RU2791601C1

RU2791601C1 - Electromechanical energy storage

Info

Publication number: RU2791601C1
Application number: RU2022113364A
Authority: RU
Inventors: Николай Иванович Смоленцев; Юрий Леонидович Бондарев; Александр Викторович Никитин
Filing date: 2022-05-18
Publication date: 2023-03-13

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: electromechanical superconducting energy storage device contains a modular housing. In the upper module of the housing there is an inverted synchronous motor-generator with a stator and windings, permanent excitation magnets, a rotor flywheel with supporting permanent magnets and a guide bearing with a bearing, a magnetic system for radial stabilization of the rotor flywheel containing permanent magnets on the outer surface of the rotor flywheel and oppositely magnetized magnets on the inner surface of the motor generator module housing. The other module contains a nitrogen cryostat and superconducting plates. Permanent excitation magnets of the motor-generator are at the same time permanent magnets of the radial stabilization system and are installed in the groove of the side surface of the rotor flywheel, which has a protrusion for a rigid attachment of the magnet. The geometric centre of the groove and the permanent magnet installed in it are located on the line of the centre of gravity of the rotor flywheel. Thus, a rigid attachment of the magnetic system to the rotor flywheel is provided, the number of permanent magnets on the rotor flywheel is reduced, and the task of balancing the rotor flywheel is facilitated. Balancing and matching the geometric centres of the groove, permanent magnets with the line of the centre of gravity of the rotor flywheel reduces the levels of beats that occur during external influences on the body of the energy storage device, especially in mobile applications. Reducing the beats of the rotor-flywheel allows you to increase the speed of rotation of the rotor flywheel, thereby increasing the specific characteristics of the energy storage device.

EFFECT: increase in the reliability of the energy storage device and increasing the specific characteristics of the energy storage device.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в системах электроснабжения предприятий и организаций, силовых сетях электротранспорта, в локальных электрических сетях (ЛЭС) с возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ), в электрических сетях нового поколения ЭНЕРНЕТ, в системах повышения живучести технических средств в условиях Арктики и космоса.The invention relates to the field of energy and can be used in power supply systems of enterprises and organizations, power networks of electric transport, in local electrical networks (LES) with renewable energy sources (RES), in electrical networks of the new generation ENERNET, in systems for increasing the survivability of technical equipment in conditions Arctic and space.

