RU2612453C2 - Способ повышения удельной энергоемкости механического накопителя энергии и устройство для его осуществления - Google Patents
Способ повышения удельной энергоемкости механического накопителя энергии и устройство для его осуществления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2612453C2 RU2612453C2 RU2015115092A RU2015115092A RU2612453C2 RU 2612453 C2 RU2612453 C2 RU 2612453C2 RU 2015115092 A RU2015115092 A RU 2015115092A RU 2015115092 A RU2015115092 A RU 2015115092A RU 2612453 C2 RU2612453 C2 RU 2612453C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- flywheel
- rim
- housing
- energy storage
- magnet
- Prior art date
Links
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 5
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 claims abstract description 15
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 claims abstract description 14
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 description 16
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 5
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 5
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 3
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910000808 amorphous metal alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002775 capsule Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 1
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 239000006247 magnetic powder Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000002074 melt spinning Methods 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 1
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
- F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
- F16F15/30—Flywheels
- F16F15/305—Flywheels made of plastics, e.g. fibre reinforced plastics [FRP], i.e. characterised by their special construction from such materials
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16H—GEARING
- F16H33/00—Gearings based on repeated accumulation and delivery of energy
- F16H33/02—Rotary transmissions with mechanical accumulators, e.g. weights, springs, intermittently-connected flywheels
-
- 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
- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
- Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
Abstract
Группа изобретений относится к машиностроению. Способ заключается в том, что обод маховика выполняют из лент магнитопласта, намагниченных поперек ее толщины. Вакуумированный корпус имеет внутренний магнит, выполненный намоткой такими же лентами магнитопласта со встречной относительно обода маховика намагниченностью. Накопитель содержит обод маховика, подвес и вакуумированный корпус. Обод и корпус изготавливают в виде колец, выполненных путем намотки лент магнитопласта, имеющих противоположную намагниченность. Достигается повышение удельной энергоемкости механического накопителя энергии. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Description
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в инерционных аккумуляторах, приводах, содержащих маховик машин, системах ориентации и стабилизации аппаратов.
Известен механический накопитель энергии (далее по тексту - МНЭ) на супермаховиках [1], сделанный из углепластиковых или стеклопластиковых волокон, имеющий вакуумную камеру, магнитный подвес ротора и устройство ввода-вывода энергии. Недостаток известного устройства заключается в том, что повышение его удельной энергоемкости ограничено предельной частотой вращения маховика, которая обусловлена критической скоростью, допускаемой по соображениям прочности. Под удельной энергоемкостью понимаем отношение запасенной устройством энергии к его массе.
Известен механический накопитель энергии [2] национальной лаборатории «Лауренс-Ливермор» (США). Накопитель высотой 40 см, объемом 40 л и массой 75 кг содержит супермаховик, навитый из высокопрочного углепластика (графитового волокна со связкой), выдерживающего напряжения в 7 ГПа и обеспечивающего удельную энергоемкость - 545 Вт⋅ч/кг. Супермаховик вращается с максимальной частотой 60 тыс. оборотов в минуту, накапливая энергию до 1 кВт⋅ч и развивая мощность до 100 кВт. Недостаток устройства заключается в том, что повышение его удельной энергоемкости ограничено предельной частотой вращения маховика, допускаемой по соображениям прочности из-за возможности разрушения маховика.
Наиболее близким по существу заявляемого изобретения, прототипом, является супермаховик Спирякова [3]. Супермаховик содержит корпус, размещенные в нем ось и обод, закрепленные на торцах обода диски, выполненный в виде кольца магнит и закрепленные на торцах магнита и жестко связанные с осью шайбы. Диаметр шайб выбран большим диаметра кольца, диски выполнены из немагнитного материала, а кольцеобразный магнит охвачен ободом, навитым из стальной ленты.
Недостатком прототипа является малая удельная энергоемкость из-за ограничения предельной частоты вращения маховика - из-за возможности разрушения маховика, так как в качестве магнитного материала ротора использована сталь, имеющая недостаточную удельную прочность.
Целью изобретения является повышение удельной энергоемкости механического накопителя энергии.
Цели изобретения - повышения удельной энергоемкости механического накопителя энергии с вакуумированным корпусом, маховиком и устройством ввода-вывода энергии - достигают тем, что обод маховика выполняют из лент магнитопласта, намагниченных поперек ее толщины, вакуумированный корпус содержит внутренний магнит, выполненный намоткой такими же лентами магнитопласта со встречной относительно обода маховика намагниченностью. Для увеличения магнитного потока между ободом и корпусом, обод и корпус выполняют намоткой из колец магнитопласта, имеющих противоположную намагниченность. Подвес маховика выполняют с осевым упорным подшипником.
Заявляемый способ осуществляют, например, следующим путем.
