ES2588803B2

ES2588803B2 - Mechanical accumulator using flywheel

Info

Publication number: ES2588803B2
Application number: ES201600535A
Authority: ES
Inventors: Juan Carlos Sáenz-Díez Muro; Emilio Jiménez Macías; Julio Blanco Fernández; Eduardo MARTÍNEZ CÁMARA; Mª De Las Mercedes PÉREZ DE LA PARTE; Juan Manuel Blanco Barrero
Original assignee: Universidad de La Rioja
Current assignee: Universidad de La Rioja
Priority date: 2016-06-17
Filing date: 2016-06-17
Publication date: 2017-06-27
Anticipated expiration: 2036-06-17
Also published as: ES2588803A1

Abstract

Acumulador mecánico mediante volante de inercia (1), de los que incorporan un volante de inercia (20) que funciona a alta velocidad en el vacío y que consta de:#a. una máquina eléctrica con multiplicador de velocidad integrado (10), que está formado por un núcleo magnético estatórico (110), dispuesto al aire para poder evacuar el calor generado, y por un rotor hueco de jaula de ardilla (120), dispuesto al vacío;#b. un volante de inercia (20) dispuesto al vacío, estando formado dicho rotor (210) en la zona más alejada de un árbol (211) por un núcleo (212), con forma toroidal y de un material de alta densidad ({de}) y recubriendo el núcleo (212), dispone de un cuerpo de compuesto (213), con forma toroidal con un disco central y de un material de alta tensión mecánica ({si});#c. una carcasa alojamiento al vacío (03).Mechanical accumulator using flywheel (1), of which incorporate a flywheel (20) that operates at high speed in a vacuum and consists of: #a. an electric machine with integrated speed multiplier (10), which is formed by a static magnetic core (110), arranged in the air to be able to evacuate the generated heat, and by a hollow squirrel cage rotor (120), arranged under vacuum ; #b. a flywheel (20) disposed under vacuum, said rotor (210) being formed in the area furthest from a tree (211) by a core (212), with a toroidal shape and a high density material ({de} ) and covering the core (212), it has a composite body (213), with a toroidal shape with a central disk and a high mechanical tension material ({si}); # c. a vacuum housing housing (03).

Description

Acumulador mecánico mediante volante de inercia. Mechanical accumulator using flywheel.

5 Objeto y sedor de la técnica al que se refiere la invención 5 Object and sedor of the technique to which the invention relates

La presente invención se refiere a un acumulador de energía mecánica en forma de energía cinética, mediante volante de inercia de alta velocidad, con la funcionalidad de una hatería eléctrica casi ideal, constituyendo, lo que podemos denominar como "bateria The present invention relates to a mechanical energy accumulator in the form of kinetic energy, by means of a high-speed flywheel, with the functionality of an almost ideal electric battery, constituting what we can call a "battery

10 mecánica" . 10 mechanics. "

El campo de utilización abarca desde la aplicación en instalaciones eléctricas, tanto de alta como baja tensión, hasta en vehículos. The field of use ranges from application in electrical installations, both high and low voltage, to vehicles.

15 La invención se sitúa en sector técnico de la ingeniería electro-mecánica, y más concretamente en el relativo al de las máquinas electro-mecánicas. The invention is located in the technical sector of electro-mechanical engineering, and more specifically in that of electro-mechanical machines.

Generalidades y estado de la técnica anterior más próximo General and closest prior state of the art

2 O Un volante de inercia permite almacenar energía mecánica en forma de energía cinética, por lo que debido a esta función también se le denomina acumulador cinético. Los volantes de inercia permiten que la transferencia energética sea muy rápida, frente p.ej., a baterías electroquímicas, que requieren de un cierto tiempo de carga y descarga debido a su proceso químico. Las baterías electroquímicas son muy lentas en el proceso de carga 2 O A flywheel allows you to store mechanical energy in the form of kinetic energy, so due to this function it is also called a kinetic accumulator. The flywheels allow the energy transfer to be very fast, for example, to electrochemical batteries, which require a certain time of charge and discharge due to their chemical process. Electrochemical batteries are very slow in the charging process

2 5 Y descarga, y si se pretende disminuir el tiempo su rendimiento desciende a valores inferiores al 30%; 2 5 And download, and if you want to reduce the time your performance drops to values below 30%;

Los volantes de inercia, de baja velocidad, han sido utilizados en ciclos mecánicos de requerimiento energético discontinuo, tal como prensas, troqueladoras, motores 3 O alternativos, etc. También han sido empleados para suavizar el movimiento de rotación de un eje, como p.ej., en grupos turbina-generador eléctrico. The low speed flywheels have been used in mechanical cycles of discontinuous energy requirements, such as presses, die cutters, alternative 3 O motors, etc. They have also been used to smooth the rotation movement of an axis, such as in turbine-electric generator groups.

Los volantes de inercia, de alta velocidad, se emplean en la actualidad para almacenamiento de energía mecánica en forma cinética, se emplean para estabilizar la red 35 eléctrica, suministro de energético motriz en vehículos, etc. The high-speed flywheels, currently used for storing kinetic mechanical energy, are used to stabilize the electrical network 35, supply of motive energy in vehicles, etc.

En el estado de la técnica son conocidos diferentes tipos de acumuladores mecánicos mediante volante de inercia. En el estado de la técnica más cercana tenemos los siguientes documentos, entre muchos otros: Different types of mechanical accumulators by means of flywheel are known in the state of the art. In the closest state of the art we have the following documents, among many others:

En el documento de patente denominado 001 con número de publicación ES 2422932 T3 Y fecha de prioridad 18.08.2008 y titulado literalmente: "Montaje de volante de inercia", se describe un montaje de volante de inercia y, más particulannente, una reducción de las cargas experimentadas durante el fallo de un volante de inercia de alta In the patent document called 001 with publication number ES 2422932 T3 and priority date 18.08.2008 and literally entitled: "Flywheel assembly", a flywheel assembly is described and, more particularly, a reduction of loads experienced during the failure of a high flywheel

45 velocidad. 45 speed

En el documento de patente denominado 002 con número de publicación ES 2398621 T3 Y fecha de prioridad 21.05.2008 ytitulado literalmente: "Dispositivo de accionamiento con un motor de combustión interna y un volante de inercia con una máquina eléctrica", se describe un dispositivo de accionamiento con un motor de combustión interna y un In the patent document called 002 with publication number ES 2398621 T3 and priority date 21.05.2008 and literally entitled: "Drive device with an internal combustion engine and a flywheel with an electric machine", a device is described drive with an internal combustion engine and a

5 volante de inercia con una máquina eléctrica. 5 flywheel with an electric machine.

