CN103368325B - 柔性磁体定向加强方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及柔性磁体定向加强方法。本发明公开了在飞轮组件中使用的磁体和它们的制造方法，使得磁体包含定向的纤维，诸如，例如柔性转子磁体结构中轴向定向的纤维，以可预测地允许磁体在旋转时仅仅以预定的和可预测的方式在尺寸上扩张，同时保持与转子表面的临界接触。

Description

柔性磁体定向加强方法
技术领域
本发明涉及飞轮能量存储装置，并且特别涉及具有改善的稳定性和性能的无轮毂的或开口铁芯的飞轮能量存储装置。
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和尺寸随着转子速度增加而改变，飞轮组件中部件可使用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内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。
因此，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飞轮部件的生长匹配的问题，因为转子增加的径向增长超过其它被连接部件所表现的任意增长，诸如，例如连接轴和/或连接到转子的其他旋转部件，例如永久磁体（PM）。此外，飞轮技术提供的整体效率受到当前可用的材料限制，当飞轮以超过材料容许的速度运转时这些材料经常失效。
另外，目前的飞轮和下一代飞轮所期望的较高旋转速度将引起过早失效，并另外抑制飞轮组件中某些零件的最佳性能。值得关注的一个重要方面是对飞轮运转非常重要的磁体。陶瓷型磁体已在飞轮组件中使用。然而，由于这些磁体的固有特性，包括但不限于例如它们的脆性，它们在较高的旋转速度下是不实用的。因此，当飞轮的旋转速度增加时，需要各种类型磁体。已知的陶瓷磁体一般限制到低于大约300m/s的圆周速度。期望具有合乎需要特性的磁体，包括在工作期间在非常高的转速下随着转子材料本身的扩张而扩张的能力。然而，这些磁体薄片可能太柔韧，导致所谓的“蠕变”或“流变”的条件，因此磁体薄片的尺寸可能不可预测地并且不一致地改变形状，并且以不可控的方式不合需要地并且不可预测地伸出和/或延伸越过转子的尺寸。这种蠕变取决于磁体薄片的材料性质，但是它在超过大约500m/s的圆周速度下可能发生。
发明内容
依据本发明的一个方面，提出了用于存储和释放能量的飞轮组件，该飞轮组件包含优选中空的、大体圆柱形的转子组件、极其靠近转子组件的定子组件和至少一个转子磁体，该转子组件包含具有内和外表面的转子，该至少一个转子磁体被固定到转子的内表面。转子磁体或复数个转子磁体包含粘合介质中的有效数量的磁粉与被定向为赋予磁体可预测的和预选方向的刚度的有效数量的含有纤维的材料。多个定子磁体被固定到定子，并且转子磁体和定子磁体被相对于彼此布置以在运转期间有助于转子的悬浮。优选地，转子磁体沿纵向经历从大约0%到小于大约1%的尺寸改变，同时在高于从大约500m/s到大约3000m/s的圆周速度下大体上同时允许从大约1%到大约50%的径向扩张。
有利地，转子磁体包含从如下组中选择的磁粉，该组由钕铁硼、钐钴、锶铁氧体、钡铁氧体和其组合组成。
有利地，转子磁体包含从如下组中选择的粘合剂，该组由含有聚氨酯的材料、含有橡胶的材料、含有环氧的材料、含有尼龙的材料和其组合组成。
有利地，转子磁体包含从如下组中选择的粘合剂，该组由聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚醚醚酮（PEEK）、低交联的和高度交联的橡胶、三元乙丙橡胶、聚氨酯橡胶和其组合组成。优选地，粘合剂与从如下组中选择的材料混合，该组由含有碳纤维的材料、含有石墨的材料、含有玻璃纤维的材料、含有碳纳米管的材料、陶瓷纤维、有机纤维、芳香族聚酰酩、金属纤维、不锈钢、钛、铝、高强度合金或其组合组成。
