RU2118876C1 - Кинетический аккумулятор - Google Patents
Кинетический аккумулятор Download PDFInfo
- Publication number
- RU2118876C1 RU2118876C1 RU96124312A RU96124312A RU2118876C1 RU 2118876 C1 RU2118876 C1 RU 2118876C1 RU 96124312 A RU96124312 A RU 96124312A RU 96124312 A RU96124312 A RU 96124312A RU 2118876 C1 RU2118876 C1 RU 2118876C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic support
- axial
- self
- central
- current collectors
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
- Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids
Landscapes
- Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
Abstract
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.
Description
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).
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).
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.
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•105 Дж/кг.
Графитовое волокно или кевлар обеспечит 106 Дж в килограмме массы. Кварцевые волокна (получены в 70-х годах) прочностью 37000 н/мм2 и плотностью в 2 раза большей, чем у графита, обеспечат плотность энергии свыше 5•106 Дж/кг или 1400 вт•ч/кг, т.е. больше, чем у двигателей внутреннего сгорания (1000 вт•ч/кг).
Новые материалы из углерода со структурой графита и алмаза обеспечат плотность энергии 2400 и 4200 вт•ч/кг (см. например Гулиа Н.В. Накопители энергии. - М.: Наука, 1980, с. 88). Следует иметь в виду, что уже получены полимерные материалы, превосходящие по прочности алмазы.
На валу 6 насажен или вытачивается заодно якорь 8 униполярной машины, состоящей из статорного магнитопровода 9, катушки возбуждения 10, периферийного термоэмиссионного (бесконтактного) токосъема 11 с сеточным управлением 12 и центрального токосъема 3, работающего по принципу термоэмисионного генератора. При этом подвижный катод К центрального токосъема 3 нагревается токами высокой частоты от неподвижной обмотки 13, а анодом А служит охлаждаемый скатан 14, изолированный от корпуса 1 и статора 9 униполярной машины.
Неподвижный катод одного или нескольких периферийных токосъемов 11 может нагреваться прямыми токами накала.
Поскольку магнитная опора 5 обладает сравнительно малой жесткостью, для исключения разрушения ротора при случайном толчке, якорь 8 выполнен цилиндрическим совмещенным с магнитопроводом с возможностью значительного осевого перемещения вверх и вниз до упоров 15 и незначительного горизонтального перемещения до упоров 16, служащих ограничителями осевого и радиального перемещения.
Для целей электромагнитного удержания (и возвращения) якоря 8 в нормальное среднее положение служит и явнополюсное его исполнение за счет серединной кольцевой выточки 17.
Ограничители осевого 15 и радиального 16 перемещения представляют собой подшипники скольжения с твердой смазкой, поскольку жидкие смазки в вакууме не работоспособны.
В качестве твердой смазки могут быть использованы различные композиции с наполнителями из дисульфида молибдена или более термостойкого дисульфида вольфрама, который выдерживает температуру до 3000oC (см. например: А.А.Силин Трение и его роль в развитии техники. - М.: Наука, 1983, с. 126 - 128).
Как известно минимальная рабочая температура катодов K и 11 должна быть 700-800oC.
Для защиты катушки возбуждения 10 от теплоизлучения катода 11 периферийного токосъема служит экран 18, который может быть выполнен в виде водяного канала охлаждения.
Внутри корпуса 1 создается разряжение порядка 10-7 мм.рт. ст. В среде столько разряженного газа электроны распространяются практически беспрепятственно, а нужная величина снимаемого тока нагрузки обеспечивается расчетной площадью нагреваемого катода.
Например, импрегнированный катод может дать токосъем 8 а/см2 при температуре 1000oC, т.е. такой же как и электрографитные щетки (см. Менке Х., Гундлах Ф. Радиотехнический справочник, том. II., Госэнергоиздат, М. - Л., 1962, с. 45).
Важной особенностью термоэмиссионного токосъема является независимость потерь в нем от скорости вращения якоря 8. Кроме того, если анод охлаждать, то возможно получение прироста, а не падение напряжения в таком скользящем/контакте (см. , например, Рогинский В.Ю. Современные источники питания, Энергия, 1969, с.53 - 59)
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.
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 т.е. пропорциональна скорости вращения якоря 8 и пронизывающего его магнитного потока, а характер и величина управляющего потенциала сетки по нелинейному закону обусловит характер и величину выходного напряжения.
