CN104067024A - 具有安全结构的机电飞轮 - Google Patents

Abstract

一种机电飞轮机包括多个封闭部，这些封闭部增强了飞轮体和被封闭的电动发电机的安全运行。

Description

具有安全结构的机电飞轮

优先权声明

本申请要求于2012年3月15提交的名为ELECTROMECHANICALFLYWHEEL WITH SAFETY FEATURES的美国临时专利申请No.61/611,307的权益，该项申请的全部内容合并到本文中并用于所有用途。

背景技术

已知的飞轮存储动能，即，运动的能量。当要求释放该能量时，飞轮随着动能被耗尽而减速。已知的还有驱动电机的飞轮或者由电机驱动的飞轮。几十年来，已经设计制造了这种机电动械，并且这种机电机械在运行上已经获得了不同程度的成功。然而，广泛的应用受困于飞轮的制造，即使是最先进的商用机械在运行上也会受到严重限制，同时超过了较好的替代性执行方式的成本。尽管小型飞轮制造业一直坚持不懈地努力，但现代的机电飞轮仅在一些利基市场中得到有限地应用，并且目前对于发展世界的能量供给没有做出重大贡献。

技术领域

本发明涉及机电领域。特别地，至少部分通过多壁容置系统来实现机电飞轮的排空、安全、热传递功能和支撑功能。

相关技术的论述

机电飞轮包括在大气环境下运行的机械和在真空环境下运行的机械。虽然在真空环境下运行的机械受益于高速运行，但这些机械同样受现有技术的限制而不能够控制磁性部件温度和安全防护。

发明内容

本发明提供一种具有多个封闭部的机电飞轮。

在一种实施方式中，机电飞轮包括：芯部组件，所述芯部组件包括电动发电机定子；电动发电机转子，所述电动发电机转子围绕所述定子；所述定子的特征在于，所述定子限定一旋转轴线，所述定子具有环绕旋转轴线的励磁线圈，并且所述定子具有并不环绕旋转轴线的电枢线圈；飞轮体，所述飞轮体环绕所述转子并且联接至所述转子以便与所述转子一起旋转；以及可排空的壳体，所述可排空的壳体封闭所述飞轮体。所述转子由间隔开的第一悬架组件和第二悬架组件支撑，所述第一悬架组件包括第一电磁轴承，所述第一电磁轴承用于对所述转子施加对中力和悬浮力，所述第二悬架组件包括第二电磁轴承，所述第二电磁轴承用于对所述转子施加对中力。

在一种实施方式中，机电飞轮容置系统包括：内封闭部和外封闭部，所述内封闭部和所述外封闭部分别限定内壁和外壁；主承压壁和/或抛射防护件，所述主承压壁和/或抛射防护件位于所述内封闭部和所述外封闭部的壁部之间；能量交换块，所述能量交换块包括芯部组件和旋转组件，所述芯部组件包括电动发电机定子和定子支撑件，所述旋转组件包括电动发电机转子、飞轮体和毂部；所述电动发电机转子围绕所述电动发电机定子；所述内封闭部包围所述能量交换块；所述外封闭部包围所述内封闭部；第一环形流动通路，所述第一环形流动通路用于输送流体冷却剂，所述第一环形流动通路的外径由所述外封闭部的壁部限定；并且，其中，用于输送冷却剂的容置系统流体回路包括所述第一环形流动通路和定子支撑件流动通路。

在一种实施方式中，上述机电飞轮容置系统还包括：内封闭部和外封闭部的内壁和外壁同心地布置；主承压壁环绕所述内壁；围罩环绕所述主承压壁；所述围罩被所述外封闭部的外壁环绕；所述第一环形流动通路的内径由所述围罩限定；所述围罩和所述主承压壁限定第二环形流动通路；并且，其中，用于输送冷却剂的所述容置系统流体回路包括所述第二环形流动通路。

在又一实施方式中，机电飞轮容置系统包括：内封闭部和外封闭部，所述内封闭部和所述外封闭部分别限定内壁和外壁；主承压壁，所述主承压壁位于所述内壁与所述外壁之间；环形流动通路，所述环形流动通路用于输送流体冷却剂；所述环形流动通路的内径由所述主承压壁限定；电动发电机定子，所述电动发电机定子悬挂在所述内封闭部上；旋转组件，所述旋转组件包括电动发电机转子，所述旋转组件限定一旋转轴线，并且所述旋转组件环绕电动发电机定子且限定一旋转轴线；飞轮体，所述飞轮体围绕并联接至所述转子；并且，其中，所述定子的励磁绕组环绕所述旋转轴线，而所述定子的电枢绕组不环绕所述旋转轴线。

在一些实施方式中，机电飞轮安全系统包括：内封闭部和外封闭部；飞轮体；所述内封闭部包围所述飞轮体，所述外封闭部包围所述内封闭部，所述飞轮体的至少第一部分设计成在第一飞轮体转速时失效，所述飞轮体的至少第二部分设计成在第二飞轮体转速时失效，并且，所述第一飞轮体转速小于所述第二飞轮体转速，从而在飞轮体超速失效事件中，所述飞轮体的第一部分先于所述飞轮体的第二部分失效失效。另一实施方式还包括可操作地抵抗由所述飞轮体的第一部分的失效造成的破裂的内封闭部设计方案，所述内封闭部设计方案还可操作地抵抗随后的所述飞轮体的第二部分失效事件中的破裂。

在一些实施方式中，机电飞轮安全系统包括：内封闭部和外封闭部；飞轮体；所述内封闭部包围所述飞轮体，所述外封闭部包围所述内封闭部，所述飞轮体包括位于外层之下的内层，所述内层和所述外层环绕飞轮体旋转轴线；所述外层设计成在第一飞轮体转速时失效，所述内层设计成在第二飞轮体转速时失效，并且，所述第一飞轮体转速小于所述第二飞轮体转速，从而在飞轮体超速失效事件中，所述外层先于所述内层失效。多种实施方式还包括下述中的一条或多条：其中，所述飞轮体内层设计成存储的动能的量与所述外层所存储的动能的量大致相等；所述内层被所述外层在周向上包围；枢转式支承件，所述枢转式支承件位于所述内封闭部与所述外封闭部之间，所述飞轮体的旋转中心线穿过所述枢转支承件；一个或多个弹性支承件，所述一个或多个弹性支承件位于由所述内封闭部和所述外封闭部限定的环形部中，所述弹性支承件与所述枢支承件承间隔开，并且这些支承件选择成对所述第一封闭部与所述第二封闭部之间的运动传递进行限制；这些支承件中的至少一个包括粘弹性材料；位于所述内封闭部内的真空封闭部，所述内封闭部为金属主承压封闭部，其设计成收容飞轮体超速失效的产物，所述真空封闭部为金属封闭部，并且与主承压封闭部侧壁的厚度相比，所述真空封闭部具有相对薄的侧壁；位于所述内封闭部内的金属真空封闭部，并且所述内封闭部包括环绕所述真空封闭部的碳纤复合侧壁；位于所述内封闭部内的金属真空封闭部；能量交换块，所述能量交换块包括芯部组件和旋转组件，所述芯部组件包括电动发电机定子，所述电动发电机定子具有多条定子电引线和定子支撑件，所述旋转组件包括电动发电机转子和飞轮体，所述电动发电机转子环绕所述电动发电机定子；分别用于所述内封闭部和所述外封闭部的的间隔盖，位于所述内封闭盖中的第一穿引部和位于所述外封闭盖中的第二穿引部，位于所述封闭盖之间的可分离定子引线联接部，所述定子引线联接部提供定子电引线与联接引线之间的电流通路，所述定子引线在定子绕组和所述定子引线联接部之间延伸，所述定子引线穿过所述第一穿引部，所述联接引线在所述定子引线联接部与位于所述外封闭部外侧的位置之间延伸，所述联接引线穿过所述第二穿引部，并且所述内盖和所述外盖的相对旋转可操作成将所述可分离定子引线联接部分离；穿过所述封闭盖的中心的盖中心线，所述第一穿引部与所述第二穿引部之间的角度偏移，所述偏移可操作地延长所述第一穿引部与所述第二穿引部之间的距离，所述偏移可操作地使所述定子引线联接部和所述定子引线的邻接部分以及联接引线的邻接部分定向成：相对于与所述盖中心线平行的线成一角度，并且与没有角度偏移的情况相比较，所述偏移可操作地减少使所述可分离定子引线联接部分离所要求的所述内封闭部与所述外封闭部的相对旋转；多个所述定子引线联接部和相应的定子引线和联接引线，所述定子引线中的每一条都穿过所述第一穿引部，所述联接引线中的每一条都穿过所述第二穿引部，每个定子引线和联接引线组合的长度都不同于其它一个或多个定子引线和联接引线组合的长度，并且，所述不同的长度可操作地使定子引线联接部的分离响应于所述内盖和所述外盖的相对运动而次序交错。

