усовершенствованное устройство накопления электрической энергии с использованием кинетической энергии и рельсовое транспортное средство с таким устройством

Формула изобретения

1. Устройство (1; 101) накопления электрической энергии с использованием кинетической энергии, содержащее установленный внутри корпуса (10; 110) маховик (2) кольцевой формы, неподвижно соединенный с валом (29), установленным в опоре вращения с возможностью свободного вращения в корпусе, а также средства преобразования, выполненные с возможностью преобразования электрической энергии, подаваемой на вход устройства, в механическую энергию, накапливаемую маховиком, и преобразования механической энергии, накопленной маховиком, в электрическую энергию на выходе из устройства, отличающееся тем, что устройство выполнено симметричным относительно центральной плоскости (Р), перпендикулярной оси (А) вращения маховика (2), при этом диск (24) маховика расположен в центральной плоскости, а указанные средства преобразования содержат два узла ротор/статор (30, 34; 130, 134), расположенные по обе стороны от диска внутри кольца, образованного маховиком (2), причем каждый статор (32, 36; 132, 136) неподвижно соединен с корпусом, а каждый ротор (31, 35; 131, 135) неподвижно соединен с валом, при этом опора вращения представляет собой по меньшей мере два опорных подшипника (37, 38), расположенные симметрично по обе стороны от центральной плоскости и удерживающие концы вала.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый узел (130, 134) ротор/статор представляет собой электрический преобразователь с осевым потоком относительно оси (А) вращения.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый узел (30, 34) ротор/статор представляет собой электрический преобразователь с радиальным потоком относительно оси (А) вращения.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что каждый ротор (31, 35) закреплен непосредственно на валу (29), а статор охватывает ротор.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что корпус (10) содержит две внутренние стенки (18, 20), на каждой из которых установлен один из статоров (32, 36) двух узлов (30, 34) ротор/статор.

6. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что корпус (10; 110) выполнен герметичным для сохранения внутри относительного вакуума.

7. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что содержит единственный инвертор, электрически соединенный с двумя узлами (30, 34; 130, 134) ротор/статор.

8. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что содержит два инвертора, каждый из которых электрически соединен с одним из двух узлов (30, 34; 130, 134) ротор/статор.

9. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что содержит контур охлаждения статора за счет циркуляции жидкости.

10. Рельсовое транспортное средство, содержащее устройство накопления электрической энергии с использованием кинетической энергии, отличающееся тем, что указанное устройство является устройством (10; 110) накопления по любому из пп.1-9.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам накопления электрической энергии с использованием кинетической энергии, содержащим расположенный в корпусе маховик кольцевой формы, неподвижно соединенный с валом при помощи диска, при этом вал установлен с возможностью свободного вращения в корпусе при помощи опоры вращения, а также средства преобразования, выполненные с возможностью преобразования электрической энергии, подаваемой на вход устройства, в механическую энергию, накапливаемую маховиком, и преобразования накопленной маховиком механической энергии в электрическую энергию на выходе устройства.

При применении на рельсовом транспорте такие устройства накопления должны отвечать требованиям размерности, в частности, в отношении общей массы устройства и его габаритов. Например, если такое устройство накопления расположить на крыше трамвая, оно должно иметь высоту примерно до 50 см, что соответствует расстоянию между крышей трамвая и электрическими контактными линиями. Кроме того, общая масса устройства накопления не должна быть слишком большой, поскольку это может сказаться на ходовых характеристиках трамвая. Таким образом, устройство накопления должно быть достаточно компактным.

Кроме того, применение на рельсовом транспорте характеризуется высоким потреблением энергии, например, для питания тяговых и/или вспомогательных устройств, поэтому необходимо, чтобы устройство накопления могло накапливать большое количество механической энергии.

Наконец, устройство накопления должно иметь большую мощность. Средства преобразования должны позволять накапливать большое количество энергии в маховике за короткое время, соответствующее, например, времени остановки трамвая, обычно порядка 20 секунд.

В документе US 6172435 В1 описано устройство накопления вышеуказанного типа, отличающееся достаточной компактностью.

В этом устройстве колесо, соединяющее маховик с валом, содержит диск, образующий колокол над узлом ротор/статор. Кроме того, расположенный вертикально вал своим нижним концом опирается на дно корпуса, а верхний конец вала установлен в одном опорном подшипнике. При таком соединении вращающиеся массы образуют подобие волчка, следовательно, устройство является чувствительным к неравномерному распределению масс вокруг оси вращения. Поскольку трудно добиться равномерного распределения масс при небольших затратах, такое устройство обладает некоторым перекосом, влияние которого особенно отрицательно сказывается при работе на высоких скоростях. Поскольку такое устройство не может работать на высоких скоростях вращения, его нельзя использовать для накопления большого количества энергии.

