飞轮组件特别地用作可持续的动力源，用于固定式应用和移动式应用，比如，例如有人驾驶的和无人驾驶的交通工具，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。
附图简述
已经概括性地描述了本公开内容的变型，现将参考附图，其不必按比例绘制，并且其中：
图1(a)是现有技术轴-轮毂型飞轮组件的横截面图；
图1(b)是空心式飞轮组件的横截面图；
图2是高温超导轴承的部分分解图；
图3是显示低位海尔贝克阵列(low-order Halbach array)的定向磁化的网格；
图4是显示完整极距圆周长度上方的径向磁场的图表；
图5是比较空心式与轴-轮毂型飞轮的旋转速率和电压的图表；
图6是图1(b)中所示的可选飞轮组件的特写横截面图；
图7是图1(b)中所示的飞轮组件的特写横截面图；
图8(a)-8(e)与图9(a)和9(b)是各种轴承构造和磁化的特写横截面图；
图10是本公开内容的变型的剖面图，其显示转子的内表面，显示具有磁化方向的PM；并且
图11是本公开内容的变型的剖面图，显示转子的内表面，显示PM和铜导体。
具体实施方式
根据本公开内容，存在一些关键的技术，其被并入空心式飞轮架构中，以在飞轮能量储存装置中实现期望的高能量密度，从而获得优异的结果和性能。这些进展包括并入由高强度材料制成的转子，以及用高温超导(HTS)轴承技术将转子并入空心式(无轮毂)飞轮架构中。
碳纳米管(CNT)是具有圆柱形纳米结构的碳的同素异形体。纳米管已被构造为具有高达132,000,000：1的长度直径比，显著大于任何其它材料。这些圆柱形碳分子具有不同寻常的性质，其对于纳米技术、电子学、光学以及其它材料科学和技术的领域是有价值的。由于其导热性以及机械和电性质，碳纳米管可作为添加剂应用于各种结构材料。纳米管分为单壁纳米管(SWNT)和多壁纳米管(MWNT)。单个纳米管自然地将其本身排列为由范德华力，更具体地，pi堆积(pi-stacking)保持在一起的“绳(rope)”。
就抗拉强度和弹性模量而言，CNT位于已发现的最强的和最硬的材料之列。这种强度源于在单个碳原子之间形成的共价sp2键。MWCNT经测试具有大约63吉帕斯卡(gigapascal)(GPa)的抗拉强度。为了进行说明，这解释为在具有1mm2横截面的光缆上承受重量等于6422kg的张力的能力。单个CNT壳具有高达大约100GPa的强度。由于CNT相对于固体具有大约1.3至大约1.4g/cm3的低密度，所以与例如具有大约154kN·m·kg-1的比强度的高强度碳钢相比，其高达大约48,000kN·m·kg-1的比强度是已知材料中最好的。
虽然单个CNT壳的强度极高，但相邻壳和管之间的弱剪切相互作用导致多壁碳纳米管和碳纳米管束的有效强度显著降低至仅仅几GPa。然而，施加使内壳和管交联的高能电子辐射有效地增加这些材料的强度至：对于多壁碳纳米管为大约60GPa，并且对于双壁碳纳米管束为大约17GPa。
标准的单壁碳纳米管(SWCNT)可抵抗高达大约24GPa的压力而不变形。其随后经过转变成为超硬相纳米管。用当前实验技术测量的最大压力为大约55GPa。然而，这些新的超硬相纳米管在即使未知的甚至更高的压力下断裂。
多壁碳纳米管(MWCNT)是被精确地嵌套在彼此内的多个同心纳米管。这些CNT展现出惊人的伸缩性质，从而内部纳米管芯可在其外部纳米管壳内在几乎没有摩擦的情况下滑动，因此产生了原子上完美的线性或旋转的轴承。
根据本公开内容，CNT直接用于制造复合材料转子。对于无扭曲(twist-free)的复合材料结构，具有密度大约为0.2gm/m3的MWCNT线纱被认为产生至少大约45GPa的保守最小材料强度。
