能量存储及转换设备 本发明涉及到能量存储及转换设备，具体地说，本发明涉及到这样一种设备，在这种设备中，一圆柱形转子受到该转子中定子的驱动从而将能量存储成该转子的动能，当所说的定子和转子起一发电机的作用时，就可以从转子中提取出能量。
本申请人的某些先前的专利说明书业已说明了上述类型的能量存储及转换设备。但是，本申请人仍在继续研制这种能量存储及转换设备，从而设计出了本发明的设备。
依照本发明的第一个方面，提供了一种能量存储及转换设备，该设备包括：
一容器，它限定了一真空室；
一基本上垂直的转轴，它位于上述真空室内；
一位于上述转轴上的定子；以及
一圆柱形转子，它在使用中受上述定子的驱动从而将能量存储成该转子的动能并和所说的定子一道起一发电机的作用以便释放能量；
其中，所述转轴通过一端盖支承着转子，而所说的端盖则定位于上述圆柱形地转子的上端并与所述转轴相接合。
通过在定子附近将转子悬挂于前述转轴，可以形成一精巧紧凑且可靠的能量存储及转换设备。
在一个最佳实施例中，所说的端盖包括一作用于转轴上端的中央销轴承。该销轴承最好包括一基本上为球形的头部。
具体地说，上述销轴承是一球形的螺纹槽液动销轴承。该销轴承可由钢制成，而所说的螺纹槽则蚀刻在前述球形头部的表面上。
利用球形螺纹槽销轴承，可以仅用非常小的摩擦损失来适应较高的轴向负载。相反，通常用的先有技术的能量存储及转换设备则使用了会导致较高摩擦损失的常规的滚柱轴承，或者使用了复杂、高成本且具有潜在不可靠性的电磁轴承。
上述销轴承最好被接收在一轴承杯内，该轴承杯安装在位于上述转轴端部处的减振器内。更佳的是，上述减振器包括也起对销轴承进行润滑作用的油。
上述端盖可由诸如碳纤维复合物、铝、特高强度钢或任何其它适当的材料之类的复合材料构成。
在一个实施例中，可通过摩擦配合将上述端盖接收在圆柱形转子的上端。另外，也可以用适当的装置以物理的方式将所述端盖连接于圆柱形转子。
最好将一磁性轴承设置成朝向所述转子的下端以便有助于使该转子相对前述定子定位。上述磁性轴承最好是在所述转轴与转子之间起作用的永久性磁性轴承。另外，所述磁性轴承也可以是电磁轴承。
如果使用了永久性磁性轴承，则最好在转子的内表面上以及转轴上设置由北极和南极构成的圆环，因此，相反的磁极会彼此排斥。如果使用了这种结构，则转子不会与定子相接触，并且，如果仔细地对上述磁极的布局、数量和位置进行选择，那么，就会有助于使该转子略微上升以减少销轴承的压力。
在另一个实施例中，一磁性轴承可从下部作用于圆柱形转子的下端，从而有助于提升该转子。
依照本发明的第二个方面，提供了一种能量存储及转换设备，该设备包括：
一基体部件；
一容器，它安装在上述基体部件上并限定了一真空室；
一基本上垂直的转轴，它位于上述真空室内；
一位于上述转轴上的定子；以及
一圆柱形转子，它在使用中受上述定子的驱动从而将能量存储成该转子的动能并和所说的定子一道起一发电机的作用以便释放能量；
其中，所述转轴安装在前述基体部件上，因此，在所说的设备出现故障时，存储在转子中的能量会优先传递给转轴而不是传递给前述容器。
通过提供上述类型的设备，源于正发生碰撞的转子的扭力本身并不都会象在多种先有技术的飞轮式能量存储及转换设备中那样对机器的容器产生冲击。相反，所说的扭力会经由定子传给前述中心轴并从该轴或者直接传给机器的底板，或者在该轴上的一个摩擦接头(例如在电机/发电机与该轴之间)处散失。所以，前述容器具有比一般为了抗住这种高能量耗散所需的壁厚度小的壁厚度。
转子与位于转轴上的定子之间的距离最好明显地小于转子与容器之间的距离。这种结构可以确保：如果转子的确出现故障，则该转子会在开始时撞击定子/转轴组件而不是撞击容器壁。所以，能量会在所述设备出现故障时立即传给基体部件，或者在上述位于转轴上的摩擦接头内消散。