Кроме того, при постоянных массе и высоте, чтобы увеличить момент инерции кольцевого маховика для накопления большего количества энергии, увеличивают его внутренний диаметр. В результате наружный диаметр ротора тоже увеличивается, так как в известном устройстве наружная стенка ротора закреплена на внутренней стенке маховика. Ротор выполнен в виде набора металлических листов из мягкой магнитной стали для обеспечения полного возврата создаваемого статором магнитного потока. Однако такая сталь является дорогой, и увеличение диаметра ротора отрицательно сказывается на общей стоимости устройства. Кроме того, чем больше диаметр ротора, тем больше увеличивается его момент инерции. Поэтому его изготовление требует особого внимания, чтобы избежать плохого распределения масс вокруг оси вращения. Если для снижения влияния перекоса уменьшать размеры ротора по отношению к статору, магнитный материал ротора будет быстро насыщаться, и возврат потока статора будет не полным. По этой причине преобразователь характеризуется многочисленными магнитными утечками, которые выражаются в потере мощности устройства накопления.

Наконец, компактность устройства является причиной многих второстепенных влияний на различные детали устройства накопления, и эти влияния в результате сокращают срок службы устройства. Эти второстепенные влияния могут быть механическими, магнитными и термическими. Например, поскольку ротор вращается в магнитном поле, он является причиной гистерезисных потерь и потерь, связанных с токами Фуко, поэтому во время работы устройства ротор нагревается. Часть этого тепла передается на маховик, на котором закреплен ротор. Из-за этого происходит различное расширение материалов, находящихся по обе стороны от соединения между ротором и маховиком. В результате это соединение подвергается сильным механическим напряжениям, и этот фактор сокращает срок службы известного устройства накопления. Его нельзя использовать на высоких скоростях. Наконец, если, например, инерционный маховик выполнен из композитного материала, например, путем намотки углеродных нитей, постоянное воздействие высоких температур приводит к преждевременному старению композитного материала.

Задачей изобретения является создание усовершенствованного по сравнению с известными техническими решениями устройства накопления, в частности, характеризующегося лучшей балансировкой и учитывающего механические, магнитные и термические условия, возникающие в результате интегрированного монтажа устройства, чтобы его можно было применять на рельсовом транспорте.

Поставленная задача решена в устройстве накопления вышеуказанного типа, которое выполнено симметричным относительно центральной плоскости, перпендикулярной оси вращения маховика, при этом диск маховика расположен в центральной плоскости, а средства преобразования содержат два узла ротор/статор, расположенные по обе стороны от диска внутри кольца, образованного маховиком, причем каждый статор неподвижно соединен с корпусом, а каждый ротор - с валом, при этом опора вращения представляет собой по меньшей мере два опорных подшипника, расположенные симметрично по обе стороны от центральной плоскости и удерживающие концы вала.

Согласно частным вариантам выполнения устройство накопления содержит один или несколько следующих отличительных признаков, взятых отдельно или в любых технически возможных комбинациях:

- каждый узел ротор/статор представляет собой электрический преобразователь с осевым потоком относительно оси вращения;

- каждый узел ротор/статор представляет собой электрический преобразователь с радиальным потоком относительно оси вращения;

- каждый ротор закреплен непосредственно на валу, а статор охватывает ротор;

- корпус содержит две внутренние стенки, на каждой из которых установлен один из статоров двух узлов ротор/статор;

- корпус выполнен герметичным для сохранения внутри относительного вакуума;

- устройство содержит единственный инвертор, электрически соединенный с двумя узлами ротор/статор;

- устройство содержит два инвертора, каждый из которых электрически соединен с одним из двух узлов ротор/статор;

- устройство содержит контур охлаждения статора за счет циркуляции жидкости.

Объектом настоящего изобретения является также рельсовое транспортное средство, содержащее описанное выше устройство накопления электрической энергии с использованием кинетической энергии.

Настоящее изобретение и его преимущества будут более понятны из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве примера со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 показано устройство накопления электрической энергии с использованием кинетической энергии согласно первому варианту осуществления изобретения, вид в осевом разрезе;

на фиг.2 - устройство накопления электрической энергии с использованием кинетической энергии согласно второму варианту осуществления изобретения, вид в осевом разрезе.

На фиг.1 показано устройство накопления согласно первому варианту его выполнения. Устройство 1 накопления выполнено симметричным относительно центральной плоскости Р, перпендикулярной оси А вращения маховика 2, что улучшает его балансировку и обеспечивает работу на высоких скоростях вращения и, следовательно, накопление большого количества кинетической энергии.

