СИСТЕМА ДЛЯ НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ Российский патент 2008 года по МПК H02K37/00 B60L11/12 

Область применения изобретения

Данное изобретение относится к системе для накопления энергии, которая предназначена для накопления и передачи мощности к приводу транспортного средства и от него. Данная система содержит накопитель энергии со статором, имеющим обмотку, и по меньшей мере одним ротором с устройством, создающим магнитный поток. Ротор соединен по меньшей мере с одним маховиком, предназначенным для накопления по меньшей мере в одной вращающейся массе энергии в виде кинетической энергии. Привод содержит электрический блок, а накопитель энергии выполнен с возможностью передачи энергии к указанному электрическому блоку и от него.

Предпосылки изобретения

Системы для накопления энергии, содержащие маховик, которому сообщается энергия от привода и который в результате служит в качестве источника энергии, например, для электродвигателя, применяются, в частности, в приводах, таких как трансмиссия транспортного средства. Однако существующие системы имеют ограничения, поскольку способность накапливать энергию ограничена многими факторами, например весом системы, требованиями надежности, наличием подходящих материалов, а также пригодностью соответствующих приводов для сообщения энергии маховику и отбора энергии от него. Известен накопитель энергии в трансмиссии гибридного транспортного средства, которым, например, может быть аккумулятор и/или топливный бак, электродвигатель привода и/или двигатель внутреннего сгорания.

Для обеспечения возможности использования энергии при торможении транспортного средства, например автомобиля или поезда, требуется быстродействующая система, способная управлять передачей и накоплением больших мощностей. Чем сильнее торможение, тем большей мощностью должна быть способна управлять система для использования энергии.

В патенте США №5931249 показана известная система, предназначенная для накопления кинетической энергии. Устройство, описанное в данном документе, содержит маховик, предназначенный, соответственно, для накопления и подачи энергии, который объединен с электрическим блоком, работающим, соответственно, в качестве двигателя и генератора в зависимости от того, подается энергия к маховику или от него. При использовании данной системы в транспортном средстве это транспортное средство в короткие промежутки времени может приводиться в движение от маховика. Маховик вращается при высокой скорости в вакууме. При использовании описанной системы необходимы большие токи, что приводит к большим потерям при управлении большой мощностью. Поэтому известная система является не пригодной для больших мощностей.

Существующие в настоящее время аккумуляторы имеют ограничения в отношении энергии, которую они выдерживают. Это приводит к тому, что время зарядки транспортного средства, питаемого от аккумулятора, достигает, как правило, нескольких часов. Транспортное средство, которое питается от аккумулятора, можно приводить в движение только на ограниченной дистанции, после чего транспортное средство должно быть доставлено к заправочной станции, где в течение относительно длительного периода времени выполняется его подзарядка, прежде чем данное транспортное средство снова приобретает некоторый запас хода, обычно в пределах 100 км.

Сущность изобретения

Изобретение в соответствии с данной заявкой предназначено для создания системы для накопления энергии, которая предназначена для накопления и подачи энергии в привод транспортного средства с решением указанных выше проблем. Данная система содержит накопитель энергии, имеющий статор с двумя обмотками, и ротор с устройством, создающим магнитный поток. Первая обмотка статора рассчитана на низкое напряжение и предназначена для передачи энергии малой мощности, в то время как вторая обмотка рассчитана на высокое напряжение и предназначена для передачи большой мощности. Ротор соединен с маховиком, предназначенным для накопления кинетической энергии по меньшей мере в одной вращающейся массе. Система для накопления энергии выполнена с возможностью передачи энергии в обоих направлениях между накопителем энергии и электрическим блоком, входящим в состав привода. При выборе статора с высоковольтной обмоткой в системе возможна передача большой мощности в обоих направлениях. Благодаря этому обстоятельству система становится очень быстродействующей и способна управлять мощностью, которая развивается во время быстрых динамических процессов.

