能量存儲及轉換設備的製作方法
2023-06-19 08:42:46
專利名稱：能量存儲及轉換設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及到能量存儲及轉換設備，具體地說，本發明涉及到這樣一種設備，在這種設備中，一圓柱形轉子受到該轉子中定子的驅動從而將能量存儲成該轉子的動能，當所說的定子和轉子起一發電機的作用時，就可以從轉子中提取出能量。
本申請人的某些先前的專利說明書業已說明了上述類型的能量存儲及轉換設備。但是，本申請人仍在繼續研製這種能量存儲及轉換設備，從而設計出了本發明的設備。
依照本發明的第一個方面，提供了一種能量存儲及轉換設備，該設備包括一容器，它限定了一真空室；一基本上垂直的轉軸，它位於上述真空室內；一位於上述轉軸上的定子；以及一圓柱形轉子，它在使用中受上述定子的驅動從而將能量存儲成該轉子的動能並和所說的定子一道起一發電機的作用以便釋放能量；其中，所述轉軸通過一端蓋支承著轉子，而所說的端蓋則定位於上述圓柱形的轉子的上端並與所述轉軸相接合。
通過在定子附近將轉子懸掛於前述轉軸，可以形成一精巧緊湊且可靠的能量存儲及轉換設備。
在一個最佳實施例中，所說的端蓋包括一作用於轉軸上端的中央銷軸承。該銷軸承最好包括一基本上為球形的頭部。
具體地說，上述銷軸承是一球形的螺紋槽液動銷軸承。該銷軸承可由鋼製成，而所說的螺紋槽則蝕刻在前述球形頭部的表面上。
利用球形螺紋槽銷軸承，可以僅用非常小的摩擦損失來適應較高的軸向負載。相反，通常用的先有技術的能量存儲及轉換設備則使用了會導致較高摩擦損失的常規的滾柱軸承，或者使用了複雜、高成本且具有潛在不可靠性的電磁軸承。
上述銷軸承最好被接收在一軸承杯內，該軸承杯安裝在位於上述轉軸端部處的減振器內。更佳的是，上述減振器包括也起對銷軸承進行潤滑作用的油。
上述端蓋可由諸如碳纖維複合物、鋁、特高強度鋼或任何其它適當的材料之類的複合材料構成。
在一個實施例中，可通過摩擦配合將上述端蓋接收在圓柱形轉子的上端。另外，也可以用適當的裝置以物理的方式將所述端蓋連接於圓柱形轉子。
最好將一磁性軸承設置成朝向所述轉子的下端以便有助於使該轉子相對前述定子定位。上述磁性軸承最好是在所述轉軸與轉子之間起作用的永久性磁性軸承。另外，所述磁性軸承也可以是電磁軸承。
如果使用了永久性磁性軸承，則最好在轉子的內表面上以及轉軸上設置由北極和南極構成的圓環，因此，相反的磁極會彼此排斥。如果使用了這種結構，則轉子不會與定子相接觸，並且，如果仔細地對上述磁極的布局、數量和位置進行選擇，那麼，就會有助於使該轉子略微上升以減少銷軸承的壓力。
在另一個實施例中，一磁性軸承可從下部作用於圓柱形轉子的下端，從而有助於提升該轉子。
依照本發明的第二個方面，提供了一種能量存儲及轉換設備，該設備包括一基體部件；一容器，它安裝在上述基體部件上並限定了一真空室；一基本上垂直的轉軸，它位於上述真空室內；一位於上述轉軸上的定子；以及一圓柱形轉子，它在使用中受上述定子的驅動從而將能量存儲成該轉子的動能並和所說的定子一道起一發電機的作用以便釋放能量；其中，所述轉軸安裝在前述基體部件上，因此，在所說的設備出現故障時，存儲在轉子中的能量會優先傳遞給轉軸而不是傳遞給前述容器。
通過提供上述類型的設備，源於正發生碰撞的轉子的扭力本身並不都會象在多種先有技術的飛輪式能量存儲及轉換設備中那樣對機器的容器產生衝擊。相反，所說的扭力會經由定子傳給前述中心軸並從該軸或者直接傳給機器的底板，或者在該軸上的一個摩擦接頭(例如在電機/發電機與該軸之間)處散失。所以，前述容器具有比一般為了抗住這種高能量耗散所需的壁厚度小的壁厚度。
轉子與位於轉軸上的定子之間的距離最好明顯地小於轉子與容器之間的距離。這種結構可以確保如果轉子的確出現故障，則該轉子會在開始時撞擊定子/轉軸組件而不是撞擊容器壁。所以，能量會在所述設備出現故障時立即傳給基體部件，或者在上述位於轉軸上的摩擦接頭內消散。
