用于增大復合材料飛輪儲能系統(tǒng)中的能量和/或功率密度的裝置和方法與流程
相關申請的交叉參考
本申請是2014年12月2日提交的、題名為“highenergydensitycompositeflywheels/electromechanicalbatteries”的美國專利申請no.14/557,752的部分繼續(xù)申請，其整個公開內(nèi)容通過參考包含于此。
本申請也是2014年12月9日提交的、題名為“highpowerdensityelectromechanicalenergystorageflywheel”的美國專利申請no.14/564,982的部分繼續(xù)申請，其整個內(nèi)容通過參考包含于此。
背景技術：
本文說明的某些實施例涉及電磁機器，并且更具體地，涉及用于增大復合材料飛輪儲能系統(tǒng)中的能量和/或功率密度的裝置和方法。
機電飛輪裝置可以用于較大容量的儲能以改善例如公用事業(yè)、工業(yè)、軍事和/或其它合適的電網(wǎng)基礎設施的經(jīng)濟性能和穩(wěn)定性。這種飛輪裝置是機械的，其經(jīng)由轉(zhuǎn)動動能儲存能量并且經(jīng)由至少電連接到飛輪裝置的電動機/發(fā)電機系統(tǒng)將能量送回到電網(wǎng)或本地通電部件。然而，某些已知的飛輪儲能系統(tǒng)的應用會至少部分地基于與機械系統(tǒng)相關聯(lián)的物理限制條件(例如，與轉(zhuǎn)動速度和加速度相關聯(lián)的較大的力，這會導致部件材料失效和/或災難性系統(tǒng)失效和/或類似情況)而受限制。
例如，通常希望使能量密度(每單位質(zhì)量的能量，w-h/kg)最大化。與飛輪相關聯(lián)的動能可以經(jīng)由電動發(fā)電機通過施加電能而增加(例如，添加或插入)或通過提取電能而減少，所述電動發(fā)電機可操作地被聯(lián)接到裝置的初級儲能部分和/或以其它方式被包含在裝置的初級儲能部分中。一種增大飛輪的每單位質(zhì)量的能量的方式是至少部分地由高強度、低密度的復合材料(例如，碳纖維)形成飛輪。因為碳纖維比其它材料(例如，玻璃纖維或鋼)具有更高的每單位質(zhì)量的拉伸強度，所以由碳纖維所形成的飛輪可以以較高的轉(zhuǎn)動速度(由于較高的拉伸強度以抵抗圓周應力)轉(zhuǎn)動給定量的質(zhì)量，從而增加用于該量的質(zhì)量的轉(zhuǎn)動動能，即，每單位質(zhì)量的密度。然而，諸如由碳纖維所形成的那些的復合材料沿徑向方向的強度比沿圓周方向的強度低得多，這是因為徑向應力由復合材料的基質(zhì)材料承載，例如，聚合樹脂?；|(zhì)材料的拉伸強度比纖維材料(例如，碳纖維)的拉伸強度低得多。因而，由碳纖維所形成的飛輪的轉(zhuǎn)動速度受到基質(zhì)的強度的限制，而非受到碳纖維的強度的限制。
因而，需要存在這樣的裝置和方法，即，所述裝置和方法用于改變在由高強度的復合材料所形成的飛輪中的徑向應力和圓周應力之間的關系以實現(xiàn)飛輪的能量和/或功率密度的增大。
技術實現(xiàn)要素：
本文說明了用于復合材料飛輪儲能系統(tǒng)中的力分配的設備和方法。在某些實施例中，一種設備包括用于電動機/發(fā)電機的中空的圓柱形飛輪。飛輪由復合材料形成，所述復合材料包含有基質(zhì)材料和纖維，所述纖維至少部分地圍繞飛輪沿著圓周方向取向并且嵌入基質(zhì)材料中。飛輪具有徑向內(nèi)表面、徑向外表面和介于徑向內(nèi)表面與徑向外表面之間的徑向厚度。飛輪配置成圍繞由飛輪所限定的縱向軸線轉(zhuǎn)動。飛輪的轉(zhuǎn)動在纖維中沿著圓周方向產(chǎn)生環(huán)向應力并且在基質(zhì)材料中沿著徑向方向產(chǎn)生穿透厚度的應力。纖維的材料特性和基質(zhì)材料的材料特性使得飛輪圍繞縱向軸線以高到足以產(chǎn)生飛輪的結構失效的第一轉(zhuǎn)動速度轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生沿著徑向方向的基質(zhì)材料的失效，但不產(chǎn)生沿著圓周方向的纖維的失效。該設備還包括多個負載質(zhì)量，所述多個負載質(zhì)量在沿著縱向軸線的縱向分段處圍繞飛輪的徑向內(nèi)表面圓周地分配并且聯(lián)接到飛輪的徑向內(nèi)表面，以便使飛輪的轉(zhuǎn)動促使來自多個負載質(zhì)量的每個負載質(zhì)量都在徑向內(nèi)表面上產(chǎn)生沿著徑向向外的方向的力。該力起作用以減小基質(zhì)材料中的最大穿透厚度的應力，使得比第一轉(zhuǎn)動速度大的、高到足以在縱向分段中產(chǎn)生飛輪的結構失效的第二轉(zhuǎn)動速度產(chǎn)生沿著圓周方向的纖維的失效，但不產(chǎn)生沿著徑向方向的基質(zhì)材料的失效。
附圖說明
圖1是根據(jù)實施例的電磁機器結構的示意圖。
圖2是根據(jù)另一個實施例的電磁機器結構的示意圖。
圖3和圖4是各自根據(jù)不同的實施例的電磁機器結構的部分的示意圖，其示出例如電磁機器結構的電動機/發(fā)電機部分。
圖5是根據(jù)實施例的飛輪的剖視透視圖。
圖6是根據(jù)另一個實施例的飛輪的剖視透視圖。
圖7是被包含在圖6的電磁機器結構中的定子組件的透視圖。
圖8是配置成布置在圖6的電磁機器結構內(nèi)的磁體組件的部分的透視圖。
圖9是圖7的磁體組件的部分的示意圖。
圖10是根據(jù)實施例的磁性組件的部分的示意圖。
圖11是根據(jù)另一個實施例的飛輪的剖視透視圖。
圖12是配置成布置在圖11的電磁機器結構內(nèi)的磁體組件的部分的俯視圖。
圖13至圖16是曲線圖，其各自示出在不同條件下由電磁機器結構所經(jīng)歷的應力量和與電磁機器結構相關聯(lián)的半徑之間的關系。
具體實施方式
在某些實施例中，一種設備包括用于電動機/發(fā)電機的中空的圓柱形飛輪。飛輪由復合材料形成，所述復合材料包含有基質(zhì)材料和纖維，所述纖維至少部分地圍繞飛輪沿著圓周方向取向并且嵌入基質(zhì)材料中。飛輪具有徑向內(nèi)表面、徑向外表面和介于徑向內(nèi)表面與徑向外表面之間的徑向厚度。飛輪配置成圍繞由飛輪所限定的縱向軸線轉(zhuǎn)動。飛輪的轉(zhuǎn)動在纖維中沿著圓周方向產(chǎn)生環(huán)向應力并且在基質(zhì)材料中沿著徑向方向產(chǎn)生穿透厚度的應力。纖維的材料特性和基質(zhì)材料的材料特性使得飛輪圍繞縱向軸線以高到足以產(chǎn)生飛輪的結構失效的第一轉(zhuǎn)動速度轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生沿著徑向方向的基質(zhì)材料的失效，但不產(chǎn)生沿著圓周方向的纖維的失效。該設備還包括多個負載質(zhì)量，所述多個負載質(zhì)量在沿著縱向軸線的縱向分段處圍繞飛輪的徑向內(nèi)表面圓周地分配并且聯(lián)接到飛輪的徑向內(nèi)表面，以便使飛輪的轉(zhuǎn)動促使來自多個負載質(zhì)量的每個負載質(zhì)量都在徑向內(nèi)表面上產(chǎn)生沿著徑向向外的方向的力。該力起作用以減小基質(zhì)材料中的最大穿透厚度的應力，使得比第一轉(zhuǎn)動速度大的、高到足以在縱向分段中產(chǎn)生飛輪的結構失效的第二轉(zhuǎn)動速度產(chǎn)生沿著圓周方向的纖維的失效，但不產(chǎn)生沿著徑向方向的基質(zhì)材料的失效。
在某些實施例中，一種設備包括配置成布置在飛輪儲能裝置內(nèi)的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子由復合材料形成，所述復合材料包含有基質(zhì)材料和纖維，所述纖維至少部分地圍繞轉(zhuǎn)子沿著圓周方向取向并且嵌入基質(zhì)材料中。轉(zhuǎn)子具有縱向轉(zhuǎn)動軸線和徑向內(nèi)表面。轉(zhuǎn)子配置成相對于定子圍繞縱向軸線轉(zhuǎn)動。多個第一負載質(zhì)量和多個第二負載質(zhì)量被聯(lián)接到轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面。來自多個第一負載質(zhì)量的每個負載質(zhì)量都具有第一密度和第一尺寸。多個第一負載質(zhì)量的第一部分在沿著轉(zhuǎn)動軸線的第一縱向分段處在圓周方向上沿著所述內(nèi)表面分配，并且多個第一負載質(zhì)量的第二部分在沿著轉(zhuǎn)動軸線的第二縱向分段處在圓周方向上沿著所述內(nèi)表面分配。來自多個第二負載質(zhì)量的每個負載質(zhì)量都具有比第一密度大的第二密度和比第一尺寸小的第二尺寸。多個第二負載質(zhì)量在介于第一縱向分段與第二縱向分段之間的、沿著轉(zhuǎn)動軸線的第三縱向分段處在圓周方向上沿著所述內(nèi)表面分配。多個第一負載質(zhì)量和多個第二負載質(zhì)量覆蓋所述內(nèi)表面，以便當轉(zhuǎn)子相對于定子圍繞縱向軸線轉(zhuǎn)動時使基本均勻的壓力施加在轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面上。
在某些實施例中，一種設備包括轉(zhuǎn)子、定子和多個負載質(zhì)量，所述轉(zhuǎn)子配置成布置在飛輪儲能裝置內(nèi)。轉(zhuǎn)子由復合材料形成，所述復合材料包含有基質(zhì)材料和纖維，所述纖維至少部分地圍繞轉(zhuǎn)子沿著圓周方向取向并且嵌入基質(zhì)材料中。轉(zhuǎn)子包括多個第一磁體，所述多個第一磁體在沿著由轉(zhuǎn)子所限定的轉(zhuǎn)動軸線的第一縱向分段處在圓周方向上沿著轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面分配。轉(zhuǎn)子包括多個第二磁體，所述多個第二磁體在沿著所述轉(zhuǎn)動軸線的第二縱向分段處在圓周方向上沿著所述內(nèi)表面分配。多個第一磁體和多個第二磁體在它們之間形成有空間。定子被布置在轉(zhuǎn)子內(nèi)，以便使定子的部分處于在多個第一磁體與多個第二磁體之間所限定的空間內(nèi)。多個負載質(zhì)量由非磁性材料形成，并且在多個第一磁體與多個第二磁體之間所限定的空間內(nèi)在圓周方向上沿著所述內(nèi)表面分配，以便使多個負載質(zhì)量處于轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面與定子的所述部分的圓周表面之間。當轉(zhuǎn)子圍繞縱向軸線轉(zhuǎn)動時，多個第一磁體、多個第二磁體和多個負載質(zhì)量在轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面上共同地施加基本均勻的壓力，所述基本均勻的壓力可操作地減小轉(zhuǎn)子內(nèi)的徑向應力。
如在本說明書中所使用的，單數(shù)形式的不定冠詞“a”、“an”和定冠詞“the”包括復數(shù)參照物，除非上下文另有明確規(guī)定以外。因而，例如，術語“一構件”旨在表示單個構件或多個構件的組合，“一材料”旨在表示一種或多種材料或其組合。
如本文所使用的，術語“一組”可以指的是多個特征或具有多個部件的單個特征。例如，當提及一組壁時，該組壁可以被認為是具有多個部分的一個壁，或者該組壁可以被認為是多個不同的壁。因而，整體構造的物品可以包括一組壁。這種一組壁可以包括彼此連續(xù)的或不連續(xù)的多個部分。一組壁也可以由被分開制造且隨后被一起連結(例如，經(jīng)由焊接、粘結劑或任何適當?shù)姆椒?的多個物品制成。
如本文所使用的，當與幾何關系和/或特性(例如，“圓柱形”、“線性”、“平行”、“垂直”等)相關地使用時，術語“基本”旨在表達，如此定義的結構名義上是如此定義的幾何關系和/或特性。作為一個示例，被描述為“基本線性”的部件的表面的部分旨在表達，盡管表面的線性是期望的，但是在“基本線性”的表面中會出現(xiàn)某些非線性。這種非線性可以由制造公差或其它實際考慮(例如，作用在其上的力)所導致。因而，由術語“基本”所修改的幾何構造包括在例如所述幾何構造的±5％的公差內(nèi)的這種幾何性質(zhì)，除非另有明確說明以外。例如，“基本線性”的表面是在線性的±5％內(nèi)限定沿著平面的平面或軸的表面。
