ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ РЕКУПЕРАТИВНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК H02K7/02 F16H33/02 H02K51/00 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при аккумулировании и преобразовании энергии.

Известен электромаховичный аккумулятор. См. авторское свидетельство СССР 544049, кл. Н 02 К 7 /02, 1977 г. Устройство содержит статор и наружный ротор, снабженный витым ободом из магнитопроводящего материала, балластом, контактирующим с внутренними витками обода, ступицей, в которой укреплен обод, короткозамкнутой обмоткой. Балласт выполнен в виде радиально намагниченных магнитов, распределенных на внутренней поверхности ротора и установленных в прорезях ступицы с чередующейся полярностью.

Недостатком данного аккумулятора является возможность отдачи только механической энергии.

Известен также рекуперативный тормоз. См. авторское свидетельство СССР 171607, Кл. 47 h, 23, F 16 H 33/02, 1977г. Устройство содержит маховик с механическим приводом с переменным передаточным отношением, выполненным в виде дифференцированного кассетного блока с гибкой металлической или неметаллической лентой, снабженного предохранительным устройством, с двумя механизмами реверса, каждый из которых снабжен обгонной муфтой, муфтой включения и упругими муфтами.

Недостатком данного устройства является непрерывное изменение передаточного отношения при передаче энергии маховику и при отборе от него.

Другим недостатком является сложность и ненадежность конструкции.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является аккумулятор электромеханической энергии. См. авторское свидетельство СССР 1126746, кл. F 16 Н 33/02, 1985г. Устройство содержит двигатель-генератор, включающий ротор, статор и маховик, заключенный в герметичный кожух, снабжен тормозом, размещенным на кожухе, последний установлен с возможностью вращения, а статор расположен на внутренней поверхности кожуха.

Недостатком данного аккумулятора является невозможность плавного подключения вращающегося с большой скоростью маховика к валу отбора мощности.

Задача настоящего изобретения состоит в создании многофункционального электромеханического устройства, позволяющего управлять процессами накопления и передачи механической энергии, и для преобразования одного вида энергии в другой.

Поставленная задача достигается тем, что в электромеханическом рекуперативном преобразователе, содержащем корпус, размещенные в нем ведущий и ведомый валы, не менее 3 установленных последовательно преобразующих механизмов, образованных зубчатыми передачами с переменным передаточным отношением и массивными звеньями, имеющими кинематические и электромагнитные связи, согласно изобретению, установленные последовательно преобразующие механизмы выполнены в виде дифференциального механизма с некруглым центральным колесом, имеющего преобладающее отрицательное переменное передаточное отношение при остановленном некруглом центральном колесе, два выходных вала, один из которых жестко связан с некруглым центральным колесом и является ведомым, а второй выходной вал выполнен составным и образован не менее чем 3 полыми коаксиальными валами, жестко связанными с зубчатыми колесами, образующими составное центральное колесо, водило, жестко связанное с ведущим валом и несущее оси сателлитов, находящихся в зацеплении с некруглым и составным центральными колесами и обеспечивающих кинематическую связь каждого коаксиального вала с ведомым валом, массивные звенья выполнены в виде электромагнитов, якори и катушки которых жестко закреплены на своих коаксиальных валах, образующих составной выходной вал, на коаксиальных валах закреплены контактные кольца, изолированные электрически друг от друга, от коаксиальных валов и связанные электрически с катушками электромагнитов, при этом преобразователь снабжен датчиками положений сателлитов относительно некруглого центрального колеса, вырабатывающими сигнальные импульсы электрического тока, а электромагниты управляются импульсами электрического тока, подаваемыми синхронно в соответствии фазовым положениям сателлитов относительно некруглого центрального колеса в соответствующую катушку электромагнита в зависимости от необходимого режима работы преобразователя.

Импульсы электрического тока подаются в катушки электромагнитов через скользящие контакты и контактные кольца от блока питания, управляемого сигнальными импульсами электрического тока, вырабатываемыми датчиками положений сателлитов относительно некруглого центрального колеса дифференциального механизма.

Водило дифференциального механизма выполнено массивным и служит накопителем механической энергии.

Такое конструктивное выполнение электромеханического рекуперативного преобразователя обеспечит достижение заданного технического результата за счет соответствующих кинематических связей трех выходных валов дифференциального механизма с управляемыми массивными звеньями, применения массивного водила для накопления механической энергии и передачи ее ведомому валу. Применение узла синхронизации и блока питания позволяет изменять режим работы устройства, передавать механическую энергию массивному водилу от ведущего или ведомого вала, или наоборот, а также использовать импульсы электрического тока, возникающие при изменении индуктивностей катушек электромагнитов, в электрическом накопителе.

