RU2615607C1 - Mechanical energy storage with magnetic gearbox - Google Patents

Mechanical energy storage with magnetic gearbox Download PDF

Info

Publication number
RU2615607C1
RU2615607C1 RU2015154353A RU2015154353A RU2615607C1 RU 2615607 C1 RU2615607 C1 RU 2615607C1 RU 2015154353 A RU2015154353 A RU 2015154353A RU 2015154353 A RU2015154353 A RU 2015154353A RU 2615607 C1 RU2615607 C1 RU 2615607C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
flywheel
magnetic
drive
stator
rim
Prior art date
Application number
RU2015154353A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Эдуард Юрьевич Курчатов
Дмитрий Валерьевич Бережной
Анатолий Юрьевич Афанасьев
Дмитрий Евгеньевич Чикрин
Петр Анатольевич Кокунин
Александр Львович Глазенап
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВО КФУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВО КФУ) filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВО КФУ)
Priority to RU2015154353A priority Critical patent/RU2615607C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2615607C1 publication Critical patent/RU2615607C1/en

Links

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
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/02—Additional mass for increasing inertia, e.g. 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

Abstract

FIELD: machine engineering.
SUBSTANCE: mechanical storage comprises a flywheel and drive in the form of a magnetic gear arranged coaxially and hermetically separated from each other enclosures. The flywheel is disposed within a vacuum enclosure. The rim of the flywheel is designed as a winding on the mantle surface of the flywheel tapes bonded magnets magnetized transversely to their width. Vacuum housing has an inner magnet, which is made by winding the same types of bonded magnets with oppositely magnetization relative to the rim of the flywheel. The power input-output device is a magnetic gear comprising a fast rotating shaft. The slow rotation shaft includes a hollow cylinder stator, comprising a magnetic circuit with teeth on its inner surface. The hollow cylinder stator is hermetically and mechanically connected to its one end to the frame via a non-magnetic ring. Hollow rotor and stator cylinders slow rotation comprise alternating ferromagnetic and non-magnetic elements directed along the axis of rotation.
EFFECT: reduction of losses during energy conversion.
3 cl, 2 dwg

Description

Заявленное техническое решение относится к области электротехники, в частности, к накопителям энергии для транспортных электрифицированных систем, источников аварийного и бесперебойного питания для атомных, ветровых и солнечных электростанций, а также для целей временного повышения мощности энергетических устройств.The claimed technical solution relates to the field of electrical engineering, in particular, to energy storage devices for electrified transport systems, emergency and uninterruptible power supplies for nuclear, wind and solar power plants, as well as for the purpose of temporarily increasing the power of energy devices.

Известен накопитель энергии по патенту ЕР 0821462 (1998-01-28, Н02K 7/02, Н02K 7/08, F16F 15/30, F16F 15/315), включающий вакуумируемый корпус, установленный в корпусе вертикальный стержень со статором, цилиндрический ротор, приводимый в движение статором для накопления кинетической энергии и взаимодействующий со статором как генератором при высвобождении энергии. Трубчатый ротор имеет внутренний слой из стекловолокна и наружный слой из углеволокна, причем толщина внутреннего слоя составляет 2/3 от толщины трубы ротора. Концевая крышка ротора используется для опоры ротора на стержне через игольчатый опорный подшипник со сферической головкой и подпятником в верхней части ротора, а осевой и радиальные магнитные подшипники с постоянными магнитами, взаимодействующими с магнитными материалами из железа или NdFeB во внутренних слоях пластика ротора, установлены в нижней части ротора.Known energy storage device according to patent EP 0821462 (1998-01-28, Н02K 7/02, Н02K 7/08, F16F 15/30, F16F 15/315), including a vacuum housing, a vertical rod with a stator installed in the housing, a cylindrical rotor, driven by a stator to accumulate kinetic energy and interacting with the stator as a generator when energy is released. The tubular rotor has an inner layer of fiberglass and an outer layer of carbon fiber, the thickness of the inner layer being 2/3 of the thickness of the rotor tube. The end cover of the rotor is used to support the rotor on the shaft through a needle thrust bearing with a spherical head and a thrust bearing in the upper part of the rotor, and axial and radial magnetic bearings with permanent magnets interacting with magnetic materials of iron or NdFeB in the inner layers of the plastic of the rotor are installed in the lower rotor parts.

Недостатком является наличие неподвижного стержня, который увеличивает потери на трение с внутренней поверхностью ротора, использование мотор-генератора в качестве устройства ввода-вывода энергии и, как следствие, потери, связанные с преобразованием электрической энергии в механическую энергию вращения ротора и наоборот, размещение мотор-генератора внутри вакуумированной камеры, что в совокупности снижает эффективность накопителя, а именно:The disadvantage is the presence of a fixed rod, which increases friction losses with the inner surface of the rotor, the use of a motor generator as an input / output device for energy and, as a result, losses associated with the conversion of electrical energy into mechanical energy of rotor rotation and vice versa, generator inside the evacuated chamber, which together reduces the efficiency of the drive, namely:

- сокращается время хранения запасаемой кинетической энергии;- reduced storage time of stored kinetic energy;

- ограничивается интенсивность энергообмена между накопителем и внешними источниками и потребителями энергии, что связано с недостаточно эффективным охлаждением мотор-генератора в условиях вакуума.- the intensity of energy exchange between the drive and external sources and consumers of energy is limited, which is associated with insufficiently efficient cooling of the motor generator in a vacuum.