优选地，粘合剂与从如下组中选择的材料混合，该组由含有碳纤维的材料、含有石墨的材料、含有玻璃纤维的材料、含有碳纳米管的材料、金属纤维、不锈钢、钛、铝、高强度合金或其组合组成。
有利地，转子磁体在从大约1000m/s到大约3000m/s的圆周速度下表现出从大约1%到大约50%的径向尺寸改变。
有利地，转子磁体具有从大约0.1mm到大约10mm的厚度。
有利地，多个转子磁体被应用于转子的内表面。
有利地，转子具有基本相当于转子磁体纵向长度的纵向长度，使得转子磁体基本上延伸到转子的整个长度。
有利地，飞轮组件包含开口铁芯结构。
有利地，能量存储和能量部署系统包含飞轮组件。
有利地，一种包含转子磁体的交通工具。依据本发明的另一个方面，提出了一种在飞轮组件中使用的转子磁体。一个转子磁体或多个转子磁体被固定到飞轮转子，并包含粘合介质中的有效数量的磁粉与有效数量的含有纤维的材料。含有纤维的材料被选择和被定向为赋予磁体可预测的和预选方向的刚度。优选地，转子磁体沿纵向经历从大约0%到小于大约1%的尺寸改变，同时在高于从大约500m/s到大约3000m/s的圆周速度下大体上同时允许从大约1%到大约50%的径向扩张。依据本发明的变型的磁体即使在高圆周速度下也额外地提供了比已知磁体更加均匀的磁场。
有利地，转子磁体包含从如下组中选择的磁粉，该组由钕铁硼、钐钴、锶铁氧体、钡铁氧体和其组合组成。
有利地，转子磁体包含从如下组中选择的粘合剂，该组由含有橡胶的材料、含有环氧的材料、含有尼龙的材料和其组合组成。
有利地，转子磁体包含从如下组中选择的粘合剂，该组由聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚醚醚酮（PEEK）、低交联的和高度交联的橡胶、三元乙丙橡胶、聚氨酯橡胶和其组合组成。优选地，粘合剂与从如下组中选择的材料混合，该组由含有碳纤维的材料、含有石墨的材料、含有玻璃纤维的材料、含有碳纳米管的材料、金属纤维、不锈钢、钛、铝、高强度合金或其组合组成。
优选地，粘合剂与从如下组中选择的材料混合，该组由含有碳纤维的材料、含有石墨的材料、含有玻璃纤维的材料、含有碳纳米管的材料、金属纤维、不锈钢、钛、铝、高强度合金或其组合组成。
有利地，转子磁体在从大约1000m/s到大约3000m/s的圆周速度下表现出从大约1%到大约50%的径向尺寸改变。
有利地，转子磁体具有从大约0.1mm到大约10mm的厚度。
有利地，上述系统包含开口铁芯结构。
依据本发动的又一个方面，提出了一种用于用于存储能量以便随后根据需要释放的方法，该方法包含如下步骤：提供中空的大体圆柱形的转子组件，转子组件包含具有内和外表面的转子；提供定子组件，该定子组件极其靠近转子组件，并且将至少一个转子磁体固定到转子的内表面。转子磁体或复数个转子磁体被固定到飞轮转子，并包含粘合介质中的有效数量的磁粉与有效数量的含有纤维的材料。含有纤维的材料被定向为赋予磁体可预测的和预选方向的刚度，并且转子磁体沿纵向经历从大约0%到小于大约1%的尺寸改变，同时在高于从大约500m/s到大约3000m/s的圆周速度下大体上同时允许从大约1%到大约50%的径向扩张。至少一个定子磁体被固定到定子，并且转子磁体和定子磁体被相对于彼此布置以在运转期间有助于转子的悬浮。
有利地，转子组件和定子组件被包含在开口铁芯的结构中。
有利地，能量存储和能量部署系统包含转子磁体。
有利地，交通工具包含上述的飞轮组件。
在优选的变型中，本发明的飞轮组件作为固定以及移动使用的可持续的能源具有特别的有效性，固定以及移动使用包括有人驾驶的或无人驾驶的交通工具，例如飞行器、航天器、陆地和水运表面和地下的交通工具。
