CN102868251A - 惯性能量存储装置及其组装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及惯性能量存储装置及其组装方法。一种惯性能量存储装置(100)，其包括多个固定电绕组(118)、可旋转轴(112)和联接到可旋转轴上的多个可旋转磁体(116)。多个固定电绕组绕着多个可旋转磁体的至少一部分延伸。惯性能量存储装置还包括飞轮装置(108)，飞轮装置(108)包括可旋转地联接到可旋转轴上的基本圆柱形的毂(602)。飞轮装置还包括径向内环(608/614)，径向内环(608/614)包括具有第一密度的第一材料。飞轮装置进一步包括径向外环(612/614)，径向外环(612/614)包括具有第二密度的第二材料。第一密度大于第二密度。

Description

惯性能量存储装置及其组装方法
技术领域
本文中描述的主题大体涉及惯性能量存储装置，并且更具体地，涉及多层式飞轮。
背景技术
至少一些已知惯性能量存储装置包括飞轮装置，飞轮装置以超过10000转每分钟(rpm)的高速旋转以存储动量或惯量，以用于后续将能量转化成电功率。已知的飞轮中的一些包括联接到内毂上的整体地形成的径向外轮缘。为了增大飞轮中存储的惯量，径向外轮缘形成有预定厚度以限定预定质量。然而，高转速在厚轮缘内引起显著应力。在轮缘内限定的应力分布典型地示出，最大应力幅度最靠近毂，而轮缘的径向外部部分比径向内部部分经历引起的显著更低的应力。因此，与内部部分相比，外部部分的材料性质是利用不足的。轮缘的最内部分上的这种应力限制轮缘厚度，并且随后限制可用于能量转化的喷量。惯性能量存储装置的有效性的一个量度是各个装置占据的每单位体积的存储惯量。每单位体积的惯量的较低值会增大满足大功率要求所需的多个惯性能量存储装置的数量。增大装置的数量会增加安装和维护成本，包括备件存储成本。
在至少一些其它已知的惯性能量存储装置中，已知的飞轮利用从毂沿径向向外延伸的多个同心层或环来组装。各个环由具有基本相似的密度的基本相似的复合材料形成。此外，各个环限定的应力分布示出：最大应力幅度在最外环内，这现在变成关于旋转速度和总环厚度的限制因素。因此，在具有分层式环的已知飞轮中，外环比内环经历引起的更接近材料极限的应力，并且飞轮的内部部分仍是利用不足的。此外，仍未获得每单位体积的最大惯量。
发明内容
在一个方面，提供一种飞轮装置。飞轮装置包括基本圆柱形的毂。飞轮装置还包括径向内环，径向内环包括具有第一密度的第一材料。飞轮装置还包括径向外环，径向外环包括具有第二密度的第二材料。第一密度大于第二密度。
在另一个方面，提供一种惯性能量存储装置。惯性能量存储装置包括多个固定电绕组、可旋转轴和联接到可旋转轴上的多个可旋转磁体。多个固定电绕组绕着多个可旋转磁体的至少一部分延伸。惯性能量存储装置还包括飞轮装置，飞轮装置包括可旋转地联接到可旋转轴上的基本圆柱形的毂。飞轮装置还包括径向内环，径向内环包括具有第一密度的第一材料。飞轮装置进一步包括径向外环，径向外环包括具有第二密度的第二材料。第一密度大于第二密度。
在又一个方面，提供一种组装惯性能量存储装置的方法。该方法包括提供限定空腔的多个固定电绕组和提供可旋转轴。该方法还包括使多个可旋转磁体不动地联接到可旋转轴上。该方法进一步包括组装飞轮装置，这包括提供基本圆柱形的毂。该方法还包括使径向内环联接到毂上，使得径向内环绕着毂同心地设置。径向内环包括具有第一密度的第一材料。该方法进一步包括绕着径向内环同心地联接径向外环。径向外环包括具有第二密度的第二材料。第一密度大于第二密度。该方法还包括使圆柱形毂可旋转地联接到可旋转轴上。该方法进一步包括将可旋转轴插入到空腔中，使得多个固定电绕组绕着多个可旋转磁体的至少一部分延伸。
附图说明
当参照附图阅读下列详细描述时，本发明的这些和其它的特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，同样的符号在所有附图中表示同样的部件，其中：