Известен маховичный накопитель по патенту RU №2456734 (2010-04-15, Н02K 7/02, Н02K 7/09, Н02K 51/00, F16F 15/315). Накопитель включает вакуумируемый корпус, маховик в виде вертикального цилиндрического трубчатого ротора с мотор-генератором со статором и приводным диском. Система опор образована из игольчатого опорного подшипника с подпятником в нижней части и магнитного подшипника с постоянным магнитом в верхней части ротора. Вращающиеся элементы опор закреплены на перегородках, установленных внутри трубы ротора на некотором удалении от ее торцов. Горизонтальная плоскость, проходящая через границу взаимодействия вращающегося и невращающегося элементов опор, пересекает ось вращения в узле формы изгиба оси ротора на рабочей скорости вращения.Known flywheel drive according to patent RU No. 2456734 (2010-04-15, Н02K 7/02, Н02K 7/09, Н02K 51/00, F16F 15/315). The drive includes a vacuum housing, a flywheel in the form of a vertical cylindrical tubular rotor with a motor generator with a stator and a drive disk. The support system is formed of a needle bearing with a thrust bearing in the lower part and a permanent magnet magnetic bearing in the upper part of the rotor. Rotating support elements are fixed on partitions installed inside the rotor pipe at some distance from its ends. The horizontal plane passing through the interface between the rotating and non-rotating support elements intersects the axis of rotation in the node of the bend of the axis of the rotor at the operating speed of rotation.

Недостатком данного прототипа является использование мотор-генератора как устройства ввода-вывода энергии и, как следствие, потери на преобразование электрической энергии в механическую и обратно, размещение мотор-генератора внутри вакуумированной камеры, что затрудняет отвод тепла при его работе, вследствие чего снижается эффективность использования накопителя по назначению.The disadvantage of this prototype is the use of a motor generator as an input / output device for energy and, as a result, losses due to the conversion of electrical energy into mechanical energy and vice versa, the placement of a motor generator inside a vacuum chamber, which makes it difficult to remove heat during its operation, which reduces the efficiency of use drive for its intended purpose.

Известно техническое решение, аналог магнитного редуктора по совпадению назначения заявленного технического решения, в отношении конструкции редуктора, т.е. по совпадению технической сущности и по совпадающим признакам редуктора (устройства ввода-вывода механической энергии) патент РФ №2474033, сущность заключается в том, что магнитный редуктор, содержащий коаксиально установленные на одном валу ротор быстрого вращения с постоянными магнитами и полюсными наконечниками, на другом валу - посредством немагнитного диска ротор медленного вращения в виде, по меньшей мере, одного полого цилиндра, статор, включающий магнитопровод с зубцами на его внутренней поверхности и, по меньшей мере, один полый цилиндр, механически связанный одним своим торцом с корпусом через немагнитное кольцо, постоянные магниты ротора быстрого вращения намагничены тангенциально и встречно и расположены между клинообразными полюсными наконечниками, полые цилиндры статора и ротора медленного вращения имеют чередующиеся ферромагнитные и немагнитные элементы, направленные вдоль оси вращения, отличающийся тем, что он снабжен подшипниковым щитом, установленным на валу ротора быстрого вращения и герметично и механически связанным с другим торцом полого цилиндра статора, расположенного между ротором быстрого вращения и полым цилиндром ротора медленного вращения.A technical solution is known, an analogue of a magnetic gearbox by coincidence of the purpose of the claimed technical solution, in relation to the design of the gearbox, i.e. according to the coincidence of the technical essence and the coincident features of the gearbox (mechanical energy input-output device) RF patent No. 2474033, the essence is that the magnetic gearbox contains a fast rotation rotor coaxially mounted on one shaft with permanent magnets and pole pieces, on the other shaft - by means of a non-magnetic disk, a slow rotation rotor in the form of at least one hollow cylinder, a stator including a magnetic circuit with teeth on its inner surface and at least one hollow c the cylinder mechanically connected at one end to the body through a non-magnetic ring, the permanent magnets of the fast rotation rotor are magnetically tangentially and opposed and located between the wedge-shaped pole pieces, the hollow cylinders of the stator and the slow rotation rotor have alternating ferromagnetic and non-magnetic elements directed along the rotation axis, characterized in that it is equipped with a bearing shield mounted on the shaft of the rotor of rapid rotation and hermetically and mechanically connected to the other end face of the hollow cylinder pa stator positioned between the rotor and the rapid rotation of a hollow cylinder rotor slow rotation.

