МЕХАНИЧЕСКИЙ АККУМУЛЯТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2005 года по МПК H02J15/00 H02K7/02 

Изобретение относится к источникам электрической энергии и может применяться для питания различных электроустройств электрической энергией.

Механический аккумулятор электроэнергии (в дальнейшем устройство) представляет собой электромашину переменного или постоянного тока, отличающуюся от обычной электромашины наличием массивного маховика, выполняющего функции ротора и способного благодаря большой массе накапливать механическую энергию.

Наиболее близким к предложенному устройству по техническому существу является механический аккумулятор электрической энергии, выполненный в виде электрической машины, содержащей корпус, в котором создана вакуумная среда, внутри корпуса установлен на валу массивный металлический ротор, статор с тремя статорными обмотками и обмотки возбуждения (см. SU, а.с. 1781777, 1992).

Недостатком этого устройства являются низкие энергетические показатели.

Техническим результатом, достигаемым в предложенном изобретении, является повышение энергетических показателей.

Технический результат достигается за счет того, что в механическом аккумуляторе электрической энергии, выполненном в виде электрической машины, содержащей корпус, в котором установлены статор со статорными катушками, катушки возбуждения и расположенный на валу массивный металлический ротор, отличающийся тем, что статорные обмотки, сердечники которых прикреплены к корпусу, расположены по окружности, в центре которой установлен массивный ротор из однородного металла, обладающего магнитными свойствами, состоящий из двух расположенных по окружности напротив друг друга магнитных полюсов и двух выступов, выполненных на торцах ротора, на которых расположены катушки возбуждения, экранированные и неподвижно прикрепленные к крышкам корпуса. Кроме того, внутри корпуса может быть создана вакуумная среда; вал ротора может быть подвешен на магнитных подшипниках, а каждая статорная катушка может быть выполнена из рабочей обмотки и генераторной обмотки с увеличенным сечением провода относительно рабочей обмотки. Кроме того, с внешней стороны одной из крышек могут быть расположены магнитные датчики по числу статорных катушек, контролирующие положение магнитных полюсов ротора относительно статорных катушек, а в торце соответствующего выступа ротора - постоянные магниты, изолированные от ротора, а аккумулятор может быть подключен к внешнему источнику постоянного тока через разъемы, соединенные со входами первого и второго преобразователей постоянного тока в трехфазный переменный, управляющие входы которых соединены с выходами магнитных датчиков, выходы первого преобразователя соединены с генераторными обмотками, а выходы второго преобразователя - с рабочими обмотками статорных катушек и входами выпрямителя, выходы которого связаны с нагрузкой и через регулятор напряжения с катушками возбуждения.

Так же как и в обычной электромашине, ротор-маховик вращается в центре расположенных по окружности трех статорных катушек, сердечники которых прикреплены к корпусу устройства. Генераторные обмотки для ускоренной зарядки изготавливаются из провода большого сечения, по сравнению с рабочими обмотками, что позволит увеличить зарядный ток и приведет к сокращению времени, необходимого для заряда устройства. Процесс заряда устройства происходит методом преобразования электрической энергии в механическую энергию вращения ротора-маховика, при этом работа устройства аналогична работе электродвигателя. Массивный ротор-маховик, разгоняясь до огромной скорости вращения, накапливает большое количество механической энергии, которая в дальнейшем постепенно преобразуется в электрическую и используется для питания различных электроустройств, при этом работа устройства аналогична работе электрогенератора.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 показано устройство механического аккумулятора электроэнергии в осевом сечении; на фиг.2 - то же, в поперечном сечении. На фиг.3 показано устройство ротора-маховика, вид спереди; на фиг.4 - то же, вид сбоку, на фиг.5 - электрическая блок-схема.

Принятые обозначения:

1 - Передняя крышка.

2 - Массивный металлический ротор.

3 - Катушки возбуждения.

4 - Магнитопроводный экран.

5 - Статорные катушки.

6 - Сердечники статорных катушек.

7 - Корпус устройства.

8 - Магнитные полюса ротора.

9 - Герметичное соединение.

10 - Задняя крышка.