如本文所使用的，術語“軸向方向”可以指的是例如與電磁機器的部件的轉(zhuǎn)動軸線平行地延伸的方向。例如，在具有可相對于定子可轉(zhuǎn)動地運動的轉(zhuǎn)子的電動機/發(fā)電機中，當力矢量與沿著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動軸線的方向基本平行時，力可以說是沿著軸向方向的。
如本文所使用的，術語“轉(zhuǎn)動方向”和/或“圓周方向”可以指的是例如沿著具有固定半徑的部件(例如，被包含在電動機/發(fā)電機中的轉(zhuǎn)子的部件)的表面延伸且在所述部件的轉(zhuǎn)動方向上的方向。例如，考慮到，部件的較小部分和/或沿著該部件的表面的點，轉(zhuǎn)動方向可以被認為是“切線方向”。
如本文所使用的，術語“徑向方向”可以指的是例如從部件的轉(zhuǎn)動軸線在恒定軸向位置處例如延伸到該部件的外表面的方向。例如，當力矢量從轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動軸線以基本固定的軸向位置朝向轉(zhuǎn)子的外表面延伸時，力可以說是沿著徑向方向的。
如本文所用的，術語“拉伸強度”和“剪切強度”指的是在施加的力下材料抵抗斷裂的能力。更具體地，術語“拉伸強度”指的是材料當經(jīng)受拉伸或壓縮力時抵抗斷裂的能力。例如，當材料的第一部分相對于材料的第二部分被拖拉時，材料可以暴露于張力。術語“剪切強度”指的是當材料經(jīng)受剪切力時抵抗斷裂的能力。例如，當材料的第一部分在平面方向上(例如，沿著由該部分和材料的第二部分所限定的平面)從材料的第二部分被拉開時，該材料可以暴露于剪切力。
如本文所用的，術語“張力”指的是響應于沿著軸向方向拖拉物體的外力在該物體內(nèi)的內(nèi)力(即，應力)。例如，具有在一個端部處從繩索懸掛且在另一個端部處固定地附裝到支撐件的質(zhì)量的物體施加力以使繩索置于承受張力中。承受張力的物體內(nèi)的應力可以根據(jù)物體的橫截面積來表征。例如，在具有較大橫截面積的物體上比在具有較小橫截面積的另一個物體上施加較小的應力。在塑性變形(例如，諸如頸縮和/或類似變形的永久變形)之前施加在承受張力的物體上的最大應力以物體的拉伸強度來表征。拉伸強度是構成材料的強度性質(zhì)(即，是構成材料所固有的)。因而，承受張力的物體的最大應力量可以通過由具有較大拉伸強度的物體形成而增加或通過由具有較小拉伸強度的材料形成而減少。
如本文所使用的，術語“剛度”指的是物體對由施加的力所產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)、變形和/或位移的抵抗，并且通常被理解為與物體的“柔度”相對。例如，當暴露于力時，具有較高剛度的材料比具有較低剛度的材料更能抵抗偏轉(zhuǎn)、變形和/或位移。類似地規(guī)定，具有較高剛度的物體可以被表征為比具有較低剛度的物體更堅硬。剛度可以根據(jù)施加到物體的力的量和由物體的第一部分相對于物體的第二部分偏轉(zhuǎn)、變形和/或位移所得到的距離來表征。當表征物體的剛度時，所偏轉(zhuǎn)的距離可以被測量為與直接施加力的物體的部分不同的物體的部分的偏轉(zhuǎn)。換句話說，在某些物體中，偏轉(zhuǎn)的點與施加力的點是有區(qū)別的。
剛度(因而，柔度)是描述的物體的廣泛性質(zhì)，并且從而取決于形成物體的材料以及物體的某些物理特性(例如，橫截面形狀、長度、邊界條件等)。例如，物體的剛度可以通過在物體中選擇性地包含有具有期望的彈性模量、撓曲模量和/或硬度的材料而增大或減小。彈性模量是構成材料的強度性質(zhì)(即，是構成材料所固有的)，并且描述了物體響應于所施加的力彈性地(即，非永久性地)變形的傾向。具有較高彈性模量的材料在存在等同施加的應力下將不與具有較低彈性模量的材料差不多偏轉(zhuǎn)。因而，物體的剛度可以例如通過向物體中引入具有較高彈性模量的材料和/或通過用具有較高彈性模量的材料構造物體來增大。如本文進一步詳細地說明的，諸如碳纖維復合材料的復合材料(例如，由兩種或更多種具有不同物理性質(zhì)或化學性質(zhì)的構成材料形成的材料)通常沿著與碳纖維的方向平行的方向增大基質(zhì)材料(例如，塑料樹脂或玻璃)的剛度。
如本文所述的電磁機器可以是任何適當?shù)念愋突驒C器，其例如用作儲能裝置、電動機、發(fā)電機和/或類似物。通過示例的方式，盡管實施例中的某些在此參照在諸如飛輪或類似物的電磁機器內(nèi)的用法來說明，但是應當理解，本文所述的實施例也可以在其它機器或機構中使用。此外，雖然實施例在此被說明為在包括成一體的電動機/發(fā)電機的飛輪中或上實施，但是應當理解，本文所述的實施例可以在可操作地聯(lián)接到電動機/發(fā)電機和/或任何其它合適的電氣、機電和/或電磁裝置的飛輪中或上實施。雖然本文所述的電動機/發(fā)電機和/或其它電磁機器是通常永磁的電磁機器，例如，軸向磁通機器和/或徑向磁通機器，但是實施例和/或其部件可以在任何適當類型的機器中實施。
本文所述的實施例可以在配置成以轉(zhuǎn)動動能的形式儲能的機電飛輪中或上實施。例如，能量(例如，電能、機械能和/或類似能量)可以被供給到飛輪，這促使轉(zhuǎn)動質(zhì)量(例如，轉(zhuǎn)子)圍繞軸線轉(zhuǎn)動。因而，飛輪可以存儲提供給其的能量的至少一部分。相反地，通過減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度，例如通過在電動機/發(fā)電機的繞組中感應電流，所述電動機/發(fā)電機的繞組繼而將電流輸送到負載，可以從飛輪釋放能量。
通常，期望在維持安全操作條件的同時增大與飛輪相關聯(lián)的能量密度(w-h/kg)。因而，在某些情況下，期望由重量較輕的和/或密度較低的材料形成飛輪(例如，轉(zhuǎn)子)的轉(zhuǎn)動部件。對于給定的系統(tǒng)所儲存的轉(zhuǎn)動能量由以下等式1表示：
其中，e是能量，i是質(zhì)量慣性矩，ω是轉(zhuǎn)動速度。
因而，隨著轉(zhuǎn)動部件的質(zhì)量慣性矩i和轉(zhuǎn)動速度ω增大，飛輪儲能裝置儲存更多的能量。用于轉(zhuǎn)動的每個單獨組分的質(zhì)量慣性矩i由以下等式2表示：
其中，m是轉(zhuǎn)動質(zhì)量，ro和ri分別是每個單獨質(zhì)量組分的位置的外半徑和內(nèi)半徑。
因而，轉(zhuǎn)動質(zhì)量離其轉(zhuǎn)動軸越遠，質(zhì)量慣性矩越大，并且對于給定的轉(zhuǎn)動速度所儲存的轉(zhuǎn)動能量越高。當由飛輪儲存的能量隨著轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)動速度和尺寸增大而增加時，增大轉(zhuǎn)動速度就增大了構成材料內(nèi)的應力。具體地，飛輪的轉(zhuǎn)動部件經(jīng)受圓周拉伸應力(環(huán)向應力)和穿透厚度的應力(徑向應力)。隨半徑變化的穿透厚度的應力的分量是內(nèi)應力，在所述內(nèi)應力中分量的徑向外部分與徑向內(nèi)部分拉開(例如，徑向偏轉(zhuǎn)和/或徑向變形)。這種內(nèi)應力在部件內(nèi)引起較高的徑向取向的拉伸應力。因而，雖然通常期望使用重量較輕的材料來增大飛輪的每單位質(zhì)量的能量，但是也希望重量輕的材料尤其具有較高的強度性能。
因而，本文所述的實施例包括飛輪，所述飛輪具有轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子由高強度復合材料形成，所述高強度復合材料即為具有嵌入基質(zhì)材料中的長絲材料的材料，其中長絲材料具有較高的拉伸強度，其可以維持較高的圓周或環(huán)向應力。雖然本文公開的裝置和方法包括特定的材料，但是本文所述的裝置和方法中的任一個可以使用和/或可以包括任何復合長絲材料，例如，碳纖維、凱夫拉爾、玻璃纖維、高強度聚乙烯纖維(例如，
在討論圖1至圖12中所示的實施例之后，簡要討論與本文所述的實施例和/或方法相關聯(lián)的數(shù)學和分析結果。應當理解，通過示例的方式提出理論和/或數(shù)學證明的討論以總結一種分析方法并且為相關負責人提供依據(jù)；該討論旨在不是其完全的解釋。反而，提出了理論和/或數(shù)學證明的討論以提供本文所述的具體實施例和方法的背景。
圖1是根據(jù)實施例的電磁機器結構100的示意圖。電磁機器結構100可以是任何適當?shù)臋C器、系統(tǒng)或其部分。例如，電磁機器結構100包括飛輪105、支撐結構160和至少一組軸承162。如本文進一步詳細地說明的，飛輪105可以是配置成儲能的任何適當?shù)难b置和/或組件。例如，飛輪105可以是配置成以轉(zhuǎn)動動能的形式儲能的裝置和/或系統(tǒng)。
支撐結構160可以例如是配置成支撐飛輪105的至少一部分的轂、殼體、軸等。一個或多個軸承162可以被可操作地聯(lián)接在支撐結構160與飛輪105的轉(zhuǎn)子110之間。這樣，一個或多個軸承162可以允許轉(zhuǎn)子110的至少一部分相對于支撐結構160的至少一部分轉(zhuǎn)動和/或以其它方式圍繞支撐結構160的至少一部分轉(zhuǎn)動。在某些實施例中，一個或多個軸承162可以是諸如球軸承、銷軸承等的機械軸承。在其它實施例中，一個或多個軸承162可以是磁懸浮、主動或被動磁穩(wěn)定軸承、氣體軸承或類似物，其配置成經(jīng)由磁力和/或流體(氣體)懸浮或類似方式可轉(zhuǎn)動地支撐轉(zhuǎn)子110的部分。在其它實施例中，一個或多個軸承162可以是混合軸承(例如，機械/磁性混合軸承或類似物)。因而，支撐結構160和/或一個或多個支承162支撐轉(zhuǎn)子110的至少一部分以允許其至少部分轉(zhuǎn)動運動。
在該實施例中，飛輪105是從電氣負載/電源170接收能量和/或向電氣負載/電源170輸送(釋放)能量的機電裝置。電氣負載/電源170可以例如是公用事業(yè)、工業(yè)、軍事和/或任何其它合適的電網(wǎng)基礎設施。在其它實施例中，電氣負載/電源170可以例如是任何合適的商業(yè)和/或住宅電氣負載/電源。另外，可以在飛輪105與電氣負載/電源170之間電連接有任何適當?shù)碾姎庹{(diào)節(jié)裝置和/或系統(tǒng)172。這種電氣調(diào)節(jié)裝置172例如可以改變、更改和/或以其它方式調(diào)節(jié)與從電動機/發(fā)電機130接收的電能相關聯(lián)的電壓、電流、相位、頻率和/或類似參數(shù)。
如圖1中所示，飛輪105包括至少轉(zhuǎn)子110和定子組件140，所述轉(zhuǎn)子110具有磁體組件120，所述定子組件140具有一組定子繞組或線圈(圖1中未單獨地示出)，所述一組定子繞組或線圈共同地形成包含在飛輪105中的成一體的電動機/發(fā)電機130。飛輪105和/或其部件可以具有任何適當?shù)牟贾煤?或構型，如本文參照具體實施例說明的。例如，飛輪105和/或電動機/發(fā)電機130可以是軸向磁通或徑向磁通永磁機。在這種實施例中，飛輪105的轉(zhuǎn)子110可以相對于定子組件140轉(zhuǎn)動，以便使與包含在磁體組件120中的永磁體的轉(zhuǎn)動相關聯(lián)的磁通在定子繞組140的定子繞組內(nèi)感應電流的流動。
飛輪105配置成從電氣負載/電源170接收足夠的電能以在期望的轉(zhuǎn)動能量和速度下轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子110，由此將輸入功率(例如，電能)轉(zhuǎn)變?yōu)榕c轉(zhuǎn)子110相對于定子組件140的轉(zhuǎn)動相關聯(lián)的動能(例如，參見以上等式1和等式2)。例如，在某些實施例中，與轉(zhuǎn)子110相關聯(lián)的轉(zhuǎn)動速度可以介于約1000每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(rpm)與約10000rpm之間，介于約10000rpm與約20000rpm之間，介于約20000rpm與約30000rpm之間，介于約30000rpm與約40000rpm之間，介于約40000rpm與約50000rpm之間，或更高。在至少一個實施例中，與轉(zhuǎn)子110相關聯(lián)的轉(zhuǎn)動速度可以是約36000rpm。飛輪105還配置成例如通過感應在電動機/發(fā)電機130的部分(例如，包含在定子組件140中的定子繞組或線圈)內(nèi)流動的電流來釋放動能的至少一部分，這減慢了轉(zhuǎn)子110的轉(zhuǎn)動速度。此外，轉(zhuǎn)子110可以由支撐結構160和一個或多個軸承162以最小的損失(例如，由于摩擦或類似情況)被可轉(zhuǎn)動地支撐，使得當飛輪105處于穩(wěn)定狀態(tài)(例如，轉(zhuǎn)子110以基本恒定的速度旋轉(zhuǎn)，并且電動機/發(fā)電機130幾乎沒有向電氣負載/電源170輸送電能或其與電氣負載/電源170電隔離)時，飛輪105“儲存”與轉(zhuǎn)子110的轉(zhuǎn)動相關聯(lián)的動能。
