CN109217550A - 飞轮能量存储系统 - Google Patents

Abstract

飞轮能量存储系统具有飞轮和单极机器。单极机器具有：转子，转子具有主体，该主体具有至少一个第一凸角及至少一个第二凸角；围绕转子主体的环形电枢线圈布置；定子，包括第一端部部分、第二端部部分及桥部分，其中第一端部部分和第二端部部分具有多个叠层，使得磁通能够沿径向和轴向行进，并且其中桥部分具有多个叠层，使得磁通能够在围绕第一端部部分和第二端部部分之间的桥部分的弧形路径中行进；位于定子和转子之间的超导体场线圈，其中超导体场线圈包括高温超导(HTS)材料；以及电磁屏蔽件，其定位在超导体场线圈和电枢线圈布置之间，电磁屏蔽件配置成限制交变场从电枢绕组通过而到达超导体场线圈。

Description

飞轮能量存储系统

技术领域

本发明涉及单极的飞轮能量存储系统。

背景技术

飞轮能量存储系统用于各种应用以便进行功率平均。在低需求阶段期间，能量存储在飞轮中，而在高峰需求阶段期间，能量从飞轮中汲取。用于高效飞轮能量存储系统的可能应用包括：

·电气列车，其在加速期间从飞轮汲取能量以及在减速期间将制动能量返回到飞轮；

·滚轧机，其当钢坯通过辊时从飞轮汲取能量；

·电池，其用于在白天期间存储太阳能并且在夜晚期间汲取太阳能；

·风力涡轮发动机，其用于在风力高峰阶段期间存储多余功率并且在风力贫乏阶段期间抽取多余功率；

·本地电功率网，其用于在夜晚期间存储更便宜的功率并且在白天期间在高峰速率期间使用所述功率；以及

·电池，其用于给市区/郊区总线传输系统供电—与常规电池不同，其可在几秒内对飞轮进行再充电。

常规的飞轮能量存储系统具有连接到一个或多个飞轮的转子，以及用于将能量传输进出转子的马达/发电机。转子包括一个或多个永磁体，以及电流经由铜线被传输到系统或从系统传输。

常规的飞轮系统具有使它们不经济和/或不实用的几个缺陷。

适于上述应用的飞轮系统需要能够应付当能量被引入系统时的大电流。这需要大量铜导体，增加系统的体积。另外，能量通过在铜中产生热量而被损耗。

现有系统的转子中使用的高强度永磁体是相对脆性的。这在磁体没有失效的情况下限制了转子的旋转速度。磁体脆性损坏是安全问题。

由于在转子中经历的交变磁通导致转子主体及其铜线圈或者铜鼠笼条发热，常规的感应马达/发电机也遭受损耗。

已经提出利用超导元件的高效飞轮能量存储系统。超导元件具有非常高效的潜力，因为在超导元件中的损耗几乎为零。唯一有显著损耗的元件关联于制冷机系统用于将超导元件保持在其预期的工作温度而消耗的功率。

电机的功率P与它的转子激励场B和旋转速度ω两者成正比。因此高功率密度机器必须以非常高的速度旋转大磁场。铜线圈不可能可行地产生高于～1.5T的磁场。另外，由于过高的离心应力以及处理功率和冷却系统界面的挑战，对于附着到转子上的有效线圈，超过15,000 转/分的速度是不可能的。

商业上生产的高温超导体(HTS，High Temperature Superconductor)线的最近出现已经根本上改变了超导机器的成本度量和技术可行性两者。 HTS线在高达到93K的温度超导，使得机械制冷机能够结合气体交换冷却使用。这消除了与旋转液体制冷剂相关的许多问题，而升高的工作温度提供“热余量(thermal head-room’)”，进一步提高系统稳定性。

本发明的至少一个优选实施例的对象的目的是提供飞轮能量存储系统，其提供高的电效率。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供飞轮能量存储系统，其包括：

飞轮；以及

单极机器，其包括：

转子，其可操作地连接到飞轮并且布置成围绕纵向轴线旋转，转子包括主体，所述主体具有在主体的第一端部处或者朝向主体的第一端部的至少一个第一凸角，以及在主体的相对第二端部处或者朝向主体的相对第二端部的至少一个第二凸角，其中一个或多个第一凸角从一个或多个第二凸角旋转偏移；

围绕转子主体的环形电枢线圈布置，该电枢线圈布置包括多个电枢绕组；

定子，其围绕电枢线圈布置的至少一部分，该电枢线圈布置围绕转子主体，其中定子包括与转子的一个或多个第一凸角关联的第一端部部分，与转子的一个或多个第二凸角关联的第二端部部分，以及在定子的第一端部部分和第二端部部分之间延伸的桥部分，其中第一端部部分和第二端部部分包括多个叠层，所述叠层布置成使得磁通能够沿径向和轴向行进，并且其中桥部分包括多个叠层，所述叠层布置成使得磁通能够在围绕第一端部部分和第二端部部分之间的桥部分的弧形路径中行进；

位于定子和转子之间的超导体场线圈，其中超导体场线圈包括高温超导(HTS)材料；以及

电磁屏蔽件，其定位在超导体场线圈和电枢线圈布置之间，电磁屏蔽件配置成限制交变场从电枢绕组通过而到达超导体场线圈。

在一个实施例中，延伸通过第一凸角的平面与延伸通过第二凸角的平面非共面。

在一个实施例中，转子包括至少两个第一凸角和至少两个第二凸角。在一个实施例中，转子包括三个、四个或更多个第一凸角和三个、四个或更多个第二凸角。

在一个实施例中，定子的第一端部部分定位在转子的第一凸角的径向外侧，以及定子的第二端部部分定位在转子的第二凸角的径向外侧。

在一个实施例中，电磁屏蔽件包括大致环形的主体，其定位在超导体场线圈的径向内侧，并且其定位在电枢线圈布置的邻近电磁屏蔽件的一部分的径向外侧。在一个实施例中，电磁屏蔽件还包括定位在环形主体的第一端部处或者邻近环形主体的第一端部的第一端壁，以及定位在环形主体的相对第二端部处或者邻近环形主体的相对第二端部的第二端壁，第一端壁和第二端壁从环形主体径向向外延伸以便在超导体场线圈的端部的至少一部分上延伸。在一个实施例中，电磁屏蔽件的第一端壁和第二端壁在超导体场线圈的整个端部上延伸。

在一个实施例中，超导体场线圈定位在恒冷器腔室内，并且隔热材料设置在恒冷器腔室和电磁屏蔽件之间。

在一个实施例中，电磁屏蔽件包括铜或者其它低电阻率材料。

在一个实施例中，定子包括凹部，并且超导体场线圈和电磁屏蔽件位于凹部内。在一个实施例中，凹部定位在桥部分的径向内侧。在一个实施例中，凹部由桥部分和定子的端部部分限定。

在一个实施例中，定子的第一端部部分和第二端部部分的叠层的径向内边缘限定用于接收电枢线圈布置的孔。在一个实施例中，电枢绕组的部分设置成与定子的第一端部部分和第二端部部分的叠层的径向内边缘接触或者紧邻于定子的第一端部部分和第二端部部分的叠层的径向内边缘。

在一个实施例中，定子的第一端部部分和第二端部部分别包括纵向和径向取向的多个基本上平坦的叠层。在一个实施例中，端部部分分别包括多个叠层的大致楔形或者梯形构件。在一个实施例中，端部部分分别包括多个叠层块，其中至少部分叠层构件与至少部分叠层块交替。在一个实施例中，至少部分叠层构件具有相对长的径向尺寸，以及至少部分叠层块具有相对短的径向尺寸，其中径向尺寸的差异提供在第一端部和第二端部的径向内边缘处的多个齿和槽，并且其中电枢绕组的部分容纳在槽内。在一个实施例中，所有叠层构件都具有相对长的径向尺寸，以及至少部分叠层块具有相对短的径向尺寸。

在一个实施例中，所有叠层构件都与叠层块交替。

在一个实施例中，在桥部分中的叠层布置成使得磁通能够在通过从定子的一端部到定子的另一端部的桥部分的螺旋路径中行进。在一个实施例中，在桥部分中的叠层布置成使得磁通能够围绕定子约90度并沿着定子的长度行进，以便提供从转子的第一凸角之一到转子的第二凸角之一的磁通路径。

