RU2435084C1

RU2435084C1 - Flywheel of alternate moment of inertia

Info

Publication number: RU2435084C1
Application number: RU2010125545/11A
Authority: RU
Inventors: Алексей Борисович Тюнин (RU); Алексей Борисович Тюнин; Виталий Витальевич Волков (RU); Виталий Витальевич Волков; Евгений Николаевич Ляпич (RU); Евгений Николаевич Ляпич
Priority date: 2010-06-21
Filing date: 2010-06-21
Publication date: 2011-11-27

Abstract

FIELD: machine building. ^ SUBSTANCE: flywheel contains hollow disk of rectangular cross section of magnetic soft material filled with ferro-magnetic liquid. A disk is rigidly fixed on hollow shaft of non-magnetic material. A circular non-magnetic insertion is located on internal radius of the central orifice of the disk. A permanent magnet is installed on splines in the cavity inside the shaft. The magnet performs axial transfers by means of screw gear. ^ EFFECT: easy start-up and smooth control of inertia moment of flywheel. ^ 1 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в качестве регулируемого буферного накопителя энергии, например, для автономных энергоустановок, источников бесперебойного питания, ветровых и солнечных электростанций, энергосистем, имеющих импульсный характер работы.The invention relates to the field of power engineering and can be used as an adjustable buffer energy storage, for example, for stand-alone power plants, uninterruptible power supplies, wind and solar power plants, power systems having a pulsed nature of operation.

Известен «Маховик с легким пуском» (RU 2327910, МПК F16F 15/31, 2006), имеющий полый обод, заполненный жидкостью-наполнителем, составляющей основную часть массы маховика, соединенный с центральной втулкой при помощи спиц, отличающийся тем, что имеет во внутреннем объеме наклонно расположенные перегородки с отверстиями, у основания которых посредством шарниров закреплены клапаны.The well-known "Flywheel with easy start" (RU 2327910, IPC F16F 15/31, 2006), having a hollow rim filled with a filler fluid that makes up the bulk of the mass of the flywheel, connected to the Central sleeve by means of spokes, characterized in that it has an inner volume inclined partitions with holes, at the base of which valves are fixed by hinges.

Известен «Маховик переменного момента инерции» (RU 2147700, МПК F16F 15/30, 2000), содержащий полую камеру в виде усеченного конуса, заполненную намагничивающимся рабочим телом, и закрепленный на меньшем основании конуса постоянный магнит.The well-known "Flywheel of variable moment of inertia" (RU 2147700, IPC F16F 15/30, 2000), containing a hollow chamber in the form of a truncated cone, filled with a magnetizing working fluid, and a permanent magnet mounted on a smaller cone base.

Недостатками известных устройств являются управление моментом инерции маховика только посредством изменения скорости его вращения, путем торможения или разгона маховика, а также низкая точность регулирования момента инерции.The disadvantages of the known devices are the control of the moment of inertia of the flywheel only by changing the speed of rotation, by braking or accelerating the flywheel, as well as the low accuracy of controlling the moment of inertia.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является "Маховик переменного момента инерции" (RU 2265761, МПК F16F 15/31, 2004), содержащий полую камеру в виде усеченного конуса, заполненную рабочим телом. В устройство дополнительно введены первый и второй управляющие электромагниты переменного тока, блок управления, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым управляющими электромагнитами переменного тока, и датчик положения рабочего тела, выход которого соединен обратной связью с блоком управления. Внутренняя поверхность полой камеры выполнена в виде системы чередующихся соосных усеченных конусов, попеременно направленных вершинами в сторону меньшего или большего основания камеры. Первый конус у меньшего основания камеры направлен вершиной к большему основанию, а первый конус у большего основания - к меньшему. По направлению от меньшего основания к большему диаметры конусов увеличиваются, а высота уменьшается.The closest in technical essence to the proposed device is the "Flywheel of variable moment of inertia" (RU 2265761, IPC F16F 15/31, 2004), containing a hollow chamber in the form of a truncated cone, filled with a working fluid. The device is additionally introduced the first and second control electromagnets of alternating current, a control unit, the first and second outputs of which are connected respectively to the first and second control electromagnets of alternating current, and a position sensor of the working fluid, the output of which is connected by feedback to the control unit. The inner surface of the hollow chamber is made in the form of a system of alternating coaxial truncated cones, alternately directed by the vertices towards the smaller or larger base of the chamber. The first cone at the smaller base of the camera is directed by the apex toward the larger base, and the first cone at the larger base is toward the smaller base. In the direction from the smaller base to the larger, the diameters of the cones increase, and the height decreases.