在某些實施例中，轉(zhuǎn)子110可以具有基本環(huán)形的橫截面形狀。換言之，轉(zhuǎn)子110具有限定轉(zhuǎn)子110的內(nèi)半徑的內(nèi)表面和限定轉(zhuǎn)子110的外半徑的外表面。轉(zhuǎn)子110可以由復合材料形成，例如，以上所述的那些。磁體組件120配置成聯(lián)接到轉(zhuǎn)子110的內(nèi)表面。磁體組件120可以包括沿著轉(zhuǎn)子110的內(nèi)表面圓周布置的任何數(shù)量的磁體。在某些實施例中，磁體組件120的圓周布置的磁體可以形成磁體環(huán)，所述磁體環(huán)沿著轉(zhuǎn)子110的縱向軸線布置在內(nèi)表面的分段處或上。另外，磁體組件120可以包括任何適當數(shù)量的磁體環(huán)，所述磁體環(huán)中的每個都沿著轉(zhuǎn)子110的縱向軸線布置在不同的分段處。
磁體組件120的布置使得在每個磁體環(huán)之間和/或在軸向相鄰的磁體之間限定有空間。在某些實施例中，包含在磁體環(huán)中的和/或共同形成磁體環(huán)的磁體可以被分段。也就是說，多個磁體圍繞內(nèi)表面的圓周布置以形成磁體環(huán)，在每個圓周相鄰的磁體之間限定有基本均勻的空間。在某些實施例中，對磁體分段可以例如減小磁體內(nèi)的環(huán)向應力、彎曲應力和/或穿透厚度的應力，所述環(huán)向應力、彎曲應力和/或穿透厚度的應力否則會導致失效。另外，磁體組件120的磁體(例如，形成圓周的磁體環(huán)的多個磁體)的分段量可以至少部分地控制與轉(zhuǎn)子110的轉(zhuǎn)動相關聯(lián)的電流(例如，輸送到定子組件140以使轉(zhuǎn)子110轉(zhuǎn)動的電流或通過轉(zhuǎn)子110相對于定子組件140轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的電流)的頻率。在某些實施例中，轉(zhuǎn)子110的角轉(zhuǎn)動和磁體組件120的磁體的分段會導致與飛輪相關聯(lián)的較高的電流的頻率。
定子組件140可以具有基本圓形(例如，非中空)的或基本環(huán)形的橫截面形狀。此外，定子組件140的尺寸可以與例如轉(zhuǎn)子110的內(nèi)半徑相關聯(lián)，由此允許定子組件140待布置在轉(zhuǎn)子110內(nèi)，在定子組件140的外表面的至少一部分與轉(zhuǎn)子110的內(nèi)表面(例如，具有內(nèi)半徑的表面)的至少一部分之間有期望的氣隙。在某些實施例中，定子組件140可以聯(lián)接到支撐結構160和/或聯(lián)接到一個或多個軸承162的固定部分，以便在轉(zhuǎn)子110相對于定子組件140轉(zhuǎn)動的同時使該定子組件140維持在基本固定的位置中。
轉(zhuǎn)子110和定子組件140的布置可以使得定子組件140的部分布置在軸向相鄰的磁體之間所限定的空間內(nèi)。例如，定子繞組的至少一部分(圖1中未示出)可以布置在軸向相鄰的磁體(或軸向相鄰的磁體環(huán))之間。因而，隨著轉(zhuǎn)子110相對于定子組件140轉(zhuǎn)動，介于包含在磁體組件120中的磁體之間的和/或通過所述磁體的磁通流動路徑內(nèi)流動的磁通可操作成在定子組件140的定子繞組中感應電流。此外，如上所述，傳遞到飛輪105和/或從飛輪105提取的電能可以具有較高頻率的電流(例如，基于轉(zhuǎn)子110的角速度和磁體組件120的磁體的分段)。因此，定子組件140和/或定子繞組可以配置成使得與沿著定子繞組的導體承載較高頻率的電流和/或高電感相關聯(lián)的損耗和/或加熱最小化(例如，導體具有足以支持高頻率和/或高電感而沒有短路和/或過熱的表面積)。
在某些實施例中，磁體組件120的軸向相鄰的磁體和布置在所述軸向相鄰的磁體之間的定子組件140的部分共同地形成和/或共同地用作電動機/發(fā)電機130的部分。此外，在某些實施例中，轉(zhuǎn)子110的內(nèi)表面可以包括沿著其軸線的長度均勻地間隔的任何適當數(shù)量的磁體和/或磁體環(huán)。在某些實施例中，轉(zhuǎn)子110包括沿著轉(zhuǎn)子110的基本整個軸向長度均勻地間隔的多個磁體和/或磁體環(huán)。類似地，定子組件140可以包括多個具有定子繞組的部分，所述多個具有定子繞組的部分中的每個都布置在不同的軸向相鄰的磁體對之間。換言之，電動機/發(fā)電機130可以基本延伸飛輪105的整個軸向長度。在某些情況下，增加形成電動機/發(fā)電機130的飛輪105的部分可以例如增加由飛輪105所儲存的能量(例如，增大能量密度)以及增大由飛輪105可以進行充電或放電的速率(例如，增大功率密度)。
在某些實施例中，電磁機器結構100配置成產(chǎn)生具有高能量密度的儲能和/或以其它方式與具有高能量密度的儲能相關聯(lián)。例如，如在等式1和等式2中所示，由飛輪105儲存的能量e是轉(zhuǎn)子110的轉(zhuǎn)動速度ω和轉(zhuǎn)子110的質(zhì)量慣性矩i的函數(shù)，所述轉(zhuǎn)子110的質(zhì)量慣性矩i則是轉(zhuǎn)子110的質(zhì)量m、內(nèi)半徑ri和外半徑ro的函數(shù)。因而，可以通過增大轉(zhuǎn)子110的轉(zhuǎn)動速度ω、轉(zhuǎn)子110的質(zhì)量m和/或轉(zhuǎn)子110的內(nèi)外半徑ri、ro中的至少一個來增大與飛輪105相關聯(lián)的能量密度。此外，如由以上等式1和等式2所示，轉(zhuǎn)子110的質(zhì)量是一個數(shù)量級的變量，而轉(zhuǎn)子110的轉(zhuǎn)動速度ω是兩個量級的變量。因此，由轉(zhuǎn)子110的增大的每單位質(zhì)量的強度(例如，由于使用復合材料)而引起的轉(zhuǎn)子110的轉(zhuǎn)動速度的增益以指數(shù)方式增加與轉(zhuǎn)子110相關聯(lián)的動能。
如圖1中所示，飛輪105包括聯(lián)接到轉(zhuǎn)子110的內(nèi)表面的一組質(zhì)量負載132。質(zhì)量負載132可以是磁性的(例如，質(zhì)量負載132形成包含在磁體組件120中的磁體)，或者可以是惰性的(例如，非磁性的)并且與包含在磁性組件130中的磁體有區(qū)別。例如，在某些實施例中，質(zhì)量負載132可以形成磁體組件120的磁體，并且可以例如在定子組件140的定子繞組中感應電流的流動和/或經(jīng)由磁力軸承布置使轉(zhuǎn)子110穩(wěn)定。
在其它實施例中，質(zhì)量負載132由不銹鋼、鎢合金、負載金屬的聚合物和/或其它非磁性材料形成。例如，質(zhì)量負載132可以布置在沿著轉(zhuǎn)子110的內(nèi)表面的離散位置處。在其它實施例中，質(zhì)量負載132可以基本整體上覆蓋轉(zhuǎn)子110的內(nèi)表面。此外，質(zhì)量負載132可以具有較高的密度，并且從而可以在維持相同質(zhì)量的同時具有較小的尺寸。類似地，質(zhì)量負載132可以具有在轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面上的每單位面積的質(zhì)量和/或密度，其基本等于磁體組件120中和/或磁穩(wěn)定系統(tǒng)中的磁體的每單位面積的質(zhì)量和/或密度。因而，當質(zhì)量負載132和磁體組件120的磁體基本整體上覆蓋轉(zhuǎn)子110的內(nèi)表面時，磁體組件120的磁體和質(zhì)量負載132隨著轉(zhuǎn)子110圍繞其軸線轉(zhuǎn)動而在轉(zhuǎn)子110的內(nèi)表面上施加基本均勻的力。在某些實施例中，質(zhì)量負載132被分段成結構上離散的元件，并且任選地使得在相鄰的磁體之間-沿著圓周方向或沿著軸向方向限定期望的距離。通過對質(zhì)量負載132分段，可以減小由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的離心效應所引起的、施加在質(zhì)量負載132上和/或中的應力。另外，對質(zhì)量負載132分段可以允許用于增大的可擴展性。
在轉(zhuǎn)子110的內(nèi)表面上的質(zhì)量負載132的布置在轉(zhuǎn)子110轉(zhuǎn)動時所引起的應力狀態(tài)與以其它方式與轉(zhuǎn)子110相關聯(lián)的應力狀態(tài)不同。例如，質(zhì)量負載132配置成由于與轉(zhuǎn)子110的轉(zhuǎn)動相關聯(lián)的離心效應而在轉(zhuǎn)子110的內(nèi)表面上施加額外的力。照此，減小最大穿透厚度的徑向拉伸應力，否則所述最大穿透厚度的徑向拉伸應力限制轉(zhuǎn)子110的轉(zhuǎn)動速度。更具體地，由質(zhì)量負載132施加在轉(zhuǎn)子110的內(nèi)表面上的力在某些情況下可以將轉(zhuǎn)子110(或形成轉(zhuǎn)子110的構成材料)置于穿透厚度的壓縮狀態(tài)中，所述穿透厚度的壓縮狀態(tài)與穿透厚度的張力相比由于在穿透厚度的壓縮下的復合材料的強度而是期望的。另外，施加在轉(zhuǎn)子110的內(nèi)表面上的力的均勻性可以使與增大和/或減小轉(zhuǎn)子110的轉(zhuǎn)動速度相關聯(lián)的非均勻的動態(tài)加載穩(wěn)定。
圖2是根據(jù)實施例的負載質(zhì)量的復合材料轉(zhuǎn)子210的示意圖。在某些實施例中，負載質(zhì)量的復合材料轉(zhuǎn)子210(在此也稱為“轉(zhuǎn)子”)可以是配置成包含在飛輪儲能裝置中的任何適當?shù)霓D(zhuǎn)子，所述飛輪儲能裝置例如是以上參照圖1所述的飛輪105。照此，轉(zhuǎn)子210可以配置成相對于定子組件(圖2中未示出)圍繞軸線a轉(zhuǎn)動。如以上參照轉(zhuǎn)子110所述的，轉(zhuǎn)子210可以被促使轉(zhuǎn)動而例如以轉(zhuǎn)動動能的形式儲能。此外，轉(zhuǎn)子210相對于定子組件(例如，定子組件140)的轉(zhuǎn)動可以使得與包含在轉(zhuǎn)子210中和/或聯(lián)接到轉(zhuǎn)子210的永磁體的轉(zhuǎn)動相關聯(lián)的磁通在定子組件140的定子繞組內(nèi)感應電流的流動。
轉(zhuǎn)子210可以是任何適當?shù)男螤睢⒊叽绾?或構型。例如，在某些實施例中，轉(zhuǎn)子210具有基本環(huán)形的形狀，在所述形狀內(nèi)可以布置有定子組件或類似物的至少一部分。轉(zhuǎn)子210可以由諸如以上所述的那些的復合材料形成。更具體地，如在圖2中所示，轉(zhuǎn)子210包括復合層212，并且任選地包括順應層216。復合層212例如可以由高強度的碳纖維復合材料形成。復合層212包括聚合物基質(zhì)材料，例如，其中嵌入有碳纖維的環(huán)氧樹脂或類似物。在這樣的實施例中，碳纖維可以基本沿著圓周方向布置和/或取向。如上所述，復合層212可以提供較高的強度性能以及較低的密度，由此增大轉(zhuǎn)子210的強度和增大由轉(zhuǎn)子210在由于離心效應而失效之前可以轉(zhuǎn)動的速率。
如在圖2中所示，任選的順應層216被布置在復合層212內(nèi)，與復合層212的內(nèi)表面接觸并且聯(lián)接(例如，經(jīng)由化學或機械聯(lián)接)。順應層216可以由具有比復合層212的彈性模量低的彈性模量的大致順應性的材料形成。例如，在某些實施例中，順應層216由玻璃或玻璃復合材料形成。如本文進一步詳細地說明的，順應層216可以配置成分配以其它方式施加在復合層212上的力f以降低例如局部應力集中。