在一些实施方式中，机电飞轮安全系统包括第一嵌套封闭部、第二嵌套封闭部和第三嵌套封闭部；能量交换块，所述能量交换块包括芯部组件和旋转组件，所述芯部组件包括电动发电机定子和定子支撑件，所述旋转组件包括电动发电机转子和飞轮体；所述电动发电机转子围绕所述电动发电机定子；所述第三封闭部包围所述能量交换块，所述第二封闭部包围所述第三封闭部，所述第一封闭部包围所述第二封闭部；位于所述第一封闭部与所述第二封闭部之间的枢转式支承件，所述旋转组件的旋转中心穿过所述枢转式支承件的运动接触点；位于由所述内封闭部和所述外封闭部限定的环形部中的一个或多个弹性支承件，所述弹性支承件与所述枢转支承件间隔开；并且，这些支承件选择成对所述第一封闭部与所述第二封闭部之间的运动传递进行限制。其中，多种实施方式包括如下情况，所述弹性支承件中的一个或多个包括粘弹性材料。

在一些实施方式中，机电飞轮安全系统方法的步骤包括：通过下述方式来减小使悬浮的电动发电机转子维持就位所需的电磁支承力，即提供通过电磁轴承而磁悬浮的电动发电机转子，提供对包围所述转子的次封闭部进行包围的主封闭部，借助位于所述封闭部之间的枢转支承件对所述次封闭部的重量进行支撑，以及使用位于所述封闭部之间的环形部中的粘弹性支承件对所述封闭部之间的运动传递进行限制，其中，所述粘弹性支承件与所述枢转支承件是间隔开的。

并且，在一些实施方式中，机电飞轮安全系统方法的步骤包括：通过将飞轮体设计成经受阶段中的结构失效来对与所述飞轮体失效相关联的能量进行限制。

附图说明

参照附图对本发明进行了描述。包括在本文中且形成说明书的一部分的这些附图示出了本发明，并且这些附图连同描述相结合进一步用于说明本发明的原理并且用于使相关领域技术人员能够实施及使用本发明。

图1示出了根据本发明的机电飞轮机的框图。

图2示出了图1的机电飞轮机的选择功能和设备。

图3A示出了图1的机电飞轮机的第一实施方式。

图3B示出了用于与图1的机电飞轮机一起使用的旋转组件。

图3C示出了图3B的旋转组件的沿着y-y的剖视图。

图4示出了图1的机电飞轮机的第二实施方式。

图5A示出了图1的机电飞轮机的转子磁极。

图5B示出了图1的机电飞轮机的转子磁极和定子。

图6示出了图1的机电飞轮机的下轴承组件和一些相关部件。

图7示出了图1的机电飞轮机的上轴承组件和一些相关部件。

图8示出了图1的机电飞轮机的第三实施方式。

图9A-C示出了图1的机电飞轮机的容置系统。

图10A-D示出了图1的机电飞轮机的机械隔离结构。

图11A示出了图1的机电飞轮机的能量耗散结构。

图11B-D示出了图1的机电飞轮机的定子引线分离结构。

图12A-D示出了图1的机电飞轮机的定子引线切割件结构。

具体实施方式

在随后的数页中提供的公开内容描述了本发明的一些实施方式的示例。设计方案、附图和描述都是本发明的一些实施方式的非限制性示例。例如，所公开的装置的其它实施方式可以包括或者可以不包括本文中描述的特征。此外，所公开的优点和益处仅可以应用于本发明的某些实施方式并且不应当用于限制所公开的本发明。

图1示出了机电飞轮机100。电互连部分104与能量交换块102、电力电子和控制部分106和电力网络108电联接。

本文所用术语联接除非另有说明指的是直接或间接连接，比如A直接连接至B，以及C通过D间接连接至E。

能量交换块102包括旋转组件110和芯部组件112。容置系统101提供了一个或多个将在下文中讨论的容置结构。旋转组件包括电动发电机转子114、飞轮体116和毂部118。芯部组件包括电动发电机定子120和电动发电机定子支撑件122。在多种实施方式中，转子是无轴的。而且，在一些不同实施方式中，正如文中所示的，旋转组件是无轴的。

电互连部分104包括任何的导电连接装置、电接口装置、电传感器和类似装置。电力电子和控制部分106包括任何的硅和/或半导体装置、模拟和数字处理器以及包括人机界面的相关界面。对于电力网络108，1)所述电力网络108在一些实施方式中是提供电力给能量交换块102的电源，2)在一些实施方式中为能量交换块的电力的使用者，以及3)在一些实施方式中既为提供电力给能量交换块电源又为能量交换块的电力的使用者。

图2示出了选择的机电飞轮机功能和设备200。能量存储202对于飞轮运行而言极为重要。在机电飞轮中，能量存储功能和能量转换204提供用于将动能转换成电力和/或将电力转换成动能的装置。能量传输206用于提供能量转换设备220、216与电力网络108之间的电力传输。在多种实施方式中，电开关比如断路器230用于连接和断开能够实现电力传输的导体。在多种实施方式中，其它机电飞轮机功能包括下述数个辅助支持功能208中的任意功能。

能量存储202利用旋转组件110。在多种实施方式中，悬架系统210支撑旋转组件。悬架设备包括轴承或其等同物212，在一些实施方式中，被动式停机系统215支持使得旋转组件处于选择的运行工况下(比如停机)。

能量转换功能204利用用于将动能转换成电力的装置(比如发电机或者电动发电机)。示出了电动发电机220。电动发电机包括转子114和定子120，并且配置了用于旋转地驱动旋转组件110及用于由旋转组件旋转地驱动的装置。在多种实施方式中，电力电子部分216能够控制由电动发电机和/或电力网络108发出的电场波形。例如，在多种实施方式中，电力电子部分用于提供具有中间DC母线的AC-AC转换器中的频率转换，并且电力电子部分用于变速驱动功能(比如使飞轮转子加速)。

在多种实施方式中，通过下面详细描述的辅助支持设备来执行辅助支持功能208。辅助支持功能包括遮蔽240、安全242、真空244、冷却248和人机界面246。

控制功能205用于提供监测、评估、命令和其它机电飞轮功能的控制中的一个或多个。特别地，控制功能通过对能量存储202、能量转换204、能量传输206和辅助支持208中的一个或多个进行监控和/或控制来实现机电飞轮运行。

图3A示出了第一机电飞轮部分300A。能量交换块302被内部壳体328封闭，内部壳体328又被可选的外部壳体338封闭。

能量交换块302包括旋转组件310和芯部组件312。旋转组件中包括：电动发电机转子314、环绕电动发电机转子且联接至电动发电机转子的飞轮体316，联接于飞轮体的毂部318以及移动悬架元件344。在一些实施方式中，在电动发电机转子与飞轮之间设置有诸如非磁性套筒的套筒，所述套筒尤其用于支持电动发电机转子且为电动发电机转子提供支撑。电动发电机转子、飞轮体、毂部和移动悬架元件围绕轴线x-x同步转动，在一些实施方式中，毂部附接至电动发电机转子350和飞轮体352中的这两者中一者或两者。移动悬架元件的对侧为静止悬架元件346，固定悬架元件346经由内部壳体的第一壁部332进行支撑。芯部组件312中包括有定子320和定子支撑件322。在一些实施方式中，定子支撑件联接至内部壳体的壁部，比如内部壳体的第二壁部334。

电动发电机转子314环绕电动发电机定子320。在多种实施方式中，电动发电机转子314包括磁性部分354和非磁性部分356，在一些实施方式中，非磁性部分为块状或者基体材料，或者所述非磁性部分包括块状或者基体材料，所述块状或者基体材料支撑磁性部分。在一种实施方式中，转子磁性部分为层状结构。

在多种实施方式中，定子320包括磁性结构，所述磁性结构具有一个或多个互接线圈，这些互接线圈具有能够承载可变电流并因此使磁性结构的磁通量发生变化的导电绕组。在一些实施方式中，第一定子线圈364环绕大致垂直于x-x轴线的假想的y-y轴线。并且，在一些实施方式中，第二定子线圈368环绕x-x轴线。在一种实施方式中，多个第一定子线圈环绕各自的假想的y-y轴线，一个或多个第二定子线圈环绕x-x轴线，第一定子线圈为电枢线圈，第二定子线圈为励磁线圈。

并且，在一种实施方式中，电动发电机360为具有示出的内外布置(转子环绕定子)的单极装置，其中，a)类似于电动发电机转子314的可旋转的转子包括无线圈的层状磁性结构；b)类似于定子320的固定的中心定子包括层状磁性结构，该磁性结构具有用于在磁性结构中产生磁通量的线圈；以及c)转子环绕定子。

