本發(fā)明涉及飛輪能量存儲(chǔ)裝置，并且更具體地涉及具有改良的穩(wěn)定性、性能和容量的飛輪存儲(chǔ)裝置。

背景技術(shù)：
眾所周知，飛輪能量存儲(chǔ)裝置和系統(tǒng)用于存儲(chǔ)能量并在需要時(shí)釋放所存儲(chǔ)的能量。已知的飛輪組件具有傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，其有時(shí)由碳化纖維復(fù)合材料制成。這種轉(zhuǎn)子具有在其上安裝馬達(dá)/發(fā)電機(jī)(M/G)和軸承永久磁體(PM)的軸。通常通過(guò)輪轂將軸連接到輪緣。根據(jù)飛輪可實(shí)現(xiàn)的上端速度限制了飛輪的軸-輪轂設(shè)計(jì)。由于部件的徑向增長(zhǎng)隨著轉(zhuǎn)子速度增加而變化，可用于飛輪組件中的部件的材料的匹配是有問(wèn)題的。輪轂必須機(jī)械地將軸連接到輪緣，而在飛輪的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)在整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率范圍不將彎曲模態(tài)引入轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中。但是，軸經(jīng)常表現(xiàn)出很小的徑向增長(zhǎng)，而輪緣表現(xiàn)出顯著的徑向增長(zhǎng)。通過(guò)使用越來(lái)越先進(jìn)的材料實(shí)現(xiàn)的飛輪的較高的轉(zhuǎn)速不幸地加劇了輪轂的增長(zhǎng)匹配的問(wèn)題，因?yàn)檩喚壴黾拥膹较蛟鲩L(zhǎng)超過(guò)其它連接部件例如連接軸所表現(xiàn)的任意增長(zhǎng)。此外，飛輪技術(shù)提供的整體效率受到當(dāng)前可用的材料的限制，當(dāng)飛輪以超過(guò)材料容許的速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)該材料就會(huì)失效。另外，盡管期望高能量密度以實(shí)現(xiàn)最大限度的能量存儲(chǔ)和部署，但已知飛輪組件可實(shí)現(xiàn)的能量密度是有限的。此外，由于存在凈角動(dòng)量，難以達(dá)到飛輪系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)和部署的最大容量，并且空間限制經(jīng)常阻止飛輪技術(shù)的效用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供用于飛輪裝置的容納層，其包含具有內(nèi)壁和外壁的大體圓柱形的腔室，以及被連接到內(nèi)腔室壁和外腔室壁中的至少一個(gè)的多個(gè)可變形的托架。每個(gè)托架都具有用于容納沖擊的至少一個(gè)表面，其提供了沿沖擊方向的從大約0.1°到大約5°的掠射角（glancingangle），優(yōu)選托架每個(gè)都包含多層。優(yōu)選地，至少一層包含燒灼顆粒。托架優(yōu)選地被定向?yàn)槲詹⑷菁{沖擊以及可預(yù)測(cè)地變形。優(yōu)選地，托架由諸如如下材料制成，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。托架優(yōu)選以低于最快飛輪碎片的速度的速率發(fā)生初始變形，幾厘米的完全變形在大約1到大約10ms的時(shí)間段內(nèi)發(fā)生。托架具有從大約2GPa到大約20GPa的優(yōu)選的拉伸強(qiáng)度，并且優(yōu)選地，每個(gè)托架具有S形，包含多層并包含中部，該中部響應(yīng)于向外的移動(dòng)沖擊沿徑向向外的方向彈性變形以產(chǎn)生凹形內(nèi)表面。優(yōu)選地，至少一層包含燒灼顆粒。一旦遭遇開始使托架變形的力或沖擊，容納層變形以產(chǎn)生大體環(huán)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(zhuǎn)的至少一個(gè)轉(zhuǎn)子。有利地，托架是S形的，并且托架響應(yīng)于向外的沖擊沿徑向向外的方向彈性變形。有利地，托架一旦受到?jīng)_擊就可預(yù)測(cè)地變形，以便在腔室內(nèi)產(chǎn)生大體環(huán)形的腔體。