ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2118876

КИНЕТИЧЕСКИЙ АККУМУЛЯТОР

КИНЕТИЧЕСКИЙ АККУМУЛЯТОР

Имя изобретателя: Власов В.И. 
Имя патентообладателя: Акционерное общество "Новолипецкий металлургический комбинат"
Адрес для переписки: 
Дата начала действия патента: 1996.12.24 

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики, позволяет повысить технико-экономические показатели преобразования энергии и обеспечить гарантированное энергоснабжение потребителей. Отличительной особенностью предложения является, то что в герметичном корпусе, в котором создан глубокий вакуум, на радиально-осевой самоцентрирующей с ограничителями осевого и радиального перемещения магнитной опоре, служающей одновременно ступицей ободкового супермаховика, навитого и высокопрочных нитей, установлен вертикально явнополюсный якорь дисковой униполярной машины электромагнитного возбуждения с центральным и периферийным термоэлетромиссионными управляемыми токосъемами. При этом самооцентровка ротора обеспечивается конусообразной формой магнитной опоры, ограничители осевого и радиального перемещения выполнен в виде опорно-упорных подшипников на основе твердых самосмазывающих материалов, анод центрального термоэмиссионного токосъема охлаждаем, а нагреваемые катоды с сеточными управлением периферийных токосъемов и катушка возбуждения разделены охлаждаемым экраном. Указанное конструктивное исполнение обеспечивает режимы зарядки и разрядки, а также необходимую длительность хранения энергии в дежурном режиме при максимальных показателях удельной энергоемкости и экономичности.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано в системах гарантированного энергообеспечения.

Известны кинетические аккумуляторы электрической энергии (КАЭЭ), содержащие маховик, запасающий энергию за время зарядного цикла и отдающий ее в разрядном цикле, электродвигатель, генератор, систему управления и редуктор.

КВЭЭ могут выполняться:

1) с машиной постоянного тока (МПТ);

2) с асинхронным двигателем (АД) и синхронным генератором (СГ).

3) с асинхронным двигатель-генератором с короткозамкнутым ротором (АДГ);

4) с асинхронизированным синхронным генератором (АСГ);

5) с вентильным двигатель-генератором (ВДГ).

Существенными недостатками:

1) структуры КАЭЭ с МПТ является ограничение максимальной окружной скорости коллектора МПТ, которая не должна превышать 50-60 м/с (см., например, Исаев В.С., Ковтун В.П. Характер разрушения поверхности трения меди в электрическом скользящем контакте. Электротехника, N 8, 1976);

2) КАЭЭ с АД и СГ конструктивно сложны, потребляют много энергии при разгоне, из которой 50-60% превращается в тепло;

3) главной сложностью при разработке КАЭЭ с АДГ является проблема регулирования напряжения асинхронного генератора в широком диапазоне изменения частоты вращения;

4) КАЭЭ на основе АСГ обладают конструктивной сложностью, ограниченным диапазоном изменения частоты вращения маховика, наличием контактных колец;

5) КАЭЭ с ВДГ на базе синхронных машин также требуют наличия сложного и ненадежного трехфазного двухполупериодного инвертора для частотно-токового регулирования, не исключающего потерь энергии в зарядном и дежурном режимах, тахогенератора или датчика положения ротора и регулятора напряжения, а разработка асинхронного ВДГ вообще нецелесообразна из-за сложности регулирования напряжения.

Поэтому вопросы разработки КАЭЭ и в первую очередь вопросы рационального преобразования электрической энергии в механическую и обратно применительно к системам электроснабжения с маховиком остаются открытыми (см. например. Ледовский А.Н., Литвинов И.И., Новиков М.Э., Тимофеева А.Т. Проблемы создания кинетических аккумуляторов электрической энергии, Электричество, N 3, 1978).

Известны также КАЭЭ, содержащие униполярную машину (УМ) постоянного тока с маховиком для питания индуктивного накопителя энергии, которые могут быть приняты за прототип (см. например. Униполярные электрические машины, доклады конференции, Москва, март 1969 года, с. 8).

Но такие КАЭЭ низковольтны и предназначены для работы только в импульсном режиме. При работе в длительном режиме задача создания надежного высокоскоростного контакта по-прежнему актуальна, а создание импульсных генераторов на повышенное напряжение является существенно более сложной задачей (см. там же с.35).

Целью изобретения является создание простых, необслуживаемых КАЭЭ, пригодных для практического применения в системах гарантированного электроснабжения, обладающих более высоким КПД преобразования и удельной энергоемкостью, отсутствием потерь в дежурном режиме, что обеспечит необходимую длительность хранения энергии, легкостью управления любыми режимами и универсальностью рода тока как зарядного, так и разрядного циклов.

