CN103368324A - 用于飞轮能量存储的轻质量复合材料的安全容纳装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于飞轮装置的装置，并且本发明涉及大体圆柱形的容纳层以及容纳方法，飞轮装置包含被定向为容纳冲击的多个可预测变形的托架。每个托架都具有用于吸收冲击的多层和表面，表面提供了沿冲击方向的从大约0.1°到大约5°的掠射角。

Description

用于飞轮能量存储的轻质量复合材料的安全容纳装置

技术领域

本发明涉及飞轮能量存储装置，并且更具体地涉及具有改良的稳定性、性能和容量的飞轮存储装置。

背景技术

众所周知，飞轮能量存储装置和系统用于存储能量并在需要时释放所存储的能量。已知的飞轮组件具有传统的转子设计，其有时由碳化纤维复合材料制成。这种转子具有在其上安装马达/发电机(M/G)和轴承永久磁体(PM)的轴。通常通过轮毂将轴连接到轮缘。根据飞轮可实现的上端速度限制了飞轮的轴-轮毂设计。由于部件的径向增长随着转子速度增加而变化，可用于飞轮组件中的部件的材料的匹配是有问题的。轮毂必须机械地将轴连接到轮缘，而在飞轮的运转转速范围内在整个运转频率范围不将弯曲模态引入转子结构中。但是，轴经常表现出很小的径向增长，而轮缘表现出显著的径向增长。

通过使用越来越先进的材料实现的飞轮的较高的转速不幸地加剧了轮毂的增长匹配的问题，因为轮缘增加的径向增长超过其它连接部件例如连接轴所表现的任意增长。此外，飞轮技术提供的整体效率受到当前可用的材料的限制，当飞轮以超过材料容许的速度运转时该材料就会失效。

另外，尽管期望高能量密度以实现最大限度的能量存储和部署，但已知飞轮组件可实现的能量密度是有限的。此外，由于存在净角动量，难以达到飞轮系统的能量存储和部署的最大容量，并且空间限制经常阻止飞轮技术的效用。

发明内容

依据本发明的一个方面，提供用于飞轮装置的容纳层，其包含具有内壁和外壁的大体圆柱形的腔室，以及被连接到内腔室壁和外腔室壁中的至少一个的多个可变形的托架。

每个托架都具有用于容纳冲击的至少一个表面，其提供了沿冲击方向的从大约0.1°到大约5°的掠射角（glancing angle），优选托架每个都包含多层。优选地，至少一层包含烧灼颗粒。托架优选地被定向为吸收并容纳冲击以及可预测地变形。优选地，托架由诸如如下材料制成，例如含有碳纤维的、含有玻璃纤维的、还有金属的材料或其组合。托架优选以低于最快飞轮碎片的速度的速率发生初始变形，几厘米的完全变形在大约1到大约10ms的时间段内发生。托架具有从大约2GPa到大约20GPa的优选的拉伸强度，并且优选地，每个托架具有S形，包含多层并包含中部，该中部响应于向外的移动冲击沿径向向外的方向弹性变形以产生凹形内表面。优选地，至少一层包含烧灼颗粒。一旦遭遇开始使托架变形的力或冲击，容纳层变形以产生大体环形的腔体。

有利地，容纳层大体上包围飞轮装置，所述装置包含以从大约300m/s到3000m/s的速度旋转的至少一个转子。

有利地，托架是S形的，并且托架响应于向外的冲击沿径向向外的方向弹性变形。

有利地，托架一旦受到冲击就可预测地变形，以便在腔室内产生大体环形的腔体。

有利地，至少一个托架层是编织层，其包含从由以下材料组成的组中选择的材料：含有玻璃的纤维、含有碳的纤维或其组合。优选地，含有碳的纤维是含有碳纳米管的纤维。

有利地，至少一个托架层包含一系列相互连接的节，所述节由从以下材料组成的组中选择的材料制成：钢、钛、铝、聚合物纤维、碳化纤维和其组合。优选地，碳化纤维包含含有碳纳米管的纤维。

