КОМПОЗИТНЫЙ МАХОВИК С МАГНИТНОЙ ПОДВЕСКОЙ Российский патент 2023 года по МПК H02K7/02 F16F15/30 H02J15/00 H02K1/27 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно -к конструкции маховиков, используемых в устройствах для накопления и преобразования энергии, оснащенных электрическими машинами, работающими в режиме электродвигателя и/или электрогенератора.

Основное применение изобретения - в качестве накопителя электроэнергии:

- в возобновляемых источниках электроэнергии;

- станциях быстрой зарядки электромобилей при питании от маломощной электросети;

- в транспортных средствах;

- оборудовании для улучшения качества электроэнергии и бесперебойного питания в электрической сети.

Из современного уровня техники известны кинетические накопители энергии, в которых электрическая энергия преобразуется в механическую энергию маховика и обратно в электрическую. К примеру патент на изобретение RU 2710590 «Кинетический накопитель энергии с супермаховиком».

Одним из основных показателей эффективности накопителя энергии служит удельная массовая энергоемкость (Маховичные двигатели / Гулиа Н.В. - М.: «Машиностроение», 1976 г. 172 с.).

Наилучшими показателями по этому параметру обладают композиционные маховики на основе однонаправленных нитей, жгутов или лент.

Такой маховик изготавливается методом намотки на обод пропитанных полимерным связующим нитей, жгутов или лент (патент на изобретение RU 27 62459 «ЛЕНТОЧНЫЙ СУПЕРМАХОВИК»). В этом патенте для обеспечения безопасности «разрыва» маховика при аварии формируют зоны с повышенными механическими напряжениями и зоны равного механического напряжения изменяя толщину ленты или слоя клея.

Для уменьшения потерь энергии маховик размещают в вакуумированном корпусе. Подвеску выполняют на магнитных подшипниках (подвесах) - пассивных или активных.

Но практическая реализация таких конструкций приводит к необходимости решения сложных технических проблем:

-соединения обода и вала с композиционным материалом;

- подвода и отвода механической энергии к вращаемуся композитному маховику;

_ герметизация выхода вала маховика из корпуса накопителя;

- статическая и динамическая балансировка маховика;

- обеспечения опоры вала маховика и электрических машин;

- обеспечение безопасного разрыва маховика при аварии.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка сравнительно простой и наиболее технологичной в изготовлении конструкции маховика из композиционного материала.

Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в получении устройства, обладающего повышенными удельными массовой и объемной энергоемкостью, с обеспечением высоких уровней надежности, технологичности и эксплуатационных качеств.

Задача решается выполнением композитного маховика одновременно используемого как постоянный магнит для магнитного подвеса и как ротор электрической машины, без необходимости вывода наружу корпуса вала маховика.

При реализации изобретения:

- изготавливают из армированного однонаправленными нитями, жгутами или лентами полимерного композита маховик;

- при изготовлении маховика в связующее армирующего материала добавляют микрочастицы ферромагнитного или иного материала с необходимыми магнитными и механическими свойства в зависимости от места расположения участка намотки, изменяя состав наполнителя в процессе намотки;

- после полимеризации композита, с помощью установки импульсного намагничивания формируют необходимую конфигурацию магнитных полюсов композитного маховика;

- магниты закрепленные на корпусе накопителя, взаимодействуя с полем композиционного маховика обеспечивает его подвес;

- магнитное поле вращающегося композиционного маховика наводит ЭДС в обмотке статора или обеспечивает его. раскрутку при прохождении тока по обмотке статора.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

Фиг. 1, Пример намотки устройства композитного

маховика (все размеры и порядок чередования слоев

условны):

1 - однонаправленный ленточный армирующий материал;

2 - слои полимерного компаунда увеличенным количеством магнитного порошка;

3 - слои полимерного компаунда без магнитного порошка;

4 - слои полимерного компаунда смеси магнитного порошка и высокоплотного наполнителя.

Фиг. 2, Пример конструкции маховика (расположения и размеры зон намагничивания условны, разные магнитные полюса изображены отличными тонами):

5 - внешний корпус маховичного накопителя энергии с условно снятой крышкой и верхним магнитом;

6 - статор с обмотками генератора и электродвигателя;

7 - зона с радиальной намагниченностью для формирования полюсов электродвигателя и генератора, с высокой долей содержания магнитного материала;

8 - зона без магнитного наполнителя;

9 - корпус, центральная опора;

10 - удерживающий радиальный магнит опоры корпуса;

11 - зона аксиального намагничивания с пониженной долей магнитного порошка, и повышенной концентрацией высокоплотного материала для создания равной механической нагрузки витков по диаметру при вращении маховика. Зона используется как упорный магнит;

12 - удерживающий упорный магнит опоры корпуса. При5 взаимодействии постоянных магнитов опоры и

маховика в композитном материале возникают механические напряжения до 1 МПа. Располагая определенным образом полюса магнитов можно изменять механические напряжения в композитном материале возникающие при вращении маховика до 30%, увеличивая или уменьшай предел разрушения зон маховика с целью обеспечения безопасной эксплуатации накопителя энергии.

Проведенные расчеты показывают техническую реализуемость, высокую удельную энергоемкость и пониженную, относительно прототипа, стоимость изготовления устройства.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к конструкции маховиков, используемых в устройствах для накопления и преобразования энергии, оснащенных электрическими машинами. Технический результат заключается в повышении надежности, удельной энергоемкости и упрощении конструкции. Маховик накопителя выполняют как единое целое с магнитным подвесом и электрической машиной. Маховик изготавливают из армированного однонаправленными нитями, жгутами или лентами полимерного композита. В связующее при пропитке армирующего материала добавляют микрочастицы ферромагнитного материала в процессе намотки. С помощью установки намагничивания формируют необходимую конфигурацию магнитных полюсов маховика. Магниты, закрепленные на корпусе, взаимодействуют с полем композиционного маховика, обеспечивая его подвес. Магнитное поле вращающегося композиционного маховика наводит ЭДС в обмотке статора или обеспечивает его раскрутку при прохождении тока. Изменяя концентрацию высокоплотного порошка в связующем в зависимости от диаметра намотки, задают равное механическое напряжение в витках армирующего материала при вращении маховика. С помощью поля магнитов, закрепленных на корпусе, изменяют локальные механические напряжения в композитном армированном материале, увеличивая или уменьшая предел разрушения зон маховика, с целью обеспечения безопасной эксплуатации накопителя энергии. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Маховик кинетического накопителя энергии, в котором электрическая энергия преобразуется в механическую энергию маховика и обратно в электрическую электрическими машинами, выполненный методом намотки пропитанных полимерным связующим однонаправленных нитей, жгутов или лент, отличающийся тем, что при намотке в связующее добавляют микрочастицы ферромагнитного материала, а затем композитный маховик намагничивают, формируя полюсы постоянных магнитов, используют маховик как магнит подшипника подвеса и магнитный ротор электрической машины.

2. Маховик кинетического накопителя энергии по п. 1, отличающийся тем, что при намотке в связующее добавляют порошок материала с высокой плотностью, изменяя его концентрацию в зависимости от диаметра намотки, задавая равное механическое напряжение для витков разных диаметров.

3. Маховик кинетического накопителя энергии по п. 1, отличающийся тем, что магнитное поле стационарных магнитов создает локальное механическое напряжение в композитном материале, изменяющее порог разрушения композитного материала, с целью обеспечения безопасности маховика при аварии.