图1是示例性惯性能量存储装置的示意图；
图2是现有技术的单件式薄轮缘飞轮装置的示意图；
图3是在图2中示出的飞轮装置中引起的等效应力的图解视图；
图4是在图2中示出的飞轮装置中引起的径向应力的图解视图；
图5是现有技术的单件式厚轮缘飞轮装置的示意图；
图6是在图5中示出的飞轮装置中引起的等效应力的图解视图；
图7是在图5中示出的飞轮装置中引起的径向应力的图解视图；
图8是现有技术的两件式厚轮缘飞轮装置的示意图；
图9是在图8中示出的飞轮装置中引起的等效应力的图解视图；
图10是在图8中示出的飞轮装置中引起的径向应力的图解视图；
图11是在现有技术的多层式飞轮装置中引起的径向应力的图解视图；
图12是可与图1中示出的惯性能量存储装置一起使用的示例性飞轮装置的示意图；
图13是在图12中示出的飞轮装置中引起的径向应力的图解视图；以及
图14是示出可用于组装图1中示出的惯性能量存储装置的示例性方法的流程图。
除非另外指出，本文中提供的附图意味着示出本发明的关键创造性特征。这些关键创造性特征被认为能够应用在包括本发明的一个或更多个实施例的多种系统中。因而，附图不意味着包括本领域普通技术人员已知的、本发明的实践所需的所有常规特征。
部件列表
100惯性能量存储装置
102容纳系统
104外壳体
106冲击吸收材料
108飞轮装置
110飞轮壳体
112轴
114电动发电机
116转子磁体
117空腔
118定子绕组
119空气间隙
120磁性轴承
200现有技术的单件式薄轮缘飞轮装置
202毂
204轮缘
D外直径
T厚度
C旋转中心
206应力梯度
208峰值应力矢量
210轮缘的径向最内部分
V旋转速度
212轮缘的径向最外部分
214轮缘的中心部分
220等效应力
240径向应力
300现有技术的单件式厚轮缘飞轮装置
302毂
304轮缘
D外直径
T厚度
C旋转中心
306应力梯度
308峰值应力矢量
310轮缘的径向最内部分
V旋转速度
312轮缘的径向最外部分
314轮缘的中心部分
320等效应力
340径向应力
400现有技术的两件式厚轮缘飞轮装置
402毂
403轮缘内环
404轮缘
405轮缘外环
D外直径
C旋转中心
T1内环的厚度
T2外环的厚度
TT轮缘的厚度
406在内环中引起的应力梯度
407在内环中引起的峰值应力矢量
408在外环中引起的应力梯度
409在外环中引起的峰值应力矢量
410内环的径向最内部分
411外环的径向最内部分
V旋转速度
412内环的径向最外部分
413内环的中心部分
414外环的径向最外部分
415外环的中心部分
416接触面
420等效应力
440径向应力
500现有技术的多层式飞轮装置
502毂
504最内环
506第二环
508第三环
510最外环
512在最内环中引起的应力梯度
514在第二环中引起的应力梯度
516在第三环中引起的应力梯度
518在最外环中引起的应力梯度
520在最内环中引起的峰值应力矢量
522在第二环中引起的峰值应力矢量
524在第三环中引起的峰值应力矢量
526在最外环中引起的峰值应力矢量
D外直径
V旋转速度
602毂
604轴部分
606多个环
608径向最内环
610第二环
612径向最外环
614中间环
620在最内环中引起的应力梯度
622在最内环中引起的峰值应力矢量
624在第二环中引起的应力梯度
626在中间环中引起的应力梯度
628在最外环中引起的应力梯度
630在第二环中引起的峰值应力矢量
632在中间环中引起的峰值应力矢量
634在最外环中引起的峰值应力矢量
D外直径
V旋转速度
700方法
702提供多个固定电绕组
704提供可旋转轴
706不动地联接多个可旋转电绕组
708组装飞轮装置
710提供基本圆柱形的毂
712使径向最内环联接到毂上，使得...
714同心地绕着径向最内环而使径向最外环联接到中间环上...
716使圆柱形毂可旋转地联接到可旋转轴上
718将可旋转部分插入到空腔中，使得...
