Накопитель кинетической энергии Советский патент 1992 года по МПК F16F15/30 

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть лспользовано в энергомашиностроении при конструировании вращающихся накопителей кинетической энергии для летательных аппаратов и других объектов, требующих нулевого суммарного момента.

Известны электромаховичные устройства для накопления кинетической энергии вращательного движения и возвращения ее в виде электрической в энергосистему с целью покрытия пиковых нагрузок или питания потребителей в электрофизических установках кратковременными импульсами большой мощности, в которых в качестве маховиков используются безвальные кольцевые роторы специальных двигатель-генераторов, выполненные из стальной проволоки, композиционных волокнистых материалов. Во всех этих устройствах кольцевые роторы-маховики вращаются или в бесконтактных магнитных подшипниках или на магнитном подвесе.

Для нормального функционирования эти устройства нуждаются в осевой и радиальной стабилизации роторов-маховиков относительно оси вращения, которая осуществляется при помощи следящих систем автоматического регулирования осевого и радиального зазоров или при помощи маг- ниторезонансных подвесов. Исключение составляют накопители энергии, в которых ротор-маховик выполнен из проводящего немагнитного материала. Они не требуют специальных устройств стабилизации, так как при выполнении ротора-маховика из проводящего немагнитного материала на него действуют практически только силы отталкивания, которые обеспечивают его левитацию и стабилизацию положения относительно оси вращения, т.е. являются центрирующими.

- Он представляет собой устройство, выполненное на базе асинхронного двигатель- генератора с массивным кольцевым ротором-маховиком из алюминия с внутренw

Ё

VI ь

ON О О 00

ними ферромагнитными вставками, вращающимся в закрытом кольцевом статоре (индукторе) с трехфазной обмоткой, создающей кольцевое бегущее магнитное поле. По сравнению с устройствами для накопления энергии, перечисленными выше, он конструктивно более прост и надежен, поскольку выполнен на базе асинхронной машины, простота и надежность которой общеизвестны,а левитация, центрирование и стабилизация ротора-маховика производится тем же рабочим магнитным полем, которое осуществляет его разгон.

Недостатком такого накопителя при всей его простоте и надежности являются сравнительно невысокие энергетические показатели как в режиме рекуперации энергии, так и в режиме разгона из-за большого намагничивающего тока, а также невозможность непосредственного использования в летательных аппаратах и других объектах, требующих обеспечения нулевого суммарного момента. Момент, действующий на корпус летательного аппарата при работе вращающегося накопителя, должен быть равен нулю что обусловлено спецификой полета аппарата, При наличии только одного ротора-маховика это условие выполняться не будет.

Целью изобретения является улучшение энергетических показателей при обеспечении нулевого суммарного момента и сохранении способности к левитации и самостабилизации ротора-маховика за счет рабочего магнитного поля.

Цель достигается выполнением индуктора (статора) накопителя с двумя кольцевыми каналами и одной обмоткой, которая за счет транспозиции создает в зоне этих каналов два магнитных поля, вращающихся в противоположных направлениях, что позволяет вращать в этих же направлениях два ротора-маховика и иметь, тем самым нулевой суммарный момент, выполнением роторов-маховиков в виде двух массивных колец (ободов) из высокопрочного ферромагнитного материала, снабженных обмоткой в виде отдельных колец из хорошо проводящего немагнитного материала, охватывающих роторы-маховики в плоскостях их радиальных сечений и уложенных в пазы (канавки) заподлицо с поверхностью колец роторов. Обеспечение левитации и самостабилизации роторов-маховиков при отсутствии специальной системы автоматического регулирования, т.е. превышение сил отталкивания над силами притяжения, достигается выполнением каждого кольца, следовательно, паза обмотки роторов-маховиков шириной

1 . fio 2М I

ср

Вб

где ZzCp - заданная средняя величина зуб- цового деления кольца ротора-маховика, м; fio - магнитная проницаемость среды, в которой вращаются роторы-маховики, Гн/м;

Q Вб - индукция в зазоре между статором (индуктором) и кольцом ротора-маховика, Т; 2м - амплитуда тока в кольце обмотки ротора-маховика, А.