轉(zhuǎn)子210還包括聯(lián)接到順應層216的內(nèi)表面的一組或多組質(zhì)量負載232。質(zhì)量負載232可以是磁性的并且/或者可以是惰性的(例如，非磁性的)。例如，在某些實施例中，質(zhì)量負載232可以是包含在飛輪的磁體組件中的磁體。當與例如順應層216和/或復合層212相比時，質(zhì)量負載232可以具有更高的密度。如在圖2中所示，每個質(zhì)量負載232組都圓周地布置，并且這些質(zhì)量負載組沿著與軸線a平行的轉(zhuǎn)子210的長度均勻地分配。在其中定子繞組軸向地布置在磁性質(zhì)量負載232的相鄰組之間的實施例中，質(zhì)量負載232的軸向相鄰的組被軸向地間隔以接收定子繞組。
盡管質(zhì)量負載232在圖2中示出為在它們之間限定有空間，但是在其它實施例中，轉(zhuǎn)子210可以包括這樣的質(zhì)量負載232，即，所述質(zhì)量負載232配置成覆蓋轉(zhuǎn)子210的基本整個內(nèi)表面(即，如果包含有順應層216的話為順應層216，或者如果不包含順應層216的話為復合層212)。例如，在某些實施例中，質(zhì)量負載232的第一部分可以是磁性質(zhì)量，其可以在形式和/或功能上與包含在以上參照圖1詳細說明的磁體組件120中的磁體基本類似。在這樣的實施例中，質(zhì)量負載232的第二部分可以例如布置在軸向相鄰的磁性質(zhì)量負載232之間。在某些實施例中，質(zhì)量負載232的第二部分可以具有與質(zhì)量負載232的第一部分的密度基本相同的密度或者可以具有比質(zhì)量負載232的第一部分的密度大的密度。當質(zhì)量負載232(例如，質(zhì)量負載232的第一部分和第二部分)基本整體上覆蓋順應層216的內(nèi)表面時，質(zhì)量負載232隨著轉(zhuǎn)子210圍繞軸線a轉(zhuǎn)動而在順應層216的內(nèi)表面上施加每單位面積基本均勻的力f。如上所述，順應層216布置成使得由質(zhì)量負載232施加在順應層216上的、每單位面積以其它方式局部化的力f被均勻地分配在復合層212的內(nèi)表面上。因而，隨著轉(zhuǎn)子210圍繞軸線a轉(zhuǎn)動，在復合層的內(nèi)表面上施加(例如，經(jīng)由順應層216)基本均勻的應力。在某些情況下，這種布置可以例如提高整個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。
如以上參照轉(zhuǎn)子110所述的，質(zhì)量負載232由于與轉(zhuǎn)子210的轉(zhuǎn)動相關聯(lián)的離心效應而在復合層212的內(nèi)表面上施加額外的力。照此，由質(zhì)量負載232均勻地施加在復合層212的內(nèi)表面上的力f(經(jīng)由順應層216)減小穿透厚度的徑向拉伸應力，否則所述穿透厚度的徑向拉伸應力限制轉(zhuǎn)子210的轉(zhuǎn)動速度。在某些情況下，力f可以將轉(zhuǎn)子210(或形成轉(zhuǎn)子210的構成材料)置于貫穿轉(zhuǎn)子的穿透厚度的壓縮狀態(tài)中。此外，如以上參照飛輪105所述的，通過均勻地分配質(zhì)量負載232(例如，磁性質(zhì)量負載)，其中包含有轉(zhuǎn)子210的飛輪的能量密度和/或功率密度可以通過使共同形成和/或配置為電動機/發(fā)電機的飛輪的部分基本最大化而增大。
圖3是根據(jù)另一個實施例的飛輪305的部分的示意圖。飛輪305的該部分可以被包含在配置成接收、儲存和釋放能量的任何適當?shù)臋C器和/或系統(tǒng)中。在某些實施例中，飛輪305的該部分可以基本類似于和/或被包含在例如以上參照圖1所述的飛輪105中。因而，在此不進一步詳細地說明飛輪305的該部分的方面。
飛輪305(或其部分)包括轉(zhuǎn)子310，所述轉(zhuǎn)子310配置成相對于定子340轉(zhuǎn)動，如以上參照飛輪105所述的。定子340可以是任何適當?shù)男螤?、尺寸或構型。例如，在某些實施例中，定?40可以基本類似于以上參照圖1所述的定子組件140。因此，盡管在圖3中未示出，定子340可以包括配置成接收電流的流動的任何數(shù)量的定子繞組或類似物，如本文進一步詳細地說明的。
飛輪305的轉(zhuǎn)子310包括第一層312、第二層314和第三層316。第一層312可以是高強度的復合層，例如，碳復合層，如以上參照轉(zhuǎn)子110(圖1)和/或轉(zhuǎn)子210(圖2)所述的。第二層314可以是具有比第一層312的強度小的強度的復合層。例如，在某些實施例中，第二層314可以是玻璃/碳復合層或類似物。在這樣的實施例中，玻璃/碳纖維可以被嵌入諸如環(huán)氧樹脂的聚合物基質(zhì)材料中。因而，第二層314可以類似于第一層312；然而，當暴露于力時，使用玻璃纖維引起更順應的復合材料。第三層316可以是具有比第二層314的強度小的強度的順應層。例如，在某些實施例中，第三層316可以是順應的玻璃層或玻璃復合層或類似物。在這樣的實施例中，當暴露于力時，玻璃材料和/或玻璃復合材料可以比例如玻璃/碳復合材料和/或碳復合材料更為順應。
如在圖3中所示，轉(zhuǎn)子310包括磁體組件320和聯(lián)接到第三層316(例如，玻璃層)的表面的一組質(zhì)量負載332。磁體組件320包括兩個磁體322組。這些磁體322組可以經(jīng)由任何適當?shù)穆?lián)接方式聯(lián)接到第三層316，所述任何適當?shù)穆?lián)接方式例如是粘結劑、機械緊固件、過盈配合、附裝到第三層316的介入結構和/或類似方式。此外，這些磁體322組在沿著轉(zhuǎn)子310的軸向長度的不同位置處聯(lián)接到第三層316，使得在它們之間限定距離d1。如圖所示，距離d1足以允許定子340的部分布置在磁體322之間。
質(zhì)量負載332可以是任何適當?shù)男螤睢⒊叽绾?或構型。例如，在圖3中所示的實施例中，轉(zhuǎn)子310包括一組質(zhì)量負載332，其在磁體322組中的每個磁體組的每一側(cè)上聯(lián)接到第三層316。更具體地，第一質(zhì)量負載332組可以布置在第一磁體322組的第一側(cè)上，第二質(zhì)量負載332組可以布置在第二磁體322組的第一側(cè)上，并且第三質(zhì)量負載332組可以布置在第一磁體322組的第二側(cè)上和第二磁體322組的第二側(cè)上(即，軸向地處于兩個磁體322組之間)。在某些實施例中，質(zhì)量負載332組可以布置成與一個或多個磁體322相鄰并且與之接觸。換言之，磁體322組和質(zhì)量負載332組可以基本整體上基本覆蓋第三層316的內(nèi)表面。如本文進一步詳細地說明的，通過覆蓋第三層316的整個內(nèi)表面，隨著轉(zhuǎn)子310圍繞其軸線轉(zhuǎn)動，質(zhì)量負載332組和磁體322組可以在第三層316上施加基本均勻的壓力。
在該實施例中，質(zhì)量負載332組中的每個質(zhì)量負載都可以由惰性(例如，非磁性的)材料形成，例如，不銹鋼、鎢合金和/或類似物。此外，形成質(zhì)量負載的構成材料可以是較高密度的材料。例如，在某些實施例中，質(zhì)量負載和/或形成質(zhì)量負載332組中的質(zhì)量負載的構成材料的密度大于磁體322組中的磁體的密度。如在圖3中所示，通過包含有其密度比與磁體相關聯(lián)的密度大的質(zhì)量負載，在維持基本相同的質(zhì)量的同時，質(zhì)量負載的尺寸(例如，徑向厚度)可以小于磁體的相關尺寸。
如上所述，在磁體322組之間所限定的空間中布置有定子340的部分。更具體地，定子340的該部分可以沿著軸向方向在磁體322組之間居中，使得在定子340的相對表面與相應磁體322組的相關表面之間限定距離d2，如在圖3中所示。此外，轉(zhuǎn)子310布置成使得在定子340的徑向外表面與布置在磁體322之間的質(zhì)量負載332的徑向內(nèi)表面之間限定距離d3。在某些實施例中，距離d2可以與距離d3基本相同，即，可以在定子340與磁體322組和/或質(zhì)量負載332組之間限定相同的氣隙。這種布置可以例如隨著轉(zhuǎn)子310圍繞定子340轉(zhuǎn)動而增大飛輪305的部分的穩(wěn)定性。
如以上參照飛輪105(圖1)和飛輪205(圖2)所述的，轉(zhuǎn)子310和定子340共同地形成包含在飛輪305中的成一體的電動機/發(fā)電機330。更具體地，設置在相鄰磁體322組之間的定子340的部分的布置形成例如軸向磁通永磁電動機/發(fā)電機。因而，定子340可以接收電流的流動，所述電流的流動繼而激勵定子繞組。照此，流入定子繞組中或沿著定子繞組流動的電流可以與在磁體組件320的相鄰磁體322組之間流動的和/或通過磁體組件320的相鄰磁體322組流動的磁通相互作用，以使轉(zhuǎn)子310相對于定子340轉(zhuǎn)動。照此，飛輪305的部分可以將電能的至少一部分儲存為轉(zhuǎn)動動能。另外，飛輪305的部分可以轉(zhuǎn)變?yōu)槔绶烹姞顟B(tài)，在所述放電狀態(tài)中在磁體322組之間流動的和/或通過磁體322組流動的磁通在定子繞組內(nèi)感應流向電負載或類似物的電流流動。
在某些實施例中，在第三層316的內(nèi)表面上的質(zhì)量負載332組和磁體322組的布置在轉(zhuǎn)子310的第一層312、第二層314和第三層316中的每個內(nèi)都引起與將通過轉(zhuǎn)子310的轉(zhuǎn)動以其它方式產(chǎn)生的應力不同的應力。例如，隨著轉(zhuǎn)子310圍繞其軸線轉(zhuǎn)動，質(zhì)量負載332組和磁體322組由于與轉(zhuǎn)子310的轉(zhuǎn)動相關聯(lián)的離心效應而在第三層316的內(nèi)表面上施加額外的徑向向外指向的力。照此，在第一層312、第二層314和/或第三層316內(nèi)的最大穿透厚度的徑向拉伸應力減小，所述最大穿透厚度的徑向拉伸應力否則將限制轉(zhuǎn)子310的轉(zhuǎn)動速度。在某些實施例中，由質(zhì)量負載332組和磁體322組所施加的力可以將轉(zhuǎn)子310的層312、314和316置于完全壓縮的穿透厚度的狀態(tài)中，如以上參照圖1中的飛輪105所述的。此外，通過用根據(jù)轉(zhuǎn)子310的半徑連續(xù)地增大強度的層312、314和316形成轉(zhuǎn)子310，與轉(zhuǎn)子310、磁體322和質(zhì)量負載332上的離心效應相關聯(lián)的力通過層312、314和316被均勻地分配，這可以使與轉(zhuǎn)子310的轉(zhuǎn)動速度的增大和/或減小相關聯(lián)的非均勻的動態(tài)加載穩(wěn)定。
盡管以上參照圖3尤其示出和說明包含在飛輪305的部分中的轉(zhuǎn)子310，但是在其它實施例中，飛輪的部分可以包括具有任何適當?shù)牟贾煤?或構型的轉(zhuǎn)子。例如，圖4是根據(jù)又一個實施例的飛輪405的部分的示意圖。飛輪405的該部分可以被包含在配置成接收、儲存和釋放能量的任何適當?shù)臋C器和/或系統(tǒng)中。在某些實施例中，飛輪405的該部分可以基本類似于例如以上參照圖1所述的飛輪105和/或包含在例如以上參照圖1所述的飛輪105中。此外，飛輪405的該部分的方面在形式和/或功能上與飛輪305的該部分的相關方面基本類似。因而，本文沒有更進一步詳細地說明飛輪405的該部分的方面。
飛輪405(或其部分)包括配置成相對于定子440轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子410，如以上參照飛輪105所述的。定子440可以是任何適當?shù)男螤?、尺寸或構型。例如，在某些實施例中，定?40可以基本類似于以上參照圖1說明的定子組件140。因此，盡管在圖4中未示出，定子440也可以包括配置成接收電流的流動的任何數(shù)量的定子繞組或類似物，如本文進一步詳細地說明的。
飛輪405的轉(zhuǎn)子410包括第一層412、第二層414和第三層416。第一層412可以是高強度的復合層(例如，碳復合層或類似物)，如以上參照轉(zhuǎn)子110(圖1)和/或轉(zhuǎn)子210(圖2)所述的。第二層414可以是具有比第一層412的強度小的強度的復合層(例如，玻璃復合層或類似物)，如以上參照圖3中所示的飛輪305所述的。第三層416可以是具有比第二層414的強度小的強度的順應層(例如，柔性玻璃或類似物)，如以上參照圖3中所示的轉(zhuǎn)子310所述的。
