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公開番号2020078243
公報種別公開特許公報(A)
公開日20200521
出願番号2019229552
出願日20191219
発明の名称入れ子型ロータオープンコアフライホイール
出願人ザ・ボーイング・カンパニー,The Boeing Company
代理人園田・小林特許業務法人
主分類H02K 7/02 20060101AFI20200424BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】フライホイールエネルギー貯蔵デバイス内で望ましい高いエネルギー密度を達成し、優れた結果および性能を得るための方法および装置を提供する。
【解決手段】エネルギーを貯蔵および放出するためのフライホイールアセンブリであって、真空チャンバ内の実質的に円筒形のロータアセンブリであって、複数のロータ32を備え、各ロータが内面および外面を有し、各ロータが異なる半径を有する、ロータアセンブリと、少なくとも1つのステータ40アセンブリであって、各ロータの内面に添着された少なくとも1つのロータ磁石34と、各ステータに添着された少なくとも1つのステータ磁石と、ロータアセンブリおよびステータアセンブリと連絡する高温超伝導軸受け45とを備え、ロータ磁石とステータ磁石が、動作中、ロータの浮揚を容易にするように互いに対して位置決めされ、アセンブリがオープンコアアーキテクチャを備える。
【選択図】図1b
特許請求の範囲【請求項1】
エネルギーを貯蔵および放出するためのフライホイールアセンブリであって、
真空チャンバ内の実質的に円筒形のロータアセンブリ32、34、36、38であって、複数のロータ32を備え、各ロータが内面および外面を有し、各ロータが異なる半径を有する、ロータアセンブリと、
少なくとも1つのステータ40アセンブリであって、各ステータアセンブリ40、42、43、45、46がロータアセンブリ32、34、36、38に近接している、ステータアセンブリと、
各ロータ32の前記内面に添着された少なくとも1つのロータ磁石34、36、38と、
各ステータに添着された少なくとも1つのステータ磁石48と、
前記ロータアセンブリおよび前記ステータアセンブリと連絡する高温超伝導軸受け45、58とを備え、
前記ロータ磁石34、36と前記ステータ磁石48が、動作中、前記ロータの浮揚を容易にするように互いに対して位置決めされ、前記アセンブリがオープンコアアーキテクチャを備える、フライホイールアセンブリ。
続きを表示(約 760 文字)【請求項2】
前記ロータ32がそれぞれ外半径を有し、各ロータの前記外半径が、動作中、約300m/秒から約3000m/秒の速度を達成する、請求項1に記載のフライホイールアセンブリ。
【請求項3】
前記ロータ32が、約2GPaから約60GPaの引張り強度を有する材料を含む、請求項1に記載のフライホイールアセンブリ。
【請求項4】
前記ロータ32が、黒鉛、Eガラス、Sガラス、シリカ、アルミニウム、チタン、鋼、およびそれらの組合せからなる群から選択される材料を含む、請求項1または3に記載のフライホイールアセンブリ。
【請求項5】
ロータ32が、カーボンナノチューブ含有材料を含む材料製である、請求項1または3に記載のフライホイールアセンブリ。
【請求項6】
第1のロータ342が第1の方向で回転し、第2のロータ334が第2の方向で回転する、請求項1に記載のフライホイールアセンブリ。
【請求項7】
前記ロータアセンブリが、様々な半径を有する3つのロータ612c、612b、612aを備え、2つのロータが第1の方向で回転し、第3のロータが第2の方向で回転する、請求項1に記載のフライホイールアセンブリ。
【請求項8】
前記ロータアセンブリが、様々な寸法を有するロータを備え、前記寸法が、角運動量を実質的に打ち消すように予め選択される、請求項1に記載のフライホイールアセンブリ。
【請求項9】
請求項1ないし8のいずれか一項に記載のフライホイールアセンブリを備えるエネルギー貯蔵システム。
【請求項10】
請求項1ないし8のいずれか一項に記載のフライホイールアセンブリを備えるビークル。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本開示は、フライホイールエネルギー貯蔵デバイスに関し、より詳細には、改善された安定性および性能を有するハブレスまたはオープンコアのフライホイール貯蔵デバイスに関する。
続きを表示(約 17,000 文字)【背景技術】
【0002】
フライホイールエネルギー貯蔵デバイスおよびシステムは、エネルギーを貯蔵し、要求があり次第貯蔵されたエネルギーを放出することで知られている。既知のフライホイールアセンブリは、炭素繊維複合体を用いて作製されることもある従来のロータ設計を有する。そのようなロータは、モータ/発電機(M/G)と軸受け永久磁石(PM)が装着されるシャフトを有する。シャフトは、従来、ハブを介してリムに連結される。シャフト−ハブフライホイール設計は、その達成可能な上端速度の点で制限されている。フライホイールアセンブリ内の構成部品用に使用可能な材料を調和させることには問題が多い。なぜなら、ロータ速度が上がるにつれて、これらの構成部品の半径方向の膨張が変動するからである。ハブは、フライホイールの動作スピード範囲内における動作周波数の範囲にわたってロータ構造に曲げモードを導入することなしに、シャフトをリムに機械的に結合しなければならない。しかし、シャフトは、しばしば無視できるほどしか半径方向の膨張を示さない一方、リムは、有意な半径方向の膨張を示す。
