ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2291541

МАХОВИКОВАЯ СИСТЕМА НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ

МАХОВИКОВАЯ СИСТЕМА НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ

Имя изобретателя: СИБЛИ Льюис Б. (US) 
Имя патентообладателя: СИБЛИ Льюис Б. (US)
Адрес для переписки: 129010, Москва, ул. Б. Спасская, 25, стр.3, ООО "Юридическая фирма Городисский и Партнеры", пат.пов. С.А. Дорофееву, рег.№ 146
Дата начала действия патента: 2002.09.12 

Изобретение относится к маховиковым системам накопления энергии. Технический результат состоит в повышении надежности и безопасности, увеличении срока службы. Устройство накопления энергии содержит вал, маховик, средство для избирательного вращения маховика при подаче электрической энергии или выработки электрической энергии при вращении его маховиком. Средство для соединения маховика и средства для избирательного вращения маховика или выработки электрической энергии с частью подшипникового средства, которое вращается относительно вала, содержит внутренний элемент, вращающийся с частью подшипникового средства относительно вала. Его внешний элемент неподвижно соединен с указанной комбинацией из маховика и средства для вращения маховика или выработки электрической энергии. Средство для соединения элементов обеспечивает продолжение совместного вращения внешнего элемента с внутренним элементом, когда частота вращения комбинации из внутреннего и внешнего элементов, маховика и средства для вращения маховика или выработки электрической энергии достигает уровня, при котором центробежная сила разделяет эти элементы.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к маховиковым системам накопления энергии, к интегрированию высокотехнологичных армированных волокном композиционных маховиков с толстым кольцом, экономичных конструкций маховиков и установочных втулок, выполненных с использованием непрерывной нити несвязанной стальной проволоки и другой нити, со сверхминиатюрными и, в некоторых случаях, недорогими обычными электродвигателями-генераторами и электронными системами управления на основе цифровой обработки сигналов, отказобезопасными вакуумными камерами, системами аварийного отключения энергии и локализации и шариковыми, роликовыми и втулочными подшипниками, имеющими твердые смазочные материалы, которые могут надежно работать в течение многих лет без технического обслуживания. Настоящее изобретение также относится к использованию гироскопического момента, создаваемого таким маховиком, для ориентирования нагрузки подвешенного устройства, как описано в патенте США №5632222, в дополнение к накоплению энергии или вместо него.

Накопление энергии, как кинетической энергии вращающегося маховика, известно. Однако несмотря на новейшие усовершенствования армированных волокном композиционных материалов, кольцевых конструкций из намотанной непрерывной нити, электронных средств управления и технологий смазки подшипников и амортизации, маховиковые системы накопления энергии все же лишь потенциально могут конкурировать с альтернативными устройствами для накопления энергии, такими как химические аккумуляторы и сверхконденсаторы.

Обычные материалы, применяемые для выполнения маховика, обеспечивают способность накопления энергии, ограниченную их прочностью на разрыв под действием центробежной силы при высоких скоростях вращения.

Электродвигатели-генераторы и средства управления, в типичном случае, используемые с маховиками, слишком громоздки и не могут работать с высокими скоростями, требуемыми для получения компактной маховиковой системы накопления энергии, соответствующей ограничениям по объему для вариантов применения в автомобилях и других транспортных средствах.

Применение маховиковых систем накопления энергии с меньшей удельной энергией для выравнивания графика нагрузки стационарных электростанций не приносило успеха частично вследствие отсутствия испытанных конструкций с использованием экономичных кольцевых материалов из непрерывной нити.

Электродвигатель с постоянным магнитом с поперечным магнитным потоком обеспечивает получение высоких удельных мощностей с высокой эффективностью, и представляется, что он был впервые описан доктором H.Weh в документе, опубликованном в 1988 году и озаглавленном "Новая синхронная электрическая машина с возбуждением от постоянного магнита, обладающая высокой эффективностью при малых скоростях" ("New Permanent Magnet Excited Synchronous Machine With High Efficiency at Low Speeds"), как средство для получения высоких удельных мощностей с высокой эффективностью для уменьшения веса, стоимости, потерь энергии и объема технического обслуживания.

В обычных промышленных бесщеточных электродвигателях постоянного тока используют эффект Холла, то есть переключаемые магнитным способом неконтактные датчики для определения положения ротора. Сигнал подается в инвертор для переключения на следующую фазу в последовательности, когда ось корневого магнита достигает заданного положения. Таким способом обмотки электродвигателя возбуждаются с получением, таким образом, максимальной величины выходного вращающего момента электродвигателя при любой заданной скорости. Однако известные системы на эффекте Холла сложны по конструкции, громоздки и сложны в производстве, при установке и выравнивании, что ограничивает их использование в высокоскоростных устройствах, в которых признак отсутствия щеток составляет особое преимущество.

