НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к энергетике, а именно к накопителям энергии для транспортных средств.
Известен емкостно-кинетический накопитель, содержащий конденсаторную батарею, включенную в силовую цепь электрической машины постоянного тока, и маховик, вал которого сопряжен с ее валом через механическую передачу и муфту сцепления, причем конденсаторная батарея собрана из последовательно-параллельно соединенных конденсаторов путем закрепления их на периферической поверхности маховика, а выводы батареи соответствующей полярности подключены к контактам кольцам, каждое из которых установлено на валу маховика и оснащено щеточно-контактным аппаратом для включения в силовую цепь электрической машины (см. патент на полезную модель №40535 U1, МПК H01L 29/96 (2000.01), опубликовано 10.09.2004).
5
Известен накопитель кинетической энергии, содержащий индуктор магнитного поля, кольцевой ротор-маховик, взаимодействующий с последним, где в индукторе выполнены два кольцевых канала, снабжен обмоткой, размещенной в последних, а ротор-маховик выполнен в виде двух кольцевых ободов из ферромагнитного материала с радиальными канавками, установленных в кольцевых каналах индуктора бегущего магнитного поля, и снабжен дополнительной обмоткой из проводящего материала, размещенной в канавках (см. авт.св. SU №1746096 А1, МПК F16F 15/30, опубликовано 07.07.92).
Известен накопитель механической энергии с упругими элементами, состоящий из неподвижной оси накопителя, на которой жестко закреплен четырехлучевой кронштейн и установлена с помощью подшипников центральная шестерня с возможностью поворота вокруг оси накопителя, на концах четырехлучевого кронштейна закреплены оси кронштейна, на которых с помощью подшипников установлены с возможностью вращения шестерни, находящиеся в зацеплении с центральной шестерней, причем шестерни установлены на осях кронштейна с образованием полостей, в которых размещены упругие элементы, выполненные в виде пружин кручения, навитых вокруг осей кронштейна и прикрепленных своими концами к осям кронштейна и шестерням, на корпусе центральной шестерни жестко закреплена коническая шестерня накопителя, одновременно находящаяся в зацеплении с входной конической шестерней и выходной конической шестерней, установленными с возможностью вращения относительно вала отбора мощности посредством подшипников, корпус входной конической шестерни имеет шлицы, которые вместе с фрикционными дисками, входным нажимным диском и пакетом тарельчатых пружин образует входную многодисковую фрикционную муфту, корпус выходной конической шестерни также имеет шлицы, которые вместе с фрикционными дисками, выходным нажимным диском и пакетом тарельчатых пружин образует выходную многодисковую фрикционную муфту, фрикционные диски выполнены с возможностью перемещения вдоль вала отбора мощности по его шлицам и передачи вращения посредством шлицевых соединений при включении муфт, при этом в полости, образованной осью накопителя и центральной шестерней расположен еще один упругий элемент в виде пружины кручения, навитой вокруг оси накопителя и соединенной своими концами с осью накопителя и центральной шестерней (см. патент на полезную модель №181468 U1, МПК F16H 33/02 (2006.01), опубликовано 16.07.2018).
Известен накопитель энергии, включающий в себя вакуумируемый корпус, маховик в виде вертикального цилиндрического трубчатого ротора с мотор-генератором со статором и приводным диском, систему опор из подшипников, отличающийся тем, что в него введена магнитная система, содержащая магнит и полюсные наконечники, плоскости которых параллельны плоскостям торцов маховика, установленные с образованием зазоров между ними и торцами маховика (см. патент на изобретение №2621309 С2, МПК H02K 7/02 (2006.01), опубликовано 01.06.2017).
Известен накопитель энергии, включающий вакуумируемый корпус, установленный в нем маховик в виде вертикального цилиндрического трубчатого ротора, выполненного из двух или более труб, соединенных гибкими элементами, периферия которых установлена в смежные трубы ротора, с мотор-генератором со статором, закрепленным в корпусе, и ротором мотор-генератора, закрепленным на роторе, систему опор, образованную из опорного подшипника в нижней части ротора и магнитного подшипника с постоянным магнитом в верхней части ротора, при этом в накопителе установлен дополнительный мотор-генератор со статором, закрепленным в корпусе, и ротором мотор-генератора, закрепленным на роторе, вращающийся элемент, по крайней мере, одной из опор закреплен на центральной части гибкого элемента, опорный подшипник выполнен из игольчатого опорного подшипника с подпятником (см. патент на изобретение №2504889 С1, МПК H02K 7/02 (2006.01), F16F 15/315 (2006.01), B60L 11/16 (2006.01), опубликовано 20.08.2013).