Под низким напряжением понимается напряжение ниже 380 В, а под высоким напряжением понимается напряжение, превышающее 380 В.

В предпочтительном варианте выполнения указанная первая обмотка выполнена с возможностью работы при напряжении в диапазоне 6-50 В.

В еще одном предпочтительном варианте выполнения указанная вторая обмотка выполнена с возможностью работы при напряжении в диапазоне 1-24 кВ.

В еще одном предпочтительном варианте выполнения по меньшей мере одна из указанных обмоток содержит проводник, окруженный первым полупроводниковым слоем, который затем окружен слоем закрепленной изоляции, а указанный первый слой закрепленной изоляции затем окружен вторым полупроводниковым слоем. Благодаря такому типу изоляционной системы обмотки возможна передача очень большой мощности.

В еще одном предпочтительном варианте выполнения в состав указанного привода входит накопитель энергии, который может быть аккумулятором, соединенным с электрическим блоком привода. Энергия может быть передана от одного накопителя энергии к другому накопителю энергии и наоборот. При расположении обмоток в статоре таким образом, что ими можно управлять совершенно независимо друг от друга, в любой момент времени в приводе возможно оптимальное использование аккумулятора для разрядки и подзарядки. Когда гибридное транспортное средство приводится в движение в состоянии, когда аккумулятор находится в рабочем режиме, то есть когда не используется двигатель транспортного средства, работающий на топливе, например, при движении автобуса в городской среде, быстроразвивающимися процессами, требующими высокой мощности, можно управлять посредством накопителя мощности/маховика, несмотря на то, что во время работы аккумулятора к приводу непрерывно подается энергия через аккумулятор транспортного средства. Таким образом, при быстрых и сильных торможениях энергия подается к маховику для накопления и поступает от него при возникновении необходимости в энергии, например, при изменениях вращающего момента или необходимости быстрого ускорения транспортного средства.

Кроме того, благодаря тому факту, что обе обмотки статора предназначены для работы, соответственно, при высоком и низком напряжении, система позволяет очень быстро подавать энергию к маховику и отводить ее от него посредством высоковольтной обмотки, в то время как подача и отвод энергии от аккумулятора осуществляются при соответствующем напряжении через низковольтную обмотку статора. Поскольку данные обмотки работают совершенно независимо друг от друга, то нагрузку аккумулятора можно настроить благоприятным образом для режима работы и срока службы аккумулятора. Далее, в любой момент времени аккумулятор может работать в свойственном ему режиме, в то время как быстрые и требующие энергию изменения в работе, например ускорения и сильные торможения, управляются посредством маховика и высоковольтной обмотки статора, что позволяет быстро передать энергию за очень короткое время к маховику системы и от нее.

В предпочтительном варианте выполнения маховик заряжается энергией, которая передается от внешнего источника. В питаемом от аккумулятора транспортном средстве за счет использования привода, содержащего предлагаемую систему для накопления энергии, аккумулятор транспортного средства может, с одной стороны, подзаряжаться обычным способом на заправочной станции, а, с другой стороны, маховик может в максимальной степени заряжаться энергией. Во время работы энергия, накопленная в маховике, может затем использоваться для движения транспортного средства, значительно увеличивая тем самым запас хода транспортного средства, или, в другом варианте, энергия может использоваться для непрерывной подзарядки аккумулятора транспортного средства. В таком случае аккумулятор может заряжаться непрерывно во время более длительного периода времени, при этом значительно укорачивается время простоя на заправочной станции.

В предпочтительном варианте выполнения указанное устройство, создающее магнитный поток в роторе, содержит постоянные магниты.

В другом предпочтительном варианте выполнения указанное устройство, создающее магнитный поток в роторе, содержит короткозамкнутую обмотку.

В еще одном предпочтительном варианте выполнения указанный ротор установлен на магнитных опорах.