【0003】
したがって、進歩し続ける材料の使用によって可能になるフライホイールにとってのより高いスピードは、残念ながらハブにとっての膨張調和問題を悪化させる。なぜなら、リムの半径方向の膨張の増大は、たとえば連結シャフトなど他の連結された構成部品が呈するどんな膨張よりも速いからである。さらに、フライホイール技術によってもたらされる全体的な効率は、材料の許容度を超えるスピードでフライホイールが動作したとき破壊される現在使用可能な材料によって制限される。
【0004】
さらに、最大限のエネルギー貯蔵および効果的利用(deployment)を達成するために高いエネルギー密度が望ましいが、既知のフライホイールアセンブリで達成可能なエネルギー密度は制限される。さらに、フライホイールシステムのエネルギー貯蔵および効果的利用の最大容量に達することは、正味の角運動量の存在によりしばしば困難であり、空間の制限により、フライホイール技術の有用性がしばしば妨げられる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示は、材料の膨張調和問題を解消する、またそうでない場合には様々な周波数およびスピードで生じる半径方向の膨張および曲げモード問題を予防するフライホイールおよびフライホイールアーキテクチャを対象とする。より具体的には、本明細書に開示されている変形形態は、シャフト−ハブアーキテクチャではなく「オープンコア」(ハブレス)アーキテクチャを有するフライホイールアセンブリを対象とする。
【0006】
本開示の変形形態は、高いエネルギー、電力密度、および効率を得ることになる一方、著しく縮小されたサイズプロファイルを有する新規なオープンコアフライホイールエネルギー貯蔵システムを対象とする。このフライホイール貯蔵システムは、高温超伝導(HTS)軸受けと、高強度材料を含む複数のロータとを備える。ロータに固有の望ましい特性は、著しく高いスピード、高い蓄電/発電、および高いシステム耐久性の点で、著しく改善されたフライホイール性能をもたらす。
【0007】
本開示によれば、エネルギー貯蔵に使用することができるフライホイールシステムおよびユニットが開示される。真空チャンバが、複数の入れ子型ロータリングまたはシリンダ(以下、「ロータ」と称する)を含み、各ロータが、独立のフライホイールとして動作する。好ましい変形形態では、ロータの少なくとも1つが逆回転ロータである。各ロータは、ロータのどちらかの端部で永久磁石(PM)リフト軸受けおよびHTS安定軸受けを構成する、受動的に安定な磁気軸受けによって懸吊されことが好ましい。ロータPMは、望ましくは、また予測可能に各ロータの内面に沿って配置され、小型冷凍機のコールドヘッドがHTSに対して熱伝導し、望ましい動作温度を保存する。小型のターボ分子ポンプまたはゲッタ−サブリメーションポンプが、アセンブリ全体を封じ込めるチャンバ内の真空を維持することが好ましい。
【0008】
本発明の一態様によれば、真空チャンバ内に実質的に円筒形のロータアセンブリを備える、エネルギーを貯蔵および放出するためのフライホイールシステムが提供され、このアセンブリは、内面および外面を有し、好ましくはたとえば、炭素繊維、ガラス繊維、金属、およびそれらの組合せなど高強度材料を含む複数のロータを備える。各ロータは、炭素繊維含有材料、ガラス繊維含有材料、または金属含有材料(またはそれらの組合せ)を含むことが好ましく、その材料は、約2GPaから約60GPaの引張り強度を有することが好ましい。少なくとも1つのステータアセンブリが提供され、好ましくはオープンコアアーキテクチャで、ロータアセンブリに近接して配置される。複数のロータ磁石が、ロータの内面およびステータに添着され、動作中、ロータの浮揚を容易にするように互いに対して位置決めされる。ロータは、動作中、その外半径で約300m/秒から約3000m/秒の速度を達成することが好ましい。炭素繊維含有材料、ガラス繊維含有材料、または金属含有材料は、黒鉛、Eガラス、Sガラス、シリカ、アルミニウム、チタン、鋼、およびそれらの組合せからなる群から選択される材料のマトリクスを含むことが好ましい。1つの特に好ましい材料は、カーボンナノチューブ含有材料であり、シングルウォールカーボンナノチューブ含有材料であることが好ましい。第1のロータが第1の方向で回転し、第2のロータが第2の方向で回転する。ロータアセンブリは、様々な半径を有する3つのロータを備えることができ、2つのロータが第1の方向で回転し、第3のロータが第2の方向で回転する。ロータアセンブリは、様々な寸法を有するロータを備えることができ、それらの寸法は、角運動量を実質的に打ち消すように予め選択される。
【0009】
各ロータは、異なる半径を有し、その結果、半径のより小さいロータを半径のより大きいロータ内に「入れ子」にすることができる。さらに、好ましいフライホイールアセンブリは、複数のステータアセンブリを備え、各ステータアセンブリは、ロータアセンブリに近接する。少なくとも1つのロータ磁石を各ロータの内面に添着し、少なくとも1つのステータ磁石を各ステータに添着し、ロータ磁石とステータ磁石が、動作中、ロータの浮揚を容易にするように互いに対して位置決めされるようにする。