有利地，至少一個(gè)托架層是編織層，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(yōu)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(gè)托架層包含一系列相互連接的節(jié)，所述節(jié)由從以下材料組成的組中選擇的材料制成：鋼、鈦、鋁、聚合物纖維、碳化纖維和其組合。優(yōu)選地，碳化纖維包含含有碳納米管的纖維。有利地，托架的至少一層包含至少一個(gè)燒灼板。有利地，容納層具有高于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(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了用于存儲(chǔ)和釋放能量的飛輪組件，其包含在真空腔室內(nèi)的大體圓柱形的轉(zhuǎn)子組件。包含具有內(nèi)表面和外表面的轉(zhuǎn)子的該組件優(yōu)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(zhuǎn)子組件。優(yōu)選為柔性的至少一個(gè)轉(zhuǎn)子磁體被固定到轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面，并且至少一個(gè)定子磁體被固定到定子。容納層大體上包圍轉(zhuǎn)子組件，并包含多個(gè)可變形的托架，該托架被定向?yàn)槲蘸腿菁{沖擊。托架優(yōu)選地包含多層，至少一層優(yōu)選地包含燒灼顆粒。有利地，每個(gè)托架都具有用于容納由于飛輪組件失效的碎片的表面。有利地，用于容納沖擊的表面提供了沿沖擊方向的從大約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(zhuǎn)的至少一個(gè)轉(zhuǎn)子，并且托架在低于轉(zhuǎn)子速度的速率下變形。有利地，托架具有從大約2GPa到大約20GPa的拉伸強(qiáng)度。有利地，托架是S形的，并且托架包括響應(yīng)于向外的沖擊沿徑向向外的方向產(chǎn)生彈性變形的中部。有利地，托架充分地變形以在容納層中產(chǎn)生大體環(huán)形的腔體。有利地，托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制成。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(chǔ)設(shè)備。轉(zhuǎn)子組件可以具有任意期望的結(jié)構(gòu)，其包括，例如軸-輪轂的、無(wú)輪轂的、開口鐵芯的結(jié)構(gòu)等。每個(gè)托架都具有用于吸收沿沖擊方向的從大約0.1°到大約5°的掠射角的沖擊的表面。托架優(yōu)選為S形，但可以是提供此處提出的優(yōu)點(diǎn)的任意幾何形狀，并且包含響應(yīng)于內(nèi)部的（向外的）或外部的（向內(nèi)的）沖擊沿徑向向外的方向產(chǎn)生彈性變形的中部。當(dāng)響應(yīng)內(nèi)部的（向外的）沖擊時(shí)，托架變形以產(chǎn)生凹形內(nèi)表面和大體環(huán)形的腔體。依據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出一種用于在運(yùn)轉(zhuǎn)期間容納來(lái)自受損壞的飛輪組件的飛輪轉(zhuǎn)子碎片的方法，該方法包含在真空腔室內(nèi)提供大體圓柱形的飛輪轉(zhuǎn)子組件和飛輪定子組件的步驟。至少一個(gè)轉(zhuǎn)子磁體被固定到每個(gè)轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面，并且至少一個(gè)定子磁體被固定到每個(gè)定子。大體上包圍轉(zhuǎn)子組件的容納層被提供給飛輪系統(tǒng)。容納層包含多個(gè)可變形的托架，其被定向?yàn)槲蘸腿菁{沖擊。托架優(yōu)選包含多層，至少一層包含燒灼顆粒。每個(gè)托架優(yōu)選具有用于通過(guò)具有沿沖擊方向從大約0.1°到大約5°的掠射角吸收并容納沖擊的表面。用于容納來(lái)自受損壞的飛輪組件的飛輪轉(zhuǎn)子碎片的方法包含：在真空腔室內(nèi)提供大體圓柱形的飛輪轉(zhuǎn)子組件和飛輪定子組件，提供被固定到每個(gè)轉(zhuǎn)子的內(nèi)表面的多個(gè)轉(zhuǎn)子磁體；提供被固定到每個(gè)定子的多個(gè)定子磁體；以及提供包圍轉(zhuǎn)子組件的容納層，所述容納層包含被定向?yàn)槿菁{沖擊的一系列可變形的托架，每個(gè)所述托架包含多層，至少一層包含燒灼顆粒。有利地，托架是S形的，并且托架響應(yīng)于向外的沖擊沿徑向向外的方向產(chǎn)生彈性變形，以產(chǎn)生凹形內(nèi)表面。