Недостатками устройства-прототипа являются сложность конструкции, значительные затраты энергии на управление электромагнитами, невозможность использования в горизонтальном исполнении.The disadvantages of the prototype device are the design complexity, significant energy costs for controlling electromagnets, the inability to use in horizontal execution.

Технической задачей изобретения является упрощение конструкции, повышение точности регулирования момента инерции, снижение затрат энергии на управление, а также возможность использования устройства как в горизонтальном, так и в вертикальном исполнении.An object of the invention is to simplify the design, improve the accuracy of regulation of the moment of inertia, reduce energy costs for control, as well as the ability to use the device in both horizontal and vertical versions.

Техническим результатом изобретения является легкий пуск и плавное регулирование момента инерции маховика.The technical result of the invention is an easy start and smooth adjustment of the moment of inertia of the flywheel.

Решение технической задачи достигается тем, что, в устройстве, содержащем полый диск, заполненный ферромагнитной жидкостью и жестко закрепленный на валу, особенность заключается в том, что диск имеет прямоугольное сечение и выполнен из магнитомягкого материала, в его конструкцию введена кольцевая немагнитная вставка, расположенная на внутреннем радиусе центрального отверстия диска, а вал маховика изготовлен из немагнитного материала и имеет внутреннюю полость, в которую на шлицах установлен постоянный магнит с возможностью осевого перемещения посредством винтовой передачи.The solution to the technical problem is achieved by the fact that, in a device containing a hollow disk filled with ferromagnetic fluid and rigidly fixed to the shaft, the feature is that the disk has a rectangular cross section and is made of soft magnetic material, an annular non-magnetic insert located on the inner radius of the central hole of the disk, and the flywheel shaft is made of non-magnetic material and has an internal cavity in which a permanent magnet is mounted on the slots with the possibility of axial movements by screw transmission.

Получение технического результата достигается взаимодействием ферромагнитной жидкости с магнитным полем постоянного магнита, которое изменяет ее вязкость, силу трения между слоями и силу сцепления между жидкостью и диском [Магнитные жидкости, Такетоми С., Тикадзуми С., Пер. с японск. - М.: Мир, 1993. ISBN 5-03-001971-5, стр.244-248.], в отличие от прототипа, где регулирование момента инерции происходит за счет перемещения жидкости.Obtaining a technical result is achieved by the interaction of a ferromagnetic fluid with a magnetic field of a permanent magnet, which changes its viscosity, the friction between the layers and the adhesion between the fluid and the disk [Magnetic fluids, Taketomi S., Tikazumi S., Trans. with japanese. - M .: Mir, 1993. ISBN 5-03-001971-5, p. 244-248.], In contrast to the prototype, where the regulation of the moment of inertia occurs due to the movement of the liquid.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображено осевое сечение предлагаемого маховика переменного момента инерции.The invention is illustrated in the drawing, which shows an axial section of the proposed flywheel of variable moment of inertia.

Устройство содержит полый диск 2, заполненный ферромагнитной жидкостью 3 с немагнитной вставкой 5, расположенной на внутреннем радиусе диска. Немагнитная вставка введена в конструкцию диска, изготовленного из магнитомягкого материала, в целях исключения магнитного экранирования ферромагнитной жидкости. Диск маховика жестко закреплен на полом валу 1 из немагнитного материала. Внутри вала имеются шлицы, по которым перемещается постоянный магнит 4, увеличивая или уменьшая величину магнитного потока, воздействующего на частицы ферромагнитной жидкости, изменяя, таким образом, ее вязкость и силу сцепления между ферромагнитной жидкостью и диском. Перемещение постоянного магнита может осуществляться с помощью винтовой передачи 6 [Проектирование механических передач. Учебное пособие для немашиностроительных вузов. Изд. 4-е, перераб., Чернавский С.А., Ицкович Г.М., Киселев В.А. М.: Машиностроение 1976, стр.137-138].The device comprises a hollow disk 2 filled with ferromagnetic fluid 3 with a non-magnetic insert 5 located on the inner radius of the disk. A non-magnetic insert is introduced into the design of a disk made of soft magnetic material in order to avoid magnetic shielding of the ferromagnetic fluid. The flywheel disk is rigidly fixed to the hollow shaft 1 of non-magnetic material. Inside the shaft there are slots along which the permanent magnet 4 moves, increasing or decreasing the magnitude of the magnetic flux acting on the particles of the ferromagnetic fluid, thereby changing its viscosity and the adhesion force between the ferromagnetic fluid and the disk. The movement of the permanent magnet can be carried out using a helical gear 6 [Design of mechanical gears. Textbook for non-machine-building universities. Ed. 4th, rev., Chernavsky S.A., Itskovich G.M., Kiselev V.A. M.: Mechanical Engineering 1976, pp. 137-138].