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）是轴-轮毂飞轮组件的横截面视图；
图1（b）是开口铁芯的飞轮组件的横截面视图；
图2是示出被包含在飞轮的开口铁芯结构中的多个嵌套转子的剖视图；
图3是PM处于适当位置的转子的俯视图；
图4（a）和图4（b）是沿图3的直线A-A的侧断面示意图，图4（a）示出传统的PM处于适当位置的在旋转之前的转子，而图4（b）示出传统的PM处于适当位置的在高转速旋转期间/之后的转子；
图5（a）和图5（b）是侧断面示意图，图5（a）示出改进的柔性复合材料PM处于适当位置的在旋转之前的转子，而图5（b）示出改进的柔性复合材料PM处于适当位置的在高转速旋转期间/之后的转子；
图6是示出旋转运动的图5（a）和图5（b）的转子的立体示意图；
图7是来自柔性复合材料磁体的图5（a）的部分“B”的特写视图。
具体实施方式
现在将参考附图在下文更完整地描述本发明的一些另外的变型，附图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和替代物的限制。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本发明的范围。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暗含特殊的顺序。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，并反之亦然。相同的附图标记始终指的是相同的元件。
图1（a）示出了在例如各种频率和较高转速度下显示有限性能的传统轴-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，示出了被固定到纤维复合材料的轮缘转子32的弹性永磁体（PM）34、36和38。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。
本发明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的整个开口铁芯飞轮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PM34、48和在第二端或“底端”的HTS稳定轴承38、45。优选地，无刷PM马达/发电机36、42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的内表面被放置。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。
例如，如图2所示，在具有腔室壁332的真空腔室内的飞轮组件330包含具有外转子半径的第一或外转子334，以及与外转子334相连的外部无刷PM M/G定子336。外部PM提升轴承338位于外转子334之上，并且外HTS轴承340位于外转子334之下。内转子342具有小于外转子半径的内转子半径，并且因此被布置在相对于外转子334径向向内的位置。内PM提升轴承344和内HTS轴承346被示为分别布置在内转子342之上和之下。内部无刷PM M/G定子348被示为相对于内转子342径向向内地布置。制冷机350被示为靠近飞轮组件330的中心布置，布置在真空泵352之上。真空泵352优选为小涡轮分子泵或吸气升华泵。微型制冷机的冷头（未示出）热传导至HTS轴承340、346以保持它们处于从大约30K到大约80K的优选运行温度。
在一种变型中，真空腔室构成飞轮组件重量的重要部分。包含多个嵌套的转子改善了整个系统的能量和体积密度，尽管应理解本发明的转子磁体也可以与单个转子的飞轮组件一起使用，但是该单个转子的飞轮组件可以具有或可以不具有开口铁芯的（无轮毂的）结构。在诸如图2所示的替代的双转子结构中，转子独立于独立的飞轮运转。内转子优选具有与外转子显著相似的最大轮缘速度，但是将通过设计具有更高的最大rpm。