有利地，托架的至少一层包含至少一个烧灼板。

有利地，容纳层具有高于飞轮装置轴向高度的轴向高度。

有利地，一种包含上述容纳层的交通工具。

依据本发明的另一个方面，提供了用于存储和释放能量的飞轮组件，其包含在真空腔室内的大体圆柱形的转子组件。包含具有内表面和外表面的转子的该组件优选包含含有碳纤维的、含有玻璃纤维的、含有金属的材料等，以及其组合。定子组件被放置得紧密靠近转子组件。优选为柔性的至少一个转子磁体被固定到转子的内表面，并且至少一个定子磁体被固定到定子。容纳层大体上包围转子组件，并包含多个可变形的托架，该托架被定向为吸收和容纳冲击。托架优选地包含多层，至少一层优选地包含烧灼颗粒。

有利地，每个托架都具有用于容纳由于飞轮组件失效的碎片的表面。

有利地，用于容纳冲击的表面提供了沿冲击方向的从大约0.1°到大约5°的掠射角。

有利地，飞轮装置包含以从大约300m/s到3000m/s的速度旋转的至少一个转子，并且托架在低于转子速度的速率下变形。

有利地，托架具有从大约2GPa到大约20GPa的拉伸强度。

有利地，托架是S形的，并且托架包括响应于向外的冲击沿径向向外的方向产生弹性变形的中部。

有利地，托架充分地变形以在容纳层中产生大体环形的腔体。

有利地，托架由从由含有玻璃的纤维、含有碳的纤维或其组合组成的组中选择的材料制成。

有利地，含有碳纤维的材料是含有碳纳米管的材料。

有利地，提供一种包含上述飞轮组件的能量存储设备。

转子组件可以具有任意期望的结构，其包括，例如轴-轮毂的、无轮毂的、开口铁芯的结构等。每个托架都具有用于吸收沿冲击方向的从大约0.1°到大约5°的掠射角的冲击的表面。托架优选为S形，但可以是提供此处提出的优点的任意几何形状，并且包含响应于内部的（向外的）或外部的（向内的）冲击沿径向向外的方向产生弹性变形的中部。当响应内部的（向外的）冲击时，托架变形以产生凹形内表面和大体环形的腔体。

依据本发明的另一方面，提出一种用于在运转期间容纳来自受损坏的飞轮组件的飞轮转子碎片的方法，该方法包含在真空腔室内提供大体圆柱形的飞轮转子组件和飞轮定子组件的步骤。至少一个转子磁体被固定到每个转子的内表面，并且至少一个定子磁体被固定到每个定子。大体上包围转子组件的容纳层被提供给飞轮系统。容纳层包含多个可变形的托架，其被定向为吸收和容纳冲击。托架优选包含多层，至少一层包含烧灼颗粒。每个托架优选具有用于通过具有沿冲击方向从大约0.1°到大约5°的掠射角吸收并容纳冲击的表面。

用于容纳来自受损坏的飞轮组件的飞轮转子碎片的方法包含：在真空腔室内提供大体圆柱形的飞轮转子组件和飞轮定子组件，提供被固定到每个转子的内表面的多个转子磁体；提供被固定到每个定子的多个定子磁体；以及提供包围转子组件的容纳层，所述容纳层包含被定向为容纳冲击的一系列可变形的托架，每个所述托架包含多层，至少一层包含烧灼颗粒。

