用於飛輪能量存儲的輕質量複合材料的安全容納裝置的製作方法
2023-05-16 21:56:56 1
技術領域
本發明涉及飛輪能量存儲裝置，並且更具體地涉及具有改良的穩定性、性能和容量的飛輪存儲裝置。
背景技術：
眾所周知，飛輪能量存儲裝置和系統用於存儲能量並在需要時釋放所存儲的能量。已知的飛輪組件具有傳統的轉子設計，其有時由碳化纖維複合材料製成。這種轉子具有在其上安裝馬達/發電機(M/G)和軸承永久磁體(PM)的軸。通常通過輪轂將軸連接到輪緣。根據飛輪可實現的上端速度限制了飛輪的軸-輪轂設計。由於部件的徑向增長隨著轉子速度增加而變化，可用於飛輪組件中的部件的材料的匹配是有問題的。輪轂必須機械地將軸連接到輪緣，而在飛輪的運轉轉速範圍內在整個運轉頻率範圍不將彎曲模態引入轉子結構中。但是，軸經常表現出很小的徑向增長，而輪緣表現出顯著的徑向增長。
通過使用越來越先進的材料實現的飛輪的較高的轉速不幸地加劇了輪轂的增長匹配的問題，因為輪緣增加的徑向增長超過其它連接部件例如連接軸所表現的任意增長。此外，飛輪技術提供的整體效率受到當前可用的材料的限制，當飛輪以超過材料容許的速度運轉時該材料就會失效。
另外，儘管期望高能量密度以實現最大限度的能量存儲和部署，但已知飛輪組件可實現的能量密度是有限的。此外，由於存在淨角動量，難以達到飛輪系統的能量存儲和部署的最大容量，並且空間限制經常阻止飛輪技術的效用。
技術實現要素：
依據本發明的一個方面，提供用於飛輪裝置的容納層，其包含具有內壁和外壁的大體圓柱形的腔室，以及被連接到內腔室壁和外腔室壁中的至少一個的多個可變形的託架。
每個託架都具有用於容納衝擊的至少一個表面，其提供了沿衝擊方向的從大約0.1°到大約5°的掠射角(glancing angle)，優選託架每個都包含多層。優選地，至少一層包含燒灼顆粒。託架優選地被定向為吸收並容納衝擊以及可預測地變形。優選地，託架由諸如如下材料製成，例如含有碳纖維的、含有玻璃纖維的、還有金屬的材料或其組合。託架優選以低於最快飛輪碎片的速度的速率發生初始變形，幾釐米的完全變形在大約1到大約10ms的時間段內發生。託架具有從大約2GPa到大約20GPa的優選的拉伸強度，並且優選地，每個託架具有S形，包含多層並包含中部，該中部響應於向外的移動衝擊沿徑向向外的方向彈性變形以產生凹形內表面。優選地，至少一層包含燒灼顆粒。一旦遭遇開始使託架變形的力或衝擊，容納層變形以產生大體環形的腔體。
有利地，容納層大體上包圍飛輪裝置，所述裝置包含以從大約300m/s到3000m/s的速度旋轉的至少一個轉子。
有利地，託架是S形的，並且託架響應於向外的衝擊沿徑向向外的方向彈性變形。
有利地，託架一旦受到衝擊就可預測地變形，以便在腔室內產生大體環形的腔體。
有利地，至少一個託架層是編織層，其包含從由以下材料組成的組中選擇的材料：含有玻璃的纖維、含有碳的纖維或其組合。優選地，含有碳的纖維是含有碳納米管的纖維。
有利地，至少一個託架層包含一系列相互連接的節，所述節由從以下材料組成的組中選擇的材料製成：鋼、鈦、鋁、聚合物纖維、碳化纖維和其組合。優選地，碳化纖維包含含有碳納米管的纖維。
有利地，託架的至少一層包含至少一個燒灼板。
有利地，容納層具有高於飛輪裝置軸向高度的軸向高度。
有利地，一種包含上述容納層的交通工具。
依據本發明的另一個方面，提供了用於存儲和釋放能量的飛輪組件，其包含在真空腔室內的大體圓柱形的轉子組件。包含具有內表面和外表面的轉子的該組件優選包含含有碳纖維的、含有玻璃纖維的、含有金屬的材料等，以及其組合。定子組件被放置得緊密靠近轉子組件。優選為柔性的至少一個轉子磁體被固定到轉子的內表面，並且至少一個定子磁體被固定到定子。容納層大體上包圍轉子組件，並包含多個可變形的託架，該託架被定向為吸收和容納衝擊。託架優選地包含多層，至少一層優選地包含燒灼顆粒。