另外，多于两个的转子可以被合并到相同的真空腔室中，进一步增加飞轮组件的能量密度，多于一个的飞轮共用相同的真空腔室。通过被容纳在相同的真空腔室中，内转子组件共用真空泵和制冷机等，进一步减少了飞轮系统所需的空间。多个转子嵌套在一个飞轮组件内可以在开口铁芯的结构中被最好地实施。
在双转子结构中，沿相反的方向运转两个转子降低了整个系统的净角动量，并进一步促进高转速运转的飞轮的转变。如果反向旋转的两个转子具有基本相同的轮缘速度、径向厚度和高度，外轮缘将具有比内转子更大的动能和角动量。在这种情况下，角动量不能够被完全略去。然而，依据另一变型，角动量通过改变内转子的高度和/或径向厚度而被略去。径向厚度经常由解决径向应力的能力控制，而高度是具有较少约束的参数。
此外，如果目标飞轮系统的设计限制需要内转子和外转子保持相同的高度，则本发明考虑包含第三转子。在这种设计中，例如，角动量可以通过沿相同的方向旋转两个转子（优选两个内转子）并沿相反的方向旋转余下的转子而被完全抵消。在上述的具有多个嵌套的转子的每个情节和设计中，转子的动能被加在一起以获得飞轮系统的总系统动能。本发明的变型的特别有利之处在于开口铁芯的结构允许真空泵和制冷机位于最里面转子内部的大体上圆柱形的空间内，因此与将这些部件安装在真空边界的顶部或底部相比减少了系统的整体体积空间。转子、轴承部件和M/G定子由抽真空的钢制容器封装。腔室的初始抽空由任意合适的泵来实现，诸如，例如低真空泵（roughing pump）。低真空泵可以被移除，然后腔室继续由例如701s-124Vdc的涡轮分子泵抽真空，并且优选相关的前级泵（backingpump）。
HTS轴承的使用对此处公开的飞轮系统是至关重要的，并且允许飞轮转子以高转速旋转并利用开口铁芯结构的益处。只要HTS部件的温度保持低于80K，HTS轴承就被动地保持稳定。HTS的热容量与到HTS的低热泄露结合导致维持足够低温的能力以保持稳定性并使轴承工作。
这种结构与这样的超导稳定轴承的转子部件相似，该超导稳定轴承在MaterialsScience and Engineering B151（2008）的195-198页M.Strasik、J.R.Hull、P.E.Johnson、J.Mittleider、K.E.McCrary、C.R.McIver、A.C.Day的文章“Performance of aConduction-cooled High-temperature Superconducting Bearing”所报道的5-kWh、3-kW飞轮组件中使用。如实验的轴承损耗数值所示，HTS元件下铜热母线的存在并未显著增加轴承损耗。间隙是飞轮转子磁体底部与HTS晶体顶部之间的距离。从大约2mm到大约4mm的间隙对HTS轴承是首选的。HTS轴承中的旋转损耗与（ΔB）3/Jc成比例，其中ΔB是沿旋转方向测得的PM部件的磁场的不均匀性，而Jc是HTS中的临界电流密度。
为使HTS轴承最佳地运转，轴承的定子部件优选必须保持在低于大约80K的低温，并且更加优选从大约30K到大约80K。这通过在大块HTS的支撑底部与制冷机的冷头之间建立具有高热传导性的柔性机械连接来实现。考虑包括在所公开的优选飞轮系统中的一种优选冷却机是Sunpower CryotelTM（SunPower股份有限公司，雅典市，俄亥俄州）。优选的制冷机是线性的、自由活塞的、积分斯特林循环的机器，其使用空气轴承并具有不基于摩擦的失效模式以及具有在大约77K提供高达大约15W的冷却的能力。另外，优选的制冷机具有当需要较少冷却时调节输入功率的能力，并且应当向飞轮的HTS轴承提供大小高达大约100kWh的冷却。
