КИНЕТИЧЕСКИЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ
KINETIC ENERGY STORAGE DEVICE

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности, к кинетическим накопителям энергии и преимущественно может быть использовано в системах электроснабжения в качестве резервного и аварийного источника питания.
Известен накопитель энергии (CN 101420150 А, 2009), который содержит вакуумированный корпус, установленный в полости корпуса мотор-генератор, маховик, установленный на вертикально расположенном валу ротора мотор-генератора, и систему опор вала, образованную нижним игольчатым опорным подшипником с подпятником и верхним магнитным подшипником с постоянным магнитом.
Известен центробежный накопитель энергии (RU 88864 U1, 2009), который содержит вакуумированный вертикальный цилиндрический корпус, установленный в нем маховик в виде полого тонкостенного ротора ультрацентрифуги с приводным диском и ферромагнитной втулкой в нижней и верхней его части, соответственно, систему опор ротора, образованную нижним игольчатым опорным подшипником с подпятником и верхним магнитным подшипником с постоянным магнитом, и статор, установленный в полости корпуса и находящийся в магнитном взаимодействии с приводным диском.
Однако остаточный дисбаланс ротора упомянутых известных накопителей энергии отрицательно сказывается на их эксплуатационных характеристиках.
Наиболее близким по конструкции к настоящему изобретению является известный накопитель энергии (RU 2456734 С2, 2012). Ближайший аналог содержит вакуумированный корпус, в котором вертикально установлен цилиндрический ротор в виде металлической трубы с установленными внутри на некотором удалении от ее торцов двумя перегородками в виде дисков. Труба ротора упрочнена слоями полимерного материала, например, стеклопластика и углепластика. Ротор установлен в системе опор, которая образована нижним игольчатым опорным подшипником с подпятником и верхним магнитным подшипником с постоянным магнитом и ферромагнитной втулкой, установленной на верхней перегородке трубы, с возможностью вращения с помощью мотор-генератора со статором и приводным диском, закрепленным на полуоси, установленной на нижней перегородке. Подпятник нижней опоры установлен на демпфирующем элементе с центрирующими пружинами в корпусе демпфера, заполненном маслом. В нижней части ротора установлено корректирующее устройство в виде кольца, охватывающего с некоторым радиальным зазором полуось ротора, с демпфирующим цилиндром на центрирующих пружинах. В верхней части ротора корректирующее устройство выполнено в виде кольца, охватывающего ферромагнитную втулку с некоторым радиальным зазором.
Конструкция системы опор ближайшего аналога в некоторой степени обеспечивает уменьшение радиальных нагрузок на них, обусловленных дисбалансом ротора, и поэтому снижает потери в опорах.
Вместе с тем, ближайший аналог, как и все рассмотренные выше аналоги, не обеспечивают возможности уменьшения дисбаланса ротора при его вращении, то есть самобалансировки ротора, что отрицательно сказывается на их эксплуатационных характеристиках.
Кроме того, размещение статоров моторов-генераторов в вакуумированных корпусах рассмотренных выше аналогов препятствует рассеиванию тепла, выделяющегося при функционировании накопителей энергии.
Задачей настоящего изобретения явилось создание кинетического накопителя энергии, который обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в уменьшении дисбаланса ротора непосредственно в процессе его вращения, в обеспечении более интенсивного рассеивания статором тепла и в расширении арсенала технических средств для накопления энергии.
Поставленная задача решена и технический результат достигнут, согласно изобретению, тем, что кинетический накопитель энергии, содержащий, в соответствии с ближайшим аналогом, вакуумированный цилиндрический корпус, статор и полый ротор, который образован цилиндром из немагнитного диэлектрического материала, по меньшей мере, с двумя дисками, закрывающими его внутреннюю полость, и вертикально установлен в корпусе на валу посредством верхней и нижней опор с возможностью вращения, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен постоянными пластинчатыми магнитами, установленными на цилиндре ротора по окружности с чередованием их полюсов, расположенных радиально, каждый диск ротора выполнен в виде, по меньшей мере, двух концентрических силовых колец, между которыми установлено кольцо из эластичного материала, верхняя и нижняя опоры выполнены в виде радиально-упорных опор качения, цилиндр корпуса выполнен из немагнитного диэлектрического материала, а статор расположен снаружи по отношению к корпусу.
При этом в качестве немагнитного диэлектрического материала использован стеклопластик.