En el documento de patente denominado 003 con número de publicación ES 2366494 T3 Y fecha de prioridad 04.05.2007 y titulado literalmente: "Volante de inercia de alta velocidad", se describe un volante de inercia de alta velocidad para su utilización en In the patent document called 003 with publication number ES 2366494 T3 and priority date 04.05.2007 and literally entitled: "High speed flywheel", a high speed flywheel is described for use in

10 vehículos. 10 vehicles

En el documento de modelo de utilidad denominado 004 con número de publicación ES 1020273 U Y fecha de presentación 16.07.1991 y titulado literalmente: "Acumulador cinético de energía", se describe un acumulador cinético de energía, destinado a absorber In the utility model document called 004 with publication number ES 1020273 U and filing date 16.07.1991 and literally entitled: "Kinetic energy accumulator", a kinetic energy accumulator is described, intended to absorb

15 variaciones y annónicos de las magnitudes eléctricas de una instalación. 15 variations and annonic of the electrical quantities of an installation.

Problema técnico planteado Technical problem raised

Los sistemas del estado de la técnica anterior presentan una problemática que se centra 2 O fundamentalmente en los siguientes aspectos: The prior art systems have a problem that focuses primarily on the following aspects:

1 one: Los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica mediante baterías, son muy Electric energy storage systems using batteries are very

lentos, debido al proceso químico de carga y descarga de las baterías; y si se slow, due to the chemical process of charging and discharging the batteries; and if I know

disminuye el tiempo su rendimiento desciende a valores inferiores al 30%; time decreases its yield drops to values below 30%;

25 25

X X: Los volantes de inercia que funcionan en un alojamiento al vacío requieren de una Inertia flyers operating in a vacuum housing require a

junta dinámica entre el alojamiento y el árbol a fin de pennitir que se mantenga el dynamic joint between the housing and the tree in order to keep the

vacío en el interior del alojamiento, siendo dichas juntas únicamente adecuadas vacuum inside the housing, said joints being only suitable

para la utilización con árboles que giren a menos de 20.000 rpm; además estas for use with trees that rotate at less than 20,000 rpm; you are also

3 O 3 o: juntas reducen el rendimiento y son fuente de fallo y requieren de elevado together reduce the performance and they are a source of failure and require high

mantenimiento; maintenance;

X Los volantes de inercia que funcionan en un alojamiento al aire no pueden funcionar a altas velocidades, ya que las pérdidas que sufren por mcción con el 3 S aire son muy elevadas disminuyéndose notablemente la eficiencia; y a bajas X The flywheels that operate in an air housing cannot operate at high speeds, since the losses suffered by mction with the 3 S air are very high and efficiency decreases significantly; and at casualties

velocidades la densidad de energia es muy baja. speeds the energy density is very low.

X Disponen del devanado estatórico de la máquina eléctrica dentro de la zona de vacío, perjudicando de fonna importante la evacuación de calor. X They have the static winding of the electric machine within the vacuum zone, causing significant heat damage.

Ventaja técnica que aporta la invención Technical advantage provided by the invention

El dispositivo (1) que la invención preconiza resuelve de fonna plenamente satisfactoria la problemática anterionnente expuesta, en todos y cada uno de los diferentes aspectos 45 comentados y que se detallan a continuación: The device (1) that the invention advocates solves in a completely satisfactory manner the aforementioned problem, in each and every one of the different aspects discussed and detailed below:

./ Pennite la transferencia de energía, desde una fuente de energía eléctrica a un acumulador mecánico y del acumulador a dicha fuente, prácticamente de fonna instantánea, exclusivamente limitada por el dimensionamiento de sus elementos; ./ Pennite the transfer of energy, from a source of electrical energy to a mechanical accumulator and from the accumulator to said source, practically instantaneously, exclusively limited by the dimensioning of its elements;

5 ./ El árbol no atraviesa el alojamiento en el cual se ha realizado el vacío, por lo que no se requiere junta dinámica alguna; 5 ./ The tree does not pass through the housing in which the vacuum has been made, so no dynamic joint is required;

./ El volante de inercia funciona en un alojamiento al vacío pudiendo funcionar a altas velocidades y con alta densidad de energía; 10 ./ The flywheel operates in a vacuum housing and can operate at high speeds and with high energy density; 10

./ El devanado estatórico de la máquina eléctrica está en un alojamiento al aire, por lo que la evacuación del calor se realiza por los medios conocidos en el estado de la técnica. ./ The static winding of the electric machine is in an air housing, so that the heat is evacuated by means known in the state of the art.

15 Breve descripción de las figuras 15 Brief description of the figures

Para complementar la descripción y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de figuras con carácter ilustrativo y no limitativo. To complement the description and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, a set of figures with an illustrative and non-limiting nature is accompanied as an integral part of said description.

Glosario de referencias Glossary of references

(!) Acumulador mecánico mediante volante de inercia; (!) Mechanical accumulator by means of flywheel;

(02) Válvula de vacio; 25 (03) Carcasa alojamiento al vacio; (02) Vacuum valve; 25 (03) Housing vacuum housing;

(10) Máquina eléctrica con multiplicador de velocidad integrado; (10) Electric machine with integrated speed multiplier;

(110) Núcleo magnético estatórico; (110 1) Núcleo externo; (1 102) Núcleo interno ranurado; (110) Static magnetic core; (110 1) External core; (1 102) Grooved inner core;

3 0 (1 11) Carcasa alojamiento al aire; 3 0 (1 11) Housing air housing;

(1 12) Devanado estatórico; (1 12) Static winding;

(113) Caja de conexiones; (113) Junction box;

(114) Junta estática; (114) Static board;

(120) Rotor hueco de jaula de ardilla; 35 (121) Núcleo magnético rotórico; (120) Squirrel cage hollow rotor; 35 (121) Rotor magnetic core;