【0010】
本発明の他の態様によれば、要求があり次第放出するためにエネルギーを貯蔵する方法であって、複数のロータを備える実質的に円筒形のロータアセンブリを備えるフライホイールアセンブリを、真空チャンバ内に設けるステップを含む方法が提供される。各ロータは、炭素繊維、ガラス繊維、金属、およびそれらの組合せなど高強度材料を含むことが好ましい。カーボンナノチューブ含有材料が特に好ましい。ロータは、炭素繊維含有材料、ガラス繊維含有材料、または金属含有材料(またはそれらの組合せ)を含み、その材料は、約2GPaから約60GPaの引張り強度を有することが好ましい。ステータアセンブリが提供され、好ましくはオープンコアアーキテクチャで、ロータアセンブリに近接して配置される。少なくとも1つのロータ磁石がロータの内面およびステータに添着され、動作中、ロータの浮揚を容易にするように互いに対して位置決めされる。ロータは、動作中、その外半径で約300m/秒から約3000m/秒の速度を達成することが好ましい。炭素繊維含有材料、ガラス繊維含有材料、または金属含有材料は、黒鉛、Eガラス、Sガラス、シリカ、アルミニウム、チタン、鋼、およびそれらの組合せからなる群から選択される材料のマトリクスを含むことが好ましい。1つの特に好ましい材料は、カーボンナノチューブ含有材料であり、シングルウォールカーボンナノチューブ含有材料であることが好ましい。第1のロータが第1の方向で回転し、第2のロータが第2の方向で回転する。ロータアセンブリは、様々な半径を有する3つのロータを備え、2つのロータが第1の方向で回転し、第3のロータが第2の方向で回転する。
【0011】
各ロータは、異なる半径を有し、その結果、半径のより小さいロータを半径のより大きいロータ内に「入れ子」にすることができる。さらに、このアセンブリは、複数のステータアセンブリを備え、あるステータアセンブリがあるロータアセンブリに近接する。複数のロータ磁石が、各ロータの内面に添着され、複数のステータ磁石が、各ステータに添着される。次いで、電流が各フライホイールアセンブリのステータに印加され、各ロータが、動作中、その外半径で約300m/秒から約3000m/秒の速度を達成することを可能にする。
【0012】
さらに、本開示は、真空チャンバ内に実質的に円筒形のロータアセンブリを備える、エネルギーを貯蔵および放出するためのフライホイールシステムを、補助的エネルギー源または一次エネルギー源として備えるビークルを対象とし、このアセンブリが複数のロータを備え、各ロータが高強度材料を含むことが好ましい。
【0013】
ロータはそれぞれ、動作中、それらの外半径で約300m/秒から約3000m/秒の周速を達成することが好ましい。好ましいロータは、たとえばガラス繊維、炭素繊維、金属、およびそれらの組合せなどの材料を含み、マルチウォールカーボンナノチューブ含有材料を含むカーボンナノチューブ含有材料が特に好ましい。
【0014】
いくつかの代替形態では、本発明のフライホイールアセンブリは、航空機、宇宙機、および陸上および水上および水中ビークルを含めて、有人および無人のビークルを含む静的応用例および移動応用例で使用するための持続可能な電力源として特に有用性を有する。
【0015】
本開示の変形形態について、このように一般的な言葉で述べたので、次に、添付の図面を参照する。これらの図面は、必ずしも原寸に比例して示されていない。
【図面の簡単な説明】
【0016】
従来技術のシャフト−ハブフライホイールアセンブリの断面図である。
オープンコアフライホイールアセンブリの断面図である。
高温超伝導軸受けの部分分解図である。
低次ハルバッハ配列の方向性の磁化を示すグリッドである。
完全な磁極ピッチ周波数にわたる半径方向磁界を示すグラフである。
オープンコアフライホイールとシャフト−ハブフライホイールの回転速さおよび電圧を比較するグラフである。
図1bに示されているフライホイールアセンブリの代替のクローズアップ断面図である。
図1bに示されているフライホイールアセンブリのクローズアップ断面図である。
軸受け構成および磁化のクローズアップ断面図である。
別の軸受け構成および磁化のクローズアップ断面図である。
別の軸受け構成および磁化のクローズアップ断面図である。
別の軸受け構成および磁化のクローズアップ断面図である。
別の軸受け構成および磁化のクローズアップ断面図である。
軸受け構成および磁化のクローズアップ断面図である。
別の軸受け構成および磁化のクローズアップ断面図である。
フライホイールのオープンコアアーキテクチャ内に封じ込められた複数の入れ子型ロータを示す切断図である。
磁化の方向と共にPMを示す、ロータの内面を示す切断図である。
PMおよび銅導体を示す、ロータの内面を示す切断図である。
3つの入れ子型ロータを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
本開示によれば、オープンコアフライホイールアーキテクチャ内に組み込まれ、フライホイールエネルギー貯蔵デバイス内で望ましい高いエネルギー密度を達成し、優れた結果および性能を得るいくつかの重要な技術がある。そのような進歩は、高強度材料製のロータを組み込むこと、および高温超伝導(HTS)軸受けを用いてオープンコアフライホイールアーキテクチャ内に複数のロータを組み込むことを含む。