Обычные высокоскоростные подшипники требуют подачи воздушно-масляного тумана, циркуляции смазочного масла или периодического пополнения консистентного смазочного материала для обеспечения адекватной смазки между движущимися поверхностями так, чтобы трение не вызывало перегрев подшипников и саморазрушение в ходе работы.

В высокоскоростных маховиковых системах накопления энергии обычные подшипники не обеспечивают достаточного срока службы в вакуумной среде, необходимой для минимизации потерь от сопротивления воздуха и перегрева кольца маховика из композиционного материала. Таким образом, некоторые маховиковые системы основаны на использовании активных магнитных подшипников. Однако даже магнитные подшипники требуют использования вспомогательных шариковых или роликовых подшипников для удерживания ротора в случае непреднамеренного прекращения подачи энергии магнитным подшипникам, или резкого гироскопического маневрирования, или ударных нагрузок, превышающих способность магнитных подшипников выдерживать нагрузку.

Консистентные смазочные материалы и синтетические смазочные масла со сверхнизкой летучестью, требуемые в высоком вакууме таких систем с экономичными шариковыми подшипниками, не дают эффекта присадок синтетических углеводородов или обычных масел на нефтяной основе, в результате чего они обладают недопустимо малой способностью обеспечивать граничную смазку и долговечность подшипников. В этой связи, см., например, документ авторов Mahncke и Schwartz, озаглавленный "Смазка консистентными смазочными материалами подшипников качения в космических аппаратах" ("Grease Lubrication of Rolling Bearings in Spacecraft"), опубликованный в "Сборнике Американского общества специалистов по смазке" ("ASLE Transactions"), том 17, №3, стр.172-181.

Высокие скорости вращения приводят к такому значительному центробежному расширению колец маховика, что требуются специальные приспособления для установки таких колец на удерживаемых подшипниками роторах с ротором электродвигателя-генератора. Установочная система, описанная в патенте США №4860611, предусматривает конструкцию установочной втулки, пригодную для использования при существенно высоких скоростях, но желательны еще большие скорости. Следовательно, требуются дополнительные усовершенствования установочных конструкций.

Адекватно надежные высокоскоростные подшипниковые системы на твердой смазке, особенно для использования в высоковакуумных средах, неизвестны. Подшипниковая промышленность поставляет на рынок несколько типов сухих подшипниковых материалов, основанных на дисульфиде молибдена, графите, тефлоне и других пластмассах, используемых в качестве твердых смазочных материалов. Армированные стекловолокном тефлоновые подшипники изготовляют посредством связывания жесткой металлической подложки с тонким композиционным слоем из мягкого смазочного тефлона, армированного прочной стеклотканью. Очень тонкий слой тефлона смазывает стекловолокно с обеспечением минимальной упругой деформации, пластической деформации и минимального износа. В таких известных вариантах выполнения подшипников на твердой смазке происходят спорадические разрушительные повреждения подшипника.

Автономные, обеспеченные смазкой на весь срок службы подшипники имеют ограниченную способность работать с высокой скоростью и требуют частой замены смазки.

В высокоскоростных роторах, работающих со скоростью выше критической, подшипники обычно смазываются циркулирующим маслом. В случае с высокоскоростными шариковыми или роликовыми подшипниками, это смазочное масло часто циркулирует через кольцевое пространство в кожухе, который отделяет невращающееся опорное кольцо от основного корпуса устройства таким образом, что радиальная нагрузка сдавливает эту масляную пленку. Вибрации ротора демпфируются вязким потоком в форме масляной пленки, когда ротор преодолевает критические скорости при ускорении и замедлении относительно его рабочей скорости.

В доступных в настоящее время вращающихся устройствах широко используют демпфирующие средства на "сжатой пленке" и точно сбалансированные роторы для контроля вибрационного эффекта и нагрузок на подшипники в высокоскоростных вращающихся устройствах. К сожалению, демпфирующие устройства на сжатой пленке имеют собственную неустойчивость вследствие завихрения масла и взбивания масла и часто вносят неустойчивость в работу таких высокоскоростных устройств. Кроме того, конструкция демпфирования на сжатой пленке неудовлетворительно разработана. В дополнение к этому, демпфирующие устройства на сжатой пленке не обеспечивают высоких степеней демпфирования. Следовательно, когда используют демпфирующие устройства на сжатой пленке, часто возникают высокие вибрационные нагрузки на подшипники и неустойчивость системы.