在一个替代实施例中，电枢绕组可以是螺旋形的，并且磁通可围绕定子行进约0度。

在一个实施例中，在桥部分中的叠层是同心的环形叠层。

在一个实施例中，在桥部分中的叠层是螺旋形的叠层。

在一个实施例中，在端部部分和桥部分中的叠层包括铁材料。

在一个实施例中，电枢线圈布置包括单层电枢绕组。

在一个实施例中，电枢线圈布置包括双层电枢绕组。

在一个实施例中，飞轮能量存储系统包括可操作地连接到转子的两个分隔开的飞轮。

在一个实施例中，一个或多个飞轮包括碳纤维增强聚合物材料。飞轮也可由其它材料做成制成，以实现预期应用的目的。

在一个实施例中，转子和一个或多个飞轮可由超导轴承旋转地支撑。在一些实施例中也可利用非超导轴承。

在一个实施例中，飞轮能量存储系统还包括选择性地激励超导体场线圈的电流引线。

在一个实施例中，飞轮能量存储系统设置成与磁通泵组合以便选择性地激励超导体场线圈。

如在本说明书和权利要求中所用，术语“包括”意味着“至少部分地包括”。当在本说明书和权利要求中解释包含术语“包括”的陈述时，在每一陈述中也可存在除了前面具有该术语的特征以外的其它特征。相关术语诸如“包含”和“被包括”将以类似的方式解释。

本发明的任何上述方面可包括关于本发明的任何其它方面的在上面或者在此概述的任何一个或多个特征和/或功能。另外，任何上述方面可以合适的一种或多种组合(诸如关于其它方面概述的组合)提供，以便提供所需功能。

预期的是对在此公开的数值范围(例如，1至10)的提及也包含对在该范围内的全部有理数(例如，1、1.1、2、3、3.9、4、5、6、6.5、7、8、 9和10)以及在该范围内的任何有理数范围(例如，2至8、1.5至5.5和 3.1至4.7)的提及，并且因此本文明确公开的全部范围的全部子范围由此被明确地公开。这些只是被具体预期的示例，在列举的最低值和最高值之间的数值的全部可能组合都将被认为是在本申请中以类似的方式被明确地陈述。

本发明也可被广义地说成是单独地或者集合地包括在本申请的说明书中提及或指示的部分、要素和特征以及任何两个或更多个上述部分、要素或者特征的任何组合或者全部组合，并且其中具体的整数在此被提及，其在本发明所涉及的领域中具有已知的等同物，这样的已知的等同物被认为是并入到本文中，如单独阐述一样。

如本文使用的那样，继名词之后的术语“(s)”意味着该名词的复数形式和/或单数形式。

如本文使用的那样，术语“和/或”意味着“和”或者“或”，或者在上下文允许的情况下意味着两者。

本发明包括上述内容以及还设想下文只给出示例的结构。

附图说明

现在将仅通过示例的方式并且参考附图描述本发明，其中：

图1示出飞轮能量存储系统的第一实施例的透视剖视图；

图2示出飞轮能量存储系统的端视图和侧视剖视图；

图3示出飞轮能量存储系统的转子的透视图，其中为了清楚起见省略轴的端部；

图4示出飞轮能量存储系统的转子、定子、超导体场线圈和电枢线圈布置的透视剖视图；

图5示出飞轮能量存储系统的超导体场线圈的细节视图；

图6A示出飞轮能量存储系统的定子的透视图；

图6B示出定子的桥接部分的透视图；

图7A示出飞轮能量存储系统的电枢线圈布置的透视图；

图7B示出飞轮能量存储系统的替代性电枢线圈布置的透视图；

图8A示出图7A所示电枢线圈布置的绕组布置的示意图；

图8B示出在一个极距内串联的两个电枢绕组的示例性布置；

图8C示出以适合四个极距的波状方式连接的A相电枢绕组的示例性布置；

图9A示出通过图7A所示电枢线圈布置的转子和定子的2D磁通路径；

图9B示出通过图7B所示电枢线圈布置的转子和定子的2D磁通路径；

图10A示出关于图7A所示电枢线圈布置的转子和电枢绕组的磁通路径的透视图；

图10B示出关于图7A所示电枢线圈布置的转子的磁通路径的透视图；

图11A示出磁通泵的示意图；

图11B示出磁通泵的一部分的横截面；

图12A示出使用飞轮能量存储系统的示例性电气列车系统当列车离开车站时的响应；以及

图12B示出使用飞轮能量存储系统的示例性电气列车系统当列车到达车站时的响应。

具体实施方式

以下描述本发明的示例性实施例。

在一些实施例中，飞轮能量存储系统包括：

飞轮；以及

单极机器，其包括：

转子，其可操作地连接到飞轮并且布置成围绕纵向轴线旋转，转子包括主体，所述主体具有在主体的第一端部处或者朝向主体的第一端部的至少一个第一凸角，以及在主体的相对第二端部处或者朝向主体的相对第二端部的至少一个第二凸角，其中一个或多个第一凸角从一个或多个第二凸角旋转偏移；

围绕转子主体的环形电枢线圈布置，该电枢线圈布置包括多个电枢绕组；

定子，其围绕电枢线圈布置的至少一部分，该电枢线圈布置围绕转子主体，其中定子包括与转子的一个或多个第一凸角关联的第一端部部分，与转子的一个或多个第二凸角关联的第二端部部分，以及在定子的第一端部部分和第二端部部分之间延伸的桥部分，其中第一端部部分和第二端部部分包括多个叠层，所述叠层布置成使得磁通能够沿径向和轴向行进，并且其中桥部分包括多个叠层，所述叠层布置成使得磁通能够在围绕第一端部部分和第二端部部分之间的桥部分的弧形路径中行进；

位于定子和转子之间的超导体场线圈，其中超导体场线圈包括高温超导(HTS)材料；以及

电磁屏蔽件，其定位在超导体场线圈和电枢线圈布置之间，电磁屏蔽件配置成限制交变场从电枢绕组通过而到达超导体场线圈。

·总体说明

图1和图2示出飞轮能量存储系统101，其包括两个飞轮201、203和单极机器，其可作为单极马达/发电机操作。该能量存储系统适于高功率、快速充电和放电的应用。

在一个示例性实施例中，高达6.7千瓦时的能量被存储在以高达25,000 转/分旋转的325千克的无摩擦的旋转质量中。

在一个示例性实施例中，高达500千瓦被提供到能量存储系统。在最大负载下，其花费48秒给系统充满电。

在示例性实施例中，866V三相以高达360A供应以便以约0.99的功率因数供应535千瓦的功率。

·操作模式

飞轮能量存储系统101将电能存储为在旋转飞轮201、203中的动能。该机器具有三种操作模式：

1.马达，其中电能添加到系统，导致飞轮201、203加速；

2.存储，其中电路断开并且飞轮201、203以固定速率旋转；以及

3.发电机，其中电能从系统移除，导致飞轮201、203减速。

·飞轮概述

飞轮201、203存储系统中所存储能量的大部分。因为输入到系统的总能量中只有一半被传递到每个飞轮201、203，所以双飞轮布置降低轴205 的所需尺寸。

·轴承概述/腔室概述

该系统的所有旋转元件都被容纳在共用的抽空的真空腔室301内，并且由无摩擦的、无接触的、悬浮的超导轴承303、305可旋转地支撑。超导轴承303、305利用Ⅱ型超导体的磁通钉扎效应。该系统中由于摩擦导致的唯一能量损耗是由于真空腔室不是绝对真空而造成的风阻损耗。

·超导体场线圈概述

在能量存储系统的中心是单极的马达/发电机，其包括超导体场线圈 401、转子501、定子601和电枢线圈布置701。图4示出单极马达/发电机的剖视透视图。

超导体场线圈401提供永久的(恒定)直流磁场，其磁化转子501。当作为发电机操作时，转子501旋转，从而由电枢线圈布置701经历旋转磁场，使得电枢绕组703在电枢绕组703中产生电压。当作为马达操作时，电枢绕组产生旋转磁场，当其移动到将其磁取向与旋转磁场的磁取向对准时，其在转子501处产生扭矩。

如本文使用的那样，术语“永久磁场”指超导场线圈被激励时的磁场取向和强度。在机器操作期间不改变方向或强度的磁场被认为是“永久的”。

·转子概述

转子501可操作地连接到飞轮201、203，并且布置成围绕纵向轴线L- A旋转。转子501由实心的铁或者其它合适的铁磁性材料制成并且与超导体场线圈401同轴。当转子501旋转时，其暴露于来自超导体场线圈401 的恒定磁场。这导致转子501表现为它好像是永磁体那样，其中北极在一端部上以及南极在另一端部上。