所说的基体部件可以包括一凹槽，它用于接收前述转轴的一端，所述转轴以紧配合的方式接收在上述凹槽内。当然，也可以使用使转轴与基体部件相接合的其它方法(例如用于能量消耗的摩擦接头)。
所述转轴最好由高强度铝制成。也可以使用任何其它的适当材料。
所述转轴最好是中空的以容纳一销轴承，此销轴承用于支承所说的转子。但是，上述转轴也可仅在上端处带有一凹槽以接收销轴承，而不是完全是中空的。
如果需要的话，上述基体部件最好可与一具有显著质量的支承件相固定，该支承件能可靠地分散来自前述转子的能量。
尽管对实现本发明不是必要的，但转子的长度最好至少两倍于该转子的外径。但是，如果要满足这一要求，对每个转子都要提供一高且相对较薄的装置，该装置包括一段有显著长度的转轴。所以，能形成较为可靠的设备。此外，通过形成高且相对较薄的装置，在任何给定的占地面积内会比公知的先有技术的设备容纳数量更多的装置。
依照本发明的第三个方面，提供了一种能量存储及转换设备，该设备包括：
一容器，它限定了一真空室；
一基本上垂直的转轴，它位于上述真空室内；
一位于上述转轴上的定子；以及
一圆柱形转子，它在使用中受上述定子的驱动从而将能量存储成该转子的动能并和所说的定子一道起一发电机的作用以便释放能量；
其中，所述转子包括一由玻璃纤维构成的内层以及一由碳纤维构成的外层。所说的内层是玻璃纤维复合材料，而所说的外层则是碳纤维复合材料则更好。在一个最佳实施例中，所述玻璃纤维复合物是E玻璃(E-glass)。
由于所述转子中不包括任何纯金属成分，这一点与除本申请人的设备之外的大多数先有技术的设备显著不同，所以，几乎不存在这种可能性，即：转子出现故障，从而，浮动的碎屑会使所述设备的容器破裂。的确，通过使用紧绕前述中心轴旋转的玻璃/碳纤维复合转子以及碳纤维端盖结构，转子甚至会在出现碰撞情况下基本上保持不受损害。
所述转子的内层最好包含磁化材料以形成在使用过程中与定子相互作用的多极磁极。更具体地说，所说的内层最好包括一由相交替的北极和南极构成的圆环，上述磁极可启动定子以驱动转子去存储能量。而所说的定子则带有多个磁极，这些磁极是由其上带有线圈的定子芯产生的。
此外，所述转子的内层可包含磁化材料以形成至少一个与安装在转轴上的磁体相互作用的同性径向磁极。从而构成了一用于转子的轴承。如上所述，可以设置多个同性径向磁极，从而形成一改进型的轴承以使转子有一定程度的上升。上述结构还可包括一轴向的磁性止推轴承，该轴承逆着转子的底面起使用，从而进一步提高了转子的上升程度。
所说的磁化材料最好是在生产过程放进转子内层中的粉末。这种粉末可以是铁氧体或NdFeB。当然，也可以使用任何其它的适当材料。
上述内层和外层最好是按应变进行配合的，以防在使用中互相分离。
所述内层的厚度最好约为整个转子厚度的三分之二。通过制造出具有这样尺寸的转子，该转子具有由玻璃复合物所形成的显著质量并且还能在该转子旋转过程中凭借由碳纤维复合物构成的牢固外层而保持在一起。据此，所说的转子例如可在约1200Hz至1800Hz之间旋转。
上述磁化材料最好从所述内层的内表面开始延伸至该内层的约一半处。当然，也可以改变上述磁化材料的深度以符合特定转子/定子结构的要求。
如上所述，上述最好包括销轴承的转子的端盖会有助于将转子悬挂到转轴上。
依照本发明的第四个方面，提供了一种能量存储及转换设备，该设备包括：
多个定子；
多个相应的圆柱形转子，它们设置成绕上述定子旋转；以及
用于包容上述定子及转子的装置；
上述定子在使用中驱动所说的转子从而将能量存储成该转子的动能并且与该转子相互作用从而起一发电机的作用以便释放能量，