用于制造本公开内容的新型转子的优选的CNT具有大约0.075nm的壁厚度以及大约0.34nm的有效壁厚度和从大约150GPa至大约260GPa的物理壁强度。这提供了优选的材料，其具有具备金属、玻璃和/或聚合基体的30nm直径的MWCNT的高达大约65%体积分数。在MWCNT中引入缺陷被认为提高内壁强度以便将MWCNT线股之间到内部线股“壁”的机械载荷传递提高大约2倍。
用于本公开内容的优选的CNT具体通过如下方式制成：控制基体中的定向角度和体积分数以便提供不同于当前已知的最终复合材料和产品期望的物理性质(比如，例如更高的转子抗拉强度)。
另外，已经在飞轮组件中使用的陶瓷型磁体尚未实践于更高的旋转速度(圆周速度)，因为其固有特性，包括但不限于例如其脆性。因此，随着旋转的飞轮速度增加，需要各种磁体类型。已知的陶瓷磁体一般限于小于大约300m/s的圆周速度。本公开内容考虑并入具有期望性质的柔性磁体，包括其随着转子材料本身在非常高速的运行中扩展而扩展的能力。优选的柔性磁体包括FeBNd粉末。
现将参考附图在下文中更充分地描述本公开内容的一些变型，附图显示了本公开内容中的一些但不是全部的变型。实际上，本公开内容可能以许多不同的形式实施，并且不应当被理解为限于本文提及的变型。反而，提供这些说明性的变型以便本公开内容将是完整和全面的，并且将会充分传达本公开内容的范围给本领域技术人员。例如，除非另做说明，否则提及一些事物为第一、第二等不应理解为暗示具体顺序。同样地，一些事物可能被描述为在另一些事物的“上面”，并且除非另做说明，否则可改为“下面”，并且反之亦然。类似地，一些事物被描述为在另一些事物的左边，可以改为在右边，并且反之亦然。同样的参考数字在全文中指同样的元件。
图1(a)显示了传统轴-轮毂型飞轮组件10的横截面图，该组件例如在各种频率和更高的速度下显示出有限的性能。纤维复合材料边沿转子12被连接到轮毂14，轮毂14依次被连接到轴16。烧结的永磁体(PM)15和18在连接到轴16的提升PM20和高温超导体22上施加引力和排斥力。PM20被显示连接到支撑件17。来自电动/发电机(M/G)的定子线圈24被显示悬挂在M/G PM26和支撑件17之间。
图1(b)显示了根据本公开内容制造的飞轮架构30的横截面图。在该“无轮毂的”空心式飞轮架构(用虚线表示中心线)中，弹性永磁体(PM)34、36和38被显示附接至纤维复合材料边沿转子32。来自电动/发电机(M/G)的提升轴承定子PM48和定子线圈42被连接到支撑结构43。高温超导体(HTS)45邻近支撑件46放置。PM48和34包括提升轴承，并且元件45和38包括稳定性轴承。
本公开的空心式架构呈现了一种新型设计，其能够使纤维复合材料边沿和HTS轴承实现最佳性能，且不存在在轴-轮毂飞轮设计中固有的部件径向增长不一致的设计限制。应该理解，在其垂直定向所示的整个空心式飞轮30被容纳在一个真空腔(未显示)内。在优选的垂直定向上，环形转子32优选地通过被动稳定的磁性轴承悬挂，所述磁性轴承包含在一端或“顶部”的提升轴承PM48和34以及在第二端或“底部”的HTS稳定性轴承45和38。优选地，无刷PM电动/发电机36和42将功率输入和输出转子。如图1(b)所示，转子PM34、36和38沿着转子32的内表面33放置。根据本公开内容，这些PM必须足够柔性以适应飞轮的径向增长或者“空间膨胀”，且不破坏或以其它方式危害结构完整性或者性能。因此，PM期望地具有从大约0.01MPa至大约2MPa的范围内具有相对低的杨氏模量。这些磁体的实例材料包括含有分散在橡胶中的FeBNd粉末的那些。小型低温制冷机的冷却头(未显示)热传导至HTS稳定性轴承45，以维持从大约30K到大约90K并且优选为大约60K的期望温度。小型涡轮分子或吸气升华泵(未显示)维持腔内部的真空。