Для пояснения изобретения ниже приводится конкретный пример выполнения изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 изображена кинематическая схема электромеханического рекуперативного преобразователя с минимальным количеством коаксиальных валов, равным трем;
на фиг. 2 изображена схема положений начальных окружностей двух сателлитов, жестко закрепленных на одной оси, относительно некруглого центрального колеса и зубчатого колеса, входящего в составное центральное колесо в 2-х экстремальных положениях.

на фиг. 3 изображена схема положений начальных окружностей сателлитов относительно некруглого и составного центральных колес (соответствует расположению осей сателлитов на водиле) в произвольном положении;
на фиг.4 изображен поперечный разрез электромагнитов;
на фиг. 5 изображены схематично по позициям положения сателлитов (соответствуют поворотам водила на 45^o) и соответствующие им положения катушек и общего якоря.

Электромеханический рекуперативный преобразователь (фиг.1) состоит из стоек 10 и 11, расположенных соосно, установленных в них подвижно коаксиальных валов 5.1, 5.2, и 5.3, жестко связанных с зубчатыми колесами 4.1, 4.2 и 4.3, образующими составное центральное колесо 4, ведущего вала 7, жестко связанного с массивным водилом В, ведомого вала 9, жестко связанного с некруглым колесом 1. На водиле В подвижно установлены оси 8.1, 8.2 и 8.3 с жестко закрепленными сателлитами 2.1 и 3.1, 2.2 и 3.2, 2.3 и 3.3 (ось 8.3 с жестко закрепленными сателлитами 2.3 и 3.3 условно не показаны). На коаксиальном валу 5.2 жестко закреплен общий для 2-х катушек якорь 6.2 двустороннего действия, выполненный в виде сектора кольца прямоугольного сечения и помещенный с зазорами в катушки электромагнитов 6.1 и 6.3, имеющие каркасы также изогнутой по радиусам формы и закрепленные на коаксиальных валах 5.1 и 5.3. На этих же валах закреплены контактные кольца 12.1 и 12.2, изолированные электрически друг от друга и от валов и связанные электрически с катушками 6.1 и 6.3. На ведомом валу 9 и водиле В установлены датчики положений сателлитов относительно некруглого центрального колеса 14, 15 и 17. Устройство содержит блок питания 18, подключенный входом к датчикам положений скользящими контактами 16 (или бесконтактно) и выходом к катушкам электромагнитов скользящими контактами 13.1 и 13.2.

Устройство работает следующим образом.

В режиме преобразования механической энергии в электрическую вращение ведущего вала 7, жестко связанного с водилом В, сообщает через оси 8.1, 8.2 и 8.3 с закрепленными на них сателлитами 2.1 и 3.1, 2.2 и 3.2, 2.3 и 3.3 движение обкатывания последними зубчатых колес 1 и 4.1, 4.2, 4.3, образующих составное центральное колесо 4 (фиг.1). Центральное колесо 1, установленное на ведомом валу 9 со смещением и имеющее некруглую форму, находится в неподвижном состоянии при начале движения или вследствие сил сопротивления от действия нагрузки. Сателлиты 2.1, 2.2, 2.3, сопряженные с ним, имеют круглую форму и установлены эксцентрично относительно своих осей вращения. Движение обкатывания ими некруглого центрального колеса вызывает их радиальные биения и, как следствие, неравномерное вращение осей 8.1, 8.2, 8.3, которое передается сателлитами 3.1, 3.2, 3.3 зубчатым колесам 4.1, 4.2, 4.3 и через коаксиальные валы 5.1, 5.2, 5.3 катушкам 6.1, 6.3 и якорю 6.2. Передаточное отношение между некруглым и составным центральными колесами за каждый оборот водила меняется от выбранного значения (определяется соотношением чисел зубьев составного центрального колеса и находящихся в зацеплении с ним сателлитов) до равного или близкого единице. Неравномерное вращение каждого коаксиального вала с закрепленными на них зубчатыми колесами и электромагнитами при отрицательном передаточном отношении происходит в направлении, противоположном вращению водила с фазовым сдвигом импульсов вращения 90^o, определяемым положением на водиле В осей 8.1, 8.2, 8.3 с закрепленными на них сателлитами 2.1 и 3.1, 2.2 и 3.2, 2.3 и 3.3 (см. фиг.3), и вызывает импульсы крутящих моментов от возникающих тангенциальных сил инерции. Величина этих импульсов зависит в основном от маховых моментов якоря и катушек электромагнитов, угловой скорости водила, величины смещения зубчатых колес, диапазона изменения передаточного отношения и КПД дифференциального механизма. При передаточном отношении, равном или близком единице, происходит выравнивание скоростей выходных валов дифференциального механизма.