優(yōu)選地，托架充分地變形以產(chǎn)生大體環(huán)形的腔體。有利地，至少一個(gè)托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制成。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(fā)明涉及軸-輪轂型飛輪以及開口鐵芯飛輪。飛輪存儲(chǔ)系統(tǒng)可以使用，例如，機(jī)械軸承、磁懸浮軸承或超導(dǎo)軸承等和多個(gè)轉(zhuǎn)子，該多個(gè)轉(zhuǎn)子包含高強(qiáng)度材料以及含有多股定向碳納米管（CNT）的材料，高強(qiáng)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）。制造的轉(zhuǎn)子固有的預(yù)期特性導(dǎo)致在顯著增加的轉(zhuǎn)速、增加的動(dòng)力存儲(chǔ)/生成和增加的系統(tǒng)耐久性方面的顯著改善的飛輪性能。真空腔室包含旋轉(zhuǎn)的含有纖維復(fù)合材料的一個(gè)或更多個(gè)轉(zhuǎn)子環(huán)或圓柱體，每個(gè)轉(zhuǎn)子作為獨(dú)立的飛輪工作。優(yōu)選地，小渦輪分子或吸氣升華泵保持容納整個(gè)組件的腔室內(nèi)部的真空。附圖說(shuō)明已概括地描述了本發(fā)明的變型，現(xiàn)在參考附圖，附圖不必是按照比例繪制的，其中：圖1（a）示出了現(xiàn)有技術(shù)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(jù)本申請(qǐng)的容納裝置結(jié)構(gòu)的局部橫截面視圖；圖2a示出了示出三個(gè)復(fù)合層的單個(gè)S-托架的放大的特寫視圖；圖2b示出了S-托架的部件層的放大的特寫視圖；圖2c示出了S-托架的至少一個(gè)部件層中的碳化纖維束的放大的特寫視圖；圖2d示出了S-托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(wěn)定套筒元件的橫截面特寫視圖。具體實(shí)施方式當(dāng)保護(hù)飛輪組件免受外部的威脅的傷害時(shí)，依據(jù)本發(fā)明的容納裝置必須防止例如彈道侵徹以及雷電防護(hù)。關(guān)于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(fā)明涉及新穎的解決方案。代替破碎成鋼制飛輪形式的餅形件，由包含復(fù)合材料的材料制成的失效飛輪產(chǎn)生周向纏繞的纖維的復(fù)合材料環(huán)，其分成具有從幾微米到幾毫米范圍內(nèi)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(tuán)的碎片云擴(kuò)散，仿佛碎片是粘性液體。本發(fā)明提供新的飛輪設(shè)計(jì)和飛輪容納裝置設(shè)計(jì)以及更高強(qiáng)度的材料，以實(shí)現(xiàn)飛輪運(yùn)轉(zhuǎn)安全性的更可靠和更具保護(hù)性的容納裝置。依據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選變型，一系列S形翼的預(yù)選取向從容納裝置腔室的外剛性壁向內(nèi)延伸，并且，可選地從內(nèi)壁向外延伸。托架的內(nèi)緣靠近飛輪轉(zhuǎn)子組件的外邊緣，使得在失效時(shí)，碎片的最外面和最快速移動(dòng)的部分將以從大約0.1°到大約5°的“掠射”角撞擊在這些托架上，由此“軟化”初始沖擊并顯著地緩和沖擊波。隨著來(lái)自碎片云的壓力增加，S-托架被故意和可預(yù)測(cè)地以具有充足延展性的方式配置并被定位，以便通過(guò)非破壞性的彈性變形而充分地變平，并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(jīng)歷最終的拉伸破壞（破裂）或局部的壓縮破壞（屈曲）。S-托架的軸向高度優(yōu)選高于飛輪轉(zhuǎn)子的軸向高度。S-托架具有中部，該中部被設(shè)計(jì)為響應(yīng)于來(lái)自失效的飛輪碎片的沖擊以故意和可預(yù)測(cè)地產(chǎn)生凹形內(nèi)表面的方式沿徑向向外的方向彈性變形。這個(gè)凹形表面然后起到防止轉(zhuǎn)向的飛輪材料碎片軸向分散的作用；即，碎片云在由變形托架形成的大體環(huán)形的腔體中保持周向循環(huán)。