HTS轴承的使用对本公开内容是重要的，并且允许飞轮转子高速旋转以及利用空心式架构的优点。只要HTS部件的温度保持在80K以下，HTS轴承就保持被动稳定。与进入HTS的低热量泄露结合的HTS的热容量产生了保持足够低的温度以便保持稳定性并运行轴承的能力。
在早期已知的HTS轴承中，HTS元件被浸泡在液氮中。先进的HTS轴承不需要液体冷冻剂。图2示意性地显示根据本公开内容的系统60的HTS部分，其包括低温冷却。低温制冷机64包含冷却头66。冷却头66连接到可以是柔性的电缆68，并且该电缆68优选地作为冷冻温度下的热导体。电缆优选地包含铜、铜合金、铝、铝合金、以及其组合物等等。通过传导凸块72电缆68连接到优选地平坦的导热板70。HTS元件62置于导热板70的顶部。导热板70优选地置于非导热板74上并由其支撑。凸块72优选地在一个或更多个位置通过板74内的开口穿透非热传导板74，并且优选地不接触板74。板74被连接到接地支撑件78的非导热支撑件76机械地连接。系统的低温部分可以被覆盖在一个或更多个膜片材(未显示)内，该膜具有低辐射率以便减少通过辐射对系统的热输入。
这种构造类似于如在Materials Science and Engineering B151(2008)195-198M Strasik,J.R.Hull,P.E.Johnson,J.Mittleider,K.E.McCrary,C.R.McIver,A.C.Day,Performance of a Conduction-cooledHigh-temperature Superconducting Bearing中报告的，在5-kWh、3kW飞轮组件中使用的超导稳定性轴承的定子部件。如实验轴承损失值显示的，在HTS元件情况下铜热总线的存在没有显著增加轴承损失。间隙是飞轮转子磁体的底部和HTS晶体顶部之间的距离。对于HTS轴承而言，优选的间隙是从大约2mm到4mm。HTS轴承中的旋转损失与(△B)3/Jc成比例，其中△B是在旋转方向上测量的PM部件的磁场不均匀性，并且Jc是HTS中的临界电流密度。
根据本公开内容的进一步变型，为了HTS轴承的最佳运行，轴承的定子部分优选地必须保持在低于大约80K且更优选地从大约30K至大约80K的冷冻温度下。这可以通过在块状HTS的支撑基座和低温制冷机的冷却头之间建立具有高热导率的柔性机械连接来实现。本公开内容的优选飞轮系统中所包括的可考虑的一种优选低温制冷机是Sunpower Cryotel TM(SunPower Inc.,Athens,OH)。优选的低温制冷机是线性的无活塞的集成斯特林循环机，其使用空气轴承且没有基于摩擦的失效模式，并且具有在大约77K时提供高达大约15W的冷却。此外，优选的低温制冷机具有当需要较少冷却时节流输入功率的能力，并且应该相对于飞轮尺寸为HTS轴承提供高达大约100kWh的冷却。
根据本公开内容，M/G作为一种传统的径向间隙无刷设计，其中在电动模式中电流以定时的方式通过定子线圈以便与转子PM的磁场相互作用以产生扭矩。在发电机模式中，旋转的PM的磁通量扫过定子线圈并且根据法拉第定律产生电压。在低速时，霍尔效应传感器测量来自M/G PM的磁场以便控制定子电流的定时。在高速时，线圈上的背面电磁场为这种控制提供输入。在传统的径向间隙M/G中，定子线圈通常从PM径向向外定位。然而，根据本公开内容的优选的变型，在优选的空心式设计中，位置被颠倒，定子线圈从PM径向向内定位，如图1(b)所示。
根据本公开内容，空心式G/M的PM在低位海尔贝克阵列中被磁化，如图3所示。在圆周(x)方向上显示8度的单个磁极长度上的低位海尔贝克阵列的磁化。“z”值表示竖直方向并且“y”值表示径向方向。粘结的磁体壳的厚度决定了在没有严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况下圆周磁极长度不可太大。磁极长度优选地大于转子PM内半径和定子线圈外半径之间间隙的大约10倍。图4显示的示例飞轮的实验计算表明在PM和定子之间间隙大约为5mm的90度磁极(90-pole)机器提供充足的通量和波形。图4显示从图3中所示的PM径向向内5mm处的完整磁极距λ上方的径向磁场。对于这种M/G，优选的最大电频率是大约30kHz。包括Litz绕组但没有铁磁芯的定子足以提供所需的功率输出而不会产生大量的涡电流或其它附加损失。