所說的基體部件可以包括一凹槽，它用於接收前述轉軸的一端，所述轉軸以緊配合的方式接收在上述凹槽內。當然，也可以使用使轉軸與基體部件相接合的其它方法(例如用於能量消耗的摩擦接頭)。
所述轉軸最好由高強度鋁製成。也可以使用任何其它的適當材料。
所述轉軸最好是中空的以容納一銷軸承，此銷軸承用於支承所說的轉子。但是，上述轉軸也可僅在上端處帶有一凹槽以接收銷軸承，而不是完全是中空的。
如果需要的話，上述基體部件最好可與一具有顯著質量的支承件相固定，該支承件能可靠地分散來自前述轉子的能量。
儘管對實現本發明不是必要的，但轉子的長度最好至少兩倍於該轉子的外徑。但是，如果要滿足這一要求，對每個轉子都要提供一高且相對較薄的裝置，該裝置包括一段有顯著長度的轉軸。所以，能形成較為可靠的設備。此外，通過形成高且相對較薄的裝置，在任何給定的佔地面積內會比公知的先有技術的設備容納數量更多的裝置。
依照本發明的第三個方面，提供了一種能量存儲及轉換設備，該設備包括一容器，它限定了一真空室；一基本上垂直的轉軸，它位於上述真空室內；一位於上述轉軸上的定子；以及一圓柱形轉子，它在使用中受上述定子的驅動從而將能量存儲成該轉子的動能並和所說的定子一道起一發電機的作用以便釋放能量；其中，所述轉子包括一由玻璃纖維構成的內層以及一由碳纖維構成的外層。所說的內層是玻璃纖維複合材料，而所說的外層則是碳纖維複合材料則更好。在一個最佳實施例中，所述玻璃纖維複合物是E玻璃(E-glass)。
由於所述轉子中不包括任何純金屬成分，這一點與除本申請人的設備之外的大多數先有技術的設備顯著不同，所以，幾乎不存在這種可能性，即轉子出現故障，從而，浮動的碎屑會使所述設備的容器破裂。的確，通過使用緊繞前述中心軸旋轉的玻璃/碳纖維複合轉子以及碳纖維端蓋結構，轉子甚至會在出現碰撞情況下基本上保持不受損害。
所述轉子的內層最好包含磁化材料以形成在使用過程中與定子相互作用的多極磁極。更具體地說，所說的內層最好包括一由相交替的北極和南極構成的圓環，上述磁極可啟動定子以驅動轉子去存儲能量。而所說的定子則帶有多個磁極，這些磁極是由其上帶有線圈的定子芯產生的。
此外，所述轉子的內層可包含磁化材料以形成至少一個與安裝在轉軸上的磁體相互作用的同性徑向磁極。從而構成了一用於轉子的軸承。如上所述，可以設置多個同性徑向磁極，從而形成一改進型的軸承以使轉子有一定程度的上升。上述結構還可包括一軸向的磁性止推軸承，該軸承逆著轉子的底面起使用，從而進一步提高了轉子的上升程度。
所說的磁化材料最好是在生產過程放進轉子內層中的粉末。這種粉末可以是鐵氧體或NdFeB。當然，也可以使用任何其它的適當材料。
上述內層和外層最好是按應變進行配合的，以防在使用中互相分離。
所述內層的厚度最好約為整個轉子厚度的三分之二。通過製造出具有這樣尺寸的轉子，該轉子具有由玻璃複合物所形成的顯著質量並且還能在該轉子旋轉過程中憑藉由碳纖維複合物構成的牢固外層而保持在一起。據此，所說的轉子例如可在約1200Hz至1800Hz之間旋轉。
上述磁化材料最好從所述內層的內表面開始延伸至該內層的約一半處。當然，也可以改變上述磁化材料的深度以符合特定轉子/定子結構的要求。
如上所述，上述最好包括銷軸承的轉子的端蓋會有助於將轉子懸掛到轉軸上。
依照本發明的第四個方面，提供了一種能量存儲及轉換設備，該設備包括多個定子；多個相應的圓柱形轉子，它們設置成繞上述定子旋轉；以及用於包容上述定子及轉子的裝置；上述定子在使用中驅動所說的轉子從而將能量存儲成該轉子的動能並且與該轉子相互作用從而起一發電機的作用以便釋放能量，其中，所說的容器裝置在一單元結構內限定了多個箱室，這些箱室內包容著所說的定子和轉子。
就本申請人所知，以前尚未提出過包容有多個能量存儲及轉換設備單元的單元結構。