有利地，托架是S形的，并且托架响应于向外的冲击沿径向向外的方向产生弹性变形，以产生凹形内表面。优选地，托架充分地变形以产生大体环形的腔体。

有利地，至少一个托架层由从由含有碳化纤维、含有玻璃纤维、含有金属的材料或其组合组成的组中选择的材料制成。有利地，含有碳化纤维的材料是含有碳纳米管的材料。

如上所述，本发明涉及轴-轮毂型飞轮以及开口铁芯飞轮。飞轮存储系统可以使用，例如，机械轴承、磁悬浮轴承或超导轴承等和多个转子，该多个转子包含高强度材料以及含有多股定向碳纳米管（CNT）的材料，高强度材料例如为然纤维、玻璃纤维、金属等，含有多股定向碳纳米管的材料包括含有多壁碳纳米管的材料（MWCNT）。制造的转子固有的预期特性导致在显著增加的转速、增加的动力存储/生成和增加的系统耐久性方面的显著改善的飞轮性能。

真空腔室包含旋转的含有纤维复合材料的一个或更多个转子环或圆柱体，每个转子作为独立的飞轮工作。优选地，小涡轮分子或吸气升华泵保持容纳整个组件的腔室内部的真空。

附图说明

已概括地描述了本发明的变型，现在参考附图，附图不必是按照比例绘制的，其中：

图1（a）示出了现有技术的轴-轮毂飞轮组件的横截面视图；

图1（b）示出了开口铁芯的飞轮组件的横截面视图；

图2示出了依据本申请的容纳装置结构的局部横截面视图；

图2a示出了示出三个复合层的单个S-托架的放大的特写视图；

图2b示出了S-托架的部件层的放大的特写视图；

图2c示出了S-托架的至少一个部件层中的碳化纤维束的放大的特写视图；

图2d示出了S-托架的部件层的放大的特写视图，其示出了一系列的烧灼板；

图3是示出包括容纳层的飞轮组件的横截面示意图；

图4是图3中所示的飞轮组件的卸压部件的横截面特写视图；以及

图5是图3中所示的飞轮组件的稳定套筒元件的横截面特写视图。

具体实施方式

当保护飞轮组件免受外部的威胁的伤害时，依据本发明的容纳装置必须防止例如弹道侵彻以及雷电防护。关于从飞轮组件爆炸出的碎片的容纳，例如，在毁灭性的飞轮失效等的情况下，本发明涉及新颖的解决方案。代替破碎成钢制飞轮形式的饼形件，由包含复合材料的材料制成的失效飞轮产生周向缠绕的纤维的复合材料环，其分成具有从几微米到几毫米范围内变化的尺寸分布的小碎片和件。由这些碎片和件形成的成团的碎片云扩散，仿佛碎片是粘性液体。本发明提供新的飞轮设计和飞轮容纳装置设计以及更高强度的材料，以实现飞轮运转安全性的更可靠和更具保护性的容纳装置。

依据本发明的一种优选变型，一系列S形翼的预选取向从容纳装置腔室的外刚性壁向内延伸，并且，可选地从内壁向外延伸。托架的内缘靠近飞轮转子组件的外边缘，使得在失效时，碎片的最外面和最快速移动的部分将以从大约0.1°到大约5°的“掠射”角撞击在这些托架上，由此“软化”初始冲击并显著地缓和冲击波。随着来自碎片云的压力增加，S-托架被故意和可预测地以具有充足延展性的方式配置并被定位，以便通过非破坏性的弹性变形而充分地变平，并且包含失效飞轮的高能量的材料碎片。

由成形元件形成的中空单元以足够快的速率弹性变形（或弯曲）以防止零件经历最终的拉伸破坏（破裂）或局部的压缩破坏（屈曲）。S-托架的轴向高度优选高于飞轮转子的轴向高度。S-托架具有中部，该中部被设计为响应于来自失效的飞轮碎片的冲击以故意和可预测地产生凹形内表面的方式沿径向向外的方向弹性变形。这个凹形表面然后起到防止转向的飞轮材料碎片轴向分散的作用；即，碎片云在由变形托架形成的大体环形的腔体中保持周向循环。成形的内部元件的弹性变形足够快地发生以显著地延长总的冲击时间间隔，并且因此减少容纳装置元件必须吸收的峰值力。应理解，托架被成形和周向取向，使得他们将会径向向外变形（由于飞轮内部组件的失效）以形成被冲击的容纳装置腔室的大体环形的形状。