成形的內(nèi)部元件的彈性變形足夠快地發(fā)生以顯著地延長(zhǎng)總的沖擊時(shí)間間隔，并且因此減少容納裝置元件必須吸收的峰值力。應(yīng)理解，托架被成形和周向取向，使得他們將會(huì)徑向向外變形（由于飛輪內(nèi)部組件的失效）以形成被沖擊的容納裝置腔室的大體環(huán)形的形狀。在早期的飛輪容納裝置設(shè)計(jì)中，S-托架的材料為不銹鋼。依據(jù)本發(fā)明的變型，S-托架優(yōu)選包括包含復(fù)合材料的材料，該材料被設(shè)計(jì)為延展壓力波并吸收沖擊能量。如圖2所示的基復(fù)合材料的鏈-編織設(shè)計(jì)允許復(fù)合材料通過(guò)鏈節(jié)擴(kuò)張時(shí)壓縮基復(fù)合材料而開始變形并吸收能量。隨著碎片嚙合S-托架，聯(lián)-編織設(shè)計(jì)中的鏈節(jié)開始移動(dòng)，并且鏈向外擴(kuò)張（沿著碎片移動(dòng)的方向）。隨著擴(kuò)張繼續(xù)，節(jié)的末端彼此接觸并彼此拉動(dòng)。最終鏈節(jié)“鎖上”并且通過(guò)伸長(zhǎng)節(jié)和托架本身發(fā)生進(jìn)一步的擴(kuò)張。通過(guò)由包含編織的CNT纖維/織物材料構(gòu)建節(jié)，鏈節(jié)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系更加高于目前已知的材料。通過(guò)在限制節(jié)的開放空間中加入粘性材料，例如，蠟質(zhì)材料，鏈節(jié)的性能可以被進(jìn)一步增強(qiáng)。當(dāng)節(jié)擴(kuò)張并且相鄰節(jié)的末端向彼此移動(dòng)時(shí)，節(jié)移動(dòng)通過(guò)粘性材料并將它擠出。粘性材料和節(jié)之間的粘性力將加熱粘性材料并將節(jié)的動(dòng)能中的一些轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?。材料，諸如，例如膨脹（剪切增稠）流體，可以被用來(lái)幫助增強(qiáng)和改善容納裝置結(jié)構(gòu)的這部分的性能?？赡艿牧黧w包括，但不限于，硅油和硼酸的組合物、分布在聚乙烯溶液（乙二醇）（PEG）中的硅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并被放在結(jié)構(gòu)的適當(dāng)部分，諸如，例如在向內(nèi)的表面上，使得硬顆粒形成第一沖擊面以將來(lái)自飛輪轉(zhuǎn)子的任意纖維碎片分解成更像灰塵的物質(zhì)。理想地，這些顆粒表現(xiàn)為基本上符合S-托架的表面的毫米大小的板，其中S-托架暴露于真空腔室的內(nèi)部。這些板優(yōu)選由于硬陶瓷制作，諸如，例如包含鋁、金剛砂和碳化硼的材料等。對(duì)于邊緣速度大于1000m/s的非常高能量密度的飛輪來(lái)說(shuō)，容納爆裂轉(zhuǎn)子的能量將通過(guò)轉(zhuǎn)子碎片的熱加熱（thermalheating）而加劇，這將會(huì)加熱腔室壁，并且在碎片失去它的速度期間并且甚至在碎片失去它的速度之后這可能是一個(gè)問(wèn)題。因此，進(jìn)一步的變化考慮以絕熱的形式封裝機(jī)械容納裝置，諸如，例如耐火磚材料等。也考慮到一些氣態(tài)熱材料以控制的方式被安全地排出到大氣，諸如，例如通過(guò)卸壓部件。用于容納裝置制造的一種特別優(yōu)選的材料是碳納米管(CNT)。CNT是具有圓柱形納米結(jié)構(gòu)的碳的同素異形體。納米管已被建造具有高達(dá)132,000,000:1的長(zhǎng)度直徑比，顯著地高于任何其它材料。這些圓柱形碳分子具有對(duì)納米技術(shù)、電學(xué)、光學(xué)和其它材料科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域非常重要的不同尋常的性質(zhì)。由于它們的熱傳導(dǎo)、機(jī)械和電學(xué)性質(zhì)，碳納米管作為對(duì)各種結(jié)構(gòu)材料的添加劑獲得應(yīng)用。納米管分為單壁納米管(SWNT)和多壁納米管(MWNT)。各個(gè)納米管自然地使它們自身排列成通過(guò)范德瓦爾斯力保持在一起的“繩索”，更特別地是面對(duì)面的堆積（pi-stacking）。分別在拉伸強(qiáng)度和彈性模量方面，CNT是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最強(qiáng)和最硬的材料。這種強(qiáng)度來(lái)源于各個(gè)碳原子之間形成的sp2共價(jià)鍵。