此外，M/G作为传统的径向间隙无刷设计工作，特征在于，在马达模式，电流以定时的方式经过定子线圈以便与转子PM的磁场相互作用而产生扭矩。在发电机模式，旋转的PM的磁通量扫过定子线圈并依据法拉第定律产生电压。在低速下，霍尔效应传感器测量来自M/G PM的磁场以控制定子电流的正时。在高转速下，线圈的后面的电磁场为此控制提供输入。在传统的径向间隙M/G中，定子线圈通常是相对于PM径向向外地被布置。然而，依据本发明的优选变型，在优选的开口铁芯设计中，位置是相反的，定子线圈相对于PM径向向内地被布置，如图1（b）所示。
依据本发明，引入开口铁芯飞轮结构中，具有显著改善的强度/密度比的转子材料（包括优选的MWCNT）可将能量密度从目前已知的大约264Wh/kg的数值增加至至少大约473Wh/kg，以及使纤维拉伸强度从大约11GPa相应增加到63GPa（相对于已知的装置效率和强度增加至少大约80%）。当然，如果MWCNT的壁厚规范到大约0.075nm的物理壁厚，至少大约300GPa的理论壁强度是可实现的。可进一步理解，单壁CNT（SWCNT）通过本发明的变型也可以被考虑到，并且可以被并入此处提出的具有创造性的飞轮组件的转子部件中，由于SWCNT可以提供充足的或甚至较高的质量效应加强。典型的SWCNT具有大约1.35nm的直径。利用这个具有仅39%的1原子间距Vf的直径是可实现的。3nm的直径将产生60%的Vf。应理解，用于连接本发明的变型的最佳CNT平衡CNT直径、可实现的Vf和CNT加强效率。
如上所述，在无轮毂飞轮设计中，诸如，例如“开口铁芯结构”，大体圆柱形的转子或“管”围绕优选纵轴以高转速旋转，因此存储动能。然后此动能经由发电机被传输到飞轮系统外以产生和传输电流。如飞轮技术领域众所周知的，随着旋转速率增加，转子将径向扩张。为保持与转子接触并保持对飞轮组件有用，转子磁体必须保持与转子表面接触。因此，为保持与尺寸上（径向）扩张的转子接触，转子磁体或复数个转子磁体也必须在尺寸上（径向）扩张，基本上与转子所经历的扩张速率一致。
柔性磁体，诸如，例如橡胶或用橡胶处理的磁体，已被尝试用作为飞轮组件中的转子磁体。然而，在期望的飞轮旋转速度（圆周速度）下，用橡胶处理的柔性磁体开始以在尺寸上不可预测的方式扩张或“流变”或“蠕变”。这种在尺寸上不可预测的磁体流变导致磁体损耗和/或来自飞轮组件的充分磁化。另外，这种高转速下的磁体流变可能导致不平衡的转子并最终导致转子和整个飞轮组件的突变失效。
本发明的变型考虑包含定向的纤维，诸如，例如柔性转子磁体结构中轴向定向的纤维。所选的轴向纤维的类型、浓度和特性允许磁体以预定和可预测的方式在尺寸上扩张。以此方式，根据本发明，轴向定向的纤维被添加到磁体中以可预测地允许转子磁体充分匹配转子的尺寸扩张（诸如，例如径向），因此使转子磁体能够维持与转子表面的临界接触，并且仅仅扩张至期望的和预定的尺寸。
图3示出圆柱形转子组件1200的俯视平面图。转子1202具有内壁1204和外转子壁1206。磁体1208具有内壁1210和外壁1212。如所示，磁体外壁1212与转子内壁1204紧密接触，并优选被固定到转子内壁1204。图4（a）是图3的圆柱形转子组件1200在静止状态或在旋转力施加至其之前沿直线A-A’的横截面图。转子1202和磁体1208具有基本匹配的纵向尺寸或高度“h”。转子组件1200围绕中心线1214旋转。
图4（b）示出在组件1200在高转速下（诸如，例如超过大约500m/s的高圆周速度）遭受旋转力之后的图3和4（a）的圆柱形转子组件1200的横截面图。磁体1208的一部分被示为突出并且在位置1216延伸至超过尺寸或高度“h”的尺寸。在另一方面，部分磁体“蠕变”或“流变”或从磁体本身突出至超过转子1202的高度的位置。