上述單元結構最好包括一蜂巢式結構，在這種結構中，有規律地設置有多個圓柱形箱室。
每個箱室均最好包容一個單個的定子及相應的轉子。但是，在某些情況下，單個的箱室也可以包容一個以上的定子/轉子單元。
一個單元內的這種蜂巢結構的優點在於由於轉子共用公共的容器壁，所以，可在最小的可能面積內容納較多的轉子，並且，由於從一個轉子箱室到另一個轉子箱室的通道不會對人造成傷害，所以，上述結構內部的那些壁不必象單個機器中所需要的那麼厚。此外，這種尺寸的單體結構的共有質量可在沒有任何特殊壓栓結構的情況下足以吸收一破裂的轉子的動能。
上述單體結構可根據應用的總能量存儲要求而製造成包括任何數量的轉子。為說明起見，所示出的這種結構包括37個箱室。
上述單元結構可由多個切割成一定長度並焊接在一起的模壓件構成。如果按這種方式來形成上述單元結構，則最好用最少數量的不同形狀的模壓件來形成一完整的單元結構，以舉例的方式示出了僅使用了三種不同類型模壓件的結構。
每個箱室都最好被一包含有止回閥的端部凸緣所封住。儘管每個箱室都可配備有一獨立的真空泵，但上述單元結構最好包容在一共用的真空室內，因此，可將該共用的真空室抽空，從而能在各個轉子箱室內均形成真空。當上述單元結構內的任何一個轉子破裂時，少量氣體從轉子材料中的瞬時釋放以及後來轉子箱室內的壓力上升會使得止回閥關閉，從而使該轉子箱室與單元結構內的其它箱室隔絕起來並保持其餘轉子的完整性。
儘管可用鋁來製成上述單元結構，但當然也可以使用任何其它的適當材料。
可為整個設備的所有定子和轉子提供一共用的冷卻系統。這樣做要明顯地優於每個定子/轉子單元均具有獨立的冷卻系統。
上述容器裝置最好包括吸氣劑，它用於從箱室中清除氣體以提高真空度。為此，基於矽或碳的吸氣劑是最佳的選擇。
每個定子和轉子單元最好存儲高達20千瓦小時的能量，更佳地是存儲約5千瓦小時的能量。
儘管到目前為止未做特別的說明，但是，應該注意到，本文所述的本發明各個方面的任一特徵均可與任何其它方面相結合以形成一種比公知的先有技術更新穎和更有創造性的能量存儲及轉換設備。
另外，在本發明的能量存儲及轉換設備中，可設置一外部迴路，壓力差可通過該迴路來驅趕前述容器內的氣體，上述外部迴路包括一用於清除氣體的裝置以提高所述容器內的真空度。
而且，可以測定轉子的速度以提供表示存儲在該轉子中能量的輸出。更佳的是能實時地提供一可視的輸出以指示可從所述設備中獲得的能量。
在一個特定的實施例中，可通過監測電機/發電機電源電子線路的切換頻率來測定轉子的速度。
以下參照附圖僅以舉例的方式說明本發明的特定實施例，在附圖中
圖1是本發明的能量存儲及轉換設備的側剖圖；圖2是略有縮短的轉子的內層的示意側剖圖，該內層可用於圖1所示的設備；圖3是沿圖2中轉子的A-A方向的圖；圖4是與圖3相同的圖，但其中示出了由用於磁化轉子的磁化定位器構成的線圈；圖5是用於容納多個定子/轉子單元的容器的平面圖；圖6A是一用於吸氣劑外罩組件的維護罩的示意側視圖，所說的吸氣劑外罩組件安裝在能量存儲及轉換設備的容器壁的一側上；圖6B是圖6A的維護罩內所示出的吸氣劑外罩組件的放大側視圖；以及圖7是本發明的能量存儲及轉換設備的示意側視圖，該設備包括有一外部迴路，此迴路用於從所述設備的真空室中清除氣體。
參照圖1，能量存儲及轉換設備1包括一基體部件3；一容器5，它安裝在基體部件3上從而限定了一真空室7；一基本上垂直的轉軸9，它位於真空室7內；一定子11，它安裝在轉軸9上；以及，一圓柱形轉子13，它在使用中受定子11的驅動從而將能量存儲成轉子13的動能並和定子11一道起一發電機的作用以便釋放能量。與定子11相接觸的電觸點(它們用於對定子11加電以驅動轉子13)在附圖中未示出但卻可通過轉軸9的中空開孔9a。