Из уровня техники известны электромеханические и кинетические накопители энергии, в которых электрическая энергия преобразуется в механическую энергию вращательного движения маховика и сохраняется в таком виде до тех пор, пока маховик не остановится: патент на изобретение РФ №2504889, «Накопитель энергии», МПК H02K 7/02, опубл. 20.01.2014; патент на изобретение РФ №2417504, «Супермаховиковый накопитель энергии», МПК H02K 16/04, опубл. 27.04.2011; патент на изобретение РФ №2456734, «Накопитель энергии», МПК H02K 7/02, опубл. 20.07.2012, патент США US 20070080595 А1, 12/04/2007 г., патент на изобретение №2601590 Российская Федерация, МПК7 H02K 7/02, H02K 7/09, Электромеханический сверхпроводящий накопитель энергии, опубл. 10.11.2016. Патент №2760784 С1 Российская Федерация, МПК H02K 55/02, H02K 26/00, H02K 7/02. Электромеханический накопитель энергии: №2020134967: заявл. 23.10.2020, опубл. 30.11.2021. Также известен кинетический накопитель энергии (патент на полезную модель РФ №133986, «Кинетический накопитель энергии с магнитным ВТСП подвесом», МПК H02K 7/02, опубл. 27.10.2013), предназначенный для работы в качестве резервных и аварийных источников питания бортовых электроэнергетических систем атмосферных летательных аппаратов и космических энергоустановок, а также других ответственных потребителей.Electromechanical and kinetic energy storage devices are known from the prior art, in which electrical energy is converted into mechanical energy of the rotational movement of the flywheel and stored in this form until the flywheel stops: patent for the invention of the Russian Federation No. 2504889, "Energy storage", IPC H02K 7 /02, publ. 01/20/2014; patent for the invention of the Russian Federation No. 2417504, "Superflywheel energy storage device", IPC H02K 16/04, publ. 04/27/2011; patent for the invention of the Russian Federation No. 2456734, "Energy storage", IPC H02K 7/02, publ. 07/20/2012, US patent US 20070080595 A1, 12/04/2007, patent for invention No. 2601590 Russian Federation, MPK7 H02K 7/02, H02K 7/09, Electromechanical superconducting energy storage, publ. 11/10/2016. Patent No. 2760784 C1 Russian Federation, IPC H02K 55/02, H02K 26/00, H02K 7/02. Electromechanical energy storage: No. 2020134967: Appl. 10/23/2020, publ. 11/30/2021. Also known is a kinetic energy storage device (utility model patent of the Russian Federation No. 133986, "Kinetic energy storage device with a magnetic high-temperature superconductor suspension", IPC H02K 7/02, publ. 10/27/2013), designed to work as backup and emergency power sources for on-board electric power systems atmospheric aircraft and space power plants, as well as other responsible consumers.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по своей технической сущности является кинетический накопитель энергии с магнитным, высокотемпературным сверхпроводниковым (ВТСП) подвесом (Патент №2760784 С1 Российская Федерация, МПК H02K 55/02, H02K 26/00, H02K 7/02. Электромеханический накопитель энергии: №2020134967: заявл. 23.10.2020, опубл. 30.11.2021 / Н.И. Смоленцев; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики"), содержащий корпус модульного типа, в одном модуле которого размещен обращенный двигатель-генератор с неподвижным статором и ротором-маховиком с бесконтактным сверхпроводящим подвесом на основе кольцевого блочного ВТСП-массива, системой магнитной радиальной стабилизации ротора-маховика, в другом модуле размещен азотный криостат с опорными сверхпроводящими пластинами. Этот накопитель энергии принят в качестве прототипа.The closest to the proposed invention in its technical essence is a kinetic energy storage device with a magnetic, high-temperature superconducting (HTSC) suspension (Patent No. 2760784 C1 Russian Federation, IPC H02K 55/02, H02K 26/00, H02K 7/02. Electromechanical energy storage device: No. 2020134967: application 10/23/2020, published 11/30/2021 / N.I. Smolentsev; applicant Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Siberian State University of Telecommunications and Informatics"), containing a modular-type building, in one module of which an inverted an engine-generator with a fixed stator and a flywheel rotor with a non-contact superconducting suspension based on an annular block HTSC array, a magnetic radial stabilization system for the rotor-flywheel, another module contains a nitrogen cryostat with support superconducting plates. This energy storage device is taken as a prototype.