图5（a）和5（b）示出横截面图，其中转子组件1220包含被示为与转子1224紧密接触的转子磁体1222。图5（a）示出在转子组件1220围绕中心线1226旋转运转之前处于静止的转子组件1220。图5（b）表示在高转速旋转之后或在高转速旋转期间的图5（a）的转子组件1220。越过转子的高度“h”的磁体的“流变”或“蠕变”未发生。图7是来自图5（a）的放大的切出部分“B”，其示出存在于转子磁体1222中的定向纤维的有代表性的特写视图，该定向纤维甚至在高于500m/s的高圆周速度下保持磁体在尺寸上的稳定性以防止“流变”。图6示出围绕中心线（轴线）1226旋转的图5（a）和图5（b）的大体上圆柱形的转子1220的立体图。
如图3-7所示，本公开考虑将粘结的或用橡胶处理的永久磁体（PM）层沿转子内圆周的整个高度并且实际上沿转子内圆周的整个内表面布置。换句话说，粘结的磁体薄片优选基本完全地布满转子内表面。优选地，该薄片延伸转子的全部长度（纵向长度，或“高度”）以便不产生应力集中。根据一种优选变型，转子具有基本等于转子磁体纵向长度的纵向长度，使得转子磁体基本延伸至转子的全部长度。这个合乎需要的和优选的布置允许转子实现从大约1000m/s到大约3000m/s的增加的圆周速度，从而导致飞轮系统的较高的能量密度。PM层选择性地被磁化以实现与用于飞轮组件中的提升轴承、稳定轴承和马达/发电机的分离PM相同的功能。然而，应理解，如果需要，本发明的改善的柔性磁体可应用于任意结构中的转子内壁，如所期望，其影响小于转子内壁表面的完全覆盖。
本发明的柔性磁体包含被引入粘合剂的磁粉与定向的纤维，这是优选的。被用来制作根据本发明的变型的用橡胶处理的柔性磁体（优选薄片）的磁粉可以是在磁体制作中常规使用的任何磁粉。磁粉包括钕铁硼、钐钴、锶铁氧体和钡铁氧体，钕铁硼粉是尤其优选的。
橡胶板基粘合剂由任意合适的材料制作，包括含有橡胶、环氧和尼龙的材料，优选与碳纤维、石墨、玻璃纤维、碳纳米管（CNT）、有机纤维或源于不锈钢、铝或高强度合金的金属纤维，有机纤维诸如，例如超高分子量聚乙烯（UHMWPE）、聚对苯撑苯并双恶唑（PBO）、芳香族聚酰酩、诸如SiC、硼、BN等的陶瓷。特别优选的粘合剂包括聚氨酯、聚酰胺、诸如例如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚醚醚酮（PEEK）等的热塑性材料。进一步优选的粘合剂包括热固性化合物，包括例如低交联的和高度交联的橡胶、三元乙丙橡胶、聚氨酯橡胶等。
定向的纤维可以是有机纤维，诸如，例如、聚乙烯、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）、诸如氧化铝、碳化硅（SiC）、硼的陶瓷、石墨、各种玻璃纤维等和其组合。纤维沿最减轻磁体蠕变或流变的方向被定向。纤维被纵向定向以最减轻纵向蠕变或流变。纤维可以被布置为轻微偏离轴线以增加所需的刚度和所需的强度（+/3到45°）。当转子显著增加转速时，转子径向扩张或“生长”并且也轴向变化。纤维选择和注入用橡胶处理的磁体基体中的角度调节并另外确定磁体在尺寸上例如轴向的变化，其可以可预测地匹配转子的尺寸变化。然而，与已知的易碎的陶瓷相比，已知的易碎的陶瓷磁体由于它们不能在尺寸上变化而导致飞轮转子失效，根据本发明的变型的磁体被设计并被调整为在高周向速度下以从大约1%到大约50%的速率可预测地径向扩张，同时沿纵向方向以从大约0%到大约小于1%的量在尺寸上变化。
可理解，根据本公开的磁体可以通过注入磁粉与纤维或通过层压层的制造将纤维添加到橡胶薄片材料而制造。所选纤维的类型可以根据期望的应用被选择并被编织，例如平面编织、轧光等。关于弯曲和织物，丝束（tows）在不同材料类型中可以是相同的，并可以因此将多种材料引入一种因而产生的织物中。纤维可以经历可选的表面处理，诸如，例如激光消融、UV处理、酸蚀刻、等离子处理等。此外，可以提供可选的偶联剂，诸如，例如硅烷、钛酸盐、锆酸盐等。