【0018】
本開示によれば、ロータは、たとえば炭素繊維含有材料、ガラス繊維含有材料、金属含有材料、およびそれらの組合せなど、高強度材料を含む。カーボンナノチューブ(CNT)含有材料が特に好ましい。そのような材料は、円筒形のナノ構造を有する炭素の同素体である。ナノチューブは、他のどの材料よりも著しく大きい最大132,000,000:1の長さ対直径比で構築されている。これらの円筒形の炭素分子は、ナノテクノロジ、エレクトロニクス、光学、ならびに他の材料科学および材料技術の分野にとって価値のある独特の特性を有する。カーボンナノチューブは、それらの熱伝導性および機械的、電気的特性のために、様々な構造材料に対する添加剤として応用される。カーボンナノチューブは、シングルウォールナノチューブ(SWCNT)とマルチウォールナノチューブ(MCWNT)として分類される。個々のナノチューブは、ファンデルワールス力、より具体的にはπスタッキングによって共に保持される「ロープ」の形に自然に整列する。
【0019】
CNTは、引張り強度と弾性率の点で、それぞれこれまでに発見された最も強く最も堅い材料に入る。この強度は、個々の炭素原子間に形成されるsp

共有結合に起因する。MWCNTは、63ギガパスカル(GPa)の引張り強度を有することが試験で示された。例示として、これは、1mm

の断面を有するケーブルにかかる6422kgに相当する重量の張力に耐える能力に置き換えられる。個々のCNTシェルは、最大約100GPaの強度を有する。カーボンナノチューブは、約1.3g/cm

から約1.4g/cm

の、固体としては低い密度を有するので、最大約48,000kN・m・kg
−1
というそれらの比強度は、たとえば約154kN・m・kg
−1
の高炭素鋼に比べて、既知の材料の最良のものである。
【0020】
個々のCNTシェルの強度は非常に高いが、隣接するシェルおよびチューブ間の弱いせん断相互作用により、マルチウォールカーボンナノチューブおよびカーボンナノチューブ束の有効強度はわずか数GPaに著しく低下することになる。しかし、内部のシェルおよびチューブを架橋する高エネルギー電子照射を加えることにより、これらの材料の強度は、マルチウォールカーボンナノチューブについて約60GPa、ダブルウォールカーボンナノチューブ束について約17GPaに事実上増大する。
【0021】
標準的なシングルウォールカーボンナノチューブ(SWCNT)は、変形なしに最大約24GPaの圧力に耐えることができる。次いで、SWCNTは、超硬度ナノチューブへの変換を受ける。現行の実験技法を使用して測定された最大圧力は、約55GPaである。しかし、これらの新しい超硬度ナノチューブが圧潰するのは、未知ではあるがさらに高い圧力である。
【0022】
マルチウォールカーボンナノチューブ(MWCNT)は、互いに精密に入れ子にされた複数の同心のナノチューブを有する。これらのCNTは、際だった伸縮特性を示し、それにより内部のナノチューブコアがその外部のナノチューブシェル内でほとんど摩擦なしに摺動し、したがって原子的に完璧な直線軸受けまたは回転軸受けを生み出すことができる。
【0023】
本開示によれば、複合体ロータの製造にCNTが直接使用される。約0.2gm/cm

の密度を有するMWCNTヤーンは、ねじれのない複合体構造物について少なくとも約45GPaの控えめな最小材料強度を生み出すと考えられている。
【0024】
使用される好ましいCNTは、仕上げ後の複合体材料および製品に、現在知られているものより望ましい物理的特性(たとえば、より高いロータ引張り強度)を与えるように、マトリクス内の配向度および体積分率を制御することによって特別に配合される。
【0025】
これらのロータの作製に使用するための好ましいCNTは、約150GPaから約260GPaの物理的壁強度で、約0.075nmの物理的壁厚、および約0.34nmの有効壁厚を有することが好ましい。これは、金属性、ガラス質、および/またはポリマー性のマトリクスで直径30nmのMWCNTの最大約65%の体積分率を有する好ましい材料をもたらす。MWCNT内に欠陥を導入することにより、壁内強度が改善され、MWCNTストランドと内部ストランド「壁」との間の機械荷重伝達を約2倍改善すると考えられている。
【0026】
本開示によれば、好ましいHTS軸受けはまた、フライホイールアセンブリの最大速度を達成することに著しく貢献する。HTS軸受けは、HTS構成部品の温度が依然として約80K未満である限り、依然として受動的に安定である。HTSの熱容量により、HTSへの低い熱漏洩と相まって、冷却源を除去した後、数十分間安定性を保ち軸受けを動作させるのに十分低い温度が維持される。好ましいHTSアセンブリが図2に示されている。好ましい変形形態によれば、HTS軸受けは、ロータの直下に配置される、またクライオスタットまたは冷凍機と接触するHTS結晶を備えるステータ構成部品を備える。各結晶は、溶融組織化、単一ドメインのイットリウム・バリウム・銅酸化物(YBCO)ペレットである。YBCO構成部品は、通常、予め選択された先端対先端寸法および厚さを有する六角形として形作られる。次いで、冷凍機のコールドヘッドが、HTS配列と接触して配置され、しばしば、銅板に接続された銅コールドフィンガにより配列に接続される。HTS結晶は、銅板の直上に配置され、しばしば極低温用エポキシで銅板に取り付けられる。