有利地，每個託架都具有用於容納由於飛輪組件失效的碎片的表面。
有利地，用於容納衝擊的表面提供了沿衝擊方向的從大約0.1°到大約5°的掠射角。
有利地，飛輪裝置包含以從大約300m/s到3000m/s的速度旋轉的至少一個轉子，並且託架在低於轉子速度的速率下變形。
有利地，託架具有從大約2GPa到大約20GPa的拉伸強度。
有利地，託架是S形的，並且託架包括響應於向外的衝擊沿徑向向外的方向產生彈性變形的中部。
有利地，託架充分地變形以在容納層中產生大體環形的腔體。
有利地，託架由從由含有玻璃的纖維、含有碳的纖維或其組合組成的組中選擇的材料製成。
有利地，含有碳纖維的材料是含有碳納米管的材料。
有利地，提供一種包含上述飛輪組件的能量存儲設備。
轉子組件可以具有任意期望的結構，其包括，例如軸-輪轂的、無輪轂的、開口鐵芯的結構等。每個託架都具有用於吸收沿衝擊方向的從大約0.1°到大約5°的掠射角的衝擊的表面。託架優選為S形，但可以是提供此處提出的優點的任意幾何形狀，並且包含響應於內部的(向外的)或外部的(向內的)衝擊沿徑向向外的方向產生彈性變形的中部。當響應內部的(向外的)衝擊時，託架變形以產生凹形內表面和大體環形的腔體。
依據本發明的另一方面，提出一種用於在運轉期間容納來自受損壞的飛輪組件的飛輪轉子碎片的方法，該方法包含在真空腔室內提供大體圓柱形的飛輪轉子組件和飛輪定子組件的步驟。至少一個轉子磁體被固定到每個轉子的內表面，並且至少一個定子磁體被固定到每個定子。大體上包圍轉子組件的容納層被提供給飛輪系統。容納層包含多個可變形的託架，其被定向為吸收和容納衝擊。託架優選包含多層，至少一層包含燒灼顆粒。每個託架優選具有用於通過具有沿衝擊方向從大約0.1°到大約5°的掠射角吸收並容納衝擊的表面。
用於容納來自受損壞的飛輪組件的飛輪轉子碎片的方法包含：在真空腔室內提供大體圓柱形的飛輪轉子組件和飛輪定子組件，提供被固定到每個轉子的內表面的多個轉子磁體；提供被固定到每個定子的多個定子磁體；以及提供包圍轉子組件的容納層，所述容納層包含被定向為容納衝擊的一系列可變形的託架，每個所述託架包含多層，至少一層包含燒灼顆粒。
有利地，託架是S形的，並且託架響應於向外的衝擊沿徑向向外的方向產生彈性變形，以產生凹形內表面。優選地，託架充分地變形以產生大體環形的腔體。
有利地，至少一個託架層由從由含有碳化纖維、含有玻璃纖維、含有金屬的材料或其組合組成的組中選擇的材料製成。有利地，含有碳化纖維的材料是含有碳納米管的材料。
如上所述，本發明涉及軸-輪轂型飛輪以及開口鐵芯飛輪。飛輪存儲系統可以使用，例如，機械軸承、磁懸浮軸承或超導軸承等和多個轉子，該多個轉子包含高強度材料以及含有多股定向碳納米管(CNT)的材料，高強度材料例如為然纖維、玻璃纖維、金屬等，含有多股定向碳納米管的材料包括含有多壁碳納米管的材料(MWCNT)。製造的轉子固有的預期特性導致在顯著增加的轉速、增加的動力存儲/生成和增加的系統耐久性方面的顯著改善的飛輪性能。
真空腔室包含旋轉的含有纖維複合材料的一個或更多個轉子環或圓柱體，每個轉子作為獨立的飛輪工作。優選地，小渦輪分子或吸氣升華泵保持容納整個組件的腔室內部的真空。
附圖說明
已概括地描述了本發明的變型，現在參考附圖，附圖不必是按照比例繪製的，其中：
圖1(a)示出了現有技術的軸-輪轂飛輪組件的橫截面視圖；
圖1(b)示出了開口鐵芯的飛輪組件的橫截面視圖；