复合材料层的厚度将取决于最终期望的磁体薄片厚度。最终磁体薄片的厚度将取决于它的预期使用，诸如，例如在飞轮转子内。对于根据本发明的飞轮组件来说，磁粉具有大约1-2μm的优选直径。纤维优选具有从大约1μm到大约10μm的直径。总的来说，粉末和纤维层具有大约1-2mm的厚度，而橡胶薄片具有从大约0.1到大约10mm的总的期望厚度，并且更优选具有大约1-2mm的总的期望厚度，取决于期望的最终用途的限制。
磁体的所选实际制造方法包括喷射沉积（例如，用于与对例如玻璃纤维制造和处理有益的短切纤维一起使用）；模制（对于插入圆柱形飞轮转子的无缝磁体的制造尤其有用）；例如在工作台上被引导的层压过程，或在鼓状物上缠绕，纤维的丝束缠绕鼓状物并被纵向切割以产生圆柱形磁体等。
根据本发明，转子优选包含高强度材料，诸如，例如含有碳纤维、含有玻璃纤维、含有金属的材料和其组合等。含有碳纳米管（CNT）的材料是特别优选的。这些材料是具有圆柱纳米结构的碳的同素异形体。纳米管以高达132,000,000:1的长径比被建造，显著地高于任何其它材料。这些圆柱碳分子具有对纳米技术、电学、光学和材料科学和技术的其它领域有价值的独特性质。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）。
在本发明中使用的优选CNT通过控制基料中的定向角度和体积分率来特别制作，以提供完美的复合材料并产生期望的物理属性（诸如，例如高于目前已知材料的转子拉伸强度）。
依据此处公开的变型，引入开口铁芯飞轮结构中，具有显著改善的强度/密度比的转子材料，包括优选的MWCNT，将使能量密度从目前已知的大约264Wh/kg的数值增加至至少大约473Wh/kg，并且使纤维拉伸强度从大约11GPa相应增加到63GPa（相对于已知的装置，效率和强度增加至少大约80%）。当然，如果MWCNT的壁厚规范到大约0.075nm的物理壁厚，至少大约63GPa的理论壁强度是可实现的。可进一步理解，单壁CNT（SWCNT）也可以被考虑并且可以被并入此处提出的具有创造性的飞轮组件的定子部件中，因为SWCNT可以提供充足的或甚至较高的质量效应加强。典型的SWCNT具有大约1.35nm的直径。利用这个具有仅仅39%的Vf的1原子间距的直径是可实现的。3nm的直径将产生60%的Vf。应理解，用于连接本发明的最佳CNT平衡CNT直径、可实现的Vf和CNT加强效率。
依据优选的变型，大部分的飞轮转子包含由HTS轴承磁力悬浮的纤维缠绕的纤维复合材料。HTS轴承包含PM转子和HTS定子。由于HTS定子的超导特性，悬浮是被动的，不需显著的反馈或主动控制。HTS定子优选包含一系列Y-Ba-Cu-O的单个HTS晶体或其它材料，其中Y由其它稀土元素替代，诸如，例如Gd、Nd、Eu等，它们可以通过至制冷机的冷头的热传导被冷却到从大约70K到大约80K的温度。优选地，对轴承的运转来说，不需要低温流体（例如，液氮等）。无刷M/G包含在磁轭上含有铜线圈的PM转子和定子。M/G定子冷却通过至真空腔室壁的热传导来完成。对此功能来说不需要附加能量。吸收能量的密封衬垫被放置在旋转的飞轮和外真空壳体之间。优选保持真空腔室和真空腔室内的固定部件的重量最小，以满足飞轮阵列的能量密度需求。优选系统的其它主要部件包括提升轴承、着陆轴承（touchdownbearing）和动力电子设备。
对本文公开的飞轮系统有益的应用大量存在。当然，对可持续的能量存储和部署的任何所需要求都将发现本发明的用途和益处。在优选的变型中，飞轮组件作为在有人驾驶和无人驾驶的交通工具中使用的可持续能源具有特别的有效性，交通工具包括但不限于飞行器、航天器和陆地和地面以及地下水运交通工具。例如，由于本发明的飞轮系统的基本安静的工作，安静或隐型模式的有人驾驶或无人驾驶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所公开的变型并入到在移动和固定作业中需要不可中断的和可中断的能量存储或部署的固定的或移动的装置、系统或交通工具中。所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而非常精确地确定充电。