Согласно одному аспекту настоящее изобретение обеспечивает получение колец маховиков из композиционного материала из текстильной ткани. В объем настоящего изобретения в отношении таких колец входят кольцевые, полюсно навитые и другие конструкции колец маховиков из армированного непрерывным волокном композиционного материала из текстильной ткани, а также простые маховики из несвязанной непрерывной стальной проволоки высокой прочности или другой нити и их монтажные системы. Маховики, выполненные согласно изобретению, можно изготовить посредством намотки нити с использованием способов влажной или сухой намотки, посредством литьевого прессования смолы, посредством литья под давлением и посредством формования в автоклаве или вакуумного/под давлением формования эластичным мешком. Такое формование в автоклаве или вакуумное/под давлением формование эластичным мешком выполняют с предварительно пропитанными материалами.

Согласно другому аспекту настоящее изобретение предусматривает интегрирование таких колец маховиков из композиционного материала из текстильной ткани и других типов маховиков, упомянутых выше, с электродвигателями-генераторами с пространственным вектором, приводом с гармонической волной, управлением на основе цифровой обработки сигналов, компактным, переключаемым без датчика, с продольным или поперечным магнитным потоком, с радиальным или осевым воздушным зазором, с постоянными магнитами или без них, причем последние называют реактивными конструкциями, в высокоэффективных маховиковых системах накопления энергии с использованием шариковых, роликовых или других подшипниковых узлов на твердой смазке совместно с компенсаторами осевой нагрузки на постоянных магнитах с не проникающим магнитным потоком, требующими незначительного пополнения смазочного материала или технического обслуживания или не требующими его совсем. Согласно другому аспекту настоящее изобретение обеспечивает получение охлаждаемых теплоотводящей трубкой подшипников и роторов электродвигателя, отказобезопасных, быстро поглощающих энергию систем и геометрических форм, облегчающих смазку шариковых, роликовых и скользящих подшипников, а также разделяемых для предотвращения вибрации установочных систем в маховиковых системах накопления энергии, работающих со сверхкритической высокой скоростью, обеспечивающих вращение ротора вокруг центра масс и, таким образом, минимизацию нагрузок на подшипники при высокоскоростной работе и увеличение срока службы, надежность и безопасность.

Согласно еще одному аспекту настоящее изобретение обеспечивает получение колец маховика из полюсно намотанного двойного высокотемпературного композиционного материала на основе углеродного волокна и карбонизированной матрицы или другого композиционного материала из текстильной ткани, которые можно устанавливать на ротор при помощи ступицы с изменениями кривизны на границе соединения между спицами и ободом. Колесо может иметь зубцы в центре каждой перемычки для уменьшения центробежных напряжений в узле.

Кольца маховика можно устанавливать непосредственно на снабженные пазами роторы либо электродвигателей-генераторов с постоянными магнитами, либо устройств реактивного типа без магнитов, обеспечивая естественно происходящее ослабление магнитного поля при увеличении зазора по окружности между сегментами в результате центробежного разделения при увеличении скорости вращения.

Согласно еще одному аспекту изобретение включает использование композиционных материалов с металлической матрицей и волокном для получения ступицы с гибким ободом, которые обладают рабочими характеристиками, сочетающимися с высокопроизводительными роторами без потери проверенной устойчивости и следящей способности. Эти материалы обеспечивают гибкость размеров ступицы маховика как в отношении диаметра, так и длины, избирательное армирование разных районов и экономичное производство в больших объемах.

Согласно еще одному аспекту настоящее изобретение обеспечивает осуществление переключения без использования датчиков режимов работы электродвигателя-генератора с использованием системы, работающей фактически на эффекте Холла.

Согласно еще одному аспекту настоящее изобретение обеспечивает осуществление магнитного демпфирования, выполняемого продолжением подшипникового узла, для ограничения амплитуды вибрации.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения автономная система охлаждения для высокоскоростной маховиковой системы накопления энергии включает теплоотводящую трубку в части вала устройства для обеспечения отвода большого количества тепла, генерируемого электродвигателем-генератором и подшипниками.

Другие дополнительные аспекты настоящего изобретения охватывают использование электродвигателей как с продольным, так и с поперечным магнитным потоком, как с осевым, так и с радиальным воздушным зазором и с цифровым приводом с пространственным вектором и гармонической волной и с векторным управлением.