Цилиндр ротора выполнен посредством намотки стекловолокна с использованием полимерной матрицы, а пластинчатые магниты установлены при намотке стекловолокна.
Силовые кольца дисков ротора выполнены из стекловолокна и полимерной матрицы.
Концы вала ротора выполнены коническими, а каждая из радиально-упорных опор качения выполнена в виде, по меньшей мере, трех подшипников качения, снабженных коническими втулками и установленных вокруг концов вала ротора с обеспечением контакта конических поверхностей втулок с коническими поверхностями концов вала ротора.
Конические поверхности втулок снабжены фрикционным покрытием.
Фрикционные покрытия конических поверхностей втулок выполнены из вакуумной резины.
Выполнение каждого диска ротора заявляемого кинетического накопителя энергии в виде, по меньшей мере, двух концентрических силовых колец, между которыми установлено кольцо из эластичного материала, обеспечивает в процессе вращения ротора его самобалансировку за счет деформации колец дисков ротора, выполненных из эластичного материала.
Снабжение заявляемого кинетического накопителя энергии постоянными пластинчатыми магнитами, установленными на цилиндре ротора по окружности с чередованием их полюсов, расположенных радиально, выполнение цилиндра корпуса из немагнитного диэлектрического материала и расположение статора снаружи по отношению к корпусу обеспечивает возможность размещения статора вне вакуумированного корпуса, сохраняя при этом возможность его магнитного взаимодействия с пластинчатыми магнитами ротора, что приводит к более интенсивному рассеиванию статором тепла при функционировании кинетического накопителя энергии.
Отмеченное свидетельствует о решении поставленной задачи настоящего изобретения и достижении декларированного технического результата благодаря наличию у заявляемого кинетического накопителя энергии перечисленных выше отличительных признаков.
На фиг. 1 приведен чертеж осевого разреза заявляемого кинетического накопителя энергии в сборе.
На фиг. 2 приведен чертеж осевого разреза ротора и опор качения заявляемого кинетического накопителя энергии.
На фиг. 3 приведен разрез по А-А фиг. 2.
На фиг. 4 приведен вид I фиг. 2 (увеличено).
Кинетический накопитель энергии содержит вакуумированный цилиндрический корпус 1, который состоит из цилиндрической части 2 корпуса, выполненной из немагнитного диэлектрического материала, например, из стеклопластика, а также днища 3 и фланца 4, выполненных, например, из алюминиевого сплава. Корпус 1 снабжен крышкой 5, например, из алюминиевого сплава с ниппелем 6 для присоединения насоса с целью откачивания воздуха, которая через вакуумное уплотнение присоединена к фланцу 4, например, с помощью шпилек с гайками.
Кинетический накопитель энергии содержит полый ротор 7, который образован цилиндром 8 из немагнитного диэлектрического материала, например, из стеклопластика и, по меньшей мере, двумя дисками 9, закрывающими внутреннюю полость ротора 7. По мнению авторов настоящего изобретения, при наилучшем его осуществлении ротор 7 снабжен также третьим диском 9, расположенным посредине ротора 7. Цилиндр 8 ротора 7 выполнен посредством намотки, например, стекловолокна с использованием полимерной матрицы.
Каждый диск 9 ротора выполнен в виде, по меньшей мере, двух концентрических силовых колец 10, выполненных, например, из стекловолокна и полимерной матрицы, между которыми установлено кольцо 11 из эластичного материала, выполненное, например, из демпферной вакуумной резины. По мнению авторов настоящего изобретения, при наилучшем его осуществлении каждый диск 9 ротора содержит три силовых кольца 10 и два кольца 11 из эластичного материала. Диски 9 ротора собирают из силовых колец 10 и колец 11 из эластичного материала путем их пресс-посадки и дополнительной фиксации, например, с использованием клея.
Кинетический накопитель энергии снабжен пластинчатыми постоянными магнитами 12, например, в виде неодимовых пластинок толщиной 0,2 мм, которые установлены на цилиндре 8 ротора 7 по окружности с зазорами между ними и с чередованием их расположенных радиально полюсов, например, в два ряда, по 12 магнитов в каждом. Пластинчатые магниты 12 устанавливают на цилиндре 8 ротора 7 в процессе его изготовления при намотке стекловолокна.