Недостатком являются потери на трение, которые обусловлены наличием двух узлов трения, имеющихся в подшипниковом щите, установленном на валу ротора быстрого вращения, что снижает эффективность его применения по назначению.The disadvantage is friction losses, which are caused by the presence of two friction units present in the bearing shield mounted on the shaft of the fast rotation rotor, which reduces the effectiveness of its intended use.

Известно техническое решение выбранного заявителем в качестве прототипа, по наибольшему количеству совпадающих признаков и достигаемому техническому результату, в отношении конструктивных особенностей как маховичного накопителя, так и магнитного редуктора (устройства ввода вывода) по патенту RU №2246034 (05.01.2001, F03G 3/08, F16H 33/02, Н02K 7/02) сущность известного технического решения заключается в том, что маховичный накопитель, содержащий маховик и привод с опорами, размещенные в разделенных между собой вакуумированных камерах, заполненных разреженным газом с различным уровнем вакуума в них, причем в камере с низким уровнем вакуума помещен привод с опорами, а в камере с повышенным уровнем вакуума помещен маховик, отличающийся тем, что камера привода с опорами отделена от камеры маховика, по меньшей мере, одним уплотнением, выполненным герметичным, по крайней мере, в режиме рабочих частот вращения маховика, причем давление газа в камерах приводов и опор выше максимального давления выпуска турбомолекулярных насосов и относится к низкому вакууму с критерием Кнудсена ниже 0,01, а давление в камере маховика относится к вакууму с критерием Кнудсена выше 0,01.A technical solution is known selected by the applicant as a prototype, by the largest number of matching features and the technical result achieved, with respect to the design features of both the flywheel drive and the magnetic gear (output input device) according to patent RU No. 2246034 (05.01.2001, F03G 3/08 , F16H 33/02, Н02K 7/02) the essence of the known technical solution lies in the fact that a flywheel drive containing a flywheel and a drive with supports located in separated vacuum chambers filled with rarefied gas with different levels of vacuum in them, moreover, a drive with supports is placed in a chamber with a low vacuum level, and a flywheel is placed in a chamber with a high vacuum level, characterized in that the drive chamber with supports is separated from the flywheel chamber by at least one seal made airtight, at least in the operating mode of the flywheel’s rotational speeds, and the gas pressure in the drive chambers and bearings is higher than the maximum outlet pressure of the turbomolecular pumps and refers to a low vacuum with a Knudsen criterion below 0.01, and the pressure in the flywheel chamber refers to a vacuum with a Knudsen criterion above 0.01.

Таким образом, в указанном прототипе электропривод, маховик и привод с опорами размещены в разделенных между собой вакуумированных камерах с различным уровнем вакуума в них. В камерах с низким уровнем вакуума помещены волновой механический привод, опоры и электропривод, причем ротор электропривода вращается со скоростью вращения маховика, а в камере с высоким уровнем вакуума помещен маховик. Камеры разделены между собой уплотнениями, выполненными герметичными. Размещение маховика в камере с низким уровнем вакуума связано с необходимостью уменьшения аэродинамических потерь при вращении маховика, а размещение ротора электромашины в камере с низким уровнем вакуума для достижения достаточного уровня теплопередачи от нагревающихся элементов привода к стенкам камеры.Thus, in the specified prototype, the electric drive, the flywheel and the drive with bearings are located in vacuum chambers divided with each other with different levels of vacuum in them. In chambers with a low level of vacuum, a wave mechanical drive, supports and an electric drive are placed, and the rotor of the electric drive rotates at a speed of rotation of the flywheel, and a flywheel is placed in a chamber with a high level of vacuum. The cameras are separated by seals made of airtight. The placement of the flywheel in a chamber with a low vacuum level is associated with the need to reduce aerodynamic losses during rotation of the flywheel, and the placement of the rotor of an electric machine in a chamber with a low vacuum level to achieve a sufficient level of heat transfer from the heating drive elements to the chamber walls.

Недостатками прототипа являются использование электропривода в качестве устройства ввода энергии и связанные с этим потери на преобразование электрической энергии в механическую. Потери на трение в герметичных уплотнениях, опорах, аэродинамические потери, связанные с вращением ротора электромашины, жестко связанного с валом маховика и расположенного в камере с низким уровнем вакуума. Кроме того, известное техническое решение, по мнению заявителя, обладает существенным недостатком в отношении общей конструкции, т.к. ввод энергии производится посредством отдельного электропривода, а вывод реализуется через волновой привод (волновой редуктор), что приводит к усложнению как конструкции, так и технологии изготовления накопителя как такового. Кроме того, известные конструкции волновых приводов содержат как минимум два узла трения на стороне вала быстрого вращения, что приводит к дополнительным потерям на трение. Приведенные выше недостатки в целом приводят к потере запасенной энергии и тем самым снижают эффективность использования накопителя по назначению.The disadvantages of the prototype are the use of an electric drive as an energy input device and the associated loss of the conversion of electrical energy into mechanical energy. Friction losses in tight seals, bearings, aerodynamic losses associated with the rotation of the rotor of an electric machine, rigidly connected with the flywheel shaft and located in a chamber with a low level of vacuum. In addition, the known technical solution, according to the applicant, has a significant drawback with respect to the overall design, because energy input is carried out by means of a separate electric drive, and the output is realized through a wave drive (wave gear), which leads to a complication of both the design and the manufacturing technology of the drive as such. In addition, the known designs of wave drives contain at least two friction nodes on the side of the rapid rotation shaft, which leads to additional friction losses. The above disadvantages as a whole lead to the loss of stored energy and thereby reduce the efficiency of use of the drive for its intended purpose.

