МАХОВИЧНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в энергетике.
Уровень техники
Известна конструкция маховичного накопителя энергии с маховиком в виде конической оболочки с ободом, установленной в защитном кожухе и муфтой сцепления, соединяющей вал маховика с валом трансмиссии, причем муфта сцепления выполнена с электрической сервосистемой ее включения и выключения (управления муфтой), а на внутренней стороне кожуха установлен электрический контакт, включающий сервосистему управления муфтой сцепления при достижении маховиком опасных частот вращения и распрямлении конической оболочки, расцепляющей муфту сцепления (см. авт. Свид. СССР №1052757, F16F 15/30, 26.02.82, авторы: Н.В. Гулиа и А.Г.Серх). Данная конструкция принята за прототип.
Прототип обладает следующими недостатками.
1. В материалах описания к авторскому свидетельству и формуле нет указаний на то, к какой из торцевых поверхностей обода маховика (а их две) устанавливать электрический контакт. При этом устройство-прототип работоспособно только при установке электроконтакта с конкретного торца маховика.
2. Судя по описанию изобретения и чертежу, торцевая поверхность обода маховика не может соприкоснуться с фрикционной накладкой, так как этому помешают болты, закрепленные на кожухе. Даже если эти болты свободно посажены на кожухе, их концы должны полностью износиться, чтобы фрикционная накладка могла соприкоснуться с торцом обода маховика.
3. В устройстве-прототипе не предусмотрена магнитная опора (подвеска) маховика, разгружающая подшипники от силы тяжести маховика. Между тем, такие магнитные подвески используются в большинстве современных маховичных накопителей энергии, где маховик вращается в горизонтальной плоскости.
Раскрытие полезной модели
Задачей полезной модели является обеспечение надежной защиты маховиков, вращающихся в горизонтальной плоскости (с вертикальной осью вращения), и магнитной подвеской маховика, наиболее распространенных в маховичных накопителях, используемых в энергетике, от возможного разрыва при превышении им безопасных частот вращения.
Указанная задача решается тем, что маховичный накопитель, включающий маховик в корпусе с вертикальной осью вращения, состоящий из обода и ступицы, а так же конического диска, соединяющего обод и ступицу, характеризуется тем, что накопитель включает магнитную подвеску, крепящуюся к корпусу и воспринимающую силу тяжести маховика, вал маховика закреплен в центрующих подшипниках магнитной подвески с обеспечением его люфта относительно корпуса, причем этот люфт выбран со стороны одного торца подвески так, что осевой ход вала в направлении вершины конуса конического диска невозможен, а его ход в противоположном направлении возможен в пределах люфта, а корпус содержит упор-кольцо, закрепленное на его торцевой поверхности с заходом внутрь корпуса со стороны вершины конуса конического диска и контактирующее с соответствующей торцевой поверхностью обода маховика при превышении им допустимой частоты вращения и распрямлении конического диска.
Другое отличие устройства состоит в том, что контакт кпора-кольца с торцевой поверхностью обода маховика в его первой фазе осуществляется до выборки перемещающимся вниз валом люфта при малой силе нажатия за счет за счет выборки люфта в магнитной подвеске, а во второй фазе - с большой силой нажатия за счет силы упругости упруго деформированного конического диска при зафиксированном в центрирующем подшипнике валу от его осевого перемещения.
Следующее отличие предлагаемого устройства состоит в том, что упор-кольцо на корпусе, контактирующее с торцевой поверхностью маховика при превышении им частоты вращения, выполнено как в виде датчиков электрического контакта, так и в виде тормозных элементов.
Еще одно отличие предлагаемого устройства заключается в том, что при контакте упор-кольца с торцевой поверхностью маховика в первой фазе выполняется электрический сигнал о превышении частоты вращения маховика, а во второй фазе - при сохранении электрического сигнала выполняется резкое механическое торможение маховика.
В результате осуществления вышеуказанных отличий достигается технический результат полезной модели, заключающийся в безопасности эксплуатации накопителя энергии.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - конструктивная схема маховичного накопителя энергии.