圖2示出了依據本申請的容納裝置結構的局部橫截面視圖；
圖2a示出了示出三個複合層的單個S-託架的放大的特寫視圖；
圖2b示出了S-託架的部件層的放大的特寫視圖；
圖2c示出了S-託架的至少一個部件層中的碳化纖維束的放大的特寫視圖；
圖2d示出了S-託架的部件層的放大的特寫視圖，其示出了一系列的燒灼板；
圖3是示出包括容納層的飛輪組件的橫截面示意圖；
圖4是圖3中所示的飛輪組件的卸壓部件的橫截面特寫視圖；以及
圖5是圖3中所示的飛輪組件的穩定套筒元件的橫截面特寫視圖。
具體實施方式
當保護飛輪組件免受外部的威脅的傷害時，依據本發明的容納裝置必須防止例如彈道侵徹以及雷電防護。關於從飛輪組件爆炸出的碎片的容納，例如，在毀滅性的飛輪失效等的情況下，本發明涉及新穎的解決方案。代替破碎成鋼製飛輪形式的餅形件，由包含複合材料的材料製成的失效飛輪產生周向纏繞的纖維的複合材料環，其分成具有從幾微米到幾毫米範圍內變化的尺寸分布的小碎片和件。由這些碎片和件形成的成團的碎片雲擴散，仿佛碎片是粘性液體。本發明提供新的飛輪設計和飛輪容納裝置設計以及更高強度的材料，以實現飛輪運轉安全性的更可靠和更具保護性的容納裝置。
依據本發明的一種優選變型，一系列S形翼的預選取向從容納裝置腔室的外剛性壁向內延伸，並且，可選地從內壁向外延伸。託架的內緣靠近飛輪轉子組件的外邊緣，使得在失效時，碎片的最外面和最快速移動的部分將以從大約0.1°到大約5°的「掠射」角撞擊在這些託架上，由此「軟化」初始衝擊並顯著地緩和衝擊波。隨著來自碎片雲的壓力增加，S-託架被故意和可預測地以具有充足延展性的方式配置並被定位，以便通過非破壞性的彈性變形而充分地變平，並且包含失效飛輪的高能量的材料碎片。
由成形元件形成的中空單元以足夠快的速率彈性變形(或彎曲)以防止零件經歷最終的拉伸破壞(破裂)或局部的壓縮破壞(屈曲)。S-託架的軸向高度優選高於飛輪轉子的軸向高度。S-託架具有中部，該中部被設計為響應於來自失效的飛輪碎片的衝擊以故意和可預測地產生凹形內表面的方式沿徑向向外的方向彈性變形。這個凹形表面然後起到防止轉向的飛輪材料碎片軸向分散的作用；即，碎片雲在由變形託架形成的大體環形的腔體中保持周向循環。成形的內部元件的彈性變形足夠快地發生以顯著地延長總的衝擊時間間隔，並且因此減少容納裝置元件必須吸收的峰值力。應理解，託架被成形和周向取向，使得他們將會徑向向外變形(由於飛輪內部組件的失效)以形成被衝擊的容納裝置腔室的大體環形的形狀。
在早期的飛輪容納裝置設計中，S-託架的材料為不鏽鋼。依據本發明的變型，S-託架優選包括包含複合材料的材料，該材料被設計為延展壓力波並吸收衝擊能量。如圖2所示的基複合材料的鏈-編織設計允許複合材料通過鏈節擴張時壓縮基複合材料而開始變形並吸收能量。隨著碎片嚙合S-託架，聯-編織設計中的鏈節開始移動，並且鏈向外擴張(沿著碎片移動的方向)。隨著擴張繼續，節的末端彼此接觸並彼此拉動。最終鏈節「鎖上」並且通過伸長節和託架本身發生進一步的擴張。通過由包含編織的CNT纖維/織物材料構建節，鏈節的應力-應變關係更加高於目前已知的材料。
通過在限制節的開放空間中加入粘性材料，例如，蠟質材料，鏈節的性能可以被進一步增強。當節擴張並且相鄰節的末端向彼此移動時，節移動通過粘性材料並將它擠出。粘性材料和節之間的粘性力將加熱粘性材料並將節的動能中的一些轉變為熱量。材料，諸如，例如膨脹(剪切增稠)流體，可以被用來幫助增強和改善容納裝置結構的這部分的性能。可能的流體包括，但不限於，矽油和硼酸的組合物、分布在聚乙烯溶液(乙二醇)(PEG)中的矽納米顆粒以及商用的剪切增稠流體。