在早期的飞轮容纳装置设计中，S-托架的材料为不锈钢。依据本发明的变型，S-托架优选包括包含复合材料的材料，该材料被设计为延展压力波并吸收冲击能量。如图2所示的基复合材料的链-编织设计允许复合材料通过链节扩张时压缩基复合材料而开始变形并吸收能量。随着碎片啮合S-托架，联-编织设计中的链节开始移动，并且链向外扩张（沿着碎片移动的方向）。随着扩张继续，节的末端彼此接触并彼此拉动。最终链节“锁上”并且通过伸长节和托架本身发生进一步的扩张。通过由包含编织的CNT纤维/织物材料构建节，链节的应力-应变关系更加高于目前已知的材料。

通过在限制节的开放空间中加入粘性材料，例如，蜡质材料，链节的性能可以被进一步增强。当节扩张并且相邻节的末端向彼此移动时，节移动通过粘性材料并将它挤出。粘性材料和节之间的粘性力将加热粘性材料并将节的动能中的一些转变为热量。材料，诸如，例如膨胀（剪切增稠）流体，可以被用来帮助增强和改善容纳装置结构的这部分的性能。可能的流体包括，但不限于，硅油和硼酸的组合物、分布在聚乙烯溶液（乙二醇）（PEG）中的硅纳米颗粒以及商用的剪切增稠流体。

另外，硬的、烧灼的和吸收能量的颗粒能够被加入并被放在结构的适当部分，诸如，例如在向内的表面上，使得硬颗粒形成第一冲击面以将来自飞轮转子的任意纤维碎片分解成更像灰尘的物质。理想地，这些颗粒表现为基本上符合S-托架的表面的毫米大小的板，其中S-托架暴露于真空腔室的内部。这些板优选由于硬陶瓷制作，诸如，例如包含铝、金刚砂和碳化硼的材料等。

对于边缘速度大于1000m/s的非常高能量密度的飞轮来说，容纳爆裂转子的能量将通过转子碎片的热加热（thermal heating）而加剧，这将会加热腔室壁，并且在碎片失去它的速度期间并且甚至在碎片失去它的速度之后这可能是一个问题。因此，进一步的变化考虑以绝热的形式封装机械容纳装置，诸如，例如耐火砖材料等。也考虑到一些气态热材料以控制的方式被安全地排出到大气，诸如，例如通过卸压部件。

用于容纳装置制造的一种特别优选的材料是碳纳米管(CNT)。CNT是具有圆柱形纳米结构的碳的同素异形体。纳米管已被建造具有高达132,000,000:1的长度直径比，显著地高于任何其它材料。这些圆柱形碳分子具有对纳米技术、电学、光学和其它材料科学和技术领域非常重要的不同寻常的性质。由于它们的热传导、机械和电学性质，碳纳米管作为对各种结构材料的添加剂获得应用。纳米管分为单壁纳米管(SWNT)和多壁纳米管(MWNT)。各个纳米管自然地使它们自身排列成通过范德瓦尔斯力保持在一起的“绳索”，更特别地是面对面的堆积（pi-stacking）。

分别在拉伸强度和弹性模量方面，CNT是迄今为止发现的最强和最硬的材料。这种强度来源于各个碳原子之间形成的sp²共价键。多壁碳纳米管(MWCNT)被测试具有63吉帕斯卡（GPa）的拉伸强度。举例说明，这解释为在横截面大约1mm²的缆线上承受相当于6422kg重量的张力的能力。单个CNT壳具有高达大约100GPa的强度。由于碳纳米管具有从大约1.3到大约1.4g/cm³的对固体而言的低密度，与例如大约154kN·m·kg^-1的高碳钢相比，它们的高达大约48,000kN·m·kg^-1的比强度是已知材料中最好的。