·定子概述

转子501在定子601内旋转。定子601设置在转子501的径向外侧。定子601由叠层的铁制成并且提供低磁阻磁通路径，以便完成从转子501 的一端部到另一端部从一组凸角到另一组凸角的磁路。因为转子凸角503、505旋转偏移，所以通过定子601的磁通路径是螺旋形的。定子具有叠层布置，以便降低磁阻并且最小化涡电流，以及因此最小化发热和损耗。

·电枢线圈布置概述

环形的电枢线圈布置701围绕转子501的主体。电枢线圈布置701包括多个电枢绕组703。电枢线圈布置701包括由绞合线制成的电枢绕组703。电枢绕组703在三个电路内串联连接以便接收和产生三相功率。

当作为发电机操作时，转子501的旋转导致每个电枢绕组由转子凸角 503、505通过，导致产生电压。当交替的一个或多个北极凸角503和一个或多个南极凸角505通过每个电枢绕组703时，在每个电枢绕组703中产生交变电压。在电枢绕组703侧的一半中产生的电压具有与在电枢绕组703 的另一半中产生的电压相反的极性。因为转子凸角偏移90度(在本文所述的示例中)，在转子凸角下产生的电压比没有凸角的地方产生的电压高得多。在电枢绕组703的各侧中产生的净电压是这两个电压之间的差值。

当作为马达操作时，交流电流被供应给电枢绕组703以便产生旋转磁场。转子501保持为永磁体，并且当转子501旋转以便使其磁场与电枢绕组703的旋转磁场对准时产生扭矩。

·飞轮和轴-细节

现在将更详细地描述如图1中所示的飞轮能量存储系统101的实施例。

两个分隔开的飞轮201、203可操作地连接到转子501。飞轮201、203 刚性地附接轴205，并且动能主要由飞轮201、203存储，并且在较小程度上由轴205和其它旋转部件存储。飞轮201、203与单极马达/发电机的任一侧的对称布局减小所需的轴205尺寸，因为传递进出马达/发电机的能量中只有一半被传递到每个飞轮201、203。轴205的不对称特征是为了组装目的。

在一个示例性实施例中，轴205由钢制成。轴205可由具有合适强度的任何其它材料制成，诸如碳纤维增强聚合物(CFRP)。在一个示例性实施例中，飞轮201、203包括碳纤维增强聚合物(CFRP)材料。CFRP适于承受在转子和轴的高旋转速度下(诸如25,000转/分)的向心力。飞轮201、 203可由可承受所需力的任何其它合适材料制成，例如高屈服强度材料，诸如康铜(铜镍合金)。

在一个替代实施例中，可使用单个飞轮。

·轴承-细节

超导轴承303、305是无源的并且不需要像在常规的磁性无接触轴承中的情况那样用控制系统或者能量输入来产生磁场。

轴承303、305具有两个主要的部分：旋转部件，其刚性地附接到轴205 并由一个或多个永磁体制成；以及静止部件，其刚性地附接到真空腔室301 的壁并由用Ⅱ型超导体制成的一个或多个超导元件构成。一个或多个永磁体可以是适当的强磁体，例如钕磁体。另外，存在可伸缩的支撑销(未示出)，其在试运行期间支撑轴205，以及存在保持超导元件温度的制冷机。

轴承操作依赖存在于Ⅱ型超导体中的磁通钉扎效应。这种效应导致在该超导体内产生电流，其阻止在围绕并且穿透超导体的磁场的变化。

每个轴承303、305的旋转部件具有轴向对称的磁场。这意味着轴承的超导元件不阻止轴205的轴向旋转(因为该旋转不改变超导体处的磁场强度或者方向)，但是将阻止任何其它运动。

在一个示例性实施例中，轴承的静止部件有多块超导体，其以旋转对称的布置围绕旋转部件。磁通钉扎效应抵抗磁场强度的增加和减少以及取向的变化。超导块的布置意味着每个块都支撑轴205。轴承303、305用作推力和径向轴承(它们均提升和定中轴205)。

飞轮能量存储系统101可通过轴205安装在如图1中所示的垂直取向中。在垂直取向中，两个轴承303、305预期用作推力轴承，并且支撑旋转部件的一半重量。备选地，飞轮能量存储系统101可在不同的取向上安装，例如水平取向。

轴承的旋转部件在所有方向上与静止部件径向分离，产生无摩擦的轴承。为了轴承试运行，轴205最初保持在轴承的中心内，由可伸缩的支撑销支撑。超导元件然后在暴露于磁体的磁场时在公知为“场冷却”的过程中被冷却到它们的工作温度。然后移除支撑销，并且磁通钉扎效应使得轴 205能够悬浮在位并且围绕其轴线无摩擦地旋转。

场冷却位置设定轴205的工作位置。轴承保持轴205位置作为场冷却位置。如果轴205在场冷却期间未正确地在轴承的中心对准，则轴205将在使用中不会正确地对准。这意味着轴205位置的位置公差依赖可伸缩支撑销的位置而不依赖于轴承壳体。如果轴205更靠近于静止轴承部件的一侧定位，则轴205的重量将不由所有超导元件同等地承载；更接近于轴205 中心的元件在场冷却期间将暴露于更高的场，并且将承载轴205的更多重量。在试运行期间修改轴205工作位置而不修改操作硬件的能力也应用于轴205的非轴向旋转，以及轴205的轴向平移。

由于足够大的力，有可能克服冷却后的超导元件的磁通钉扎效应以及在冷却之后将轴205重新定位，在该点处轴承将继续工作，如同轴承是在轴205位于新位置时进行场冷却，然而这不是预期的试运行方法。

轴承303、305的超导元件经由它们所刚性附接到其的铜热链路而进行低温传导冷却。轴承303、305具有比超导体场线圈401更高的传导性加热，因为轴承303、305必须将旋转部件的重量传递到真空腔室301的壁，导致大的传热通路。轴承303、305相对于超导体场线圈401被单独冷却，因为它们能在相对高温下操作。

任何其它合适的无摩擦轴承可用于可旋转地支撑轴205。也可利用摩擦轴承以便于适合给定的应用。

·超导体场线圈-细节

超导体场线圈401位于定子601和转子501之间，并且处于在定子601 和电枢线圈布置701之间所示的形式下，并且在图5中更详细地示出。超导体场线圈401沿轴向位于电枢线圈布置701的中点处。

在一个替代实施例中，超导体场线圈401位于转子501和电枢线圈布置701之间。在该实施例中，超导体场线圈401可基本上如图中所示定位，并且电枢线圈布置701可成形为径向向外通过超导体场线圈401。备选地，超导体场线圈401可位于转子501的凸角503、505之间，并且电枢线圈布置701可基本上如图中所示成形。

超导体场线圈401由高温超导(HTS)材料制成，并且可被接通和关断。当超导体场线圈401被接通时，它产生永久的直流磁场。因为超导体场线圈401是超导回路，保持大的永久磁场只需要极少引入的能量，因为线圈具有最小的电阻或者其它损耗，并且一旦被激励则实际上是无源的。

在示例性的实施例中，超导体场线圈401由通过传导性冷却环405分开的两个盘形缠绕环形超导线圈403构成。冷却环405由适当的传导材料 (诸如铜)制成。可使用由传导性冷却环405分开的任何数量的超导线圈 403。线圈403被串联以便产生附加的场回路。因为回路是超导的，所以直流电流将无限地连续流动而不劣化，只要线圈被保持低于临界温度以便保持材料的超导性。连续流动的电流形成恒定和永久的磁场而没有附加的能量增加到该系统，不像常规的线圈磁体的情况那样。与具有相同体积或者重量的常规线圈磁体可能产生的磁场相比，超导场线圈产生大得多的磁场，并且可通过从线圈中汲取电流或者加热超导体而被关断或者减弱。

超导体场线圈401包括合适的HTS材料。一种示例性的超导体场线圈 401包括ReBCO，并且具有24匝。当机器在全负载操作时该超导体场线圈承载317A，以便提供总共7,600安培-匝。备选地，线圈401可包括替代性的HTS材料，诸如DI-BSCCO。线圈也可包括不同的匝数并且在全负载时承载不同的电流以便提供所需的总安培-匝。