定子11在圖1中未作詳細顯示，但該定子可以是任何這樣適當類型的定子它包括有一磁芯，此磁芯限定了諸如4個磁極之類的多個磁極，在這些磁極周圍纏繞有線圈以形成磁力線，該磁力線因所說的磁極面而朝向轉子13，從而使轉子13旋轉。通過這種方式，可將能量存儲成轉子13的動能。相反，如果要從設備1中提取能量，轉子13及定子11就可起發電機的作用以通過上述設備的電源線路(未示出)形成電輸出。
設備1的基體部件3因其厚度及構成的材料而具有相當大的強度，例如，所說的材料可以是鋁。示出了貫穿基體部件3的開孔15，這些開孔用於容納將基體部件3固定到底板19或具有相當大的質量和強度的類似物上的螺栓17。因此，即使能量存儲及轉換設備1出現故障，它也會牢固地固定在適當位置上。
在設備1出現故障的情況下，可憑藉牢固地安裝在基體部件3上的轉軸9來阻止存儲在轉子13內的能量毀壞容器5。更具體地說，以緊配合的方式將轉軸9的下端21接收在基體部件3的凹槽23內。還可以使用用來加強轉軸9與基體部件3之間接合的裝置(未示出)。此外，轉軸9由諸如鋁之類的高強度材料製成，因此，在設備1出現故障時由轉子13所產生的扭力及能量會通過轉軸9傳給基體部件3從而傳給牢固的支承件19。
還應注意，轉子13具有一定的長度，該長度至少為轉子外徑的兩倍，因此，可以形成一高且相對較薄的設備1。這種結構還意味著存在有顯著長的一段轉軸9以便在設備1出現故障的情況下吸收來自轉子13的扭力和能量。所以，提供了一種更為安全的設備1，並且，容器5不必具有特別厚的壁厚度。當然，在實踐中總是將容器5設計成能形成顯著的防護層以防轉子出現故障。
從圖1中可以看出，轉子13上形成有由E-glass構成的內層25以及由碳纖維複合物構成的外層27。但是，如果其它適當的材料能提供轉子所需的特性，那麼，也可以使用這些材料。在這方面，由E-glass構成的內層25相對較為便宜並且能為轉子13提供合理的質量。E-glass還能將顆粒或粉末狀的可磁化材料接收到E-glass中的玻璃纖維的纖維或纖維束之間。從只示出轉子13的內層25的圖2中可以看出，可磁化材料最好只進入轉子13的內層25的內側一半25a。包括轉子13的外層27主要是為支承住內層25，所以，外層27應由在按諸如1200-1800Hz的高速旋轉時具有相當大強度的材料構成。碳纖維複合材料特別適合於此。
轉子13包括一由特高強度鋼、鋁或碳纖維複合物製成的端蓋29，它支承著一銷軸承31，如圖1所示。所述銷軸承包括一轉軸33。該軸的自由端承載有一球體35。在生產時對球體35加以蝕刻，因而在該球體的表面上形成有螺紋槽。銷軸承31的球體35或頭部接收在一杯形物37內，而所述杯形物則安裝在一位於轉軸9端部處的減振器39內。減振器39延伸進上述轉軸的開孔9a內並通過與轉軸9的上端對接的側面凸緣41而固定在開孔9a內。減振器39盛放有油，該油用來抑制杯形物37在轉子13運動時的徑向和軸向運動，從而能使整個的能量存儲及轉換設備1減振。減振器39內的油還在銷軸承31的頭部35與杯形物37的表面之間起用於銷軸承31的潤滑劑的作用。正如將會注意到的那樣，當轉子13旋轉時，銷軸承31頭部上的螺紋槽會帶動頭部35與杯形物37之間的油，從而使得轉子13向油膜略微上升。所以，轉子13會以可忽略不計的摩擦力自由地旋轉，從而，經由銷軸承只會損失最少的能量。顯然，是最理想的。
一永久性磁性軸承43設置在轉子13的下端處，以便與銷軸承31相配合確保轉子13不會與定子11相碰撞。更具體地說，一永久性磁體45安裝在轉軸9上。在這種情況下，磁體45的北極朝向轉子13的內表面。從圖2中可以看出，用以環形方式形成的北極47和南極49對轉子13的內層25中的可磁化材料進行磁化。磁體45的北極與轉子13的北極47彼此面對，從而形成了排斥力，而轉子13的南極49則被吸向磁體45的北極。憑藉這種結構，轉子13會保持不與定子11相接觸，並且，轉子13會略微上升從而有助於減少銷軸承31與杯形物37之間的摩擦。