Известен метод производства ниодимовых магнитов [4] по meltspinning process: сначала производят аморфный сплав магнитного материала ниодим-железо-бор, затем его (сплав) измельчают, получают магнитный порошок, вводят порошок в композиционную массу и изготавливают композиционный материал, например, в виде углепластика (далее названного магнитопластом), из которого изготавливают магниты, например, в виде лент, намагниченных в направлении поперек толщины ленты (Фиг. 1, где 1 - лента из магнитопласта, 2 - направление намагниченности, где S - полюс южный, N - полюс северный) и имеющих остаточную намагниченность, например - до 0,8 Тл. Из такой намагниченной ленты - магнитопласта наматывают обод маховика. По сравнению со сталью - магнитным материалом ротора прототипа [4], магнитопласт обладает [http://www.vevivi.ru/best/Magnitoplasty-ref120039.html] примерно вдвое меньшей плотностью и большей прочностью [5] - свойствами, при вращении обеспечивающими сохранность (неразрушаемость) маховика при более высоких (чем у прототипа) оборотах и энергоемкости. Меньшая плотность материала и повышенная (при сохранении цельности устройства) скорость вращения маховика способствуют повышению удельной энергоемкости - отношению запасенной устройством энергии к массе устройства.
При намотке обода маховика из намагниченной ленты весь маховик (состоящий из обечайки, обода и вала маховика) приобретает свойства магнита с радиальным намагничиванием (Фиг. 2, где 1 - магнит, являющийся ободом маховика, 2 - направление намагниченности, S - полюс южный, N - полюс северный), причем каждый последующий виток намотки притягивается к предыдущему (витку) с силой F=1/2×μ0×В2×S, где μ0 - магнитная проницаемость вакуума, В - остаточная магнитная индукция магнитопласта, a S - площадь контакта витков намотки. Притяжение последующих витков препятствует расслаиванию маховика, возникающему при вращении. Это одно из отличительных от прототипа положительных свойств заявляемого изобретения.
Магнит корпуса изготавливают намоткой магнитной ленты (аналогичной использованной ранее для намотки обода маховика), но со встречной (противоположной намагниченности лент намотки обода маховика) намагниченностью (Фиг. 3, где 1 - магнит корпуса, 2 - магнит, являющийся ободом маховика). Под действием магнитных сил обод маховика 2 отталкивается от магнита корпуса 1.
Взаиморасположение обода 2 из магнитного материала и корпуса 1 из противоположно намагниченного материала обеспечивает выполнение функции магнитного подшипника и позволяет в конструкции накопителя энергии отказаться от радиальных подшипников маховика, ограничившись осевым упорным подшипником. Замена поддерживающих маховик радиальных подшипников (имеющихся у прототипа) на выполняющую аналогичную функцию магнитный подшипник исключает трение при вращении маховика и потери энергии на преодоление этого трения, способствует повышению удельной энергоемкости механического накопителя энергии.
Пример устройства для осуществления заявляемого способа - механический накопитель энергии (МНЭ) показан на рисунках (чертежах).
На Фиг. 4 изображен механический накопитель энергии (МНЭ) в разрезе. МНЭ состоит из корпуса вакуумированного 1, где в виде намотанного из лент магнитопласта цилиндра располагается магнит 2 корпуса. В центре корпуса 1 расположены упорные осевые подшипники 3. Корпус 1 вакуумируют для уменьшения аэродинамических потерь при вращении маховика. Внутри корпуса 1 установлен маховик, состоящий из выполненной из стального цилиндра обечайки маховика 4, поверх которого лентой из магнитопласта намотан обод маховика 5. Маховик оснащен осью в виде вала маховика 6. Ленту магнитопласта наматывают с намагниченностью, противоположной намагниченности магнита корпуса. Витки ленты обода маховика 5 склеивают между собой. Обечайку 4 выполняют из стали или другого ферромагнитного материала. На валу 6, который опирается на осевые упорные подшипники 3, располагают устройство ввода - вывода энергии 7, например мотор-генератор.
Механический накопитель энергии (МНЭ) работает следующим образом.
МНЭ устанавливают на подставке (на Фиг. 4 не указан как вспомогательный элемент). Внутреннее пространство корпуса МНЭ вакуумируют. Используя устройство ввода - вывода энергии 7, например мотор-генератор, маховик на валу 6 приводят во вращение. При вращении магнитный обод маховика 5 взаимодействует с магнитом 2 корпуса. При этом стремящаяся разорвать обод маховика 5 центробежная сила уравновешивается силой магнитного отталкивания от магнита 2 корпуса, а также силой магнитного притяжения обода маховика 5 к обечайке маховика 4. Сила воздействия магнита 2 корпуса противодействует изменению расстояния от обода маховика 5 до магнита 2 корпуса и передает возникающие в ободе маховика 5 усилия на корпус 1. При увеличении числа оборотов (маховика) увеличивается центробежная сила, оказывающая нагрузку на маховик и стремящаяся разрушить маховик. Магнитное поле обода маховика 5 взаимодействует с магнитным полем магнита 2 корпуса и разгружает обод маховика. При этом корпус 1 принимает на себя возникающие во вращающемся маховике нагрузки, что позволяет увеличить его скорость вращения и запасать в нем (маховике) большее количество кинетической энергии, соответственно повысить удельную энергоемкость механического накопителя энергии.