(122) Anillo; (122) Ring;

(123) Barras; (123) Bars;

(130) Multiplicador de velocidad; (1301) Corona; (130) Speed multiplier; (1301) Crown;

40 (1302) Satélites; (1303) Porta-satélites; (1304) Planeta; 40 (1302) Satellites; (1303) Satellite carrier; (1304) Planet;

(20) Volante de inercia; (20) Flywheel;

(210) Rotor, del volante de inercia; 45 (211) Árbol; (210) Rotor, flywheel; 45 (211) Tree;

(212) Núcleo; (212) Core;

(2 13) Cuerpo de compuesto; (2 13) Compound body;

(214) Cojinete longitudinal de levitación magnética; (214) Magnetic levitation longitudinal bearing;

(215) Cojinete transversal de levitación magnética; (215) Magnetic levitation transverse bearing;

5 Figura I (Fig.1 ).-muestra una vista en alzado de un acumulador mecánico mediante volante de inercia (1). 5 Figure I (Fig. 1) .- shows an elevation view of a mechanical accumulator by means of a flywheel (1).

Figura 2 (Fig.2).-muestra una vista de un corte longitudinal "A-A" de un acumulador mecánico mediante volante de inercia (1). Figure 2 (Fig.2) .- shows a view of a longitudinal section "A-A" of a mechanical accumulator by means of flywheel (1).

10 Figura 3 (Fig.3).-muestra una vista de una sección transversal "8-S" de una máquina eléctrica con multiplicador de velocidad integrado (10). 10 Figure 3 (Fig. 3) .- shows a view of a cross section "8-S" of an electric machine with integrated speed multiplier (10).

Figura 4 (Fig.4).-muestra una vista de ensamblaje de un núcleo magnético estat6rico lS (l i D). Figure 4 (Fig. 4) .- shows an assembly view of a static magnetic core lS (l and D).

Figura 5 (Fig.S).-muestra una vista en planta y una vista en corte longitudinal de un rotor hueco de jaula de ardilla (120) de una máquina eléctrica (10). Figure 5 (Fig.S) .- shows a plan view and a longitudinal section view of a hollow squirrel cage rotor (120) of an electric machine (10).

20 Figura 6 (Fig.6).-muestra una vista de ensamblaje de un multiplicador de velocidad 20 Figure 6 (Fig. 6) .- shows an assembly view of a speed multiplier

(130) en un rotor hueco de jaula de ardilla (120). (130) in a hollow squirrel cage rotor (120).

Figura 7 (Fig.7).-muestra una vista de un corte longitudinal de un rotor (210) de un volante de inercia (20). Figure 7 (Fig. 7) .- shows a view of a longitudinal section of a rotor (210) of a flywheel (20).

2S Figura 8 (Fig.8).-muestra una vista de detalle de un corte longitudinal "A-A" de un acumulador mecánico mediante volante de inercia (l) y una vista de detalle "C-C" . 2S Figure 8 (Fig. 8) .- shows a detail view of a longitudinal section "A-A" of a mechanical accumulator by means of a flywheel (l) and a detail view "C-C".

Figura 9 (Fig.9).-muestra un diagrama esquemático del funcionamiento del 30 multiplicador de velocidad (130). Figure 9 (Fig. 9) .- shows a schematic diagram of the operation of the speed multiplier (130).

Descripción detallada de la invención y exposición detallada de un modo de realizaciÓn preferente de la invención Detailed description of the invention and detailed presentation of a preferred embodiment of the invention

3 S Se describe detalladamente una realización preferente de la invención, de entre las distintas alternativas posibles, mediante enumeración de sus componentes así como de su relación funcional en base a referencias a las figuras, que se han incluido, a título ilustrativo y no limitativo, según los principios de las reivindicaciones. 3 S A preferred embodiment of the invention is described in detail, among the different possible alternatives, by enumerating its components as well as its functional relationship based on references to the figures, which have been included, by way of illustration and not limitation, according to the principles of the claims.

40 Figura 1 (Fig.l ).-muestra una vista en alzado de un acumulador mecánico mediante volante de inercia (1). 40 Figure 1 (Fig. 1) .- shows an elevation view of a mechanical accumulator using flywheel (1).

Puede observarse que comprende fundamentalmente de: It can be seen that it basically includes:

4 S a. una máquina eléctrica con multiplicador de velocidad integrado ( 10); 4 S a. an electric machine with integrated speed multiplier (10);

b. un volante de inercia (20); En la Fig.l se ha representado un plano de corte longitudinal "A-A" Y un plano de sección transversal " 8-8", cuyas vistas se muestran en las figuras Fig.2 y Fig.3. b. a flywheel (20); A longitudinal cutting plane "A-A" and a cross-sectional plane "8-8" are shown in Fig. 1, whose views are shown in Figures Fig. 2 and Fig. 3.

5 Figura 2 (Fig.2).-muestra una vista de un corte longitudinal "A-A" de un acumulador mecánico mediante volante de inercia (1). Figura 3 (Fig.3).-muestra una vista de una sección transversal "B-B" de una máquina eléctrica con multiplicador de velocidad integrado (10). 5 Figure 2 (Fig. 2) .- shows a view of a longitudinal section "A-A" of a mechanical accumulator by means of flywheel (1). Figure 3 (Fig.3) .- shows a cross-sectional view "B-B" of an electric machine with integrated speed multiplier (10).