其中，所说的容器装置在一单元结构内限定了多个箱室，这些箱室内包容着所说的定子和转子。
就本申请人所知，以前尚未提出过包容有多个能量存储及转换设备单元的单元结构。
上述单元结构最好包括一蜂巢式结构，在这种结构中，有规律地设置有多个圆柱形箱室。
每个箱室均最好包容一个单个的定子及相应的转子。但是，在某些情况下，单个的箱室也可以包容一个以上的定子/转子单元。
一个单元内的这种蜂巢结构的优点在于：由于转子共用公共的容器壁，所以，可在最小的可能面积内容纳较多的转子，并且，由于从一个转子箱室到另一个转子箱室的通道不会对人造成伤害，所以，上述结构内部的那些壁不必象单个机器中所需要的那么厚。此外，这种尺寸的单体结构的共有质量可在没有任何特殊压栓结构的情况下足以吸收一破裂的转子的动能。
上述单体结构可根据应用的总能量存储要求而制造成包括任何数量的转子。为说明起见，所示出的这种结构包括37个箱室。
上述单元结构可由多个切割成一定长度并焊接在一起的模压件构成。如果按这种方式来形成上述单元结构，则最好用最少数量的不同形状的模压件来形成一完整的单元结构，以举例的方式示出了仅使用了三种不同类型模压件的结构。
每个箱室都最好被一包含有止回阀的端部凸缘所封住。尽管每个箱室都可配备有一独立的真空泵，但上述单元结构最好包容在一共用的真空室内，因此，可将该共用的真空室抽空，从而能在各个转子箱室内均形成真空。当上述单元结构内的任何一个转子破裂时，少量气体从转子材料中的瞬时释放以及后来转子箱室内的压力上升会使得止回阀关闭，从而使该转子箱室与单元结构内的其它箱室隔绝起来并保持其余转子的完整性。
尽管可用铝来制成上述单元结构，但当然也可以使用任何其它的适当材料。
可为整个设备的所有定子和转子提供一共用的冷却系统。这样做要明显地优于每个定子/转子单元均具有独立的冷却系统。
上述容器装置最好包括吸气剂，它用于从箱室中清除气体以提高真空度。为此，基于硅或碳的吸气剂是最佳的选择。
每个定子和转子单元最好存储高达20千瓦小时的能量，更佳地是存储约5千瓦小时的能量。
尽管到目前为止未做特别的说明，但是，应该注意到，本文所述的本发明各个方面的任一特征均可与任何其它方面相结合以形成一种比公知的先有技术更新颖和更有创造性的能量存储及转换设备。
另外，在本发明的能量存储及转换设备中，可设置一外部回路，压力差可通过该回路来驱赶前述容器内的气体，上述外部回路包括一用于清除气体的装置以提高所述容器内的真空度。
而且，可以测定转子的速度以提供表示存储在该转子中能量的输出。更佳的是能实时地提供一可视的输出以指示可从所述设备中获得的能量。
在一个特定的实施例中，可通过监测电机/发电机电源电子线路的切换频率来测定转子的速度。
以下参照附图仅以举例的方式说明本发明的特定实施例，在附图中：
图1是本发明的能量存储及转换设备的侧剖图；
图2是略有缩短的转子的内层的示意侧剖图，该内层可用于图1所示的设备；
图3是沿图2中转子的A-A方向的图；
图4是与图3相同的图，但其中示出了由用于磁化转子的磁化定位器构成的线圈；
图5是用于容纳多个定子/转子单元的容器的平面图；
图6A是一用于吸气剂外罩组件的维护罩的示意侧视图，所说的吸气剂外罩组件安装在能量存储及转换设备的容器壁的一侧上；
图6B是图6A的维护罩内所示出的吸气剂外罩组件的放大侧视图；以及
图7是本发明的能量存储及转换设备的示意侧视图，该设备包括有一外部回路，此回路用于从所述设备的真空室中清除气体。