Недостаток прототипа заключается в технологической сложности балансировки ротора-маховика при одновременном размещении на внутренней и внешней поверхности ротора-маховика постоянных магнитов возбуждения двигателя-генератора и постоянных магнитов радиальной стабилизации бесконтактного сверхпроводящего подвеса ротора-маховика, что приводит к его биениям, снижению надежности, особенно в условиях мобильного применения, ограничению скорости вращения и снижению удельных параметров накопителя энергии (удельной мощности, удельной электроемкости).The disadvantage of the prototype lies in the technological complexity of balancing the rotor-flywheel while simultaneously placing on the inner and outer surfaces of the rotor-flywheel of permanent magnets for excitation of the engine-generator and permanent magnets for radial stabilization of the non-contact superconducting suspension of the rotor-flywheel, which leads to its beating, reduced reliability, especially in conditions of mobile use, limiting the rotation speed and reducing the specific parameters of the energy storage device (specific power, specific electrical capacity).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности накопителя энергии, расширение области применения, включая мобильные технические средства, снижение стоимости за счет повышения технологичности, увеличение удельных характеристик накопителя энергии.The technical result of the invention is to increase the reliability of the energy storage device, expand the scope, including mobile technical means, reduce the cost by improving manufacturability, increase the specific characteristics of the energy storage device.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом накопителе энергии, в отличие от прототипа, постоянные магниты установлены в сквозные пазы корпуса ротора-маховика, таким образом, что один полюс магнита создает магнитное поле возбуждения в зазоре между ротором-маховиком и статорными обмотками двигателя-генератора, а другой полюс магнита создает магнитное поле радиальной стабилизации в зазоре между ротором-маховиком и корпусом двигателя-генератора. Таким образом функции возбуждения двигателя-генератора и радиальной стабилизации сверхпроводящего бесконтактного подвеса ротора-маховика совмещены и выполняются одной магнитной системой. Конструкция паза обеспечивает жесткое крепление магнитов в корпусе ротора-маховика за счет специальных выступов, образующихся за счет уменьшения размера паза со стороны внешней поверхности ротора-маховика, причем геометрический центр паза и постоянного магнита находится на линии центра тяжести ротора-маховика, таким образом обеспечивается жесткое крепление магнитной системы к ротору-маховику, уменьшается число постоянных магнитов, что облегчает задачу балансировки ротора-маховика. Совмещение геометрических центров паза, постоянных магнитов с линией центра тяжести ротора-маховика снижает уровни биений, возникающих при внешнем воздействии на корпус накопителя энергии, особенно при мобильном применении. При сбалансированном роторе-маховике повышается надежность накопителя энергии. Это расширяет область применения накопителя энергии, например, в мобильных технических системах. Снижение биений ротора-маховика позволяет также увеличить скорость оборотов ротора-маховика, тем самым увеличить удельные характеристики.The specified technical result is achieved due to the fact that in the proposed energy storage unit, unlike the prototype, permanent magnets are installed in the through grooves of the rotor-flywheel housing, in such a way that one magnet pole creates a magnetic excitation field in the gap between the rotor-flywheel and the stator windings motor-generator, and the other pole of the magnet creates a magnetic field of radial stabilization in the gap between the rotor-flywheel and the body of the motor-generator. Thus, the functions of excitation of the motor-generator and radial stabilization of the superconducting non-contact suspension of the rotor-flywheel are combined and performed by one magnetic system. The design of the groove provides a rigid fastening of the magnets in the rotor-flywheel housing due to special protrusions formed by reducing the size of the groove on the side of the outer surface of the rotor-flywheel, and the geometric center of the groove and the permanent magnet is located on the line of the center of gravity of the rotor-flywheel, thus ensuring a rigid fixing the magnetic system to the rotor-flywheel, the number of permanent magnets is reduced, which facilitates the task of balancing the rotor-flywheel. The combination of the geometric centers of the groove, permanent magnets with the line of the center of gravity of the rotor-flywheel reduces the levels of beats that occur during external action on the body of the energy storage device, especially in mobile applications. With a balanced rotor-flywheel, the reliability of the energy storage device increases. This expands the scope of the energy storage, for example, in mobile technical systems. Reducing the beats of the rotor-flywheel also allows you to increase the speed of rotation of the rotor-flywheel, thereby increasing the specific characteristics.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом. На фиг. 1 показан продольный разрез предлагаемого электромеханического сверхпроводящего накопителя энергии, на фиг. 2 показан поперечный разрез модуля двигателя-генератора.The essence of the invention is illustrated by graphic material. In FIG. 1 shows a longitudinal section of the proposed electromechanical superconducting energy storage device, FIG. 2 is a cross-sectional view of a motor generator module.

Электромеханический накопитель энергии имеет корпус, выполненный из модуля криостата 7 и модуля синхронного двигатель-генератора 3, которые соединены между собой креплением (на фиг. не указано).The electromechanical energy storage device has a housing made of a cryostat module 7 and a synchronous motor-generator module 3, which are interconnected by a fastener (not shown in the figure).