图3B示出了用于与图1的机电飞轮一起使用的旋转组件300B。旋转组件部分包括飞轮体357、电动发电机转子352和毂部358。在多种实施方式中，飞轮体包括一层或多层，每层由一种或多种材料制成。所选择材料提供的材料性能适于下述条件中的一个或多个：所述条件即转子转速、包括温度在内的环境因素、寿命、强度、耐用度、可靠性、受限的排气和与可操作性、可靠性及成本有关的其它条件。通常，适合的材料包括：诸如纤维增强聚合物的强力复合材料，例如包括一种或多种类型或等级的玻璃纤维和碳增强聚合物的玻璃纤维和碳增强聚合物。名为HUB AND CYLINDER DESIGN FOR FLYWHEELSYSTEM FOR MOBILE ENERGY STORAGE的美国专利No.6175172的全部内容通过参引合并到本文中用于所有用途，包括飞轮体构造技术和构造材料。

如本领域普通技术人员将会理解的那样，飞轮体失效存在相关的安全隐患。特别地，在电动发电机转子转速处于异常的情况下会产生引起飞轮体失效的飞轮体应力(例如环向应力)。在失效期间释放的能量一定要予以耗散，并且对失效的产物一定要予以控制。

能量耗散装置能够设计成对一定时间段内所释放的能量中的一定量的能量进行耗散。能够通过减少每单位时间释放的失效能量来降低能量耗散装置的额定功率，并且能够通过减少失效能量释放总量来降低能量耗散装置的额定功率容量。

在一些实施方式中，通过使用至少具有第一部分和第二部分的飞轮体来降低失效能量的量和失效能量的释放率，其中，第一部分设计成在失效事件(比如超速事件)中先于第二部分失效。飞轮体失效可能是由于超出飞轮体物理性能的情况所致，或者是由失效机构(比如尤其是减弱飞轮体的部分)和/或施加很大的作用力(比如使用突增负载、加热、切削、冲击和类似情况)所引起。

在一些实施方式中，飞轮体部分为飞轮体层。例如，能够使用具有作为第一层的第一部分和作为第二层的第二部分的两部分式飞轮体。

如图3B和图3C所示，飞轮体包括两层，即，与电动发电机转子相邻的内层354和外层356。在超速失效的情境中，外层的失效被设计成先于内层失效发生。在多种实施方式中，通过使用适合的材料(包括纤维材料和粘结材料)、层厚度、制造方法、第一层与第二层之间的接合材料、冲击装置、爆炸装置和真空封闭加压装置来实现外层的这种优先失效。

当外层失效时，首先因为失去了作为外层飞轮体的最大直径部分的外层，所以端部速度减小(端部速度＝半径×角速度或者端部速度＝r×ω)。此后端部速度由于能量耗散过程包括摩擦过程(比如使飞轮体减速的空气阻力)而进一步减小。在多种实施方式中，飞轮超速失效中断向机电飞轮电动发电机的电力供给，并且因而在飞轮体失效后中断向增大或保持飞轮体速度的装置的电力供给。

在超速事件期间保持飞轮体的内部部分而牺牲飞轮体的外部部分会减少超速所致的飞轮体失效时所释放的总能量。也会降低飞轮体失效期间能量的释放率。因而，能够降低被设计成耗散所释放的飞轮失效能量的安全装置的额定功率。

在一种实施方式中，飞轮体内层354和外层356设计成存储相等百分比(50/50)的动能或几乎相等百分比(50/50+/-20％)的动能。在该实施方式中，能量耗散的额定功率能够降低至约所需的一半。

在一种实施方式中，飞轮体内层354由强度为S1的材料制成，而飞轮体外层356由强度为S2的材料制成。S1和S2被选择为：使得外层将在第一电动发电机超速时失效，而内层将在更高的第二电动发电机超速时失效。下面的表格示出了示例性材料选择：

在零度时、以国际单位(MPa)表示最大强度的材料包括：300-400范围内的玻璃纤维材料、1000-1300范围内的低强度碳纤材料和1300-1600范围内的高强度碳纤材料。

在一种实施方式中，中间层和外层包括碳纤维材料，内层包括玻璃纤维。在另一实施方式中，所有三层大致上由碳纤材料制成。在多种实施方式中，对一个层或多个层进行预压(比如在拉力的下缠绕纤维)，以便形成具有内部抗压应力的大致筒状的壳体。

图4示出了第二机电飞轮部分400。能量交换块402被内部壳体428封闭，内部壳体428在一些实施方式中被外部壳体(未示出)封闭或者部分封闭。

能量交换块402包括旋转组件410和芯部组件412。旋转组件中包括：电动发电机转子414、环绕电动发电机转子且联接至电动发电机转子的飞轮体416、联接至飞轮体的毂部418、用于支撑毂部的支撑销496和用于支撑毂部的移动悬架组件492。一些实施方式在电动发电机转子与飞轮体之间包括有套筒，比如非磁性套筒。

在多种实施方式中，飞轮体416包括不同材料的层，所述材料比如为一种或多种类型或等级的玻璃纤维和一种或多种类型或等级的碳纤维。名为HUBAND CYLINDER DESIGN FOR FLYWHEEL SYSTEM FOR MOBILE ENERGYSTORAGE的美国专利No.6175172的全部内容通过参引合并到本文中并用于所有用途，包括飞轮体构造技术和构造材料。

如示出的那样，飞轮体包括三层，即，邻近于电动发电机转子的第一层417、中间层419和外层421。在一种实施方式中，中间层和外层包括碳纤材料，内层包括玻璃纤维。在另一实施方式中，所有三层大致上由碳纤材料制成。在多种实施方式中，一个或多个层是预加应力的，例如通过使缠绕纤维在压力的作用下形成具有内压应力的大致圆筒状的外壳。

支撑销、移动悬架组件和毂部布置成同心并且围绕轴线x-x同时转动。如看到的那样，支撑销496位于上轴承承载件490与下轴承承载件494之间的间隙491中。上轴承承载件从定子支撑件422延伸出，下轴承承载件由壳体的第一壁部432支撑。在一种实施方式中，上轴承承载件的沿着x-x轴线的延伸493用于可旋转地限制上轴承承载件与下轴承承载件之间的支撑销。从这个角度来看，上轴承承载件和下轴承承载件提供用于通过支撑销来“捕获”旋转组件410的装置，并且对于被动停机功能极为有益。在多种实施方式中，下轴承承载件和移动悬架组件包括第一电磁轴承。

第二电磁轴承451与上轴承承载件490和下轴承承载件494分隔开。第二电磁轴承包括由定子支撑件422支撑的固定轴承定子454和用于使定子磁化的绕组452以及联接至电动发电机转子的几何方位上相对的转子456。如示出的那样，电磁体498、499的配合面平行于x-x轴线从而使得电磁轴承力垂直于x-x轴线。在其它实施方式中，成角度的电磁轴承面(比如下文所要描述的那些电磁轴承面)提供沿着与x-x轴线平行的轴线的电磁轴承力分量和沿着与x-x轴线垂直的轴线的电磁轴承力分量。

芯部组件412中包括有定子420和联接至内部壳体的第二壁部434的定子支撑件422。电动发电机转子414环绕电动发电机定子。在多种实施方式中，电动发电机转子包括磁性部分和非磁性部分(例如，见图3的354、356)，在一些实施方式中，非磁性部分为块状或者基体材料，或者所述非磁性部分包括块状或者基体材料，所述块状或者基体材料支撑磁性部分。在一种实施方式中，转子磁性部分为层状结构。

在多种实施方式中，定子420包括磁性结构，所述磁性结构具有一个或多个互接线圈，这些互接线圈具有能够承载可变电流并因此使电磁结构的磁通量发生变化的导电绕组。

常用的单极定子包括至少两个外周缘和一个较小的中间周缘。这些边缘包括磁性材料(比如铁)，并且在多种实施方式中，这些边缘为层状结构，其中，每个层片呈大致环形形状。

如示出的那样，定子420包括三个大直径周缘464、466、470和两个较小直径的周缘484、488，从而在大直径周缘与小直径周缘之间形成有大致环形或者近似圈状物的容纳部481。环绕旋转轴线x-x的线圈布置在这些容纳部中以便形成励磁绕组482、486。除了励磁线圈之外，定子进一步包括电枢线圈。