На фиг.2 изображена схема положений начальных окружностей сателлитов 2.1 и 3.1 относительно начальных окружностей некруглого центрального колеса 1 и зубчатого колеса 4.1, входящего в составное центральное колесо 4 с двумя экстремальными положениями. Мгновенное значение передаточного отношения для верхнего по схеме положения при ω₁ = 0 и имеющего параметры
R₃=R'₂; R'₁=R₄; R'₂-R₂=R₁-R'₁=e
определяется по формуле

где е - смещение некруглого центрального колеса и сопряженных с ним сателлитов;
ω₁, ω_в, ω₄ - угловые скорости соответственно некруглого центрального колеса 1, водила В и зубчатого колеса 4.1;
R'₁, R'₂ - мгновенные значения радиусов начальных окружностей некруглого центрального колеса 1 и эксцентричного сателлита 2.1 в точке их соприкосновения;
R₃, R₄ - радиусы начальных окружностей сателлита 3.1 и зубчатого колеса 4.1.

Для этого положения соотношение


т.е. скорость зубчатого колеса 4.1 ω₄ = 0.
В случае вращения некруглого центрального колеса 1 это соответствует равенству скоростей некруглого центрального колеса 1 и зубчатого колеса 4.1, входящего в составное центральное колесо 4.

Поворот водила на угол α=180^o из верхнего положения сопровождается изменением мгновенных значений радиусов эксцентричного сателлита 2.1 и некруглого центрального колеса 1: R₃- R'₂=R'₁-R₄=Δ₂ = 2e;
соотношение

- соответствует максимальной скорости вращения зубчатого колеса 4.1 с отрицательным знаком, т. е. направления вращения водила и колеса 4.1 различны. Поворот водила из верхнего положения в нижнее вызывает ускоренное вращение зубчатого колеса 4.1 с отрицательным знаком до максимального значения в нижнем по схеме положении (участок ускорения), а из нижнего в верхнее - с замедлением (участок замедления) до выравнивания скоростей некруглого центрального колеса 1 и зубчатого колеса 4.1.

На фиг.3 изображена схема расположения начальных окружностей сателлитов 2.1 и 3.1, 2.2 и 3.2, 2.3 и 3.3 относительно начальных окружностей некруглого центрального колеса 1 и составного центрального колеса 4, которая соответствует расположению осей 8.1, 8.2, 8.3 (фиг.1) на водиле В. Движение сателлитов 2.2 и 3.2, 2.3 и 3.3 (см. фиг.3) относительно некруглого центрального колеса 1 и составного центрального колеса 4 происходит аналогично. На участках ускорения неравномерное вращение сателлитов, колес 4.1, 4.2, 4.3 и связанных с ними якоря и катушек электромагнитов, имеющих одинаковые маховые моменты, вызывает реактивные импульсы крутящих моментов, которые передаются через зацепления дифференциального механизма некруглому центральному колесу 1 и ведомому валу 9. Переход сателлитов на участок замедления сопровождается изменением знака импульса крутящего момента на противоположный. В дифференциальном механизме этот импульс распределяется между водилом, направление вращения которого совпадает с направлением приходящей на него через оси сателлитов части этого импульса, и ведомым валом, имеющим противоположное направление вращения. Соотношение частей, приходящих на водило и ведомый вал, кроме вышеперечисленных факторов, зависит также от махового момента водила. Прохождение сателлитами верхнего на схеме 2 участка соответствует очень большим значениям передаточных отношений при очень низком КПД (менее 0,01), и дифференциальный механизм может рассматриваться как приведенный, т.е. механизм с остановленным водилом. Оставшаяся часть импульса приходит на некруглое центральное колесо, где происходит сложение всех импульсов крутящих моментов. В результате на ведомый вал действуют импульсы крутящих моментов одного знака.

Неравномерное вращение катушек и якоря электромагнитов связано с изменением их угловых положений относительно друг друга. Якорь электромагнита 6.2 двустороннего действия, выполненный в виде сектора кольца (фиг.4) прямоугольного сечения, помещен в катушки 6.1 и 6.3. Во время работы преобразователя происходит непрерывное изменение зазоров Δ₁ и Δ₂ между якорем 6.2 и сердечниками 19 и 20 катушек, связанное с изменением их индуктивностей и наведением в них ЭДС, которую можно использовать для накопления электрической энергии.