В конструкцию модуля криостата 7 входит крышка-опора 17, опорный фланец 10 с уложенными в его пазы (на фиг. не показаны) сверхпроводящими пластинами 12, закрепленными сверху крышкой-опорой 17. Полость модуля криостата 7 заполнена жидким азотом 11. Внутренние стенки модуля криостата 7 выполнены из теплоизолирующего материла 14, обладающего низкой теплопроводностью. Опорный фланец 10 выполнен из материала с высокой теплопроводностью, благодаря чему обеспечивается охлаждение сверхпроводящих пластин 12 до температуры Т≤Тс, где Тс - температура перехода сверхпроводящих пластин 12 в состояние сверхпроводимости.The design of the cryostat module 7 includes a support cover 17, a support flange 10 with superconducting plates 12 laid in its grooves (not shown in Fig.), fixed on top with a support cover 17. The cavity of the cryostat module 7 is filled with liquid nitrogen 11. The inner walls of the cryostat module 7 are made of a heat-insulating material 14 with low thermal conductivity. The supporting flange 10 is made of a material with high thermal conductivity, which ensures that the superconducting plates 12 are cooled to a temperature T≤Tc, where Tc is the superconducting transition temperature of the superconducting plates 12.

Для установки предлагаемого накопителя энергии в плоскости горизонта имеются нивелирующие опоры 13, расположенные под модулем криостата 7.To install the proposed energy storage device in the horizon plane, there are leveling supports 13 located under the cryostat module 7.

В стенке криостата 7 расположен патрубок 15 для заполнения криостата жидким азотом, например, путем его прокачки из криокулеров (на фиг. не показаны).In the wall of the cryostat 7 there is a branch pipe 15 for filling the cryostat with liquid nitrogen, for example, by pumping it from cryocoolers (not shown in the figure).

Конструкция модуля синхронного двигатель-генератора 3 состоит из ротор-маховика 5, опорных постоянных магнитов 6, закрепленных на нижней части ротор-маховика 5, опорных постоянных магнитов 23, закрепленных на боковой поверхности ротора-маховика, постоянных магнитов возбуждения 4, расположенных на внутренней боковой поверхности ротор-маховика 5, постоянных магнитов 22, закрепленных на внутренней поверхности корпуса модуля двигателя-генератора, и крышки-опоры 16.The design of the synchronous motor-generator module 3 consists of a rotor-flywheel 5, reference permanent magnets 6 fixed on the lower part of the rotor-flywheel 5, reference permanent magnets 23 fixed on the side surface of the rotor-flywheel, permanent excitation magnets 4 located on the inner side the surface of the rotor-flywheel 5, permanent magnets 22 fixed on the inner surface of the housing of the engine-generator module, and the cover-support 16.

Также в нижней части модуля синхронного двигатель-генератора 3 установлена направляющая опора 8 с подшипником 9.Also, in the lower part of the module of the synchronous motor-generator 3, a guide support 8 with a bearing 9 is installed.

Также в конструкцию модуля синхронного двигатель-генератора 3 входит статор 1, на котором закреплена трехфазная система обмоток 2. На верхней части статора 1 расположены клеммы 21 (клеммы А, В, С) для присоединения источника трехфазного напряжения, и выход датчика скорости 20 ротора-маховика 5.Also, the design of the module of the synchronous motor-generator 3 includes a stator 1, on which a three-phase winding system 2 is fixed. flywheel 5.

Для вакуумирования полости, в которой размещен ротор-маховик 5, в верхней части модуля синхронного двигатель-генератора 3 расположен ниппель 19.To evacuate the cavity in which the rotor-flywheel 5 is located, a nipple 19 is located in the upper part of the module of the synchronous motor-generator 3.

Для визуального наблюдения за положением ротора-маховика 5 в стенке модуля синхронного двигатель-генератора 3 имеется окно 18. После заполнения полости модуля криостата 7 патрубки 15 закрывают и азот может храниться в жидком состоянии продолжительное время. Для того, чтобы отводить газообразный азот, образующийся в процессе работы, модуль криостата 7 содержит отводящий патрубок (на фиг. не показан).For visual observation of the position of the rotor-flywheel 5, there is a window 18 in the wall of the module of the synchronous motor-generator 3. After filling the cavity of the cryostat module 7, the nozzles 15 are closed and nitrogen can be stored in a liquid state for a long time. In order to remove the gaseous nitrogen formed during operation, the cryostat module 7 includes an outlet pipe (not shown in the figure).