电枢线圈450与大周缘464、466、470的外周中的槽483相互接合，从而每个电枢线圈将环绕大致垂直于旋转轴线x-x的假想轴线y-y(见图3)。

对于每个定子周缘，具有多个配合转子磁极。如能够看见的那样，定子外周缘464、470具有轴向(x-x)间隔开的配合转子磁极462、468(用实线示出)，定子中心周缘466具有轴向相邻的配合转子磁极463、469(用虚线示出)。用于相邻周缘的转子磁极(例如462、463)不仅在轴向(x-x)上被间隔开，而且在径向上也被间隔开，从而使得用于一个周缘的转子磁极同与相邻周缘配合的最近的转子磁极径向地间隔90电角度(electrical degree)。

在多种实施方式中，内置式真空泵(比如牵引分子泵)提供离开飞轮体416且特别是离开获得最高速度的飞轮体外周处的移动分子。美国专利No.US5,462,402FLYWHEEL WITH MOLECULAR PUMP的全部内容通过参引合并到本文中并用于所有用途，其中包括对于牵引分子泵的论述并且被合并到飞轮系统中。

在一种实施方式中，第一真空泵由固定迷宫状环体458形成，固定迷宫状环体458由相对飞轮体的真空泵表面459间隔很小的壳体壁部434支撑。在多种实施方式中，迷宫环中的凹槽提供与移动的飞轮表面相配合的抽吸动作。在一些实施方式中，凹槽为螺旋形凹槽，其截面面积通常沿着向前的流动路径减小。并且，在一些实施方式中，第二真空泵由类似于上述迷宫环的迷宫结构形成并且固定至定子外周部分(比如大直径定子环454、464、466、470，为了清楚起见未示出)或者固定至几何位置相对的转子磁极(456、462、463、469、468)。

在一种实施方式中，可排空的壳体内包括有供给区域和排放区域。供给区域具有至少部分由壳体428、毂部外表面417和飞轮体外周413的一部分限定的边界。排放区域具有至少部分由真空阻隔壳体和芯部组件412的部分限定的边界。第一牵引泵设置在飞轮体表面459与真空阻隔壳体壁部434之间，第二牵引泵设置在至少一个定子环466与转子414之间。

图5A示出了2+2磁极单级单极电机500A在邻近磁极平面中的转子磁极的径向错开布置方式。参照转子截面502和转子514，第一磁极462位于第一磁极平面Y1中，与其相对磁极463位于同一平面中。在类似同步相邻磁极平面Y2中，相邻平面磁极465在Y1平面磁极之间。Y2平面中的第二磁极464在该截面中未示出。

磁极平面Y1、Y2的平面图504、506示出了各磁极平面中的磁极462、463和464、465，这些磁极间隔了90°的几何角度。在这种4磁极实施方式中，磁极还间隔了90电角度。

在多种实施方式中，磁路在相邻的错列磁极之间延伸。例如，如磁极组件508、510中示出的那样，磁路部分466、468在磁极对462、463和磁极对463、464之间延伸。如这里示出的那样，在4磁极电机转子中由磁路部分462-466-465和463-468-464形成了两个连续磁路。在一些实施方式中，每个磁路部分组件462-466-465和463-468-464呈“Z”形，其中，中心构件466、468以大致直角的角度接触邻近构件462、465和463、464。此外，该结构保持磁路的容量。

图5B示出了三级电机的转子和定子，每级具有四个磁极500B。此处，示出了转子磁路部分组件560的视图，其中，展开了通常圆柱形的转子结构从而示出了平坦表面。磁路部分组件520、522、523、521布置成在部分519之间产生具有间隔的栅格569，其中，在多种实施方式中，这些间隔填充有非磁性材料。

栅格569构造成使得形成多个级A、B、C，每个级具有4个磁极。例如，级A具有北极平面，该平面具有第一完全磁极557和由两个半磁极553、555组成的第二磁极。级A还具有南极平面，该平面具有两个完全磁极559、560。级A的北极平面和南极平面因此总共具有4个完整磁极。

每级包括四个磁路部分组件或者转子栅格部分。例如，级A包括磁路部分组件520、522、520和522，级B包括磁路部分组件523、521、523和521，级C同级A一样包括磁路部分组件520、522、520和522。明显地，在一些实施方式中，磁路部分组件的几何结构的不同之处仅在于其取向。此处，例如，组件520与组件522的不同之处在于组件520围绕平行于x-x轴线的轴线转动了180度，而组件520与组件523的不同之处在于其围绕垂直于x-x轴线的轴线转动了180度。组件522与组件521的不同之处在于其围绕垂直于x-x轴线的轴线转动了180度。

示出的还有定子562的剖视图。如看到的那样，定子具有以x-x轴线为中心的大直径周缘534、536、538、540和小直径周缘544、546、548。在大直径外周周缘534、540之间设置有第一大直径中间周缘536和第二大直径周缘538。在每对大直径周缘之间设置有一个小直径周缘，从而这些周缘以534、544、536、546、538、548和540的次序叠置。这些周缘由通过壁部530支撑的联接定子支撑件532所支撑。

多个电枢绕组(例如571、572)通过槽或类似特征与多个大直径周缘外周(例如74)相互接合。励磁绕组535、537、539环绕定子旋转轴线x-x，其中，一个励磁绕组环绕小直径周缘中的每一个从而使得每个励磁绕组位于一对大直径周缘之间。

如能够看到的那样，转子的栅格结构569设置成：使得定子的第一周缘534与级A的北磁极相对应；定子的第三周缘536与级A的南磁极和级B的南磁极相对应；定子的第五周缘与级B的北磁极和级C的南磁极相对应；定子的第七周缘与级C的南磁极相对应。

在多种实施方式中，轴承用于支撑旋转组件及其包括的飞轮体116、316、416。可以使用本文中所描述的足以支撑旋转组件的任何轴承组合形式。

图6示出了下轴承承载件和一些相关部件600。如附图的上半部示出的那样，具有用于联接至飞轮体的毂部618、用于支撑毂部618的支撑销696、用于支撑毂部的移动悬架组件692和下轴承承载件694。毂部、支撑销和移动悬架组件固定地联接在一起(为了清楚起见图6中以分解图的形式示出)。

在多种实施方式中，移动悬架组件692包括移动悬架组件电磁轴承转子602。在一些实施方式中，轴承转子为层状结构(如示出的那样)。在一些实施方式中，轴承具有以角度θ1＝0°定向的移动悬架组件电磁轴承面603，其中，该角度θ1由轴承面603和平行于x-x轴线的轴线x1-x1限定。而且，在一些实施方式中，轴承具有以角度0＜θ1＜90°定向的轴承面603(“成角度面”)(如示出的那样)，轴承面603提供了平行于x-x轴线的电磁轴承力分量以及平行于与x-x轴线垂直的轴线的电磁轴承力分量。

在多种实施方式中，移动悬架组件692包括移动悬架组件永磁体604，在一些实施方式中，永磁体是电磁轴承转子602的附加物。而且，在一些实施方式中，移动悬架组件磁体保持件606为移动悬架组件电磁轴承转子和移动悬架组件永磁体中的任一个或两个提供保持作用。

当移动悬架组件包括电磁轴承转子602时，下轴承承载件694包括相对应的下轴承承载件电磁轴承定子614和用于使该定子磁化的下轴承承载件定子电线圈616。定子由下轴承承载件框架612支撑，而下轴承承载件框架612又由壳体壁部632支撑。

在一些实施方式中，轴承定子为层状结构(如示出的那样)。在一些实施方式中，轴承具有以角度θ2＝0°定向的下轴承承载件电磁轴承面615，其中，该角度θ2由电磁轴承面和平行于x-x轴线的轴线x2-x2限定。而且，在一些实施方式中，轴承具有以角度0＜θ2＜90°定向的轴承面615(“成角度面”)(如示出的那样)，轴承面615提供平行于x-x轴线的电磁轴承磁力分量以及平行于与x-x轴线垂直的轴线的电磁轴承磁力分量。如本领域技术人员将理解的那样，轴承面603、615相互协作，使得直立的转子面与直立的定子面匹配，同时成角度的转子面与成角度的转子面匹配。

在使用移动悬架组件永磁体604的情况下，下轴承承载件包括几何位置上相对的永磁体620。在一些实施方式中，下轴承承载件永磁体保持件619由下轴承承载件框架612支撑并且支撑永磁体。

在多种实施方式中，下轴承承载件694包括下轴承承载件落位轴承(比如抗摩擦轴承622)。如示出的那样，落位轴承由下轴承承载件框架612支撑。在一些实施方式中，阻尼材料624提供用于落位轴承的密封材料。

图7示出了上轴承承载件和一些相关部件700。如示出的那样，上轴承承载件790包括固定板702和移动板704。

固定板702包括凹槽形式的线圈空间706，所述线圈空间706位于固定板的面向移动板730的一侧上。还包括有用于使被线圈包围的磁性材料707磁化的电线圈722。

移动板704包括弹簧空间708和机械轴承空间710。弹簧空间708形成在移动板的直径减小段延伸直到面向固定板732的板一侧处，并且弹簧(比如线圈弹簧720)占据该空间。轴承空间710为移动板表面734中的中心空腔，所述移动板表面734与移动板的面向固定板的表面732相对。如看到的那样，该电磁操作压缩弹簧并且用于将板拉到一起。