Целью заявленного технического решения является устранение недостатков прототипа, а именно - создание накопителя механической энергии, обеспечивающего передачу механической энергии вращения двигателя в кинетическую энергию вращения маховика и наоборот, упрощение конструкции и повышение надежности.The purpose of the claimed technical solution is to eliminate the disadvantages of the prototype, namely, the creation of a mechanical energy storage device that transfers the mechanical energy of engine rotation to the kinetic energy of rotation of the flywheel and vice versa, simplifying the design and increasing reliability.

Механический накопитель энергии, содержащий маховик и привод в виде магнитного редуктора, размещенные соосно и в разных, герметично разделенных между собой корпусах, причем маховик находится внутри вакуумированного корпуса, а магнитный редуктор снаружи, отличающийся тем, что обод маховика выполняют намоткой на поверхность обечайки маховика лент магнитопласта, намагниченных поперек их ширины, а вакуумированный корпус содержит внутренний магнит, выполненный намоткой такими же лентами магнитопласта со встречной относительно обода маховика намагниченностью, при этом для хранения энергии без немедленного ее потребления накопитель отключается от привода муфтой, устройство ввода-вывода энергии, выполненное в виде магнитного редуктора, состоящее из вала быстрого вращения, который содержит постоянные магниты, намагниченные тангенциально и встречно и расположенные между клинообразными полюсными наконечниками и составляющие одно целое с валом маховика, который находится внутри вакуумированного корпуса накопителя, и вала медленного вращения, состоящего, по меньшей мере, из одного полого цилиндра, статора, включающего магнитопровод с зубцами на его внутренней поверхности, и полого цилиндра статора, герметично и механически связанного одним своим торцом с корпусом через немагнитное кольцо, при этом другой торец которого герметично закрыт немагнитным диском, причем полые цилиндры статора и ротора медленного вращения имеют чередующиеся ферромагнитные и немагнитные элементы, направленные вдоль оси вращения, который находится вне вакуумированного корпуса накопителя. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что обод и корпус выполняются намоткой из одной ленты магнитопласта, намагниченной полосами взаимно противоположной направленности. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутренний магнит выполняется намоткой из колец магнитопласта, имеющих противоположную намагниченность.A mechanical energy storage device containing a flywheel and a drive in the form of a magnetic gearbox, placed coaxially and in different housings, hermetically separated from each other, the flywheel being inside the evacuated housing, and the magnetic gearbox outside, characterized in that the flywheel rim is wound onto the surface of the tape flywheel shell magnetoplast, magnetized across their width, and the evacuated housing contains an internal magnet made by winding the same tapes of the magnetoplast with an opposite relative to the rim max wick magnetization, while for storing energy without immediate consumption, the drive is disconnected from the drive by a clutch, an energy input-output device made in the form of a magnetic reducer, consisting of a fast rotation shaft, which contains permanent magnets magnetically and tangentially opposed and located between the wedge-shaped pole tips and being integral with the flywheel shaft, which is located inside the evacuated housing of the drive, and the shaft of slow rotation, consisting of at least from one hollow cylinder, a stator, including a magnetic circuit with teeth on its inner surface, and a hollow stator cylinder, hermetically and mechanically connected by one end to the body through a non-magnetic ring, while the other end of which is hermetically closed by a non-magnetic disk, and the hollow cylinders of the stator and rotor Slow rotation have alternating ferromagnetic and non-magnetic elements directed along the axis of rotation, which is located outside the evacuated housing of the drive. The device according to claim 1, characterized in that the rim and the housing are made by winding from one tape of the magnetoplast magnetized by strips of mutually opposite direction. The device according to claim 1, characterized in that the inner magnet is wound from rings of the magnetoplast having opposite magnetization.

Кроме того, обод и внутренний магнит могут выполняться намоткой из одной ленты магнитопласта, намагниченной полосами взаимно противоположной направленности.In addition, the rim and the inner magnet can be made by winding from one tape of the magnetoplast magnetized by strips of mutually opposite direction.

Кроме того, для хранения энергии без немедленного ее потребления накопитель отключается от привода муфтой, например, электрической или механической.In addition, to store energy without immediate consumption, the drive is disconnected from the drive by a coupling, for example, electrical or mechanical.