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

При пуске устройства постоянный магнит 4 максимально удален от оси, проходящей через центр полого диска маховика, таким образом, что магнитное поле оказывает незначительное воздействие на частицы ферромагнитной жидкости 3. Вязкость ферромагнитной жидкости мала, слои жидкости свободно проскальзывают относительно друг друга, благодаря инерции покоя жидкость стремится «отстать» от полого диска 2, обеспечивая тем самым легкую раскрутку маховика в начальный момент времени. Момент инерции устройства при этом минимален. По мере раскручивания маховика постоянный магнит 4, перемещаясь по шлицам полого вала 1 с помощью винтовой передачи 6, приближается к центру полого диска маховика, увеличивая тем самым величину магнитного потока, воздействующего на ферромагнитную жидкость. Сцепление между слоями ферромагнитной жидкости увеличивается, при этом проскальзывание их относительно друг друга уменьшается. Все больше частиц жидкости, сцепляясь между собой, вовлекается во вращение. Одновременно частицы жидкости притягиваются и к стенкам диска, так как он состоит из магнитомягкого материала и под действием магнитного поля постоянного магнита сам приобретает магнитные свойства. Скорость вращения ферромагнитной жидкости 3 стремится сравняться со скоростью полого диска 2, что ведет к увеличению момента инерции маховика. После раскрутки маховика постоянный магнит 4 вводится максимально возможно в центральную область полого диска 2. Под действием максимального магнитного потока постоянного магнита сила сцепления между слоями ферромагнитной жидкости достигает максимального значения, ферромагнитная жидкость, приобретая свойства монолитного вещества, становясь как бы «единым целым» с диском. Скорости вращения ферромагнитной жидкости и полого диска маховика сравняются, увеличив до максимума момент инерции маховика.When starting up the device, the permanent magnet 4 is maximally distant from the axis passing through the center of the hollow flywheel disk, so that the magnetic field has a negligible effect on the particles of the ferromagnetic fluid 3. The viscosity of the ferromagnetic fluid is small, the fluid layers slip freely relative to each other, due to the inertia of the rest of the fluid tends to “lag behind” the hollow disk 2, thereby providing easy promotion of the flywheel at the initial time. The moment of inertia of the device is minimal. As the flywheel is unwound, the permanent magnet 4, moving along the slots of the hollow shaft 1 using a helical gear 6, approaches the center of the hollow disk of the flywheel, thereby increasing the magnitude of the magnetic flux acting on the ferromagnetic fluid. The adhesion between the layers of the ferromagnetic fluid increases, while their slippage relative to each other decreases. More and more particles of fluid, interlocking with each other, are drawn into rotation. At the same time, fluid particles are attracted to the walls of the disk, since it consists of soft magnetic material and, under the influence of the magnetic field of a permanent magnet, acquires magnetic properties. The rotation speed of the ferromagnetic fluid 3 tends to equal the speed of the hollow disk 2, which leads to an increase in the moment of inertia of the flywheel. After spinning the flywheel, the permanent magnet 4 is introduced as far as possible into the central region of the hollow disk 2. Under the action of the maximum magnetic flux of the permanent magnet, the adhesion force between the layers of the ferromagnetic fluid reaches its maximum value, the ferromagnetic fluid acquires the properties of a monolithic substance, becoming, as it were, “one piece” with the disk . The rotation speeds of the ferromagnetic fluid and the hollow flywheel disk are equalized, maximizing the moment of inertia of the flywheel.

Таким образом, обеспечиваются легкий пуск и плавное регулирование момента инерции в зависимости от величины введения постоянного магнита в центр полого диска маховика, что положительным образом сказывается на режимах работы энергоустановок, на которых он установлен.Thus, it provides easy start-up and smooth regulation of the moment of inertia, depending on the magnitude of the introduction of a permanent magnet into the center of the hollow flywheel disk, which positively affects the operating modes of the power plants on which it is installed.

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы стандартное оборудование, приспособления и материалы, широко распространенные в технологии машиностроения.The proposed technical solution is industrially applicable, since standard equipment, devices and materials that are widely used in mechanical engineering technology can be used for its implementation.

Claims

A flywheel of variable moment of inertia containing a hollow disk filled with ferromagnetic fluid and rigidly fixed to the shaft, characterized in that the disk has a rectangular cross section and is made of soft magnetic material, an annular non-magnetic insert located on the inner radius of the central hole of the disk is introduced into its structure, and the shaft the flywheel is made of non-magnetic material and has an internal cavity in which a permanent magnet is mounted on the slots with the possibility of axial movement by means of a screw chi.