СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОГО НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ Российский патент 2022 года по МПК F16F15/30 

Изобретение относится к области преобразования работы сил гравитации в механическую энергию с последующим преобразованием ее в электрическую энергию.

Из предшествующего уровня техники известны инерционные центробежные накопители энергии, в которых маховики вращаются вокруг вертикальной оси симметрии, накопленная механическая энергия преобразуется в электрическую энергию с помощью электрических генераторов (см. Инерционные аккумуляторы энергии Гулина Н.В. Жанр: Электротехника изд., ВГУ, год 1973, стр. 239).

Известные инерционные аккумуляторы энергии по плотности энергии (Вт*ч/кг) и по плотности мощности (Вт/кг) занимают среднее место среди традиционных накопителей: топливных элементов, электрических батарей, двухслойных и обычных конденсаторов.

Известно из теоретической механики движение гайки в винтовой паре, если представить гайку, как тело, движущееся по наклонной поверхности витка резьбы винта, вращающегося вертикально (см. Бать М.И., Джанелидзе Г.Ю., Кельзон А.С. Теоретическая механика в примерах и задачах т.II, стр. 143., М. 1968 г.).

Если винт вращать в направлении движения гайки, то можно доказать, что тело (гайка) будет находиться в относительном покое, если угол подъема витка резьбы винта удовлетворяет условию

α=ϕ+arctg w/g, где

α - угол подъема витка резьбы;

ϕ - угол трения;

w - линейное ускорение движения;

g - ускорение свободного падения.

Для шариковой винтовой пары вместо ϕ можно пользоваться приведенным углом трения качения, например, для шариковой винтовой передачи с углом подъема витка резьбы α=2,85°, и приведенным углом трения качения ρ ≈ 1° (см. Справочник конструктора - машиностроителя, т.2, Анурьев В.И., 2001, стр. 786).

Подставив эти значения угла подъема витка резьбы и приведенного угла трения качения в уравнение, находим, что гайка будет вращаться и находиться в относительном покое при w ≈ 0,032g.

Известен комбинированный способ накопления энергии, в котором, два одинаковых по массе маховика, валы которых расположены параллельно в горизонтальной плоскости, подвешенные на вертикальных ветвях цепных передач с помощью приводного и поддерживающего петлевых захватов, раскручивают равноускорено до допустимой скорости во взвешенном состоянии совместно энергией поля тяготения и уравновешенным электроприводом с помощью четырех бесконечных цепных передач. После разгона маховиков электропривод автоматически переключается в генераторный режим, энергию накапливают в электрических накопителях, преобразуют в стандартный вид для использования потребителями.

В исходном и в генераторном режимах корпуса приводных захватов опираются на упоры. В двигательном режиме снятие с упоров автоматически производят кратковременным резким увеличением скорости движения цепей, после чего скорость снижается так, чтобы маховики вошли во взвешенное состояние и потом создают равноускоренное движение цепей, при котором маховики раскручиваются во взвешенном состоянии до допустимой скорости вращения, включается генераторный режим, работа продолжается циклически, непрерывно (см. RU 2548229 С2).

Описанный пример технической реализации комбинированного способа накопления энергии взят в качестве прототипа.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в реализации способа комбинированного накопления энергии с помощью надежного современного устройства, бесшумного, с высоким КПД.

Поставленная задача решается за счет того, что маховик вращается вокруг отвесной вертикальной оси симметрии за счет опускания его по винту шаровой винтовой передачи без самоторможения под действием сил тяжести и удержания маховика во взвешенном состоянии за счет вращения винта регулируемым электроприводом и вращения гайки на одном уровне, которая жестко соосно соединена с корпусом маховика.

Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения:

фиг. 1 - схема предлагаемого способа комбинированного накопления энергии,

фиг. 2 - узел сцепления, продольный разрез А-А на фиг. 1.