Более детально сущностью заявленного технического решения является создание механического накопителя энергии с вакуумированным корпусом, маховиком и устройством ввода-вывода энергии, имеющим один узел трения на стороне вала быстрого вращения в виде малонагруженной шариковой опоры, которое достигается тем, что обод маховика выполняется намоткой на поверхность обечайки лент магнитопласта, намагниченных поперек ее ширины, 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 лент магнитопласта, имеющих противоположную намагниченность. Возможно также изготовление обода маховика намоткой из одной ленты, но намагниченной полосами взаимно противоположной направленности. Взаимное расположение обода из магнитного материала и внутреннего магнита корпуса из противоположно намагниченного материала обеспечивает выполнение функции магнитного подшипника и позволяет отказаться от радиальных подшипников маховика в конструкции накопителя энергии, ограничившись осевым упорным подшипником в виде упорного шарика и разгрузочными магнитами, снимающими осевую нагрузку с вала маховика и расположенными на оси вращения ротора, а ввод-вывод энергии производится при помощи магнитного редуктора, вал быстрого вращения которого содержит постоянные магниты, намагниченные тангенциально и встречно и расположены между клинообразными полюсными наконечниками и составляют одно целое с валом маховика, и находится внутри вакуумированного корпуса накопителя, а вал медленного вращения в виде, по меньшей мере, одного полого цилиндра, статора, включающего магнитопровод с зубцами на его внутренней поверхности, полого цилиндра статора, герметично и механически связанного одним своим торцом с корпусом через немагнитное кольцо, а другой торец которого герметично закрыт немагнитным диском, а полые цилиндры статора и ротора медленного вращения имеют чередующиеся ферромагнитные и немагнитные элементы, направленные вдоль оси вращения, находится вне вакуумированного корпуса накопителя.In more detail, the essence of the claimed technical solution is the creation of a mechanical energy storage device with a vacuum housing, a flywheel and an energy input / output device having one friction unit on the side of the fast rotation shaft in the form of a lightly loaded ball bearing, which is achieved by the fact that the flywheel rim is wound on the shell surface tapes of a magnetoplast magnetized across its width, the evacuated housing contains an internal magnet made by winding the same tapes of the magnetoplast with relative to the flywheel rim magnetization. To increase the magnetic flux between the rim and the casing, the rim and the casing are wound from magnetoplast tapes having opposite magnetization. It is also possible to produce a flywheel rim by winding from one tape, but magnetized by strips of mutually opposite direction. The relative position of the rim of magnetic material and the inner magnet of the body of the oppositely magnetized material provides the function of a magnetic bearing and eliminates the flywheel radial bearings in the energy storage design, limiting itself to an axial thrust bearing in the form of a thrust ball and unloading magnets that relieve the axial load from the flywheel shaft and located on the axis of rotation of the rotor, and the input-output of energy is carried out using a magnetic gearbox, the shaft of rapid rotation which contains permanent magnets magnetically and tangentially opposed and located between the wedge-shaped pole pieces and is integral with the flywheel shaft, and is located inside the evacuated drive housing, and the slow rotation shaft is in the form of at least one hollow cylinder, a stator including a magnetic circuit with teeth on its inner surface, a hollow stator cylinder, hermetically and mechanically connected by one end to the body through a non-magnetic ring, and the other end of which is hermetically sealed Indoor nonmagnetic disk, and the hollow cylinders of the stator and the rotor slow rotation have alternating ferromagnetic and nonmagnetic elements directed along the axis of rotation, is out of a vacuum housing drive.

Заявленное техническое решение поясняется Фиг. 1, Фиг. 2, где:The claimed technical solution is illustrated in FIG. 1, FIG. 2, where:

1 - вакуумированный корпус накопителя;1 - evacuated drive housing;

2 - внутренний магнит корпуса;2 - inner magnet of the housing;

3 - обод маховика;3 - flywheel rim;

4 - обечайка маховика;4 - flywheel shell;

5 - вал быстрого вращения;5 - shaft of rapid rotation;

6 - разгрузочные постоянные магниты;6 - unloading permanent magnets;

7 - шариковая опора;7 - ball bearing;

8 - постоянные магниты вала быстрого вращения;8 - permanent magnets of the shaft of rapid rotation;

9 - вал медленного вращения;9 - shaft of slow rotation;

10 - полый цилиндр вала медленного вращения;10 - a hollow cylinder of a shaft of slow rotation;

11 - статор магнитного редуктора;11 - the stator of the magnetic gear;

12 - полый цилиндр статора;12 - a hollow cylinder of the stator;

13 - полый цилиндр статора, герметично связанный с корпусом;13 - hollow cylinder of the stator, hermetically connected to the housing;

14 - немагнитное кольцо;14 - non-magnetic ring;

15 - немагнитный диск;15 - non-magnetic disk;

16 - опоры вала медленного вращения;16 - support shaft slow rotation;

17 - корпус магнитного редуктора.17 - the housing of the magnetic gear.