Несмотря на то, что в принципе ограничений в получении нужной единичной мощности и энергоемкости нет, в общем случае описанную конструкцию надо рассматривать как элемент, последовательно-параллельное соединение которых позволит получить любой диапазон по энергоемкости, напряжению, току и, следовательно, мощности.
Claims (1)
- 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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU96124312A RU2118876C1 (ru) | 1996-12-24 | 1996-12-24 | Кинетический аккумулятор |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU96124312A RU2118876C1 (ru) | 1996-12-24 | 1996-12-24 | Кинетический аккумулятор |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2118876C1 true RU2118876C1 (ru) | 1998-09-10 |
RU96124312A RU96124312A (ru) | 1998-12-20 |
Family
ID=20188541
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU96124312A RU2118876C1 (ru) | 1996-12-24 | 1996-12-24 | Кинетический аккумулятор |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2118876C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2710590C1 (ru) * | 2019-07-09 | 2019-12-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) | Кинетический накопитель энергии с супермаховиком |
-
1996
- 1996-12-24 RU RU96124312A patent/RU2118876C1/ru not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Исаев В.С., Ковтун В.П. Характер разрушения поверхности трения меди в электрическом скользящем контакте.-Электротехника, N8, 1976. Ледовский А.Н., Литвинов И.И., Новиков М.И, Тимофеева А.Т. Проблемы создания кинетических аккумуляторов электрической энергии.-Электричество, N3, 1978. Униполярные электрические машины. Доклады конференции, Москва, март 1969, с. 8. Там же Москва, март 1969, с. 35. Силин А.А. Трение и его роль в развитии техники.-М.: Наука, 1983, с. 126-128. Менке Х., Гундлах Ф. Радиотехнический справочник, т. II. Госэнергоиздат, М.-Л.: 1962, с. 45. Рогинский И.Ю. Современные источники питания.-М.: Энергия, 1969, с. 53-59. Гулиа Н.В. Накопители энергии.-М.: Наука, 1980, с. 88. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2710590C1 (ru) * | 2019-07-09 | 2019-12-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) | Кинетический накопитель энергии с супермаховиком |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN101917087B (zh) | 一种采用悬浮/储能一体化飞轮的磁悬浮飞轮储能装置 | |
CN211958962U (zh) | 一种大电量高功率磁悬浮储能飞轮系统 | |
CA1276672C (en) | Energy density homopolar generator | |
CN101420150A (zh) | 飞轮储能装置 | |
CN201733169U (zh) | 一种采用悬浮/储能一体化飞轮的磁悬浮飞轮储能装置 | |
Kesgin et al. | Overview of flywheel systems for renewable energy storage with a design study for high-speed axial-flux permanent-magnet machines | |
RU2118876C1 (ru) | Кинетический аккумулятор | |
CN111937488A (zh) | 具有直流激励、极小电/动能效率和极高热cop的旋转感应热发生器 | |
US4276507A (en) | Homopolar machine for reversible energy storage and transfer systems | |
US4509006A (en) | Multiple annulus energy storage system | |
CN114046337A (zh) | 一种立式混合磁悬浮飞轮储能装置 | |
RU2119708C1 (ru) | Выравниватель нагрузки | |
McNab | Homopolar generators for electric guns | |
RU2094250C1 (ru) | Электропривод автономного транспортного средства | |
US4710666A (en) | Homopolar generator with variable packing factor brushes | |
Mole et al. | Superconducting electrical machinery | |
Millner | A flywheel energy storage and conversion system for photo-voltaic applications | |
Mole et al. | Design trends in homopolar machines since the mid-1960's | |
Fuger et al. | Superconducting Motor Developments at Guina Energy Technologies | |
CN218850540U (zh) | 一种定子轴径向励磁飞轮储能电机 | |
Gully et al. | Design of a Compact, Lightweight Pulsed Homopolar Generator Power Supply | |
Harrowell | Preliminary studies of superconducting alternators | |
RU29185U1 (ru) | Механический аккумулятор электрической энергии | |
Kameno et al. | Basic design of 1kwh class flywheel energy storage system | |
Weldon | Pulsed Homopolar Generator Research at the University of Texas at Austin |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20091225 |