在多种实施方式中，上轴承承载件790包括上轴承承载件落位轴承(比如抗摩擦轴承716)。如示出的那样，落位轴承定位在移动板空腔710中。在一些实施方式中，阻尼材料718提供用于落位轴承的密封材料。

如图6和图7中看到的那样，支撑销696在上轴承承载件790与下轴承承载件694之间延伸。另外，上轴承承载件落位轴承716、支撑销696、移动悬架组件692、下电磁轴承定子614、下轴承承载件永磁体620和下轴承承载件落位轴承622中的每一个的以x-x轴线为中心，从而使得支撑销上端728和下端628在移动板704朝向下轴承承载件沿793移动时分别与的上落位轴承716和下落位轴承622以及每个落位轴承的中心孔726、626接合。

图8示出了机电飞轮800的另一实施方式。飞轮体831围绕单极电动发电机转子并且被联接至单极电动发电机转子，该单极电动发电机转子包括金属衬垫830。如示出的那样，转子包括转子北磁极824、832。转子南磁极未示出。参见图5B的级A和级B可得到转子南磁极处的相似的布置方式。

定子支撑件811被联接至电动发电机定子828，并且励磁绕组826和电枢绕组820中的每一者以类似于上述的方式与定子相互接合。

毂部846支撑转子830和飞轮体831，毂部846又被支撑，所述支撑销864接合在上下轴承承载件860、862之间或者位于上下轴承承载件860、862之间。参见图6和图7可得到类似的轴承承载件的详细信息。第一电磁轴承866位于下轴承承载件中。第二电磁轴承870与第一轴承承载件和第二轴承承载件间隔开，并且包括轴承定子818、轴承转子818和用于使定子磁化的定子线圈814。

机电飞轮壳体包括内部真空阻隔件812。在一些实施方式中，外部壳体807支撑真空阻隔件。适合的真空阻隔件材料包括不锈钢和本领域技术人员已知的适于该目的的其它材料。

在多种实施方式中，定子支撑件811具有管状结构并且其中设置有同轴管801。如示出的那样，同轴管包围进入定子支撑件的液体冷却液流802，并且支撑结构内径与同轴管外径之间的环状区域815提供了冷却液离开定子支撑件的流动通路803。流动穿过环状区域的冷却液吸收来自定子828的热量并且在一些实施方式中在其被泵回(未示出)到流动入口802之前就在冷却机中被冷却。

在一些实施方式中，导热管808提供定子冷却。如示出的那样，多个导热管中的每一个在紧邻定子的区域(比如在所示的定子电枢绕组槽)中具有吸热第一端872。导热管的排热端位于紧邻真空阻隔件的区域，比如排热端874(如图所示)与真空阻隔件接触或者在其它实施方式中被前述冷却液流冷却。

如从上面所见，机电飞轮100的系统和结构(比如冷却系统248和定子支撑件122)可以具有相互关联的设计方案。

容置系统101提供相互关联的设计方案的额外示例。在容置系统的多种实施方式中，多个相互关联的结构实现结构支撑、真空阻隔、主承压壁、流体冷却剂流通和热传递通路之中的一个或多个。如本领域普通技术人员将会理解的那样，主承压封闭部的主承压壁用于承受在飞轮体失效事件期间所达到的压力和所释放的物质。

图9A示出了多用途容置系统的分解剖视图900A。多用途容置系统包括提供真空阻隔的内封闭部906、提供主承压壁的中间封闭部904和用于流体冷却剂通路的外封闭部902。下面更为详细地描述所述多个封闭部的这些特征及其它特征。如本领域技术人员将会理解的那样，通常将根据承受所达到的压力所要求的强度和在飞轮体失效事件期间所释放的物质来确定主承压壁厚度。因而，主承压壁厚度将取决于壁材料和所碰到的工况(包括所要抵抗的压力和作用力)。其中，真空阻隔件由主承压壁支撑，真空阻隔件与主承压壁相比通常为薄壁件。例如，在多种实施方式中，可预计的是，钢制主承压壁与铝制真空阻隔件的壁厚比的范围介于2至20之间。

内封闭部906包括内筒状壁部936。内盖916通过筒凸缘946可操作地封闭筒状部的一端，内底部926闭合筒状部的另一端。如本实施方式所示，定子支撑件987从内盖的中部部分悬挂而下。内封闭部由比如金属(例如铝和/或不锈钢)的适合的真空密封材料制成。铝和不锈钢因其抗氧化且防止污染颗粒的形成而有助于形成干净的排空环境。在多种实施方式中，干净的排空环境有助于包括牵引泵在内的真空泵的运行并且有助于保持适合的真空压力。

中间封闭部904包围内封闭部906。中间封闭部包括内筒状壁部934。中间盖914可操作地封闭筒状部的一端，使得内封闭部的盖916被密封在中间筒状部的端面944与中间盖之间。中间底部924封闭筒状部的另一端。中间封闭部由比如金属(例如钢和/或钢合金)的适合的压力容器材料制成。对适合的材料厚度的选择需要考虑所使用的材料及在所选择的设计方案失效的情境期间必须吸收的能量。应当指出的是，在多种实施方式中，能够通过限制能量耗散要求来减小压力容器的厚度和/或强度。例如，飞轮体的结构使飞轮失效能量的释放减慢或者减少飞轮失效所释放的能量。

尽管在内封闭部906与中间封闭部904之间示出有间隙(为了清楚起见)，但实施方式中，内封闭部906与中间封闭部904之间为过盈配合和/或具有热传递复合物，以便使热量能够从一个壁部传递至另一壁部。例如，从定子(例如见图8，828)处辐射的热量在没有间隙的情况下通过传导至中间封闭部的壁部934而被传递到内封闭部的壁部936。

外封闭部902包围中间封闭部904。外封闭部包括外部筒状壁部932。外盖912通过筒凸缘942可操作地封闭筒状部的一端，外底部922闭合另一端。外封闭部由比如金属(例如钢和/或钢合金)的适合的冷却剂通路材料制成。

分流件围罩908包括用于将中间壁部934与外壁部932之间的环状部分成内环951和外环953的筒状罩壁938。筒状罩壁的端部包括向内定向的密封环948，密封环948用于在筒状罩壁与相邻结构之间进行密封，所述相邻结构比如为中间筒状壁部934、内盖916和/或中间盖914。一个或多个(示出的为两个)冷却流体排出管道958穿过密封环且提供用于与内环空间951进行流体交换的装置。围罩由适合的冷却剂通路材料制成，所述材料比如为金属和塑料。在一种实施方式中，围罩由塑料制成，比如高密度的聚乙烯塑料或聚氯乙烯塑料。

图9B示出了图9A的容置系统的简化剖视图900B。如所见，内壁部936被中间壁部934环绕，中间壁部被外壁部932环绕。外壁环绕罩壁938并且所述罩壁环绕中间壁部934，从而使得中间壁部与外壁部之间的环状部被分成内环951和外环953。

图9C示出了图9A的容置系统在其装配后的视图900C。为了清楚起见，并未示出包括定子120、转子114和飞轮体的飞轮内部构件。参见图8可获得示例性的飞轮内部构件。

在飞轮运行期间，热量被释放于内封闭飞轮空间981之内。在多种实施方式中，该热量被传递至流体冷却剂(用流动箭头表示)中的一个或多个并且被传递至周围环境983中。当流体冷却剂流动穿过流动通路并且在冷却系统中流动时，热量被流体冷却剂交替地吸收和排出。

冷却剂流体通过冷却剂进入管道988进入容置系统960，所述冷却剂进入管道988设置在定子支撑件中部空腔991中，所述支撑件中部空腔991限定定子支撑件环形流动空间992。来自进入管道的流体962排至环形流动空间，流体964在该环形流动空间处吸收传递至定子支撑件壁部993的热量。来自定子支撑件环形空间的流体966被输送至外盖912与中间盖914之间的流体室968。离开流体室的流体970被输送至外环953。在多种实施方式中，冷却剂通过穿过外封闭部壁932的热量传递将热量排至周围环境983。来自外环953的流体972被输送至内环974。在多种实施方式中，冷却剂通过穿过中间封闭部壁934和内封闭部壁936的热量传递来吸收热量。来自内环951的流体976被输送至流体冷却剂排出管道978。