Увеличение скорости вращения водила вызывает увеличение импульсов крутящих моментов пропорционально квадрату скорости и повышение наведенной ЭДС в катушках электромагнитов. Превышение импульсами крутящих моментов момента сопротивления на валу вызовет его вращение. Дальнейшее увеличение скорости вращения водила приводит к большему распределению крутящего момента от водила к ведомому валу и увеличению скорости его вращения. За каждый оборот водила происходит выравнивание скоростей обоих выходных валов дифференциального механизма, что приводит к непрерывному увеличению их средних скоростей вращения в направлении вращения водила.

В этом режиме работы преобразователя крутящий момент от водила В распределяется в дифференциальном механизме между двумя выходными валами ведомым валом с приложенным к нему моментом сопротивления от действия нагрузки и составным выходным валом, жестко связанным с катушками и якорем электромагнитов, выполняющими две функции: функцию, аналогичную функции массивных звеньев инерционного автоматического импульсивного вариатора, работающего на принципе использования тангенциальных сил инерции, и функцию генератора электрических импульсов.

На фиг. 5 схематично показаны по позициям положения катушек 6.1, 6.3 и якоря 6.2 относительно друг друга и изменение зазоров Δ₁ и Δ₂ при обкатывании сателлитами 2.1, 2.2, 2.3 некруглого центрального колеса 1. Положение сателлитов изменяется к каждой следующей позиции на 45^o. Стрелками показаны направления вращений сателлитов и электромагнитов относительно некруглого центрального колеса.

В режиме накопления механической энергии от ведущего вала при ω₁ = const производится подача импульсов электрического тока синхронно определенным положениям сателлитов относительно некруглого центрального колеса 1 в катушки электромагнитов с учетом времени нарастания электрического тока в индуктивностях и магнитных свойств материала якоря. Управление моментом подачи импульса осуществляется датчиками положений сателлитов 14 и 15 (фиг.1) и блоком питания 18, на вход которого приходит сигнальный импульс через скользящие контакты 16 (или бесконтактно). В таблице показаны номера позиций и катушек электромагнитов, в которых действуют импульсы электрического тока для рассматриваемого режима работы устройства.

Под действием электромагнитных сил притяжения между катушками и якорем электромагнитов на коаксиальных валах 5.1, 5.2, 5.3 возникают импульсы крутящих моментов, снижающие моменты сопротивления от действия сил инерции на составном выходном валу, что соответствует уменьшению маховых моментов катушек и якоря электромагнитов. В результате снижения нагрузки возрастает скорость вращения водила при постоянной скорости вращения или при неподвижном состоянии ведомого вала. Максимальный крутящий момент, действующий на водило от сил электромагнитного притяжения между катушками и якорем, соответствует положению сателлитов на фиг.5, поз.7. В этом положении сателлит 2.1 находится на участке зацепления, соответствующего максимальному значению передаточного отношения при наименьших значениях скорости вращения катушки 6.1, связанной с ним, и КПД дифференциального механизма. Сателлит 2.2 находится на участке замедления, и связанный с ним якорь 6.2 приближается к сердечнику катушки 6.1, уменьшая зазор Δ₂ к поз.8 до минимального и увеличивая до максимального значение магнитной индукции и силу втягивания якоря. Крутящий момент, передаваемый водилу, однако, очень мал из-за очень низкого КПД. Сателлит 2.3 переходит на участок замедления при наибольшем КПД механизма, и катушка 6.3, связанная с ним, притягиваясь к якорю 6.2, создает наибольший крутящий момент на водиле В, увеличивающий скорость его вращения.

В режиме передачи механической энергии от водила ведомому валу подача импульсов электрического тока производится в катушки при увеличивающихся зазорах Δ₁ и Δ₂, что перераспределяет крутящий момент от водила между двумя выходными валами дифференциального механизма к ведомому валу. Максимальный крутящий момент от действия электромагнитных сил для данного режима работы соответствует положению на фиг.5 поз.3.

В режиме передачи механической энергии от ведомого вала водилу (режим рекуперации механической энергии) подача импульсов электрического тока производится, как и в режиме передачи механической энергии, от водила ведомому валу. Крутящий момент от ведомого вала передается водилу, имеющему такое же направление вращения, и составному выходному валу, скорость и направления вращения которых относительно друг друга зависят от величин электромагнитного взаимодействия якоря 6.2 и катушек 6.1 и 6.3.