多壁碳納米管(MWCNT)被測(cè)試具有63吉帕斯卡（GPa）的拉伸強(qiáng)度。舉例說(shuō)明，這解釋為在橫截面大約1mm2的纜線上承受相當(dāng)于6422kg重量的張力的能力。單個(gè)CNT殼具有高達(dá)大約100GPa的強(qiáng)度。由于碳納米管具有從大約1.3到大約1.4g/cm3的對(duì)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(dá)大約48,000kN·m·kg-1的比強(qiáng)度是已知材料中最好的。盡管單個(gè)CNT殼的強(qiáng)度是非常高的，但是相鄰殼和管之間的弱剪切作用導(dǎo)致多壁碳納米管和碳納米管束的有效強(qiáng)度顯著度降低至只有幾GPa。然而，施加交聯(lián)內(nèi)殼和管的高能量的電子照射有效地將用于多壁碳納米管的這些材料的強(qiáng)度增加至大約60GPa，將用于雙壁碳納米管束的這些材料的強(qiáng)度增加至大約17GPa。標(biāo)準(zhǔn)的單壁碳納米管(SWCNT)可以經(jīng)受高達(dá)24GPa的壓力而不發(fā)生變形。之后它們經(jīng)歷向超硬階段納米管的轉(zhuǎn)變。利用目前的實(shí)驗(yàn)技術(shù)測(cè)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(nèi)的多個(gè)同心納米管。這些CNT顯示出驚人的伸縮性能，由此內(nèi)部的納米管芯可以在它外部的納米管殼內(nèi)幾乎沒有摩擦地滑動(dòng)，因此產(chǎn)生了原子級(jí)理想的線性或旋轉(zhuǎn)軸承。對(duì)于無(wú)扭復(fù)合結(jié)構(gòu)，具有大約0.2gm/cm3密度的MWCNT絲線被認(rèn)為生成至少大約45GPa的保守的最小材料強(qiáng)度。在本發(fā)明中使用的制造CNT的一種優(yōu)選過(guò)程涉及在Al2O3過(guò)渡層（大約10nm厚）上沉積Fe催化劑膜的薄層（大約1nm厚），Al2O3過(guò)渡層沉積在涂敷硅片的SiO2層（大約1微米厚）上。提供乙烯作為氬運(yùn)載氣體中（大約6%的Hs）的優(yōu)選碳源。然后優(yōu)選在大約750℃下以連續(xù)的過(guò)程生長(zhǎng)CNT以產(chǎn)生長(zhǎng)于大約1cm的CNT。這給予制造的材料大于大約100,000的縱橫比（長(zhǎng)度/直徑），并且足以將應(yīng)力從一個(gè)纖維轉(zhuǎn)移給另一個(gè)。在本發(fā)明的新穎的轉(zhuǎn)子的制造中使用的優(yōu)選的CNT優(yōu)選具有大約0.075nm的實(shí)際壁厚和大約0.34nm的有效壁厚，實(shí)際壁強(qiáng)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(dá)大約65%的優(yōu)選材料。將瑕疵（defect）引入MWCNT被認(rèn)為改善內(nèi)壁強(qiáng)度以便以大約2的系數(shù)改善MWCNT線與內(nèi)線“壁”之間的機(jī)械載荷轉(zhuǎn)移。在本發(fā)明中使用的優(yōu)選的CNT具體通過(guò)控制取向的角度和基中的容積率被制造，以便提供完美的復(fù)合材料并產(chǎn)生期望的物理性質(zhì)（諸如，例如比當(dāng)前已知的更高的轉(zhuǎn)子拉伸強(qiáng)度）。參考附圖，現(xiàn)在本發(fā)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(fā)明的一些但不是所有的變型。實(shí)際上，本發(fā)明可以被實(shí)施為很多不同的形式，并且不應(yīng)該被理解為對(duì)此處提出的變型的限制。實(shí)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，并且對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員將充分地表達(dá)公開的范圍。例如，除非另作說(shuō)明，將某物標(biāo)識(shí)為第一、第二等不應(yīng)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”，并且除非另作說(shuō)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(cè)的某物可以相反在其右側(cè)，并且反之亦然。