在一些实施方式中，通过使用混合式容置结构来增强容置系统性能，其中，混合式容置结构比如为有相对较薄的壁的封闭部，所述封闭部由外部结构(比如保护层或包覆层加强。常用的包覆层包括聚合物基体的玻璃和/或碳纤维。性能增强包括增大强度、减轻重量和减少的部件数量这三者中的一个或多个。

图9D示出了使用混合式主承压封闭部的容置系统的简化剖视图900D。混合式主承压封闭部917包括中间壳体911和外部包覆层913。与上述真空阻隔件相似的内封闭部909具有凸缘915。该凸缘设置在位于一侧的混合式主承压封闭部与位于另一侧的内盖907和中间盖905之间。

在多种实施方式中，包覆层的厚度t14与中间壳体的厚度t12共同限定混合式主承压封闭部侧壁厚度t15。壳体底部的厚度为t10，在一些实施方式中，因为底部并未被包覆(如图所示)而使得t10﹥t12。如本领域技术人员将会理解的那样，根据包括材料类型、环境和所期望的负载在内的因素来选择材料厚度。

并且，在多种实施方式中，混合式主承压封闭部实现了轴向载荷x-x的在中间壳体911与外部包覆层913之间的传递。例如，在中间壳体与包覆层921之间的接合面处所使用的粘合剂和/或表面结构(比如中间壳体923的毛糙外表面)限制沿轴向方向的相对运动。

封闭结构用于将盖子905、907附接至混合式主承压封闭部917。在第一示例性封闭结构901中，带有头部的螺栓用于附接盖子。这里，压力封闭部925的上表面中的螺纹孔994和穿过凸缘的配合孔949、穿过内盖的配合孔947和穿过中间盖945的配合孔用于供螺栓961使用。在第二示例903中，承压封闭部的上表面中的螺纹孔967和穿过凸缘和盖子的配合孔用于插入螺柱965，其中，能够将螺母安装至螺柱上以完成封闭。在多种实施方式中，使用位于包覆层中的螺纹插入部(未示出)提供螺栓连接，而非壳体中的螺纹孔。

图9E示出了使用混合式内封闭部的容置系统的简化剖视图900E。这里，混合式内封闭部971用作内封闭部和主承压封闭部。混合式内封闭部包括内部壳体937和外部包覆层939。内部壳体与上面描述的真空阻隔件相似并且具有凸缘915。该凸缘设置在位于一侧的混合式内封闭部与位于另一侧的中间盖933、931之间。

在多种实施方式中，包覆层的厚度t24和内部壳体的厚度t22共同限定混合式内封闭部壁厚t25。如本领域技术人员将会理解的那样，根据材料的类型、环境和所期望的载荷来选择材料厚度。

并且，在多种实施方式中，混合式主承压封闭部实现轴向载荷x-x的在内部壳体937与外部包覆层939之间的传递。例如，在内部壳体与包覆层973之间的接合面处所使用的粘合剂和/或表面结构(比如内部壳体975的毛糙的外表面)限制沿轴向方向的相对运动。封闭结构包括上面描述的那些以及本领域普通技术人员所熟知的那些结构。

在运行时，机电飞轮的飞轮体在飞轮充电期间由电动发电机加速。在充电期间，能量被传输至电动发电机。在放电期间，电动发电机随着飞轮体的减速将飞轮的动能转换成电能。电力电子部分用于转换电力网络以便驱动电动发电机以及与其机械联接的飞轮体。电力电子部分还用于将电动发电机产生的电力转换成适于传输电力至的电网使用的波形。

在运行时，容置系统提供主承压壁。例如，如图9C所示，容置系统900C在失效(比如飞轮失效)发生的情况下提供主承压壁906。在多种实施方式中，真空阻隔件由使飞轮空间981中能够保持真空的内封闭部902提供，冷却剂流动空间由外封闭部902提供，并且冷却剂流动空间被分流件围罩908分成内部环形流动通路951和外部环形流动通路953。通过穿过外封闭部壁932至环境983的热量传递和/或通过利用例如散热片风扇冷却器(未示出)将热从流体传递到容置系统的外部，使得在定子支撑件987中流动的冷却剂所吸收的热量和在内部环形流动通路中流动的冷却剂所吸收的热量被排出。

多个封闭部的其它作用包括嵌套式封闭部的机械隔离(比如限制封闭部之间的运动传递)。

图10A-D示出了用于机电飞轮(例如与图8中示出的机电飞轮相似的机电飞轮)的机械隔离系统1000A-D。图10A中示出了外组件1003和内组件1001。

外组件部分包括外封闭部1002、外封闭盖1012、内封闭部1006、内封闭盖1016和定子支撑件1018。内组件部分包括中间封闭部1044、定子支撑件1018、内盖1016和中间盖1014。应当指出的是，为了清楚起见，图10A-C中并未示出上述定子、转子、轴承和其他部件。这些物件的示例请参照附图和之前的相关描述。

通过对内组件和外组件之间的运动传递进行限制/弱化的弹簧式、阻尼式和/或枢转式动作的材料和/或装置，内组件1001和外组件1003能够至少部分地被机械地隔离。在多种实施方式中，能够通过允许径向(组件中心线)偏移成使得组件的中心线偏离、允许轴线偏移成使得组件轴向间隔改变以及通过组合这些错位来隔离这些组件。

在一种实施方式中，内组件1001由下部枢转式支撑件1030和一个或多个上部弹性支撑件1020-1023支撑。如所示，下部枢转支撑件具有凸状枢转结构1034，其与凹状枢转结构1032配合。不论枢转结构为大致尖形(如示出)还是为圆形(比如具有球和球窝)，还是呈本领域技术人员所熟知的另外的形式，其都受从比如材料、载荷、速度和制造及装配条件中选择的一个或多个变量的影响。并且，无论凸状附接件和凹状附接件如所示那样联接至外封闭部底部1042和中间封闭部底部1040还是反之(即，凸状附接件联接至中间封闭部底部1040，凹状附接件联接至外封闭部底部1042)，其都受变量(比如制造和装配条件)影响。

当内组件1001和外组件1003安装在一起时，外封闭部1002对内组件1001提供支撑。

枢转支撑件1030通过凹状枢转插槽1033提供沿径向方向和轴向方向的支撑，其中，凹状枢转插槽1030容纳凸状枢转突出部1035，从而中间封闭部1004的底部1040由外封闭部的底板1042支撑。

主要沿径向方向的支撑由设置在内封闭部与外封闭部之间的环形空间1005中的弹性支撑件1020-1023提供。如图10A所示，弹性支撑件1020、1022在中间封闭部1044的外表面与外封闭部1046的内表面1051，1052之间延伸。在多种实施方式中，弹性支撑件通过粘合剂、紧固件或本领域普通技术人员熟知的其它装置联接至外封闭部和中间封闭部这两者中的一者或两者。

弹性支撑件包括比如机械弹簧阻尼装置的机械装置和由具有理想的性能(比如压缩性、阻尼性质和工作温度)的块料形成的支撑件。适合的块料被选择成与预期的载荷和期望的工作环境相对应。常用的通用材料包括自然橡胶、包括丁基橡胶在内的合成橡胶以及各种聚合物(比如聚氨酯)。常用的专用产品包括材料和材料。

图10D示出了由块料制成的弹性支撑块1000D。如所示，弹性支撑块截面面积的宽度为w1，高度为h1。弹性支撑块的长度为l1，弹性支撑块的长度与其截面面积共同被选择成：在由所选材料制成时提供适当的支撑。弹性支撑块具有用于与中间封闭部1004的外侧表面1044接合的第一面1076。第一端处的第一面的对侧是位于第二端处的第二面，其用于与外封闭部1002的内径1046接合。如所示，第二面实际上为两个部分1072、1074，所述两个部分1072、1074由切割第二端所成的“V”形部分1073形成。如本领域普通技术人员将会理解的那样，改变弹性支撑块和材料选择能够使弹性支撑块适合大范围的设计标准。

在图10B中，内封闭部的中心轴线“t1”和外封闭部的中心轴线“t2”在组件1001、1003经历运动(例如使支撑底部1029突然倾斜远离竖直轴线“v”)之后并未重合。响应于由运动所产生的惯性力，中心轴线移动离开竖直轴线并且与竖直轴线形成角度θ₁、θ₂。如所见，位于环形区域的相对的两侧上的弹性支撑件于改变了的环形区域相适应。

特别地，缩短的弹性支撑件1020适应于缩小的间隙g0，增长的弹性支撑件1023适应于增大的间隙g3。在多种实施方式中，弹性支撑件在安装于均匀的环形区域中时被压缩，在多种实施方式中，弹性支撑件在安装于均匀的环形区域中时被拉伸。