Известен кинетический накопитель энергии, содержащий корпус, в котором размещен мотор-генератор, включающий статор с многофазной многополюсной обмоткой, полюса ротора, маховик, магнитный высокотемпературный сверхпроводниковый (ВТСП) подвес, содержащий постоянные магниты и кольцевой блочный ВТСП массив, причем мотор- генератор размещен внутри маховика, выполненного в форме диска с осевым отверстием, полюса ротора мотор-генератора размещены в теле маховика, постоянные магниты ВТСП подвеса размещены на нижней поверхности маховика и выполнены в виде соосных колец, разделенных проставками из немагнитного материала, дополнительно введена опора маховика чашеобразной формы с конусообразной торцевой поверхностью, которая установлена соосно с валом мотор-генератора с возможностью осевого перемещения, осевого вращения, и взаимодействующая с нижней частью внутренней поверхности маховика (см. патент на полезную модель №97018 U1, МПК H02K 7/00 (2006.01), F16H 33/02 (2006.01), опубликовано 20.08.2010).
Известен электромеханический сверхпроводящий накопитель энергии, содержащий корпус, в котором размещены синхронный двигатель-генератор со статором с системой обмоток и ротор-маховик, опорные постоянные магниты, расположенные в нижней части ротора-маховика, постоянные магниты возбуждения, расположенные на внутренней боковой поверхности ротора-маховика, направляющая опора с подшипником, расположенная в нижней части синхронного двигателя-генератора, сверхпроводящие пластины, криостат, высокотемпературный сверхпроводниковый подвес, образованный опорными постоянными магнитами и сверхпроводящими пластинами, причем корпус выполнен из двух соединенных между собой модулей - модуля криостата и модуля синхронного двигателя-генератора, причем сверхпроводящие пластины высокотемпературного сверхпроводникового подвеса расположены в модуле криостата, а ротор-маховик, внутренняя полость которого вакуумирована, расположен в модуле синхронного двигателя-генератора (см. патент на изобретение №2601590 С1, МПК H02K 7/02 (2006.01), H02K 7/09 (2006.01), опубликовано 10.11.2016).
5
Известен буферный накопитель кинетической энергии, содержащий ротор-маховик в виде диска с ободом, размещенным между двумя торцовыми статорами, в пазах которых размещены обмотки, выполненные из двух частей, систему магнитной компенсации массы ротора-маховика, на торцах которого выполнены радиальные и кольцевые пазы, заполненные немагнитным проводящим материалом (см. авт.св. SU №1534638, H02K 1/12, опубликовано 07.01.90).
Прототипом к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является накопитель энергии, включающий вакуумируемый корпус, установленный в нем маховик в виде вертикального цилиндрического трубчатого ротора с мотор-генератором со статором, закрепленным в корпусе, и приводным диском, закрепленным на роторе, систему опор, образованную из игольчатого опорного подшипника с подпятником в нижней части ротора и магнитного подшипника с постоянным магнитом в верхней части ротора, где вращающийся элемент, по крайней мере, одной из опор закреплен на перегородке, установленной внутри трубы ротора на некотором удалении от ее торца (см. патент на изобретение №2456734 С2, МПК H02K 7/02 (2006.01), H02K 7/09 (2006.01), H02K 51/00 (2006.01), F16F 15/15 (2006.01), опубликовано 20.07.2012).
Известные решения в большинстве случаев громоздки и сложны в конструкции из-за наличия муфты и зубчатой передачи, которые, в свою очередь, не выполняют функции кинетического накопителя энергии, имеют недостаточную энергетическую плотность. Кроме того, из-за высокой скорости вращения маховик и электропривод размещают в герметичной камере с пониженным давлением воздуха, что приводит к ухудшению охлаждения электропривода и увеличению эксплуатационных расходов, связанных с поддержанием вакуума. Установка электропривода в отдельной камере увеличивают также и габариты самого устройства, возникает необходимость применять уплотнительные устройства в подвижном состоянии, что усложняет кинетический накопитель энергии. А наличие щеточно-контактного аппарата приводит к снижению срока эксплуатации устройств из-за быстрого износа щеток.
Задачей данной полезной модели является повышение эксплуатационных характеристик.
Поставленная задача достигается тем, что накопитель энергии, содержащий вакуумированный корпус, установленный в нем маховик в виде ротора с мотор-генератором со статором, закрепленным в корпусе, систему опор, образованную из опорных подшипников в верхней и нижней части ротора, дополнительно содержит магнитную опору, расположенную в нижней части корпуса, состоящую из двух постоянных кольцевых магнитов, направленных навстречу одноименных полюсов, при этом корпус выполнен из двух частей стянутых между собой резьбовым соединением через прокладку, причем мотор-генератор содержит трехфазный статор с парнорасположенными полюсными катушками и выполнен индукторным вентильно-реактивным, а ротор выполнен зубчатым и имеет четырехопорную систему в виде подшипников качения для связи с корпусом через ось, кроме того, один из постоянных кольцевых магнитов магнитной опоры закреплен к опорному диску ротора, а другой - к одной из части корпуса.