尽管已示出并描述优选的变型和替代，但是将意识到，在不背离本发明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 (15)

1.一种用于存储和释放能量的飞轮组件，其包含：
无轮毂的开口铁芯结构；
大体上圆柱形的转子组件(1200、1220)，其包含具有内和外表面的转子(1202、1224)；
定子(42、43、48)组件，其极接近所述转子组件(1200、1202)；
至少一个转子磁体(1208、1222)，其被固定到所述转子(1202、1224)的所述内表面，所述转子磁体(1208、1222)包含粘合介质中的有效数量的磁粉与有效数量的含有纤维的材料，所述含有纤维的材料被定向为赋予所述磁体定向刚度；
被固定到所述定子的多个定子磁体(336、348)；
其中所述转子磁体(1208、1222)和所述定子磁体(336、348)被相对于彼此地布置以在运转期间有助于所述转子的悬浮，并且其中所述转子磁体(1208、1222)在从500m/s到3000m/s的圆周速度下沿纵向经历从0％到小于1％的尺寸改变。
2.根据权利要求1所述的飞轮组件，其中所述转子磁体(1208、1222)包含选自下列的磁粉：钕铁硼、钐钴、锶铁氧体、钡铁氧体和其组合。
3.根据权利要求1所述的飞轮组件，其中所述转子磁体(1208、1222)包含选自下列的粘合剂：含有橡胶的材料、含有环氧的材料、含有尼龙的材料和其组合。
4.根据权利要求3所述的飞轮组件，其中所述含有橡胶的材料为含有聚氨酯的材料。
5.根据权利要求1所述的飞轮组件，其中所述转子磁体(1208、1222)包含选自下列的粘合剂：聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚醚醚酮(PEEK)、三元乙丙橡胶、聚氨酯橡胶和其组合。
6.根据权利要求5所述的飞轮组件，其中所述聚乙烯(PE)为高密度聚乙烯(HDPE)。
7.根据权利要求3所述的飞轮组件，其中所述粘合剂与选自下列的材料混合：含有碳纤维的材料、含有石墨的材料、含有玻璃纤维的材料、含有碳纳米管的材料、陶瓷纤维、有机纤维、金属纤维、钛、铝、高强度合金或其组合。
8.根据权利要求7所述的飞轮组件，其中所述高强度合金为不锈钢。
9.根据权利要求7所述的飞轮组件，其中所述有机纤维为芳香族聚酰胺。
10.根据权利要求5所述的飞轮组件，其中所述粘合剂与选自下列的材料混合：含有碳纤维的材料、含有石墨的材料、含有玻璃纤维的材料、含有碳纳米管的材料、金属纤维、钛、铝、高强度合金或其组合。
11.根据权利要求10所述的飞轮组件，其中所述高强度合金为不锈钢。
12.根据权利要求1所述的飞轮组件，其中所述转子磁体(1208、1222)在从1000m/s到3000m/s的圆周速度下表现出从1％到50％的径向尺寸改变。
13.根据权利要求1所述的飞轮组件，其中所述转子磁体(1208、1222)具有从0.1mm到10mm的厚度。
14.根据权利要求1所述的飞轮组件，其中多个转子磁体(1208、1222)应用于所述转子(1202、1224)的所述内表面。
15.根据权利要求1所述的飞轮组件，其中所述转子具有基本相当于所述转子磁体(1208、1222)纵向长度的纵向长度，使得所述转子磁体(1208、1222)延伸到所述转子(1202、1224)的整个长度。
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