相同的附圖標(biāo)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(tǒng)的軸-輪轂飛輪組件10的橫截面視圖。纖維復(fù)合材料的輪緣轉(zhuǎn)子12被連接到輪轂14，輪轂14進(jìn)而被連接到軸16。被連接到軸16的燒結(jié)的永磁體(PM)15和18對(duì)提升PM20和高溫超導(dǎo)體22施加吸引力和排斥力。示出了被連接到支撐物17的PM20。馬達(dá)/發(fā)電機(jī)(M/G)的定子線圈24被示為被懸掛在M/GPM26和支撐物17之間。圖1（b）示出了依據(jù)本發(fā)明制作的飛輪結(jié)構(gòu)30的橫截面視圖。在這個(gè)“無(wú)輪轂的”開口鐵芯飛輪結(jié)構(gòu)（用點(diǎn)劃線表示中心線）中，示出了連接到纖維復(fù)合材料的輪緣轉(zhuǎn)子32的彈性永磁體(PM)34、36和38。來(lái)自馬達(dá)/發(fā)電機(jī)(M/G)的提升軸承定子PM48和定子線圈42被連接到支撐結(jié)構(gòu)43。高溫超導(dǎo)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(wěn)定軸承。本公開的開口鐵芯結(jié)構(gòu)展示了一種新穎的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)使纖維復(fù)合材料輪緣和HTS軸承能夠?qū)崿F(xiàn)最大性能，而沒有對(duì)軸-輪轂飛輪設(shè)計(jì)中固有的部件徑向增長(zhǎng)差異的設(shè)計(jì)限制。應(yīng)理解，在它示出的垂直方向中整個(gè)開口鐵芯飛輪30被容納在真空腔室（未示出）內(nèi)。在優(yōu)選的垂直方向中，環(huán)狀的纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)子32優(yōu)選通過(guò)被動(dòng)穩(wěn)定的磁軸承被懸掛，其包含在一端或“頂端”的提升軸承（PM48和PM34）和在第二端或“底端”的HTS穩(wěn)定軸承（PM36和HTS45）。優(yōu)選地，無(wú)刷PM馬達(dá)/發(fā)電機(jī)40將動(dòng)力輸送到轉(zhuǎn)子中或?qū)?dòng)力輸送到轉(zhuǎn)子外。如在圖1(b)中所示，轉(zhuǎn)子PM34、36和38沿轉(zhuǎn)子32的內(nèi)表面33布置。小制冷機(jī)（未示出）的冷頭熱傳導(dǎo)至HTS45以保持從大約30K到大約90K的期望溫度，并且優(yōu)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(nèi)的真空。圖2示出了具有典型飛輪的一般容納裝置結(jié)構(gòu)200的局部橫截面視圖。結(jié)構(gòu)圍繞中心線202基本是同心的。容納裝置包含多個(gè)S-托架204、真空襯墊206和外部鎧甲層（armorlayer）208。每個(gè)S-托架204被連接到真空襯墊206的內(nèi)表面。飛輪210被放置在S-托架204最內(nèi)端之內(nèi)。飛輪210的高度優(yōu)選小于S-托架204的高度。外部鎧甲層208被設(shè)計(jì)為防止外部拋射體向內(nèi)穿透真空襯墊。外部鎧甲層208優(yōu)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(jù)一種變型，單個(gè)S-托架204優(yōu)選包含如圖2a中所示的層。S-托架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(xì)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(jié)222以及與第一組節(jié)222的平面成角度取向的第二組節(jié)224。每個(gè)節(jié)222與兩個(gè)相鄰的節(jié)224連接，并且每個(gè)節(jié)224與兩個(gè)相鄰的節(jié)222連接。節(jié)之間的空間226優(yōu)選被填充塑性材料，諸如，例如尼龍、聚合物等?？臻g226也可以被填充以如上所述的剪切增稠流體。連接的節(jié)、塑性材料和流體合起來(lái)形成排228，并且排228的堆形成層220。單個(gè)層220可以具有一個(gè)或更多層堆積的排。單個(gè)節(jié)222和224可以優(yōu)選地包含金屬，諸如，例如鋼、鈦、鋁或聚合物或碳化纖維。