超导体的工作电流/临界电流比率小于或等于约50％。低的工作电流/临界电流比率有助于降低交流损耗，并且将突然停顿的机会减到最小。

在一个实施例中，线圈401包括第二代(2G)涂覆的导体HTS材料 (例如，ReBCO)。该材料以带子或者条带形式提供，并且包括在条带基材上的超导体薄漠。示例性的2G HTS材料包括在为4毫米、5毫米、10毫米或者12毫米宽的60微米上的2微米超导层。这使得铜包装的第2代条带具有12毫米×0.1毫米的长宽比。

2G HTS超导体材料提供宽的但是非常薄的线圈材料，其能处理非常高的磁场密度。高的场密度提供高的输出功率和高的功率质量比。如下文更详细描述的那样，系统包括电磁屏蔽件411/412。电磁屏蔽件减弱来自电枢线圈布置701的交流场，否则该交流场可导致超导体场线圈401内的交流损耗。交流损耗会劣化超导体场线圈401的性能并且增加对制冷机的冷却功率需求。该系统还包括在定子601中的叠层，其布置成提供系统的效率和易操作性。

在相邻的超导线圈403之间的连结是低电阻的，但不是超导的。因为上述，在磁体操作时在经过一段时间后电流将有小的劣化，并且电流将需要外部电源来填平。

超导体场线圈401被放在恒冷器腔室407内，并且通过传热构件408 低温传导冷却，传热构件408通过定子601中的开口从制冷机/真空腔室界面延伸。线圈的传导冷却简化了线圈在定子601内的结构，并且将线圈容纳在真空内将隔热要求降低到只针对辐射。

将场线圈401冷却到低温允许更多电流流动而不在超导体内被阻止，但是需要来自制冷机的指数级增长的更多能量。为了使冷却效率最大化，承载大电流的超导体场线圈401相对于轴承303、305通过单独的冷却系统冷却，该轴承能够在相对高温下操作。超导体场线圈401的示例性工作温度是50K。

适于恒冷器腔室407的示例性材料是不锈钢。不锈钢在低温温度具有低的热导率，并且它的高反射率防止辐射加热。

恒冷器腔室407经由从定子601中的端口突出的隔热支撑杆427(在图2中示出)安装到真空腔室301。与将恒冷器安装在定子601上相比，这减少了热传递。

恒冷器腔室407由隔热材料409围绕。由于超导体场线圈401和恒冷器腔室407悬挂在真空腔室301内部，隔热材料409主要将超导体场线圈 401与辐射热量隔绝。示例性的隔热材料409是多层隔热(MLI)材料，例如由在一侧或者两侧上用铝涂覆的聚酰胺薄膜层组成。示例性的MLI材料是CAPLINQ Linqstat^TM PIT1N-Alum系列材料。

流入到电枢绕组703中的交流电流产生交变磁场。超导体场线圈401 暴露于交变磁场将导致迟滞和涡电流加热以及电流承载能力的减弱，使得所产生的永久磁场的大小变小，并且增加对制冷机的热需求。

为了解决上述问题，电磁屏蔽件411/412位于超导体场线圈401和电枢线圈布置701之间。电磁屏蔽件减弱来自电枢线圈布置701的交变场。电磁屏蔽件411/412配置成限制交变场从电枢绕组703通过而到达超导体场线圈401。电磁屏蔽件411/412吸收由转子501的旋转和/或在电枢绕组 703中行进的电流所产生的交变磁场，以便超导场线圈401暴露于最小的交流场。电磁屏蔽件411/412通过允许形成涡电流而吸收交变磁场。

在所示的实施例中，电磁屏蔽件411/412是导热材料制成的大致环形主体。当在该系统的轴向方向上观察时，大致环形的电磁屏蔽件主体可以具有任何合适的横截面形状。例如，该横截面形状可以是圆形。备选地，横截面形状可以是刻面的多边形，例如六边形或者八边形。

U形通道412用于容纳线圈403和隔热材料409。隔热材料409设置在恒冷器腔室407和U形通道412之间。在一个实施例中，U形通道的主要目的是用于容纳线圈403，并且U形通道412的底部部分413衬有具有矩形横截面的电磁屏蔽件411，在图5中用虚线示出。在该实施例中，U形通道412可由不锈钢制成。电磁屏蔽件411由铜材料制成。在替代实施例中，电磁屏蔽件可由其它的低电阻率材料制成，例如金或者银。

在一个替代实施例中，U形通道412可由合适的低电阻率材料形成，以便U形通道412用于实现容纳线圈403和隔热材料409并且用作电磁屏蔽件的双重目的。同样，U形通道412可大致是环形的，并且可具有对于电磁屏蔽件411在上文概述的横截面形状。在图中所示的实施例中，U形通道412是电磁屏蔽件，并且不使用单独的电磁屏蔽件411。

图5中所示的U形通道412具有三个部分413、415、417。环形主体 413定位在超导体场线圈401的径向内侧并且定位在邻近环形主体413的电枢线圈布置701的一部分的径向外侧，其主要防止在电枢绕组703中的电流产生磁场。

第一环形端壁415定位在环形主体413的第一端部处或者邻近环形主体413的第一端部，以及第二环形端壁417定位在环形主体413的相对第二端部处或者邻近环形主体413的相对第二端部。第一端壁415和第二端壁417从环形主体413径向向外延伸以便在超导体场线圈401的端部的至少一部分上延伸。在所示的实施例中，U形通道412的第一端壁415和第二端壁417在超导体场线圈401的整个端部上延伸。第一端壁415和第二端壁417主要保护防止受到定子601中磁场的影响。第一端壁415和第二端壁417是可选的，因为定子601中的磁场基本上是直流的，并且比在由电枢绕组中的电流所产生的交流磁场低。

在其中超导体场线圈401位于转子501和电枢线圈601之间的替代性实施例中，环形主体413位于超导体场线圈401的径向外侧以及定位在电枢线圈布置701的一部分的径向内侧。

在其中超导体场线圈401基本上如图中所示定位的实施例中，电枢线圈布置701成形为径向向外通过超导体场线圈401，电磁屏蔽件将需要基本上围绕超导体场线圈401邻近电枢线圈布置701的部分。合适的电磁屏蔽件412包括U形配置的环形主体413与第一端壁415和第二端壁417。

在其中超导体场线圈401位于转子501的凸角503、505之间以及电枢线圈布置701基本上如图中所示成形的实施例中，具有类似于屏蔽件411 形状的电磁屏蔽件可以是合适的。

超导体场线圈401将在机器的试运行期间被激励，并且可能需要在操作期间的小连续电流，或者被偶尔填平到全电流。这是由于来自在邻近的线圈403和电磁屏蔽件411/412之间的连结缺陷而产生的损耗。在如图2中所示的实施例中，试运行和维护电流由电流引线421提供，其选择性地激励超导体场线圈401。示例性的电流引线包括铜电流供应线缆。然而，铜线缆产生从低温超导体到环境功率供应的大的传热路径。在替代实施例中，试运行和维护电流由超导磁通泵提供。该磁通泵无线地将功率从环境传递到低温温度，并且将功率传递通过真空腔室301壁，而不需要馈通，降低了在超导体场线圈的制冷机上的热负载。

·磁通泵

在WO 2016/024214中公开类型的超导磁通泵可用来激励超导体场线圈。其说明书的内容由此通过引用的方式以其全文并入本文。

超导磁通泵使用电磁感应来在超导回路内产生电流而不需要到回路的物理连接。术语“磁通泵”包括宽泛范围的装置，其在大的超导材料内引起持久性的体积磁化，或者产生围绕超导回路流动的净电流。

图11A示出在WO 2016/024214中公开的示例性超导磁通泵的示意图。该超导磁通泵用来激励超导体场线圈401，超导体场线圈401形成超导回路920的一部分，其被封装在真空腔室301内。超导回路920包括超导线圈403以及一个或多个超导元件901，超导元件901设置在磁通泵定子轭 915附近或部分设置在磁通泵定子轭915内。超导回路封装在恒冷器(未示出)内并且被冷却到超导温度。

磁通泵包括至少一个磁通泵转子911和磁通泵定子921，它们通过间隙906分隔开，真空腔室301的壁930延伸通过间隙906。磁通泵转子911 设置在真空腔室301的外部，以及磁通泵定子921设置在真空腔室301的内部。磁通泵转子911至少部分包括铁磁性轭916，以及磁通泵定子921至少部分包括铁磁性轭915。间隙906的大小为磁通泵转子911的磁场产生元件912a、912b和磁通泵定子921的超导元件901之间的最小距离。