Механический накопитель энергии с магнитным редуктором в режиме накопления работает следующим образом. При подаче вращения на вал медленного вращения 9 от внешнего механического привода общепромышленного исполнения, например обращаемой гидравлической машины или электрического мотор-генератора, в случае использования накопителя в электрических сетях (на Фиг. 1 не показаны), вал 9, по меньшей мере, через один полый цилиндр 10, жестко связанный с валом медленного вращения, статор магнитного редуктора 11, по меньшей мере один полый цилиндр статора 12, герметично связанный с корпусом полый цилиндр 13 и постоянные магниты 8 вала быстрого вращения 5, связанные общим магнитным потоком, приводят во вращение вал быстрого вращения 5 с установленными на нем обечайкой 4 и ободом 3 маховика, состоящего из намотанных на поверхность обечайки лент магнитопласта, размещенных в вакуумированном корпусе 1, с коэффициентом редукции K, который может составлять, например, 20. При этом передаваемая на маховик энергия накапливается и сохраняется в маховике согласно формуле Е=J*ω2/2, где Е - кинетическая энергия, J - момент инерции, а ω - угловая скорость вращения маховика. Рабочими скоростями вращения маховика являются скорости порядка 30000-60000 об/мин. При этом угловая скорость привода - ωп, присоединяемого к валу медленного вращения, будет меньше скорости вращения маховика в ω/K раз, что позволяет применять приводы обычного промышленного исполнения. При вращении маховик удерживается в осевом направлении за счет разгрузочных постоянных магнитов 6 и шариковой опоры 7, а в радиальном направлении за счет сил отталкивания между внутренним магнитом корпуса 2 и ободом маховика 3 соответственно. В режиме отдачи энергии накопитель работает в обратном порядке. Герметичность вакуумированной камеры обеспечивается за счет герметичного соединения немагнитного диска 15 с торцом полого цилиндра статора 13, герметично связанного через немагнитный диск 14 с корпусом 1.Mechanical energy storage with a magnetic gear in the accumulation mode operates as follows. When applying rotation to the shaft of slow rotation 9 from an external mechanical drive of general industrial design, for example, a reversible hydraulic machine or an electric motor generator, in the case of using a drive in electric networks (not shown in Fig. 1), shaft 9, through at least one a hollow cylinder 10, rigidly connected to the shaft of slow rotation, the stator of the magnetic gear 11, at least one hollow cylinder of the stator 12, hermetically connected to the housing, the hollow cylinder 13 and the permanent magnets 8 of the fast rotation shaft 5, due to the general magnetic flux, they rotate the fast rotation shaft 5 with the rim 4 mounted on it and the flywheel rim 3, consisting of magnetoplastic tapes wound on the surface of the rim, placed in a vacuum case 1, with a reduction coefficient K, which can be, for example, 20 . in this case the energy transmitted to the flywheel accumulates and is stored in a flywheel according to the formula E = J * ω 2/2, where E - the kinetic energy, J - moment of inertia and ω - angular speed of rotation of the flywheel. The operating speeds of the flywheel are speeds of the order of 30000-60000 rpm. In this case, the angular speed of the drive - ω p , connected to the shaft of slow rotation, will be less than the flywheel rotation speed by ω / K times, which allows the use of conventional industrial drives. During rotation, the flywheel is held in the axial direction due to unloading permanent magnets 6 and ball bearings 7, and in the radial direction due to repulsive forces between the inner magnet of the housing 2 and the rim of the flywheel 3, respectively. In the energy transfer mode, the drive operates in the reverse order. The tightness of the evacuated chamber is ensured by tightly connecting the non-magnetic disk 15 to the end face of the hollow cylinder of the stator 13, which is hermetically connected through the non-magnetic disk 14 to the housing 1.

В случае если существует потребность хранения энергии без немедленного ее потребления, накопитель отключается от привода муфтой, например, электрической или механической (на Фиг. 1, Фиг. 2 не показана), которая, например, смещает вдоль корпуса 1 корпус магнитного редуктора 17 с установленным в нем с помощью опор 16 валом медленного вращения 6 с полыми цилиндрами 10 до полного разрыва магнитного потока редуктора.If there is a need for energy storage without immediate consumption, the drive is disconnected from the drive by a coupling, for example, electrical or mechanical (not shown in Fig. 1, Fig. 2), which, for example, biases the housing of the magnetic reducer 17 with installed in it using supports 16 with a slow rotation shaft 6 with hollow cylinders 10 until the gearbox magnetic flux is completely ruptured.