10 Puede apreciarse que el dispositivo que preconiza la invención consta de: 10 It can be seen that the device advocated by the invention consists of:

a. una máquina eléctrica con multiplicador de velocidad integrado (10), cuya finalidad es funcionar como motor para ejercer un movimiento de alta vel ocidad de rotación a un árbol (211) Y funcionar como generador para producir energía eléctrica, y que está to. an electric machine with an integrated speed multiplier (10), whose purpose is to operate as a motor to exert a high velocity movement of rotation to a tree (211) and to function as a generator to produce electrical energy, and which is

1 5 formado por: 1 5 formed by:

un núcleo magnético estatórico (1 10), dispuesto al aire para poder evacuar el calor generado, cuya fi nalidad es generar un campo magnético giratorio, y que está compuesto por un núcleo externo (1101) liso sin ranurar y un núcleo interno a static magnetic core (1 10), arranged in the air to be able to evacuate the generated heat, whose purpose is to generate a rotating magnetic field, and which is composed of a smooth, non-slotted outer core (1101) and an inner core

20 ranurado (1 102) fonnado por una pluralidad de ranuras cerradas hacia el interior y abiertas hacia el exterior, disponiéndose en este último un devanado estatórico (112), y estando todo el conjunto protegido dentro de una carcasa alojamiento al aire(I II ); 20 grooved (1 102) connected by a plurality of grooves closed inwards and open to the outside, the latter being provided with a static winding (112), and the entire assembly being protected within an air housing housing (I II) ;

25 un rotor hueco de jaula de ardilla (120), dispuesto al vacío, cuya finalidad es adquirir por inducción magnética un movimiento de rotación, y que está compuesto por un núcleo magnético rolórico (121) Y por un circuito eléctrico de tipo de jaula de ardilla, fonnado por un par de anillos (122) Y una pluralidad de barras (123), pennitiendo al ser la fonna del rotor (120) hueca disponer en su parte 25 a hollow squirrel cage rotor (120), disposed under vacuum, whose purpose is to acquire a rotational movement by magnetic induction, and which is composed of a magnetic roller core (121) and an electric cage-type circuit of squirrel, shaped by a pair of rings (122) and a plurality of bars (123), pennitating being the hollow of the rotor (120) hollow arranged in its part

3 O interior central un multiplicador de velocidad (130) con la finalidad de que un árbol (2 11 ) adquiera un múltiplo de la velocidad de rotación del rotor (120), siendo para ello necesario que un porta-satélites (1303) se fije a una carcasa alojamiento al vacío (03); 3 Or central interior a speed multiplier (130) in order that a shaft (2 11) acquires a multiple of the rotational speed of the rotor (120), being necessary for that a satellite carrier (1303) is fixed to a vacuum housing housing (03);

35 b. un volante de inercia (20) dispuesto al vacío, cuya finalidad es almacenar energía mecánica de tipo cinética en la rotación de alta velocidad de un rotor (210); estando formado dicho rotor (210) por: 35 b. a flywheel (20) disposed under vacuum, whose purpose is to store kinetic type mechanical energy in the high speed rotation of a rotor (210); said rotor (210) being formed by:

en la zona más alejada de un árbol (211) por un núcleo (212), con forola toroidal, 4 O Y de un material de alta densidad «(i) con el fin de obtener una elevada masa (M); preferentemente el material de alta densidad (S) es acero; in the area furthest from a tree (211) by a core (212), with toroidal forola, 4 O Y of a high density material «(i) in order to obtain a high mass (M); preferably the high density material (S) is steel;

recubriendo el núcleo (212), dispone de un cuerpo de compuesto (213), con fonna toroidal con un di sco central y de un material de alta tensión mecánica (a) con el 45 fin de soportar la tensión máxima que se produce en el eje de giro; covering the core (212), it has a composite body (213), with toroidal shape with a central die and a high mechanical tension material (a) in order to withstand the maximum tension produced in the axis of rotation;

preferentemente el material de alta tensión mecánica (cr) es compuesto de resina y fibra de carbono. preferably the high mechanical stress material (cr) is composed of resin and carbon fiber.

c. una carcasa alojamiento al vacío (03) que dispone de, una válvula de vacío (02) con la C. a vacuum housing (03) that has a vacuum valve (02) with the

5 finalidad de poder practicar el vacío, una caja de conexiones (1 13) para alimentar eléctricamente el devanado estatórico (112), una junta estática (1 t4) para el cierre hennético de una carcasa alojamiento al vacío (03) contra un núcleo interno ranurado (1102), un par de cojinetes longitudinales de levitación magnética (2 14) y un cojinete transversal de levitación magnética (215). 5 purpose of being able to practice the vacuum, a junction box (1 13) to electrically feed the static winding (112), a static gasket (1 t4) for the hennetic closure of a vacuum housing housing (03) against an internal core grooved (1102), a pair of longitudinal magnetic levitation bearings (2 14) and a transverse magnetic levitation bearing (215).

10 En Fig.4A puede observarse una vista en alzado de un núcleo externo (110 1), fonnado por apilamiento de chapa magnética de grano orientado lisa, es decir sin ranuras. 10 In Fig. 4A an elevational view of an external core (110 1) can be seen, stamped by stacking of magnetic plate of smooth oriented grain, that is to say without grooves.

En Fig.4B puede observarse una vista en alzado de un núcleo interno ranurado (11 02), An elevation view of a grooved inner core (11 02) can be seen in Fig. 4B,

15 también formado por apilamiento de chapa magnética de grano orientado pero ranurada. El ranurado está fonnado por una pluralidad de ranuras cerradas hacia el interior y abiertas hacia el exterior. Con esta disposición de ranuras se obtienen las siguientes ventajas técnicas: 15 also formed by stacking of oriented but grooved magnetic sheet metal. The grooving is shaped by a plurality of grooves closed inwards and open outwards. With this slot arrangement, the following technical advantages are obtained:

2 O introducir fácilmente un devanado estatórico (112) desde la parte exterior; 2 Or easily introduce a static winding (112) from the outside;

poder realizar, mediante una junta estática (114), un sello hennético para disponer al vacío un rotor hueco de jaula de ardilla (120); lajunta (114), con fonna circular, se sitúa en el espacio libre existente entre las ranuras y la superficie interior del to be able to make, by means of a static seal (114), a hennetic seal to vacuum a hollow squirrel cage rotor (120); lajunta (114), with circular shape, is located in the free space between the grooves and the inner surface of the

25 núcl eo (11 O)(V cr Fig.08); 25 num (11 O) (V cr Fig. 08);

se reduce al mínimo técnico el entrehierro (espacio entre el estator y el rotor de una máquina eléctrica) al enfrentarse superficies lisas, sin oquedades, que se pueden rectificar. The air gap (space between the stator and the rotor of an electric machine) is reduced to a technical minimum when facing smooth surfaces, without cavities, that can be rectified.

