Инерционный накопитель энергии Советский патент 1992 года по МПК H02K7/02 

Изобретение относится к области электроэнергетики и предназначены для питания автономных потребителей за счет накапливаемой кинетической энергии, таких, например, как электропривод транспортных устройств при отсутствии контактной сети, обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителей при кратковременномисчезновении

напряжения питающей сети, питания потребителей специального назначения.

Наиболее близким по назначению, использованию к таким признакам, как совмещение функций двигателя и генератора в одной машине, использование ротора в качестве маховика, наличие вертикальной оси вращения, торцовая форма статоров, является устройство для накопления энергии, описанное в авт.св. СССР № 1358725 и принимаемое за прототип.

В этом устройстве для накопления кинетической энергии используется инерционная масса дискового ротора-маховика с ободом, вращающегося вокруг вертикальной оси, с расположенной на его торцовых

поверхностях активной частью в оиде плоских колец из проводящего немагнитного материала. Вес ротора-маховика компенсируется системой подвески из электромагнита постоянного тока со сферической торцевой поверхностью, соосного с осью вращения, и шаровой опоры, центр которой расположен выше центра тяжести ротора- маховика. Поверхность ротора-маховика, притягивающаяся к электромагниту, также сделана сферической. Центр кривизны сферической поверхности электромагнита совпадает с центром шаровой опоры.

Данное устройство работает по принципу асинхронного двигатель-генератора, на- капливая кинетическую энергию в роторе-маховике во время его разгона и отдавая ее в виде электрической автономному потребителю при отключении от источника питания. Имеется система, обеспечивающая самовозбуждение двигатель-генератора (вентильная или емкостная).

Недостатками такого устройства являются значительные потери в роторе-маховике при разгоне из-за повышенного его

сл С

vl 00

VJ VI

скольжения и в обмотках статоров вследствие значительной реактивностью составляющей тока, идущего на создание вращающегося магнитного поля. Кроме того, требуется большая реактивная мощность для обеспечения самовозбуждения двигатель+генератора в режиме рекуперации при работе на автономную нагрузку. Она составляет 75-100% от активной мощности, отдаваемой потребителю. Сравнительно сложно также стабилизировать выходное напряжение при снижении скорости вращения ротора-маховика и изменение нагрузки, особенно при емкостном самовозбуждении.

Целью изобретения является улучшение энергетических показателей устройства.

Поставленная цель достигается тем, что ротор-маховик накопителя выполняется с глубокими пазами в активной зоне его плоских торцовых поверхностей. Число пазов, имеющих в плане форму трапеций, равно числу полюсов вращающегося магнитного поля статоров, радиусы кривизны внешней и внутренней сторон пазов соответствуют радиусам внешней и внутренней сторон магнитопроводов статоров соответственно, а боковые стороны ориентированы в радиальном направлении. Все это создает условия для возникновения реактивного момента, позволяющего осуществить частотный разгон ротора-маховика при отсутствии возбуждения без скольжения, следовательно, при отсутствии основных потерь в его массиве и потерь на возбуждение. Одновременно обеспечивается наведение в обмотках статоров периодических ЭДС и вращение ротора-маховика в режиме рекуперации запасенной энергии при возбуждении постоянным током также без скольжения по отношению к вращающему полю статоров, создаваемому током нагрузки, т.е. также при отсутствии в роторе-маховике основных потерь. Мощность же, затрачиваемая на возбуждение в режиме рекуперации, по крайней мере на порядок меньше по сравнению с прототипом.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1), где изображена принципиальная конструктивная схема накопителя. Он имеет два торцовых статора 1 и I1 с навитыми магнитопроводами. В зазоре между ними на вертикальном валу вращается массивный ферромагнитный ротор-маховик 2. Его инерционная масса используется для накопления энергии при разгоне.

На торцовых поверхностях статоров 1 и 11, обращенных к ротору-маховику, в ради- ально профрезерованных пазах уложены

две трехфазные обмотки 3 и З1, создающие вращающееся магнитное поле. Они включаются параллельно и согласно. На торцовых поверхностях ротора-маховика также профрезерованы пазы 4, число которых равно числу полюсов вращающегося поля статоров. Они имеют в плане форму трапеций с криволинейными основаниями, радиусы кривизны которых соответствуют радиусам

0 внешней и внутренней окружностей магнитопроводов статоров, а боковые стороны ориентированы в радиальном направлении и при их продолжении они пересекаются на оси вращения ротора-маховика. Для увели5 чения массы последнего и снижения аэродинамических потерь пазы залиты проводящим немагнитным материалом (латунью, бронзой или алюминием). Глубина пазов и форма их в сечении выбраны из

0 условия получения кривой выходного напряжения, возможно меньше отличающейся от синусоиды. Вес ротора-маховика частично компенсируется электромагнитом постоянного тока 5, расположенным соосно

5 с осью вращения.