Устройство 1 накопления содержит выполненный из листов толщиной а корпус 10, имеющий внешнюю форму цилиндра с осью А. Корпус 10 имеет диаметр D и высоту Н. Корпус 10 выполнен с возможностью крепления устройства 1 накопления на крыше трамвая. После установки устройства 1 накопления на крыше трамвая ось вращения А имеет вертикальное направление.

Корпус 10 содержит боковую стенку 12, верхнюю стенку 14 и нижнюю стенку 16. Корпус 10 выполнен герметичным и может поддерживать относительный вакуум для снижения трения и рассеяния энергии между различными деталями устройства 1 накопления.

Внутри корпуса 10 по обе стороны от центральной плоскости Р имеются две внутренние цилиндрические перегородки 18 и 20, расположенные коаксиально по отношению к оси А вращения. Они имеют внутренний диаметр d. Верхняя кромка верхней внутренней перегородки 18 закреплена посредством сварки на верхней стенке 14 корпуса 10, а нижняя кромка внутренней перегородки 20 закреплена посредством сварки или винтами на нижней стенке 16 корпуса 10. Свободные кромки каждой из внутренних перегородок 18 и 20 расположены напротив друг друга и разделены заранее определенным промежутком е.

Внутри корпуса 10 установлен кольцевой маховик 2. Маховик 2 содержит ступицу 22, диск 24, обод 26 с кольцевой инерционной массой 28. Форма кольцевой массы 28 образована в результате вращения по существу прямоугольного сечения вокруг оси А вращения, причем это сечение имеет высоту, немного меньшую внутренней высоты корпуса 10, равной Н-2а, и толщину, немного меньшую разности между внутренним диаметром корпуса 10, равным D-2а, и наружным диаметром внутренних перегородок 18 и 20, равным d+2а.

Маховик 2 расположен в корпусе 10 таким образом, что внутренние перегородки 18 и 20 расположены внутри окружности его обода 26. Размеры маховика 2 соответствуют размерам корпуса 10 таким образом, чтобы сохранять минимальное расстояние между ними, обеспечивающее вращение маховика 2 относительно неподвижного корпуса 10 и позволяющее получить максимальный объем, занимаемый маховиком 2, чтобы устройство 1 накопления могло накапливать большое количество энергии с учетом объема корпуса 10.

Маховик 2 неподвижно соединен с валом 29, проходящим вдоль оси А вращения, посредством ступицы 22 таким образом, чтобы его диск 24, симметричный оси А, располагался в радиальном направлении в центральной плоскости Р. Диск 24 имеет толщину, немного меньшую промежутка е между свободными кромками внутренних стенок 18 и 20 корпуса 10, чтобы обеспечивать вращение диска 24 между неподвижными внутренними стенками 18 и 20.

Верхний и нижний концы вала 29 удерживаются на верхней и нижней стенках 14 и 16 корпуса 10 двумя опорными подшипниками 36 и 38, соответственно, верхним и нижним. Эти подшипники расположены симметрично по обе стороны от центральной плоскости Р. Эти средства удержания вала 29 на корпусе 10 обеспечивают свободное вращение вала 29 вокруг оси А. Наличие этих двух опорных подшипников позволяет сохранять точное положение вала 29 при работе устройства 1 накопления, в частности при вращении вала с высокой скоростью. Поскольку устройство 1 предназначено для установки таким образом, чтобы ось А располагалась вертикально, опорные подшипники 37 и 38 являются упорными подшипниками, позволяющими выдерживать осевую нагрузку.

В качестве средств преобразования электрической энергии в механическую энергию вращения маховика 2, и наоборот, устройство 1 накопления содержит два узла ротор/статор, которые расположены, соответственно, по обе стороны от диска 24 внутри обода 26 маховика 2 и внутри объема, ограниченного внутренними стенками 18 и 20 корпуса 10.

Верхний узел 30 ротор/статор содержит ротор 31, закрепленный непосредственно на валу 29, и статор 32, неподвижно соединенный с обращенной к валу 29 внутренней стороной внутренней перегородки 18. Симметрично, нижний узел 34 ротор/статор содержит ротор 35, закрепленный непосредственно на валу 29, и статор 36, неподвижно соединенный с обращенной к валу 29 внутренней стороной внутренней перегородки 20.

В этом первом варианте осуществления изобретения каждый узел 30, 34 ротор/статор образует электрический преобразователь с радиальным потоком относительно оси вращения А. Кроме того, этот преобразователь выполнен таким образом, чтобы статор охватывал ротор.