Согласно аспекту настоящего изобретения, включающему кольца маховика из композиционного материала, каждое такое кольцо в роторе с одним кольцом или с множеством колец, предпочтительно, может состоять из, по меньшей мере, двух отдельных колец из композиционного материала, соединенных способом горячей посадки и выполненных из разных составов. Разные составы могут включать композиционные материалы на основе углеродного волокна и карбонизированной матрицы, которые минимизируют возможность термических повреждений ротора, поскольку такие материалы работают в условиях очень высоких температур без ослабления. Пиролиз карбонизированной матрицы композиционного материала на основе углеродного волокна в ходе производства минимизирует газовыделение, а также возникающую от этого возможность возникновения избыточного давления, возгорания и взрыва в случае повреждения ротора.

Другим важным аспектом настоящего изобретения является критическая последовательность и особый режим изменения натяжения волокна, применяемого при намотке и отверждении некоторых из композиционных колец маховика. Можно использовать кольцевую влажную или сухую намотку нити или комбинацию радиально-полюсно плетеных композиционных колец с таким натяжением для создания необходимого распределения остаточных напряжений в завершенном кольце для противодействия центробежным и тепловым напряжениям, генерируемым, когда эти кольца используются в завершенных маховиковых системах накопления энергии.

В установочных ступицах для таких маховиковых колец можно применять модифицированную кривизну в районе соединения спиц и обода и утолщенное сечение в центре участка обода между спицами.

Альтернативные материалы для выполнения этих ступиц, такие как композиционные материалы с металлической матрицей и из волокна, обеспечивают гибкость конструкции ступицы, а также меньшую стоимость производства. Использование композиционных материалов ступицы с металлической матрицей или волокном желательно, чтобы центробежное расширение ступиц при высоких скоростях не превышало максимальный натяг при горячем монтаже ротора, возможный при разных температурах и коэффициентах теплового расширения элементов.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения получены альтернативные способы установки композиционных колец и устройство для маховиков с очень высокой удельной энергией.

Согласно аспектам настоящего изобретения, включающим электродвигатель-генератор и контроллер, очень компактные электромеханические устройства имеют максимальную эффективность с минимальными потерями энергии и минимальным генерированием тепла, а также при контроле извлечения тепла в каждом случае, когда происходит неизбежное генерирование остаточного тепла либо в роторе, либо в статоре. С этой целью устройство может быть оснащено для отдельного измерения температуры и водяного охлаждения статора электродвигателя и ротора электродвигателя благодаря излучающим тепло ребрам в вакуумной камере, а также самим подшипникам и маховиковому кольцу. В одном варианте осуществления изобретения в завершенную маховиковую систему накопления энергии включена автономная система охлаждения с теплоотводящей трубкой.

В различных вариантах выполнения электродвигателя-генератора, соответствующего настоящему изобретению, используются электромагнитные конструкции как с продольным, так и с поперечным магнитным потоком с радиальным или осевым воздушным зазором для минимизации нагрева ротора и статора и для максимизации эффективности.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения конструкция электродвигателя с постоянными магнитами с поперечным магнитным потоком значительно упрощена для достижения большей надежности. Это очень важно для маховиковых систем накопления энергии типа, к которому относится настоящее изобретение, для которого необходим долгий срок службы без периодического технического обслуживания.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения в контроллере генерируются сигналы виртуального эффекта Холла. В этом случае в электродвигателе не требуются датчики обратной связи, определяющие положение ротора, в результате чего получено переключение без использования датчиков, что снижает расходы и повышает надежность. Постоянные магниты в роторах, обычно используемых в таких электродвигателях постоянного тока, могут быть исключены из конструкции, и может использоваться конструкция реактивного синхронного типа.

Электродвигатели-генераторы маховиковых систем накопления энергии, соответствующих настоящему изобретению, могут иметь включенную в их контроллер специальную схему для высокоскоростных статоров, имеющих дополнительные обмотки для быстрого демпфирования слишком большой накопленной маховиком энергии в неопасном режиме.

С использованием композиционных маховиковых колец, работающих с очень высокой скоростью, для которых обычные установочные ступицы непригодны, может использоваться альтернативный вариант выполнения ротора электродвигателя. Согласно этому аспекту настоящего изобретения могут быть выполнены нарезанные в осевом направлении или частично нарезанные сегменты ротора, посаженные неподвижной горячей посадкой в отверстия этих колец. При возрастании скорости вращения узла эта посадка с натягом устраняется вследствие центробежного расширения, и между кромок сегментов ротора формируется небольшой зазор. Небольшой зазор вызывает ослабление магнитного поля, уменьшение тока и широтно-импульсной модуляции в электродвигателе, что повышает эффективность и снижает нагрев ротора. Относительно аспекта изобретения, касающегося выполнения осевых пазов или частичных пазов в роторе, роторная часть электродвигателя-генератора может быть образована удлиненным в осевом направлении корпусом, имеющим внешнюю цилиндрическую центральную часть, внутри которой установлены постоянные магниты, внутреннюю цилиндрическую центральную часть, соединенную с вращающимся валом, и промежуточную часть, соединяющую внутреннюю и внешнюю цилиндрические центральные части для облегчения совместного вращения внешней цилиндрической центральной части с маховиком, когда частота вращения маховика и вала приближается к частоте, при которой маховик отделяется от вала. Согласно этому аспекту изобретения промежуточная часть, предпочтительно, закруглена и, предпочтительно, тоньше внутренней и внешней цилиндрических центральных частей.

