КИНЕТИЧЕСКИЙ АККУМУЛЯТОР Российский патент 1998 года по МПК H02J15/00 H02K31/00 H02K13/00 H02K25/00 H02M9/00 

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано в системах гарантированного энергообеспечения.

Известны кинетические аккумуляторы электрической энергии (КАЭЭ), содержащие маховик, запасающий энергию за время зарядного цикла и отдающий ее в разрядном цикле, электродвигатель, генератор, систему управления и редуктор.

КВЭЭ могут выполняться:
1) с машиной постоянного тока (МПТ);
2) с асинхронным двигателем (АД) и синхронным генератором (СГ).

3) с асинхронным двигатель-генератором с короткозамкнутым ротором (АДГ);
4) с асинхронизированным синхронным генератором (АСГ);
5) с вентильным двигатель-генератором (ВДГ).

Существенными недостатками:
1) структуры КАЭЭ с МПТ является ограничение максимальной окружной скорости коллектора МПТ, которая не должна превышать 50-60 м/с (см., например, Исаев В.С., Ковтун В.П. Характер разрушения поверхности трения меди в электрическом скользящем контакте. Электротехника, N 8, 1976);
2) КАЭЭ с АД и СГ конструктивно сложны, потребляют много энергии при разгоне, из которой 50-60% превращается в тепло;
3) главной сложностью при разработке КАЭЭ с АДГ является проблема регулирования напряжения асинхронного генератора в широком диапазоне изменения частоты вращения;
4) КАЭЭ на основе АСГ обладают конструктивной сложностью, ограниченным диапазоном изменения частоты вращения маховика, наличием контактных колец;
5) КАЭЭ с ВДГ на базе синхронных машин также требуют наличия сложного и ненадежного трехфазного двухполупериодного инвертора для частотно-токового регулирования, не исключающего потерь энергии в зарядном и дежурном режимах, тахогенератора или датчика положения ротора и регулятора напряжения, а разработка асинхронного ВДГ вообще нецелесообразна из-за сложности регулирования напряжения.

Поэтому вопросы разработки КАЭЭ и в первую очередь вопросы рационального преобразования электрической энергии в механическую и обратно применительно к системам электроснабжения с маховиком остаются открытыми (см. например. Ледовский А.Н., Литвинов И.И., Новиков М.Э., Тимофеева А.Т. Проблемы создания кинетических аккумуляторов электрической энергии, Электричество, N 3, 1978).

Известны также КАЭЭ, содержащие униполярную машину (УМ) постоянного тока с маховиком для питания индуктивного накопителя энергии, которые могут быть приняты за прототип (см. например. Униполярные электрические машины, доклады конференции, Москва, март 1969 года, с. 8).

Но такие КАЭЭ низковольтны и предназначены для работы только в импульсном режиме. При работе в длительном режиме задача создания надежного высокоскоростного контакта по-прежнему актуальна, а создание импульсных генераторов на повышенное напряжение является существенно более сложной задачей (см. там же с.35).

Целью изобретения является создание простых, необслуживаемых КАЭЭ, пригодных для практического применения в системах гарантированного электроснабжения, обладающих более высоким КПД преобразования и удельной энергоемкостью, отсутствием потерь в дежурном режиме, что обеспечит необходимую длительность хранения энергии, легкостью управления любыми режимами и универсальностью рода тока как зарядного, так и разрядного циклов.

Цель достигается органическим объединением и взаимным дополнением свойств и достоинств витого супермаховика, самоцентрирующей магнитной опоры, дисковой униполярной электрической машины и управляемого термоэмисионного генератора.

Сущность изобретения заключается в том, что в герметичном корпусе, в котором создан глубокий вакуум, на радиально-осевой самоцентрирующей с ограничителями осевого и радиального перемещения магнитной опоре, служащей одновременно ступицей ободкового супермаховика, навитого из высокопрочных нитей, установлен вертикально явнополюсной якорь дисковой униполярной машины электромагнитного возбуждения с центральным и периферийным термоэмиссионными управляемыми токосъемами. При этом самоцентровка ротора обеспечивается конусообразной формой магнитной опоры, ограничители осевого и радиального перемещения выполнены в виде опорно-упорных подшипников на основе твердых самосмазывающихся материалов, анод центрального термоэмиссионного токосъема охлаждаем, а нагреваемые катоды с сеточным управлением периферийных токосъмов и катушка возбуждения разделены охлаждаемым экраном из немагнитного материала.

Проведенный патентный поиск показал отсутствие КАЭЭ с предлагаемой совокупностью признаков.