磁通泵包括由磁通泵转子911承载的一个或多个磁场产生元件912a、 912b，以提供跨过间隙906以便穿透与磁通泵定子921相关的超导元件901 的磁通。磁通泵转子911和磁通泵定子921的该对铁磁性轭915、916共同形成低磁阻的磁回路，其给由磁场产生元件912a、912b产生的磁通提供路径，以便跨过间隙906并且穿透超导元件901，然后返回到磁通泵转子轭 916而不第二次穿透超导回路920。

在一个实施例中，定子轭915包括集中磁通的铁磁性突出部922a、922b，其定位在磁场产生元件912a、912b的对面。

超导元件901通过在磁通泵转子911和磁通泵定子921之间的间隙 906，在该处超导元件901暴露于由磁场产生元件912a、912b提供的集中的磁通线940。在所示的实施例中，超导元件901首先从磁通泵定子921的周围进入间隙906，然后通过在磁通泵定子轭915内形成的出口开口923离开间隙906。因此超导元件901在一个方向上但不在另一个方向上在磁通泵转子911的场产生元件912a、912b和磁通泵定子921的铁磁性突出部 922a、922b之间通过。出口开口或者孔923包括较高磁阻区域，其使得超导元件901能够在低的相反磁场或者没有相反磁场情况下离开磁通泵定子 921。然后在通过另一开口923之后它重新进入间隙906，并且从磁通泵定子921的相反端部离开间隙。

磁通泵转子911由电动马达913驱动。当磁场产生元件912a、912b移动经过磁通泵定子921的铁磁性突出部922a、922b时，施加在超导元件 901表面处的磁通大于B_pen，其中B_pen是超导体的磁通穿透所需的最小施加磁场。当磁场产生元件912a、912b相对于超导元件901移动时，磁通漩涡进入超导元件901的一侧，并且随后从另一侧离开。这导致通过超导元件 901的磁通线940的净流量，其导致净电流围绕超导回路920被泵送，由此激励超导体场线圈401。

图11B示出超导磁通泵的实施例的一部分的横截面。磁通泵转子911 由马达913驱动以便围绕轴线914旋转并且使得磁场产生元件912a、912b 扫掠经过磁通泵定子921以使得磁通线940穿过超导元件901，因此驱动电流围绕超导回路920流动。

·转子-细节

图3示出转子501。转子501包括主体502，所述主体502具有在主体的第一端部处或朝向主体的第一端部的至少一个第一凸角503以及在主体的相对第二端部处或朝向主体的相对第二端部的至少一个第二凸角505。优选地，转子具有两个或更多个第一凸角和两个或更多个第二凸角以便提供旋转对称性。第一凸角503从第二凸角505旋转偏移，以使得延伸穿过第一凸角503的平面与延伸穿过第二凸角505的平面非共面。在所示的实施例中，转子501的每个端部包括彼此隔开180度的两个凸角。第一端部的凸角从第二端部的凸角旋转偏移90度。在替代实施例中，在每个端部处或朝向每个端部可存在一个、三个、四个或者更多个凸角。

凸角电偏移约90度(在相位时间中)，以便提供通过电枢绕组703的所需磁通路径。在包括三个、四个或更多个凸角的转子实施例中，凸角将电偏移约90度，以便提供通过电枢绕组703的所需磁通路径。对替代性的电枢线圈布置而言，可能需要不同度数的电偏移。

转子501固定地附接到轴205，并且与超导体场线圈401同心。在一个示例性实施例中，转子501的材料包括铁或者其它合适的铁磁性材料。在替代实施例中，可以使用具有高磁导率和高饱和场的其它材料，例如铁钴合金。也可使用其它铁磁性材料，但是可能不提供最优的结果。

当转子501旋转时，由超导体场线圈401导致的在转子501中的磁通由于超导体场线圈401的沿轴向对称的磁场而在强度和取向上是恒定的。这导致转子501表现为它好像是一块永磁体那样。在转子501中的恒定磁通意味着在转子501中没有感应电流，且因此没有导致能量损耗的加热。因此，转子501不需要被叠层。在任一端部处的转子凸角503、505导致转子501外部的磁场随转子501旋转。

转子501的一个端部将有效地变成磁北极，并且这将与超导永磁体的北极对准。另一端部将是磁南极。

当与定子601结合时，磁回路的最低磁阻路径沿着转子501(与轴205 平行)，然后径向离开通过北极凸角503，跨过小的磁通间隙602，并且通过定子齿615或者电枢绕组703进入定子601；其直接沿着转子凸角503、 505。在定子601内部，磁回路围绕超导场线圈401的外部延伸，然后径向向内通过定子齿615或者电枢绕组703，跨过磁通间隙602并且在南极凸角505处返回进入转子501。

转子凸角503、505布置成使得磁回路在任何时刻在一个位置处只穿过电枢线圈布置701的每个平行的中间部分。电枢线圈布置701的中间部分从未同时被北极转子凸角503和南极转子凸角505通过。

在所示的实施例中，存在两个北极凸角503和两个南极凸角505，南极凸角从北极凸角偏移90度，因此电枢绕组703在沿着绕组的不同轴向位置处由北极凸角和南极凸角交替地在上方通过。

·定子-细节

定子601围绕电枢线圈布置701的与转子主体502和凸角503、505对应的至少一个中间部分。参考图6A和图6B，定子601包括第一端部部分 603，其与转子的第一凸角503关联或具体定位在转子的第一凸角503的径向外侧；第二端部部分605，其与转子的第二凸角505关联并且具体定位在转子的第二凸角505径向外侧；以及桥部分607，其在定子601的第一端部部分603和第二端部部分605之间延伸。

第一端部部分603和第二端部部分605包括多个叠层609，其布置成使得磁通能够沿径向和轴向行进(在图10A和图10B中的箭头RA)。桥部分607包括多个叠层621，其布置成使得磁通能够在围绕第一端部部分603 和第二端部部分605之间的桥部分607的弧形路径(在图10A和图10B中的箭头AP)中行进。

端部部分603、605和桥部分607具有相同的外径。桥部分的内径大于第一端部部分603和第二端部部分605的内径。这提供凹部631，其定位在桥部分的径向内侧并且由桥部分和定子601的端部部分限定。在所示的实施例中，超导体场线圈401和电磁屏蔽件412位于该凹部631内。

第一端部部分603和第二端部部分605的叠层的径向内边缘限定用于接收电枢线圈布置701的孔。电枢绕组703的部分设置成与第一端部部分 603和第二端部部分605的叠层的径向内边缘接触或者紧邻于第一端部部分603和第二端部部分605的叠层的径向内边缘，以便在转子501和定子 601之间提供磁通的高效传输。

在所示的实施例中，第一端部部分603和第二端部部分605的叠层的径向内边缘限定在电枢绕组703之间延伸的齿615。在替代实施例中，第一端部部分603和第二端部部分605的叠层的径向内边缘限定用于接收电枢线圈布置的其它几何结构，例如圆孔。

将电枢线圈布置701的电枢绕组703定位在由定子的端部部分603、 605中的孔限定的齿之间提供在转子凸角503、505和定子的第一端部部分 603和第二端部部分605之间的非常小的磁通间隙。这使得在转子501和定子601之间的磁通的高效传输成为可能。

参考图6A、图6B、图10A和图10B，由于转子凸角503、505，通过定子601的磁通路径FP是螺旋形的。磁通路径FP在靠近北极转子凸角503 的位置处进入定子601，然后围绕定子601行进以便在南极转子凸角505附近离开定子601。定子601中的叠层609、621减小磁通路径FP的涡流和磁阻。在第一端部部分603和第二端部部分605中，磁通路径FP容易在径向方向上从定子601的内部行进到外部，但是在周向方向上受到限制。在桥部分607中，磁通路径容易在周向方向上行进，并且以螺旋形围绕定子 601运动，但是在径向方向上受到限制。磁通路径在定子601的全部部分 603、605、607中轴向行进。

定子601被传导冷却。因为它在真空内，对流是不可能的，所以冷却是通过定子安装座623(图1)对真空腔室的传导冷却以及来自电枢绕组703 的为液体冷却的传导冷却的组合。在一个实施例中，定子601是液体冷却的。