转子的高速度和大量磁极可产生高的功率密度。而且，因为根据本公开内容的某些变型所制造的飞轮的相对低的功率要求，定子绕组的径向厚度相对较小，例如从大约1mm至大约10mm。
本公开内容的公开的空心式飞轮架构的一个显著优点是转子随速度的增长明显地加宽了电力电子设备能够从飞轮有效地提取能量的速度范围。根据空心式架构的变型，转子的尺寸随着飞轮速度增加而径向增长。此外，随着M/G的PM远离定子线圈移动时，通过线圈的磁通量减少。这产生了在飞轮的上限速度范围上的相对恒定的电压。设计的外部飞轮的示例计算在图5中示出。速度增加到大约48,500rpm，转子半径增加了大约4.2mm。当发电机电压介于最大设计值的大约0.6到大约1.0之间时，标准功率电子设备通常可以从飞轮去除能量。这将来自轴-轮毂型飞轮的可用能量限于最大动能的64%。如图5所示，在本公开内容的变型的空心式设计中，针对大于大约15,000rpm的速度，最大电压的60%是可用的，并且对于负载可用超过90%的最大动能。图5中所示的示例中，最大电压发生在大约40,000rpm处，并且在超过大约40,000rpm的速度处略有下降。
图6显示关于中心线120同心的空心式飞轮100。飞轮包括转子110和定子120。转子110优选地包括纤维复合材料边沿112、上部稳定性轴承永磁体(PM)114、下部稳定性永磁体PM116和电动/发电机永磁体PM阵列118。定子120包括上部稳定性轴承HTS阵列124、下部稳定性轴承HTS阵列126、定子线圈组件128及机械支撑件134、136和138。机械支撑件134支撑上部稳定性轴承HTS124。机械支撑件136支撑下部稳定性轴承HTS阵列126。机械支撑件138支撑定子线圈组件128。机械支撑件134、136和138被固定地连接到围绕飞轮组件100的真空腔(未显示)。应当理解虽然示出支撑件134和138为彼此紧邻，但是这些支撑件可以彼此相隔期望的距离。飞轮转子110通过磁性轴承部件磁悬浮，该磁性轴承部件包括上部稳定性轴承(包括转子PM114和定子HTS124)以及下部稳定性轴承(包括转子PM116和下部定子HTS阵列126)。通过转子PM118和定子线圈128之间的电磁相互作用来实现转子110绕中心线102的旋转加速度。机械支撑件136使HTS阵列126与地面热隔绝。通常还有一个位于HTS阵列126和热绝缘结构136之间的导热结构(未显示)，所述导热结构将HTS阵列126连接到冷却源，例如如图2所示的低温制冷机等。类似地，机械支撑件134将HTS124与地面热隔绝，并且通常有一个定位在HTS124和支撑件134之间的导热结构(未显示)，该导热结构将HTS124连接到冷却源。
图7显示进一步变型，其中空心式飞轮150是绕中心线152同心的。飞轮包括转子160和定子170。转子160包括纤维复合材料边沿162、提升轴承PM164、稳定性PM166和电动/发电机PM阵列168。定子170包括提升轴承PM174、HTS组件176、定子线圈组件178以及机械支撑件184、186和188。机械支撑件184支撑定子提升轴承PM174。机械支撑件186支撑HTS阵列176。机械支撑件188支撑定子线圈组件178。机械支撑件184、186和188被固定地连接到优选地包围飞轮组件150的真空腔(未显示)。飞轮转子160通过磁性轴承部件磁悬浮，所述磁性轴承部件包含提升轴承(包括转子PM164和定子PM174)和稳定性轴承(包括转子PM166和定子PM176)。通过在转子PM168和定子线圈178之间的电磁相互作用来实现转子160绕中心线152的旋转加速。机械支撑件186使HTS阵列176与地面热隔绝。通常还有一个位于HTS轴承组件176和热绝缘结构186之间的导热结构(未显示)，所述导热结构将HTS176连接到冷却源，比如，例如如图2所示的低温制冷机等。