節(jié)也可以優(yōu)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(jié)224的一部分，其中節(jié)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(yōu)選包含纖維編織層。該纖維優(yōu)選包含玻璃、碳化纖維、CNT或其組合等。編織樣式優(yōu)選是在纖維和纖維復(fù)合材料工業(yè)中使用的任意標(biāo)準(zhǔn)的樣式。在圖2d中示出了第三層226的優(yōu)選部分的細(xì)節(jié)。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(yōu)選被安裝在基底薄片262的向內(nèi)的表面268上。每個(gè)燒灼板264優(yōu)選通過(guò)一個(gè)或更多個(gè)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?；?62優(yōu)選包含金屬，諸如，例如鋼、鈦、鋁或任意固體塑料或纖維復(fù)合材料等。附著裝置266可以是將板粘結(jié)到基底的任意粘合劑。應(yīng)當(dāng)理解，多層可以被用來(lái)產(chǎn)生較厚的S-托架元件。例如，5層結(jié)構(gòu)可以由（1）位于面向飛輪側(cè)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(gè)變型，其表示飛輪能量存儲(chǔ)容納系統(tǒng)的橫截面。盡管本發(fā)明被充分地納入到此處描述的無(wú)輪轂的開口鐵芯飛輪結(jié)構(gòu)中，但是系統(tǒng)300包含飛輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子302（和輪轂304）圍繞中心線306旋轉(zhuǎn)。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制的絕熱層312內(nèi)的S-托架310。示出了可選擇性旋轉(zhuǎn)的機(jī)械層314，其可以選擇性地包含結(jié)構(gòu)以進(jìn)一步阻止外部拋射體向內(nèi)行進(jìn)到達(dá)真空邊界。機(jī)械軸承316有助于保持可旋轉(zhuǎn)層314居中。機(jī)械套筒318優(yōu)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(jī)械地連接到地面。最后，卸壓部件322被示出在組件的中間。絕熱層312優(yōu)選經(jīng)受從大約1000℃到大約2500℃的高溫，并且優(yōu)選具有低于大約0.4W/m·k的低導(dǎo)熱系數(shù)。例如，在窯內(nèi)制造耐火磚使用的材料可以被用于這層。然而，對(duì)于移動(dòng)的并且特別是交通工具運(yùn)載的應(yīng)用，可以使用輕質(zhì)材料，諸如，例如硅石、氧化鋁、富鋁紅柱石、硅線石、氧化鎂、氧化鋯和纖維耐火隔熱磚，氧化鋁-氧化鋯-硅的組合是尤其優(yōu)選的。可旋轉(zhuǎn)層314可以包含含有復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但是優(yōu)先具有含有鋼的外層。軸承316優(yōu)先為陶瓷軸承，并且套筒318可以是具有與鋼相對(duì)低的摩擦系數(shù)的青銅或其它金屬等。在圖4的進(jìn)一步的橫截面細(xì)節(jié)中示出了卸壓部件322的結(jié)構(gòu)。卸壓部件322是關(guān)于中心線306同中心的，并且具有外主體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(guò)特定數(shù)值的壓力下可預(yù)測(cè)地破壞，并允許氣體和小顆粒通過(guò)位于主體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(huán)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(gè)或更多個(gè)盤形擋板340。擋板用來(lái)使氣體和顆粒流在到達(dá)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(xì)節(jié)。元件318包含具有大體圓柱形的側(cè)壁502和可以是環(huán)形盤的底部盤504的支撐結(jié)構(gòu)。支撐結(jié)構(gòu)的底部被連接到支撐物/地面320。圓柱體506在壁502內(nèi)配合。彈簧508向上推動(dòng)圓柱體506與可旋轉(zhuǎn)層314的底部（圖3）形成牢固的接觸?？