МЕХАНИЧЕСКИЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ С МАГНИТНЫМ РЕДУКТОРОМ
MECHANICAL ENERGY STORAGE WITH MAGNETIC GEARBOX

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.
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.
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:
- сокращается время хранения запасаемой кинетической энергии;
- ограничивается интенсивность энергообмена между накопителем и внешними источниками и потребителями энергии, что связано с недостаточно эффективным охлаждением мотор-генератора в условиях вакуума.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Кроме того, обод и внутренний магнит могут выполняться намоткой из одной ленты магнитопласта, намагниченной полосами взаимно противоположной направленности.
Кроме того, для хранения энергии без немедленного ее потребления накопитель отключается от привода муфтой, например, электрической или механической.
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.
Заявленное техническое решение поясняется Фиг. 1, Фиг. 2, где:
1 - вакуумированный корпус накопителя;
2 - внутренний магнит корпуса;
3 - обод маховика;
4 - обечайка маховика;
5 - вал быстрого вращения;
6 - разгрузочные постоянные магниты;
7 - шариковая опора;
8 - постоянные магниты вала быстрого вращения;
9 - вал медленного вращения;
10 - полый цилиндр вала медленного вращения;
11 - статор магнитного редуктора;
12 - полый цилиндр статора;
13 - полый цилиндр статора, герметично связанный с корпусом;
14 - немагнитное кольцо;
15 - немагнитный диск;
16 - опоры вала медленного вращения;
17 - корпус магнитного редуктора.
2
п
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*ω/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 - ω, 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.
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.
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.
Заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна», т.к. из исследованного уровня техники заявителем не выявлена заявленная совокупность признаков, обеспечивающая реализацию поставленных задач.
Заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», т.к. является неочевидным для специалиста.
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.