В другом предпочтительном варианте выполнения ротор установлен и на магнитных опорах и на подшипниках скольжения.

В еще одном предпочтительном варианте выполнения намотка указанного статора выполнена с воздушным зазором.

В еще одном предпочтительном варианте выполнения указанный накопитель энергии выполнен с гироскопической подвеской. При выборе накопителя мощности с гироскопической подвеской характеристики привода транспортного средства будут затронуты лишь в небольшом объеме.

В еще одном предпочтительном варианте выполнения маховик содержит по меньшей мере две вращающиеся массы, которые расположены с возможностью вращения в противоположных направлениях по отношению друг к другу. При использовании масс, вращающихся в противоположных направлениях, силы, возникающие в системе при их вращении, сведены к минимуму.

В еще одном предпочтительном варианте выполнения ротор содержит первый сердечник, второй сердечник, а также третий сердечник. Первая обмотка расположена в воздушном зазоре между первым и вторым сердечниками, а вторая обмотка расположена в воздушном зазоре между вторым и третьим сердечниками. Благодаря такой конструкции первая и вторая обмотки изолированы друг от друга по магнитному потоку и, следовательно, могут работать совершенно независимо друг от друга.

Предлагаемая система может использоваться совместно с любым транспортным средством, например с автомобилем, поездом, самолетом, кораблем. Вышеописанная система имеет высокий коэффициент полезного действия, превышающий 90%, при этом она обладает быстродействием в диапазоне нескольких миллисекунд. Система компактна, надежна и долговечна, что является необходимым условием для ее использования в неблагоприятных окружающих условиях, которые являются обычными для большинства типов транспортных средств. Система способна создавать и поглощать большие мощности.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 изображает привод транспортного средства, содержащего предлагаемую систему для накопления энергии;

фиг.2 изображает еще один привод транспортного средства, содержащего предлагаемую систему для накопления энергии;

фиг.3 изображает накопитель энергии, который входит в состав предлагаемой системы;

фиг.4 изображает вариант выполнения статора, входящего в состав накопителя энергии.

Подробное описание предпочтительных вариантов изобретения

На фиг.1 показана предлагаемая система для накопления энергии. Накопитель 20 энергии, содержащий статор 24 и ротор 21, который соединен с маховиком 22, выполнен с возможностью передачи энергии через первый преобразователь 10, линию 13 передачи постоянного тока и второй преобразователь 11 к электрическому блоку 12 и от него. Маховик 22 содержит вращающуюся массу 23. При передаче энергии в случае, например, торможения транспортного средства с электроприводом от электрического блока 12 к накопителю 20 энергии блок 12 работает в качестве генератора, и мощность передается от блока 12 через преобразователь 11, линию 13 передачи постоянного тока и преобразователь 10 к обмотке (на чертеже не показана), которая входит в состав статора 24, и далее накапливается в маховике 22 в виде кинетической энергии во вращающейся массе 23. При необходимости кинетическая энергия, накопленная во вращающейся массе 23, затем может быть передана соответствующим образом к электрическому блоку. Далее электрический блок работает в качестве электродвигателя. Эта система может использоваться в трансмиссии транспортного средства, при этом накопитель 20 энергии используется как в качестве буфера мощности, так и буфера энергии. Статор содержит две обмотки, причем первая обмотка рассчитана на низкое напряжение для передачи энергии малой мощности, в то время как вторая обмотка рассчитана на высокое напряжение для передачи большой мощности. Обмотка статора, в которой происходит передача большой мощности, выполнена с возможностью работы при высоком напряжении, превышающем 380 В, предпочтительней в диапазоне 1-24 кВ. При указанной схеме можно подавать к накопителю 20 энергии и отводить от него очень большую энергию. Благодаря этому система способна управлять большими мощностями, которые возникают, например, в процессе сильных торможений.