具体实施方式
在下列说明书和权利要求中，将参照许多用语，用语应当限定成具有下列含义。
单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数个所指对象，除非上下文另外明确地指出。
“可选的”或“可选地”意味着随后描述的事件或情况可以发生或可以不发生，并且描述包括事件发生的情形和事件不发生的情形。
如本文在整个说明书和权利要求中使用的，可应用近似语言来修饰可容许变化的任何数量表示，而不导致其涉及的基本功能的变化。因此，通过诸如“大约”和“基本”的用语或多个用语修饰的值不受限于规定的精确值。在至少一些情形中，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精度。在此和在整个说明书和权利要求中，范围限制可被组合和/或互换，这种范围被确定并且包括包含在其中的所有子范围，除非上下文或语言另外指出。
本文中描述的示例性系统和方法通过提供这样的飞轮装置而克服已知的飞轮装置和质性能量存储装置的缺点：该飞轮装置具有包括旋转结构的构造，该旋转结构具有由不同材料形成的多个层或环。这种多层式功能分级限定从飞轮装置的中心沿径向向外延伸的递减密度梯度，并且便于有均匀的径向应力和环向应力管理。飞轮装置比已知飞轮以更高的转动惯量、以更高的速度运行。因此，与占据相同体积的已知飞轮相比，本文中描述的示例性飞轮便于存储更多惯性能量和增大能量密度。此外，需要较小数量的能量存储单元来获得高能量存储能力，从而便于具有比额外能量存储装置的这些设施更低的运行成本的功率供应有增大的可靠性。
图1是示例性惯性能量存储装置100的示意图。惯性能量存储装置100包括容纳系统102。在示例性实施例中，容纳系统102包括外壳体104和多种冲击吸收材料106，多种冲击吸收材料106在外壳体104的径向内部同心地分层。惯性能量存储装置100还包括将在下面更详细地描述的飞轮装置108，其定位在飞轮壳体110内。容纳系统102绕着飞轮壳体110延伸。惯性能量存储装置100进一步包括沿纵向延伸穿过装置100的轴112，其中，飞轮装置108可旋转地联接到轴112上。惯性能量存储装置100还包括电动发电机114，电动发电机114包括联接到轴112上的多个转子磁体116和绕着转子磁体116延伸的多个定子绕组118。在示例性实施例中，转子磁体116是永磁体。备选地，可使用联接到激励源上的转子绕组。定子绕组118限定包括空气间隙119的空腔117。此外，定子绕组118联接到电功率源(未示出)上。
惯性能量存储装置100进一步包括多个磁性轴承120以便于轴112的径向和纵向的支承和对齐。惯性能量存储装置100还包括联接到外壳体104上的被动万向节系统122。轴112以超过30000转每分钟(rpm)的旋转速度运行。在这种高速运行期间，被动万向节系统122便于顺从性地(与刚性地相反)支承惯性能量存储装置100的其余构件。万向节系统122构造成以预定方式运动，同时提供预定的支承刚度和阻尼，以减小与装置100的运行相关联的任何动态不稳定性的不利影响。
在运行中，当飞轮装置108最初是静止的时，从电功率源对定子绕组118通电。电动发电机114被电动化，并且轴112和飞轮装置108加速到超过30000rpm的旋转速度。飞轮装置108存储呈惯性能量形式的能量。当从源到定子绕组118的电功率中断时，电动发电机114转换到发电机运行模式，并且通过经由转子磁体116将存储的惯性能量转化为电能而产生电功率。当通过存储的喷性能量的转化产生电功率时，飞轮装置108减速。
图2是现有技术的单件式薄轮缘飞轮装置200的示意图。图3是在飞轮装置200(在图2中示出)中引起的等效应力220的图解视图。图4是在飞轮装置200(在图2中示出)中引起的径向应力240的图解视图。
参照图2，装置200包括联接到轮缘204上的带辐毂202。毂202由金属物质形成。轮缘204由环式缠绕的碳纤维复合材料形成并且是基本均质的。装置200具有延伸穿过旋转中心C的大约1.4米(m)(大约4.6英尺(ft))的外直径D。轮缘204是单个环，其具有大约12.7厘米(cm)(大约5英寸(in))的厚度T。装置200构造成以大约14000rpm的速度旋转。在装置200的运行期间，在轮缘204内引起应力梯度206。应力梯度206由在轮缘204的径向最内部分210处引起的峰值应力矢量208部分地限定。峰值应力矢量208根据装置200的旋转速度V和外直径D至少部分地限定。此外，应力梯度206内的各个应力矢量的幅度是在轮缘204的不同元件附近的复合材料的密度和沿着外直径D的位置的函数。因此，外直径D、旋转速度V和厚度T中的至少一个被限定，即，被峰值应力矢量208的幅度限制。轮缘204还包括径向最外部分212和限定在部分210和212之间的中心部分214。