如在圖4中所示，轉(zhuǎn)子410包括磁體組件420和一組質(zhì)量負載432，所述磁體組件420聯(lián)接到第三層416(例如，柔性玻璃層)，所述一組質(zhì)量負載432聯(lián)接到例如第二層414(例如，玻璃復合層)的表面。磁體組件420包括一對磁體422組。磁體組件420基本類似于以上參照圖3說明的磁體組件320，并且因而，在此沒有進一步詳細地說明。雖然轉(zhuǎn)子310的第三層316在圖3中示出為基本延伸了轉(zhuǎn)子310的部分的整個長度，但是在圖4中所示的實施例中，第三層416布置在磁體422與第二層414之間，而不是布置在質(zhì)量負載432與第二層414之間。在某些實施例中，將第三層416限制到與磁體422組相關聯(lián)的、沿著轉(zhuǎn)子410的軸向長度的分段，可以例如減小轉(zhuǎn)子410的重量，而同時仍然減輕在磁體422組和轉(zhuǎn)子410上的離心效應(例如，剪切應力、穿透厚度的應力等)。
質(zhì)量負載432組中的質(zhì)量負載可以是任何適當?shù)男螤?、尺寸?或構型。例如，在圖4中所示的實施例中，轉(zhuǎn)子410包括一組質(zhì)量負載432，其在磁體422組中的每個磁體組的每一側(cè)上聯(lián)接到第二層414，與圖3中所示的轉(zhuǎn)子310的布置類似。在該實施例中，質(zhì)量負載432組例如被分段成比磁體422的相關橫截面積小的橫截面積(例如，在徑向平面中)。在某些情況下，對質(zhì)量負載432組分段可以是至少部分地基于質(zhì)量負載的密度和由轉(zhuǎn)子410的轉(zhuǎn)動所引起的相關應力。因而，通過減小每個質(zhì)量負載的橫截面尺寸，可以減小作用在質(zhì)量負載上或中的應力以及作用在轉(zhuǎn)子410上的那些應力。此外，通過將質(zhì)量負載分段成更小的橫截面積，例如，可以允許質(zhì)量負載聯(lián)接到轉(zhuǎn)子410的第二層414，而在質(zhì)量負載與第二層414之間沒有布置第三層416。這樣，飛輪405的部分可以在至少功能上與本文所述的飛輪105、205和/或305中的任一個類似。
圖5是根據(jù)實施例的飛輪505的剖視圖。飛輪505可以是任何適當?shù)臋C器、系統(tǒng)或其部分。例如，飛輪505可以是配置成以轉(zhuǎn)動動能的形式儲能的裝置、機器和/或系統(tǒng)。這樣，飛輪505是從電氣負載/電源接收能量和/或向電氣負載/電源輸送(釋放)能量的機電裝置，所述電氣負載/電源例如是公用事業(yè)、工業(yè)、軍事和/或任何其它合適的電網(wǎng)基礎設施。在其它實施例中，電氣負載/電源可以例如是任何合適的商業(yè)和/或住宅電氣負載/電源。在某些實施例中，飛輪505的部分可以與上述飛輪105、205、305和/或405的相關部分類似和/或基本相同，并且因而在此不進一步詳細地說明與先前說明的那些類似的飛輪505的部分。
如在圖5中所示，飛輪505包括至少轉(zhuǎn)子510和定子540，所述轉(zhuǎn)子510具有磁體組件520和多組質(zhì)量負載532，所述定子540具有一組定子繞組或線圈(圖5中未示出)。飛輪505和/或其部件可以具有任何適當?shù)牟贾煤?或構型。例如，如在圖5中所示，飛輪505的部分可以形成電動機/發(fā)電機530，其配置為軸向磁通永磁機。在這樣的實施例中，飛輪505的轉(zhuǎn)子510可以相對于定子540轉(zhuǎn)動，以便使與包含在磁體組件520中的永磁體的轉(zhuǎn)動相關聯(lián)的磁通在定子540的定子繞組內(nèi)感應電流。
飛輪505配置成從電氣負載/電源接收足夠的電能以在期望的轉(zhuǎn)動速度下轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子510，由此將輸入能量(例如，電能)轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)動動能(例如，參見以上等式1和等式2)，如以上參照圖1中所示的飛輪105所述的。飛輪505還配置成例如通過感應在電動機/發(fā)電機530的部分(例如，包含在定子540中的定子繞組或線圈)內(nèi)流動的電流來釋放轉(zhuǎn)動動能的至少一部分，這減慢了轉(zhuǎn)子510的轉(zhuǎn)動速度。
如在圖5中所示，定子540具有基本圓形(例如，非中空的)橫截面形狀，其可以與例如轉(zhuǎn)子510的內(nèi)表面相關聯(lián)，由此允許定子540待布置在轉(zhuǎn)子510內(nèi)。在某些實施例中，定子540可以聯(lián)接到任何適當?shù)闹谓Y構(未示出)，其配置成在轉(zhuǎn)子510相對于定子540轉(zhuǎn)動的同時將定子540維持在基本固定的位置中。此外，轉(zhuǎn)子510和/或定子540可以包括布置在它們之間的軸承562，所述軸承562配置成隨著轉(zhuǎn)子510相對于定子540轉(zhuǎn)動而支撐轉(zhuǎn)子510的至少一部分。在某些實施例中，軸承562可以例如是靜態(tài)機械軸承，例如，球軸承或銷軸承。定子540包括軸承部分542、穩(wěn)定部分544以及電動機/發(fā)電機部分546，它們中的每個都配置成與轉(zhuǎn)子510的不同部分相互作用，如本文進一步詳細地說明的。
如在圖5中所示，轉(zhuǎn)子510具有基本環(huán)形的橫截面形狀。換言之，轉(zhuǎn)子510具有限定轉(zhuǎn)子510的內(nèi)半徑的內(nèi)表面和限定轉(zhuǎn)子510的外半徑的外表面。轉(zhuǎn)子510可以由復合材料形成，例如，以上所述的那些。此外，雖然轉(zhuǎn)子510在圖5中示出為包括單個層和/或示出為由單一復合材料形成，但是在其它實施例中，轉(zhuǎn)子510可以包括任何適當數(shù)量的層，每個層都可以由不同的復合材料形成。例如，在某些實施例中，轉(zhuǎn)子510可以包括三個層(例如，高強度的碳復合材料外層、玻璃/碳復合材料中間層、以及玻璃和/或玻璃復合材料內(nèi)層，如以上參照轉(zhuǎn)子310和轉(zhuǎn)子410所述的。
磁體組件520聯(lián)接到轉(zhuǎn)子510的內(nèi)表面。磁體組件520可以在一個或多個軸向分配的磁體組中包括沿著轉(zhuǎn)子510的內(nèi)表面圓周布置的任何數(shù)量的磁體。例如，如在圖5中所示，磁體組件520包括一組一個或多個軸承磁體522、一組一個或多個穩(wěn)定磁體522’和一組或多組電動機/發(fā)電機磁體522”。圓周布置的磁體(例如，一個或多個軸承磁體522、一個或多個穩(wěn)定磁體522’和一個或多個電動機/發(fā)電機磁體522”)可以是一個磁體或可以是任何適當數(shù)量的分段的磁體。在某些實施例中，對磁體的分段可以在轉(zhuǎn)子510轉(zhuǎn)動期間減小在磁體內(nèi)的和/或由磁體以其它方式施加的應力(例如，彎曲應力、剪切應力、穿透厚度的應力、環(huán)向應力或類似應力)，如以上參照轉(zhuǎn)子110(圖1)所述的。在某些實施例中，磁體組件520的圓周布置的磁體可以形成磁體環(huán)，所述磁體環(huán)沿著轉(zhuǎn)子510的縱向軸線布置在內(nèi)表面的期望分段處或上。例如，一組一個或多個軸承磁體522可以沿著縱向軸線布置在第一位置處，一組一個或多個穩(wěn)定磁體522’可以沿著縱向軸線布置在與第一位置不同的第二位置處，并且一組或多組電動機/發(fā)電機磁體522”可以沿著縱向軸線布置在與第一位置和第二位置不同的第三和其它位置處。
一個或多個軸承磁體522、一個或多個穩(wěn)定磁體522’和一個或多個電動機/發(fā)電機磁體522”(每個今后都被稱為單個“磁體”)可以是任何適當?shù)拇朋w。例如，在某些實施例中，磁體可以由諸如釹-鐵-硼化物、釤-鈷、鋁-鎳-鈷和/或類似物的稀土金屬形成。在其它實施例中，磁體可以是電磁體。在某些實施例中，包含在磁體組件520中的磁體可以是基本類似的(例如，包含基本相同的構成材料)。在其它實施例中，在該一組軸承磁體522、該一組穩(wěn)定磁體522’和/或該一組或多組電動機/發(fā)電機磁體522”中的磁體不必是類似的。
該一組軸承磁體522和該一組穩(wěn)定磁體522’各自都可以具有適于限定期望的磁通流動路徑的任何布置和/或構型。例如，在某些實施例中，該一組軸承磁體522可以產(chǎn)生與定子540的軸承部分542相互作用的磁通。例如，在某些實施例中，從該一組軸承磁體522流動和/或穿過該一組軸承磁體522的磁通可以排斥定子540的軸承部分542的分段和/或以其它方式使其懸浮。照此，該一組軸承磁體522和定子540的軸承部分542可以經(jīng)由磁懸浮共同充當?shù)湍Σ凛S承。該一組穩(wěn)定磁體522’可以產(chǎn)生與定子540的穩(wěn)定部分544相互作用的磁通。照此，例如，在轉(zhuǎn)子510的加速或減速期間，該一組穩(wěn)定磁體522’和定子540的穩(wěn)定部分544可以共同使轉(zhuǎn)子510和/或定子540穩(wěn)定。在某些情況下，轉(zhuǎn)子510的穩(wěn)定可以降低沖擊力和/或非均勻的加載或運動，否則會損壞轉(zhuǎn)子510和/或定子540。因而，軸承562、轉(zhuǎn)子510的一組軸承磁體522和一組穩(wěn)定磁體522’以及定子540的軸承部分542和穩(wěn)定部分544隨著轉(zhuǎn)子510圍繞定子540轉(zhuǎn)動而共同支撐轉(zhuǎn)子510和/或使轉(zhuǎn)子510穩(wěn)定。
磁體組件520的一組或多組電動機/發(fā)電機磁體522”配置成與定子540的電動機/發(fā)電機部分546相互作用以共同限定電動機/發(fā)電機530。雖然該組電動機/發(fā)電機磁鐵522”在圖5中示出為具有限定例如三個凹口的連續(xù)的橫截面形狀，在所述三個凹口內(nèi)布置有定子540的部分，但是在其它實施例中，該組電動機/發(fā)電機磁體522”可以包括任何適當數(shù)量的組的軸向布置的磁體，其共同形成電動機/發(fā)電機磁體522”。換言之，該組電動機/發(fā)電機磁體522”可以具有適于限定流動路徑的任何布置和/或構型，在所述流動路徑中磁通在該組電動機/發(fā)電機磁體522”之間流動和/或通過該組電動機/發(fā)電機磁體522”流動以與定子540的至少一部分相互作用。
轉(zhuǎn)子510和定子540的布置使得定子540的電動機/發(fā)電機部分546設置在由該組電動機/發(fā)電機磁體522”所限定的空間內(nèi)。例如，在某些實施例中，該組電動機/發(fā)電機磁體522”限定了一組凹口，其配置成接收定子540的電動機/發(fā)電機部分546。在其它實施例中，該組電動機/發(fā)電機磁體522”由多組磁體形成，所述多組磁體被軸向地布置以在軸向相鄰的磁體組之間限定空間，所述空間配置成接收定子540的電動機/發(fā)電機部分546。在某些實施例中，定子540的電動機/發(fā)電機部分546可以包括例如定子繞組和/或線圈(在圖5中未示出)，其布置在軸向相鄰的磁體(或軸向相鄰的磁體環(huán))之間的凹口和/或空間內(nèi)。轉(zhuǎn)子510的該組電動機/發(fā)電機磁體522”和定子540的電動機/發(fā)電機部分546的布置使得在它們之間限定期望的氣隙。更具體地，設置在一組或多組電動機/發(fā)電機磁體522之間的定子540的電動機/發(fā)電機部分546的布置共同形成例如軸向磁通永磁電動機/發(fā)電機(例如，電動機/發(fā)電機530)。因而，飛輪505可以配置成接收電流的流動，所述電流的流動可操作成使轉(zhuǎn)子510相對于定子540轉(zhuǎn)動，并且/或者飛輪505可以感應電流的流動(例如，在定子繞組和/或線圈內(nèi))，所述電流的流動可以被輸送到負載，如以上參照飛輪105、205、305和/或405詳細地說明的。