В исходном состоянии маховик (1) вместе с шаровой винтовой передачей в сборе уравновешен противовесом (5) через блоки (6) с гибкой связью (7). Корпус маховика (4) жестко соединен с гайкой (3) посредством пластины (22) упирается на нижнюю часть узла сцепления (19) на промежуточном валу (48). Работа комбинированного накопителя начинается с подъема маховика на высоту над нижней частью сцепления (19) за счет ускоренного вращения винта с ускорением w>0,032g. В конце подъема, на короткое время, электродвигатель отключается, маховик начинает опускаться по винту. Электродвигатель переводится в режим создания относительного покоя движения маховика относительно винта. Через время необходимое для достижения максимальной скорости вращения для шаровой винтовой передачи, электродвигатель отключается и без паузы переводится в генераторный режим. Все режимы выполняются автоматически по командам автоматического устройства управления (8). Электрическая энергия преобразуется в стандартный вид с помощью емкостных накопителей (9) и преобразователя (10) используется для питания нагрузки (11), частично накапливается и используется в дальнейшем для подъема и разгона маховика. При скорости вращения маховика в генераторном режиме равной приблизительно 10-15% от максимальной производится переключение в двигательный режим.

Процессы подъема маховика, разгона и разрядки маховика повторяются циклически. В двигательных режимах электропривод затрачивает энергию на вращение винта и потери на трение в шаровой винтовой передаче. После достижения максимальной скорости движения устройство автоматического управления (8) переводит электродвигатель в генераторный режим. Телескопическое соединение муфты (29) на выходном валу электропривода с корпусом винтовой передачи включает в себя шлицевую скользящую вилку (12) и шлицевую втулку (13). Все рабочие поверхности шаровой винтовой передачи, шлицевые соединения смазываются через соответствующие каналы. В качестве направляющей для перемещений цилиндрического корпуса подвески (14) маховика (1) используется цилиндрический корпус (15) на дне которого, соосно с валами закреплен электродвигатель (16), шлицевая втулка (13) проходит через подвижное шлицевое соединение (25), наружная часть которого вращается на подшипнике (26), стакан подшипника жестко соединен с пластиной (23). Далее вилка свободно проходит через внутреннее кольцо упорного конического подшипника (17). Наружное кольцо подшипника неподвижно соединено с вилкой (13) и с нижним концом промежуточного вала (48). Подвижный цилиндр во время разрядки маховика слегка опирается на демпфер (18) жестко соединенным с пластиной (23). Корпус маховика во время разрядки маховика упирается на подпружиненную часть узла сцепления (19) на нижнем конце промежуточного вала (48) (фиг. 2). Узел сцепления корпуса маховика с нижним цилиндрическим концом винта в генераторном режиме состоит из цилиндрического полого вала - толкателя (32), верхний фланец (33) которого, жестко соединен с корпусом маховика (4), упругой муфты (43), фрикционного диска (34), плоского цилиндрического основания (36), фрикционного диска (37), скользящего шлицевого соединения (38), шести упорных пружин (40) с направляющими пружин (41). Нижний конец пружины (40) жестко закреплен к поверхности плоского цилиндрического основания (36), а верхний к металлической части диска (37). Диск (37) закреплен к корпусу шлицевой втулки (39). Для упрощения изготовления и сборки устройства вал шаровой винтовой пары разбит на несколько частей, соединенных кулачковыми муфтами (29), (42), (43). От осевого смещения плоского цилиндрического основания (36) служит упругое кольцо (44). Смещение вверх шлицевой втулки (39) ограничено упругим концом (45). В двигательном режиме узел сцепления вращается вместе с корпусом маховика и винта, между валом-толкателем и поверхностью направляющей пружины расстояние 10-15 мм. В генераторном режиме вал-толкатель плавно сжимает фрикционные диски и приводит в действие винт. После снижения скорости вращения до 10-15% от максимальной, генераторный режим переключается в двигательный на подъем маховика. Пружины расслабляются, поднимают вал-толкатель, фрикционные диски выходят из сцепления, винт начинает вращать гайку на подъем до расстояния приблизительно 10-15 мм.

Для вертикального перемещения цилиндрического корпуса подвески (14) служат четыре цилиндрические направляющие (47) наружная часть, которых жестко соединена с пластиной (24), а подвижная часть с корпусом (14) с одной стороны, и с серьгой (27) уравновешивания, с другой. Блоки гибкой связи (6) закреплены на крышке (28) корпуса накопителя. Гибкая тяга проходит через окна в пластинах (23, 24). Противовес помещен в цилиндрический стакан на дне корпуса (15).

В качестве противовеса может быть использован цилиндр подвески аналогичного накопителя, территориально расположенного рядом. Режимы работы накопителей, работающих в паре, должны быть синхронизированы устройствами автоматического управления. Алгоритм работы: во время зарядки одного маховика, другой разряжается в генераторном режиме и наоборот. Такое чередования работы двух накопителей позволяет создать общую схему сглаживания электрического напряжения на выходе накопителя с меньшим уровнем пульсаций.