参照图3，处于额定旋转速度V(在图2中示出)下的轮缘204(在图2中示出)内的等效应力220的幅度的范围为在径向最外部分212处的大约1.24*106千帕(kPa)(大约1.81*105磅每平方英寸(psi)，即，大约181千磅(kips)每平方英寸(ksi))至在径向最内部分210处的大约1.52*106kPa(大约2.21*105psi，即，大约221ksi)。在轮缘204内引起的等效应力220包括环向应力和径向应力。然而，如在下面进一步描述的，环向应力比径向应力大两个到五个数量级。因此，等效应力220基本是环向应力。
在周向上引起环向应力，即，这种环向应力在垂直于轴向方向和径向方向的方向上作用。更具体地，当轮缘204的径向内部分企图沿径向向外膨胀时，引起与轮缘204相关联的环向应力。然而，这种向外膨胀被轮缘204的径向相邻部分限制。因此，轮缘204的径向内部分经历在轮缘204内引起的力，该力根据离轮缘204的最外部分的距离作用在较小圆周上。因此，在径向最内部分210处引起的峰值应力矢量208(均在图2中示出)具有在应力梯度206内的最大幅度。
参照图4，引起的径向应力240作用在轮缘204(在图2中示出)的复合材料的各个层片(ply)(未示出)上。典型地，径向应力的幅度的设计极限至少部分地限定为脱层(delamination)应力，复合材料的层片可在超过该脱层应力时开始分离。处于额定旋转速度V下的轮缘204内的径向应力240的幅度的范围为在径向最内部分210和径向最外部分212处的大约17kPa(大约2.50psi，即，大约0.0025ksi)至在中心部分214处的大约2*104kPa(大约2960psi，即，大约2.96ksi)。因此，轮缘204的脱层应力的幅度在中心部分214处是大约2*104kPa(大约2.96ksi)。
径向应力240的幅度显著地小于等效应力220(在图3中示出)的幅度。因此，等效应力220在应力梯度206中起主要作用。此外，当内部部分210接近应力极限时，轮缘204的剩余部分(尤其是径向最外部分212)是相对应力不足的。
图5是现有技术的单件式厚轮缘飞轮装置300的示意图。图6是在飞轮装置300(在图5中示出)中引起的等效应力320的图解视图。图7是在飞轮装置300(在图5中示出)中引起的径向应力340的图解视图。
参照图5，装置300包括联接到轮缘304的带辐毂302。毂302由金属物质形成。轮缘304由碳纤维复合材料形成并且是基本均质的。装置300具有延伸穿过旋转中心C的大约1.4m(大约4.6ft)的外直径D。轮缘204是单个环，其具有大约25.4cm(大约10in)的厚度T。因此，轮缘304的厚度是轮缘204(在图2中示出)的大约两倍。装置300构造成以大约14000rpm的速度旋转。在装置300的运行期间，在轮缘304内引起应力梯度306。应力梯度306由在径向最内部分310处引起的峰值应力矢量308部分地限定。峰值应力矢量308根据装置300的旋转速度V和外直径D至少部分地限定。此外，应力梯度306内的各个应力矢量的幅度是在轮缘304的不同元件附近的复合材料的密度和沿着外直径D的位置的函数。因此，外直径D、旋转速度V和厚度T中的至少一个被限定，即，被峰值应力矢量308的幅度限制。轮缘304还包括径向最外部分312和限定在部分310和312之间的中心部分314。
参照图6，处于额定旋转速度V(在图5中示出)下的轮缘304(在图5中示出)内的等效应力320的幅度的范围为在径向最外部分312处的大约1.01*106kPa(大约1.47*105psi，即，大约147ksi)至在径向最内部分210处的大约1.26*106kPa(大约1.83*105psi，即，大约183ksi)。在轮缘304内引起的等效应力320基本是环向应力。此外，在轮缘304中引起的等效应力320小于在轮缘204(在图2中示出)中引起的等效应力220。