尽管单个CNT壳的强度是非常高的，但是相邻壳和管之间的弱剪切作用导致多壁碳纳米管和碳纳米管束的有效强度显著度降低至只有几GPa。然而，施加交联内壳和管的高能量的电子照射有效地将用于多壁碳纳米管的这些材料的强度增加至大约60GPa，将用于双壁碳纳米管束的这些材料的强度增加至大约17GPa。

标准的单壁碳纳米管(SWCNT)可以经受高达24GPa的压力而不发生变形。之后它们经历向超硬阶段纳米管的转变。利用目前的实验技术测得的最大压力大约是55GPa。然而，这些新的超硬阶段的纳米管在甚至更高但未知的压力下塌陷。

多壁碳纳米管(MWCNT)具有精确地嵌套在彼此之内的多个同心纳米管。这些CNT显示出惊人的伸缩性能，由此内部的纳米管芯可以在它外部的纳米管壳内几乎没有摩擦地滑动，因此产生了原子级理想的线性或旋转轴承。对于无扭复合结构，具有大约0.2gm/cm³密度的MWCNT丝线被认为生成至少大约45GPa的保守的最小材料强度。

在本发明中使用的制造CNT的一种优选过程涉及在Al₂O₃过渡层（大约10nm厚）上沉积Fe催化剂膜的薄层（大约1nm厚），Al₂O₃过渡层沉积在涂敷硅片的SiO₂层（大约1微米厚）上。提供乙烯作为氩运载气体中（大约6%的Hs）的优选碳源。然后优选在大约750℃下以连续的过程生长CNT以产生长于大约1cm的CNT。这给予制造的材料大于大约100,000的纵横比（长度/直径），并且足以将应力从一个纤维转移给另一个。

在本发明的新颖的转子的制造中使用的优选的CNT优选具有大约0.075nm的实际壁厚和大约0.34nm的有效壁厚，实际壁强度为从大约150到大约260GPa。这提供了具有金属、玻璃和/或聚合物基的30nm直径MWCNT的容积率高达大约65%的优选材料。将瑕疵（defect）引入MWCNT被认为改善内壁强度以便以大约2的系数改善MWCNT线与内线“壁”之间的机械载荷转移。

在本发明中使用的优选的CNT具体通过控制取向的角度和基中的容积率被制造，以便提供完美的复合材料并产生期望的物理性质（诸如，例如比当前已知的更高的转子拉伸强度）。

参考附图，现在本发明的一些变型将在下文中被更加完整地描述，其中示出了本发明的一些但不是所有的变型。实际上，本发明可以被实施为很多不同的形式，并且不应该被理解为对此处提出的变型的限制。实际上，提供这些示出的变型使得此公开将是全面的和完整的，并且对本领域技术人员将充分地表达公开的范围。例如，除非另作说明，将某物标识为第一、第二等不应被理解为意味着具体的顺序。同样，某物可以被描述为在其它事物“之上”，并且除非另作说明，可以相反在其“之下”，反之亦然。相似地，被描述为在其它事物的左侧的某物可以相反在其右侧，并且反之亦然。相同的附图标记始终表示相同的元件。

图1（a）示出了在例如各种频率和较高速度下显示有限性能的传统的轴-轮毂飞轮组件10的横截面视图。纤维复合材料的轮缘转子12被连接到轮毂14，轮毂14进而被连接到轴16。被连接到轴16的烧结的永磁体(PM)15和18对提升PM20和高温超导体22施加吸引力和排斥力。示出了被连接到支撑物17的PM20。马达/发电机(M/G)的定子线圈24被示为被悬挂在M/G PM26和支撑物17之间。

图1（b）示出了依据本发明制作的飞轮结构30的横截面视图。在这个“无轮毂的”开口铁芯飞轮结构（用点划线表示中心线）中，示出了连接到纤维复合材料的轮缘转子32的弹性永磁体(PM)34、36和38。来自马达/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被布置为靠近支撑物46。PM48和34包含提升轴承，而元件45和38包含稳定轴承。