【0027】
次に、本開示のいくつかの変形形態について、以下、本開示のいくつかの、しかしすべてではない変形形態が示されている添付の図面を参照してより十分に述べる。実際には、本開示は、多数の様々な形態で実施することができるので、本明細書に記載の変形形態に限定されると解釈すべきではない。それどころか、これらの例示的な変形例は、この開示が徹底的かつ完全なものになるように、また本開示の範囲を当業者に十分に伝えるように提供されている。たとえば、別段示されていない限り、何らかのものを第1、第2などと呼ぶことは、特定の順序を暗示すると解釈すべきではない。また、何らかのものが別の何かの「上方」にあると述べられることがあっても、別段示されていない限り、そうではなく「下方」にあってもよく、逆も同様である。同様に、別の何かの左にあると述べられた何らかのものが、そうではなく右にあってもよく、逆も同様である。同様の符号は、全体を通じて同様の要素を指す。
【0028】
図1aは、たとえば様々な周波数およびより高いスピードで限られた性能を示す従来のシャフト−ハブフライホイールアセンブリ10の断面図を示す。繊維複合体リムロータ12がハブ14に取り付けられ、ハブ14は、シャフト16に取り付けられている。シャフト16には、焼結永久磁石(PM)15、18が取り付けられ、リフトPM20および高温超伝導体22に対して吸引力および反発力を及ぼす。PM20は、支持体17に取り付けられて示されている。モータ/発電機(M/G)からのステータコイル24が、M/G PM26と支持体17の間に懸吊されて示されている。
【0029】
図1bは、本開示に従って作製されたフライホイールアーキテクチャ30の断面図を示す。この「ハブレス」オープンコアフライホイールアーキテクチャ(1点短鎖線は中心線を示す)では、弾性のある永久磁石(PM)34、36、38が、繊維複合体リムロータ32に添着されて示されている。リフト軸受けステータPM48およびモータ/発電機(M/G)からのステータコイル42が、支持構造物43に取り付けられている。高温超伝導体(HTS)45が、支持体46に近接して配置されている。PM48、34は、リフト軸受けを構成し、要素45、38は、安定軸受けを構成する。
【0030】
本開示のオープンコアアーキテクチャは、繊維複合体リムおよびHTS軸受けが、シャフト−ハブフライホイール設計に固有の、構成部品の半径方向の膨張の不釣り合いという設計制限なしに最大の性能を達成することを可能にする新規な設計を提供する。図ではその垂直の向きにあるオープンコアフライホイール30全体が、真空チャンバ(図示せず)内に封じ込められることを理解されたい。好ましい垂直の向きでは、リング形状の繊維複合体ロータ32が、受動的に安定な磁気軸受けによって懸吊され、一端または「上部」でリフト軸受け(PM48およびPM34)を、また第2の端部または「下部」でHTS安定軸受け(PM36およびHTS45)を構成することが好ましい。ブラシレスPMモータ/発電機40が、ロータの内外に電力を送出することが好ましい。図1bに示されているように、ロータPM34、36、38が、ロータ32の内面33に沿って配置されている。小型冷凍機(図示せず)のコールドヘッドがHTS安定軸受け45に対して熱伝導し、約30Kから約90K、好ましくは約60Kの望ましい温度を維持する。小型のターボ分子ポンプまたはゲッタ−サブリメーションポンプ(図示せず)が、チャンバ(図示せず)内の真空を維持する。
【0031】
HTS軸受けの使用は、本開示の代替形態にとって重要であり、フライホイールロータが高速度で回転することを可能にし、オープンコアアーキテクチャの利点を利用する。HTS軸受けは、HTS構成部品の温度が依然として80K未満である限り、依然として受動的に安定である。HTSの熱容量がHTSへの低い熱漏洩と相まって、安定性を保ち軸受けを動作させるのに十分低い温度を維持することができる。
【0032】
初期の既知のHTS軸受けでは、HTS要素が液体窒素に浸されていた。先進のHTS軸受けは、液体クライオジェンを必要としない。図2は、極低温冷却を含む、本開示によるシステム60のHTS部を概略的に示す。冷凍機64は、コールドヘッド66を備える。コールドヘッド66は、可撓性のものとすることができる、好ましくは極低温で熱伝導体として働くケーブル68に接続する。これらのケーブルは、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、およびそれらの組合せなどを含むことが好ましい。ケーブル68は、伝導ラグ72により、好ましくは平坦な熱伝導プレート70に接続する。HTS要素62は、熱伝導プレート70の上部に着座する。熱伝導プレート70は、非熱伝導プレート74上に着座し、それによって支持されることが好ましい。ラグ72は、1つまたは複数の場所で非熱伝導プレート74内の開口を通ってプレート74を貫通することが好ましく、プレート74に触れないことが好ましい。プレート74は、グランド支持体78に接続する非熱伝導支持体76によって機械的に接続される。このシステムの極低温部分は、放射によるシステムへの熱入力を低減するために、低い放射率を有する1枚または複数のフィルム(図示せず)によって覆われてもよい。