11 - Постоянные магниты.

12 - Магнитный датчик.

13 - Магнитоизоляторы.

14 - Магнитные подшипники.

15 - Вал ротора.

16 - Внутренняя полость.

17 - Места расположения магнитных датчиков.

18 - Сквозной канал вала ротора.

19 - Сквозные каналы корпуса ротора.

20 - Цилиндрообразные выступы ротора.

21 - Внешний источник тока.

22 - Преобразователь тока для ускоренной зарядки.

23 - Преобразователь тока для медленной зарядки.

24 - Генераторные обмотки статорных катушек для ускоренной зарядки.

25 - Рабочие обмотки статорных катушек.

26 - Выпрямитель тока.

27 - Регулятор напряжения.

28 - Нагрузка - внешний потребитель.

Описание конструкции устройства

Главной частью устройства является массивный ротор 2 (фиг.1, 2), изготавливаемый целиком из однородного металла, обладающим магнитными свойствами. Ротор 2 состоит из двух расположенных по окружности напротив друг друга магнитных полюсов 8 (см. также фиг.3, 4) и двух цилиндрообразных выступов 20, расположенных с торцов корпуса ротора 2, выполняющие функции вращающихся сердечников катушек 3 возбуждения, в целях уменьшения трения вал 15 ротора подвешивается на магнитных подшипниках 14 к передней и задней крышкам 1 и 10. Сквозные каналы 18 вала и 19 корпуса ротора 2 служат для уменьшения массы ротора 2. С противоположных торцов ротора 2 находятся две катушки 3 возбуждения, экранизированные магнитопроводным экраном 4 и неподвижно прикрепленные к крышкам 1 и 10. Ротор 2 находится в центре расположенных по окружности трех статорных катушек 5, сердечники 6 которых прикреплены к корпусу 7 устройства. Статорные катушки 5 состоят из двух обмоток: рабочей обмотки и генераторной обмотки для ускоренной зарядки с увеличенным сечением провода по сравнению с рабочей обмоткой. С внешней стороны задней крышки 10 располагаются три магнитных датчика 12, контролирующие положение магнитных полюсов 8 ротора относительно статорных катушек 5 (места 17 расположения датчиков 12 показаны на фиг.2). Для оповещения датчиков 12 о положении магнитных полюсов 8 ротора служат постоянные магниты 11, находящиеся в торце цилиндрообразного выступа 20 ротора и изолированные от него магнитоизоляторами 13. Передняя и задняя торцевые крышки 1 и 10 герметично соединены с цилиндрическим корпусом 7 устройства, и во внутренней полости 16 корпуса 7 создана вакуумная среда.

Описание работы устройства

Работа устройства осуществляется в двух режимах: в режиме заряда (медленного или ускоренного) электрическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения ротора, в режиме разряда (рабочий режим) механическая энергия преобразуется в электрическую.

В режиме заряда (ускоренного) с внешнего источника 21 тока постоянный ток небольшой мощности поступает на преобразователь 23 тока для медленной зарядки, а ток большой мощности поступает на преобразователь 22 тока для ускоренной зарядки, где он преобразуется в переменный трехфазный ток с частотой колебания, равной частоте вращения ротора 2. Частота вращения ротора 2 контролируется тремя датчиками 12, которые посылают цифровые сигналы, частотой равные частоте вращения ротора 2, на схемы преобразователей 22 и 23 тока, вследствие этого на выводах преобразователей 22 и 23 тока возникает трехфазный переменный ток точно такой же частоты, который поступает соответственно на обмотки 24 и 25 трех статорных катушек, создавая на статоре 6 вращающееся магнитное поле. Также с преобразователя 23 тока через выпрямитель 26 тока выпрямленный ток поступает к внешним потребителям тока 28 и через регулятор 27 напряжение поступает на катушки 3 возбуждения, тем самым, намагничивая магнитные полюса 8 ротора. При этом вращающееся магнитное поле статора 6, взаимодействуя с магнитными полюсами 8 ротора, заставляет последний вращаться с увеличивающейся частотой. При достижении нужной частоты вращения внешний источник 21 тока отключается, и заряд устройства прекращается. В случае если внешний источник 21 тока не позволяет развить необходимую мощность для осуществления ускоренного заряда, производится медленный заряд, при этом подключается только преобразователь 23 тока для медленного заряда, а преобразователь 22 тока и обмотки 24 статорных катушек 5 не задействованы.