定子的第一端部部分603和第二端部部分605分别包括多个基本平坦的叠层609，其沿轴向和径向取向。端部部分603、605由多个叠层的大致楔形或者梯形的构件611和多个叠层块613形成。叠层构件611与叠层块 613交替。可使用任何合适数量的构件611和块613。

在一个替代实施例中，叠层构件611中的部分(但不是全部)与叠层块613中的部分(但不是全部)交替。

叠层构件611中的至少部分具有相对长的径向尺寸，以及叠层块613 中的至少部分具有相对短的径向尺寸。在一个实施例中，所有叠层构件611 都具有相对长的径向尺寸，所有叠层块613都具有相对短的径向尺寸。径向尺寸在第一端部部分603和第二端部部分605的径向内边缘处提供多个齿615和槽617。电枢线圈布置701的绕组被容纳在槽内，因此它们紧邻于场线圈401，以便转子凸角503、505紧邻于场线圈401。

在桥部分607中的叠层621是同心的环形叠层，其布置成使得磁通能够通过桥部分607在从定子的一端603到定子的另一端605的螺旋形路径内行进。在桥部分中的叠层布置成使得磁通能够围绕定子601行进约90度以及沿着定子601的长度行进，以便提供从转子的第一凸角503之一到转子的第二凸角505之一的磁通路径FP。定子部分603、605、607由低磁阻材料的叠层制成。示例性的材料包括铁。叠层构件611以及叠层块613可从市售的环氧树脂粘合的叠层块机械加工，诸如日本钢10JNEX900粘附粘合的块。备选地，叠层构件611和叠层块613可通过粘合合适材料制成的所必需数量的叠层609而形成。桥部分607可通过包裹叠层片材而构成，如同在层之间具有粘合剂的卷轴，直到获得所需的径向厚度。这些螺旋形的叠层是空间的有效利用，并且比同心圆环更容易制造。备选地，桥部分 607可由同心叠层的环形成。

适于叠层构件611、叠层块613和桥部分607中的叠层621的示例性材料是0.1毫米厚的JFE钢Super Core^TM 10JNEX900。这种材料具有在1T 的场和1千赫频率以及1.8T的饱和磁场下的10W/kg的铁芯损耗。这种材料具有非常低的功率损耗和高效率。在替代实施例中，可使用钢板片材。该定子设计相对简单地构建并且降低定子中的材料使用和损耗。

叠层构件611、叠层块613和桥部分607粘附地粘合并且(如有必要) 用围绕部分603、605、607延伸的一根或更多带子进行带绑扎以便形成定子601。

定子叠层609、621的该布置允许磁通路径FP成螺旋形行进通过桥部分，同时确保在转子和定子601之间的磁通间隙处的磁通线垂直于电枢绕组703。对于磁通线而言重要的是垂直于电枢线圈布置701的绕组，以便实现单极马达/发电机的最大效率。因为转子极被偏移90度，需要螺旋形路径，因此从北极转子极到南极转子极的路径必须围绕定子601以及沿着它的长度行进90度。

·电枢布置-细节

图7A和图8A示出示例性的双层电枢线圈布置701。电枢线圈布置701 包括由绞合线制成的电枢绕组703，其具有嵌入的液体冷却管和全换位铜股线。电枢线圈布置701具有圆柱形的中间部分705，其位于两个扩大的相对端部部分707、709之间。中间部分705位于定子601的中央凹部内。扩大的端部部分707、709位于定子601的中央凹部外侧。

电枢绕组703在电枢线圈布置701的中间部分705中与由超导体场线圈401形成的磁场平行，因此该场与流入电枢绕组703的电流结合不会产生作用于线上的力。

当作为发电机操作时，转子501的旋转导致每个电枢绕组703由转子凸角503、505在上方通过。因为凸角503、505被旋转偏移，任何时刻每个电枢绕组703只由磁北极凸角503(在绕组中产生电压)或者磁南极凸角 505(在绕组中产生反向电压)两者中的任何一个在上方通过。在交替的北极和南极凸角在每个电枢绕组703上方通过时，在每个电枢绕组703中产生交变电压。

由于定子601位于真空内并且经由定子601的传导冷却可能不足，可以液体冷却电枢绕组703。电枢绕组703连接到六个功率馈通装置423，其使得电流能够从真空腔室301的内部流动到真空腔室301的外部。三对功率馈通装置423对应于交流功率的三相。功率馈通装置在电枢绕组711的端部处连接到电枢线圈布置701。

液体冷却管通过单独的馈通装置425到达真空腔室301外部的泵。

真空通过端口302(图2)被施加到真空腔室301。

如图8A中所示，电枢线圈布置701可以是使用菱形线圈的双层结构。每个线圈是相同的，并且多个线圈串联以便形成单相电枢绕组703。在三相绕组中，线圈总数的1/3串联以便形成每个单相。因为在该实施例中每相每个极存在两个槽，给定相的两个线圈可如图8B中所示被串联。N和S分别示出在一个时间点下的转子的北极和南极的相对位置。A、B和C代表三个电相。

电枢绕组703在其它极下与线圈串联以便形成相，所有绕组都以正确的极性连接。

备选地，电枢绕组703可以是串联的波形绕组，其中单相的所有绕组都从单一长度的线缆构成，如图8C中所示。适于每个相的单个冷却路径可提供成使得液体泵送压力和温度上升是可接受的。否则，冷却路径可被分成两条或多条回路。A_S和A_F是该长度的线缆的开始和结束，其中导线将被连接。

电枢绕组703布置成使得不同的转子凸角503、505穿过在相同回路内的不同电枢绕组703以产生从电枢绕组703的一端部到另一端部的电压。电枢绕组703在电枢线圈布置701的中间部分705中的部分在设备的纵向或者轴向方向上平行于彼此延伸。在每条电枢绕组回路内，电枢绕组703的从北极为到南极的部分连接到电枢绕组703的进一步围绕定子的从南极到北极90度的部分，以便产生的所有电压同相并且在相同的方向上沿着电枢绕组线。

如图8A中所示，相邻的电枢绕组703布置成使得一个绕组的部分与相邻绕组的部分在径向方向上重叠。两个重叠的部分分别定位在定子601 中的一个槽617内。

存在三个电枢绕组回路，它们是相同的，但是围绕电枢线圈布置701 (电气上)彼此旋转偏移120度以便接收和产生三相功率。

具有不同数量的凸角和/或齿和绕组格式的的替代性设计也是可能的。例如，图7B示出轻量的单层电枢线圈布置布局701A。在该结构中，定子 601可不具有齿615和凹部617。相反，在电枢线圈布置布局701A的中间部分705中的电枢绕组703的部分将定位成紧邻于定子601的中央凹部的壁。

在替代性设计的另一示例中，电枢绕组可以是螺旋形的，并且磁通可围定子行进约0度。与在图中所示的电枢绕组相比，螺旋形电枢绕组的制造更为复杂。

图9A和图9B示出通过分别适于图7A和图7B的电枢线圈布置的转子501和定子601的相应2D磁通路径。

图10A和图10B示出通过图7A的电枢线圈布置701的磁通路径FP 的3D图示。

可使用任何其它合适的电枢线圈布置和绕组配置。

给系统添加交流电流而不是从系统中汲取交流电使得单极机器用作马达，其中凸角503、505由在电枢绕组703中的电流形成的旋转磁场吸引和排斥。

·设备的使用

图12A和图12B以图表的方式示出飞轮能量存储系统101在电气列车系统(诸如地铁)中的示例性应用。功率经由供电线被供应到电气列车系统。对于供电线电压而言，保持在给定的操作范围中以便将电枢绕组703中的电流保持在它们的设计值内是有利的。例如，为了产生给定的扭矩值，当电压低时将有必要在电枢绕组703中承载更大的电流。大的电流还在供电线内导致更大的压降。另一方面，比设计值高得多的电压将冲击电枢绕组703绝缘，并且将导致电绝缘的加速老化。

由合适的控制系统监视供电线电压。控制系统配置成检测供电线电压何时降低到低于预先确定的欠电压触发值，以及何时供电线电压超过预先确定的过电压触发值。控制系统还配置成控制飞轮能量存储系统101。

图12A示出当列车离开车站时电气列车系统的响应。在所示的示例中，该列车在20秒的时间内从0千米/小时加速到高达80千米/小时。当列车加速时，其从供电线汲取功率，导致供电线上的电压下降。当供电线电压降低到低于欠电压触发值(例如11,000V)时，控制系统将飞轮能量存储系统101连接到供电线作为单极发电机。来自飞轮201、203的动能由单极的发电机转变成电能并且增加到供电线以便防止供电线电压进一步下降。因为能量从飞轮201、203汲取，所以飞轮的旋转速度201、203降低。