另外，硬的、燒灼的和吸收能量的顆粒能夠被加入並被放在結構的適當部分，諸如，例如在向內的表面上，使得硬顆粒形成第一衝擊面以將來自飛輪轉子的任意纖維碎片分解成更像灰塵的物質。理想地，這些顆粒表現為基本上符合S-託架的表面的毫米大小的板，其中S-託架暴露於真空腔室的內部。這些板優選由於硬陶瓷製作，諸如，例如包含鋁、金剛砂和碳化硼的材料等。
對於邊緣速度大於1000m/s的非常高能量密度的飛輪來說，容納爆裂轉子的能量將通過轉子碎片的熱加熱(thermal heating)而加劇，這將會加熱腔室壁，並且在碎片失去它的速度期間並且甚至在碎片失去它的速度之後這可能是一個問題。因此，進一步的變化考慮以絕熱的形式封裝機械容納裝置，諸如，例如耐火磚材料等。也考慮到一些氣態熱材料以控制的方式被安全地排出到大氣，諸如，例如通過卸壓部件。
用於容納裝置製造的一種特別優選的材料是碳納米管(CNT)。CNT是具有圓柱形納米結構的碳的同素異形體。納米管已被建造具有高達132,000,000∶1的長度直徑比，顯著地高於任何其它材料。這些圓柱形碳分子具有對納米技術、電學、光學和其它材料科學和技術領域非常重要的不同尋常的性質。由於它們的熱傳導、機械和電學性質，碳納米管作為對各種結構材料的添加劑獲得應用。納米管分為單壁納米管(SWNT)和多壁納米管(MWNT)。各個納米管自然地使它們自身排列成通過範德瓦爾斯力保持在一起的「繩索」，更特別地是面對面的堆積(pi-stacking)。
分別在拉伸強度和彈性模量方面，CNT是迄今為止發現的最強和最硬的材料。這種強度來源於各個碳原子之間形成的sp2共價鍵。多壁碳納米管(MWCNT)被測試具有63吉帕斯卡(GPa)的拉伸強度。舉例說明，這解釋為在橫截面大約1mm2的纜線上承受相當於6422kg重量的張力的能力。單個CNT殼具有高達大約100GPa的強度。由於碳納米管具有從大約1.3到大約1.4g/cm3的對固體而言的低密度，與例如大約154kN·m·kg-1的高碳鋼相比，它們的高達大約48,000kN·m·kg-1的比強度是已知材料中最好的。
儘管單個CNT殼的強度是非常高的，但是相鄰殼和管之間的弱剪切作用導致多壁碳納米管和碳納米管束的有效強度顯著度降低至只有幾GPa。然而，施加交聯內殼和管的高能量的電子照射有效地將用於多壁碳納米管的這些材料的強度增加至大約60GPa，將用於雙壁碳納米管束的這些材料的強度增加至大約17GPa。
標準的單壁碳納米管(SWCNT)可以經受高達24GPa的壓力而不發生變形。之後它們經歷向超硬階段納米管的轉變。利用目前的實驗技術測得的最大壓力大約是55GPa。然而，這些新的超硬階段的納米管在甚至更高但未知的壓力下塌陷。
多壁碳納米管(MWCNT)具有精確地嵌套在彼此之內的多個同心納米管。這些CNT顯示出驚人的伸縮性能，由此內部的納米管芯可以在它外部的納米管殼內幾乎沒有摩擦地滑動，因此產生了原子級理想的線性或旋轉軸承。對於無扭複合結構，具有大約0.2gm/cm3密度的MWCNT絲線被認為生成至少大約45GPa的保守的最小材料強度。
在本發明中使用的製造CNT的一種優選過程涉及在Al2O3過渡層(大約10nm厚)上沉積Fe催化劑膜的薄層(大約1nm厚)，Al2O3過渡層沉積在塗敷矽片的SiO2層(大約1微米厚)上。提供乙烯作為氬運載氣體中(大約6％的Hs)的優選碳源。然後優選在大約750℃下以連續的過程生長CNT以產生長於大約1cm的CNT。這給予製造的材料大於大約100,000的縱橫比(長度/直徑)，並且足以將應力從一個纖維轉移給另一個。