Совокупность отличительных признаков, заключающаяся в том, что накопитель энергии дополнительно содержит магнитную опору, расположенную в нижней части корпуса, состоящую из двух постоянных кольцевых магнитов, направленных навстречу одноименных полюсов, при этом корпус выполнен из двух частей стянутых между собой резьбовым соединением через прокладку, причем мотор-генератор содержит трехфазный статор с парнорасположенными полюсными катушками и выполнен индукторным вентильно-реактивным, а ротор выполнен зубчатым и имеет четырехопорную систему в виде подшипников качения для связи с корпусом через ось, кроме того, один из постоянных кольцевых магнитов магнитной опоры закреплен к опорному диску ротора, а другой - к одной из части корпуса, позволяет повысить эксплуатационные характеристики.
Полезная модель поясняется следующими чертежами:
фиг. 1 - электромеханический накопитель энергии, общий вид (в продольном разрезе);
фиг. 2 - то же, общий вид (в поперечном разрезе А-А фиг. 1).
Накопитель энергии имеет вертикально-расположенную ось вращения и содержит вакуумированный корпус 1, который выполнен из двух частей 2 и 3, стянутых между собой резьбовым соединением 4 через прокладку 5. Внутри корпуса 1 установлен маховик в виде ротора 6 с мотор-генератором со статором 7. Мотор-генератор содержит трехфазный статор 7 с парнорасположенными полюсными катушками 8 и выполнен индукторным вентильно-реактивным. Данное исполнение мотор-генератора упрощает конструкцию, делая ее достаточно компактной, тем самым снижая стоимость, а расположение ее на периферии маховика позволяет снизить тепловые потери при преобразовании энергии. Статор 7 зафиксирован внутри корпуса 1 винтами 9, полюсные катушки 8 размещены на полюсах шихтованного магнитопровода статора 7. Ротор 6 выполнен зубчатым и имеет четырехопорную систему в виде опорных подшипников 10 и 11 качения для связи с корпусом 1 через ось 12. Ротор 6 закреплен на опорном диске 13 при помощи заклепок 14. При этом, выполняется организация трехфазного исполнения с конфигурацией, в которой число зубцов ротора 6 - будет четырнадцать, число зубцов статора 7- будет шесть, а число фрагментов зубца статора 7 - будет два.
Опорный диск 13 ротора 6 связан с осью 12 через опорные подшипники 10 качения, которые зафиксированы в цапфе опорного диска 13 ротора 6 полукольцами 15 в осевом направлении, кроме того ось 12 также имеет опорные подшипники 11 качения, которые установлены в своих опорных крышках 16 и зафиксированы в корпусе 1 резьбовым соединением 17. Опорные подшипники 11 качения связаны с опорными подшипниками 10 качения через распорные втулки 18. Для снижения потерь в опорных подшипниках качения в корпусе 1 накопителя имеется постоянный магнит 19 и магнитная опора, состоящая из двух постоянных кольцевых магнитов 20. Магнитная опора расположена в нижней части корпуса 1. Постоянные кольцевые магниты 20 магнитной опоры направлены навстречу одноименных полюсов, при этом один из постоянных кольцевых магнитов 20 магнитной опоры взаимодействует с поверхностью опорного диска 13 ротора 6, а другой - с одной из части корпуса 1. Система опор, состоящая из подшипников качения, снижает потери на трение и, повышает эффективность накопителя, а магнитная опора разгружает опорные подшипники качения, увеличивая тем самым их ресурс.
Накопитель энергии способствует также повышению безопасности эксплуатации как при штатной работе накопителя, так и при разрушении ротора.
Заявляемый накопитель энергии работает следующим образом.
При подаче на фазные обмотки полюсных катушек 8 в соответствии с работой вентильной индукторной реактивной машины в двигательном режиме напряжения, под действием которого протекает электрический ток, в результате чего возникает магнитное поле. Магнитный поток замыкается по пути: фрагмент зубца статора 7 - воздушный зазор - зубец ротора 6 - воздушный зазор - фрагмент зубца статора 7 - ярмо зубца статора 7 - фрагмент зубца статора 7. При этом возникает электромагнитный момент, стремящийся повернуть ротор 6 в направлении положения минимального магнитного сопротивления. Для устойчивого вращения ротора 6 требуется поочередно возбуждать и, снимать питание с фазных обмоток в зависимости от углового положения ротора 6, что обеспечивает электрический преобразователь. Ротор 6 с опорным диском 13 раскручивается и накапливает кинетическую энергию, при необходимости которая, с применением электрического преобразователя превращается в электрическую и передается потребителю. А именно при работе вентильной индукторной реактивной машины в генераторном режиме импульс тока подается в фазные обмотки, закрепленные на зубцах статора 7, относительно которых ротор 6 находится в положении минимального магнитного сопротивления. Магнитный поток замыкается по пути, как и в двигательном режиме работы.
Заявляемое техническое решение позволяет повысить эксплуатационные характеристики, а в совокупности признаков одновременно и повысить срок эксплуатации самого накопителя энергии.
Заявляемая полезная модель соответствует требованию промышленной применимости, его реализация возможна на стандартном технологическом оборудовании с применением ранее освоенных технологий.