На фиг.2. показана система, содержащая накопитель 14 энергии, который может быть аккумулятором, топливным элементом или другим источником химически накопленной энергии, например топливным баком двигателя внутреннего сгорания, и накопитель 20 энергии, содержащий статор 24 и ротор 21, соединенный с маховиком 22, имеющим вращающуюся массу 23. Статор 24 имеет первую и вторую обмотки (на чертеже не показаны). Соответствующие обмотки выполнены с возможностью работы, соответственно, при низком напряжении и высоком напряжении. Под низким напряжением понимается напряжение ниже 380 В, а под высоким напряжением понимается напряжение, превышающее 380 В. Ротор 21 имеет соответствующее устройство, создающее магнитный поток, например постоянные магниты или индукционную обмотку. Маховик 22 предназначен для накопления мощности и ее быстрой передачи к приводу и от него. Кроме того, система для накопления энергии содержит два преобразователя 10 и 11, содержащих промежуточную линию 13 передачи постоянного тока. Один из преобразователей, а именно преобразователь 11, выполнен в соединении с электрическим блоком 12. Так же как и в системе, показанной на фиг.1, электрический блок 12 работает либо в качестве двигателя, либо в качестве генератора в зависимости от текущего режима работы. В процессе торможения транспортного средства, снабженного этой системой, блок 12 работает в качестве генератора, а созданная энергия передается через преобразователь 11 и линию 13 передачи постоянного тока, которая может работать при высоком напряжении, например при 1,2 кВ, через преобразователь 10 к высоковольтной обмотке статора и далее к накопителю 20 энергии, где энергия накапливается в виде кинетической энергии во вращающейся массе 23 маховика. Благодаря тому что энергия передается при высоком напряжении от высоковольтной обмотки статора, возможно использование и накопление большой энергии, например энергии торможения при сильном торможении транспортного средства. Энергия, аккумулированная в маховике, затем может быть использована в быстроразвивающихся процессах, таких как изменения вращающего момента или быстрое ускорение транспортного средства, когда энергия от маховика очень быстро может быть возвращена обратно в привод через высоковольтную обмотку статора. В альтернативном варианте, в случае когда накопитель 14 энергии образован аккумулятором, энергия, накопленная в маховике, может быть использована для подзарядки аккумулятора. Затем энергия передается при низкой мощности и низком напряжении к аккумулятору через низковольтную обмотку статора.

На фиг.3 показан накопитель энергии, который образован из обеих вышеописанных систем, показанных на фиг.1 и фиг.2. Ротор 21 установлен на опорном подшипнике 25 и направляющем подшипнике 26, соответственно. Данные подшипники могут быть обычными подшипниками или магнитными или сочетанием магнитных подшипников и подшипников скольжения. Ротор 21 соединен с маховиком 22, имеющим вращающуюся массу 23. Кроме того, накопитель энергии содержит статор 24, имеющий первую и вторую обмотки (на чертеже не показаны). Во время работы мощность через одну из обмоток статора передается между статором 24 и ротором 21 и, следовательно, маховиком 22, имеющим вращающуюся массу 23.

На фиг.4 показан вариант статора 24, намотка которого выполнена с воздушным зазором. Первая обмотка 31 расположена между первым и вторым сердечниками 32, 33 ротора. Вторая обмотка 31 расположена между вторым сердечником 33 и третьим сердечником 34 ротора. Благодаря такой конструкции первая 30 и вторая 31 обмотки изолированы друг от друга по магнитному потоку и, следовательно, могут управляться совершенно независимо друг от друга. Стрелками 35 показано направление магнитного поля.

Работа статора и ротора накопителя мощности возможна как при радиальном, так и при осевом направлении магнитного потока.

Данное изобретение не ограничивается вышеупомянутыми вариантами выполнения, приведенными в качестве примеров, оно также может быть видоизменено в пределах общей идеи данного изобретения, описанной в прилагаемой формуле изобретения.