如上所述，轉(zhuǎn)子510包括質(zhì)量負載532組。質(zhì)量負載532組可以是磁性的(例如，質(zhì)量負載532形成包含在磁體組件520中的磁體)，或者可以是惰性的(例如，非磁性的)并且與包含在磁組件530中的磁體不同。例如，在某些實施例中，質(zhì)量負載532可以形成磁體組件520的磁體，并且可以例如在定子540的定子繞組中感應電流的流動和/或使轉(zhuǎn)子510穩(wěn)定。然而，在該實施例中，質(zhì)量負載532組由不銹鋼、鎢合金、負載金屬的聚合物和/或其它非磁性材料形成。如圖5所示，質(zhì)量負載532組基本覆蓋轉(zhuǎn)子510的整個內(nèi)表面，除了轉(zhuǎn)子510的分段以外，所述轉(zhuǎn)子510的分段以其它方式由一組軸承磁體522、一組穩(wěn)定磁體522’以及一組或多組電動機/發(fā)電機磁體522”覆蓋和/或聯(lián)接到所述一組軸承磁體522、所述一組穩(wěn)定磁體522’以及所述一組或多組電動機/發(fā)電機磁體522”。
在某些實施例中，質(zhì)量負載532組中的每個質(zhì)量負載都可以具有質(zhì)量和徑向面對的面積，其基本等于磁體組件520中的每個磁體的質(zhì)量。因而，當磁體組件520的質(zhì)量負載532組和磁體522、522’和522”組基本整體上覆蓋轉(zhuǎn)子510的內(nèi)表面時，隨著轉(zhuǎn)子510圍繞其軸線轉(zhuǎn)動，質(zhì)量負載和磁體在轉(zhuǎn)子510的內(nèi)表面上每單位面積施加基本均勻的力(或壓力)。在某些實施例中，質(zhì)量負載可以具有比磁體的密度大的密度，并且因而可以在維持相同的質(zhì)量(并且例如，每單位面積的質(zhì)量)的同時具有較小的尺寸(例如，徑向厚度)。在某些實施例中，每個質(zhì)量負載532組都被圓周地分段成圓周地間隔開或鄰接的、結構上離散的質(zhì)量負載。類似地，質(zhì)量負載532組可以軸向地間隔開，使得在相鄰的磁體組之間限定期望的軸向距離，或者質(zhì)量負載532組可以是鄰接的。通過分段每個質(zhì)量負載532組，可以減小由離心效應所引起的、施加在每個單獨質(zhì)量負載上和/或中的應力。因而，在轉(zhuǎn)子510的內(nèi)表面上的質(zhì)量負載532組和磁體組件520的布置引起與轉(zhuǎn)子510的轉(zhuǎn)動相關聯(lián)的應力狀態(tài)，所述應力狀態(tài)不同于在沒有質(zhì)量負載532組的情況下以其它方式與轉(zhuǎn)子510的轉(zhuǎn)動相關聯(lián)的應力狀態(tài)。結果，可以增大轉(zhuǎn)子510的轉(zhuǎn)動速度，這繼而增大與飛輪505相關聯(lián)的能量和/或功率密度，如以上參照至少飛輪105(圖1)和/或飛輪205(圖2)詳細地說明的。
在某些實施例中，飛輪可以配置成用于較高功率儲存密度以及較高能量儲存密度。例如，圖6至圖9示出根據(jù)實施例的飛輪605(或其部分)。飛輪605可以是任何適當?shù)臋C器、系統(tǒng)或其部分。例如，在某些實施例中，飛輪605配置成接收電能以在期望的轉(zhuǎn)動速度下轉(zhuǎn)動其部分，由此將電能轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)動動能(例如，參見以上等式1和等式2)，并且還配置成例如通過感應從飛輪605流向電負載的電流(如以上詳細地說明的)而釋放轉(zhuǎn)動動能的至少一部分。在某些實施例中，飛輪605的部分可以與上述飛輪105、205、305、405和/或505的相關部分類似和/或基本相同，并且因而在此不進一步詳細地說明與先前說明的那些類似的飛輪605的部分。
如在圖6中所示，飛輪605包括至少轉(zhuǎn)子610、定子640和轂660，所述轉(zhuǎn)子610具有磁體組件620和質(zhì)量負載632組，所述定子640具有一組電動機/發(fā)電機部分646。飛輪605和/或其部件可以具有任何適當?shù)牟贾煤?或構型。例如，如在圖6中所示，飛輪605的部分可以形成電動機/發(fā)電機630，其配置為軸向磁通永磁機。在這樣的實施例中，飛輪605的轉(zhuǎn)子610可以相對于定子640轉(zhuǎn)動，以便使與包含在磁體組件620中的永磁體的轉(zhuǎn)動相關聯(lián)的磁通在定子640的定子繞組內(nèi)感應電流的流動。此外，飛輪605布置成以較高的能量和功率密度儲存能量，如本文進一步詳細地說明的。
如在圖6和圖7中所示，定子640具有中心結構650，從所述中心結構650延伸電動機/發(fā)電機部分646。中心結構650(并且因而定子640)可以具有基本環(huán)形的橫截面形狀，其可以與例如轉(zhuǎn)子610的內(nèi)表面相關聯(lián)，由此允許定子640待布置在轉(zhuǎn)子610內(nèi)。中心結構650限定一組開口652，其配置為便于將電線連接到定子線圈，而且還減小定子640的重量，以及允許接近飛輪605的部分以用于服務等。定子640被固定地聯(lián)接到轂660，所述轂660配置成在轉(zhuǎn)子610相對于定子640轉(zhuǎn)動的同時將定子640維持在基本固定的位置中。
如在圖7中所示，每個電動機/發(fā)電機部分646都從定子640的中心結構652延伸。電動機/發(fā)電機部分646可以是基本薄的環(huán)，其包括例如一組定子繞組648(或線圈)。在某些實施例中，定子繞組648可以是纏繞線或類似物。在其它實施例中，定子繞組648可以是在例如印刷電路板上的導電跡線。盡管在圖7中未示出，定子繞組648可以電聯(lián)接到任何適當?shù)难b置、負載、系統(tǒng)、電網(wǎng)等，使得電流可以在它們之間流動。如本文進一步詳細地說明的，電動機/發(fā)電機部分646配置成與轉(zhuǎn)子610的磁體組件620相互作用以共同形成飛輪605的電動機/發(fā)電機630。
轉(zhuǎn)子610具有基本環(huán)形的橫截面形狀，如在圖6中所示。換言之，轉(zhuǎn)子610具有限定轉(zhuǎn)子610的內(nèi)半徑的內(nèi)表面和限定轉(zhuǎn)子610的外半徑的外表面。轉(zhuǎn)子610可以由復合材料形成，例如，以上所述的那些。雖然轉(zhuǎn)子610在圖6中示出為包括單個層和/或示出為由單一復合材料形成，但是在其它實施例中，轉(zhuǎn)子610可以包括任何適當數(shù)量的層，每個層都可以由不同的復合材料形成。例如，在某些實施例中，轉(zhuǎn)子610可以包括三個層(例如，高強度的碳復合材料外層、玻璃/碳復合材料中間層、以及玻璃和/或玻璃復合材料內(nèi)層，如以上參照轉(zhuǎn)子310或轉(zhuǎn)子410所述的。此外，轉(zhuǎn)子610包括軸承部分618，其配置成接合轂660的軸承662。在某些實施例中，軸承662可以例如是靜態(tài)機械軸承，例如，球軸承或銷軸承。在其它實施例中，軸承662可以是磁懸浮軸承、主動或被動磁穩(wěn)定軸承、氣體軸承和/或類似物或它們的組合。因而，轂660和軸承662隨著轉(zhuǎn)子610相對于轂660和定子640轉(zhuǎn)動而支撐轉(zhuǎn)子610(經(jīng)由至少軸承部分618)。
磁體組件620聯(lián)接到轉(zhuǎn)子610的內(nèi)表面。磁體組件620可以包括任何數(shù)量的磁體622組，每個磁體組都包括沿著轉(zhuǎn)子610的內(nèi)表面圓周布置的磁體。磁體622組中的磁體可以是任何適當類型的磁體，例如本文所述的那些。在某些實施例中，磁體組件620的圓周布置的磁體組中的每個組都可以是如例如在圖8中所示的磁體622環(huán)的形式。例如，在某些實施例中，每個磁體622組中的磁體都可以聯(lián)接到環(huán)形環(huán)624，所述環(huán)形環(huán)624配置成固定磁體并且將磁體622組穩(wěn)固地聯(lián)接到轉(zhuǎn)子610的內(nèi)表面。
圓周布置的磁體622環(huán)中的每個都可以包括任何適當數(shù)量的分段的磁體。在某些實施例中，對磁體的分段可以在轉(zhuǎn)子610轉(zhuǎn)動期間減小在磁體內(nèi)的和/或由磁體以其它方式施加的應力(例如，剪切應力、穿透厚度的應力、環(huán)向應力和/或類似應力)，如以上參照轉(zhuǎn)子110(圖1)所述的。如在圖6和圖9中所示，圓周的磁體622環(huán)中的每個都可以沿著轉(zhuǎn)子610的縱向軸線布置在內(nèi)表面的期望的分段處或上。例如，第一磁體622環(huán)可以布置在沿著縱向軸線的第一位置處，第二磁體622’環(huán)可以沿著縱向軸線布置在與第一位置不同的第二位置處，第三磁體622環(huán)可以沿著縱向軸線布置在與第一位置和第二位置不同的第三位置處，諸如此類。
磁體622和/或圓周的磁體622環(huán)可以在任何適當?shù)牟贾弥新?lián)接到轉(zhuǎn)子610的內(nèi)表面。例如，如圖9所示，磁體622可以聯(lián)接到轉(zhuǎn)子610的內(nèi)表面，以便使每個圓周的磁體622環(huán)與其軸向相鄰的圓周的磁體622環(huán)分開距離d4。類似地，包含在圓周的磁體622環(huán)中的每個磁體622(例如，分段的磁體)與其圓周相鄰的磁體622分開距離d5。如圖所示，磁體可以布置成使得具有在第一方向上的極性的磁體622a與具有在與第一方向相反的第二方向上的極性的磁體622b圓周相鄰(并且反之亦然)。因而，磁通可以在預定的磁通流動路徑內(nèi)在磁體622a和622b之間流動和/或通過所述磁體622a和622b流動。
如在圖9中所示，圓周的磁體622環(huán)可以從它們的軸向相鄰的磁體622環(huán)偏移了預定的角度。例如，頂部磁體環(huán)的每個磁體622a和622b在沿著內(nèi)表面的圓周位置處聯(lián)接到轉(zhuǎn)子610；中間磁體環(huán)的每個磁體622a和622b在從頂部磁體環(huán)的磁體622a和622b偏移的、沿著內(nèi)表面的圓周位置處聯(lián)接到轉(zhuǎn)子610；并且底部磁體環(huán)的每個磁體622a和622b在從頂部磁體環(huán)的磁體622a和622b以及中間磁體環(huán)的磁體622a和622b偏移的、沿著內(nèi)表面的圓周位置處聯(lián)接到轉(zhuǎn)子610。在其它實施例中，磁體622a和622b不需要被偏移。換言之，圓周的磁體622環(huán)可以在軸向方向上沿著內(nèi)表面以基本相同的圓周取向分配。
返回參照圖6，轉(zhuǎn)子610和定子640的布置使得定子640的電動機/發(fā)電機部分646布置在軸向相鄰的磁體622環(huán)之間所限定的空間(例如，在圖9中具有距離d4的空間)內(nèi)。轉(zhuǎn)子610的磁體622環(huán)和定子640的電動機/發(fā)電機部分646的布置使得在它們之間限定期望的氣隙。更具體地，布置在磁體622環(huán)之間的定子640的電動機/發(fā)電機部分646的布置共同形成例如軸向磁通永磁電動機/發(fā)電機(例如，電動機/發(fā)電機630)。因而，飛輪605可以配置成接收電流的流動(例如，經(jīng)由定子繞組648)，所述電流可操作成使轉(zhuǎn)子610相對于定子640轉(zhuǎn)動，并且/或者飛輪605可以在定子繞組648內(nèi)感應電流的流動，所述電流的流動可以被輸送到負載，如以上參照飛輪105、205、305、405和/或505詳細說明的。
如在圖6中所示，轉(zhuǎn)子610的磁體622和/或磁體環(huán)以及定子的電動機/發(fā)電機部分646在軸向方向上沿著飛輪605的基本整個長度均勻地分配。因而，配置為電動機/發(fā)電機630的飛輪605的部分被增大和/或基本最大化。照此，飛輪605的功率密度增大，即，可以將能量傳遞到飛輪605和/或從飛輪605傳遞能量(經(jīng)由定子繞組648)的速率增大。例如，如果定子繞組648具有最大的電容量(例如，可以在不發(fā)生失效的情況下沿著定子繞組648傳遞的最大電壓、電流和/或功率)，則可以通過增加包含在飛輪605中的定子繞組648的數(shù)量而增大與飛輪605相關聯(lián)的電功率密度。因而，可以將配置為電動機/發(fā)電機630的飛輪605的部分增大來產(chǎn)生具有較高的功率密度的飛輪605。
如上所述，轉(zhuǎn)子610包括質(zhì)量負載632組。質(zhì)量負載632組可以是磁性的(例如，質(zhì)量負載632組形成包含在磁體組件620中的磁體622的至少一部分)，或者可以是惰性的(例如，非磁性的)并且與包含在磁體組件620中的磁體622組或環(huán)不同。在該實施例中，質(zhì)量負載632由不銹鋼、鎢合金、負載有金屬的聚合物和/或其它非磁性材料形成。在某些實施例中，質(zhì)量負載632被分段成結構上離散的分段，并且可以布置成使得在相鄰的磁體之間-沿著圓周方向或沿著軸向方向限定期望的距離。通過對質(zhì)量負載632分段，可以減小由離心效應所引起的、施加在質(zhì)量負載632上/或中的應力，如以上參照飛輪105、205、305、405和/或505所述的。