本公开的开口铁芯结构展示了一种新颖的设计，该设计使纤维复合材料轮缘和HTS轴承能够实现最大性能，而没有对轴-轮毂飞轮设计中固有的部件径向增长差异的设计限制。应理解，在它示出的垂直方向中整个开口铁芯飞轮30被容纳在真空腔室（未示出）内。在优选的垂直方向中，环状的纤维复合材料转子32优选通过被动稳定的磁轴承被悬挂，其包含在一端或“顶端”的提升轴承（PM48和PM34）和在第二端或“底端”的HTS稳定轴承（PM36和HTS45）。优选地，无刷PM马达/发电机40将动力输送到转子中或将动力输送到转子外。如在图1(b)中所示，转子PM34、36和38沿转子32的内表面33布置。小制冷机（未示出）的冷头热传导至HTS45以保持从大约30K到大约90K的期望温度，并且优选为大约60K。小涡轮分子的或吸气升华的泵（未示出）保持腔室内的真空。

图2示出了具有典型飞轮的一般容纳装置结构200的局部横截面视图。结构围绕中心线202基本是同心的。容纳装置包含多个S-托架204、真空衬垫206和外部铠甲层（armor layer）208。每个S-托架204被连接到真空衬垫206的内表面。飞轮210被放置在S-托架204最内端之内。飞轮210的高度优选小于S-托架204的高度。外部铠甲层208被设计为防止外部抛射体向内穿透真空衬垫。外部铠甲层208优选包含钢、陶瓷、等的大体同心的层。外部铠甲层208也可以由蜂巢和其它多孔几何体组成，其包含钢、陶瓷、

等的叠片。

依据一种变型，单个S-托架204优选包含如图2a中所示的层。S-托架204包含三（3）层：第一层220、第二（中间）层240和第三层260。在图2b中更详细地描述了第一层220的一部分。示出了大体上在相同平面中的第一组节222以及与第一组节222的平面成角度取向的第二组节224。每个节222与两个相邻的节224连接，并且每个节224与两个相邻的节222连接。节之间的空间226优选被填充塑性材料，诸如，例如尼龙、聚合物等。空间226也可以被填充以如上所述的剪切增稠流体。连接的节、塑性材料和流体合起来形成排228，并且排228的堆形成层220。单个层220可以具有一个或更多层堆积的排。

单个节222和224可以优选地包含金属，诸如，例如钢、钛、铝或聚合物或碳化纤维。节也可以优选地包含如图2c所示的含碳纳米管材料。在图2c中，示出了节224的一部分，其中节被示出包含多束纳米纤维阵列230。多束纳米纤维阵列被示出具有微小纤维235的外包装。纳米纤维阵列230包含一组单壁碳纳米管（SWCNT）236或一组其它任意纳米纤维。缠绕纤维235可以包含类似的一系列纳米管236，或可以包含聚合物、玻璃、碳化纤维或其组合等的单一纤维。如240（图2a）所示的第二（中间）层优选包含纤维编织层。该纤维优选包含

玻璃、碳化纤维、CNT或其组合等。编织样式优选是在纤维和纤维复合材料工业中使用的任意标准的样式。

在图2d中示出了第三层226的优选部分的细节。第三层260包含基底薄片262、硬的烧灼板264的阵列和将烧灼板266粘附到基底薄片262的附着装置266。烧灼板264优选被安装在基底薄片262的向内的表面268上。每个烧灼板264优选通过一个或更多个附着装置266被连接到基底薄片262。烧灼板264可以包含早期公开的陶瓷的任何一种。基底262优选包含金属，诸如，例如钢、钛、铝或任意固体塑料或纤维复合材料等。附着装置266可以是将板粘结到基底的任意粘合剂。

应当理解，多层可以被用来产生较厚的S-托架元件。例如，5层结构可以由（1）位于面向飞轮侧的烧灼层、（2）编织层、（3）链-编织层、（4）编织层和（5）链-编织层组成。