参照图7，引起的径向应力340作用在轮缘304(在图5中示出)的复合材料的各个层(未示出)上。处于额定旋转速度V下的轮缘304内的径向应力340的幅度的范围为在径向最内部分310和径向最外部分312处的大约23.7kPa(大约3.4psi，即，大约0.0034ksi)至在中心部分314处的大约6.4*104kPa(大约9330psi，即，大约9.33ksi)。因此，轮缘304的脱层应力的幅度在中心部分314处是大约6.4*104kPa(大约9.33ksi)，这是在中心部分214处的轮缘204(均在图2中示出)的脱层应力的值的大约三倍。
径向应力340的幅度显著地小于等效应力320(在图6中示出)的幅度。因此，等效应力320在应力梯度306中起主要作用。此外，当内部部分310接近应力极限时，轮缘304的剩余部分(尤其是径向最外部分312)是相对应力不足的。
图8是现有技术的两件式厚轮缘飞轮装置400的示意图。图9是在飞轮装置400(，在图8中示出)中引起的等效应力420的图解视图。图10是在飞轮装置400(在图8中示出)中引起的径向应力440的图解视图。
参照图8，装置400包括联接到轮缘404上的带辐毂402。毂402由金属物质形成。轮缘404包括两个同心的轮缘层或环，即，轮缘内环403和轮缘外环405。环403和405二者由碳纤维复合材料形成并且是基本均质的。此外，关于成分，环403和405是基本相似的。装置400具有延伸穿过旋转中心C的大约1.4m(大约4.6ft)的外直径D。轮缘内环403和轮缘外环405中的各个具有大约12.7cm(大约5in)的厚度T1和T2。因此，轮缘404具有大约25.4cm(大约10in)的总厚度TT。轮缘404的厚度是轮缘204(在图2中示出)的两倍，并且具有与轮缘304(在图5中示出)的厚度基本相似的厚度。装置400构造成以大约14000rpm的速度旋转。在装置400的运行期间，在轮缘内环403内引起应力梯度406。应力梯度406由在内环403的径向最内部分410处引起的峰值应力矢量407部分地限定。此外，在装置400的运行期间，在轮缘外环405内引起应力梯度408。应力梯度408由在外环405的径向最内部分411处引起的峰值应力矢量409部分地限定。应力梯度406比应力梯度408更陡峭。
峰值应力矢量409的幅度大于峰值应力矢量407的幅度。峰值应力矢量407和409二者根据装置400的旋转速度V、分别在径向最内部分410和411附近的复合材料的密度和沿着外直径D的相关联位置至少部分地限定。旋转速度V和用于内环403和外环504的复合材料的密度分别是基本相似的。因此，环403和405内的应力的幅度主要是从旋转中心C延伸直到外直径D的极限的相关联距离的函数。
内环403还包括径向最外部分412和中心部分413。外环405包括径向最外部分414和中心部分415。内环403的径向最外部分412和外环405的径向最内部分411限定接触面416。
参照图9，处于额定旋转速度V(在图8中示出)下的内环403内的等效应力420的幅度的范围为在径向最内部分410处的大约7.6*105kPa(大约1.10*105psi，或大约110ksi)至在径向最外部分412处的大约9.65*105kPa(大约1.40*105psi，或大约140ksi)。此外，在外环405内引起的等效应力420的范围为在径向最外部分414处的大约1.27*106kPa(大约1.85*105psi，或大约185ksi)至在径向最内部分411处的大约1.56*106kPa(大约2.27*105psi，或大约227ksi)。在轮缘404内引起的等效应力420基本是环向应力。
参照用于单件式薄轮缘飞轮装置200的图2至4和用于单件式厚轮缘飞轮装置300的图5至7，使装置200的厚度T(大约12.7cm(5in))大致加倍以获得装置300的厚度T(大约25.4cm(10in))便于在其中获得大约三倍的径向拉伸应力或脱层应力。例如，在装置200的轮缘204的径向最外部分212处，径向拉伸应力240是大约2*104kPa(大约2.9ksi)。与此相反，在装置300的轮缘304的径向最外部分312处，径向拉伸应力340是大约6*104kPa(大约9.3ksi)。图4和图7表明，针对径向应力而与轮缘204相比，这样一个因子(三)针对径向应力340在整个轮缘304中是一致的。
另外，参照用于飞轮装置200的图2至4和用于飞轮装置300的图5至7，分别在径向最内部分210和310附近分别一致地引起环向应力或等效应力220和320的最大值。大体上，装置300的引起的应力比装置200的那些引起的应力略低20％。因此，大体上，使轮缘的厚度简单地加倍导致应力幅度减小小于20％。