Находящийся под наружным давлением вакуумированный корпус 1 служит для удержания вакуума внутри (корпуса), а также для предотвращения разлетания осколков при возможном разрушении маховика. Корпус 1 имеет толщину и массу, обеспечивающую необходимую прочность. Корпус 1 не участвует непосредственно в запасании энергии маховиком МНЭ. В то же время масса корпуса снижает удельную (приходящуюся на единицу массы МНЭ) энергоемкость устройства. Вследствие того, что нагрузка передается на вакууммированный корпус 1, внешнее атмосферное давление также включается в работу, что способствует разгрузке корпуса 1, увеличению скорости вращения маховика, повышенному накоплению кинетической энергии и повышению удельной энергоемкости МНЭ. Сила взаимодействия между магнитом 2 корпуса и ободом маховика 5 (по Фиг. 4) пропорциональна магнитному потоку между ними (корпусом и ободом).
Для увеличения силы взаимодействия путем увеличения магнитного потока между магнитным ободом маховика и магнитом корпуса, магнит в виде обода маховика 5 и магнит 2 в виде корпуса выполняют намоткой из попарно противоположно намагниченных колец (Фиг. 5).
Кроме того, для дополнительного повышения удельной энергоемкости МНЭ (Фиг. 4) обечайку 4 маховика, на которую наматывают обод 5 из магнитопласта, выполняют из материала, имеющего меньший модуль Юнга, чем у обода. Это способствует работе обода 5 в условиях сжатия - при возникновении растягивающих усилий при вращении маховика.
Разгрузка обода маховика 5 с передачей возникающих и стремящихся разрушить маховик центробежных сил на корпус 1 механического накопителя энергии позволяет существенно увеличить скорость вращения маховика без его разрушения. При этом разгрузка высоконагруженного обода маховика 5 с передачей нагрузки на корпус 1 МНЭ позволяет, в зависимости от конструкции и материала корпуса, за счет безопасного увеличения скорости вращения маховика запасать в накопителе до 1,6 раза больше энергии [6], причем без увеличения массы механического накопителя энергии, то есть существенно повысить удельную энергоемкость МНЭ.
Предлагаемое изобретение удовлетворяет критериям новизны, так как при определении уровня техники не обнаружено устройство, которому присущи признаки, идентичные (то есть совпадающие по исполняемой ими функции и форме выполнения этих признаков) всем признакам, перечисленным в формуле изобретения.
Предлагаемый накопитель имеет изобретательский уровень, поскольку не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками данного изобретения, и не установлена известность влияния отличительных признаков на указанный технический результат.
Заявленное техническое решение можно реализовать в промышленном производстве накопителей энергии посредством использования известных стандартных технических устройств и оборудования. Это соответствует критерию «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. http://beaconpower.com/carbon-fiber-flywheels
2. Гулиа Н.В. Удивительная механика. В поисках «энергетической капсулы». - М.: Издательство НЦ ЭНАС, 2006. - С. 142.
3. Патент RU №2025609. МПК F16F 15/30. Приоритет от 10.05.1990. Опубликован 30.12.1994. Супермаховик. Описание изобретения.
4. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Постоянный магнит.
5. Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн. Кн. 1. (Handbook of composites) Справочное издание. Под ред. Дж. Любина. Перевод с английского А.Б. Геллера, М.М. Гельмонта. Под редакцией Б.Э. Геллера. - М.: Издательство «Машиностроение», 1988. - С. 285-286.
6. D.V. Berezhnoi, D.Е. Chickrin, Е.Yu. Kurchatov, A.F. Galimov. Estimation of specific energy capacity of flywheel-housing system in potential field Applied Mathematical Sciences, Vol. 8, 2014, no. 163, 8125-8135.
Claims (3)
1. Способ повышения удельной энергоемкости механического накопителя энергии, состоящий в том, что обод маховика выполняют из лент магнитопласта, намагниченных поперек ее толщины, вакуумированный корпус имеет внутренний магнит, выполненный намоткой такими же лентами магнитопласта со встречной относительно обода маховика намагниченностью.