如所见，弹性支撑件与枢转支撑件一起工作，从而对内封闭部的运动进行限制。该示例示出组件1001、1003响应于运动而使外封闭部倾斜至角度θ₂，角度θ₂大于内封闭部倾斜至的角度θ₁(θ₂﹥θ₁)。如本领域普通技术人员将会理解的那样，对内封闭部运动的限制减小了电磁轴承(例如451、692、694)所必须施加的确保磁悬浮旋转组件(例如310、410)相对于定子(例如422)保持就位的作用力。

在一些情况中，电磁轴承(例如451、692、694)不能够将旋转组件(例如310、410)相对于定子(例如422)保持就位，从而发生飞轮体失效。如上面结合图3A-C所论述的那样，飞轮体失效耗散存储在飞轮中的能量。如本领域普通技术人员将理解的那样，需要对飞轮体失效事件期间释放的能量进行耗散的安全装置。

图11A示出了具有能量耗散结构的机电飞轮1100A。外组件1003对内组件1001进行封闭，内组件1001对旋转组件310和芯部组件312进行封闭。内组件的底部由设置在内组件与外组件之间的下部枢转支撑件1030支撑。位于内组件与外组件之间的环形部1021中的上部弹性支撑件1020、1022对内组件提供侧向支撑。

此外，飞轮体失效事件易于在断裂的飞轮体的部分和/或颗粒1172对内封闭部1006进行撞击时将角动量传递至内组件。在内组件转动时，角动量会由于枢转支撑件1130处的摩擦力和/或由于位于环形部1021中的流体1170施加的粘性力而耗散。然而，来自定子线圈的定子引线阻碍该相对旋转。例如，从定子320延伸至外组件1074外侧的位置区域的定子引线1160(为了清楚起见仅示出了一条)妨碍内组件在枢转支撑件1030上的自由旋转。如本实施方式所示，定子引线通道穿过内封闭盖穿引部1162、穿过中间封闭盖穿引部1164、并且穿过外封闭盖穿引部1166。因此解除对内组件相对于外组件旋转的限制需要分离定子引线。下面描述定子引线分离装置1103。

图11B示出了定子引线联接部的透视图1100B，图11C示出了定子引线联接部的侧视图1100C。在附图中，定子引线联接部1103位于中间封闭盖1014与外封闭盖1012之间并且x-x轴线穿过盖子1012、1014、1016的中心。在多种实施方式中，定子引线联接部为易卸连接、爆炸联接(explosive coupling)、弹性连接、弹簧加压式联接、插接式连接、在运动部件之间使用导电材料的联接及类似联接中的任何形式。

在实施方式中，定子引线部包括插头1104和插槽1102。此处，定子引线1160穿过内封闭部穿引部1162(见图11A和图11C)、穿过中间封闭部穿引部1164并且导电地安装至联接插头1104。应当指出的是，在例如定子相具有多个绕组(示出了一个定子引线)的情况下，一条或多条定子引线可以附接至单个插头。当组装定子引线联接部时，联接插头被插入在联接插槽1102中。从外组件1074外侧的位置延伸的联接引线1168导电地安装至联接插槽1102。当上穿引部1166和下穿引部1162，1164的相对旋转使定子引线联接部承受拉力时，施加了致使定子引线联接部分离的作用力。如将会理解的那样，当施加大至足以将插头从插槽中拉出的力时，定子引线联接部将被分离。

在一些实施方式中，上穿引部1166和下穿引部1162、1164偏移了角度β﹥0，从而定子引线1160、定子引线联接部1103和联接引线1168大致沿着线1180延伸，所述线1180相对于与x-x轴线平行的线x1-x1成角度Φ。如所示，当外封闭盖1012相对于中间封闭盖1014和内封闭盖1016逆时针旋转时，定子引线联接部被拉紧。并且，如本领域普通技术人员将认识到的那样，β﹥0、Φ﹥0的角度布置(与设置β＝0、Φ＝0相比较)易于借助外封闭盖1012相对于内封闭盖1014和中间封闭盖1016的更小的相对旋转来分离联接部。

在一些实施方式中，多个定子引线联接部设计成在外封闭盖1012相对于内封闭盖1014和中间封闭盖1016旋转时交错分离。例如，一个实施方式包括多个定子引线联接部1103，其分别具有相应的定子引线1160和联接引线1168。每个定子引线穿过内封闭盖1016和中间封闭盖1014中的同一穿引部1162、1164，并且每个联接引线穿过外封闭盖1012中的同一穿引部1166。另外，每个定子引线和联接引线组合的长度与其它定子引线和联接引线组合的长度不同。如本领域技术人员将理解的那样，定子引线和联接引线组合的不同长度能够用于提供响应于封闭盖的相对旋转的定子引线联接部分离。

图11D示出了定子引线联接部的插头和插槽的实施方式1100D。定子引线1160导电地附接至联接插头1104，联接引线1168导电地附接至联接插槽1102。插头和插槽的配合形成导体1160、1168之间的电流通路。插头和插槽布置方式包括使用弹簧、弹性部件和重力。

在一种实施方式中，图11D中示出的插头和插槽依靠过盈配合来形成及保持电接触。例如，wp﹥ws和/或hp﹥hs可实现过盈配合。插头和插槽的配合也可采取其它过盈配合布置方式，比如突起和凹槽配合、圆锥连接配合和类似配合。

如本领域技术人员将理解的那样，插头和插槽被设计为使用导电材料，比如铜、铝、银、金、这些材料的合金及类似导电材料。在多种实施方式中，导电材料填充在插头和插槽之间的空间中和/或用于在组装之前覆盖一个或多个部件。导电材料包括导电性润滑剂和密封脂，比如片状石墨、金、沉积为薄层(厚约为0.1微米)的金与钴或镍(﹤1wt％，即“硬金”)的合金、钯镍和钯钴、聚苯醚(PPE)、包含锌或银的细粉的电力连接润滑脂及类似物。

如本实施方式所示，定子引线通路穿过内封闭盖穿引部1162、穿过中间封闭盖穿引部1164并且穿过外封闭盖穿引部1166。因此解除对内组件相对于外组件的旋转的限制需要使定子引线分离。下面描述定子引线分离装置1103。

图12A-E示出了使内组件自由地相对于外组件旋转的另一装置。此处，切割机构将定子引线分割成分离的部段，比如上部定子引线部段1168和下部定子引线部段1160。

图12A示出了带槽锥状切割件形式的第一切割机构。大致锥状或截顶锥状的切割件体1202具有切割端1203和非切割端1205。切割件体具有沿其全长的相对的槽1240，形成件体第一半部1226和件体第二半部1228，其在大致垂直于锥状体的轴线x-x平面中分别具有切割鄂部1206、1208。这些鄂部分别具有的相对的切割表面(比如切割凹口1216、1218)，当鄂部闭合时定子引线在切割凹口中被切断。

图12B的1200B示出了插入在图12A的切割机构中的定子引线。具体地，定子引线1230穿过锥状切割体并且穿过切割接纳件(比如以1204示出的筒状结构)。应当指出的是，在多种实施方式中，筒状结构表示任何尺寸适合的结构(比如中间封闭盖穿引部1164和外封闭盖穿引部1166)。在一些实施方式中，穿引部提供用于分离切割接纳件的底座。

实施方式中提供了定子引线与锥状切割件之间的联接，从而当定子引线移动时，锥柱切割件也移动。例如，附接至定子引线的块1232在其过大而无法穿过切割件的非切割端1205时提供这种联接。结果为切割件/块的干涉使切割件与定子引线一起移动。如图12B中所见，使定子引线穿过切割接纳件1204的定子引线运动1209将使锥状切割件被拉入到切割接纳件中。切割件与接纳件之间的干涉(dz2﹤dz1)将使切割件鄂部1206、1208闭合并切断定子引线。

图12C、图12D示出了锥状切割件和鄂部的细节1200C、1200D。图12C以透视图的方式示出了锥状切割件鄂部1206、1208，而图12D示出了打开的鄂部的俯视图1242、鄂部的侧视图1244和闭合的鄂部的俯视图1246。具体地，鄂部侧视图1244示出了鄂部的的重叠布置，这种重叠布置便于鄂部闭合。如本领域技术人员将理解的那样，能够使用与所公开的布置方式类似的许多锥状切割件布置方式来实现定子引线切割。

图12E中的1200E示出了销式鄂部定子引线切割件。此处，重叠的鄂部1256、1258在一侧接至枢轴1280，以便一个鄂部相对于另一鄂部进行相对运动。在正常打开位置1252中，鄂部环绕定子引线(未示出)所穿过的通道1272。在切割位置1254中，鄂部枢转以便开始关闭通道1274。在完全闭合位置1256中，通道被完全闭合1257，定子引线被完全切断。