30 En Fig.4C puede observarse una vista en alzado de un núcleo magnético estatórico (J 10) compuesto de un núcleo interno ranurado (1 1 02) Yde un núcleo externo (1101). In Fig. 4C an elevation view of a static magnetic core (J 10) composed of a grooved inner core (1 1 02) and an outer core (1101) can be seen.

Para fonnar un núcleo (1 JO) se fonna un núcleo interno ranurado (1102) Y se introduce, To groove a core (1 JO) a grooved inner core (1102) is inserted and introduced,

3 S en su pluralidad de ranuras, un devanado estatórico (1 12). A continuación se fonna un núcleo externo (1101) y se superpone sobre dicho núcleo interno ranurado (1102). Para realizar la superposición se calienta el núcleo externo (1101) y una vez dilatado su diámetro interno se sitúa sobre el diámetro externo del núcleo interno (J 102). 3 S in its plurality of grooves, a static winding (1 12). An external core (1101) is then connected and superimposed on said grooved inner core (1102). To perform the superposition, the outer core (1101) is heated and once its internal diameter has been dilated, it is placed on the outer diameter of the inner core (J 102).

40 Figura 5 (Fig.5).-muestra una vista en planta y una vista en corte longitudinal de un rotor hueco de jaula de ardilla (120) de una máquina eléctrica (1 O). Figure 5 (Fig. 5) .- shows a plan view and a longitudinal section view of a hollow squirrel cage rotor (120) of an electric machine (1 O).

En Fig.5A puede verse una vista en planta en la que se ve un anillo (122) que conecta a una pluralidad de barras ( 123). 45 A plan view showing a ring (122) that connects to a plurality of bars (123) can be seen in Fig. 5A. Four. Five

En Fig.SB se aprecia una vista en corte longitudinal de un núcleo magnético rotórico In Fig.SB a longitudinal sectional view of a rotating magnetic core is seen

(121) compuesto de chapa magnética de grano orientado. (121) composed of magnetic grain oriented plate.

Figure 6 (Fig. 6) .- shows an assembly view of a speed multiplier

5 (130) en un rotor hueco de jaula de ardilla (120). Se fija una corona (1301) al rotor hueco de jaula de ardilla (120), ver Fig.06A, Fig.06B, 5 (130) in a hollow squirrel cage rotor (120). A crown (1301) is attached to the hollow squirrel cage rotor (120), see Fig. 06A, Fig. 06B,

y Fig.06C, por lo que ambos tendrán el mismo movimiento de rotación. Se fija un portasatélites (J 303), ver Fig.02, a una carcasa alojamiento al vacio (03), haciendo que una and Fig. 06C, so both will have the same rotation movement. A satellite carrier (J 303) is attached, see Fig. 02, to a vacuum housing (03), causing a

10 pluralidad de satélites (1302) transmita una multiplicación respecto del movimiento angular del rotor (1 20) a un planeta (1303) Y a su árbol (211) asociado. 10 plurality of satellites (1302) transmit a multiplication with respect to the angular movement of the rotor (1 20) to a planet (1303) and to its associated tree (211).

Figura 7 (Fig.7).-muestra una vista de un corte longitudinal de un rotor de jaula de ardilla Figure 7 (Fig. 7) .- shows a view of a longitudinal section of a squirrel cage rotor

(210) de un volante de inercia (20). 15 (210) of a flywheel (20). fifteen

Se muestra un volante de inercia (20) dispuesto al vacío, cuya finalidad es almacenar energía mecánica de tipo cinética en la rotación de alta velocidad de un rotor (210), estando fonnado por un núcleo (2 I2) Yun cuerpo de compuesto (213). A flywheel (20) shown in vacuum is shown, whose purpose is to store kinetic mechanical energy in the high-speed rotation of a rotor (210), being connected by a core (2 I2) Yun compound body (213 ).

2 O Un volante de inercia típicamente comprende una masa dispuesta para girar solidariamente con un árbol. 2 O A flywheel typically comprises a mass arranged to rotate in solidarity with a tree.

El momento de inercia (1), en kg'm2, de una distribución continua de masa viene dado por: The moment of inertia (1), in kg'm2, of a continuous mass distribution is given by:

/ == fX2. dm / == fX2. dm

; dónde: dm es un elemento de masa situado a una distancia x de un eje de rotación. ; where: dm is a mass element located at a distance x from an axis of rotation.

3 O El momento de inercia (1) depende del radio (R) del elemento rotante, de la masa (M) rotante, y de una constante (K) que depende de la fonna geométrica que tiene el objeto rotante y de su eje de rotación, segUn viene expresado por: 3 O The moment of inertia (1) depends on the radius (R) of the rotating element, the rotating mass (M), and a constant (K) that depends on the geometric shape of the rotating object and its axis of rotation, as expressed by:

1= K · R'· M 1 = K · R '· M

En concreto el momento de inercia (1) de un anillo de espesor insignificante girando alrededor de un eje situado en el centro y perpendiculannente al plano del anillo es de: Specifically, the moment of inertia (1) of a ring of insignificant thickness rotating around an axis located in the center and perpendicular to the plane of the ring is:

K = l' .1= R' . M 40 ; siendo: masa del anillo (M), en kg; radio del anillo (R), en m. K = l '.1 = R'. M 40; being: mass of the ring (M), in kg; radius of the ring (R), in m.

Para las fonnas geométricas rotantes habituales tendremos: cilindro macizo K = 1/2; disco For the usual rotating geometric fonts we will have: solid cylinder K = 1/2; disk

K ~ 1/2; esfera sólida K ~ 2/5; esfera hueca K ~ 2/3. 45 K ~ 1/2; solid dial K ~ 2/5; hollow sphere K ~ 2/3. Four. Five

• •

La energía almacenada CEe), en J, por un volante de inercia viene dada por la siguiente ecuación: 1 ,The stored energy CEe), in J, by a flywheel is given by the following equation: 1,

Ee = -·1· wEe = - · 1 · w

2 ; siendo: velocidad angular (ro), en rad/s. Sustituyendo en la expresión anterior el valor del momento de inercia (1) tendremos finalmente: 2 ; being: angular velocity (ro), in rad / s. Substituting in the previous expression the value of the moment of inertia (1) we will finally have:

Por tanto tendremos mayor energía almacenada (Evi): aumentando la masa (M); aumentando la distancia (R) del centro de gravedad de la masa respecto del eje de gIrO; aumentando la velocidad angular (ro); Therefore we will have more stored energy (Evi): increasing the mass (M); increasing the distance (R) of the center of gravity of the mass with respect to the axis of rotation; increasing angular velocity (ro);

como la distancia (R) y la velocidad angular (00) están elevados al cuadrado, resulta más rentable incidir en tratar de elevar estos dos parámetros. Optimización de un volante de inercia con [onna geométrica de disco macizo de radio Since the distance (R) and angular velocity (00) are squared, it is more profitable to have an impact on trying to raise these two parameters. Optimization of a flywheel with [geometric solid disk disk geometric onna

lRl. longitud (U, y velocidad angular de giro (rol K ~ 1/2; M ~ o·n·R'·L; donde: densidad (o), en kg/m'. Por lo que la energía cinética vendrá dada por: lRl. length (U, and angular speed of rotation (role K ~ 1/2; M ~ o · n · R '· L; where: density (o), in kg / m '. So the kinetic energy will be given by:

f, = -1 . {j . n . L . R4'. w f, = -1. {j. n. L. R4 '. w

Estado tensianal Tensianal state

Ha continuación hay que calcular el estado tensional que se crea en el disco macizo debido a la fuerza centrífuga. Sean up' u9, las tensiones radiales y circunferenciales respectivamente, en N/m¡. Tendremos: Next, we must calculate the tension state that is created in the solid disk due to centrifugal force. Sean up 'u9, the radial and circumferential tensions respectively, in N / m¡. We will have:

(3 +11) . {j . w' (fp = 8 . (R' -p') (3 +11). {j. w '(fp = 8. (R' -p ')

8. w28. w2

{ {

(fo = -8-· [(3 +~) . R' -(1 + 3 .~) . p'] (fo = -8- · [(3 + ~). R '- (1 + 3. ~). p']

; donde: coeficiente de Poisson (~), comprendido entre [0,25;0,33]; densidad del material del disco (8), kglm3; distancia al eje de giro (p) . rn. ; where: Poisson coefficient (~), between [0.25, 0.33]; density of the disc material (8), kglm3; distance to the axis of rotation (p). rn.

Los valores máximos de las tensiones, que en todos los puntos son de tracción, se 5 presentan en los puntos de l eje de giro, p = 0, y ambos valores son iguales: The maximum values of the tensions, which at all points are tensile, are presented at the points of the axis of rotation, p = 0, and both values are equal:

(3 + /1) . Ó . w' . R' (3 + / 1). Ó. w '. R '

a¡:, x = alfu = 8

Teniendo en cuenta la tensión máxima del material la optimización del volante de inercia consiste en buscar la relación óptima entre el radio y la longitud del disco para cada tipo 1 0 de material. Taking into account the maximum tension of the material, the optimization of the flywheel consists in looking for the optimum ratio between the radius and the length of the disc for each type of material.

Relationship length (L) -radio (R) depending on / type of material used

La velocidad angular (ro) del disco se puede expresar en función de la tensión mecánica 15 máxima y de su radio de giro: The angular velocity (ro) of the disk can be expressed as a function of the maximum mechanical tension 15 and its turning radius:

8 q max w '- = ---, --- = ---- ,,.,

--: (3 + /1) . Ó . R' (3 + / 1). Ó. R '

En base a las expresiones anteriores, para un valor de coeficiente de Poisson constante de )l=O,25 , la energía cinética queda de la sibruiente manera: Based on the above expressions, for a constant Poisson coefficient value of) l = 0, 25, the kinetic energy is as follows:

.7r • amáx.7r • max

Ee = -. L . R2 Ee = -. L. R2

la relación entre longitud (L) y radio (R) viene dada por: The relationship between length (L) and radius (R) is given by:

13· fe 13 · faith

25 L - :: --- = - = - :: or

--: 8· Tr • o-máx . R2 8 · Tr • o-max. R2

Un material dado tiene una densidad (5) y una tensión máxima (crmáx) definidas. Para una energía cinética (Ec) concreta a almacenar, si detenninamos un radio (R), obtenemos una A given material has a defined density (5) and a maximum tension (crmax). For a specific kinetic energy (Ec) to store, if we stop a radius (R), we get a

velocidad angular (ro) y una longitud (L); asi como la masa (M) del disco. 30 angular velocity (ro) and a length (L); as well as the mass (M) of the disk. 30

En la siguiente tabla se indican algunos datos característicos de algunos materiales: Some characteristic data of some materials are indicated in the following table:

Tension

Densidad umáxUmáx density

Specific material kg / mJ MN / m 1

MNm/kg MNm / kg

Acero (AISI 4340) Steel (AISI 4340): 7800 1800 0,22 7800 1800 0.22

Aleación (AIMnMg) Alloy (AIMnMg): 2700 600 0,22 2700 600 0.22

Titanio (TiAI6Zr5) Titanium (TiAI6Zr5): 4500 1200 0,27 4500 1200 0.27

GFRP (Compuesto de cristal) GFRP (Crystal Compound): 2000 1600 0,8 2000 1600 0.8

CFRP (Compuesto de carbono) CFRP (Carbon Compound): 1500 2400 1,6 1500 2400 1.6

Un volante de inercia, por 10 tanto, interesa que sea de alta velocidad con el fin de reducir su tamaño, estando contenidos en el interior de un alojamiento en el cual se hace el vacío con el fin de reducir las pérdidas de energía por autoconsumo en fonna de calor por A flywheel, therefore, is of interest for it to be high speed in order to reduce its size, being contained inside a housing in which the vacuum is made in order to reduce energy losses by self-consumption in heat source by

S fricción. S friction.

Midiendo con un sensor la velocidad angular actual (úh) de un volante de inercia, podemos calcular su energía cinética acumulada (Ecx), en %, mediante la expresión siguiente: By measuring the current angular velocity (uh) of a flywheel with a sensor, we can calculate its accumulated kinetic energy (Ecx), in%, by the following expression:

10 Ecx (%); (::)' ·100 10 Ecx (%); (: :) '· 100

; conocida su velocidad angular nominal (ron), en radls o en rpm. ; known its nominal angular velocity (rum), in radls or in rpm.