Согласно этому аспекту изобретения маховик, предпочтительно, установлен на внешнюю поверхность внешней цилиндрической центральной части корпуса. Предпочтительно, корпус имеет удлиненные в осевом направлении пазы между соседними постоянными магнитами. Предпочтительно, пазы выполняют в цилиндрической части корпуса. Кроме того, предпочтительно, оконечности пазов находятся в осевом направлении ближе к центру устройства, чем оконечности постоянных магнитов в осевом направлении. Некоторые из пазов могут находиться в одинаковом угловом местоположении и быть совмещенными по оси. Изобретение также предусматривает, что оконечности, по меньшей мере, части пазов могут находиться дальше от центра устройства, чем оконечности постоянных магнитов в осевом направлении.

Другой аспект настоящего изобретения предусматривает использование цифрового управления с пространственным вектором с гармонической волной в электронных средствах управления электродвигателя-генератора на основе цифровой обработки сигналов, которое снижает потери и нагрев и улучшает динамические характеристики. Это векторное управление и явление ослабления магнитного поля увеличивает коэффициент мощности энергетических установок, позволяет минимизировать размеры, вес и стоимость силовых электронных средств и, таким образом, повысить общую эффективность системы.

Согласно аспектам настоящего изобретения, относящимся к подшипникам, подшипниковый узел содержит внешнее кольцо подшипника и внутреннее кольцо подшипника, при этом внутреннее и внешнее кольца подшипника имеют канавки качения для удерживания шариков или роликов подшипникового узла. Подшипниковый узел может дополнительно содержать множество шариков или роликов, установленных в узел для вхождения в контакт качения с соответствующими канавками качения внешнего и внутреннего колец подшипника, и твердую смазку, примыкающую к одному или более шариков или роликов, установленных между внутренним и внешним кольцами, при этом внутреннее и внешнее кольца соединены с прилагающим нагрузку и несущим нагрузку элементами. Твердый смазочный материал также может содержаться в объемной оболочке подшипника скольжения, не имеющего множества шариков или роликов.

Согласно аспектам изобретения, касающимся подшипников, снижения и контроля трения в высоковакуумной среде, в которой работает маховиковая система накопления энергии, в качестве дополнительного смазочного материала может оптимально использоваться синтетическая консистентная смазка низкой летучести. Вспомогательный смазочный материал можно получить с использованием пористого пластмассового элемента, например нейлоновой вставки, пропитанной таким же маслом низкой летучести, которое используют в связи с синтетическим консистентным смазочным материалом для поддержания влажности смазочного материала и предотвращения высушивания в вакууме. Аспекты настоящего изобретения, связанные со смазкой, подшипниками и контролем трения, включают использование извилистых лабиринтных уплотнений для ограничения остаточного газовыделения из консистентной смазки малой летучести до допустимых уровней.

Твердым смазочным элементом в подшипниках, предпочтительно, является элемент из углеродного графита, предпочтительно, прижатый, иногда - самоприжимающийся к шарикам, роликам подшипника или другим движущимся поверхностям таким образом, что графит "обмазывает", то есть притирается к шарикам, роликам или другой движущейся поверхности (поверхностям), оставляя на ней тонкую пленку смазочного графита и производя сверхтонкие частицы "продуктов износа" твердого смазочного материала. При работе подшипника эти продукты износа захватываются между поверхностями шариков или роликов и канавок качения. Продукты износа смазочного элемента переносятся вращающимися шариками или роликами на поверхности канавки качения, в которые установлены шарики или ролики, таким образом, что между шариками или роликами и поверхностями канавки качения образуется графитная пленка, и эта пленка постоянно пополняется в течение срока службы подшипника без необходимости последующего нанесения дополнительного смазочного материала.