Опорные постоянные магниты 6 и сверхпроводящие пластины 12 создают ВТСП-подвес, обеспечивающий бесконтактную самоцентрирующуюся левитацию ротора-маховика 5. Постоянные магниты модуля двигателя-генератора 22 и постоянные магниты ротора-маховика 23 создают дополнительное силовое взаимодействие, увеличивающее устойчивость и жесткость радиального подвеса ротора-маховика. Причем функции постоянных магнитов возбуждения 4 и постоянных магнитов радиального центрирования 23 совмещены.Reference permanent magnets 6 and superconducting plates 12 create an HTSC suspension that provides non-contact self-centering levitation of the rotor-flywheel 5. Permanent magnets of the motor-generator module 22 and permanent magnets of the rotor-flywheel 23 create an additional force interaction that increases the stability and rigidity of the radial suspension of the rotor-flywheel . Moreover, the functions of the permanent excitation magnets 4 and permanent magnets of radial centering 23 are combined.

Предлагаемый электромеханический накопитель энергии работает следующим образом. После сборки модулей синхронного двигатель-генератора 3 и криостата 7 производится соединение крышки-опоры 16 с крышкой-опорой 17 при помощи крепления (на фиг. не показано), после чего осуществляется вакуумная откачка полости ротора-маховика 5, например, с помощью вакуумного насоса (на фиг. не показан) и закачивание жидкого азота 11 в полость модуля криостата 7 через патрубок заполнения 15.The proposed electromechanical energy storage works as follows. After assembling the modules of the synchronous motor-generator 3 and the cryostat 7, the cover-support 16 is connected to the cover-support 17 using fastening (not shown in Fig.), after which the cavity of the rotor-flywheel 5 is vacuum evacuated, for example, using a vacuum pump (not shown in the figure) and pumping liquid nitrogen 11 into the cavity of the cryostat module 7 through the filling pipe 15.

В результате поступления жидкого азота в полость модуля криостата 7 происходит охлаждения сверхпроводящих пластин 12 и их переход в сверхпроводящее состояние. В этом случае сверхпроводящие пластины 12 приобретают свойства диамагнетиков. Магнитное поле, образованное постоянными магнитами 6, взаимодействует с сверхпроводящими пластинами 12, в результате чего возникнет эффект левитации, и ротор-маховик 5 снимется с опоры 8. Одновременно ротор-маховик центрируется в радиальном направлении с помощью магнитного взаимодействия постоянных магнитов 22 и 23. При этом, происходит самоцентрирование по вертикальной и горизонтальной осям бесконтактного подвеса ротора-маховика 5. Этот момент левитации ротор-маховика 5 можно наблюдать визуально через смотровое окно 18.As a result of the liquid nitrogen entering the cavity of the cryostat module 7, the superconducting plates 12 are cooled and they pass into the superconducting state. In this case, the superconducting plates 12 acquire the properties of diamagnets. The magnetic field formed by the permanent magnets 6 interacts with the superconducting plates 12, resulting in a levitation effect, and the rotor-flywheel 5 is removed from the support 8. Simultaneously, the rotor-flywheel is centered in the radial direction by means of the magnetic interaction of the permanent magnets 22 and 23. When In this case, self-centering occurs along the vertical and horizontal axes of the non-contact suspension of the rotor-flywheel 5. This moment of levitation of the rotor-flywheel 5 can be observed visually through the viewing window 18.

Необходимые силовые характеристики ВТСП-подвеса обеспечиваются оптимизацией рабочего зазора образованного нижней поверхностью постоянных магнитов 6 и верхней поверхностью сверхпроводящих пластин 12, выбором материала опорного фланца 10, величиной намагниченности постоянных магнитов 6, 22, 23, величиной разности между температурой сверхпроводящих пластин 12 и температурой их перехода в сверхпроводящее состояние.The necessary power characteristics of the HTSC suspension are provided by optimizing the working gap formed by the lower surface of the permanent magnets 6 and the upper surface of the superconducting plates 12, the choice of the material of the support flange 10, the magnitude of the magnetization of the permanent magnets 6, 22, 23, the magnitude of the difference between the temperature of the superconducting plates 12 and their transition temperature into the superconducting state.