参照图1，能量存储及转换设备1包括：一基体部件3；一容器5，它安装在基体部件3上从而限定了一真空室7；一基本上垂直的转轴9，它位于真空室7内；一定子11，它安装在转轴9上；以及，一圆柱形转子13，它在使用中受定子11的驱动从而将能量存储成转子13的动能并和定子11一道起一发电机的作用以便释放能量。与定子11相接触的电触点(它们用于对定子11加电以驱动转子13)在附图中未示出但却可通过转轴9的中空开孔9a。
定子11在图1中未作详细显示，但该定子可以是任何这样适当类型的定子：它包括有一磁芯，此磁芯限定了诸如4个磁极之类的多个磁极，在这些磁极周围缠绕有线圈以形成磁力线，该磁力线因所说的磁极面而朝向转子13，从而使转子13旋转。通过这种方式，可将能量存储成转子13的动能。相反，如果要从设备1中提取能量，转子13及定子11就可起发电机的作用以通过上述设备的电源线路(未示出)形成电输出。
设备1的基体部件3因其厚度及构成的材料而具有相当大的强度，例如，所说的材料可以是铝。示出了贯穿基体部件3的开孔15，这些开孔用于容纳将基体部件3固定到底板19或具有相当大的质量和强度的类似物上的螺栓17。因此，即使能量存储及转换设备1出现故障，它也会牢固地固定在适当位置上。
在设备1出现故障的情况下，可凭借牢固地安装在基体部件3上的转轴9来阻止存储在转子13内的能量毁坏容器5。更具体地说，以紧配合的方式将转轴9的下端21接收在基体部件3的凹槽23内。还可以使用用来加强转轴9与基体部件3之间接合的装置(未示出)。此外，转轴9由诸如铝之类的高强度材料制成，因此，在设备1出现故障时由转子13所产生的扭力及能量会通过转轴9传给基体部件3从而传给牢固的支承件19。
还应注意，转子13具有一定的长度，该长度至少为转子外径的两倍，因此，可以形成一高且相对较薄的设备1。这种结构还意味着存在有显著长的一段转轴9以便在设备1出现故障的情况下吸收来自转子13的扭力和能量。所以，提供了一种更为安全的设备1，并且，容器5不必具有特别厚的壁厚度。当然，在实践中总是将容器5设计成能形成显著的防护层以防转子出现故障。
从图1中可以看出，转子13上形成有由E-glass构成的内层25以及由碳纤维复合物构成的外层27。但是，如果其它适当的材料能提供转子所需的特性，那么，也可以使用这些材料。在这方面，由E-glass构成的内层25相对较为便宜并且能为转子13提供合理的质量。E-glass还能将颗粒或粉末状的可磁化材料接收到E-glass中的玻璃纤维的纤维或纤维束之间。从只示出转子13的内层25的图2中可以看出，可磁化材料最好只进入转子13的内层25的内侧一半25a。包括转子13的外层27主要是为支承住内层25，所以，外层27应由在按诸如1200-1800Hz的高速旋转时具有相当大强度的材料构成。碳纤维复合材料特别适合于此。
转子13包括一由特高强度钢、铝或碳纤维复合物制成的端盖29，它支承着一销轴承31，如图1所示。所述销轴承包括一转轴33。该轴的自由端承载有一球体35。在生产时对球体35加以蚀刻，因而在该球体的表面上形成有螺纹槽。销轴承31的球体35或头部接收在一杯形物37内，而所述杯形物则安装在一位于转轴9端部处的减振器39内。减振器39延伸进上述转轴的开孔9a内并通过与转轴9的上端对接的侧面凸缘41而固定在开孔9a内。减振器39盛放有油，该油用来抑制杯形物37在转子13运动时的径向和轴向运动，从而能使整个的能量存储及转换设备1减振。减振器39内的油还在销轴承31的头部35与杯形物37的表面之间起用于销轴承31的润滑剂的作用。正如将会注意到的那样，当转子13旋转时，销轴承31头部上的螺纹槽会带动头部35与杯形物37之间的油，从而使得转子13向油膜略微上升。所以，转子13会以可忽略不计的摩擦力自由地旋转，从而，经由销轴承只会损失最少的能量。显然，是最理想的。