Осуществление полезной модели
Устройство представлено на чертеже (фиг.1), где изображена его конструктивная схема. Маховик накопителя, состоящий из обода 1, ступицы 2 и соединяющего их конического диска 3, помещены в корпусе 4, в котором вал 5 маховика, закрепленный в осевом направлении в подшипниках 6 и 7 вывешен относительно корпуса 4 на магнитной подвеске, включающей неподвижные магниты 8 и 9, закрепленные на корпусе 4, и подвижные магниты 10, закрепленные на валу 5. При этом подвижные магниты 10 (на фиг.1 изображена схема с одним подвижным магнитом и корпусом из немагнитного материала) притягиваются к верхнему неподвижному магниту 8 и отталкиваются от нижнего неподвижного магнита 9, что видно из обозначения полюсов магнитов на чертеже (фиг.1). Подшипники 6 и 7, закрепленные в осевом направлении на валу 5, выполнены с возможностью свободного осевого перемещения в корпусе 4 в определенных пределах, ограниченных размером люфта 11 как минимум в верхней части корпуса 4 упорами 12. На корпусе 4 в зоне, примыкающей к торцу обода 1, находится упор-кольцо 14, например, из изолятора, внутри которого находится электропроводник 13, изолированный от корпуса 4 (верхнее положение вала 5 и связанных с ним деталей представлено на фиг.1 сплошной толстой линией, а нижнее - тонкой штриховой). Люфт 11 выбран такого размера, что на нем сохраняется практически постоянная сила взаимодействия магнитов 8, 9 и 10, уравновешивающая силу тяжести маховика. Такое положение возможно, что экспериментально установлено автором данной заявки (см. статью Н.В. Гулиа «Новая магнитная опора большой грузоподъемности», ж-л «Вестник машиностроения» №3, 2004 г.С.77-79). Маховик накопителя получает вращение от внешнего источника энергии, например, электромашины (на чертеже не показана) через вал 5 и через этот же вал 5 выделяет накопленную при вращении энергию, например, на вращение ротора той же электромашины для выработки электроэнергии.
Работа устройства происходит следующим образом. При вращении маховика с дозволенной по условиям безопасности частотой вращения конический диск 3 частично распрямляется под действием упруго-растягивающегося обода 1. Маховик, его вал 5 и подшипники 6 и 7 находятся при этом в верхнем положении, изображенном на фиг.1 толстыми линиями, что достигается выполнением маховика массой, несколько меньшей чем та, на которую рассчитана магнитная подвеска. Подшипник 7 при этом упирается своим внешним кольцом в верхний упор 12, зазор внешнего неподвижного магнита 8 с подвижным 10 минимален, но обод 1 не достигает контакта с упором-кольцом 14 и электропроводником 13. При увеличении частоты вращения маховика до максимально безопасной (назначенной расчетно-экспериментальным методом) конический диск 3 распрямляется настолько, что обод 1 начинает касаться упора-кольца 14 с электропроводником 13. Начинается незначительное торможение маховика под действием сил взаимодействия магнитов 8, 9 и 10 в подвеске, незначительно превышающих силу тяжести маховика. Кроме торможения маховика трением его обода 1 об упор-кольцо 14, изготовленное из изолятора с тормозящими свойствами (текстолита, ретинакса и пр.), электропроводник 13, касаясь обода 1 металлического маховика создает замыкание соответствующей электроцепи (на чертеже не показана). Это замыкание приводит в действие либо сигнал на прекращение разгона маховика, либо отключение двигателя от связи с валом 5, либо выключение этого двигателя. Однако, если этого не происходит вследствие неисправностей электроцепи или по другим причинам, конический диск 3, продолжая распрямляться, выбирает люфт 11, вал 5 с маховиком опускается вниз до упора внешним кольцом подшипника 7 в нижний упор 12. После этого дальнейшее увеличение частоты вращения маховика и распрямление конического диска 3 вызывает большие силы прижатия обода 1 к упору-кольцу 14 и интенсивное торможение маховика, гарантированно тормозящего его до безопасных частот вращения. Эффект распрямления конического диска 3 при вращении маховика с ободом 1 и ступицей 2 был рассчитан теоретически и проверен экспериментально при вращении цельнокатаного колеса железнодорожного вагона, из которого, кстати, и планируется изготовление маховика опытного образца маховичного накопителя энергии.
Таким образом, технический результат, поставленный созданием заявителем полезной модели, достигается.