После центрирования ротора-маховика 5 на статор 1 подается трехфазное переменное напряжение. За счет полученной электрической энергии ротор-маховик 5 начинает разгоняться до номинальной скорости вращения. После набора номинальной скорости вращения источник энергии отключается, а ротор-маховик 5 будет продолжать вращаться по инерции в вакууме продолжительное время, тем самым сохраняя затраченную на разгон ротора-маховика 5 электрическую энергию в механическом виде.After centering the rotor-flywheel 5, a three-phase alternating voltage is applied to the stator 1. Due to the received electrical energy, the rotor-flywheel 5 starts to accelerate to the nominal rotation speed. After setting the nominal speed of rotation, the energy source is turned off, and the rotor-flywheel 5 will continue to rotate by inertia in a vacuum for a long time, thereby saving the electrical energy spent on the acceleration of the rotor-flywheel 5 in mechanical form.

При необходимости получения электрической энергии из предлагаемого электромеханического накопителя энергии, необходимо клеммы 21 трехфазной системы обмоток 2 подключить к нагрузке, при этом статор 1 за счет кинетической энергии ротор-маховика 5 будет генерировать электрическую энергию до тех пор, пока кинетическая энергия ротор-маховика 5 не иссякнет. Управление режимами (циклами) работы накопителя энергии (заряд-разряд) осуществляют при помощи системы управления синхронной машиной, например, векторного типа. Циклы заряда и разряда электромеханического накопителя энергии можно повторять многократно без замены расходных материалов типа электролита в химических накопителях энергии, в этом заключается преимущество и перспектива электромеханических накопителей энергии.If it is necessary to obtain electrical energy from the proposed electromechanical energy storage device, it is necessary to connect terminals 21 of the three-phase winding system 2 to the load, while the stator 1 will generate electrical energy due to the kinetic energy of the rotor-flywheel 5 until the kinetic energy of the rotor-flywheel 5 runs out. The operation modes (cycles) of the energy storage device (charge-discharge) are controlled using a synchronous machine control system, for example, of a vector type. The charge and discharge cycles of an electromechanical energy storage device can be repeated many times without replacing consumables such as electrolyte in chemical energy storage devices, this is the advantage and prospect of electromechanical energy storage devices.

Для остановки предлагаемого накопителя энергии необходимо остановить вращение ротор-маховика 5, например, путем замыкания клемм 21 (клеммы А, В, С) на балластное сопротивление, а затем слить жидкий азот 11 из полости модуля криостата 7. После остановки вращения ротор-маховик установится на направляющую опору 8 с подшипником 9.To stop the proposed energy storage device, it is necessary to stop the rotation of the rotor-flywheel 5, for example, by shorting the terminals 21 (terminals A, B, C) to the ballast resistance, and then drain the liquid nitrogen 11 from the cavity of the cryostat module 7. After stopping the rotation, the rotor-flywheel will be installed on the guide support 8 with bearing 9.

Claims

An electromechanical superconducting energy storage device containing a modular housing, in the upper module of which there is an inverted synchronous motor-generator with a stator and windings, permanent excitation magnets, a rotor-flywheel with reference permanent magnets and a guide bearing with a bearing, a magnetic system for radial stabilization of the rotor-flywheel containing permanent magnets on the outer surface of the rotor-flywheel and oppositely magnetized magnets on the inner surface of the body of the motor-generator module, in the other module there is a nitrogen cryostat, superconducting plates, characterized in that the permanent magnets of the motor-generator excitation are simultaneously permanent magnets of the radial stabilization system and installed in the groove of the side surface of the rotor-flywheel, which has a protrusion for rigid mounting of the magnet, and the geometric center of the groove and the permanent magnet installed in it are located on the line of the center of gravity of the rotor-flywheel.