La zona denominada de funcionamiento nominal, que es una zona donde el volante de The so-called nominal operating zone, which is an area where the steering wheel of

15 inercia entrega una potencia constante e igual a su potencia nominal, comprende el rango de velocidades entre: 15 inertia delivers a constant power equal to its nominal power, includes the range of speeds between:

la velocidad angular nominal (ron); la velocidad angular actual Wx = ~. Wn, en la cual el volante de inercia tiene una 20 energía cinética acumulada (Ecx) del 50%. nominal angular velocity (rum); the current angular velocity Wx = ~. Wn, in which the flywheel has an accumulated kinetic energy (Ecx) of 50%.

Se ha modelizado en excel ® la optimización de un volante de inercia con forma geométrica de disco macizo de radio (R), longitud (l), y velocidad angular de giro (úl) con el fin de analizar tres casos. Supongamos una energía de almacenaje de 1000 MJ, que The optimization of an inertia flywheel with a geometric shape of a solid disk of radius (R), length (l), and angular rotation speed (ul) has been modeled in order to analyze three cases. Assume a storage energy of 1000 MJ, which

25 es aquella que puede suministrar durante 24 horas una potencia de 11 , 57 kW. 25 is one that can supply a power of 11, 57 kW for 24 hours.

Caso A: Un volante de inercia para almacenar 1000 MJ, con forma cilíndrica, de acero, y radio (R) = I m, tendrá las características indicadas en la tabla siguiente: Case A: A flywheel for storing 1000 MJ, with a cylindrical shape, made of steel, and radius (R) = I m, will have the characteristics indicated in the following table:

Acero (AISI 4340) Ec [ 1,ooE+09[ J Steel (AISI 4340) Ec [1, ooE + 09 [J

--------

7800

1,80E+09

0,25

1,00

----------------------¡--------

7800

1.80E + 09

0.25

1.00

----------------------

kgJm3 ,5 kgJm3, 5

, ,

a to

N/ m1-w , N / m1-w,

má, more,

753,69 rad/s : 753.69 rad / s:

n 7197,20 rpm , R n 7197.20 rpm, R

~ ~

m M 7041,67 kg l 0,29 m I 3520,83 kg/m' m M 7041.67 kg l 0.29 m I 3520.83 kg / m '

,----------------------------------~ , ---------------------------------- ~

Obsérvese que necesitamos una longitud (L) de 0,29 m, una velocidad de giro de 7197,20 rpm, yel volante tiene un peso de 7041 ,67 kg. Note that we need a length (L) of 0.29 m, a turning speed of 7197.20 rpm, and the steering wheel has a weight of 7041, 67 kg.

Caso B: Un volante de inercia para almacenar 1000 MJ, con forma cilindrica, de compuesto de carbono, y radio (R) = 1 m, tendrá las características indicadas en la tabla siguiente: Case B: A flywheel to store 1000 MJ, with a cylindrical shape, made of carbon compound, and radius (R) = 1 m, will have the characteristics indicated in the following table:

CFRP (Compuesto de carbono) Ec CFRP (Carbon Compound) Ec

,'6 , '6

kg/m' kg / m '

:omáx : omáx

N/ml w 1984,56 rad/s N / ml w 1984.56 rad / s

n 18951,11 rpmn 18951.11 rpm

:~ : ~

:R : R

m M 1015,63 kg,,l

1500

2,40E+09

0,25

1,00

0,22 m m M 1015.63 kg ,, l

1500

2.40E + 09

0.25

1.00

0.22 m

Obsérvese que necesitamos una longitud (L) de 0,22 m, una velocidad de giro de 1895 1,1 1 rpm, yel volante tiene un peso de 1015,63 kg. Note that we need a length (L) of 0.22 m, a turning speed of 1895 1.1 1 rpm, and the steering wheel has a weight of 1015.63 kg.

10 Caso C: Un volante de inercia para almacenar 1000 MJ, con forma cilíndrica, combinado de acero y compuesto de carbono, y radio (R) = I m, tendrá las características indicadas en la tabla siguiente: 10 Case C: A flywheel to store 1000 MJ, cylindrical, combined steel and carbon compound, and radius (R) = I m, will have the characteristics indicated in the following table:

Acero y Compuesto de carbono Ee Steel and Carbon Compound Ee

,------

3900

2,40E+09

0,25

1,00

------------------------------,

3900

2.40E + 09

0.25

1.00

------------------------------,

,6 6

kg/m1 , Ikg / m1, I

, ,

la máx the max

N/m2 w 1230,77 rad/s , IN / m2 w 1230.77 rad / s, I

, ,

,,~ ,, ~

n 11752,98 rpm 'R 11752.98 rpm 'R

m M 2640,63 kg : l 0,22 m m M 2640.63 kg: l 0.22 m

1 ' one '

, ,

, 1 ____________132031_______________________kg/m1 1I , 1 ____________ 132031 _______________________ kg / m1 1I

15 Obsérvese que necesitamos una longitud (L) de 0,22 m, una velocidad de giro de 11752,98 rpm, y el volante tiene un peso de 2640,63 kg. Este caso es el que optimiza la menor velocidad angular nominal (n), en rpm, con la menor masa (M), en kg. 15 Note that we need a length (L) of 0.22 m, a turning speed of 11752.98 rpm, and the steering wheel has a weight of 2640.63 kg. This case is the one that optimizes the lowest nominal angular velocity (n), in rpm, with the lowest mass (M), in kg.