При таком выполнении накопителя дос стигается, кроме указанного, увеличение его КПД до значений, близких к номинальным для асинхронных машин нормального исполнения, а поскольку индуктор имеет только одну обмотку, сокращается расход

Q обмоточного материала на выполнение лобовых частей и потери энергии в них по сравнению с накопителем, в котором для получения бегущих в противоположные стороны магнитных полей потребовалось бы

5 применить два индуктора, каждый со своей обмоткой.

На фиг. 1 изображена принципиальная конструктивная схема накопителя, сечение А-А; на фиг. 2 - ротор-маховик.

АНакопитель состоит из двух вращающихся в противоположных направлениях кольцевых маховиков 1 и 1 из хромоникель- молибденовой стали, являющихся роторами асинхронного двигатель-генератора, и инк дуктора магнитного поля. Индуктор расположен на корпусе 2 летательного аппарата. Магнитопровод индуктора выполнен из электротехнической стали, причем пакеты 3 магнитопровода, которые (фиг. 1) имеют гоQ ризонтальную шихтовку, штампуются в виде колец из листовой стали, а пакеты 4, имеющие (фиг. 1) вертикальную шихтовку, выполнены навитыми в виде рулонов (спирали), Магнитопровод индуктора образует

5 Два полуоткрытых кольцевых канала 5 и 51 в которых размещаются роторы-маховики. Такое расположение роторов-маховиков, т.е. на корпусе летательного аппарата, обусловлено требованиями безопасности. В слуд чае разрыва роторов их обломки разлетятся в окружающее пространство без ущерба летательному аппарату.

В пазах 6 магнитопровода индуктора уложена двухслойная многофазная обмотка

5 7 с транспозицией посредине. Это позволяет создать в кольцевых каналах 5 и 51 одной обмоткой магнитные поля, бегущие в противоположных направлениях при прохождении по обмотке переменного тока, и раскручивать роторы-маховики в этих же направлениях. Пазы для укладки обмотки в пакетах 4 навитого магнитопровода индуктора профрезерованы радиально.

На сердечниках каждого ротора-маховика размещена медная или алюминиевая обмотка в виде отдельных колец 8, охватывающих роторы-маховики в плоскостях их радиальных сечений. Кольца 8 уложены в пазы заподлицо с поверхностью роторов. Магнитный поток на пути из индуктора в соответствующий ротор в этом случае проходит практически только по зубцам ротора между кольцами обмотки и его путь в немагнитной среде уменьшается до величины двух воздушных (безвоздушных) зазоров (между кольцом ротора и внутренними сторонами канала индуктора), а токи ротора замыкаются по путям с малым электрическим сопротивлением. Таким образом, магнитное сопротивление на пути потока снижается в несколько раз, что влечет за собой уменьшение намагничивающего тока, потерь в каждом роторе и обмотке индуктора, увеличение КПД до значений, близких к номинальным для асинхронных машин нормального исполнения

Снаружи накопитель закрыт легким кожухом, поверхность которого может быть использована для размещения солнечных батарей, служащих в качестве маломощного источника питания в режиме разгона роторов-маховиков, т.е. в режиме накопления энергии.

Принцип работы накопителя аналогичен принципу действия прототипа. Если выполнено указанное выше условие самостабилизации, обеспечивающее превышение сил отталкивания над силами притяжения ферромагнитных роторов к индуктору, то при подаче напряжения на обмотку индуктора возникающие кольцевые магнитные поля, бегущие в кольцевых каналах индуктора в противоположных направлениях, вызывают левитацию роторов- маховиков, вращение их в противоположные стороны и одновременно центрируют их в кольцевых каналах индуктора и стабилизируют относительно оси вращения.