При низких скоростях вращения подшипника эффект самоприжимания в этих кольцах твердой смазки может обеспечиваться за счет упругости самих колец в результате того, что кольца разрезаны и выполнены так, что они немного нагружены с отклонением в сторону шариков или роликов. В случае с роликовыми подшипниками и при высоких скоростях работы шариковых подшипников инерционные нагрузки на элементы подшипников и на кольца из твердого смазочного материала, которые для таких вариантов применения, предпочтительно, выполняют без каких-либо разрезов, достаточны для обеспечения достаточного прижимания или периодического вхождения в контакт с шариками или роликами для производства требуемых продуктов износа смазочного материала и переноса пленок. В высокоскоростной маховиковой системе накопления энергии шарики движутся так, что они сталкиваются с кольцами твердого смазочного материала в случайном порядке. Когда используют роликовые подшипники, ролики перекашиваются в случайном порядке, входя в контакт с кольцами твердого смазочного материала, встроенными в такие подшипники для вхождения в контакт с концами роликов.

Смазочный элемент, предпочтительно, выполняют в форме кольца, но он может также быть в форме вставок из твердого смазочного материала или относительно толстого покрытия из твердого смазочного материала, связанного с обоймой подшипника. Местоположение твердого смазочного материала может меняться. Кольцо или обойма должны создавать минимальное ограничение орбитального движения шариков или роликов. Минимальное ограничение орбитального движения требуется для минимизации истирания пленки твердого смазочного материала на поверхностях шарика или ролика/канавки качения в подшипнике.

В очень высокоскоростных вариантах применения, когда центробежные силы, воздействующие на кольца твердого смазочного материала или обойму подшипника, достаточно велики для создания избыточного износа и напряжений, можно использовать металлическую ленту для сдерживания напряжений, возникающих в кольце смазочного материала. В альтернативном варианте может использоваться обойма или сепаратор с твердым смазочным материалом, включенным в качестве вставок или покрытий на поверхностях обоймы, входящих в контакт с направляющими фасками кольца и шариками или роликами. Как в случае с кольцом твердого смазочного материала, для минимизации орбитального ограничения для шариков или роликов, гнездо обоймы имеет большие зазоры в орбитальном направлении, и направляющие фаски имеют небольшой зазор и испытывают небольшое трение.

Требуемое малое трение на поверхностях направляющих фасок обоймы может обеспечиваться с использованием гидродинамических или газодинамических упорных подшипников с малым коэффициентом трения или подобной геометрии направляющих фасок обоймы. Необходимая автоматическая гидродинамическая смазка этих поверхностей направляющих фасок обоймы облегчается центробежной деформацией направляющих обоймы при высоких скоростях, когда эти направляющие отклоняются радиально-наружу в каждой обойме между гнездами шариков или роликов в обойме, образуя гребенчатую поверхность скольжения направляющей фаски обоймы для формирования пленки гидродинамической смазки на конической направляющей фаске.

Можно создавать очень тонкие покрытия из твердой смазки на шариках или роликах и канавках качения для первоначальной смазки при приработке контактных поверхностей подшипника, пока не начнет действовать механизм переноса пленки и захвата продукта износа смазочного материала, обеспечивающий пополнение непрерывной пленки и продолжительный срок службы подшипника. Твердые смазочные элементы располагают в подшипниках таким образом, чтобы исключать высокие нагрузки на поверхности, пополняющие пленку из твердого смазочного материала; в противном случае, что нежелательно, при износе смазочного материала могут образовываться крупные частицы, что привело бы к невозможности необходимой непрерывной подачи сверхтонких пополняющих смазку частиц.

Предпочтительно, изобретение предусматривает в определенной степени свободные допуски канавок качения шариковых подшипников или контактных поверхностей роликовых подшипников для получения достаточного пространства вблизи испытывающих нагрузку точек контакта в подшипниках для создания пленки из твердого смазочного материала. Одновременно, геометрия канавок качения подшипников исключает избыточный кромочный контакт, который мог бы нарушать пленки смазочного материала на контактных поверхностях. Все это содействует захвату продуктов износа смазочного материала и переносу пленок из твердого смазочного материала непосредственно на контактные дорожки шариковых, роликовых или скользящих подшипников и одновременно существенно не ограничивает орбитальное движение вращающихся элементов в подшипниках.

В маховиковых системах накопления энергии, соответствующих настоящему изобретению, доминирующей радиальной нагрузкой на подшипники является нагрузка остаточного дисбаланса, которая вращается с ротором, тогда как доминирующей осевой нагрузкой является предварительный натяг, обычно создаваемый пружинами, воздействующими на неподвижные кольца подшипников. Эти неподвижные кольца подшипников, предпочтительно, устанавливают на неподвижную часть конструкции со скользящей посадкой.