Механический накопитель энергии, включающий в себя внутренний магнит и обод, состоящие из навитых на внутреннюю сторону вакуумированной камеры и наружную поверхность обечайки маховика соответственно лент магнитопласта, имеющих противоположную намагниченность, и разгрузочных магнитов, расположенных на валу маховика, имеет малонагруженную шариковую опору, что позволяет обойтись без радиальных подшипников маховика, минимизировать потери на трение и тем самым улучшить эффективность использования накопителя по назначению. Применение устройства ввода-вывода энергии в виде магнитного редуктора с коэффициентом редукции К, равным, например, 20, позволяет использовать приводы, например, мотор-генератор или обращаемую гидравлическую машину общепромышленного исполнения, что удешевляет конструкцию и делает ее более доступной. Расположение внешнего привода вне вакуумного корпуса позволяет избежать, в случае применения мотор-генератора, необходимость устройства отдельной системы охлаждения, что также упрощает конструкцию. Применяемый магнитный редуктор не имеет механических контактов, бесшумен в работе, имеет большой срок службы, надежно герметизирует вакуумированную камеру со стороны устройства ввода-вывода энергии, что положительно сказывается на длительности службы и безотказности механического накопителя в целом, а возможность отключения привода позволяет, в случае необходимости, длительное время хранить запасенную энергию без существенных потерь.A mechanical energy storage device, which includes an internal magnet and a rim, consisting of magnetoplast tapes wound on the inside of the evacuated chamber and the outer surface of the flywheel shell, respectively, having opposite magnetization, and unloading magnets located on the flywheel shaft, has a lightly loaded ball bearing, which allows without radial flywheel bearings, minimize friction losses and thereby improve the efficiency of use of the drive for its intended purpose. The use of an energy input-output device in the form of a magnetic reducer with a reduction coefficient K equal to, for example, 20, allows the use of drives, for example, a motor generator or a reversible hydraulic machine of general industrial design, which makes the design cheaper and more accessible. The location of the external drive outside the vacuum housing avoids, in the case of the motor generator, the need for a separate cooling system, which also simplifies the design. The magnetic gearbox used has no mechanical contacts, is silent in operation, has a long service life, reliably seals the evacuated chamber from the side of the energy input-output device, which positively affects the service life and reliability of the mechanical drive as a whole, and the possibility of shutting down the drive allows, in case of necessary, for a long time to store stored energy without significant loss.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна», т.к. из исследованного уровня техники заявителем не выявлена заявленная совокупность признаков, обеспечивающая реализацию поставленных задач.The claimed technical solution meets the criterion of "novelty", because from the investigated prior art, the applicant has not identified the claimed combination of features, ensuring the implementation of the tasks.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», т.к. является неочевидным для специалиста.The claimed technical solution meets the criterion of "inventive step", because It is not obvious to a specialist.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость», т.к. заявленное техническое решение может быть изготовлено в промышленности с применением стандартного оборудования, с применением известных технологий и материалов.The claimed technical solution meets the criterion of "industrial applicability", because The claimed technical solution can be manufactured in industry using standard equipment, using well-known technologies and materials.

Claims (3)

1. Механический накопитель энергии, содержащий маховик и привод в виде магнитного редуктора, размещенные соосно и в разных, герметично разделенных между собой корпусах, причем маховик находится внутри вакуумированного корпуса, а магнитный редуктор снаружи, отличающийся тем, что обод маховика выполняется намоткой на поверхность обечайки маховика лент магнитопласта, намагниченных поперек их ширины, а вакуумированный корпус содержит внутренний магнит, выполненный намоткой такими же лентами магнитопласта со встречной относительно обода маховика намагниченностью, при этом для хранения энергии без немедленного ее потребления накопитель отключается от привода муфтой, устройство ввода-вывода энергии выполнено в виде магнитного редуктора, состоящего из вала быстрого вращения, который содержит постоянные магниты, намагниченные тангенциально и встречно и расположенные между клинообразными полюсными наконечниками и составляющие одно целое с валом маховика, который находится внутри вакуумированного корпуса накопителя, и вала медленного вращения, состоящего, по меньшей мере, из одного полого цилиндра, статора, включающего магнитопровод с зубцами на его внутренней поверхности, и полого цилиндра статора, герметично и механически связанного одним своим торцом с корпусом через немагнитное кольцо, при этом другой торец которого герметично закрыт немагнитным диском, причем полые цилиндры статора и ротора медленного вращения имеют чередующиеся ферромагнитные и немагнитные элементы, направленные вдоль оси вращения, который находится вне вакуумированного корпуса накопителя.1. A mechanical energy storage device containing a flywheel and a drive in the form of a magnetic gearbox, placed coaxially and in different housings, hermetically separated from each other, the flywheel inside the evacuated housing and the magnetic gearbox on the outside, characterized in that the flywheel rim is wound on the surface of the shell the flywheel of magnetoplast tapes magnetized across their width, and the evacuated housing contains an internal magnet made by winding the same magnetoplast tapes with an opposite relative to the rim the magnetism, in order to store energy without immediate consumption, the drive is disconnected from the drive by the coupling, the energy input-output device is made in the form of a magnetic reducer, consisting of a fast rotation shaft, which contains permanent magnets magnetically and tangentially opposed and located between the wedge-shaped pole pieces and constituting one with the flywheel shaft, which is located inside the evacuated housing of the drive, and the shaft of slow rotation, consisting, at least e, from one hollow cylinder, a stator, including a magnetic circuit with teeth on its inner surface, and a hollow cylinder of a stator, hermetically and mechanically connected by one end to the body through a non-magnetic ring, while the other end of which is hermetically closed by a non-magnetic disk, and the hollow cylinders of the stator and slow rotation rotors have alternating ferromagnetic and non-magnetic elements directed along the axis of rotation, which is located outside the evacuated housing of the drive. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что обод и корпус выполняются намоткой из одной ленты магнитопласта, намагниченной полосами взаимно противоположной направленности.2. The device according to p. 1, characterized in that the rim and the housing are made by winding from one tape of the magnetoplast magnetized by strips of mutually opposite direction. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутренний магнит выполняется намоткой из колец магнитопласта, имеющих противоположную намагниченность.3. The device according to p. 1, characterized in that the inner magnet is wound from rings of the magnetoplast having opposite magnetization.
RU2015154353A 2015-12-18 2015-12-18 Mechanical energy storage with magnetic gearbox RU2615607C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015154353A RU2615607C1 (en) 2015-12-18 2015-12-18 Mechanical energy storage with magnetic gearbox