При выполнении средств преобразования в виде двух узлов ротор/статор, установленных симметрично относительно плоскости Р, вращающаяся машина сбалансирована лучше.

Кроме того, поскольку каждый узел 30, 34 ротор/статор изолирован внутренней перегородкой 18, 20, тепло, выделяемое каждым из этих узлов, не влияет на эффективность работы маховика 2.

За счет установки ротора непосредственно на валу размеры ротора уменьшены, поэтому на его изготовление уходит меньшее количество магнитного материала, что позволяет снизить стоимость изготовления роторов. В этом случае их размеры зависят только от магнитного потока, который производит статор и который необходимо направлять. Кроме того, расположенные ближе к оси вращения роторы меньше участвуют в динамическом поведении вращающейся машины. В частности, колебания массы роторов относительно оси вращения лишь в незначительной степени влияют на балансировку вращающейся инерционной массы, следовательно, можно развивать высокие скорости вращения.

Оба узла 30, 34 ротор/статор получают питание от одного реверсивного инвертора, используемого на обоих режимах работы. В варианте, показанном на фигурах, они получают раздельное питание от двух соответствующих инверторов 40 и 44. Предпочтительно один из узлов ротор/статор обеспечивает среднюю производительность маховика, а другим узлом ротор/статор управляют для обеспечения максимальной производительности маховика.

В варианте выполнения, отличном от представленного выше, устройство содержит контур охлаждения за счет циркуляции жидкости в трубопроводе, установленном на внутренних цилиндрических перегородках 18 и 20. Этот контур охлаждения позволяет повысить эффективность охлаждения статора, который в большинстве случаев является причиной термических потерь устройства, и улучшить его тепловую изоляцию.

При необходимости доступ к этому контуру обеспечивается за счет люков, выполненных на стенках 14 и 16.

На фиг.2 показан другой вариант выполнения устройства накопления энергии. На фиг.2 детали, идентичные деталям, показанным на фиг.1, обозначены одинаковыми цифровыми позициями, тогда как детали, подобные деталям, показанным на фиг.1, обозначены цифровыми позициями, увеличенными на сто по сравнению с цифровой позицией, используемой для обозначения деталей, показанных на фиг.1.

Устройство 101 накопления содержит наружный корпус 110 по существу цилиндрической формы относительно оси А. Внутри корпуса 110 находится кольцевой маховик 2. Маховик 2 неподвижно соединен с валом 29 при помощи ступицы 22 таким образом, чтобы диск 24 маховика 2 находился в центральной плоскости Р, являющейся плоскостью симметрии для всего устройства 101 накопления.

Вал 29 удерживается на одной линии с осью А вращения с возможностью свободного вращения относительно корпуса 110 при помощи двух опорных подшипников37 и 38, соответственно, верхнего и нижнего.

Средства преобразования обеспечивают преобразование электрической энергии в кинетическую энергию, и наоборот. Эти средства содержат два узла 130 и 134 ротор/статор, расположенные по обе стороны от центральной плоскости Р. В этом втором варианте выполнения каждый узел 130, 134 ротор/статор образует электрический преобразователь с осевым потоком, то есть линии полей параллельны оси вращения А. В частности, верхний узел 130 ротор/статор содержит статор 132 кольцевой формы вокруг оси А, неподвижно соединенный с верхней стенкой 114 корпуса 110, и ротор 131, тоже кольцевой формы вокруг оси А, установленный на валу 29 при помощи диска 133. Ротор 131 находится напротив статора 132 и образует с ним соответствующий рабочий зазор. Аналогично, в нижней части устройства 101 накопления узел 134 ротор/статор содержит статор 136, неподвижно соединенный с нижней стенкой 116 корпуса 110, и ротор 135, тоже кольцевой формы, неподвижно соединенный с валом 29 при помощи диска 137. Как и в предыдущем варианте выполнения, устройство накопления содержит два инвертора 40 и 44, при этом каждый инвертор соединен с обмоткой статора одного из узлов ротор/статор.

Как и в первом варианте выполнения, узел 130, 134 ротор/статор изолирован, насколько это возможно, от маховика 2. Тепло, выделяемое узлом 130, 134 ротор/статор во время его нормальной работы, распространяется только в сторону маховика, термически изолированного от узла ротор/статор.

В этом варианте выполнения устройства 101 его детали тоже расположены симметрично относительно центральной плоскости Р, что обеспечивает точную балансировку маховика и позволяет развивать большие номинальные скорости вращения. Таким образом, устройство накопления может накапливать большее количество кинетической энергии.