СУПЕРМАХОВИКОВЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ Российский патент 2011 года по МПК H02K16/04 H02K7/02 H02K1/06 

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к устройствам для накопления и преобразования энергии при помощи супермаховика, оснащенного электрической машиной, работающей попеременно в режиме двигателя и генератора.

Оно может найти применение в электроэнергетической отрасли при создании пиковых электроустановок, предназначенных для включения в промышленные сети и компенсирующих резкие пики и спады потребления энергии, в качестве источников резервного питания, в транспортных установках, в космической технике.

Известны вертикальные супермаховиковые накопители энергии [Вращающаяся армия бережет 60 герц стабильного электричества // Электротехнический рынок. - 2006. №4. - С.14-16, http://www.utexas.edu/research/cem/composite%20rotor%20testing.html

Composite Rotor Lifetime Testing, http://thefraserdomain.typepad.com/energy/2005/12/about_flywheels.html About flywheels, - 2005], состоящие из маховика и двигателя-генератора цилиндрической формы исполнения.

Во всех упомянутых конструкциях супермаховиковые накопители энергии представляют собой объединение конструктивно независимых блоков: двигателя-генератора и супермаховика на общем валу. Недостатками этих супермаховиковых накопителей энергии являются увеличенные осевые габариты и масса, что связано с независимым конструктивным оформлением блоков и использованием двигателя-генератора цилиндрической формы исполнения, а также увеличенная нагрузка на подшипники от веса ротора и супермаховика, а также возможность возникновения нежелательных вибраций.

По технической сущности наиболее близким к заявленному изобретению можно считать вертикальный супермаховиковый накопитель энергии [И.М.Кирко. Г.Е.Кирко. Маховик как накопитель и преобразователь энергии // http://www.skif.biz/index.php?name=Pages&op=page&pid=128. - 1998] с приводом от торцового двигателя-генератора, объединяющим в едином агрегате двигатель-генератор и супермаховик. Супермаховиковый накопитель энергии содержит корпус, на внутренней поверхности которого размещены дисковые магнитопроводы двух статоров с обмотками двигателя-генератора. Во внутренней полости находится ротор с кроткозамкнутыми обмотками и супермаховиком, магнитные подшипники, вал. Статоры отделены от ротора равномерными воздушными зазорами. Внутри корпуса создан вакуум.

Его недостатком являются увеличенные габариты магнитных подшипников, которые удерживают вес супермаховика и ротора, и как следствие, габариты и масса всей установки.

Увеличенная нагрузка на магнитные подшипники приводит к излишним энергетическим затратам на их изготовление и преждевременному износу, а также к возрастанию стоимости эксплуатации.

Заявленное изобретение решает задачу создания компактного супермаховикового накопителя энергии уменьшенных габаритов и массы, что приводит к снижению возможных вибраций и повышению его эксплуатационной надежности, экономии потребляемой электроэнергии и повышению коэффициента полезного действия.

Это достигается тем, что супермаховиковый накопителель энергии, содержащий в себе двигатель-генератор и супермаховик, заключенные в герметизированную вакуумированную оболочку, состоящую из корпуса и крышки, жестко связанных между собой и образующую центральную кольцевую полость, внутри которой на корпусе и крышке закреплено соответственно по одному дисковому магнитопроводу двухдискового статора с обмотками двигателя-генератора, двухсторонний ротор в форме диска с размещенными на его поверхностях постоянными магнитами возбуждения помещен между дисковыми магнитопроводами статора и отделен от них воздушными равномерными зазорами, супермаховик, жестко связанный с диском ротора, вал, магнитные подшипники, отличающийся от прототипа тем, что воздушный зазор между верхним кольцевым магнитопроводом и диском ротора выполнен меньшим по величине, чем воздушный зазор между нижним кольцевым магнитопроводом и диском ротора, на крышке и корпусе расположены теплообменники с циркулирующей охлаждающей жидкостью, на внутренней части крышки и внутренней части корпуса установлены тормозные электрические катушки, а роль тормозного диска выполняет диск ротора.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 показано продольное сечение супермаховикового накопителя энергии.

На фиг.2 приведена структурная схема супермаховикового накопителя энергии.

Оболочка вертикального супермаховикового накопителя энергии состоит из жестко связанных между собой крышки 1 и корпуса 5, образующих центральную кольцевую полость. Внутри этой полости на корпусе 5 и крышке 1 закреплено соответственно по одному дисковому магнитопроводу: верхнему 3 и нижнему 6 двухдискового статора с m-фазными обмотками двигателя-генератора.

Между дисками магнитопровода 3 и 6 помещен ротор 4 в форме диска с зазорами между верхним и нижним дисками магнитопровода статора, причем зазор между верхним магнитопроводом статора и ротором выполнен меньшего размера, чем зазор между ротором и нижним магнитопроводом статора, что достигается за счет соответствующей настройки систем верхнего и нижнего магнитных подшипников.

Ротор выполнен двухсторонним и жестко укреплен на валу 17, который, в свою очередь, базируется в магнитных подшипниках 9 и 16.

К верхней части крышки 1 жестко прикрепляется при помощи винтов стакан 15, предназначенный для размещения верхнего магнитного подшипника 16, а к нижней части корпуса также при помощи винтов жестко крепится стакан 8, в котором помещается нижний магнитный подшипник 9.

В конструкции предложенного агрегата для охлаждения обмоток статоров 3 и 6 служат теплообменники 7 и 14, размещенные снаружи на корпусе 5 и крышке 1, в которых при помощи пристроенного насоса циркулирует охлаждающая жидкость.