在图3中示出了另一个变型，其表示飞轮能量存储容纳系统的横截面。尽管本发明被充分地纳入到此处描述的无轮毂的开口铁芯飞轮结构中，但是系统300包含飞轮转子302，其可以可选择地具有轮毂304。飞轮具有附图中未示出的各种固定支撑部件。飞轮转子302（和轮毂304）围绕中心线306旋转。真空阻挡层308以深黑的粗线条示出。示出了放置在未按比例绘制的绝热层312内的S-托架310。示出了可选择性旋转的机械层314，其可以选择性地包含结构以进一步阻止外部抛射体向内行进到达真空边界。机械轴承316有助于保持可旋转层314居中。机械套筒318优选被放置在层314和支撑物或地面320之间。轴承316和套筒318都可选择地被机械地连接到地面。最后，卸压部件322被示出在组件的中间。

绝热层312优选经受从大约1000℃到大约2500℃的高温，并且优选具有低于大约0.4W/m·k的低导热系数。例如，在窑内制造耐火砖使用的材料可以被用于这层。然而，对于移动的并且特别是交通工具运载的应用，可以使用轻质材料，诸如，例如硅石、氧化铝、富铝红柱石、硅线石、氧化镁、氧化锆和纤维耐火隔热砖，氧化铝-氧化锆-硅的组合是尤其优选的。可旋转层314可以包含含有复合材料的内部结构，但是优先具有含有钢的外层。轴承316优先为陶瓷轴承，并且套筒318可以是具有与钢相对低的摩擦系数的青铜或其它金属等。

在图4的进一步的横截面细节中示出了卸压部件322的结构。卸压部件322是关于中心线306同中心的，并且具有外主体330。在主体330的底面上有卸压部件322，诸如，例如爆炸隔膜。卸压部件322的作用是在超过特定数值的压力下可预测地破坏，并允许气体和小颗粒通过位于主体330的顶部表面中的出口孔334逸出。卸压部件322也具有被连接到主体330的外壁的环形挡板盘336。它具有被连接到主体330的上部表面的中心支柱338。有被连接到中心支柱338的一个或更多个盘形挡板340。挡板用来使气体和颗粒流在到达出口孔334之前减速。

套筒元件318（如图3中所示）可以具有如图5中所示的细节。元件318包含具有大体圆柱形的侧壁502和可以是环形盘的底部盘504的支撑结构。支撑结构的底部被连接到支撑物/地面320。圆柱体506在壁502内配合。弹簧508向上推动圆柱体506与可旋转层314的底部（图3）形成牢固的接触。可旋转层在旋转期间可能磨损圆柱体506，并且弹簧力将保持接触并提供向上的支撑，有助于消除旋转运动。

如果内部飞轮失效产生向外的力，在包括飞轮转子碎片的情况下，S-托架如上所述发生变形以形成大体环形的容纳装置腔室。依据本发明的变型，碎片在由于S-托架的变形产生的大体环形的腔体中循环。优选被包含在S-托架中的含有烧灼颗粒的层或复数层具有若干功能。首先，它们有助于将转子碎片分解成更细小的尘状颗粒。其次，它们可以被设计或选定为与碳化纤维和塑性聚合物发生吸热的化学反应，以进一步降低碎片云的温度。例如，如图2d中所示的附着装置266能够至少部分地包含诸如三元乙丙橡胶的复合物。

随着转子碎片的动能被转换为热能，腔室内部件的温度上升。转子复合材料中使用的任意塑性聚合物将会气化。腔室中气体压力将会上升。在某些预定点处，包含诸如例如密封件或破裂盘等的卸压部件通过设计将会失效。腔室中间的气体可以通过带有挡板的结构以预定的并且相对受控的速率离开到环境中，例如以烟灰的形式等。最初，仍将有旋转气流，并且气流的地心引力将大部分的尘埃和气体保持在变形的S-托架容纳层的大体环形的部分中。随着旋转慢下来，更多的气体和尘埃能够离开腔室。