Вследствие отсутствия вала и подшипников у роторов-маховиков ресурс работы не ограничен и отсутствуют нежелательные явления, присущие подшипниковым системам, отсутствуют и механические потери от трения. Поэтому разгон роторов-маховиков может осуществляться до скорости, ограничиваемой лишь их механической прочностью, что позволяет накапливать в маховиках максимально возможную энергию при питании через статический преобразователь частоты от источника ограниченной мощности, например, солнечной батареи. При переводе двигатель-генератора накопителя в режиме рекуперативного торможения (отключением от источника питания и подключении автономных потребителей) запасенная в маховиках кинетическая энергия передается электромагнитным путем индуктору, преобразуется в нем в электрическую и отдается потребителю в

0 виде кратковременного импульса большой мощности или более длительного меньшей мощности при сохранении суммарного нулевого момента, действующего на корпус летательного аппарата. Возбуждение дви5 гатель-генератора в режиме рекуперации может быть вентильным или конденсаторным, Предлагаемый накопитель можно рассматривать как оптимизированный модуль на определенную запасаемую энергию. Это

0 позволяет составлять (монтировать) на корпусе летательного аппарата из таких модулей накопитель на любую практически требуемую энергию без увеличения скорости, вращения роторов-маховиков (она огра5 ничена механической прочностью их материала). Индуктор накопителя в этом случае должен иметь соответствующее число кольцевых каналов для размещения роторов-маховиков, а обмогка индуктора

0 должна иметь соответствующее каждой ларе маховиков число транспозиций.

Достоинствами предлагаемого накопителя являются: простота и надежность конструкции, отсутствие специальных следя5 щих систем радиальной и осевой стабилизации роторов-маховиков, высокие энергетические показатели, безопасность эксплуатации, возможность создания на любую требуемую энергию путем компоновки на

0 корпусе летательного аппарата индуктора (статора) с соответствующим числом каналов для размещения роторов-маховиков, расположение на корпусе летательного аппарата, не влияющее на его аэродинамиче5 ские характеристики, и возможность полезного использования внутреннего объема для размещения преобразовательных устройств и устройств возбуждения. Формула изобретения

0Накопитель кинетической энергии, содержащий индуктор бегущего магнитного поля и кольцевой ротор-маховик, взаимодействующий с последним, отличающийся тем, что, с целью повышения энерго5 емкости, в индукторе бегущего магнитного поля выполнены два кольцевых канала, он снабжен обмоткой, размещенной в последних, ротор-маховик выполнен в виде двух кольцевых ободов из ферромагнитного материала с радиальными канавками, установленных в кольцевых каналах индуктора бегущего магнитного поля, и снабжен дополнительной обмоткой из проводящего материала, размещенной в канавках заподлицо с поверхностями ободов, а ширина Ьп каждой из канавок выбрана из соотношения

1 (Mo I2M

,. .. ., ., JUI

ср

где Z2cp заданная средняя величина зуб- цового деления кольца ротора-маховика;

i0- заданная магнитная проницаемость среды, в которой размещены роторы- маховики;

Be - заданная индукция в зазоре между каждым из колец ротора-маховика;

12м - амплитуда тока в кольце обмотки ротора-маховика.

Использование: в электроэнергетике, в частности в накопителях кинетической энергии. В индукторе бегущего магнитного поля выполнены два кольцевых канала, он снабжен обмоткой, размещенной в последних, ротор-маховик выполнен в виде двух кольцевых ободов из ферромагнитного материала с радиальными канавками, установленных в кольцевых каналах индуктора бегущего магнитного поля, и снабжен дополнительной обмоткой из проводящего материала, размещенной в канавках заподлицо с поверхностями ободов, а ширина каждой из канавок выбрана из определенного соотношения. 2 ил.

Шиг1

№./