Таким образом, в данном случае известные элементы объединены новыми связями, придают новые свойства КАЭЭ, проявившиеся в положительных эффектах, вследствие чего решение может быть признано имеющим изобретательский уровень.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показан продольный оси вращения ротора разрез КАЭЭ в варианте совмещения диска якоря с подвижной частью магнитопровода (конструктивная схема).

КАЭЭ состоит из герметичного корпуса 1 с силовыми входом 2, выходом 3 и управленческими 4 электрическими выводами.

Внутри корпуса 1 на радиально-осевой магнитной опоре 5 вертикально закреплен вал 6.

Магнитная опора 5 состоит из подвижной 5а и неподвижной 5б частей; представляет собой два конусообразных диска постоянных магнитов из сплавов редкоземельных металлов и кобальта, намагниченных вдоль оси и встречно.

В общем случае при необходимости магнитная опора 5 будет состоять из расчетного количества пар подвижных и неподвижных 5б дисков до полного уравновешивания веса подвижных частей КАЭЭ, самоцентровка которых обеспечивается конусообразной формой дисков 5а и 5б.

Подвижный диск 5а магнитной опоры одновременно может служить ступицей ободкового супермаховика 7, навитого из высокопрочных нитей, например, стекловолокна, бора, кевлара, графита, кварца, полимеров и т.д.

Массивный обод, навитый из сверхпрочных волокон, обеспечивает высокую плотность накопленной энергии и безопасный (безосколочный) выход из строя в случае превышения предельно допустимой скорости вращения маховика.

Если это стальная проволока прочностью 5000 н/мм², то удельная энергия аккумулятора составит 3•10⁵ Дж/кг.

Графитовое волокно или кевлар обеспечит 10⁶ Дж в килограмме массы. Кварцевые волокна (получены в 70-х годах) прочностью 37000 н/мм² и плотностью в 2 раза большей, чем у графита, обеспечат плотность энергии свыше 5•10⁶ Дж/кг или 1400 вт•ч/кг, т.е. больше, чем у двигателей внутреннего сгорания (1000 вт•ч/кг).

Новые материалы из углерода со структурой графита и алмаза обеспечат плотность энергии 2400 и 4200 вт•ч/кг (см. например Гулиа Н.В. Накопители энергии. - М.: Наука, 1980, с. 88). Следует иметь в виду, что уже получены полимерные материалы, превосходящие по прочности алмазы.

На валу 6 насажен или вытачивается заодно якорь 8 униполярной машины, состоящей из статорного магнитопровода 9, катушки возбуждения 10, периферийного термоэмиссионного (бесконтактного) токосъема 11 с сеточным управлением 12 и центрального токосъема 3, работающего по принципу термоэмисионного генератора. При этом подвижный катод К центрального токосъема 3 нагревается токами высокой частоты от неподвижной обмотки 13, а анодом А служит охлаждаемый скатан 14, изолированный от корпуса 1 и статора 9 униполярной машины.

Неподвижный катод одного или нескольких периферийных токосъемов 11 может нагреваться прямыми токами накала.

Поскольку магнитная опора 5 обладает сравнительно малой жесткостью, для исключения разрушения ротора при случайном толчке, якорь 8 выполнен цилиндрическим совмещенным с магнитопроводом с возможностью значительного осевого перемещения вверх и вниз до упоров 15 и незначительного горизонтального перемещения до упоров 16, служащих ограничителями осевого и радиального перемещения.

Для целей электромагнитного удержания (и возвращения) якоря 8 в нормальное среднее положение служит и явнополюсное его исполнение за счет серединной кольцевой выточки 17.

Ограничители осевого 15 и радиального 16 перемещения представляют собой подшипники скольжения с твердой смазкой, поскольку жидкие смазки в вакууме не работоспособны.

В качестве твердой смазки могут быть использованы различные композиции с наполнителями из дисульфида молибдена или более термостойкого дисульфида вольфрама, который выдерживает температуру до 3000^oC (см. например: А.А.Силин Трение и его роль в развитии техники. - М.: Наука, 1983, с. 126 - 128).

Как известно минимальная рабочая температура катодов K и 11 должна быть 700-800^oC.

Для защиты катушки возбуждения 10 от теплоизлучения катода 11 периферийного токосъема служит экран 18, который может быть выполнен в виде водяного канала охлаждения.

Внутри корпуса 1 создается разряжение порядка 10^-7 мм.рт. ст. В среде столько разряженного газа электроны распространяются практически беспрепятственно, а нужная величина снимаемого тока нагрузки обеспечивается расчетной площадью нагреваемого катода.