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015154353A RU2615607C1 (en) 2015-12-18 2015-12-18 Mechanical energy storage with magnetic gearbox

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2615607C1 true RU2615607C1 (en) 2017-04-05

Family

ID=58505936

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015154353A RU2615607C1 (en) 2015-12-18 2015-12-18 Mechanical energy storage with magnetic gearbox

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2615607C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108321978A (en) * 2018-05-14 2018-07-24 华南理工大学 A kind of flywheel energy storage magnetic force coupling gearing device

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5214981A (en) * 1991-07-26 1993-06-01 Arch Development Corporation Flywheel energy storage with superconductor magnetic bearings
US6794777B1 (en) * 2003-12-19 2004-09-21 Richard Benito Fradella Robust minimal-loss flywheel systems
RU2246034C1 (en) * 2001-01-05 2005-02-10 Сееба-Энергисистеме Гмбх Flywheel accumulator
RU144074U1 (en) * 2014-03-31 2014-08-10 Зотов Алексей Вячеславович ENERGY STORAGE BASED ON TAPE SUPER-FLOWERS

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5214981A (en) * 1991-07-26 1993-06-01 Arch Development Corporation Flywheel energy storage with superconductor magnetic bearings
RU2246034C1 (en) * 2001-01-05 2005-02-10 Сееба-Энергисистеме Гмбх Flywheel accumulator
US6794777B1 (en) * 2003-12-19 2004-09-21 Richard Benito Fradella Robust minimal-loss flywheel systems
RU144074U1 (en) * 2014-03-31 2014-08-10 Зотов Алексей Вячеславович ENERGY STORAGE BASED ON TAPE SUPER-FLOWERS

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108321978A (en) * 2018-05-14 2018-07-24 华南理工大学 A kind of flywheel energy storage magnetic force coupling gearing device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101387194B1 (en) Power generating apparatus
CN103731068B (en) The levitation energy-storing flywheel device of permanent-magnetism electromagnetic compound
JP6194319B2 (en) Electromechanical flywheel storage system
US8803353B2 (en) Turbine-generator driven by compressed air and magnet motor
WO2015143623A1 (en) Flywheel energy storage device, wind power generation system and vehicle energy feedback brake system
JP2002095209A (en) Flywheel apparatus for storing electric power
CN107294353A (en) A kind of magneto superconducting magnet wireless charging energy power supply
JP2003219581A (en) Superconducting flywheel power storage apparatus
CA2875270C (en) Scalable apparatus and arrangement for storing and releasing energy
RU2615607C1 (en) Mechanical energy storage with magnetic gearbox
CN106374644A (en) Novel static sealed high-temperature superconductive excitation magnetic flux switching motor
WO2012173757A2 (en) Turbine-generator driven by compressed air and magnet motor
CN107332429B (en) A kind of magnetic force coupling gearing device
CN202160054U (en) Flywheel energy storing device capable of cooling rotator
RU2366829C1 (en) Birotary windmill
CN210068500U (en) Superconducting nuclear main pump structure suitable for nuclear power station first-stage circulating main pump
JP6380148B2 (en) Eddy current heating device
JP2022536225A (en) Unlubricated centrifugal compressor
CN207706028U (en) A kind of magneto superconducting magnet wireless charging energy power supply
JP2010019164A (en) Pump device
JPH06165478A (en) Superconducting rotating machine
CN116505707B (en) Low-loss high-power full-suspension flywheel energy storage system
CN113285578B (en) Static seal excitation single-loop superconducting magnetic gear motor and application
JP2014100004A (en) Flywheel integrated induction motor/generator
CN211429099U (en) Magnetic suspension flywheel energy storage system