還可設置一輔助的軸向軸承，它包括另一塊永久性磁體51(見圖1)，該磁體用於和轉子13端部上的可磁化區域一道起作用以排斥轉子13，從而使轉子13上升。
參照圖2至圖4，它們示出了本發明能量存儲及轉換設備中可能使用的轉子13的內層25。但在圖2中，以顯著縮短了的方式示出了轉子13。正如可看到的那樣，在轉子13的中心區域示出了使轉子起電機/發電機作用的徑向多極磁極51。在轉子13的下端處示出了同極徑向磁極，它可與永久磁體(如前所述)或安裝在轉軸9上的電磁體相互作用，從而有助於將轉子13懸掛在定子11周圍。儘管示出了轉子13上僅有一個北極47和一個南極49，但也可以使用輔助磁極和輔助永久磁體/電磁體以便根據所需的力來加強轉子13與安裝在轉軸9上的磁體/電磁體之間的相互作用。
通過在製造轉子13的過程中對包括在轉子13的內層25的內側一半25a中的原始磁性材料進行處理從而形成轉子13的磁化區域47、49、51。儘管可以將預先磁化了的材料放進轉子13並使該材料與在製造轉子13的過程中需要的材料對齊。但是，在轉子13的複合材料固化之後，這裡所說的轉子13最好具有適合於該轉子13的磁性。通過用一定位器將磁性施加轉子13內的原始磁性材料就可以做到這一點，所說的定位器包括一系列線圈53，線圈53在受到激勵時會在上述磁體內形成所需形式的磁場(見圖4)。磁化前述磁性材料所需的磁場取決於該磁性材料的類型，而所說的磁性材料可以是鐵氧體、NdFeB、或者是任何其它適當的材料。例如，鐵氧體需要1.5泰斯拉，而NdFeB則需要4泰斯拉。上述磁場是由來自一電容放電裝置的單個大電流脈衝所形成的，所說的電流約為30000安培。一旦上述磁場作用於轉子13，就拆除所說的定位器，從而留下永久的磁性，例如如圖2和圖3所示。正如將會注意到的那樣，僅需要設計出用於特定應用場合的定位器就可獲得轉子13中的預定磁性。
儘管至此說明了包括有單個定子11和單個轉子13的能量存儲及轉換設備，但是，本發明還提供了這樣的能量存儲及轉換設備，該設備包括多個定子11；多個相應的圓柱形轉子13，它們設置成能繞定子11旋轉；以及，容器裝置100，它在一單元結構內限定了多個箱室102，這些箱室內包容著定子11和轉子13。圖5中示出了這種容器100。
圖5所示的能量存儲及轉換設備因前述單元結構內的圓柱形箱室102的結構而非常小巧和緊湊。所以，在不需要過多空間的情況下，可以提供由37個圖1所示設備構成的具有能量存儲及轉換能力的設備。正如將從圖5中看到的那樣，相鄰的真空室102共用公共的容器壁104。
圖5所示的蜂巢式結構由三種不同形狀的模壓件106、108、110(參見圖5中的陰影區)構成。上述模壓件由鋁或任何其它適當的材料製成並且僅切割成一定的長度。然後，相鄰的模壓件通過焊接接頭112焊接到一起，如圖5所示。但是，應該注意，對用於製造所述單元結構的模壓件形狀以及不同形狀數量的選擇完全以商業考慮為基礎以使製造成本最低。並且，對所使用的模壓件形狀以及不同形狀數量的選擇不會影響最終結構的有效性。
儘管理論上每個箱室102的兩端均有一端部凸緣並且每個箱室102均具有一用於保持該箱室102內真空的獨立裝置，但本發明的設備理想的是帶有包圍整個單元結構的外罩(未示出)或者帶有覆蓋所述單元結構至少一端處的端部保護蓋。無論是哪一種情況，每個箱室102均應具有自己的端部凸緣(未示出)，並且，在受上述外保護蓋或外罩保護的各個端蓋上均可設置一止回閥。在這種結構中，可為上述整個的單元結構提供一單個的抽真空裝置，此主真空泵可除去正在經由止回閥被加以抽取的個別箱室102內的氣體。此外，即使一個別的定子11/轉子13單元出現了故障從而導致有分子釋放進轉子箱室，其餘的定子/轉子單元也會因止回閥的關閉所提供的保擴而不受影響。