考虑了关于新型空心式飞轮组件中的提升轴承的几种构造。图8(a)涉及显示飞轮组件的上部的一种变型。PM204连接在复合材料边沿202的上部。定子PM206竖直地定位在PM204上方并且连接到机械支撑件208。图8(a)中的黑色箭头指出优选的磁化方向。在该实例中，在PM204上有向上的引力，其帮助抵抗重力来提升转子202。定子PM206足够宽，使得引力随着转子复合材料边沿202径向向外增长而几乎一致。
可选的提升轴承在图8(b)中示出，显示定位在转子PM204以下且从其径向向内的第二定子PM207。这种情况中的磁力是排斥力，并且定子PM207在转子PM204下面的位置优选地在转子202上提供额外的向上的力。应当理解可增加额外的磁体，以便增加所述力，如图8(c)所示。在该情况中，在定子PM207和转子PM210之间的相互作用下，有额外的引力，并且在转子202上产生额外的向上的力。在转子PM210和定子PM212之间的相互作用下，还有额外的排斥力，并且在转子上产生向上的力。
如图8(d)所示，现公开的额外的变型考虑了不是竖直的磁化，例如径向磁化等等。图8(e)显示连接到机械支撑件209的额外PM207。
而且，本公开内容考虑了将稳定性轴承定向成不同设置。图9(a)显示可存在于图6中的PM116的磁化。在图9(b)中，备选方案显示从稳定性轴承PM304径向向内定位的HTS306。在这种定向中，PM304沿径向方向被磁化。虽然图9(b)显示磁化方向为径向向内，应该理解这种磁化可以是径向向外的。
此外，图6显示进一步替代方案，其中提升轴承被第二稳定性轴承替代。在图6中所示并且相对于图3-5讨论的电动/发电机PM118显示径向的、圆周的或两者结合的磁化。图9显示涉及如下设置的进一步考虑的变型，其中电动/发电机PM具有绕圆周的交错方向的竖直磁化。
在图10中，空心式飞轮组件的转子460优选地包括纤维复合材料边沿462、上部PM464、下部PM466和PM环468。应当理解转子460基本上是圆柱形，并且理解PM464、466和468优选地绕转子边沿462的内表面的整个圆周延伸。居中放置的PM468被显示为根据箭头磁化，其中磁化方向在竖直向上或向下方向交替。
图11显示本公开内容的转子的可选变型。空心式飞轮组件的转子510优选地包括纤维复合材料边沿512、上部PM514、下部PM516和梯形铜导体518。应当理解转子边沿512基本上是圆柱形，并且理解PM514、516和518优选地绕转子边沿512的内表面的整个圆周延伸。在该变型中，电动/发电机功能优选地以感应电动拓扑学进行。
根据本公开内容，使具有显著改善的强度/密度比的转子材料——包括优选的MWCNT——并入空心式飞轮架构中，将使飞轮转子能量密度从大约264Wh/kg的当前已知值提高到至少大约473Wh/kg，并且使纤维抗拉强度相应从大约11Gpa增加到大约63GPa(从已知设备至少增加大约80%的效率和强度)。实际上，当MWCNT的壁厚度被标准化为大约0.075mm时，可以实现至少大约300Gpa的理论壁强度。应当进一步理解单壁CNT(SWCNT)也被本公开内容考虑并且可能被并入本文提出的发明的飞轮组件的转子部件中，因为SWCNT可提供适当的或甚至更出众的质量效率增强。典型的SWCNT具有大约1.35nm的直径。使用该直径和一个1原子原子间距离，可实现仅39%的Vfs。3nm的直径将产生60%的Vfs。应当理解与本公开内容的变型结合使用的优化的CNT平衡CNT直径、可实现的Vf和CNT增强的效率。