在本發明的新穎的轉子的製造中使用的優選的CNT優選具有大約0.075nm的實際壁厚和大約0.34nm的有效壁厚，實際壁強度為從大約150到大約260GPa。這提供了具有金屬、玻璃和/或聚合物基的30nm直徑MWCNT的容積率高達大約65％的優選材料。將瑕疵(defect)引入MWCNT被認為改善內壁強度以便以大約2的係數改善MWCNT線與內線「壁」之間的機械載荷轉移。
在本發明中使用的優選的CNT具體通過控制取向的角度和基中的容積率被製造，以便提供完美的複合材料並產生期望的物理性質(諸如，例如比當前已知的更高的轉子拉伸強度)。
參考附圖，現在本發明的一些變型將在下文中被更加完整地描述，其中示出了本發明的一些但不是所有的變型。實際上，本發明可以被實施為很多不同的形式，並且不應該被理解為對此處提出的變型的限制。實際上，提供這些示出的變型使得此公開將是全面的和完整的，並且對本領域技術人員將充分地表達公開的範圍。例如，除非另作說明，將某物標識為第一、第二等不應被理解為意味著具體的順序。同樣，某物可以被描述為在其它事物「之上」，並且除非另作說明，可以相反在其「之下」，反之亦然。相似地，被描述為在其它事物的左側的某物可以相反在其右側，並且反之亦然。相同的附圖標記始終表示相同的元件。
圖1(a)示出了在例如各種頻率和較高速度下顯示有限性能的傳統的軸-輪轂飛輪組件10的橫截面視圖。纖維複合材料的輪緣轉子12被連接到輪轂14，輪轂14進而被連接到軸16。被連接到軸16的燒結的永磁體(PM)15和18對提升PM 20和高溫超導體22施加吸引力和排斥力。示出了被連接到支撐物17的PM 20。馬達/發電機(M/G)的定子線圈24被示為被懸掛在M/G PM 26和支撐物17之間。
圖1(b)示出了依據本發明製作的飛輪結構30的橫截面視圖。在這個「無輪轂的」開口鐵芯飛輪結構(用點劃線表示中心線)中，示出了連接到纖維複合材料的輪緣轉子32的彈性永磁體(PM)34、36和38。來自馬達/發電機(M/G)的提升軸承定子PM 48和定子線圈42被連接到支撐結構43。高溫超導體(HTS)45被布置為靠近支撐物46。PM48和34包含提升軸承，而元件45和38包含穩定軸承。
本公開的開口鐵芯結構展示了一種新穎的設計，該設計使纖維複合材料輪緣和HTS軸承能夠實現最大性能，而沒有對軸-輪轂飛輪設計中固有的部件徑向增長差異的設計限制。應理解，在它示出的垂直方向中整個開口鐵芯飛輪30被容納在真空腔室(未示出)內。在優選的垂直方向中，環狀的纖維複合材料轉子32優選通過被動穩定的磁軸承被懸掛，其包含在一端或「頂端」的提升軸承(PM 48和PM 34)和在第二端或「底端」的HTS穩定軸承(PM 36和HTS 45)。優選地，無刷PM馬達/發電機40將動力輸送到轉子中或將動力輸送到轉子外。如在圖1(b)中所示，轉子PM 34、36和38沿轉子32的內表面33布置。小制冷機(未示出)的冷頭熱傳導至HTS 45以保持從大約30K到大約90K的期望溫度，並且優選為大約60K。小渦輪分子的或吸氣升華的泵(未示出)保持腔室內的真空。
圖2示出了具有典型飛輪的一般容納裝置結構200的局部橫截面視圖。結構圍繞中心線202基本是同心的。容納裝置包含多個S-託架204、真空襯墊206和外部鎧甲層(armor layer)208。每個S-託架204被連接到真空襯墊206的內表面。飛輪210被放置在S-託架204最內端之內。飛輪210的高度優選小於S-託架204的高度。外部鎧甲層208被設計為防止外部拋射體向內穿透真空襯墊。外部鎧甲層208優選包含鋼、陶瓷、等的大體同心的層。外部鎧甲層208也可以由蜂巢和其它多孔幾何體組成，其包含鋼、陶瓷、等的疊片。