以下參見圖6A和圖6B，它們顯示了吸氣劑外罩組件61和維護罩63。吸氣劑外罩組件61為諸如矽膠、活性炭之類的吸氣劑材料65(可通過熱分解而成布或織物的形式)提供了一固定件，所說的吸氣劑材料可吸收氣體分子以提高真空室7和102內的真空度。在這方面，正如將會注意到的那樣，真空室7和102內的真空度越高，就會有越小的摩擦，因此，會從轉子13中損失較少的能量。所以，對於使本發明能量存儲及轉換設備的成功運行來說，較高的真空度是必需的。
具體參照圖6B，吸氣劑材料65安裝在吸氣劑外罩組件61的端蓋67上，因此，吸氣劑材料65會定位在與轉子13相鄰的位置處。吸氣劑外罩61的圓柱形壁69固定到能量存儲及轉換設備1的容器5上。在吸氣劑外罩61與容器5之間以及在端蓋67與外罩61的圓柱形壁69之間均設置有密封件71。為了能供給或更換吸氣劑，使用了維護罩63(圖6A)。該維護罩包括壁73，它用於包封住吸氣劑外罩61；通向一真空泵的進出口75，它用於在維護罩63內形成高度的真空；以及，機械手或其它維護器具77，它們用於與吸氣劑外罩61相互作用。所以，在把維護罩63固定到容器5上並且在維護罩63內形成真空時，可用器具77從吸氣劑外罩61上拆下端蓋67和所附著的吸氣劑材料65。然後，在不破壞能量存儲及轉換設備1的真空箱7和102內轉子13周圍真空的情況下可以更換吸氣劑材料65。一旦更換了吸氣劑材料65，就在拆下維護罩63之前更換吸氣劑外罩61的端蓋67。
圖7中示出了用於除去存在於本發明能量存儲及轉換設備1的真空室7內的氣體的設備的另一種形式。在圖7中，一包括多個螺旋槽81的分子泵79朝向轉子13的外側。在圖7中，當轉子13旋轉時，分子泵79會向上帶動來自轉子的廢氣所產生的氣體或容器5內的其它氣體。這就會導致存在有一低壓區和一高壓區，所說的低壓區朝向真空室7的底部，而所說的高壓區則朝向真空室7的頂部。
示出了一外部導管迴路83，它包括一氣體清除器裝置85，此裝置可以是一電離泵或者是吸氣劑材料。所以，由於在真空室7內的高壓區與低壓區之間存在著壓力差，因而氣體會受驅趕經過清除器裝置85，從而會被清除出所說的系統。因此，可在真空室7內獲得提高了的真空度。
為了有助於檢修清除器裝置85，在該清除器裝置85的兩側設置有閥門87。當這些閥門87關閉時，清除器裝置85會不與導管迴路83相連以便於加以檢修。然後，只需簡單地將清除器裝置85恢復進迴路83並且需要在重新開啟閥門87之前抽空迴路83位於閥門87之間的部分。所以，為提高能量存儲及轉換設備1的真空室7內的真空度提供了非常簡單且有利於用戶的結構。
儘管在附圖中未示出，但諸如通過監控所述電機/發電機的電源電子線路的切換頻率。可以測定轉子13的速度，以便在任何特定時間都能提供表示存儲在轉子13內的能量的輸出。更優選的是，實時地提供一可視的輸出以指示可從能量存儲及轉換設備1中獲得的能量。
當然，應該認識到，以上完全以舉例的方式說明了本發明，在本發明的範圍內可做出細節上的改進。
權利要求
1.一種能量存儲及轉換設備，該設備包括一容器，它限定了一真空室；一基本上垂直的轉軸，它位於上述真空室內；一位於上述轉軸上的定子；以及一圓柱形轉子，它在使用中受上述定子的驅動從而將能量存儲成該轉子的動能並和所說的定子一道起一發電機的作用以便釋放能量；其中，所述轉軸通過一端蓋支承著轉子，而所說的端蓋則定位於上述圓柱形轉子的上端並與所述轉軸相接合。
2.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所說的端蓋包括一作用於所述轉軸上端的中央銷軸承。
3.如權利要求2所述的設備，其特徵在於，所說的銷軸承帶有一基本上為球形的頭部。
4.如權利要求2或權利要求3所述的設備，其特徵在於，所述的銷軸承是一螺紋槽銷軸承。
5.如權利要求4所述的設備，其特徵在於，所說的銷軸承由鋼製成，而所述螺紋槽則蝕刻在前述球形頭部的表面上。