В режиме преобразования электрической энергии в механическую закрепляется выходной вал 9, а ведомым становится вал 7, жестко связанный с водилом В. В этом случае дифференциальный механизм превращается в планетарный. Импульсы электрического тока подаются, как и в режиме накопления механической энергии, от ведущего вала (см. выше). Для работы устройства в этом режиме необходима предварительная раскрутка вала 7 и связанного с ним водила до определенной скорости вращения, после чего происходит переход в режим работы от электрических импульсов тока.

Повышение равномерности крутящих моментов от действия электромагнитных сил связано с увеличением числа электромагнитов при незначительном усложнении преобразующего дифференциального механизма (увеличивается число коаксиальных валов, образующих составной выходной вал, и добавляются кинематические связи).

Изобретение относится к области электротехники и машиностроения и может быть использовано при аккумулировании и преобразовании энергии. Техническим результатом изобретения является создание многофункционального электромеханического устройства, позволяющего управлять процессами накопления и передачи механической энергии, и для преобразования одного вида энергии в другой. Сущность изобретения состоит в том, что преобразователь содержит корпус, размещенные в нем ведущий и ведомый валы, не менее 3 установленных последовательно преобразующих механизмов, выполненных в виде дифференциального механизма с некруглым центральным колесом, имеющего преобладающее отрицательное переменное передаточное отношение при остановленном некруглом центральном колесе, два выходных вала, один из которых жестко связан с некруглым центральным колесом и является ведомым, а второй выходной вал выполнен составным и образован не менее чем 3 полыми коаксиальными валами, жестко связанными с зубчатыми колесами, образующими составное центральное колесо, водило, жестко связанное с ведущим валом и несущее оси 2-рядных сателлитов, находящихся в зацеплении с центральными колесами и обеспечивающих кинематическую связь каждого коаксиального вала с ведомым валом. Массивные звенья выполнены в виде электромагнитов, якори и катушки которых жестко закреплены на своих коаксиальных валах, образующих составной выходной вал. На коаксиальных валах закреплены контактные кольца, изолированные электрически друг от друга и от коаксиальных валов и связанные электрически с катушками электромагнитов. Преобразователь снабжен датчиками положений сателлитов относительно некруглого центрального колеса, вырабатывающими сигнальные импульсы электрического тока, а электромагниты управляются импульсами электрического тока, подаваемыми синхронно фазовым положениям сателлитов относительно некруглого центрального колеса в соответствующую катушку электромагнита в зависимости от режима работы преобразователя. 2 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Электромеханический рекуперативный преобразователь, содержащий корпус, размещенные в нем ведущий и ведомый валы, не менее 3 установленных последовательно преобразующих механизмов, образованных зубчатыми передачами с переменным передаточным отношением и массивными звеньями, имеющими кинематические и электромагнитные связи, отличающийся тем, что установленные последовательно преобразующие механизмы выполнены в виде дифференциального механизма с некруглым центральным колесом, имеющего преобладающее отрицательное переменное передаточное отношение при остановленном некруглом центральном колесе, два выходных вала, один из которых жестко связан с некруглым центральным колесом и является ведомым, а второй выходной вал выполнен составным и образован не менее чем 3 полыми коаксиальными валами, жестко связанными с зубчатыми колесами, образующими составное центральное колесо, водило, жестко связанное с ведущим валом и несущее оси сателлитов, находящихся в зацеплении с некруглым и составным центральными колесами и обеспечивающих кинематическую связь каждого коаксиального вала с ведомым валом, массивные звенья выполнены в виде электромагнитов, якори и катушки которых жестко закреплены на своих коаксиальных валах, образующих составной выходной вал, на коаксиальных валах закреплены контактные кольца, изолированные электрически друг от друга и от коаксиальных валов, и связанные электрически с катушками электромагнитов, при этом преобразователь снабжен датчиками положений сателлитов относительно некруглого центрального колеса, вырабатывающими сигнальные импульсы электрического тока, а электромагниты управляются импульсами электрического тока, подаваемыми синхронно фазовым положениям сателлитов относительно некруглого центрального колеса в соответствующую катушку в зависимости от режима работы преобразователя. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что импульсы электрического тока подаются в катушки электромагнитов через скользящие контакты и контактные кольца от блока питания, управляемого сигнальными импульсами электрического тока, вырабатываемыми датчиками положений сателлитов относительно некруглого центрального колеса дифференциального механизма. 3. Преобразователь по п. 1 или 2, отличающийся тем, что водило дифференциального механизма выполнено массивным и служит накопителем механической энергии.