参照用于飞轮装置200的图2至4、用于飞轮装置300的图5至7和用于两件式厚轮缘飞轮装置400的图8至10，各自具有大约12.7cm(5in)的厚度T以限定大约25.4cm(10in)的轮缘404的被联接的两个径向相邻环403和405便于获得在幅度方面与应力240相似的径向拉伸应力440。值得注意地，在内环403内引起的应力440显著地小于在外环405、轮缘204和轮缘304中引起的应力440。因此，大体上，这种比较建议总轮缘厚度可利用多个层来最有效地增大。此外，对于装置400，外环405的峰值环向应力409比内环403的峰值环向应力407大大约50％。大体上，多层式飞轮组件的轮缘的最大速度将被最重地加载的层的峰值环向应力限制。因此，这种比较建议期望使各个层均匀地加应力到材料允许的最大水平。
参照图10，引起的径向应力440分别作用在内环403和外环405的复合材料的各个层(未示出)上。处于额定旋转速度V下的内环403内的径向应力440的幅度的范围为在接触面416处的大约-7.37kPa(大约-1069psi，或-1.07ksi)至在中心部分413处的大约1.76*104kPa(大约2550psi，或2.6ksi)。负数指示，相关联的径向应力矢量(未示出)是压缩性的，并且在为拉伸性的非负值的相反方向上定向。此外，处于额定旋转速度V下的外环40内的径向应力440的幅度的范围为在接触面416处的大约-7.37kPa(大约-1069psi，或-1.07ksi)至在中心部分415处的大约1.76*104kPa(大约2550psi或2.6ksi)。因此，内环403和外环405的脱层应力的幅度分别在中心部分413和415处分别是大约1.76*104kPa(大约2.6ksi)，这大约是轮缘204的在中心部分214(均在图2中示出)处的脱层应力的值。
径向应力440的幅度显著地小于等效应力420(在图9中示出)的幅度。因此，等效应力420在应力梯度406和408中起主要作用。此外，当外环405的内部部分411接近应力极限时，轮缘404的剩余部分(尤其是径向最内部分410或内环403)是相对应力不足的。
图11是在现有技术的多层式飞轮装置500中引起的应力的图解视图。装置500包括带辐毂502。装置500与装置400(在图8中示出)相似，除了装置500包括四个层或环(即，第一或最内环504、第二环506、第三环508和第四或最外环510)之外。所有的环504至510由碳纤维复合材料形成，是基本均质的并且被联接在一起。此外，关于成分，环504至510是基本相似的。
在装置500的运行期间，分别在环504至510内离散地引起应力梯度512、514、516和518。应力梯度512至518中的各个分别由峰值应力矢量520、522、524和526部分地限定。应力梯度512至518中的各个的斜度根据离毂502的增大的距离而减小。此外，峰值应力矢量520至526的幅度根据离毂502的增大的距离而增大。因此，旋转速度V和/或外直径D被最外环510的材料性质限制。此外，环504至508是相对应力不足的，并且可在达到相同的峰值应力极限之前比最外环510以更高的旋转速度V旋转。然而，因为环504至510被联接在一起，并且惯量是质量和速度的函数，所以为了增大各个应力不足环的惯量，因而应当增大质量。
图12是可与惯性能量存储装置100(在图1中示出)一起使用的示例性飞轮装置108的示意图。在示例性实施例中，飞轮装置108包括由具有毂密度的金属材料形成的基本圆柱形的毂602。毂602与轴112的部分604整体地形成。飞轮装置108还包括绕着毂602同心地设置的多个环606。多个环606包括径向最内环608，径向最内环608由第一材料形成并且具有第一密度。第一密度小于毂密度。第一材料可以是包括用第一环氧物质浸渍的第一多个碳纤维的复合材料，其中，第一多个碳纤维分布成限定第一密度。备选地，第一材料可包括分布成至少部分地限定第一密度的至少一种金属物质。此外，备选地，第一材料可以是使飞轮装置108和惯性能量存储装置100能够如在本文中描述的那样运行的任何物质或物质的组合。在示例性实施例中，径向最内环608通过干涉配合联接到毂602上。