一旦列车处于全速下，则它从供电线汲取的功率降低以及供电线电压增加到高于欠电压触发值的水平(例如12,000V)。控制系统检测到上述并且断开飞轮能量存储系统101的连接。飞轮201、203保持在新的较低速度下旋转，直到另一辆列车离开车站(其中飞轮能量存储系统101将再次被用作发电机，并且飞轮201、203的旋转速度将进一步降低)，或者直到另一辆列车到达车站(其中飞轮能量存储系统101将被用作再生制动马达以及飞轮201、203的旋转速度将增加，如在下文更详细描述的那样。)

图12B示出当列车到达车站时电气列车系统的响应。在所示的示例中，列车在20秒的时间内速度从80千米/小时降低到0千米/小时。当列车减速时，来自再生制动系统的能量被增加到供电线，导致供电线上的电压增加。当供电线电压增加至高于过电压触发值(例如13,000V)时，控制系统将飞轮能量存储系统101连接到供电线作为单极马达。来自供电线的电能由单极马达转变为飞轮201、203中的动能，从列车汲取能量，减慢列车并且增加飞轮201、203的旋转速度。

一旦列车停止，其不再给供电线增加加能量，且供电线电压下降到低于过电压触发值的水平。控制系统检测到上述并且断开飞轮能量存储系统 101的连接。飞轮201、203保持以新的较快速度旋转直到另一列车到达车站(其中飞轮能量存储系统101将再次被用作马达，并且飞轮201、203的旋转速度将进一步增加)，或者直到一辆新列车离开车站(其中飞轮能量存储系统101将被用作发电机，并且飞轮201、203的旋转速度将降低，如上所述)。

·试运行

为了系统试运行，将真空施加到真空腔室301。然后超导轴承303、305，超导体场线圈401和磁通泵(如果使用的话)被制冷到它们的相应的工作温度。使用由电流导线421和/或磁通泵所提供的电流，激励超导体场线圈。电流导线421和/或磁通泵当需要时可用于将填平电流提供到系统。

·示例性的机器参数和性能

如下内容描述根据本发明示例性实施例的飞轮能量存储系统的参数和性能。所描述的示例性参数并非意旨是限制性的。选择飞轮能量存储应用以用于存储9MJ的动能。马达/发电机机器被耦联到飞轮并且额定功率为 500千瓦。其需求总结在表1中。

表1：对于利用交流单极马达/发电机旋转机器的飞轮能量存储装置的需求

该机器使用下述假设来设计：

a)旋转机器为具有四个极的同步交流单极类型；

b)场线圈位于定子内，并且从HTS(ReBCO或者DI-BSCCO)缠绕；

c)对于ReBCO而言在50K以及对于DI-BSCCO而言在30K的适于 HTS绕组的工作温度；

d)场线圈使用合适的市售制冷机冷却；

e)在定子上的电枢是利用合适的绞合铜线缆的三相绕组；

f)电枢绕组具有的电流密度为3A/毫米²(总体)和6A/毫米²(在铜中)；

g)电枢绕组是液体冷却的；

h)转子由高磁导率的磁铁制成；

i)定子叠层是预期降低铁损耗的0.1毫米厚的日本JNEX-Core(型号 10JNEX900)。

表2中总结了利用单层(SL)701A和双层(DL)701电枢线圈布置的机器之间的初步比较。两台机器被设计成在830V至900V的3相线电压下产生500千瓦。SL机器在总长度上更短并且比DL机器轻。但是，DL机器比SL机器更有效并且使用长度短得多的ReBCO线(对于SL而言185 米，相对于DL而言54米)。这使得DL机器与SL机器相比构建起来成本更低。表2还列出这两台机器的初步部件重量；DL机器比SL机器重27％。如果不关心尺寸和重量，则DL设计是优于SL设计的更优选设计。

表2：SL和DL机器的初步设计

用于电枢线圈布置701的电枢绕组703的具有冷却管的绞合线(利兹线)具有基本上矩形的横截面，其具有延伸通过其中心的不锈钢液体冷却管。每个线匝的总横截面是10毫米×12毫米，以及在中心处的不锈钢管具有5毫米的直径。绞合线缆的总横截面等于单个AWG 1/0导体的总横截面。更多的细节在表3中提供。

表3：绞合线参数

在等于两个串联线圈(重叠绕组)的管长度(2.3米)上，1米/秒的持续水流速只经历6.7kPa的压力降。水温升高约1.2K。基于该数据，可行的是相的所有线圈可串联以便形成适于每个相的单个冷却回路。在全部电枢线圈中的总电阻损耗在承载额定负载时是1.2千瓦。

表4总结机器的性能数据。在功率因数0.99的迟滞下计算360A全负载电流的性能。功率迟滞的因数是保守估计值。功率因数的更准确的值可基于功率电子逆变器设计确定。与终端电压关联的负载角度是1.34度，这是非常小的角度。然而，由于缺乏固定的终端电压，负载角度的值并不重要。在全负载期间的感应电压是1.14pu：比在机器终端处的标称电压高14％。如果它在承载全负载时突然失去负载，在机器终端处会经历该更高的电压。

机器的标称轴扭矩是208Nm。但是在机器终端处短路期间，扭矩将增加到1487Nm。因此，转子轴205和电枢线圈布置701机械支撑部可设计成以可接受的安全边际(例如至少为2的安全因数)来承受该扭矩。在转子和定子之间的吸引力在实心磁极下为9282N以及在空心磁极下为246N。

表4：计算出的性能

表4还列出机器承载全负载时的各种损耗分量。定子铁芯损耗和电枢绕组电阻损耗是两个非常重要的分量。

低温冷却系统功率基于在50K的为21的制冷机COP被估计为1.36 千瓦。由制造商选择的冷却器系统可具有不同的COP。此外，适于HTS线圈的热负载计算可以是不同的，因为它们取决于HTS线圈的类型、它的结构和与室温系统的接口。基于在此所做的假定，在全负载的总损耗是4.4千瓦，其产生99.2％的效率。

超导机器通常在空载操作下经历显著的损耗。例如，如果场电流保持在其全负载操作值下，则机器热负载(低温冷却器功率)以及铁芯损耗将保持不变并且总损耗将是3.2千瓦。然而，如果场电流在长期空载操作期间被关断，则唯一的损耗部件(低温冷却器功率损耗)将小于1.36千瓦。

当飞轮转动并且在相当长的一段时间内存储能量时，场电流将被关断。例如，如果当场电流打开时飞轮正在转动，则在定子叠层中经历的铁芯损耗将从飞轮中存储的能量提供。这将减慢飞轮。

适于如上所述的电枢和场绕组的设计方案将应用对于个别制造商能力和实践所熟知的技术。因为上述，在此报告的结果可能是初步的。然而，在此报告的参数有助于设定目标和用于设计电子、冷却和其它子系统界面。在下文中仅对DL电枢绕组设计进行论述。

表2总结飞轮机器设计，第二列涉及DL结构。该机器设计成在866V 的线电压下产生535千瓦。相应的相电流在具有功率因数0.99迟滞时为360 A。单极的马达/发电机分别具有455毫米的轴向长度和438毫米的直径。这些尺寸符合表1的设计指引。单独的机器质量为467千克。具有低温冷却系统的总机器质量为516千克。这些质量的数值可根据所选择的机械硬件以及冷却系统来变化。在额定负载，这台机器的效率被估计为99.2％。

当该机器全负载操作时，ReBCO场线圈具有24匝并且承载317A。不同的超导体可用于产生等于或者大于7,600(～24×317)的总安培-匝。此外，超导体的操作电流(I_o)/临界电流(I_c)比率优选小于或等于～50％。