一永久性磁性轴承43设置在转子13的下端处，以便与销轴承31相配合确保转子13不会与定子11相碰撞。更具体地说，一永久性磁体45安装在转轴9上。在这种情况下，磁体45的北极朝向转子13的内表面。从图2中可以看出，用以环形方式形成的北极47和南极49对转子13的内层25中的可磁化材料进行磁化。磁体45的北极与转子13的北极47彼此面对，从而形成了排斥力，而转子13的南极49则被吸向磁体45的北极。凭借这种结构，转子13会保持不与定子11相接触，并且，转子13会略微上升从而有助于减少销轴承31与杯形物37之间的摩擦。
还可设置一辅助的轴向轴承，它包括另一块永久性磁体51(见图1)，该磁体用于和转子13端部上的可磁化区域一道起作用以排斥转子13，从而使转子13上升。
参照图2至图4，它们示出了本发明能量存储及转换设备中可能使用的转子13的内层25。但在图2中，以显著缩短了的方式示出了转子13。正如可看到的那样，在转子13的中心区域示出了使转子起电机/发电机作用的径向多极磁极51。在转子13的下端处示出了同极径向磁极，它可与永久磁体(如前所述)或安装在转轴9上的电磁体相互作用，从而有助于将转子13悬挂在定子11周围。尽管示出了转子13上仅有一个北极47和一个南极49，但也可以使用辅助磁极和辅助永久磁体/电磁体以便根据所需的力来加强转子13与安装在转轴9上的磁体/电磁体之间的相互作用。
通过在制造转子13的过程中对包括在转子13的内层25的内侧一半25a中的原始磁性材料进行处理从而形成转子13的磁化区域47、49、51。尽管可以将预先磁化了的材料放进转子13并使该材料与在制造转子13的过程中需要的材料对齐。但是，在转子13的复合材料固化之后，这里所说的转子13最好具有适合于该转子13的磁性。通过用一定位器将磁性施加转子13内的原始磁性材料就可以做到这一点，所说的定位器包括一系列线圈53，线圈53在受到激励时会在上述磁体内形成所需形式的磁场(见图4)。磁化前述磁性材料所需的磁场取决于该磁性材料的类型，而所说的磁性材料可以是铁氧体、NdFeB、或者是任何其它适当的材料。例如，铁氧体需要1.5泰斯拉，而NdFeB则需要4泰斯拉。上述磁场是由来自一电容放电装置的单个大电流脉冲所形成的，所说的电流约为30000安培。一旦上述磁场作用于转子13，就拆除所说的定位器，从而留下永久的磁性，例如如图2和图3所示。正如将会注意到的那样，仅需要设计出用于特定应用场合的定位器就可获得转子13中的预定磁性。
尽管至此说明了包括有单个定子11和单个转子13的能量存储及转换设备，但是，本发明还提供了这样的能量存储及转换设备，该设备包括：多个定子11；多个相应的圆柱形转子13，它们设置成能绕定子11旋转；以及，容器装置100，它在一单元结构内限定了多个箱室102，这些箱室内包容着定子11和转子13。图5中示出了这种容器100。
图5所示的能量存储及转换设备因前述单元结构内的圆柱形箱室102的结构而非常小巧和紧凑。所以，在不需要过多空间的情况下，可以提供由37个图1所示设备构成的具有能量存储及转换能力的设备。正如将从图5中看到的那样，相邻的真空室102共用公共的容器壁104。
图5所示的蜂巢式结构由三种不同形状的模压件106、108、110(参见图5中的阴影区)构成。上述模压件由铝或任何其它适当的材料制成并且仅切割成一定的长度。然后，相邻的模压件通过焊接接头112焊接到一起，如图5所示。但是，应该注意，对用于制造所述单元结构的模压件形状以及不同形状数量的选择完全以商业考虑为基础以使制造成本最低。并且，对所使用的模压件形状以及不同形状数量的选择不会影响最终结构的有效性。