Для торможения супермаховикового накопителя энергии используется электрическая тормозная система, состоящая из тормозных электрических катушек 11 и 10, расположенных на внутренней части крышки, ближайшей к валу, тормозного диска, роль которого выполняет диск ротора.

С целью уменьшения аэродинамического сопротивления из оболочки супермаховикового накопителя энергии через специально сделанный герметический штуцер откачивается воздух, для чего служит внешний вакуумный насос.

Супермаховиковый накопитель энергии 20 работает следующим образом. В результате замыкания выключателя 19 и разомкнутом выключателе 21 происходит подключение обмоток магнитопроводов статора двигателя-генератора к сети, роль которой выполняет статический преобразователь частоты 18. На первом этапе эта частота небольшая. При этом в магнитопроводах создается двустороннее вращающееся магнитное поле. Магнитное поле взаимодействует с магнитным полем постоянных магнитов ротора, вследствие чего ротор приводится во вращение.

Увеличивая выходную частоту преобразователя 18 до частоты питающей сети, осуществляют частотный разгон двигателя, а следовательно и маховика, благодаря чему происходит запасание кинетической энергии.

Так как осевые воздушные зазоры электрической машины различны, то электромагнитные силы притяжения магнитопровода ротора 4 к магнитопроводам статора различны. Сила притяжения ротора 4 к верхнему магнитопроводу 3 из-за уменьшенного воздушного зазора больше, чем сила притяжения ротора 4 к нижнему магнитопроводу 6. Поэтому возникает значительная электромагнитная осевая сила, направленная вверх и компенсирующая либо частично, либо полностью силу тяжести ротора с супермаховиком.

Этим достигается разгрузка магнитных подшипников, улучшение их тяговых и механических характеристик, снижаются размеры и массы подшипниковых узлов, что повышает эксплуатационную надежность и долговечность супермаховикового накопителя энергии.

Для распределения энергии в электросеть необходимо отключить выключатель 18 и включить выключатель 21. В этом случае электрическая машина переходит из двигательного режима в генераторный и за счет накопленной кинетической энергии маховика вырабатывает электроэнергию, которая поступает к потребителю с теми же напряжением и частотой, что и напряжение и частота питающей сети.

Силовой преобразователь 22 управляет качеством отдаваемой энергии поддерживая при помощи схемы управления выходные напряжение и частоту в заданных пределах, независимо от числа оборотов маховика.

Для экстренного торможения супермаховикового накопителя энергии необходимо отключить его от питающей сети в режиме двигателя или от нагрузки в режиме генератора и подать постоянное напряжение от внешнего выпрямительного устройства на электрические тормозные катушки, которые создают постоянное магнитное поле. В диске ротора, выполняющего роль тормозного диска, индуцируются вихревые токи, которые, взаимодействуя с магнитным полем, создают тормозной момент.

Предложенная конструкция супермаховикового накопителя энергии имеет малые осевые размеры, уменьшенную материалоемкость, достаточно технологична в изготовлении и сборке, удобна в наладке и техническом обслуживании, долговечна.

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики, а именно - к устройствам для накопления и преобразования энергии при помощи супермаховика, оснащенного электрической машиной, работающей попеременно в режиме двигателя и генератора, и может найти применение в электроэнергетической отрасли при создании пиковых электроустановок, предназначенных для включения в промышленные сети и компенсирующих резкие пики и спады потребления энергии, в космической технике, в транспортных установках. Супермаховиковый накопитель энергии содержит двигатель-генератор и супермаховик, заключенные в герметизированную вакуумированную оболочку. Двигатель-генератор выполнен в форме двухдискового статора и расположенного между ними дискового ротора, и расположенными на его поверхностях постоянными магнитами, причем величина воздушного зазора между верхним диском статора и диском ротора выполнена меньшего размера, чем величина воздушного зазора между нижним диском статора и диском ротора. Супермаховик, накапливающий энергию, жестко связан с диском ротора. Вследствие разной величины воздушных зазоров образуется значительная осевая электромагнитная сила, направленная вверх, которая или частично, или полностью уравновешивает вес супермаховика и ротора, разгружая тем самым магнитные опоры устройства. Супермаховиковый накопитель энергии снабжен теплообменниками, отводящими выделяемое тепло обмотками и магнитопроводами статора. Для экстренного торможения служит тормозное устройство, состоящее из тормозных электрических катушек и тормозного диска, роль которого выполняет диск ротора. Технический результат - уменьшение габаритов и материалоемкости супермаховикового накопителя энергии при одновременном повышении его эксплуатационной надежности. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Супермаховиковый накопитель энергии, содержащий в себе двигатель-генератор и супермаховик, заключенные в герметизированную вакуумированную оболочку, состоящую из корпуса и крышки, жестко связанных между собой и образующих центральную кольцевую полость, внутри которой на корпусе и крышке закреплены соответственно по одному дисковому магнитопроводу двухдискового статора с обмотками двигателя-генератора, двухсторонний ротор в форме диска с размещенными на его поверхностях постоянными магнитами возбуждения помещен между дисковыми магнитопроводами статора и отделен от них равномерными воздушными зазорами, маховик, жестко связанный с диском ротора, вал, магнитные подшипники, отличающийся тем, что воздушный зазор между верхним кольцевым магнитопроводом и диском ротора выполнен меньшей величины, чем воздушный зазор между нижним кольцевым магнитопроводом и ротором.

2. Супермаховиковый накопитель энергии по п.1, отличающийся тем, что на крышке и корпусе расположены теплообменники с циркулирующий охлаждающей жидкостью.

3. Супермаховиковый накопитель энергии по п.1 или 2, отличающийся тем, что на внутренней части крышки и внутренней части корпуса установлены тормозные электрические катушки, а роль тормозного диска выполняет диск ротора.