在定子上的电枢线圈布置应用使用单匝线圈的双层重叠绕组。每相每个极具有两个线圈侧，导致每相8个线圈(等于8匝/相)。机器部件重量估计值也包括在表2中。

表5包括机器参数，这些参数用于计算在不同负载以及操作条件下的机器性能，以及用于将其与逆变器接口连接。参数以每单位值表示；参照 1.39欧姆的基本阻抗。由于在转子和定子之间的小的空气间隙，这台机器的同步电抗非常低。小的同步电抗通常对机器在电网上的稳定操作是有益处的。然而，小的值在场线圈的突然短路期间也建立非常大的故障电流。在逆变器设计期间需要注意该方面。空载和全负载场电流分别是278A和 317A。场线圈应该被设计成以约为2的I_c/I_o承载317A。然而，应当指出的是如果在全负载操作的这台机器突然失去负载，则电枢电压将上升到 1.14pu(＝866*1.14＝987V-rms)。因为难以迅速地改变HTS场线圈电流，所以电压将在逆变器中进行电子调制。

表5：机器参数

在场绕组突然断开的情况下，其可使用0.36欧姆的电阻器放电。这将施加跨越场线圈端子的100V并且提供2.7ms的放电时间常数。制造商可选择不同的放电电阻器值或者适合HTS绕组设计的不同保护方案。

优选实施例提供紧凑且重量轻的装置，其具有非常高的扭矩/重量和电效率。一种可能的应用是作为机器，其用作马达和发电机两者，并与用于能量存储的高速飞轮集成在一起。该系统可被应用在移动资产(例如机车和汽车)上，既作为能量回收的方法又用于快速的能量输送。备选地，飞轮能量存储系统能起到电池的作用，用于存储多余的太阳能和风能以备以后在能量产生的贫乏阶段使用。

HTS场线圈使得能够实现紧凑且重量轻的机器。交流单极同步机器拓扑结构使得能够通过消除对有效旋转线圈的需求而实现高的旋转速度，并且简化低温冷却系统以便提高系统可靠性，使其对于高功率应用而言是理想的。使用常规的铜转子激励线圈构建这种机器将对冷却带来重大挑战，并且将把这样的机器的大小限制到只有几千瓦的额定功率。然而，通过用合适的超导体线圈替换直流场激励线圈而使得额定百万瓦特的机器变为可能。

上面描述了本发明的示例性实施例，并且在不脱离本发明范围的情况下可对其进行修改。

Claims (29)

1.飞轮能量存储系统，其包括：

飞轮；以及

单极机器，其包括：

转子，其可操作地连接到飞轮并且布置成围绕纵向轴线旋转，转子包括主体，所述主体具有在主体的第一端部处或者朝向主体的第一端部的至少一个第一凸角，以及在主体的相对第二端部处或者朝向主体的相对第二端部的至少一个第二凸角，其中一个或多个第一凸角从一个或多个第二凸角旋转偏移；

围绕转子主体的环形电枢线圈布置，该电枢线圈布置包括多个电枢绕组；

定子，其围绕电枢线圈布置的至少一部分，该电枢线圈布置围绕转子主体，其中定子包括与转子的一个或多个第一凸角关联的第一端部部分，与转子的一个或多个第二凸角关联的第二端部部分，以及在定子的第一端部部分和第二端部部分之间延伸的桥部分，其中第一端部部分和第二端部部分包括多个叠层，所述叠层布置成使得磁通能够沿径向和轴向行进，并且其中桥部分包括多个叠层，所述叠层布置成使得磁通能够在围绕第一端部部分和第二端部部分之间的桥部分的弧形路径中行进；

位于定子和转子之间的超导体场线圈，其中超导体场线圈包括高温超导(HTS)材料；以及

电磁屏蔽件，其定位在超导体场线圈和电枢线圈布置之间，该电磁屏蔽件配置成限制交变场从电枢绕组通过而到达超导体场线圈。

2.根据权利要求1所述的飞轮能量存储系统，其特征在于，转子包括至少两个第一凸角和至少两个第二凸角。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的飞轮能量存储系统，其特征在于，电磁屏蔽件包括大致环形的主体，该主体定位在超导体场线圈的径向内侧，并且定位在电枢线圈布置的邻近电磁屏蔽件的一部分的径向外侧。

4.根据权利要求3所述的飞轮能量存储系统，其特征在于，电磁屏蔽件还包括定位在环形主体的第一端部处或者邻近环形主体的第一端部的第一端壁，以及定位在环形主体的相对第二端部处或者邻近环形主体的相对第二端部的第二端壁，第一端壁和第二端壁从环形主体径向向外延伸以便在超导体场线圈的端部的至少一部分上延伸。

5.根据权利要求4所述的飞轮能量存储系统，其特征在于，电磁屏蔽件的第一端壁和第二端壁在超导体场线圈的整个端部上延伸。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的飞轮能量存储系统，其特征在于，超导体场线圈定位在恒冷器腔室内，并且隔热材料设置在恒冷器腔室和电磁屏蔽件之间。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的飞轮能量存储系统，其特征在于，电磁屏蔽件包括铜或者其它低电阻率材料。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的飞轮能量存储系统，其特征在于，定子包括凹部，并且其中超导体场线圈和电磁屏蔽件位于凹部内。

9.根据权利要求8所述的飞轮能量存储系统，其特征在于，凹部定位在桥部分的径向内侧。

10.根据权利要求9所述的飞轮能量存储系统，其特征在于，凹部由桥部分和定子的端部部分限定。

11.根据权利要求1至10中的任一项所述的飞轮能量存储系统，其特征在于，定子的第一端部部分和第二端部部分的叠层的径向内边缘限定用于接收电枢线圈布置的孔。

12.根据权利要求11所述的飞轮能量存储系统，其特征在于，电枢绕组的部分设置成与定子的第一端部部分和第二端部部分的叠层的径向内边缘接触或者紧邻于定子的第一端部部分和第二端部部分的叠层的径向内边缘。

13.根据权利要求1至12中的任一项所述的飞轮能量存储系统，其特征在于，定子的第一端部部分和第二端部部分别包括纵向和径向取向的多个基本上平坦的叠层。

14.根据权利要求13所述的飞轮能量存储系统，其特征在于，端部部分分别包括多个叠层的大致楔形或者梯形构件。

15.根据权利要求14所述的飞轮能量存储系统，其特征在于，端部部分分别包括多个叠层块，其中至少部分叠层构件与至少部分叠层块交替。

16.根据权利要求15所述的飞轮能量存储系统，其特征在于，至少部分叠层构件具有相对长的径向尺寸，以及至少部分叠层块具有相对短的径向尺寸，其中径向尺寸提供在第一端部和第二端部的径向内边缘处的多个齿和槽，并且其中电枢绕组的部分容纳在槽内。

17.根据权利要求15或16所述的飞轮能量存储系统，其特征在于，所有叠层构件都与叠层块交替。

18.根据权利要求1至17中的任一项所述的飞轮能量存储系统，其特征在于，在桥部分中的叠层布置成使得磁通能够在通过从定子的一个端部到定子的另一端部的桥部分的螺旋路径中行进。

19.根据权利要求18所述的飞轮能量存储系统，其特征在于，在桥部分中的叠层布置成使得磁通能够围绕定子约90度并沿着定子的长度行进，以便提供从转子的第一凸角之一到转子的第二凸角之一的磁通路径。

20.根据权利要求1至19中的任一项所述的飞轮能量存储系统，其特征在于，在桥部分中的叠层是同心的环形叠层。

21.根据权利要求1至19中的任一项所述的飞轮能量存储系统，其特征在于，在桥部分中的叠层是螺旋形的叠层。

22.根据权利要求1至21中的任一项所述的飞轮能量存储系统，其特征在于，在端部部分和桥部分中的叠层包括铁材料。

23.根据权利要求1至22中的任一项所述的飞轮能量存储系统，其特征在于，电枢线圈布置包括单层电枢绕组。

24.根据权利要求1至22中的任一项所述的飞轮能量存储系统，其特征在于，电枢线圈布置包括双层电枢绕组。

25.根据权利要求1至24中的任一项所述的飞轮能量存储系统，其特征在于，包括可操作地连接到转子的两个分隔开的飞轮。

26.根据权利要求1至25中的任一项所述的飞轮能量存储系统，其特征在于，一个或多个飞轮包括碳纤维增强聚合物材料。

27.根据权利要求1至26中的任一项所述的飞轮能量存储系统，其特征在于，转子和一个或多个飞轮由超导轴承可旋转地被支撑。

28.根据权利要求1至27中的任一项所述的飞轮能量存储系统，其特征在于，还包括选择性地激励超导体场线圈的电流导线。

29.根据权利要求1至28中的任一项所述的飞轮能量存储系统，其特征在于，飞轮能量存储系统设置成与磁通泵组合以便选择性地激励超导体场线圈。