По периферии магнитной системы статоров расположена кольцевая обмотка возбуждения 6, закрепленная на внутренней цилиндрической поверхности корпуса 7 на0 копителя. Магнитный поток возбуждения замыкается по пути, показанному на фиг.1 пунктиром. С целью исключения замыкания потока по корпусу накопителя через подшипники, они размещены во втулках из не5 магнитного материала, а вал ротора-маховика сделан из латуни. Влияние потока разгрузочного электромагнита на поток возбуждения исключается за счет экранирования электромагнита. Он также раз0 мещен во втулке из немагнитного материала. Все устройство помещено в ва- куумированный корпус 7, за исключением подшипников 8 и 9. Герметичность в местах выхода вала осуществляется уплотнением

5 10с магнитной жидкостью.

Накопитель работает следующим образом.

Перед началом разгона ротора-маховика он предварительно взвешивается в про0 странстве включением разгрузочного электромагнита 5. При подаче напряжения на обмотки статоров с частотой, близкой в О, ротор-маховик начинает вращаться под действием реактивного момента, обуслов5 ленного наличием в активной зоне ротора- маховика пазов и зубцов. Постепенным увеличением частоты питающего напряжения осуществляется его частотный разгон до скорости, соответствующей номинальной частоте этого напряжения. Объем заласаемой в роторе-маховике кинетической энергии определяется установившейся скоростью и его моментом инерции.

По окончании разгона ротора-маховика накопитель отключается от источника пита- ния и работает вхолостую в ждущем режиме.,..- ...

Для отдачи запасенной энергии автономному потребителю последний подключен к обмоткам статоров, а в обмотку возбуждения подается постоянный ток. Из- за чередования пазов и зубцов ротора-ма- ховика при его вращении проводимость пути неподвижного в пространстве потока возбуждения в активной зоне меняется. Вследствие этого возникают его пространственные и временные пульсации в зазорах машины в зоне пазов (активной зоне), как показано на фиг,2. Переменной составляющей этого потока в обмотках статоров на во- дятся периодические ЭДС, изменяющиеся во временной с частотой, соответствующей меняющейся частоте вращения ротора-маховика. Накопитель работает при этом в режиме синхронного индукторного генератора с уменьшающейся скоростью ротора-маховика, преобразуя запасенную в последнем кинетическую энергию в электрическую, которая и отдается потребителю,

Энергия, затрачиваемая на возбуждение, отбирается через выпрямитель с выходных зажимов накопителя, т.е. обеспечивается его самовозбуждение. Возможно возбуждение и от постороннего ис- точника, например, аккумуляторной батареи.

Величина, выходного напряжения накопителя стабилизируется автоматической системой форсировки тока возбуждения.

При снижении скорости ротора-маховика на 85% отбирается почти вся запасенная в нем кинематическая энергия при хорошем качестве получаемой электрической энергии. После этого двигатель-гене- ратор накопителя снова подключается к первичному источнику питания без подачи

постоянного тока в обмотку возбуждения, ротор-маховик разгоняется до первоначальной скорости, и все устройство вновь переводится в ждущий режим.

Преимущества предлагаемого накопителя по сравнению с прототипом.

1.Отсутствие основных потерь в роторе-маховике как в двигательном и генераторном режимах, так и в режиме работы с установившейся скоростью (ждущем режиме), в то время как в роторе-маховике прототипа они составляют примерно 50% электрических и магнитных потерь двигатель-генератора.

2.Мощность, затрачиваемая на возбуждение в режиме отдачи энергии потребителю, rio крайней мере на порядок меньше, чем в прототипе.

3.Проще достигается стабилизация выходного напряжения за счет регулирования по цепи возбуждения.

4.Возможность работы в режиме рекуперации с опережающим коэффициентом мощности при перевозбуждении.

5.Возможность асинхронного разгона, но при наличии потерь скольжения.

Работоспособность накопителя проверена на 3 действующих моделях энергоемкостью по 25 КДж каждая.

Формул а изобретения Инерционный накопитель энергии, содержащий два торцовых магнитопровода статора, ротор-маховик в виде массивного диска с пазами, установленный между статорами, электромагнит постоянного тока для компенсации веса маховика и систему возбуждения постоянного тока, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью улучшения энергетических характеристик, число пазов ротора-маховика равным числу полюсов статора, радиусы внешней и внутренней сторон пазов соответствует радиусам внешней и внутренней сторон магнитопроводов статоров соответственно, а боковые стороны ориентированы в радиальном направлении.

i

-i

U

ф --

мни

мин

t

Сущность изобретения: ротор-маховик в виде массивного диска с пазами установлен между двумя торцовыми магнитопрово- дами статора. Число пазов ротора равно числу пазов статора. Боковые стороны пазов ротора ориентированы в радиальном направлении и радиусы их внешней и внутренней сторон соответствует радиусам внешней и внутренней сторон магнитопро- водов статора. 2 ил.

Риг.2