尽管理论上每个箱室102的两端均有一端部凸缘并且每个箱室102均具有一用于保持该箱室102内真空的独立装置，但本发明的设备理想的是带有包围整个单元结构的外罩(未示出)或者带有覆盖所述单元结构至少一端处的端部保护盖。无论是哪一种情况，每个箱室102均应具有自己的端部凸缘(未示出)，并且，在受上述外保护盖或外罩保护的各个端盖上均可设置一止回阀。在这种结构中，可为上述整个的单元结构提供一单个的抽真空装置，此主真空泵可除去正在经由止回阀被加以抽取的个别箱室102内的气体。此外，即使一个别的定子11/转子13单元出现了故障从而导致有分子释放进转子箱室，其余的定子/转子单元也会因止回阀的关闭所提供的保扩而不受影响。
以下参见图6A和图6B，它们显示了吸气剂外罩组件61和维护罩63。吸气剂外罩组件61为诸如硅胶、活性炭之类的吸气剂材料65(可通过热分解而成布或织物的形式)提供了一固定件，所说的吸气剂材料可吸收气体分子以提高真空室7和102内的真空度。在这方面，正如将会注意到的那样，真空室7和102内的真空度越高，就会有越小的摩擦，因此，会从转子13中损失较少的能量。所以，对于使本发明能量存储及转换设备的成功运行来说，较高的真空度是必需的。
具体参照图6B，吸气剂材料65安装在吸气剂外罩组件61的端盖67上，因此，吸气剂材料65会定位在与转子13相邻的位置处。吸气剂外罩61的圆柱形壁69固定到能量存储及转换设备1的容器5上。在吸气剂外罩61与容器5之间以及在端盖67与外罩61的圆柱形壁69之间均设置有密封件71。为了能供给或更换吸气剂，使用了维护罩63(图6A)。该维护罩包括：壁73，它用于包封住吸气剂外罩61；通向一真空泵的进出口75，它用于在维护罩63内形成高度的真空；以及，机械手或其它维护器具77，它们用于与吸气剂外罩61相互作用。所以，在把维护罩63固定到容器5上并且在维护罩63内形成真空时，可用器具77从吸气剂外罩61上拆下端盖67和所附着的吸气剂材料65。然后，在不破坏能量存储及转换设备1的真空箱7和102内转子13周围真空的情况下可以更换吸气剂材料65。一旦更换了吸气剂材料65，就在拆下维护罩63之前更换吸气剂外罩61的端盖67。
图7中示出了用于除去存在于本发明能量存储及转换设备1的真空室7内的气体的设备的另一种形式。在图7中，一包括多个螺旋槽81的分子泵79朝向转子13的外侧。在图7中，当转子13旋转时，分子泵79会向上带动来自转子的废气所产生的气体或容器5内的其它气体。这就会导致存在有一低压区和一高压区，所说的低压区朝向真空室7的底部，而所说的高压区则朝向真空室7的顶部。
示出了一外部导管回路83，它包括一气体清除器装置85，此装置可以是一电离泵或者是吸气剂材料。所以，由于在真空室7内的高压区与低压区之间存在着压力差，因而气体会受驱赶经过清除器装置85，从而会被清除出所说的系统。因此，可在真空室7内获得提高了的真空度。
为了有助于检修清除器装置85，在该清除器装置85的两侧设置有阀门87。当这些阀门87关闭时，清除器装置85会不与导管回路83相连以便于加以检修。然后，只需简单地将清除器装置85恢复进回路83并且需要在重新开启阀门87之前抽空回路83位于阀门87之间的部分。所以，为提高能量存储及转换设备1的真空室7内的真空度提供了非常简单且有利于用户的结构。
尽管在附图中未示出，但诸如通过监控所述电机/发电机的电源电子线路的切换频率。可以测定转子13的速度，以便在任何特定时间都能提供表示存储在转子13内的能量的输出。更优选的是，实时地提供一可视的输出以指示可从能量存储及转换设备1中获得的能量。
当然，应该认识到，以上完全以举例的方式说明了本发明，在本发明的范围内可做出细节上的改进。