销式鄂部切割件1200E的操作可以使用上述任何方法，包括与图12B相似的锥状类型的致动布置方式。还可以使用其它装置来驱动定子引线切割鄂部。例如，可以使用磁装置(例如，马达或螺线管)、气动装置(例如，气动马达或柱塞)、爆炸装置和动量装置来驱动切割件。在又一实施方式中，在定子引线与一个或多个切割件鄂部接触时，定子引线的运动将定子引线与鄂部接合，从而完成定子引线切割而不需要单独操作鄂部。

尽管上面已经描述了本发明的各种实施方式，但应当理解的是，这些实施方式仅是通过示例来描述且为非限制性的。对于本领域技术人员来说明显的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下能够在形式和细节上进行改变。这样，本发明的宽度和范围不应当被上述示例性实施方式限制，而是仅应当根据下述权利要求及其等同物的限定。

Claims (22)

1.一种机电飞轮安全系统，包括：内封闭部和外封闭部；飞轮体；

所述内封闭部包围所述飞轮体；

所述外封闭部包围所述内封闭部；

所述飞轮体的至少第一部分设计成在第一飞轮体转速时失效；

所述飞轮体的至少第二部分设计成在第二飞轮体转速时失效；并且，

所述第一飞轮体转速小于所述第二飞轮体转速，从而在飞轮体超速失效事件中，所述飞轮体的第一部分先于所述飞轮体的第二部分失效。

2.根据权利要求1所述的机电飞轮安全系统，其中，所述内封闭部设计成：可操作地抵抗由所述飞轮体的第一部分的失效造成的破裂，并且还可操作地抵抗随后的所述飞轮体的第二部分失效事件中的破裂。

3.一种机电飞轮安全系统，包括：内封闭部和外封闭部；飞轮体；

所述内封闭部包围所述飞轮体；

所述外封闭部包围所述内封闭部；

所述飞轮体包括位于外层之下的内层，所述内层和所述外层环绕飞轮体旋转轴线；

所述外层设计成在第一飞轮体转速时失效，所述内层设计成在第二飞轮体转速时失效；并且，

所述第一飞轮体转速小于所述第二飞轮体转速，从而在飞轮体超速失效事件中，所述外层先于所述内层失效。

4.根据权利要求3所述的机电飞轮安全系统，其中，所述飞轮体内层设计成存储的动能的量与所述外层所存储的动能的量大致相等。

5.根据权利要求3所述的机电飞轮安全系统，其中，所述内层被所述外层在周向上包围。

6.根据权利要求3所述的机电飞轮安全系统，还包括：枢转式支承件，所述枢转式支承件位于所述内封闭部与所述外封闭部之间；并且所述飞轮体的旋转中心线穿过所述枢转支承件。

7.根据权利要求6所述的机电飞轮安全系统，还包括：一个或多个弹性支承件，所述一个或多个弹性支承件位于由所述内封闭部和所述外封闭部限定的环形部中；

所述弹性支承件与所述枢转支承件间隔开；并且，

所述支承件被选择成对所述第一封闭部与所述第二封闭部之间的运动传递进行限制。

8.根据权利要求7所述的机电飞轮安全系统，其中，所述支承件中的至少一个包括粘弹性材料。

9.根据权利要求7所述的机电飞轮安全系统，还包括：位于所述内封闭部内的真空封闭部；

所述内封闭部为金属主承压封闭部，所述金属主承压封闭部设计成收容飞轮体超速失效的产物；并且，

所述真空封闭部为金属封闭部，并且与主承压封闭部侧壁的厚度相比，所述真空封闭部具有相对薄的侧壁。

10.根据权利要求7所述的机电飞轮安全系统，还包括：位于所述内封闭部内的金属真空封闭部；并且，

所述内封闭部包括环绕所述真空封闭部的碳纤维复合侧壁。

11.根据权利要求7所述的机电飞轮安全系统，还包括：

位于所述内封闭部内的金属真空封闭部；

能量交换块，所述能量交换块包括芯部组件以及旋转组件，所述芯部组件包括电动发电机定子，所述电动发电机定子具有定子支撑件和多条定子电引线；所述旋转组件包括电动发电机转子和飞轮体；并且，所述电动发电机转子环绕所述电动发电机定子。

12.根据权利要求11所述的机电飞轮安全系统，还包括：

分别用于所述内封闭部和所述外封闭部的间隔盖；

所述内封闭盖中的第一穿引部和所述外封闭盖中的第二穿引部；

位于所述封闭盖之间的可分离定子引线联接部；所述定子引线联接部提供定子电引线与联接引线之间的电流通路；所述定子引线在定子绕组和所述定子引线联接部之间延伸；所述定子引线穿过所述第一穿引部；所述联接引线在所述定子引线联接部与位于所述外封闭部外侧的位置之间延伸；所述联接引线穿过所述第二穿引部；并且，所述内盖和所述外盖的相对旋转可操地将所述可分离定子引线联接部分离。

13.根据权利要求12所述的机电飞轮安全系统，还包括：穿过所述封闭盖的中心的盖中心线；所述第一穿引部与所述第二穿引部之间的角度偏移；

所述偏移可操作地延长所述第一穿引部与所述第二穿引部之间的距离；

所述偏移可操作地使所述定子引线联接部和所述定子引线的邻接部分以及联接引线的邻接部分定向成：相对于与所述盖中心线平行的线成一角度；并且，

与没有角度偏移的情况相比较，所述偏移可操作地减少使所述可分离定子引线联接部分离所要求的所述内封闭部与所述外封闭部的相对旋转。

14.根据权利要求12所述的机电飞轮安全系统，还包括：多个所述定子引线联接部和相应的定子引线和联接引线；

所述定子引线中的每一条都穿过所述第一穿引部；

所述联接引线中的每一条都穿过所述第二穿引部；

每个定子引线和联接引线组合的长度都不同于其它的一个或多个定子引线和联接引线组合的长度；并且，

所述不同的长度可操作地使定子引线联接部的分离响应于所述内盖和所述外盖的相对运动而次序交错。

15.根据权利要求11所述的机电飞轮安全系统，还包括：

所述内封闭部和所述外封闭部的相应的间隔盖；

位于所述内封闭盖中的第一穿引部和位于所述外封闭盖中的第二穿引部；

定子引线，所述定子引线延伸穿过所述第一穿引部和所述第二穿引部；以及，

切割件，所述切割件构造成在所述定子引线于飞轮失效事件期间相对于封闭盖移动时切断所述定子引线。

16.根据权利要求15所述的机电飞轮安全系统，还包括分离机构，所述分离机构对切割件鄂部进行驱动以便切断所述定子引线。

17.根据权利要求16所述的机电飞轮安全系统，其中，所述分离机构包括锥状体，所述锥状体具有锥状体侧壁槽。

18.根据权利要求16所述的机电飞轮安全系统，还包括切割件鄂部，所述切割件鄂部构造成：切断在飞轮失效事件期间相对于封闭盖运动的定子引线而不需要使用单独的切割件驱动机构。

19.一种机电飞轮安全系统，包括：

第一嵌套封闭部、第二嵌套封闭部和第三嵌套封闭部；

能量交换块，所述能量交换块包括芯部组件以及旋转组件，所述芯部组件包括电动发电机定子和定子支撑件，所述旋转组件包括电动发电机转子和飞轮体；所述电动发电机转子围绕所述电动发电机定子；所述第三封闭部包围所述能量交换块，所述第二封闭部包围所述第三封闭部，所述第一封闭部包围所述第二封闭部；

枢转式支承件，所述的枢转式支承件位于所述第一封闭部与所述第二封闭部之间，所述旋转组件的旋转中心穿过所述枢转式支承件的运动接触点；

一个或多个弹性支承件，所述一个或多个弹性支承件位于由所述内封闭部和所述外封闭部限定的环形部中，所述弹性支承件与所述枢转支承件间隔开；并且，

所述支承件选择成对所述第一封闭部与所述第二封闭部之间的运动传递进行限制。

20.根据权利要求19所述的机电飞轮安全系统，其中，所述弹性支承件中的一个或多个包括粘弹性材料。

21.一种机电飞轮安全系统方法，包括如下步骤：

通过下述方式来减小使悬浮的电动发电机转子维持就位所需的电磁支承力：

提供通过电磁轴承而磁悬浮的电动发电机转子，

提供对包围所述转子的次封闭部进行包围的主封闭部，

借助位于所述封闭部之间的枢转支承件对所述次封闭部的重量进行支撑，以及

使用位于所述封闭部之间的环形部中的粘弹性支承件对所述封闭部之间的运动传递进行限制，所述粘弹性支承件与所述枢转支承件是间隔开的。

22.一种机电飞轮安全方法，包括：通过将飞轮体设计成经受由飞轮体转速确定的阶段中的结构失效来对与所述飞轮体失效相关联的能量进行限制。