Питание управляемого электропривода поступает с регулируемого блока питания (21). Скорость вращения генератора контролируется эндкодером (BR), сигналы которого поступают в автоматическое устройство (8). Положение маховика контролируется бесконтактным датчиком положения (20), сигналы с которого передаются в автоматическое устройство управления (8).

Направляющая верхнего конца вала винтовой передачи состоит из телескопического соединения (30) и подшипника (31), стакан которого жестко соединен с верхней пластиной жесткости (24). Пластины жесткости (23, 24) жестко соединены с корпусом (15) комбинированного накопителя энергии.

Изобретение относится к области машиностроения. Способ реализуется с использованием маховика, раскручиваемого совместным действием электропривода и силами гравитации. Маховик соосно соединен с гайкой и вращается вокруг вертикальной оси симметрии за счет опускания его по винту шаровой винтовой пары под действием сил тяжести. Маховик удерживается в состоянии относительного покоя за счет вращения винта в направлении вращения гайки регулируемым уравновешенным электроприводом до момента наступления максимальной безопасной скорости вращения. Устройство автоматического управления отключает вращение винта. Электродвигатель автоматизированного электропривода переводится в генераторный режим. Маховик вместе с гайкой соединяется с винтом в узле сцепления. Скорость вращения снижается до 10-15% от максимальной. Генераторный режим переключается на двигательный. Маховик вместе с гайкой выходит из зацепления с винтом за счет резкого с ускорением повышения скорости вращения в прежнем направлении, поднимается на высоту 10-15 мм. Подъем отключается. Маховик вместе с гайкой опускается и вращается по винту шаровой винтовой пары. Вновь включается двигательный режим для создания режима относительного покоя. Работа продолжается циклически с помощью автоматического устройства. Достигается повышение надежности, снижение шума, увеличение КПД. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ комбинированного накопления энергии, включающий в себя маховик, раскручиваемый совместным действием электропривода и силами гравитации, отличающийся тем, что маховик, соосно соединенный с гайкой, вращается вокруг отвесной вертикальной оси симметрии за счет опускания его по винту шаровой винтовой пары без самоторможения под действием сил тяжести и удержания его в состоянии относительного покоя за счет вращения винта в направлении вращения гайки регулируемым уравновешенным электроприводом до момента наступления максимальной безопасной скорости вращения шаровой винтовой пары, устройство автоматического управления отключает вращение винта, электродвигатель автоматизированного электропривода переводится в генераторный режим, маховик вместе с гайкой соединяется с винтом в узле сцепления, скорость вращения снижается до 10-15% от максимальной, генераторный режим переключается на двигательный, маховик вместе с гайкой выходит из зацепления с винтом за счет резкого с ускорением повышения скорости вращения в прежнем направлении, поднимается на высоту 10-15 мм, подъем отключается, маховик вместе с гайкой опускается и вращается по винту шаровой винтовой пары, вновь включается двигательный режим для создания режима относительного покоя, работа продолжается циклически с помощью автоматического устройства, механическая энергия в генераторном режиме преобразуется в электрическую, накапливается, используется частично для двигательных режимов.

2. Способ комбинированного накопления энергии по п. 1, отличающийся тем, что корпус маховика соединяется с автоматизированным электроприводом через шариковую винтовую передачу без самоторможения и телескопическое соединение выходного вала электропривода с корпусом винтовой передачи.

3. Способ комбинированного накопления энергии по п. 1, отличающийся тем, что уравновешивание маховика вместе с частью трансмиссии до телескопического соединения включает в себя противовес, соединенный через гибкую тягу, ролики и цилиндрический корпус.

4. Способ комбинированного накопления энергии по п. 3, отличающийся тем, что в качестве противовеса может быть использован цилиндр подвески аналогичного накопителя, территориально расположенного рядом, а режимы работы накопителей при этом синхронизированы.

5. Способ комбинированного накопления энергии по п. 1, отличающийся тем, что для вертикального перемещения цилиндрического корпуса подвески используются четыре цилиндрические направляющие, наружная часть которых жестко соединена с верхней пластиной жесткости, а подвижная часть – с корпусом цилиндра подвески с нижней стороны и с серьгой уравновешивания с другой стороны.