根据本公开内容的优选变型，大多数飞轮转子包括缠丝式(filament-wound)纤维复合材料，其通过HTS轴承磁悬浮。HTS轴承包括PM转子和HTS定子。由于HTS定子的超导性质，悬浮是被动的，不需要显著的反馈或主动控制。HTS定子优选地包括Y-Ba-Cu-O的单个HTS晶体的阵列，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，其通过与低温制冷机的冷却头热传导从而被冷却到大约70K至大约80K的温度。优选地，对于轴承运行不需要低温流体(例如，液氮等等)。无刷M/G包括PM转子和优选地在铁磁轭内包含铜绕组的定子。M/G定子冷却是通过热传导至真空腔壁来实现的。对于此功能不需要附加能量。吸收能量的密封衬套置于旋转的飞轮和外部真空壳之间。优选的是将真空腔以及真空腔内的静止部件的重量都保持在最小，以便满足飞轮阵列的能量密度要求。优选系统的其它主要部件包括提升轴承、触地(touchdown)轴承和电力电子设备。
虽然已经阐明和描述了优选的变型和备选方案，但应当明白在不偏离本公开内容的精神和范围的情况下可对其进行各种改变和替代。因此，本公开内容的范围应当仅通过所附权利要求及其等价物来限定。

Claims (13)

1.用于储存和释放能量的飞轮组件，其包括：
中空的大致圆柱形的转子组件，其包括具有内表面和外表面的转子，并且所述转子包括具有大约2GPa至大约20GPa的抗拉强度的材料，在大约300m/s至大约3000m/s的圆周速度时所述转子能够径向向外延伸；
与所述转子组件紧密相邻的定子组件；
至少一个附接到所述转子的所述内表面的柔性转子磁体；
至少一个附接到所述定子的定子磁体，所述定子磁体在静止时具有引力值，并且设定尺寸至预定的宽度以便当所述转子以大约300m/s至大约3000m/s的圆周速度运行时基本上保持与所述转子的所述引力值；和
高温超导轴承；
其中所述转子磁体和所述定子磁体相对于彼此放置以便在运行期间促进所述转子的悬浮；并且其中所述组件包括空心式架构。
2.权利要求1所述的飞轮组件，其中所述转子在运行期间实现大约300m/s至大约3000m/s的速度。
3.权利要求1所述的飞轮组件，其中所述转子由选自含碳纤维的材料、含玻璃纤维的材料、含金属的材料以及其组合的材料制成。
4.权利要求3所述的飞轮组件，其中所述材料包括选自下列的材料的基体：石墨、e型玻璃、S型玻璃、二氧化硅、铝、钛、钢以及其组合。
5.权利要求1所述的飞轮组件，其中所述转子包括含碳纳米管的材料。
6.在用于权利要求1所述的飞轮组件中使用的空心式飞轮组件的飞轮转子，所述转子包括：大约2GPa至大约20GPa的抗拉强度，并且在大约300m/s至大约3000m/s的圆周速度时所述转子能够径向向外延伸。
7.权利要求6所述的飞轮转子，其中所述转子由选自含碳纤维的材料、含玻璃纤维的材料、含金属的材料以及其组合的材料制成。
8.权利要求6所述的飞轮转子，其中所述材料包括选自下列的材料的基体：石墨、e型玻璃、S型玻璃、二氧化硅、铝、钛、钢以及其组合。
9.权利要求1所述的飞轮转子，其中所述柔性转子磁体包括具有大约0.01GPa至大约2GPa的杨氏模量的材料。
10.权利要求1所述的飞轮转子，其中所述柔性转子磁体包括FeBNd粉末。
11.权利要求7所述的飞轮转子，其中所述含碳纤维的材料是含碳纳米管的材料。
12.包括权利要求1所述的系统的交通工具。
13.包括权利要求6所述的飞轮转子的交通工具。
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