Изобретение относится к системе для накопления энергии, которая предназначена для привода транспортного средства. Накопитель энергии имеет статор с двумя обмотками и по меньшей мере один ротор с устройством, создающим магнитный поток. Ротор соединен с маховиком, предназначенным для накопления энергии. Две обмотки статора рассчитаны, соответственно, одна на высокое, а другая - на низкое напряжение. Накопитель энергии выполнен с возможностью передачи энергии к электрическому блоку и от него, а также для накопления в маховике энергии, передаваемой от электрического блока.Технический результат заключается в повышении КПД, обеспечении быстродействия и надежности. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система для накопления энергии, предназначенная для передачи энергии к приводу транспортного средства и от этого привода, содержащего по меньшей мере один электрический блок (12), содержащая накопитель (20) энергии, имеющий статор (24) с обмотками и по меньшей мере один ротор (21) с устройством, создающим магнитный поток, соединенный по меньшей мере с одним маховиком (22), предназначенным для накопления энергии в виде кинетической энергии по меньшей мере в одной вращающейся массе (23), причем указанный накопитель (20) энергии выполнен с возможностью передачи энергии к указанному электрическому блоку (12) и от него, отличающаяся тем, что статор (24) содержит по меньшей мере одну первую обмотку (30), выполненную с возможностью работы при низком напряжении, а также вторую обмотку (31), выполненную с возможностью работы при высоком напряжении, причем указанные первая и вторая обмотки выполнены с возможностью работы независимо друг от друга.2. Система по п.1, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере один накопитель (14) энергии, который соединен с указанным электрическим блоком (12), а накопитель (20) энергии выполнен с возможностью передачи энергии к накопителю (14) энергии и от него.3. Система по любому из п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанный накопитель (20) энергии выполнен с возможностью приема энергии, поданной от внешнего источника.4. Система по любому из п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанное устройство в роторе (21), создающее магнитный поток, содержит постоянные магниты.5. Система по любому из п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанное устройство в роторе (21), создающее магнитный поток, содержит короткозамкнутую обмотку.6. Система по любому из п.1 или 2, отличающаяся тем, что ротор (21) установлен на магнитных опорах.7. Система по п.6, отличающаяся тем, что ротор (21) также установлен на подшипниках скольжения.8. Система по любому из п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанная первая обмотка (30) выполнена с возможностью работы при напряжении ниже 380 В.9. Система по п.8, отличающаяся тем, что указанная первая обмотка (30) выполнена с возможностью работы при напряжении в диапазоне 6-50 В.10. Система по любому из п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанная вторая обмотка (31) выполнена с возможностью работы при напряжении, превышающем 380 В.11. Система по п.10, отличающаяся тем, что указанная вторая обмотка (31) выполнена с возможностью работы при напряжении в диапазоне 1-24 кВ.12. Система по любому из п.1 или 2, отличающаяся тем, что обмотка указанного статора (24) выполнена с воздушным зазором.13. Система по любому из п.1 или 2, отличающаяся тем, что накопитель (20) энергии выполнен с гироскопической подвеской.14. Система по любому из п.1 или 2, отличающаяся тем, что маховик (22) содержит две вращающиеся массы (23), расположенные с возможностью вращения в противоположных направлениях по отношению друг к другу.15. Система по любому из п.1 или 2, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна из указанных обмоток (30, 31) содержит проводник, окруженный первым полупроводниковым слоем, причем указанный первый полупроводниковый слой окружен слоем закрепленной изоляции, а указанный первый слой закрепленной изоляции окружен вторым полупроводниковым слоем.16. Система по любому из п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанный ротор (24) содержит первый сердечник (32), второй сердечник (33), а также третий сердечник (34), причем первая обмотка (30) статора расположена между указанными первым (32) и вторым (33) сердечниками, а вторая обмотка (31) статора расположена между указанными вторым (33) и третьим (34) сердечниками.17. Транспортное средство, оборудованное системой для накопления энергии по любому из пп.1-16.