如在圖6中所示，質(zhì)量負載632組布置在軸向相鄰的磁體622環(huán)或組之間所限定的空間(在圖9中具有距離d4的空間)內(nèi)。在某些實施例中，質(zhì)量負載632中的每個都可以具有與磁體組件620中的每個磁體的質(zhì)量基本相等的質(zhì)量。進一步擴展，每個質(zhì)量負載632的質(zhì)量都可以與其沿著轉(zhuǎn)子610的半徑的位置(例如，質(zhì)量的平均半徑)相關聯(lián)和/或取決于所述位置。例如，當磁體組件620的質(zhì)量負載632組和磁體622、622’和622”組基本整體上覆蓋轉(zhuǎn)子610的內(nèi)表面并且具有基本類似的徑向位置(即，平均半徑)時，磁體組件620的質(zhì)量負載632組和磁體622、622’和622”組可以具有基本相同的質(zhì)量。因而，隨著轉(zhuǎn)子610圍繞其軸線轉(zhuǎn)動，質(zhì)量負載632和磁體可以在轉(zhuǎn)子610的內(nèi)表面上施加基本均勻的壓力。
在其它實施例中，質(zhì)量負載632中的每個都可以具有與磁體組件620中的每個磁體的質(zhì)量不相等的質(zhì)量，盡管如此，隨著轉(zhuǎn)子610圍繞其軸線轉(zhuǎn)動而共同地在轉(zhuǎn)子610的內(nèi)表面上施加基本均勻的壓力。例如，質(zhì)量負載632中的每個都可以具有比每個磁體小的徑向厚度或尺寸，并且從而質(zhì)量負載632中的每個都可以具有比與包含在磁體組件620中的每個磁體相關聯(lián)的平均半徑大的平均半徑。在這樣的實施例中，每個質(zhì)量負載632都可以具有比磁體622、622’和/或622”中的每個的密度大的密度，并且從而，質(zhì)量負載632和磁體在具有較小的尺寸(徑向厚度)的同時可以在轉(zhuǎn)子610上施加基本均勻的壓力加載。這樣，質(zhì)量負載632組中的每個組都可以布置在定子部分646中的相對應一個的圓周端面與轉(zhuǎn)子610之間，而同時在它們之間維持期望的氣隙。因而，在轉(zhuǎn)子610的內(nèi)表面上的質(zhì)量負載632組和磁體組件620的布置引起與轉(zhuǎn)子610的轉(zhuǎn)動相關聯(lián)的應力狀態(tài)，所述應力狀態(tài)不同于在沒有質(zhì)量負載632的情況下與轉(zhuǎn)子610的轉(zhuǎn)動相關聯(lián)的應力狀態(tài)。結果，可以增大轉(zhuǎn)子610的轉(zhuǎn)動速度，這繼而增大與飛輪605相關聯(lián)的能量和功率密度，如以上參照至少飛輪105(圖1)和/或205(圖2))詳細地說明的。
盡管磁體622以上示出和說明為經(jīng)由環(huán)形環(huán)624聯(lián)接到轉(zhuǎn)子610，但是在其它實施例中，磁體可以經(jīng)由具有任何適當構型的磁體擋圈聯(lián)接到轉(zhuǎn)子。例如，圖10是根據(jù)實施例的磁體組件720的部分的示意圖。磁體組件720可以被包含在任何適當?shù)霓D(zhuǎn)子或類似物中和/或被聯(lián)接到任何適當?shù)霓D(zhuǎn)子或類似物，例如，本文所述的轉(zhuǎn)子110、210、310、410、510和/或610。在某些實施例中，磁體組件720可以聯(lián)接到例如轉(zhuǎn)子的復合層714(例如，碳復合層、玻璃/碳復合層和/或玻璃復合層)，如以上參照轉(zhuǎn)子310(圖3)和轉(zhuǎn)子410(圖4)所述的。
如在圖10中所示，磁體組件720包括磁體擋圈724和與其聯(lián)接的一組磁體722。磁體722可以是任何適當?shù)拇朋w，例如，本文所說明的那些。磁體擋圈724限定一組凹口726和一組開口728。凹口726配置成接收磁體722的部分以將磁體固定地聯(lián)接到磁體擋圈724。例如，在某些實施例中，磁體722可以被壓入凹口726中并且經(jīng)由粘結劑、摩擦配合、機械緊固件、焊接或燒結接頭和/或類似方式被穩(wěn)固在所述凹口中。
開口728配置成允許磁體擋圈724在置于負載下時變形。例如，在某些實施例中，磁性擋圈724可以隨著磁體722被壓入開口726中而變形。在某些實施例中，由于與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動相關聯(lián)的離心效應而施加在磁體擋圈724上的力可以足以使磁體擋圈724的部分變形。雖然磁體擋圈724被示出為限定開口728，但是在其它實施例中，磁體擋圈724可以限定狹槽、凹口、凹槽、通道和/或任何其它合適的不連續(xù)部，其配置成允許磁體擋圈724在加載期間擴張和/或以其它方式重新分配在磁體擋圈724內(nèi)的應力的量。
磁體擋圈724可以由具有較低彈性模量的較柔性的金屬、金屬合金、復合材料和/或類似物形成。照此，磁體擋圈724的部分可以配置成響應于與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動相關聯(lián)的應力(例如，徑向應力和環(huán)向應力)而彈性地(例如，非永久地)擴張。在某些實施例中，磁體擋圈724的擴張可以促使由每個磁體722所施加的各個力的均勻分配。因而，通過擴張，隨著轉(zhuǎn)子圍繞軸線轉(zhuǎn)動，磁體擋圈724可以在轉(zhuǎn)子的復合層714的內(nèi)表面上施加均勻的力。此外，通過將磁體722布置在磁體擋圈724的凹口726中，響應于角加速度/角減速度而與磁體722相關聯(lián)的剪切應力由磁體擋圈724支撐，所述剪切應力將否則用于從轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面剪切(例如，脫開)磁體722。通過單片地形成磁體擋圈724，磁體擋圈724的與轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面接觸并聯(lián)接的表面積可以提供更大的表面積，磁體722上的加速度負載越過所述更大的表面積可以由轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面承載，即，減小用于給定的角加速度的剪切應力的量級。結果，可以增大轉(zhuǎn)子的角加速度/角減速度的速率的變化，這繼而可以增大這樣的速率，即，所述速率是可以將能量傳遞到其中布置這種轉(zhuǎn)子的飛輪或從所述飛輪傳遞能量的速率(即，增大飛輪的功率密度)。
雖然飛輪205、305、405、505和605已經(jīng)示出并且說明為是軸向磁通永磁機，但是在其它實施例中，配置成至少部分地基于質(zhì)量負載而具有較高儲能密度和/或較高功率密度的飛輪可以是任何適當類型的電磁機器。例如，圖11和圖12示出根據(jù)實施例的飛輪805。飛輪805可以在至少功能方面與本文說明的飛輪105、205、305、405、505和/或605基本類似。因而，本文將不進一步詳細地說明飛輪805的部分。
如在圖11中所示，飛輪805包括至少轉(zhuǎn)子810、定子840和轂860，所述至少轉(zhuǎn)子810具有磁體組件820，所述定子840具有一組電動機/發(fā)電機部分846。定子840具有中心結構850，其配置成將定子840聯(lián)接到轂860。雖然定子640示出并且說明為具有從中心結構650徑向延伸的電動機/發(fā)電機部分646，但是在圖11和圖12中所示的實施例中，電動機/發(fā)電機部分846沿著中心結構850的圓周布置。因而，定子840配置成用于在徑向磁通電磁機器中使用。如以上參照定子640所述的，定子840的電動機/發(fā)電機部分846可以包括定子繞組，例如，纏繞線材或線圈、導電跡線和/或類似物。如本文進一步詳細地說明的，電動機/發(fā)電機部分846配置成與轉(zhuǎn)子810的磁體組件820相互作用以共同形成飛輪805的電動機/發(fā)電機830。
轉(zhuǎn)子810具有基本環(huán)形的橫截面形狀，其具有內(nèi)表面和外表面。轉(zhuǎn)子810可以由復合材料形成，例如，以上所述的那些。盡管轉(zhuǎn)子810在圖11中示出為包括單個層和/或示出為由單一復合材料形成，但是在其它實施例中，轉(zhuǎn)子810可以包括任何適當數(shù)量的層，每個層都可以由不同的復合材料形成。例如，在某些實施例中，轉(zhuǎn)子810可以包括三個層(例如，高強度的碳復合材料外層、玻璃/碳復合材料中間層、以及玻璃和/或玻璃復合材料內(nèi)層，如以上參照轉(zhuǎn)子310或轉(zhuǎn)子410所述的。此外，轉(zhuǎn)子810包括軸承部分818，其配置成與聯(lián)接到轂860的軸承接合。照此，隨著轉(zhuǎn)子810相對于轂860和定子840轉(zhuǎn)動，轂860可轉(zhuǎn)動地支撐轉(zhuǎn)子810(經(jīng)由至少軸承部分818)，如以上參照飛輪605所述的。
磁體組件820聯(lián)接到轉(zhuǎn)子810的內(nèi)表面。磁體組件820可以包括沿著轉(zhuǎn)子810的內(nèi)表面圓周布置的任何數(shù)量的磁體822。磁體822可以是任何適當類型的磁體，如本文所述的那些。在某些實施例中，磁體組件820的圓周布置的磁體可以形成磁體822環(huán)，如例如在圖8中所示。例如，在某些實施例中，磁體822可以聯(lián)接到磁體擋圈(未示出)，其配置成固定磁體822并且將磁體822穩(wěn)固地聯(lián)接到轉(zhuǎn)子810的內(nèi)表面(例如，與圖10的磁體擋圈724類似)。
圓周布置的磁體822環(huán)中的每個都可以是任何適當數(shù)量的分段的磁體822。在某些實施例中，對磁體822的分段可以在轉(zhuǎn)子810轉(zhuǎn)動期間減小在磁體內(nèi)的和/或由磁體以其它方式施加的應力(例如，剪切應力、穿透厚度的應力、環(huán)向應力和/或類似應力)，如以上參照轉(zhuǎn)子110(圖1)所述的。如在圖11中所示，圓周的磁體822環(huán)可以沿著轉(zhuǎn)子810的縱向軸線布置在內(nèi)表面的期望的分段處或上，使得圓周的磁體822環(huán)與定子840的電動機/發(fā)電機部分846基本對準。
如在圖12中所示，可以將磁體布置成使得每個磁體都具有在期望方向上對準的極性。例如，第一磁體822a具有在第一圓周方向上的極性；第二磁體822b與第一磁體822a相鄰，并具有在第一徑向方向上的極性；第三磁體822c與第二磁體822b相鄰，并且具有在與第一圓周方向相反的第二圓周方向上的極性；并且第四磁體822d與第三磁體822c相鄰，并且具有在與第一徑向方向相反的第二徑向方向上的極性。圓周的磁體822環(huán)可以包括以相同的極性模式布置的任何數(shù)量的磁體。因而，磁通可以在預定的磁通流動路徑內(nèi)在磁體822a、822b、822c和822d之間流動和/或通過在磁體822a、822b、822c和822d流動。例如，在圖12中所示的實施例中，磁體822可以布置成海爾貝克(halbach)陣列或類似情況，其配置成例如沿著徑向向內(nèi)的方向指向磁通的流動，而同時使磁通沿著徑向向外的方向的流動最小化。這種布置可以避免需要護鐵或類似物，其以其它方式配置成限定磁通返回路徑。照此，在磁體822之間流動的和/或通過磁體822流動的磁通可以與定子840的電動機/發(fā)電機部分846相互作用以產(chǎn)生電磁力，所述電磁力操作成使轉(zhuǎn)子810相對于定子840轉(zhuǎn)動或者在定子840的電動機/發(fā)電機部分846內(nèi)感應電流。
盡管在圖11中未示出，轉(zhuǎn)子810可以包括一組質(zhì)量負載。質(zhì)量負載可以是磁性的(例如，質(zhì)量負載形成包含在磁體組件820中的磁體822的至少一部分)，或者可以是惰性的(例如，非磁性的)并且與包含在磁體組件820中的磁體822不同。在某些實施例中，質(zhì)量負載被分段，使得在相鄰的磁體之間-沿著圓周方向或沿著軸向方向限定期望的距離。通過對質(zhì)量負載分段，可以減小由離心效應所引起的、施加在質(zhì)量負載上/或中的應力，如以上參照飛輪105、205、305、405和/或505所述的。
