кинетический аккумулятор
Классы МПК: | H02J15/00 Системы для накопления электрической энергии H02K31/00 Униполярные двигатели и генераторы, те машины постоянного тока с барабанным или дисковым якорем и непрерывным токосъемом H02K13/00 Конструктивные соединения токосъемников с двигателями или генераторами, например пластинные щеткодержатели, соединители для обмоток H02K25/00 Двигатели и генераторы пульсирующего постоянного тока H02M9/00 Преобразование входной энергии постоянного или переменного тока в энергию требуемого вида |
Автор(ы): | Власов В.И. |
Патентообладатель(и): | Акционерное общество "Новолипецкий металлургический комбинат" |
Приоритеты: |
подача заявки:
1996-12-24 публикация патента:
10.09.1998 |
Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики, позволяет повысить технико-экономические показатели преобразования энергии и обеспечить гарантированное энергоснабжение потребителей. Отличительной особенностью предложения является, то что в герметичном корпусе, в котором создан глубокий вакуум, на радиально-осевой самоцентрирующей с ограничителями осевого и радиального перемещения магнитной опоре, служающей одновременно ступицей ободкового супермаховика, навитого и высокопрочных нитей, установлен вертикально явнополюсный якорь дисковой униполярной машины электромагнитного возбуждения с центральным и периферийным термоэлетромиссионными управляемыми токосъемами. При этом самооцентровка ротора обеспечивается конусообразной формой магнитной опоры, ограничители осевого и радиального перемещения выполнен в виде опорно-упорных подшипников на основе твердых самосмазывающих материалов, анод центрального термоэмиссионного токосъема охлаждаем, а нагреваемые катоды с сеточными управлением периферийных токосъемов и катушка возбуждения разделены охлаждаемым экраном. Указанное конструктивное исполнение обеспечивает режимы зарядки и разрядки, а также необходимую длительность хранения энергии в дежурном режиме при максимальных показателях удельной энергоемкости и экономичности. 1 ил.
Рисунок 1
Формула изобретения
Кинетический аккумулятор электрической энергии преимущественно для систем электроснабжения потребителей, содержащий корпус, маховиковый накопитель энергии, зарядно-разрядный электромагнитный орган и систему управления режимами работы, отличающийся тем, что в герметичном корпусе, в котором создан глубокий вакуум, на радиально-осевой самоцентрирующей с ограничителями осевого и радиального перемещения магнитной опоре, служащей одновременно ступицей ободкового супермаховика, навитого из высокопрочных нитей, установлен вертикально явнополюсный якорь дисковой униполярной машины электромагнитного возбуждения с центральным и переферийными термоэмиссионными управляемыми токосъемами, при этом самоцентровка ротора обеспечивается конусообразной формой магнитной опоры, ограничители осевого и радиального перемещения выполнены в виде опорно-упорных подшипников на основе твердых самосмазывающихся материалов, анод центрального термоэмиссионного токосъема охлаждаем, а нагреваемые катоды с сеточным управлением переферийных токосъемов и катушка возбуждения разделены охлаждаемым экраном.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано в системах гарантированного энергообеспечения. Известны кинетические аккумуляторы электрической энергии (КАЭЭ), содержащие маховик, запасающий энергию за время зарядного цикла и отдающий ее в разрядном цикле, электродвигатель, генератор, систему управления и редуктор. КВЭЭ могут выполняться:1) с машиной постоянного тока (МПТ);
2) с асинхронным двигателем (АД) и синхронным генератором (СГ). 3) с асинхронным двигатель-генератором с короткозамкнутым ротором (АДГ);
4) с асинхронизированным синхронным генератором (АСГ);
5) с вентильным двигатель-генератором (ВДГ). Существенными недостатками:
1) структуры КАЭЭ с МПТ является ограничение максимальной окружной скорости коллектора МПТ, которая не должна превышать 50-60 м/с (см., например, Исаев В.С., Ковтун В.П. Характер разрушения поверхности трения меди в электрическом скользящем контакте. Электротехника, N 8, 1976);
2) КАЭЭ с АД и СГ конструктивно сложны, потребляют много энергии при разгоне, из которой 50-60% превращается в тепло;
3) главной сложностью при разработке КАЭЭ с АДГ является проблема регулирования напряжения асинхронного генератора в широком диапазоне изменения частоты вращения;
4) КАЭЭ на основе АСГ обладают конструктивной сложностью, ограниченным диапазоном изменения частоты вращения маховика, наличием контактных колец;
5) КАЭЭ с ВДГ на базе синхронных машин также требуют наличия сложного и ненадежного трехфазного двухполупериодного инвертора для частотно-токового регулирования, не исключающего потерь энергии в зарядном и дежурном режимах, тахогенератора или датчика положения ротора и регулятора напряжения, а разработка асинхронного ВДГ вообще нецелесообразна из-за сложности регулирования напряжения. Поэтому вопросы разработки КАЭЭ и в первую очередь вопросы рационального преобразования электрической энергии в механическую и обратно применительно к системам электроснабжения с маховиком остаются открытыми (см. например. Ледовский А.Н., Литвинов И.И., Новиков М.Э., Тимофеева А.