Например, импрегнированный катод может дать токосъем 8 а/см² при температуре 1000^oC, т.е. такой же как и электрографитные щетки (см. Менке Х., Гундлах Ф. Радиотехнический справочник, том. II., Госэнергоиздат, М. - Л., 1962, с. 45).

Важной особенностью термоэмиссионного токосъема является независимость потерь в нем от скорости вращения якоря 8. Кроме того, если анод охлаждать, то возможно получение прироста, а не падение напряжения в таком скользящем/контакте (см. , например, Рогинский В.Ю. Современные источники питания, Энергия, 1969, с.53 - 59)
Для обеспечения неизменности принятого расположения катодов и анодов в зарядном и разрядном циклах принят электромагнитный способ создания рабочего магнитного потока Ф, полярность которого в этом случае легко изменить направлением тока в обмотке возбуждения 10, т.е. режим работы (зарядный или разрядный) при неизменном направлении вращения якоря 8 определяется направлением регулируемого в широких пределах тока в обмотке возбуждения 10.

Питание якоря 8 постоянным или переменным (бесконтактный токосъем работает выпрямителем при постоянном потенциале управляющей сетки 12) током через вывод 2 периферийного токосъема и вывод 3 центрального токосъема (поверхность А) при наличии накала катодов и магнитного потока возбуждения обусловит по закону электромагнитных сил разгон ротора и накопление энергии в маховике 7.

Дежурный режим характеризуется отключением нагрева катодов периферийного и центрального токосъемов и снятием тока возбуждения. При этом все виды потерь в КАЭЭ будут отсутствовать, что обеспечит необходимую длительность хранения энергии.

Возобновление питания нагреваемых катодов, управляющей сетки 12 и перемена направления тока в обмотке возбуждения 10 обусловят разрядный режим работы КАЭЭ.

При этом ЭДС, развиваемая униполярным генератором, будет равна т.е. пропорциональна скорости вращения якоря 8 и пронизывающего его магнитного потока, а характер и величина управляющего потенциала сетки по нелинейному закону обусловит характер и величину выходного напряжения.

Несмотря на то, что в принципе ограничений в получении нужной единичной мощности и энергоемкости нет, в общем случае описанную конструкцию надо рассматривать как элемент, последовательно-параллельное соединение которых позволит получить любой диапазон по энергоемкости, напряжению, току и, следовательно, мощности.

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики, позволяет повысить технико-экономические показатели преобразования энергии и обеспечить гарантированное энергоснабжение потребителей. Отличительной особенностью предложения является, то что в герметичном корпусе, в котором создан глубокий вакуум, на радиально-осевой самоцентрирующей с ограничителями осевого и радиального перемещения магнитной опоре, служающей одновременно ступицей ободкового супермаховика, навитого и высокопрочных нитей, установлен вертикально явнополюсный якорь дисковой униполярной машины электромагнитного возбуждения с центральным и периферийным термоэлетромиссионными управляемыми токосъемами. При этом самооцентровка ротора обеспечивается конусообразной формой магнитной опоры, ограничители осевого и радиального перемещения выполнен в виде опорно-упорных подшипников на основе твердых самосмазывающих материалов, анод центрального термоэмиссионного токосъема охлаждаем, а нагреваемые катоды с сеточными управлением периферийных токосъемов и катушка возбуждения разделены охлаждаемым экраном. Указанное конструктивное исполнение обеспечивает режимы зарядки и разрядки, а также необходимую длительность хранения энергии в дежурном режиме при максимальных показателях удельной энергоемкости и экономичности. 1 ил.

Кинетический аккумулятор электрической энергии преимущественно для систем электроснабжения потребителей, содержащий корпус, маховиковый накопитель энергии, зарядно-разрядный электромагнитный орган и систему управления режимами работы, отличающийся тем, что в герметичном корпусе, в котором создан глубокий вакуум, на радиально-осевой самоцентрирующей с ограничителями осевого и радиального перемещения магнитной опоре, служащей одновременно ступицей ободкового супермаховика, навитого из высокопрочных нитей, установлен вертикально явнополюсный якорь дисковой униполярной машины электромагнитного возбуждения с центральным и переферийными термоэмиссионными управляемыми токосъемами, при этом самоцентровка ротора обеспечивается конусообразной формой магнитной опоры, ограничители осевого и радиального перемещения выполнены в виде опорно-упорных подшипников на основе твердых самосмазывающихся материалов, анод центрального термоэмиссионного токосъема охлаждаем, а нагреваемые катоды с сеточным управлением переферийных токосъемов и катушка возбуждения разделены охлаждаемым экраном.