[发明专利]高温超导轴承和飞轮系统及方法

说明书

一种轴承和飞轮系统可以包括：第一轴承部分，具有穿过该第一轴承部分的具有第一尺寸的开口和中心纵向轴线；第二轴承部分，具有第二尺寸，该第二尺寸小于第一尺寸；以及联接至第二轴承部分的飞轮。轴承部分可以包括高温超导体和/或磁体。第二轴承部分可以至少部分地设置在穿过第一轴承部分的该开口内。在第二轴承部分的外表面和第一轴承部分的内表面之间可以存在间隙。第二轴承部分可以被配置成相对于第一轴承部分旋转。

相关申请的交叉引用

本申请是2021年6月15日提交的第17/348,716号美国专利申请的PCT，并要求2020年6月15日提交的第63/039，454号美国临时专利申请的优先权。上述每个申请的全部内容通过引用并入于此。

关于联邦资助的研究或开发的声明

不适用。

参考附录

不适用。

技术领域

在此公开和教导的本发明总体上涉及轴承系统，更具体地涉及包括高温超导体的轴承和飞轮系统及其应用。

背景技术

飞轮储能系统(FESS)是一种强大的替代技术，其便宜、耐用且无毒，已经存在了100多年。FESS可以承受几乎无限的充电/放电循环，具有高功率/能量密度，并且可以耐受包括高温在内的大范围的环境条件。大规模利用的主要障碍可以大致分为两类：飞轮强度和能量损耗。

飞轮将动能储存在大型钢或复合材料气缸的转动惯量中，使用电动机/发电机系统对其进行加速和减速。储存的能量与质量、半径的平方以及角速度的平方成正比:

其中，E_k为转动动能，I为转动惯量，ω为角速度。

对于由薄圆盘构成的飞轮，转动惯量为:

其中I是转动惯量，m是质量，r是轴与旋转质量之间的距离。

为了利用ω平方项，飞轮应该尽可能快地旋转。这意味着决定系统的能量密度的因素是所使用的飞轮材料的强度和刚度:

其中e是能量密度，KE是飞轮的动能，m是飞轮的质量，σ和ρ分别是转子材料的抗拉强度和密度。复合飞轮具有较高的抗拉强度，并具有较高的能量密度(在某些情况下可与锂离子电池相媲美)，而钢制飞轮的强度较低，但价格低廉得多，这是实用规模存储的一个更重要的指标。然而，如果钢制飞轮失效，它们通常会碎成几大块并携带大量能量，这可能是危险的。

飞轮材料通常有两种方案：高抗拉强度的复合材料或高密度钢。在高抗拉强度复合材料的情况下，成本相对较高；而在高密度钢的情况下，成本相对较低，但是能量密度较小，并且存在上述的失效问题。

飞轮储能系统中的损耗通常可分为两类：轴承损耗和电机(马达/发电机系统)损耗。传统的轴承系统通常包括彼此机械连接的各种部件，例如设置在滚道中的滚柱轴承。这种系统受到各种限制，包括由于摩擦力造成的限制。可以使用润滑剂，例如油脂或油，以努力减少不期望的摩擦力影响，例如产生热量，但是摩擦力仍然会使传统系统不足以用于某些应用。因此，许多传统的运动系统受到摩擦力的限制，例如大气和穿过大气的物体之间的摩擦力，或者物体本身内部的摩擦力，比如轴承、齿轮或其他部件之间的摩擦力。受到摩擦力限制的传统应用的例子实际上包括任何具有运动部件的机械，例如围绕轴转动的轮子、围绕支撑件转动的叶片、发电机、涡轮机、滑轮、飞轮储能系统等。