Т. Проблемы создания кинетических аккумуляторов электрической энергии, Электричество, N 3, 1978). Известны также КАЭЭ, содержащие униполярную машину (УМ) постоянного тока с маховиком для питания индуктивного накопителя энергии, которые могут быть приняты за прототип (см. например. Униполярные электрические машины, доклады конференции, Москва, март 1969 года, с. 8). Но такие КАЭЭ низковольтны и предназначены для работы только в импульсном режиме. При работе в длительном режиме задача создания надежного высокоскоростного контакта по-прежнему актуальна, а создание импульсных генераторов на повышенное напряжение является существенно более сложной задачей (см. там же с.35). Целью изобретения является создание простых, необслуживаемых КАЭЭ, пригодных для практического применения в системах гарантированного электроснабжения, обладающих более высоким КПД преобразования и удельной энергоемкостью, отсутствием потерь в дежурном режиме, что обеспечит необходимую длительность хранения энергии, легкостью управления любыми режимами и универсальностью рода тока как зарядного, так и разрядного циклов. Цель достигается органическим объединением и взаимным дополнением свойств и достоинств витого супермаховика, самоцентрирующей магнитной опоры, дисковой униполярной электрической машины и управляемого термоэмисионного генератора. Сущность изобретения заключается в том, что в герметичном корпусе, в котором создан глубокий вакуум, на радиально-осевой самоцентрирующей с ограничителями осевого и радиального перемещения магнитной опоре, служащей одновременно ступицей ободкового супермаховика, навитого из высокопрочных нитей, установлен вертикально явнополюсной якорь дисковой униполярной машины электромагнитного возбуждения с центральным и периферийным термоэмиссионными управляемыми токосъемами. При этом самоцентровка ротора обеспечивается конусообразной формой магнитной опоры, ограничители осевого и радиального перемещения выполнены в виде опорно-упорных подшипников на основе твердых самосмазывающихся материалов, анод центрального термоэмиссионного токосъема охлаждаем, а нагреваемые катоды с сеточным управлением периферийных токосъмов и катушка возбуждения разделены охлаждаемым экраном из немагнитного материала. Проведенный патентный поиск показал отсутствие КАЭЭ с предлагаемой совокупностью признаков. Таким образом, в данном случае известные элементы объединены новыми связями, придают новые свойства КАЭЭ, проявившиеся в положительных эффектах, вследствие чего решение может быть признано имеющим изобретательский уровень. Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показан продольный оси вращения ротора разрез КАЭЭ в варианте совмещения диска якоря с подвижной частью магнитопровода (конструктивная схема). КАЭЭ состоит из герметичного корпуса 1 с силовыми входом 2, выходом 3 и управленческими 4 электрическими выводами. Внутри корпуса 1 на радиально-осевой магнитной опоре 5 вертикально закреплен вал 6. Магнитная опора 5 состоит из подвижной 5а и неподвижной 5б частей; представляет собой два конусообразных диска постоянных магнитов из сплавов редкоземельных металлов и кобальта, намагниченных вдоль оси и встречно. В общем случае при необходимости магнитная опора 5 будет состоять из расчетного количества пар подвижных и неподвижных 5б дисков до полного уравновешивания веса подвижных частей КАЭЭ, самоцентровка которых обеспечивается конусообразной формой дисков 5а и 5б. Подвижный диск 5а магнитной опоры одновременно может служить ступицей ободкового супермаховика 7, навитого из высокопрочных нитей, например, стекловолокна, бора, кевлара, графита, кварца, полимеров и т.д. Массивный обод, навитый из сверхпрочных волокон, обеспечивает высокую плотность накопленной энергии и безопасный (безосколочный) выход из строя в случае превышения предельно допустимой скорости вращения маховика. Если это стальная проволока прочностью 5000 н/мм2, то удельная энергия аккумулятора составит 3





Для обеспечения неизменности принятого расположения катодов и анодов в зарядном и разрядном циклах принят электромагнитный способ создания рабочего магнитного потока Ф, полярность которого в этом случае легко изменить направлением тока в обмотке возбуждения 10, т.е. режим работы (зарядный или разрядный) при неизменном направлении вращения якоря 8 определяется направлением регулируемого в широких пределах тока в обмотке возбуждения 10. Питание якоря 8 постоянным или переменным (бесконтактный токосъем работает выпрямителем при постоянном потенциале управляющей сетки 12) током через вывод 2 периферийного токосъема и вывод 3 центрального токосъема (поверхность А) при наличии накала катодов и магнитного потока возбуждения обусловит по закону электромагнитных сил разгон ротора и накопление энергии в маховике 7. Дежурный режим характеризуется отключением нагрева катодов периферийного и центрального токосъемов и снятием тока возбуждения. При этом все виды потерь в КАЭЭ будут отсутствовать, что обеспечит необходимую длительность хранения энергии. Возобновление питания нагреваемых катодов, управляющей сетки 12 и перемена направления тока в обмотке возбуждения 10 обусловят разрядный режим работы КАЭЭ. При этом ЭДС, развиваемая униполярным генератором, будет равна

Класс H02J15/00 Системы для накопления электрической энергии
Класс H02K31/00 Униполярные двигатели и генераторы, те машины постоянного тока с барабанным или дисковым якорем и непрерывным токосъемом
Класс H02K13/00 Конструктивные соединения токосъемников с двигателями или генераторами, например пластинные щеткодержатели, соединители для обмоток
Класс H02K25/00 Двигатели и генераторы пульсирующего постоянного тока
Класс H02M9/00 Преобразование входной энергии постоянного или переменного тока в энергию требуемого вида