飞轮转子的角动量将会被保存。碎片云的角速度将会随着云向外扩展而减小，并且与托架的初始倾斜碰撞将会保持云中的大部分动量。然而，碰撞将会把一些扭矩转移给托架，并且这将导致托架、绝热且可旋转的层转动。由于这个结构的较大半径和它的相当大的质量，角速度将会小，并且这个角动量可以在套筒1190和轴承1180中分散。

针对本发明的飞轮系统的有益的固定的和移动的应用大量存在。实际上，对可持续的能量存储和部署的任何所需要求都可以发现本发明的用途和益处。例如，由于本发明的飞轮系统的基本安静的运行，安静或隐形模式的交通工具运行是可能实现的。另外，目前公开的系统允许快速充电和放电以及来自所有可用能源的充电，例如电网、可再生资源、发电机等。此外，不需要特定的加工或基础设施以便将本发明的变型并入到固定的能量存储或产生设备以及在移动或固定运行中要求不可中断的或可中断的能量存储或部署的装置、系统或交通工具。优选的交通工具包括，但不限于，有人驾驶的或无人驾驶的飞行器、航天器、陆地和水运表面和地下的交通工具。公开的变型的开口铁芯结构设计的模块化方法降低了整体系统失效的风险，并进一步实现与已知的飞轮系统相比更深深度的能量释放（例如大于大约95%）。另外，系统允许仅仅基于监测飞轮旋转转速非常精确地确定充电。

尽管已示出并描述本发明的优选变型和替代，但是可以理解，在不背离本公开的主旨和范围的情况下，在其中能够做出各种改变和替代。相应地，本发明的范围应当仅仅由所附权利要求和其等同物限定。

Claims (12)

1.一种用于飞轮装置的容纳层，其包含：

大体圆柱形的腔室，其包含内壁和外壁；以及

多个可变形的托架（204），其被连接至所述内或外腔室壁中的至少一个，所述托架（204）被定向为一旦受到冲击就可预测地变形，每个所述托架（204）具有用于容纳冲击的至少一个表面，所述托架（204）包含多层（220、240、260），其中至少一层包含烧灼颗粒。

2.根据权利要求1所述的容纳层，其中用于容纳冲击的所述托架表面提供了沿冲击方向的从大约0.1°到大约5°的掠射角。

3.根据权利要求1所述的容纳层，其中所述容纳层大体上包围飞轮装置（210），所述装置包含以从大约300m/s到大约3000m/s的速度旋转的至少一个转子。

4.根据权利要求1所述的容纳层，其中所述托架（204）是S形的，并且所述托架（204）响应于向外的冲击沿径向向外的方向产生弹性变形。

5.根据权利要求1或4中所述的容纳层，其中所述托架（204）一旦受到冲击就可预测地变形，以在所述腔室内产生大体环形的腔体。

6.根据权利要求1所述的容纳层，其中至少一个托架层（240）是编织层，其包含从由含有玻璃的纤维、含有碳的纤维或其组合组成的组中选择的材料。

7.根据权利要求6所述的容纳层，其中所述含有碳的纤维是含有碳纳米管的纤维。

8.根据权利要求1所述的容纳层，其中至少一个托架层（220）包含一系列相互连接的节（222、224），所述节由从这样的组中选择的材料制成，所述组由钢、钛、铝、聚合物纤维、碳化纤维和其组合组成。

9.根据权利要求8所述的容纳层，其中所述碳化纤维包含含有碳纳米管的纤维。

10.根据权利要求1所述的容纳层，其中所述托架中的至少一层（220）包含至少一个烧灼板（264）。

11.根据权利要求1所述的容纳层，其中所述容纳层具有高于所述飞轮装置的轴向高度的轴向高度。

12.一种包含根据权利要求1所述的容纳层的交通工具。

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