Хотя предпочтительным материалом для твердой смазки является пропитанный углеродный графит, можно использовать другие варианты материалов, такие как дисульфид молибдена, дисульфид вольфрама и халькогениды комплексных металлов второго поколения, которые особенно приспособлены для высокотемпературных подшипников. Такие составы твердых смазочных материалов, как предпочтительный углеродный графит, можно включать в самостоятельные прессованные твердые смазочные элементы и покрытия и использовать в подшипниках, соответствующих изобретению.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения вращающееся кольцо устанавливают на ротор маховиковой системы накопления энергии с использованием гибкого соединительного устройства, которое эффективно изменяет критическую скорость ротора, когда ротор ускоряется до избранной расчетной скорости. Таким образом, подшипники никогда не подвергаются высоким нагрузкам от нарушения баланса, которые возникают при критической скорости обычного ротора.

Такая изоляция вибрации достигается благодаря тому, что кольцевое пространство между ротором и вращающимся кольцом подшипника перекрывается гибким элементом, таким как эластомерное уплотнительное кольцо, или вулканизированный эластомерный элемент, или гибкий металлический элемент, имеющий пригодную податливость. Кольцевого пространства не существует при начале вращения, поскольку детали плотно примыкают друг к другу, когда ротор неподвижен; при промежуточной скорости вращения ротора, за счет центробежного отклонения внешнего элемента узла, детали отделяются друг от друга и образуется кольцевое пространство, создающее зазор. Эту скорость "отрыва" подбирают так, чтобы она составляла приблизительно 2/3 первой критической скорости вращения ротора, когда зазора или кольцевого пространства не существует, и приблизительно на 1/3 выше модифицированной критической скорости, когда зазор или кольцевое пространство создано. Таким образом, ротор никогда не работает точно с критической скоростью и, таким образом, никогда не подвергает подшипники воздействию вибрации с большой амплитудой (амплитудами), которая могла бы возникать при простой работе без демпфирования при критической скорости (скоростях) вращения ротора.

Роторы с этой минимизирующей вибрацию отделяющей системой при работе со скоростями, превышающими скорость отрыва, вращаются вокруг центра масс, а не вокруг геометрического центра подшипниковой опорной системы. В результате, необходимость в высокоточной балансировке ротора уменьшена, и возникает лишь небольшая (или не возникает совсем) центробежная деформация установочных поверхностей прецизионного подшипника. Это особенно важно для высокоскоростных маховиковых колец из волокнистого композиционного материала, в которых центробежное расширение может быть большим, поскольку такие системы сохраняют радиальную совместимость таких колец, а также точную сбалансированность системы в широком диапазоне рабочих скоростей маховиковой системы накопления энергии.

Согласно аспекту настоящего изобретения, относящемуся к минимизирующей вибрацию системе отделения для вращающихся механизмов, изобретение также включает соединительное устройство, облегчающее преодоление вращающимся с ускорением телом критической частоты вращения, причем устройство включает пару сопрягаемых первой и второй частей тела, которые входят в контакт друг с другом, когда тело неподвижно. Устройство также включает средство для упругого соединения второй части с первой частью для облегчения продолжения ее вращения по существу как единое целое, когда вторая часть отходит от первой части под воздействием центробежной силы при скорости вращения, которая ниже критической частоты вращения. Предпочтительно, две части входят в контакт друг с другом с плотной посадкой, когда тело неподвижно и находится при комнатной температуре. Кроме того, предпочтительно, чтобы сопрягаемые поверхности были обращены друг к другу, когда вторая часть движется в радиальном направлении от первой части в результате воздействия центробежной силы при скорости вращения, которая ниже критической частоты.

Согласно аспекту изобретения, относящемуся к отделению для минимизации вибрации, также предложен способ ускорения вращения тела с преодолением критической частоты вращения, причем тело имеет вторую часть, стремящуюся отделяться от первой части при угловой скорости вращения тела, которая ниже критической частоты. Способ включает обеспечение возможности отделения второй части от первой части под воздействием центробежной силы при скорости вращения, которая ниже критической частоты, благодаря чему уменьшается эффективная масса вращающегося тела и устанавливается новая критическая частота для вращающегося тела, которая по существу понижена относительно первоначальной критической частоты; предпочтительно, вторая часть, в таком случае, соединена с первой частью только эластичным элементом, благодаря чему повышается эффективная податливость подшипниковой опоры вращающегося тела. Способ, при необходимости, также предусматривает поддержание эластичного соединения между первой и второй частями для облегчения по существу совместного их вращения с одной скоростью, но с разными моментами количества движения. При необходимости, способ может также включать операцию самостоятельного смещения второй части радиально-внутрь для вхождения в контакт друг с другом обращенных друг к другу поверхностей первой и второй частей, когда тело находится в состоянии покоя и при температуре окружающей среды.