6.如權利要求2至5中任何一個所述的設備，其特徵在於，所說的銷軸承被接收在一軸承杯內，該軸承杯則安裝在位於上述轉軸端部處的減振器內。
7.如權利要求6所述的設備，其特徵在於，所說的減振器包括也起對銷軸承進行潤滑作用的油。
8.如任何一個前述權利要求所述的設備，其特徵在於，所說的端蓋由碳纖維、鋁或特高強度鋼構成。
9.如任何一個前述權利要求所述的設備，其特徵在於，通過摩擦配合將所說的端蓋接收在圓柱形轉子的上端。
10.如任何一個前述權利要求所述的設備，其特徵在於，將一磁性軸承設置成朝向所述轉子的下端以便使該轉子相對前述定子定位。
11.如權利要求10所述的設備，其特徵在於，所說的磁性軸承是在所述轉軸與轉子之間起作用的永久性磁性軸承。
12.如權利要求10所述的設備，其特徵在於，所說的磁性軸承是電磁軸承(有源的)。
13.如權利要求10至12中任何一個所述的設備，其特徵在於，所說的磁性軸承作用於圓柱形轉子的下端，從而有助於提升該轉子。
14.一種能量存儲及轉換設備，該設備包括一基體部件；一容器，它安裝在上述基體部件上並限定了一真空室；一基本上垂直的轉軸，它位於上述真空室內；一位於上述轉軸上的定子；以及一圓柱形轉子，它在使用中受上述定子的驅動從而將能量存儲成該轉子的動能並和所說的定子一道起一發電機的作用以便釋放能量；其中，所述轉軸安裝在前述基體部件上，因此，在所說的設備出現故障時，存儲在轉子中的能量會優先傳遞給轉軸而不是傳遞給前述容器。
15.如權利要求14所述的設備，其特徵在於，所述轉子與位於轉軸上的定子之間的距離明顯小於該轉子與前述容器之間的距離。
16.如權利要求14或權利要求15所述的設備，其特徵在於，所說的基體部件包括一凹槽，它用於接收前述轉軸的一端，該轉軸以緊配合的方式接收在上述凹槽內。
17.如權利要求14至16中任何一個所述的設備，其特徵在於，所說的轉軸由高強度鋁製成。
18.如權利要求14至17中任何一個所述的設備，其特徵在於，所說的轉軸是中空的以容納用於支承轉子的銷軸承和減振器。
19.如權利要求14至18中任何一個所述的設備，其特徵在於，如果需要的話，所說的基體部件可與一具有顯著質量的支承件相連，該支承件能可靠地分散來自前述轉子的能量。
20.如權利要求14至19中任何一個所述的設備，其特徵在於，所述轉子的長度至少兩倍於該轉子的外徑。
21.如權利要求14至20中任何一個以及如權利要求1至13中任何一個所述的設備。
22.一種能量存儲及轉換設備，該設備包括一容器，它限定了一真空室；一基本上垂直的轉軸，它位於上述真空室內；一位於上述轉軸上的定子；以及一圓柱形轉子，它在使用中受上述定子的驅動從而將能量存儲成該轉子的動能並和所說的定子一道起一發電機的作用以便釋放能量；其中，所述轉子包括一由玻璃纖維構成的內層以及一由碳纖維構成的外層。
23.如權利要求22所述的設備，其特徵在於，所說的內層包含磁化材料以形成在使用過程中與定予相互作用的多極磁極。
24.如權利要求22或權利要求23所述的設備，其特徵在於，所說的內層包含磁化材料以形成至少一個與安裝在轉軸上的磁體相互作用的同性徑向磁極，從而構成了一用於轉子的軸承。
25.如權利要求23或權利要求24所述的設備，其特徵在於，所說的磁化材料是在生產過程中放進前述內層中的粉末。
26.如權利要求22至25中任何一個所述的設備，其特徵在於，所說的磁化材料是鐵氧體或NdFeB。
27.如權利要求22至26中任何一個所述的設備，其特徵在於，所說的內層和外層是應力配合的以防在使用中互相分離。
28.如權利要求22至27中任何一個所述的設備，其特徵在於，所述內層的厚度約為整個轉子厚度的三分之二。
29.如權利要求22至28中任何一個所述的設備，其特徵在於，所說的磁化材料從所述內層的內表面開始延伸至該內層的約一半處。
30.如權利要求22至29中任何一個所述的設備，其特徵在於，所述轉子的端蓋有助於將轉子懸掛到轉軸上。