尚D(zhuǎn)層在旋轉(zhuǎn)期間可能磨損圓柱體506，并且彈簧力將保持接觸并提供向上的支撐，有助于消除旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如果內(nèi)部飛輪失效產(chǎn)生向外的力，在包括飛輪轉(zhuǎn)子碎片的情況下，S-托架如上所述發(fā)生變形以形成大體環(huán)形的容納裝置腔室。依據(jù)本發(fā)明的變型，碎片在由于S-托架的變形產(chǎn)生的大體環(huán)形的腔體中循環(huán)。優(yōu)選被包含在S-托架中的含有燒灼顆粒的層或復(fù)數(shù)層具有若干功能。首先，它們有助于將轉(zhuǎn)子碎片分解成更細(xì)小的塵狀顆粒。其次，它們可以被設(shè)計(jì)或選定為與碳化纖維和塑性聚合物發(fā)生吸熱的化學(xué)反應(yīng)，以進(jìn)一步降低碎片云的溫度。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復(fù)合物。隨著轉(zhuǎn)子碎片的動(dòng)能被轉(zhuǎn)換為熱能，腔室內(nèi)部件的溫度上升。轉(zhuǎn)子復(fù)合材料中使用的任意塑性聚合物將會(huì)氣化。腔室中氣體壓力將會(huì)上升。在某些預(yù)定點(diǎn)處，包含諸如例如密封件或破裂盤等的卸壓部件通過(guò)設(shè)計(jì)將會(huì)失效。腔室中間的氣體可以通過(guò)帶有擋板的結(jié)構(gòu)以預(yù)定的并且相對(duì)受控的速率離開到環(huán)境中，例如以煙灰的形式等。最初，仍將有旋轉(zhuǎn)氣流，并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-托架容納層的大體環(huán)形的部分中。隨著旋轉(zhuǎn)慢下來(lái)，更多的氣體和塵埃能夠離開腔室。飛輪轉(zhuǎn)子的角動(dòng)量將會(huì)被保存。碎片云的角速度將會(huì)隨著云向外擴(kuò)展而減小，并且與托架的初始傾斜碰撞將會(huì)保持云中的大部分動(dòng)量。然而，碰撞將會(huì)把一些扭矩轉(zhuǎn)移給托架，并且這將導(dǎo)致托架、絕熱且可旋轉(zhuǎn)的層轉(zhuǎn)動(dòng)。由于這個(gè)結(jié)構(gòu)的較大半徑和它的相當(dāng)大的質(zhì)量，角速度將會(huì)小，并且這個(gè)角動(dòng)量可以在套筒1190和軸承1180中分散。針對(duì)本發(fā)明的飛輪系統(tǒng)的有益的固定的和移動(dòng)的應(yīng)用大量存在。實(shí)際上，對(duì)可持續(xù)的能量存儲(chǔ)和部署的任何所需要求都可以發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的用途和益處。例如，由于本發(fā)明的飛輪系統(tǒng)的基本安靜的運(yùn)行，安靜或隱形模式的交通工具運(yùn)行是可能實(shí)現(xiàn)的。另外，目前公開的系統(tǒng)允許快速充電和放電以及來(lái)自所有可用能源的充電，例如電網(wǎng)、可再生資源、發(fā)電機(jī)等。此外，不需要特定的加工或基礎(chǔ)設(shè)施以便將本發(fā)明的變型并入到固定的能量存儲(chǔ)或產(chǎn)生設(shè)備以及在移動(dòng)或固定運(yùn)行中要求不可中斷的或可中斷的能量存儲(chǔ)或部署的裝置、系統(tǒng)或交通工具。優(yōu)選的交通工具包括，但不限于，有人駕駛的或無(wú)人駕駛的飛行器、航天器、陸地和水運(yùn)表面和地下的交通工具。公開的變型的開口鐵芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的模塊化方法降低了整體系統(tǒng)失效的風(fēng)險(xiǎn)，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)與已知的飛輪系統(tǒng)相比更深深度的能量釋放（例如大于大約95%）。另外，系統(tǒng)允許僅僅基于監(jiān)測(cè)飛輪旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速非常精確地確定充電。盡管已示出并描述本發(fā)明的優(yōu)選變型和替代，但是可以理解，在不背離本公開的主旨和范圍的情況下，在其中能夠做出各種改變和替代。相應(yīng)地，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)僅僅由所附權(quán)利要求和其等同物限定。