【0033】
この構成は、Materials Science and Engineering B 151(2008年)195〜198、M Strasik、J.R.Hull、P.E.Johnson、J Mittleider、K.E.McCrary、C.R.McIver、A.C.Day、「Performance of a Conduction−cooled High−temperature Superconducting Bearing」で報告されている5kWh、3kWフライホイールアセンブリで使用される超伝導安定軸受けのステータ構成部品と同様である。実験に基づく軸受け損失値によって示されているように、HTS要素下に銅熱バスがあっても、軸受け損失を著しく増大することはなかった。間隙は、フライホイールロータ磁石の下部とHTS結晶の上部との間の距離である。約2mmから4mmの間隙がHTS軸受けに好ましい。HTS軸受けにおける回転損失は、(ΔB)

/Jcに比例し、ここでΔBは、回転方向で測定されたPM構成部品の磁界の不均質性であり、Jcは、HTSの臨界電流密度である。
【0034】
本開示の他の変形形態によれば、HTS軸受けが最適に動作するために、軸受けのステータ部は、好ましくは約80K未満、より好ましくは約30Kから約80Kの極低温で保たれなければならない。これは、バルクHTS用の支持ベースと冷凍機のコールドヘッドとの間で高い熱コンダクタンスを有する可撓性の機械的接続を確立することによって達成される。本開示の好ましいフライホイールシステムに含めることが企図されている1つの好ましい冷凍機は、Sunpower Cryotel TM(SunPower Inc.、オハイオ州アセンズ)である。この好ましい冷凍機は、空気軸受けを使用し、摩擦を主要素とする故障モードがなく、約77Kで最大約15Wの冷却を実現する能力を有する直線、フリーピストンの一体型スターリングサイクル機である。さらに、この好ましい冷凍機は、それほど冷却が必要とされないとき入力電力を絞る能力を有し、最大約100kWhにサイズ設定されたフライホイール用のHTS軸受けを冷却することができるはずである。
【0035】
本開示の他の代替形態によれば、M/Gは、モータモードでは電流が、ロータPMの磁界と相互作用しトルクを生成するように時間調節されてステータコイルを通過する点で、従来のラジアルギャップ型ブラシレス設計として機能する。発電機モードでは、回転するPM磁束がステータコイルを掃引し、ファラデーの法則に従って電圧を生成する。低速では、ステータ電流のタイミングを制御するために、ホール効果センサがM/G PMからの磁界を測定する。高速では、コイル上の逆電磁界がこの制御のための入力を供給する。従来のラジアルギャップ型M/Gでは、ステータコイルは、典型的にはPMから半径方向外側に位置する。しかし、本開示の好ましい変形形態によれば、この好ましいオープンコア設計では、位置が逆にされ、図1bに示されているように、ステータコイルがPMの半径方向内側に位置する。
【0036】
本開示によれば、オープンコアM/GのPMは、図3に示されているように、低次ハルバッハ配列で磁化される。8度の単一の極長さにわたる低次ハルバッハ配列の磁化が周(x)方向で示されている。値「z」は垂直方向を、「y」は半径方向を表す。接着された磁石シェルの薄さにより、周方向の極長さは、使用可能な磁束を厳しく制限しステータコア内の望ましい正弦波形を歪ませることなしには、あまり大きくすることができないことになる。極長さは、ロータPMの内半径とステータコイルの外半径との間の間隙の約10倍より大きくすべきである。図4に示されている、例示的なフライホイールに関する実験に基づく計算は、PMとステータの間に約5mmの間隙を有する90極機が十分な磁束および波形をもたらすことを示している。図4は、図3に示されているPMから半径方向内側5mmでの完全な磁極ピッチλにわたる半径方向磁界を示す。そのようなM/Gに好ましい最大電気周波数は、約30kHzである。実質的な渦電流または他の寄生損を生じることなしに必要とされるパワー出力をもたらすためには、強磁性コアのないリッツ線巻線を備えるステータで十分である。
【0037】
高速のロータおよび多数の極が、高い電力密度を生み出す。さらに、本開示のいくつかの変形形態に従って作製されるフライホイールの比較的低い電力要件の場合、ステータ巻線の半径方向の厚さは、たとえば約1mmから約10mmなど、比較的小さいものである。
【0038】
本開示のオープンコアフライホイールアーキテクチャの1つの著しい利点は、スピードに伴うロータの膨張により、パワーエレクトロニクスがフライホイールから十分にエネルギーを抽出することができるスピード範囲が著しく広がることである。本開示のオープンコアアーキテクチャによれば、ロータの寸法は、フライホイールスピードが増すにつれて半径方向に膨張する。さらに、M/GのPMがステータコイルから遠ざかるにつれて、コイルを通る磁束が減少する。これにより、フライホイールの上限スピード範囲にわたって比較的一定である電圧が生じる。この設計の外側フライホイールに関する例示的な計算が、図5に示されている。ロータ半径は、約48,500rpmまで増大するスピードにおいて、約4.2mmだけ増大する。標準的なパワーエレクトロニクスは、一般に、発電機電圧が最大設計値の約0.6と約1.0の間にあるとき、フライホイールからエネルギーを取り出すことができる。これは、シャフト−ハブフライホイールからの使用可能なエネルギーを最大運動エネルギーの64%に制限する。図5でわかるように、本開示のオープンコア設計では、約15,000rpmより高いスピードについて、最大電圧の60%が使用可能であり、最大運動エネルギーの90%超が、負荷に使用可能である。図5に示されている例では、最大電圧は、約40,000rpmで発生し、40,000rpmを超えるスピードでわずかに低下する。