Цилиндр 8 ротора 7 закреплен на дисках 9 путем соединения с силовыми кольцами 10 наибольшего диаметра.
Ротор 7 установлен на валу 13, выполненном, например, из стали 45Х, с помощью дисков 9, закрепленных на валу 13 силовыми кольцами 10 наименьшего диаметра, и вертикально размещен в корпусе 1 посредством верхней и нижних радиально-упорных опор 14 и 15 качения с возможностью вращения. Концы вала 13 ротора 7 выполнены коническими.
Верхняя и нижняя радиально-упорные опоры 14 и 15 качения выполнены в виде, по меньшей мере, трех подшипников 16 качения, снабженных коническими втулками 17. В качестве подшипников 16 качения использованы прецизионные шпиндельные подшипники, например, марки 12BGR02X фирмы NSK, характеризующиеся максимально допустимой частотой вращения 100000 об/мин. при работе в консистентной вакуумной смазке.
Конические поверхности втулок 17 снабжены фрикционным покрытием, выполненным, например, из вакуумной резины, для чего при наилучшем осуществлении настоящего изобретения на конических поверхностях втулок 17 выполнены кольцевые канавки 18, заполненные вакуумной резиной 19.
Подшипники 16 качения верхней и нижней опор 14 и 15 качения установлены на основаниях 20 вокруг конических концов вала 13 ротора 7 с обеспечением контакта конических поверхностей втулок 17 с коническими поверхностями концов вала 13 ротора 7 через фрикционные покрытия в виде вакуумной резины 19.
Основания 20 верхней и нижней опор 14 и 15 качения закреплены на фланце 4 и днище 3, соответственно. Основание 20 верхней опоры 14 качения крепится к фланцу 4 жестко, а основание 20 нижней опоры 15 качения крепится к днищу 3 через демпфер 21, который выполнен из эластичного материала, например, из демпферной вакуумной резины, и создает осевую нагрузку на вал 13 ротора 7 для обеспечения контакта конических поверхностей втулок 17 с коническими поверхностями концов вала 13 ротора 7 через фрикционные покрытия в виде вакуумной резины 19.
Такая конструкция верхней и нижней опор 14 и 15 качения позволяет обеспечить более высокую частоту вращения ротора 7, чем частота вращения подшипников 16 качения. Так, например, при среднем диаметре конических поверхностей втулок 17, превышающем, средний диаметр конических поверхностей концов вала 13 ротора 7 в 4 раза, в случае вращения ротора 7 с частотой 360000 об/мин. подшипники 16 качения будут вращаться с частотой около 90000 об/мин.
Кроме того, кинетический накопитель энергии содержит статор (на чертежах не показан), который расположен снаружи по отношению к корпусу 1, охватывая цилиндрическую часть 2 корпуса, и состоит из совокупности катушек с сердечниками из электротехнической стали, например, из 27 катушек.
Кинетический накопитель энергии работает следующим образом.
При накоплении энергии кинетический накопитель энергии работает подобно электродвигателю. В этом случае подается напряжение на катушки статора (на чертежах не показан), которые создают электромагнитное поле, воздействующее через цилиндрическую часть 2 корпуса 1 и через поверхностные слои стекловолокна цилиндра 8 ротора 7 на пластинчатые магниты 12, вызывая вращение ротора 7 в верхней и нижней опорах 14 и 15 качения.
При этом в процессе вращения ротора 7 происходит самобалансировка ротора 7 за счет деформации колец 11 из эластичного материала дисков 9, что обеспечивает парирование дисбаланса ротора 7.
После достижения частотой вращения ротора 7 максимально допустимого значения, равного, например, 360000 об/мин., подача напряжения на катушки статора прекращается. Ротор 7 продолжает вращаться по инерции, сохраняя за исключением потерь накопленную кинетическую энергию.
При этом кинетический накопитель энергии работает подобно электрогенератору. В этом случае магнитный поток, создаваемый пластинчатыми магнитами 12, через поверхностные слои стекловолокна цилиндра 8 ротора 7 и через цилиндрическую часть 2 корпуса 1 воздействует на катушки статора и наводит в них электродвижущую силу индукции, которая при подключении к ним потребителя обеспечивает его электропитание.
Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает достижение технического результата, который заключается в уменьшении дисбаланса ротора непосредственно в процессе его вращения, в обеспечении более интенсивного рассеивания статором тепла и в расширении арсенала технических средств для накопления энергии.