依據一種變型，單個S-託架204優選包含如圖2a中所示的層。S-託架204包含三(3)層：第一層220、第二(中間)層240和第三層260。在圖2b中更詳細地描述了第一層220的一部分。示出了大體上在相同平面中的第一組節222以及與第一組節222的平面成角度取向的第二組節224。每個節222與兩個相鄰的節224連接，並且每個節224與兩個相鄰的節222連接。節之間的空間226優選被填充塑性材料，諸如，例如尼龍、聚合物等。空間226也可以被填充以如上所述的剪切增稠流體。連接的節、塑性材料和流體合起來形成排228，並且排228的堆形成層220。單個層220可以具有一個或更多層堆積的排。
單個節222和224可以優選地包含金屬，諸如，例如鋼、鈦、鋁或聚合物或碳化纖維。節也可以優選地包含如圖2c所示的含碳納米管材料。在圖2c中，示出了節224的一部分，其中節被示出包含多束納米纖維陣列230。多束納米纖維陣列被示出具有微小纖維235的外包裝。納米纖維陣列230包含一組單壁碳納米管(SWCNT)236或一組其它任意納米纖維。纏繞纖維235可以包含類似的一系列納米管236，或可以包含聚合物、玻璃、碳化纖維或其組合等的單一纖維。如240(圖2a)所示的第二(中間)層優選包含纖維編織層。該纖維優選包含、玻璃、碳化纖維、CNT或其組合等。編織樣式優選是在纖維和纖維複合材料工業中使用的任意標準的樣式。
在圖2d中示出了第三層226的優選部分的細節。第三層260包含基底薄片262、硬的燒灼板264的陣列和將燒灼板266粘附到基底薄片262的附著裝置266。燒灼板264優選被安裝在基底薄片262的向內的表面268上。每個燒灼板264優選通過一個或更多個附著裝置266被連接到基底薄片262。燒灼板264可以包含早期公開的陶瓷的任何一種。基底262優選包含金屬，諸如，例如鋼、鈦、鋁或任意固體塑料或纖維複合材料等。附著裝置266可以是將板粘結到基底的任意粘合劑。
應當理解，多層可以被用來產生較厚的S-託架元件。例如，5層結構可以由(1)位於面向飛輪側的燒灼層、(2)編織層、(3)鏈-編織層、(4)編織層和(5)鏈-編織層組成。
在圖3中示出了另一個變型，其表示飛輪能量存儲容納系統的橫截面。儘管本發明被充分地納入到此處描述的無輪轂的開口鐵芯飛輪結構中，但是系統300包含飛輪轉子302，其可以可選擇地具有輪轂304。飛輪具有附圖中未示出的各種固定支撐部件。飛輪轉子302(和輪轂304)圍繞中心線306旋轉。真空阻擋層308以深黑的粗線條示出。示出了放置在未按比例繪製的絕熱層312內的S-託架310。示出了可選擇性旋轉的機械層314，其可以選擇性地包含結構以進一步阻止外部拋射體向內行進到達真空邊界。機械軸承316有助於保持可旋轉層314居中。機械套筒318優選被放置在層314和支撐物或地面320之間。軸承316和套筒318都可選擇地被機械地連接到地面。最後，卸壓部件322被示出在組件的中間。
絕熱層312優選經受從大約1000℃到大約2500℃的高溫，並且優選具有低於大約0.4W/m·k的低導熱係數。例如，在窯內製造耐火磚使用的材料可以被用於這層。然而，對於移動的並且特別是交通工具運載的應用，可以使用輕質材料，諸如，例如矽石、氧化鋁、富鋁紅柱石、矽線石、氧化鎂、氧化鋯和纖維耐火隔熱磚，氧化鋁-氧化鋯-矽的組合是尤其優選的。可旋轉層314可以包含含有複合材料的內部結構，但是優先具有含有鋼的外層。軸承316優先為陶瓷軸承，並且套筒318可以是具有與鋼相對低的摩擦係數的青銅或其它金屬等。