Цель достигается органическим объединением и взаимным дополнением свойств и достоинств витого супермаховика, самоцентрирующей магнитной опоры, дисковой униполярной электрической машины и управляемого термоэмисионного генератора.

Сущность изобретения заключается в том, что в герметичном корпусе, в котором создан глубокий вакуум, на радиально-осевой самоцентрирующей с ограничителями осевого и радиального перемещения магнитной опоре, служащей одновременно ступицей ободкового супермаховика, навитого из высокопрочных нитей, установлен вертикально явнополюсной якорь дисковой униполярной машины электромагнитного возбуждения с центральным и периферийным термоэмиссионными управляемыми токосъемами. При этом самоцентровка ротора обеспечивается конусообразной формой магнитной опоры, ограничители осевого и радиального перемещения выполнены в виде опорно-упорных подшипников на основе твердых самосмазывающихся материалов, анод центрального термоэмиссионного токосъема охлаждаем, а нагреваемые катоды с сеточным управлением периферийных токосъмов и катушка возбуждения разделены охлаждаемым экраном из немагнитного материала.

Проведенный патентный поиск показал отсутствие КАЭЭ с предлагаемой совокупностью признаков.

Таким образом, в данном случае известные элементы объединены новыми связями, придают новые свойства КАЭЭ, проявившиеся в положительных эффектах, вследствие чего решение может быть признано имеющим изобретательский уровень.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показан продольный оси вращения ротора разрез КАЭЭ в варианте совмещения диска якоря с подвижной частью магнитопровода (конструктивная схема).

КИНЕТИЧЕСКИЙ АККУМУЛЯТОР

КАЭЭ состоит из герметичного корпуса 1 с силовыми входом 2, выходом 3 и управленческими 4 электрическими выводами.

Внутри корпуса 1 на радиально-осевой магнитной опоре 5 вертикально закреплен вал 6.

Магнитная опора 5 состоит из подвижной 5а и неподвижной 5б частей; представляет собой два конусообразных диска постоянных магнитов из сплавов редкоземельных металлов и кобальта, намагниченных вдоль оси и встречно.

В общем случае при необходимости магнитная опора 5 будет состоять из расчетного количества пар подвижных и неподвижных 5б дисков до полного уравновешивания веса подвижных частей КАЭЭ, самоцентровка которых обеспечивается конусообразной формой дисков 5а и 5б.

Подвижный диск 5а магнитной опоры одновременно может служить ступицей ободкового супермаховика 7, навитого из высокопрочных нитей, например, стекловолокна, бора, кевлара, графита, кварца, полимеров и т.д.

Массивный обод, навитый из сверхпрочных волокон, обеспечивает высокую плотность накопленной энергии и безопасный (безосколочный) выход из строя в случае превышения предельно допустимой скорости вращения маховика.

Если это стальная проволока прочностью 5000 н/мм2, то удельная энергия аккумулятора составит 3Ч105 Дж/кг.

Графитовое волокно или кевлар обеспечит 106 Дж в килограмме массы. Кварцевые волокна (получены в 70-х годах) прочностью 37000 н/мм2 и плотностью в 2 раза большей, чем у графита, обеспечат плотность энергии свыше 5Ч106 Дж/кг или 1400 втЧч/кг, т.е. больше, чем у двигателей внутреннего сгорания (1000 втЧч/кг).

Новые материалы из углерода со структурой графита и алмаза обеспечат плотность энергии 2400 и 4200 втЧч/кг (см. например Гулиа Н.В. Накопители энергии. - М.: Наука, 1980, с. 88). Следует иметь в виду, что уже получены полимерные материалы, превосходящие по прочности алмазы.

На валу 6 насажен или вытачивается заодно якорь 8 униполярной машины, состоящей из статорного магнитопровода 9, катушки возбуждения 10, периферийного термоэмиссионного (бесконтактного) токосъема 11 с сеточным управлением 12 и центрального токосъема 3, работающего по принципу термоэмисионного генератора. При этом подвижный катод К центрального токосъема 3 нагревается токами высокой частоты от неподвижной обмотки 13, а анодом А служит охлаждаемый скатан 14, изолированный от корпуса 1 и статора 9 униполярной машины.

Неподвижный катод одного или нескольких периферийных токосъемов 11 может нагреваться прямыми токами накала.

Поскольку магнитная опора 5 обладает сравнительно малой жесткостью, для исключения разрушения ротора при случайном толчке, якорь 8 выполнен цилиндрическим совмещенным с магнитопроводом с возможностью значительного осевого перемещения вверх и вниз до упоров 15 и незначительного горизонтального перемещения до упоров 16, служащих ограничителями осевого и радиального перемещения.