31.如權利要求22至30中任何一個以及如權利要求1至21中任何一個所述的設備。
32.一種能量存儲及轉換設備，該設備包括多個定子；多個相應的圓柱形轉子，它們設置成繞上述定子旋轉；以及用於包容上述定子及轉子的裝置；上述定子在使用中驅動所說的轉子從而將能量存儲成該轉子的動能並且與該轉子相互作用從而起一發電機的作用以便釋放能量；其中，所說的容器裝置在一單元結構內限定了多個箱室。這些箱室內包容著所說的定子和轉子。
33.如權利要求32所述的設備，其特徵在於，每個箱室均包容有一個單個的定子及相應的轉子。
34.如權利要求32或權利要求33所述的設備，其特徵在於，所說的單元結構包括一蜂巢式結構，在這種結構中，有規律地設置有多個圓柱形箱室。
35.如權利要求32至34中任何一個所述的設備，其特徵在於，所說的單元結構由多個切割成一定長度並焊接在一起的模壓件構成。
36.如權利要求35所述的設備，其特徵在於，僅使用三種不同形狀的模壓件去形成整個的單元結構。
37.如權利要求32至36中任何一個所述的設備，其特徵在於，每個箱室均被一包含有止回閥的端部凸緣所封住，以便在任何一個箱室內出現破損的情況下保護相鄰的轉子。
38.如權利要求32至37中任何一個所述的設備，其特徵在於，所說的單元結構包容在一真空室內。
39.如權利要求32至38中任何一個所述的設備，其特徵在於，所說的單元結構由鋁製成。
40.如權利要求32至39中任何一個所述的設備，其特徵在於，為整個設備的所有定子和轉子提供一共用的冷卻系統。
41.如權利要求32至40中任何一個所述的設備，其特徵在於，所說的容器裝置包括吸氣劑，它用於從所述箱室中清除氣體以提高真空度。
42.如權利要求32至41中任何一個所述的設備，其特徵在於，每個定子和轉子單元可存儲高達10千瓦小時的能量、最好可存儲5千瓦小時的能量。
43.如權利要求32至42中任何一個所述的設備，其特徵在於，所說的單元結構包括30至40個箱室，最好包括37個箱室。
44.如權利要求32至42中任何一個以及如權利要求1至31中任何一個所述的設備。
45.如任何一個前述權利要求所述的設備，其特徵在於，設置有一外部迴路，壓力差可通過該迴路驅除前述容器內的氣體，上述外部迴路包括一用於清除氣體的裝置以提高所述容器內的真空度。
46.如任何一個前述權利要求所述的設備，其特徵在於，可測定所述轉子的速度以提供表示存儲在該轉子中能量的輸出。
47.如權利要求46所述的設備，其特徵在於，實時地提供一可視輸出以指示可以所述設備中獲得的能量。
48.如權利要求46或權利要求47所述的設備，其特徵在於，可通過監控電機/發電機電源電子線路的切換頻率來測定所述轉子的速度。
49.一種基本上如以上參照附圖所述並如附圖所示的能量存儲及轉換設備。
全文摘要
一種能量存儲及轉換設備(1)，包括一容器(5)，它限定了一真空室(7)；一基本上垂直的轉軸，它位於真空室(7)內；一位於上述轉軸(9)上的定子(11)；以及一圓柱形轉子(13)，它在使用中受定子(11)的驅動從而將能量存儲成轉子(13)的動能並和定子(13)一道起發電機的作用以便釋放能量，轉軸(9)通過一端蓋(29)支承著轉子(13)，而端蓋(29)則定位於圓柱形轉子(13)的上端並與轉軸(9)相接合。轉子(13)懸掛於固定到端蓋(29)上的銷軸承(31)，銷軸承(31)位於一軸承杯(37)內，軸承杯(37)安裝在位於轉軸(9)端部處的減振器(39)內。在轉子(13)的下端處設置有磁性軸承(43)以使轉子(13)相對定子(11)定位。
文檔編號H02K16/00GK1158674SQ9519529
公開日1997年9月3日 申請日期1995年8月2日 優先權日1994年8月8日
發明者R·E·霍納, C·D·塔倫特, I·克龍比, G·M·巴克, D·S·海沃德 申請人:英國核子燃料公司