2. Механический накопитель энергии для осуществления способа по п. 1, содержащий обод маховика, подвес и вакуумированный корпус, отличающийся тем, что обод и корпус изготавливают в виде колец, выполненных путем намотки лент магнитопласта, имеющих противоположную намагниченность.
3. Механический накопитель энергии по п. 2, отличающийся тем, что подвес маховика выполнен с осевым упорным подшипником.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015115092A RU2612453C2 (ru) | 2015-04-21 | 2015-04-21 | Способ повышения удельной энергоемкости механического накопителя энергии и устройство для его осуществления |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015115092A RU2612453C2 (ru) | 2015-04-21 | 2015-04-21 | Способ повышения удельной энергоемкости механического накопителя энергии и устройство для его осуществления |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2015115092A RU2015115092A (ru) | 2016-11-10 |
| RU2612453C2 true RU2612453C2 (ru) | 2017-03-09 |
Family
ID=57267700
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015115092A RU2612453C2 (ru) | 2015-04-21 | 2015-04-21 | Способ повышения удельной энергоемкости механического накопителя энергии и устройство для его осуществления |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2612453C2 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU783520A1 (ru) * | 1979-02-01 | 1980-11-30 | Государственный Научно-Исследовательский Институт Машиноведения Им.Акад.А.А.Благонравова | Аккумул тор кинетической энергии |
| RU2025609C1 (ru) * | 1990-05-10 | 1994-12-30 | Геннадий Николаевич Спиряков | Супермаховик |
| US20070292061A1 (en) * | 2001-08-24 | 2007-12-20 | Tamura Electric Works, Ltd. | Device for rotating body windage loss reduction |
| US20130002071A1 (en) * | 2011-06-28 | 2013-01-03 | Jeremy Daniel Van Dam | Inertial energy storage device and method of assembling same |
-
2015
- 2015-04-21 RU RU2015115092A patent/RU2612453C2/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU783520A1 (ru) * | 1979-02-01 | 1980-11-30 | Государственный Научно-Исследовательский Институт Машиноведения Им.Акад.А.А.Благонравова | Аккумул тор кинетической энергии |
| RU2025609C1 (ru) * | 1990-05-10 | 1994-12-30 | Геннадий Николаевич Спиряков | Супермаховик |
| US20070292061A1 (en) * | 2001-08-24 | 2007-12-20 | Tamura Electric Works, Ltd. | Device for rotating body windage loss reduction |
| US20130002071A1 (en) * | 2011-06-28 | 2013-01-03 | Jeremy Daniel Van Dam | Inertial energy storage device and method of assembling same |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2015115092A (ru) | 2016-11-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3186872B1 (en) | High power flywheel system | |
| Li et al. | A flux-focusing cycloidal magnetic gearbox | |
| US20210159759A1 (en) | Devices and methods for increasing energy and/or power density in composite flywheel energy storage systems | |
| KR20110014590A (ko) | 저-손실 금속 회전자를 구비한 고속 영구자석 모터 및 발전기 | |
| JP2004096990A (ja) | エネルギー貯蔵および変換装置 | |
| US20140084756A1 (en) | Electromechanical flywheel | |
| CN109510382A (zh) | 一种新型磁悬浮储能飞轮转子 | |
| CN104201935A (zh) | 一种四自由度磁悬浮飞轮 | |
| Chen et al. | Rotor strength analysis for high speed permanent magnet machines | |
| WO2019019244A1 (zh) | 采用五自由度混合磁轴承的车载飞轮电池 | |
| RU2547450C1 (ru) | Система на гибридных магнитных подшипниках | |
| JPH08178011A (ja) | フライホイール装置 | |
| CN111211709A (zh) | 一种无推力盘的五自由度磁悬浮电机 | |
| CN103925291A (zh) | 一种永磁偏置混合轴向磁轴承 | |
| JP5504532B2 (ja) | 高速回転装置 | |
| Samanta et al. | On the evolution of passive magnetic bearings | |
| RU2612453C2 (ru) | Способ повышения удельной энергоемкости механического накопителя энергии и устройство для его осуществления | |
| US8946958B2 (en) | Energy storage system comprising a flywheel | |
| RU2541356C1 (ru) | Электромашина | |
| JP6805145B2 (ja) | 複合フライホイールエネルギ貯蔵システムにおけるエネルギ及び／または出力密度を増大する装置及び方法 | |
| JP2008228535A (ja) | 電力貯蔵用フライホイール蓄電装置 | |
| CN111102234A (zh) | 一种永磁偏置磁悬浮轴承 | |
| JPWO2017158710A1 (ja) | フライホイール装置及び回転電機 | |
| Bakay et al. | Losses in hybrid and active magnetic bearings applied to Long Term Flywheel Energy Storage | |
| JP2016039733A (ja) | フライホイール装置及び、発電及び駆動モータ装置 |