在圖4的進一步的橫截面細節中示出了卸壓部件322的結構。卸壓部件322是關於中心線306同中心的，並且具有外主體330。在主體330的底面上有卸壓部件322，諸如，例如爆炸隔膜。卸壓部件322的作用是在超過特定數值的壓力下可預測地破壞，並允許氣體和小顆粒通過位於主體330的頂部表面中的出口孔334逸出。卸壓部件322也具有被連接到主體330的外壁的環形擋板盤336。它具有被連接到主體330的上部表面的中心支柱338。有被連接到中心支柱338的一個或更多個盤形擋板340。擋板用來使氣體和顆粒流在到達出口孔334之前減速。
套筒元件318(如圖3中所示)可以具有如圖5中所示的細節。元件318包含具有大體圓柱形的側壁502和可以是環形盤的底部盤504的支撐結構。支撐結構的底部被連接到支撐物/地面320。圓柱體506在壁502內配合。彈簧508向上推動圓柱體506與可旋轉層314的底部(圖3)形成牢固的接觸。可旋轉層在旋轉期間可能磨損圓柱體506，並且彈簧力將保持接觸並提供向上的支撐，有助於消除旋轉運動。
如果內部飛輪失效產生向外的力，在包括飛輪轉子碎片的情況下，S-託架如上所述發生變形以形成大體環形的容納裝置腔室。依據本發明的變型，碎片在由於S-託架的變形產生的大體環形的腔體中循環。優選被包含在S-託架中的含有燒灼顆粒的層或複數層具有若干功能。首先，它們有助於將轉子碎片分解成更細小的塵狀顆粒。其次，它們可以被設計或選定為與碳化纖維和塑性聚合物發生吸熱的化學反應，以進一步降低碎片雲的溫度。例如，如圖2d中所示的附著裝置266能夠至少部分地包含諸如三元乙丙橡膠的複合物。
隨著轉子碎片的動能被轉換為熱能，腔室內部件的溫度上升。轉子複合材料中使用的任意塑性聚合物將會氣化。腔室中氣體壓力將會上升。在某些預定點處，包含諸如例如密封件或破裂盤等的卸壓部件通過設計將會失效。腔室中間的氣體可以通過帶有擋板的結構以預定的並且相對受控的速率離開到環境中，例如以菸灰的形式等。最初，仍將有旋轉氣流，並且氣流的地心引力將大部分的塵埃和氣體保持在變形的S-託架容納層的大體環形的部分中。隨著旋轉慢下來，更多的氣體和塵埃能夠離開腔室。
飛輪轉子的角動量將會被保存。碎片雲的角速度將會隨著雲向外擴展而減小，並且與託架的初始傾斜碰撞將會保持雲中的大部分動量。然而，碰撞將會把一些扭矩轉移給託架，並且這將導致託架、絕熱且可旋轉的層轉動。由於這個結構的較大半徑和它的相當大的質量，角速度將會小，並且這個角動量可以在套筒1190和軸承1180中分散。
針對本發明的飛輪系統的有益的固定的和移動的應用大量存在。實際上，對可持續的能量存儲和部署的任何所需要求都可以發現本發明的用途和益處。例如，由於本發明的飛輪系統的基本安靜的運行，安靜或隱形模式的交通工具運行是可能實現的。另外，目前公開的系統允許快速充電和放電以及來自所有可用能源的充電，例如電網、可再生資源、發電機等。此外，不需要特定的加工或基礎設施以便將本發明的變型併入到固定的能量存儲或產生設備以及在移動或固定運行中要求不可中斷的或可中斷的能量存儲或部署的裝置、系統或交通工具。優選的交通工具包括，但不限於，有人駕駛的或無人駕駛的飛行器、太空飛行器、陸地和水運表面和地下的交通工具。公開的變型的開口鐵芯結構設計的模塊化方法降低了整體系統失效的風險，並進一步實現與已知的飛輪系統相比更深深度的能量釋放(例如大於大約95％)。另外，系統允許僅僅基於監測飛輪旋轉轉速非常精確地確定充電。
儘管已示出並描述本發明的優選變型和替代，但是可以理解，在不背離本公開的主旨和範圍的情況下，在其中能夠做出各種改變和替代。相應地，本發明的範圍應當僅僅由所附權利要求和其等同物限定。