Для перевода устройства в режим разряда (рабочий режим) необходимо отключить внешний источник 21 тока от преобразователей 22 и 23 тока, это приведет к прекращению подачи тока с преобразователей 22 и 23. При вращении ротора 2 намагниченные полюса 8 ротора проходят около сердечников 6 статорных катушек, наводя в рабочих обмотках 25 статорных катушек 5 индукционные токи большой величины (при рабочем режиме генераторные обмотки 24 статорных катушек не задействованы), которые поступают через выпрямитель 26 тока на внешние потребители 28 тока и на катушки 3 возбуждения, тем самым, намагничивая магнитные полюса 8 ротора. Для поддержания заданного напряжения индукционного тока в сети в схеме имеется регулятор 27 напряжения, который, управляя током, проходящим через катушки 3 возбуждения, поддерживает рабочее напряжение в сети.

При работе устройства в режиме разряда механическая энергия, накопленная ротором-маховиком 2, постепенно преобразуется в электрическую энергию и используется для питания внешних потребителей 28. При этом скорость вращения ротора-маховика постепенно будет уменьшаться, и по достижении минимальной величины возникает необходимость в зарядке устройства.

Изобретение относится к источникам энергии для электромобилей, электробусов и т.д. Техническим результатом является повышение энергетических показателей. Механический аккумулятор электрической энергии представляет собой электрическую машину, содержащую корпус, в котором установлены статор со статорными катушками, катушки возбуждения и расположенный на валу массивный металлический ротор. Статорные обмотки, сердечники которых прикреплены к корпусу, расположены по окружности, в центре которой установлен массивный ротор из однородного металла, обладающего магнитными свойствами. Ротор состоит из двух расположенных по окружности напротив друг друга магнитных полюсов, и двух выступов, выполненных на торцах ротора. На выступах расположены катушки возбуждения, экранированные и неподвижно прикрепленные к крышкам корпуса. С внешней стороны одной из крышек расположены магнитные датчики, контролирующие положение магнитных полюсов ротора относительно статорных катушек, а в торце соответствующего выступа ротора установлены постоянные магниты, изолированные от ротора. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Механический аккумулятор электрической энергии, выполненный в виде электрической машины, содержащей корпус, в котором установлены статор со статорными катушками, катушки возбуждения и расположенный на валу массивный металлический ротор, отличающийся тем, что статорные катушки, сердечники которых прикреплены к корпусу, расположены по окружности, в центре которой установлен массивный ротор из металла, обладающего магнитными свойствами, состоящий из двух расположенных по окружности напротив друг друга магнитных полюсов, и двух выступов, выполненных на торцах ротора, на которых расположены катушки возбуждения, экранированные магнитопроводным экраном и неподвижно прикрепленные к крышкам корпуса.2. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что внутри корпуса создана вакуумная среда.3. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что вал ротора подвешен на магнитных подшипниках.4. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что каждая статорная катушка выполнена из рабочей обмотки и генераторной обмотки с увеличенным сечением провода относительно рабочей обмотки.5. Аккумулятор по п.4, отличающийся тем, что он снабжен магнитными датчиками по числу статорных катушек, установленными с внешней стороны одной из крышек корпуса с возможностью контроля положения магнитных полюсов ротора относительно статорных катушек, а на торце обращенного к указанным датчикам выступа ротора установлены постоянные магниты, а также он выполнен с возможностью подключения к внешнему источнику постоянного тока через разъемы, соединенные со входами первого и второго преобразователей постоянного тока в трехфазный переменный, управляющие входы которых соединены с выходами магнитных датчиков, выходы первого преобразователя соединены с генераторными обмотками, а выходы второго преобразователя - с рабочими обмотками статорных катушек и входами выпрямителя, выходы которого связаны с нагрузкой и через регулятор напряжения с катушками возбуждения.