【0039】
図6は、オープンコアフライホイール100が中心線102周りで同心である本開示の変形形態を示す。このフライホイールは、ロータ110と、ステータ120とを備える。ロータ110は、繊維複合体リム112と、上側安定軸受け永久磁石(PM)114と、下側安定軸受けPM116と、モータ/発電機PM配列118とを備えることが好ましい。ステータ120は、上側安定軸受けHTS配列124と、下側安定軸受けHTS配列126と、ステータコイルアセンブリ128と、機械的支持体134、136、138とを備える。機械的支持体134は、上側安定軸受けHTS124を支持する。機械的支持体136は、下側安定軸受けHTS配列126を支持する。機械的支持体138は、ステータコイルアセンブリ128を支持する。機械的支持体134、136、138は、フライホイールアセンブリ100を囲む真空チャンバ(図示せず)に屈曲可能に取り付けられる。支持体134、138は互いに直に隣接して示されていないが、そのような支持体は、所望の距離だけ互いに離隔されてもよいことを理解されたい。フライホイールロータ110は、上側安定軸受け(ロータPM114とステータHTS124とを備える)と、下側安定軸受け(ロータPM116とステータHTSアレイ126とを備える)とを含む磁気軸受け構成部品を介して磁気的に浮揚される。中心線102周りでのロータ110の回転加速は、ロータPM118とステータコイル128との電磁相互作用によって達成される。機械的支持体136は、HTSアレイ126をグランドから断熱する。また、典型的には、HTS配列126と、HTS配列126を低熱源、たとえば図2に示されているような冷凍機などに接続する断熱構造物136との間に位置する熱伝導構造物(図示せず)がある。同様に、機械的支持体134は、HTS124をグランドから断熱し、典型的には、HTS124と、HTS124を低熱源に接続する支持体134との間に配置された熱伝導構造物(図示せず)がある。
【0040】
図7は、オープンコアフライホイール150が中心線152周りで同心である本開示の他の変形形態を示す。このフライホイールは、ロータ160と、ステータ170とを備える。ロータ160は、繊維複合体リム162と、リフト軸受けPM164と、安定PM166と、モータ/発電機PM配列168とを備える。ステータ170は、リフト軸受けPM174と、HTSアセンブリ176と、ステータコイルアセンブリ178と、機械的支持体184、186、188とを備える。機械的支持体184は、リフト軸受けPM174を支持する。機械的支持体186は、HTS配列176を支持する。機械的支持体188は、ステータコイルアセンブリ178を支持する。機械的支持体184、186、188は、好ましくはフライホイールアセンブリ150を囲む真空チャンバ(図示せず)に屈曲可能に取り付けられる。フライホイールロータ160は、リフト軸受け(ロータPM164とステータPM174とを備える)と、安定軸受け(ロータPM166とステータHTS176とを備える)とを含む磁気軸受け構成部品を介して磁気的に浮揚される。中心線152周りでのロータ160の回転加速は、ロータPM168とステータコイル178との電磁相互作用によって達成される。機械的支持体186は、HTSアレイ176をグランドから断熱する。また、典型的には、HTS軸受けアセンブリ176と、HTS176を低熱源、たとえば図2に示されているような冷凍機などに接続する断熱構造物186との間に配置された熱伝導構造物(図示せず)がある。
【0041】
新規なオープンコアフライホイールアセンブリ内のリフト軸受けに関して、いくつかの構成が本開示によって企図されている。図8aは、フライホイールアセンブリの上側部分を示す1つの変形形態を対象とする。PM204は、複合体リム202の上側部に取り付けられる。ステータPM206は、PM204の垂直上方に位置する。図8a内の黒色矢印は、磁化の好ましい方向を示す。この例では、ロータ202を重力に対して持ち上げる助けとなる、PM204に対する上向きの吸引力がある。この変形形態では、ステータPM206は、ロータ複合体リム202が半径方向外向きに膨張したとき吸引力がほぼ均一であるように十分幅の広いものである。
【0042】
リフト軸受けの別の変形形態が図8bに示されており、ロータPM204の下方に、そこから半径方向内側に位置する第2のステータPM207を示す。この場合の磁力は反発するものであり、ロータPM204の下方のステータPM207の位置は、ロータ202に対する追加の上向きの力をもたらすことが好ましい。追加の磁石を追加し、図8cに示されているように力を増やしてもよいことを理解されたい。この場合、ステータPM207とロータPM210との相互作用間に、ロータ202に対する追加の上向きの力をもたらす追加の吸引力がある。また、ロータPM210とステータPM212との相互作用間に、ロータに対する上向きの力をもたらす追加の反発力がある。