Для целей электромагнитного удержания (и возвращения) якоря 8 в нормальное среднее положение служит и явнополюсное его исполнение за счет серединной кольцевой выточки 17.

Ограничители осевого 15 и радиального 16 перемещения представляют собой подшипники скольжения с твердой смазкой, поскольку жидкие смазки в вакууме не работоспособны.

В качестве твердой смазки могут быть использованы различные композиции с наполнителями из дисульфида молибдена или более термостойкого дисульфида вольфрама, который выдерживает температуру до 3000oC (см. например: А.А.Силин Трение и его роль в развитии техники. - М.: Наука, 1983, с. 126 - 128).

Как известно минимальная рабочая температура катодов K и 11 должна быть 700-800oC.

Для защиты катушки возбуждения 10 от теплоизлучения катода 11 периферийного токосъема служит экран 18, который может быть выполнен в виде водяного канала охлаждения.

Внутри корпуса 1 создается разряжение порядка 10-7 мм.рт. ст. В среде столько разряженного газа электроны распространяются практически беспрепятственно, а нужная величина снимаемого тока нагрузки обеспечивается расчетной площадью нагреваемого катода.

Например, импрегнированный катод может дать токосъем 8 а/см2 при температуре 1000oC, т.е. такой же как и электрографитные щетки (см. Менке Х., Гундлах Ф. Радиотехнический справочник, том. II., Госэнергоиздат, М. - Л., 1962, с. 45).

Важной особенностью термоэмиссионного токосъема является независимость потерь в нем от скорости вращения якоря 8. Кроме того, если анод охлаждать, то возможно получение прироста, а не падение напряжения в таком скользящем/контакте (см. , например, Рогинский В.Ю. Современные источники питания, Энергия, 1969, с.53 - 59)

Для обеспечения неизменности принятого расположения катодов и анодов в зарядном и разрядном циклах принят электромагнитный способ создания рабочего магнитного потока Ф, полярность которого в этом случае легко изменить направлением тока в обмотке возбуждения 10, т.е. режим работы (зарядный или разрядный) при неизменном направлении вращения якоря 8 определяется направлением регулируемого в широких пределах тока в обмотке возбуждения 10.

Питание якоря 8 постоянным или переменным (бесконтактный токосъем работает выпрямителем при постоянном потенциале управляющей сетки 12) током через вывод 2 периферийного токосъема и вывод 3 центрального токосъема (поверхность А) при наличии накала катодов и магнитного потока возбуждения обусловит по закону электромагнитных сил разгон ротора и накопление энергии в маховике 7.

Дежурный режим характеризуется отключением нагрева катодов периферийного и центрального токосъемов и снятием тока возбуждения. При этом все виды потерь в КАЭЭ будут отсутствовать, что обеспечит необходимую длительность хранения энергии.

Возобновление питания нагреваемых катодов, управляющей сетки 12 и перемена направления тока в обмотке возбуждения 10 обусловят разрядный режим работы КАЭЭ.

При этом ЭДС, развиваемая униполярным генератором, будет равна т.е. пропорциональна скорости вращения якоря 8 и пронизывающего его магнитного потока, а характер и величина управляющего потенциала сетки по нелинейному закону обусловит характер и величину выходного напряжения.

Несмотря на то, что в принципе ограничений в получении нужной единичной мощности и энергоемкости нет, в общем случае описанную конструкцию надо рассматривать как элемент, последовательно-параллельное соединение которых позволит получить любой диапазон по энергоемкости, напряжению, току и, следовательно, мощности.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Кинетический аккумулятор электрической энергии преимущественно для систем электроснабжения потребителей, содержащий корпус, маховиковый накопитель энергии, зарядно-разрядный электромагнитный орган и систему управления режимами работы, отличающийся тем, что в герметичном корпусе, в котором создан глубокий вакуум, на радиально-осевой самоцентрирующей с ограничителями осевого и радиального перемещения магнитной опоре, служащей одновременно ступицей ободкового супермаховика, навитого из высокопрочных нитей, установлен вертикально явнополюсный якорь дисковой униполярной машины электромагнитного возбуждения с центральным и переферийными термоэмиссионными управляемыми токосъемами, при этом самоцентровка ротора обеспечивается конусообразной формой магнитной опоры, ограничители осевого и радиального перемещения выполнены в виде опорно-упорных подшипников на основе твердых самосмазывающихся материалов, анод центрального термоэмиссионного токосъема охлаждаем, а нагреваемые катоды с сеточным управлением переферийных токосъемов и катушка возбуждения разделены охлаждаемым экраном.

Версия для печати
Дата публикации 21.04.2007гг


вверх