如上所述，質(zhì)量負載可以布置在軸向相鄰的磁體822之間所限定的空間內(nèi)。在某些實施例中，每個質(zhì)量負載都可以具有與磁體組件820中的每個磁體的質(zhì)量基本相等的質(zhì)量，并且因而，質(zhì)量負載和磁體組件820的磁體可以在轉(zhuǎn)子810的內(nèi)表面上施加基本均勻的壓力。在其它實施例中，每個質(zhì)量負載的質(zhì)量和平均半徑可以與磁體組件820中的每個磁體的質(zhì)量和平均半徑不同。換言之，質(zhì)量負載可以具有與磁體組件820中的每個磁體的質(zhì)量和徑向厚度不同的質(zhì)量和徑向厚度。因此，在這樣的實施例中，通過將質(zhì)量和磁體的例如密度、徑向厚度和局部加速度的乘積(其中，局部加速度等于質(zhì)量的平均半徑和轉(zhuǎn)動速度的平方的乘積)“調(diào)諧”和/或匹配，可以在轉(zhuǎn)子810的內(nèi)表面上施加基本均勻的壓力。因而，當質(zhì)量負載和磁體組件820的磁體822基本整體上覆蓋轉(zhuǎn)子810的內(nèi)表面時，質(zhì)量負載和磁體組件820的磁體822隨著轉(zhuǎn)子810圍繞其軸線轉(zhuǎn)動而在轉(zhuǎn)子810的內(nèi)表面上施加基本均勻的壓力。質(zhì)量負載和磁體組件820在轉(zhuǎn)子810的內(nèi)表面上的布置引起與轉(zhuǎn)子810的轉(zhuǎn)動相關聯(lián)的應力狀態(tài)，所述應力狀態(tài)不同于在沒有質(zhì)量負載的情況下以其它方式與轉(zhuǎn)子810的轉(zhuǎn)動相關聯(lián)的應力狀態(tài)。結果，可以增大轉(zhuǎn)子810的轉(zhuǎn)動速度，這繼而增大與飛輪805相關聯(lián)的能量密度，如以上參照至少飛輪105(圖1)和/或飛輪205(圖2)詳細地說明的。
分析與結果
如以上參照具體實施例所述的，飛輪儲能裝置和/或系統(tǒng)可以包括配置成相對于定子轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子。飛輪的轉(zhuǎn)子可以例如是被認為具有薄壁的環(huán)形圓筒?？梢酝ㄟ^考慮到在軸向、徑向和切向(環(huán)向)方向上的應力-應變關系來評估轉(zhuǎn)子內(nèi)的應力。通過在沿著轉(zhuǎn)動軸線的給定的位置處進行評估(例如，假設單位軸向厚度)，在給定的位置處的環(huán)向應力和徑向應力可以根據(jù)其由以下等式3表示的應力-應變關系而是相等的：
其中，σr是徑向應力，σh是環(huán)向應力(也被稱為“圓周拉伸應力”或“切向應力”)，并且υ是泊松比。
在使用中，飛輪的轉(zhuǎn)子圍繞其軸線轉(zhuǎn)動。與轉(zhuǎn)動相關的離心效應在轉(zhuǎn)子的壁上產(chǎn)生壓力，所述壓力可以在假設單位軸向厚度的情況下根據(jù)環(huán)向應力和徑向應力來評估，如由以下等式4所表示：
其中，ρ是材料的密度(例如，形成轉(zhuǎn)子的碳復合材料的密度)，r是轉(zhuǎn)子的半徑，并且ω是轉(zhuǎn)動速度。
通過將等式4代入等式3中(并且積分、替代和簡化)，施加在轉(zhuǎn)子上或轉(zhuǎn)子中的徑向應力和環(huán)向應力可以作為獨立的函數(shù)被解出。此外，通過將在內(nèi)半徑和外半徑處的轉(zhuǎn)子的邊界條件考慮為零，施加在轉(zhuǎn)子上或轉(zhuǎn)子中的徑向應力和環(huán)向應力可以表達為如分別由以下等式5和等式6所表示的、給定的半徑和給定的轉(zhuǎn)動速度的兩個單獨函數(shù)：
其中，ri是轉(zhuǎn)子的內(nèi)半徑，并且ro是轉(zhuǎn)子的外半徑。
如上所述，在某些實施例中，飛輪可以包括具有任何適當數(shù)量的離散的質(zhì)量的轉(zhuǎn)子，所述離散的質(zhì)量配置成隨著轉(zhuǎn)子圍繞軸線轉(zhuǎn)動而在轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面(即，內(nèi)半徑)上施加力。在某些實施例中，質(zhì)量的布置使得在轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面上施加基本均勻的壓力。由與質(zhì)量負載相關聯(lián)的壓力所引起的應力分配在轉(zhuǎn)子上或轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生如作為壓力的函數(shù)的徑向應力和環(huán)向應力。由質(zhì)量負載所產(chǎn)生的壓力引起的環(huán)向應力可以等于由轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度引起的環(huán)向應力，并且從而通過取代，由質(zhì)量負載引起的徑向應力和環(huán)向應力可以如分別由以下等式7和等式8所示而表示為轉(zhuǎn)動速度和轉(zhuǎn)子的半徑的函數(shù)：
其中，ρm是每個離散的質(zhì)量的密度，rm是離散的質(zhì)量的平均半徑，t是離散的質(zhì)量的厚度，ω是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度，r是轉(zhuǎn)子的給定的半徑，ri是轉(zhuǎn)子的內(nèi)半徑，并且ro是轉(zhuǎn)子的外半徑。
因此，由離散的質(zhì)量施加在轉(zhuǎn)子上的有效壓力由等式7和等式8中的首項表示，其中有效質(zhì)量負載壓力等于ρmrmtω2。如上所述，由每個質(zhì)量和由每個磁體所施加的有效質(zhì)量負載壓力可以被匹配和/或被均勻地分配在飛輪系統(tǒng)中，使得基本均勻的壓力作用在復合材料轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面上。
如由等式7和等式8所示，質(zhì)量加載轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面可以改變復合材料轉(zhuǎn)子在其轉(zhuǎn)動時的應力狀態(tài)。在某些情況下，復合材料轉(zhuǎn)子的質(zhì)量負載可以促使將復合材料轉(zhuǎn)子置于徑向壓縮下而不是徑向張力下，所述徑向壓力以其它方式由轉(zhuǎn)動的離心效應引起。諸如碳纖維復合材料的復合材料典型地具有非常高的環(huán)向應力失效極限和明顯更低的徑向應力失效極限。因而，復合材料轉(zhuǎn)子通常由于徑向應力而失效。然而，通過質(zhì)量加載復合材料轉(zhuǎn)子，復合材料轉(zhuǎn)子可以置于徑向壓縮中，這當與在徑向張力下的其失效極限相比具有更高的徑向應力失效極限(例如，高達20倍或更高)。因而，通過將復合材料轉(zhuǎn)子置于徑向壓縮下，可以增大與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動相關聯(lián)的角速度，所述角速度繼而促使飛輪的能量和功率儲存密度增大。
例如，圖13至圖16示出具有質(zhì)量負載和沒有質(zhì)量負載的碳復合材料轉(zhuǎn)子的應力狀態(tài)的曲線圖。在這些實施例中，碳復合材料可以具有約5000磅/平方英寸(psi)的徑向拉伸應力失效極限和約400000psi的切向(環(huán)向)應力失效極限。在這些示例中，轉(zhuǎn)子具有7.5英寸(in.)的內(nèi)半徑和12英寸的外半徑。
例如，圖13是示出作為轉(zhuǎn)子的半徑(例如，內(nèi)半徑為7.5英寸并且外半徑為12英寸)的函數(shù)的碳復合材料轉(zhuǎn)子中的徑向應力的曲線圖1000。如圖所示，當質(zhì)量加載時并且當以每分鐘36000轉(zhuǎn)(rpm)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動時，復合材料轉(zhuǎn)子內(nèi)的徑向應力在轉(zhuǎn)子的內(nèi)半徑和外半徑之間的每個徑向位置處保持在5000psi的徑向應力失效極限下。相比之下，在沒有質(zhì)量負載的情況下并且當以相同的36000rpm轉(zhuǎn)動時，相同的復合材料轉(zhuǎn)子內(nèi)的徑向應力超過介于約7.75英寸和約11.5英寸之間的5000psi的失效極限。這與其中轉(zhuǎn)子在邊界條件(例如，內(nèi)半徑為7.5英寸并且外半徑為12英寸)下不經(jīng)受應力的假設一致。如圖所示，通過質(zhì)量加載復合材料轉(zhuǎn)子，當以約36000rpm轉(zhuǎn)動復合材料轉(zhuǎn)子時，飛輪可以產(chǎn)生或儲存約94兆焦耳(mj)的能量。
圖14是示出作為轉(zhuǎn)子半徑的函數(shù)的碳復合材料轉(zhuǎn)子中的切向(環(huán)向)應力的曲線圖2000。再次，轉(zhuǎn)子以約36000rpm的轉(zhuǎn)動速度轉(zhuǎn)動。如圖所示，通過質(zhì)量加載復合材料轉(zhuǎn)子，切向應力增大；然而，對于在轉(zhuǎn)子的內(nèi)半徑和外半徑之間的每個徑向位置而言，切向應力保持在400000psi的切向應力失效極限以下。
圖15是示出在不對復合材料轉(zhuǎn)子質(zhì)量加載的情況下作為轉(zhuǎn)子半徑的函數(shù)的碳復合材料轉(zhuǎn)子中的徑向應力的曲線圖3000。如圖所示，在質(zhì)量加載的情況下并且當以19000轉(zhuǎn)每分鐘(rpm)的速度轉(zhuǎn)動時，復合材料轉(zhuǎn)子內(nèi)的徑向應力在轉(zhuǎn)子的內(nèi)半徑和外半徑之間的每個徑向位置處保持在5000psi的徑向應力失效極限下。更具體地，徑向應力在轉(zhuǎn)子的約中心處逼近5000psi極限。因而，與當質(zhì)量加載時的36000rpm相比，在沒有質(zhì)量加載的情況下，復合材料轉(zhuǎn)子在19000rpm下逼近5000psi的徑向應力極限。結果，當以19000rpm轉(zhuǎn)動時，飛輪可以僅產(chǎn)生或儲存約22.2mj的能量。
圖16是示出在不對復合材料轉(zhuǎn)子質(zhì)量加載的情況下作為轉(zhuǎn)子半徑的函數(shù)的碳復合材料轉(zhuǎn)子中的切向(環(huán)向)應力的曲線圖4000。再次，轉(zhuǎn)子以約19000rpm的轉(zhuǎn)動速度轉(zhuǎn)動。如圖所示，復合材料轉(zhuǎn)子內(nèi)的切向應力保持遠低于對于轉(zhuǎn)子的內(nèi)半徑與外半徑之間的每個徑向位置的400000psi切向應力失效極限。更具體地，最大切向應力保持低于100000psi，從而轉(zhuǎn)子幾乎不受在切向方向上的復合材料轉(zhuǎn)子的高強度的影響。因而，如在圖13至圖16中所示，對復合材料轉(zhuǎn)子的質(zhì)量加載可以允許轉(zhuǎn)子以更高的速度轉(zhuǎn)動，這繼而當與非負載質(zhì)量的復合材料轉(zhuǎn)子相比時引起更高的儲能密度。
雖然以上已經(jīng)說明了各種實施例，但是應當理解，它們僅作為示例而非限制地呈現(xiàn)，并且可以進行形式和細節(jié)的各種改變。在上述示意圖和/或?qū)嵤├甘疽阅承┓较蚧蛭恢貌贾玫哪承┎考那闆r下，可以修改部件的布置。雖然已經(jīng)具體地示出和說明了實施例，但是應當理解，可以進行形式和細節(jié)的各種改變。
除了相互排斥的組合之外，本文所述的設備和/或方法的任何部分可以以任何組合來組合。本文所述的實施例可以包括所說明的不同實施例的功能、部件和/或特征的各種組合和/或子組合。例如，用于電磁機器的結構可以包括與參照具體實施例所示的那些不同的量和/或組合的磁體、質(zhì)量、定子部分等。
另外，應當理解，在本文中針對各種實施例中的每個所說明的特征、部件和方法可以在各種不同類型的電磁機器中實現(xiàn)，所述電磁機器例如是軸向和徑向機器，其可以支持轉(zhuǎn)子組件相對于定子組件的轉(zhuǎn)動運動。
在上述方法和/或事件指示以某種順序發(fā)生的某些事件和/或程序時，可以修改某些事件和/或過程的順序。另外，某些事件和/或過程可以在并行過程中被同時執(zhí)行，以及如上所述被依次執(zhí)行。
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