多个环606还包括第二环610，第二环610由第二材料形成并且具有第二密度。第二材料可以是包括用第二环氧物质浸渍的第二多个碳纤维的复合材料，其中，第二多个碳纤维分布成限定第二密度。第二环氧物质可与第一环氧物质相似。备选地，第二材料可包括分布成至少部分地限定第二密度的至少一种金属物质。此外，备选地，第二材料可以是使飞轮装置108和惯性能量存储装置100能够如在本文中描述的那样运行的任何物质或物质的组合。此外，第二密度小于第一密度。在示例性实施例中，第二环610通过干涉配合联接到径向最内环608上。
多个环606进一步包括径向最外环612，径向最外环612由第三材料形成并且具有第三密度。第三材料可以是包括用第三环氧物质浸渍的第三多个碳纤维的复合材料，其中，第三多个碳纤维分布成限定第三密度。第三环氧物质可与第一环氧物质相似。备选地，第三材料可包括分布成至少部分地限定第三密度的至少一种金属物质。此外，备选地，第三材料可以是使飞轮装置108和惯性能量存储装置100能够如在本文中描述的那样运行的任何物质或物质的组合。此外，第三密度小于第二密度。
多个环606还包括多个中间环614，其中，环中的各个与环608、610和612相似，除了材料和它们的相关联密度之外。用于中间环614的材料和它们的相关联密度预定成与环608、610和612协作，以通过限定从毂602沿径向向外延伸到径向最外环612的递减密度梯度而使多层式功能分级成为可能。多个中间环614中的各个环可以是包括用预定环氧物质浸渍的预定的多个碳纤维的复合材料，其中，预定的多个碳纤维分布成限定各个中间环614的预定密度。备选地，多个中间环614中的各个环可包括这样的材料：该材料包括分布成至少部分地限定中间密度的至少一种金属物质。此外，备选地，多个中间环614可包括使飞轮装置108和惯性能量存储装置100能够如在本文中描述的那样运行的任何物质或物质的组合。在示例性实施例中，多个环606中的各个环通过干涉配合联接到各个相邻环上。在示例性实施例中，飞轮装置108包括七个环606。备选地，飞轮装置108包括使飞轮装置108和惯性能量存储装置100能够如在本文中描述的那样运行的任何数量的环606。
图13是在飞轮装置108中引起的径向应力650的图解视图。为了清楚起见，仅示出四个环606，并且更具体地，仅示出一个中间环614。如上所述，更靠近毂602的环606中的各个比相邻径向外环606具有更高的密度。径向最内环608具有大于第二环610的密度但是小于毂602的密度的密度。在飞轮装置108的运行期间，在径向最内环608内引起应力梯度620。如上所述，应力梯度620由在径向最内环608内引起的峰值应力矢量622部分地限定。
相似地，在飞轮装置108的运行期间，在第二环610、中间环614和径向最外环612中离散地引起应力梯度624、626和628。应力梯度624、626和628中的各个分别由峰值应力矢量630、632和634部分地限定。应力梯度620、624、626和618中的各个的斜度是基本相似的，与离毂602的增大的距离无关。此外，峰值应力矢量622、630、632和624的幅度是基本相似的，与离毂602的增大的距离无关。因此，所有环606可基本均匀地加应力到预定极限，因此，多个环606将不是显著应力不足的。
此外，旋转速度V和/或外直径D不被任何一个环606的材料性质限制，而是这种速度V和直径D的极限对所有环606而言是基本相同的。因此，环606可以以非常平均的密度以相似的旋转速度V旋转，以增大飞轮装置108的惯量。此外，环606的厚度可确定成使得以预定速度获得与预定材料相关联的最大可允许环向应力。因此，对于给定体积，增大的总惯量会增大可存储在给定空间中的能量。
图14是示出可用于组装惯性能量存储装置100(在图1中示出)的示例性方法的流程图。在示例性实施例中，提供702限定空腔117(在图1中示出)的多个固定电绕组(即，定子绕组)118(在图1中示出)。提供704可旋转轴112(在图1中示出)，并且将可旋转磁体(即，转子磁体)116(在图1中示出)不动地联接706到可旋转轴112上。通过提供710基本圆柱形的毂602(在图12中示出)而组装708飞轮装置108。将径向最内环608(在图12中示出)联接712到毂602上，使得径向最内环608绕着毂602同心地设置。径向最内环608包括具有第一密度的第一材料。同心地绕着径向最内环608而将径向最外环612(在图12中示出)联接714到中间环614上。径向最外环612包括具有第二密度的第二材料。第一密度大于第二密度。将圆柱形毂602可旋转地联接716到可旋转轴112上，并且将可旋转轴112插入718到空腔117中，使得定子绕组118绕着转子磁体116的至少一部分延伸。