【0043】
図8dに示されているように、本開示の追加の代替形態は、垂直でない磁化、たとえば半径方向の磁化などを企図している。図8eは、機械的支持体209に取り付けられた追加のPM207を示す。
【0044】
本開示の他の変形形態は、安定軸受けを様々な配置に配向することを企図している。図9aは、図6に存在するはずであるような、PM116の磁化を示す。図9bでは、ある代替形態が、安定軸受けPM304から半径方向内側に位置するHTS306を示す。この配向では、PM304は、半径方向で磁化される。図9bは半径方向内向きとして磁化方向を示すが、そのような磁化は、半径方向外向きに向けることができることを理解されたい。
【0045】
本開示で企図されている高速のロータ、および多数の極が、高い電力密度を生み出す。さらに、ステータ巻線の半径方向の厚さは、本開示のフライホイールの比較的低い電力要件に合わせて小さいものである。ステータ巻線は真空チャンバの上部から支持されるので、本開示によって企図されているものは、複数のロータの有利な存在を含む。たとえば、図10に示されているように、チャンバ壁332を有する真空チャンバ内のフライホイールアセンブリ330が、外側ロータ半径を有する第1の、または外側のロータ334を備え、外側ブラシレスPM M/Gステータ336が外側ロータ334に関連付けられている。外側PMリフト軸受け338が外側ロータ334の上方に位置し、外側HTS軸受け340が外側ロータ334の下方に位置する。内側ロータ342は、外側ロータ半径より小さい内側ロータ半径を有し、したがって、外側ロータ334から半径方向内側の位置に配置される。内側PMリフト軸受け344および内側HTS軸受け346が、それぞれ内側ロータ342の上方および下方に配置されて示されている。内側ブラシレスPM M/Gステータ348が、内側ロータ342から半径方向内側に位置して示されている。冷凍機350がフライホイールアセンブリ330の中心付近に位置して示されており、真空ポンプ352の上方に配置されている。真空ポンプ352は、小型のターボ分子ポンプまたはゲッタ−サブリメーションポンプであることが好ましい。小型冷凍機のコールドヘッド(図示せず)がHTS軸受け340、346に対して熱伝導し、それらを約30Kから約80Kの好ましい動作温度に保つ。
【0046】
本開示の一変形形態では、真空チャンバは、フライホイールアセンブリの重量のかなりの部分を構成する。複数の入れ子型ロータを(本開示の好ましいフライホイールアセンブリ内に)組み込むことにより、全体的なシステムエネルギーおよび体積密度が改善される。一変形形態である、図10に示されているものなど2重ロータ構成では、これらのロータは、独立のフライホイールとして独立して動作される。内側ロータは、好ましくは、外側ロータと著しく似た最大リム速度を有するが、意図的により高い最大rpm(周速)を有することになる。
【0047】
さらに、図6は、リフト軸受けが第2の安定軸受けで置き換えられている他の代替形態を示す。図6に示され、図3〜5に関連して論じられているモータ/発電機PM118は、半径方向、周方向、またはこれら2つの組合せである磁化を示す。
【0048】
図11は、モータ/発電機PMが、周方向周りで方向を交互に変える垂直磁化を有する構成を対象とする、他の企図されている変形形態を示す。図11では、オープンコアフライホイールアセンブリのロータ460は、繊維複合体リム462、上側PM464、下側PM466、PMリング468を備えることが好ましい。ロータ460は実質的に円筒形であること、およびPM464、466、468は、好ましくはロータリム462の内面の円周全体周りに延在すると理解されることを理解されたい。中央に配置されたPM468は、矢印に従って磁化されて示されており、磁化の方向は、垂直の上向きまたは下向きの方向で交互に変わる。
【0049】
図12は、本開示のロータの代替形態を示す。オープンコアフライホイールアセンブリのロータ510は、繊維複合体リム512、上側PM514、下側PM516、梯子形銅導体518を備えることが好ましい。ロータリム512は実質的に円筒形であること、およびPM514、516、518は、好ましくはロータリム512の内面の円周全体周りに延在すると理解されることを理解されたい。
【0050】
さらに、本開示によれば、また図13に示されているように、3つ以上のロータを同じ真空チャンバ内に組み込み、複数のフライホイールが同じ真空チャンバを共用する状態で、フライホイールアセンブリのエネルギー密度を高めてもよい。同じ真空チャンバ内に収容されることにより、これらの内側ロータは、真空ポンプおよび冷凍機などを本質的に共用し、フライホイールシステムに必要とされるフットプリントをさらに削減する。複数のロータを1つのフライホイールアセンブリ内で入れ子にすることは、オープンコアアーキテクチャで最もよく達成することができる。
(【0051】以降は省略されています)

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