Un volante de inercia (20), que preconiza la invención, es mostrado en la Fig.7. Está 20 formado por dos materiales diferentes: A flywheel (20), which advocates the invention, is shown in Fig. 7. It is made up of two different materials:

en la zona más alejada de un árbol (211), que es el eje de giro, dispone de un in the area furthest from a tree (211), which is the axis of rotation, it has a

núcleo (212) con fonna toroidal, material de alta densidad (Ii), en kg/m', con el core (212) with toroidal fonna, high density material (Ii), in kg / m ', with the

fin de obtener una elevada masa (M); in order to obtain a high mass (M);

recubriendo el núcleo (2 12) y formando todo el cuerpo, dispone de un cuerpo de compuesto (213) con forma toroidal con un disco central, material de alta tensión covering the core (2 12) and forming the entire body, it has a toroidal shaped compound body (213) with a central disk, high tension material

mecanica (o), en N/m2, con el fin de soportar la tensión máxima que se produce en el eje de giro; mechanics (o), in N / m2, in order to withstand the maximum tension that occurs in the axis of rotation;

presenta la mayor parte de su masa (M) a una distancia (R) alejada del eje de giro, it presents most of its mass (M) at a distance (R) away from the axis of rotation,

S disponiendo de la menor superficie exterior posible para un volumen dado. con el fin de reducir las pérdidas por fricción y siendo preferente su funcionamiento en vacío para poder funcionar a alta velocidad angular (0)) con un pérdida energética menor. S having the smallest possible outer surface for a given volume. in order to reduce friction losses and its vacuum operation is preferred to be able to operate at high angular speed (0)) with a lower energy loss.

Figura 8 (Fig.8).-muestra una vista de detalle de un corte longitudinal "A-A" de un 1 O acumulador mecánico mediante volante de inercia (1) Y una vista de detalle "c-e", Figure 8 (Fig. 8) .- shows a detail view of a longitudinal section "A-A" of a 1 O mechanical accumulator by means of a flywheel (1) And a detail view "c-e",

En Fig.8A puede apreciarse la ubicación de una junta estática ( 11 4) para cierre hermetico de una carcasa alojamiento al 'lacio (03) contra un núcleo inlerno ranurado (1102). In Fig. 8A the location of a static gasket (11 4) can be seen for hermetically sealing a housing housing on the 'straight' (03) against a grooved inward core (1102).

15 En Fig.8B puede verse un detalle ·'C·C'· con el detalle de la junta estática (114). 15 In Fig. 8B a detail can be seen · 'C · C' · with the detail of the static joint (114).

En Fig.9 se muestra un diagrama esquematico del funcionamiento del multiplicador de velocidad (130); puede apreciarse que un porta-satélites (1303) ha de fijarse (i.e. sin ningún grado de libertad) para que la velocidad angular, 00120, de un rotor hueco de jaula A schematic diagram of the operation of the speed multiplier (130) is shown in Fig. 9; it can be seen that a satellite carrier (1303) has to be fixed (i.e. without any degree of freedom) so that the angular velocity, 00120, of a hollow cage rotor

20 de ardilla (120) se multiplique hasta una velocidad angular, w210, que es la que se transmite a un rotOr de un volante de inercia (21 O). Squirrel 20 (120) multiplies to an angular velocity, w210, which is transmitted to a rotOr of a flywheel (21 O).

Para altas velocidades de rotación, es decir para n > 10.000 r.p.rn., se puede dotar al multiplicador de velocidad (l30) de un sistema de refrigeración forzado de tipo circuito For high rotation speeds, i.e. for n> 10,000 r.p.rn., the speed multiplier (l30) can be provided with a forced cooling system of the circuit type

25 cerrado, cualquiera del estado de la técnica, mediante fluido a hase de agua o aceite térmico y que contiene un conjunto intercambiador·bomba-radiador. 25 closed, any of the state of the art, by means of water or thermal oil and containing a heat exchanger-pump-radiator assembly.

Claims

1. Mechanical accumulator using flywheel (1), of which incorporate a

flywheel (20) in a vacuum that operates at high speed and is characterized by 5 consisting of:

3. an electric machine with integrated speed multiplier (10), whose purpose is to operate as a motor to exert a high-speed rotation movement to a tree (211) and to function as a generator to produce electrical energy, and which is

10 fendered by:

a static magnetic core (110), arranged in the air to evacuate the heat

generated, whose purpose is to generate a rotating magnetic field, and that is

composed of a smooth outer core (1101) without ranllrar and an inner core

15 grooved (1102) plumbed by a plurality of grooves closed inwards and open to the outside, the latter being provided with a static winding (1 12), and the entire assembly being protected within an air housing housing (111);

2 Or a hollow squirrel cage rotor (120), arranged under vacuum, whose purpose is to acquire a rotational movement by magnetic induction, and which is composed of a rotational magnetic core (121) and an electrical circuit of the type squirrel cage, trimmed by a pair of rings (122) and a plurality of bars (123), hanging as the bottom of the rotor (120) hollow arranged in its part

25 central interior a speed multiplier (130) in order that a shaft (211) acquires a multiple of the rotational speed of the rotor (1 20), for which it is necessary that a satellite carrier (1303) be set to a vacuum housing housing (03);

3 or b. a flywheel (20) disposed under vacuum, whose purpose is to store kinetic type mechanical energy in the high speed rotation of a rotor (210); said rotor being connected (2 10) by:

in the area furthest from a tree (211) by a core (212), with toroidal fonna 35 Y of a high density material (o) in order to obtain a high mass (M);

covering the core (212), it has a composite body (213), with toroidal shape with a central disk and a high mechanical tension material (or) in order to withstand the maximum tension that occurs in the axis of turn;

C. a vacuum housing (03) that has, a vacuum valve (02) in order to be able to practice the vacuum, a junction box (113) to electrically feed the static winding (1 12), a static gasket ( 114) for the hennetic closure of a vacuum housing (03) against a grooved inner core

45 (1102), a pair of longitudinal magnetic levitation bearings (214) and a transverse magnetic levitation bearing (215).

2. Mechanical accumulator by means of inertia flywheel (1 l. According to claim 1. characterized in that the high density material (S) with which the core (212) is welded is steel;

3. Mechanical accumulator by means of a flywheel (1 l. According to claim t 02.) characterized by the fact that the high mechanical tension material (a) with which the composite body (213) is formed is composed of resin and carbon fiber;

4. Mecamco accumulator via flywheel (\) according to any of claims 1-3. characterized by the fact that the speed multiplier (I JO) is provided with a forced cooling system of the closed circuit type. Any of the prior art. by water-based fluid or thermal oil and

15 that contains an exchanger set · pump · radiator.

s. Mechanical accumulator using flywheel (1). according to previous claims. which is characterized by the fact that it has a sensor that measures the current angular velocity (oox). in rad / s or rpm, of a flywheel.