以上描述的用于惯性能量存储装置的飞轮装置提供用于提高这种装置的能量存储能力的成本有效且可靠的方法。特别地，本文中描述的装置包括旋转结构，该旋转结构具有由不同材料形成的多个层或环。这种多层式功能分级限定从飞轮装置的中心沿径向向外延伸的递减密度梯度，并且便于对各个层有均匀的径向应力和环向应力管理。因此，本文中描述的示例性飞轮便于存储增大的惯性能量并且便于增大能量存储密度。此外，需要较小数量的能量存储单元来获得高能量存储能力，从而便于具有较低安装和运行成本的功率供应有增大的可靠性。
在上面详细地描述用于惯性能量存储装置的飞轮装置的系统和方法的示例性实施例。系统和方法不受限于在本文中描述的具体实施例，而是系统的构件和/或方法的步骤可独立地并且与在本文中描述的其它构件和/或步骤分开地利用。例如，系统和方法还可与其它的旋转式系统和方法组合起来使用，并且不受限于仅以如在本文中描述的用于惯性能量存储装置的飞轮装置来实践。相反地，示例性实施例可与许多其它的旋转式系统应用结合起来实施和利用。
虽然可在一些附图而未在其它的附图中示出本发明的多个实施例的具体特征，但是这仅为了方便起见。此外，参照以上描述中的“一个实施例”不意图解释为排除也结合了叙述的特征的额外实施例的存在。根据本发明的原理，附图的任何特征可与任何其它的附图的任何特征组合起来参照和/或声明。
此书面描述使用了实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有不异于权利要求的字面语言的结构元素，或如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这样的其它实例意图处于权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种飞轮装置(108)，包括：
基本圆柱形的毂(602)；
径向内环(608/614)，其包括具有第一密度的第一材料；以及
径向外环(612/614)，其包括具有第二密度的第二材料，所述第一密度大于所述第二密度。
2.根据权利要求1所述的飞轮装置(108)，其特征在于，所述毂(602)包括具有第三密度的第三材料，所述第三密度大于所述第一密度。
3.根据权利要求2所述的飞轮装置(108)，其特征在于，所述毂(602)包括金属材料。
4.根据权利要求1所述的飞轮装置(108)，其特征在于，所述第一材料包括用第一环氧物质浸渍的第一多个碳纤维，所述第一多个碳纤维分布成限定所述第一密度，并且所述第二材料包括用第二环氧物质浸渍的第二多个碳纤维，所述第二多个碳纤维分布成限定所述第二密度。
5.根据权利要求1所述的飞轮装置(108)，其特征在于，所述第一材料包括分布成至少部分地限定所述第一密度的至少一种金属物质，并且所述第二材料包括用环氧物质浸渍的多个碳纤维，所述多个碳纤维分布成限定所述第二密度。
6.根据权利要求1所述的飞轮装置(108)，其特征在于，所述飞轮装置(108)进一步包括定位在所述径向内环(608)和所述径向外环(612)之间的至少一个中间环(614)，所述至少一个中间环包括具有这样的密度的材料：所述密度至少部分地限定从所述毂(602)沿径向向外延伸到所述径向外环的递减密度梯度。
7.根据权利要求6所述的飞轮装置(108)，其特征在于，所述径向内环(608)通过干涉配合联接到所述毂(602)上，并且各个所述环(608/612/614)通过干涉配合联接到各个相邻环上。
8.一种惯性能量存储装置(100)，包括：
多个固定电绕组(118)；
可旋转轴(112)；
多个可旋转磁体(116)，其联接到所述可旋转轴上，其中，所述多个固定电绕组绕着所述多个可旋转磁体的至少一部分延伸；以及
飞轮装置(108)，其包括：
基本圆柱形的毂(602)，其可旋转地联接到所述可旋转轴上；
径向内环(608/614)，其包括具有第一密度的第一材料；以及
径向外环(612/614)，其包括具有第二密度的第二材料，所述第一密度大于所述第二密度。
9.根据权利要求8所述的惯性能量存储装置(100)，其特征在于，所述毂(602)包括具有第三密度的第三材料，所述第三密度大于所述第一密度。
10.根据权利要求9所述的惯性能量存储装置(100)，其特征在于，所述毂包括金属材料。
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