Аспект изобретения, относящийся к минимизирующей вибрацию отделяющей системе ротора, применим не только в маховиковых системах накопления энергии типа, к которому в широком смысле относится изобретение, но также к другим вращающимся с высокой скоростью механизмам, таким как газотурбинные двигатели, генераторы электроэнергии и т.п. Кроме того, в объем настоящего изобретения, в отношении минимизирующего вибрацию отделяющего устройства ротора и способа отсоединения, входит включение в систему некоторого демпфирования. Это может быть осуществлено посредством внесения модификаций в описанное здесь базовое устройство, например, посредством использования полностью уплотненной, заполненной вязкой жидкостью полости в устройстве и определения района отделения в пределах тела при угловом ускорении, или посредством использования эластомерных границ раздела в полости тела для обеспечения требуемого демпфирования. Эти подходы совместимы с требованиями вакуумной среды высокоскоростной маховиковой системы накопления энергии и другого оборудования, требующего незагрязняющих рабочих сред, когда такие узлы полностью уплотнены.

В дополнение к желательным характеристикам таких изолирующих от вибрации отделяющих систем для высокоскоростного ротора любого типа, такие системы в равной степени применимы для любого типа подшипников и системы смазки, включая масляный туман, циркуляцию масла и системы с консистентной смазкой и с твердым смазочным материалом.

Кроме того, минимизирующая вибрацию отделяющая система для вращающихся механизмов предусматривает использование такой системы и подходов, соответствующих настоящему изобретению, в системах, где должны передаваться высокие вращающие моменты, и центробежные нагрузки неадекватны или могут быть неадекватными; в этих случаях можно использовать шлицевое или некруглое кулачковое установочное средство для обеспечения необходимого отделения и следующей из этого значительно улучшенной устойчивости системы. Эти варианты применения наиболее вероятны в узлах непосредственной сборки ротора и вала, когда радиальное расстояние до границы их стыка невелико.

В любой из конфигураций выполнения минимизирующей вибрацию отделяющей системы ротора, входящей в объем настоящего изобретения, предпочтительно, в роторный узел устанавливают эластичный элемент и, следовательно, он не подвергается воздействию циклических нагрузок с частотой вращения.

Согласно одному аспекту изобретения ротор средства для избирательного вращения маховика при подаче электроэнергии или для выработки электроэнергии за счет его вращения маховиком может быть в форме удлиненного в осевом направлении корпуса, который включает внешнюю цилиндрическую центральную часть, внутри которой установлены постоянные магниты, внутреннюю цилиндрическую центральную часть, соединенную с вращающимся валом, и торцевую часть, соединяющую внутреннюю и внешнюю цилиндрические центральные части для облегчения продолжения совместного вращения внешней цилиндрической центральной части с маховиком, когда частота вращения маховика и вала приближается к частоте, при которой маховик отделяется от вала. Предпочтительно, торцевая часть закруглена. Также предпочтительно, промежуточная часть между оконечными частями тоньше, чем внутренняя и внешняя цилиндрические центральные части. Также предпочтительно, маховик может быть установлен на внешнюю поверхность центральной цилиндрической части корпуса.

Корпус может иметь удлиненные в осевом направлении пазы между соседними постоянными магнитами. Предпочтительно, пазы находятся в цилиндрической части корпуса. Оконечности пазов могут находиться в осевом направлении ближе к центру устройства, чем оконечности постоянных магнитов. Некоторые из пазов могут находиться в одинаковых угловых местоположениях и могут быть выровнены по оси. Оконечности некоторых пазов могут находиться в осевом направлении дальше от центра устройства, чем оконечности постоянных магнитов.

- КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ -

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ИЗОБРЕТЕНИЯ И ЛУЧШИЙ ИЗВЕСТНЫЙ СПОСОБ
ЕГО ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ

На чертежах в целом и, в частности, на фиг.1 показана маховиковая система накопления энергии, демонстрирующая аспекты изобретения, причем первый предпочтительный вариант осуществления изобретения показан в целом на фиг.1 и обозначен в целом номером 10. Маховиковая система 10 накопления энергии включает маховик, который в целом обозначен номером 12, электродвигатель-генератор, который обозначен в целом номером 14 и который образует средство для избирательного вращения маховика 12, реагируя на подачу электрической энергии электродвигателю-генератору 14, или для выработки электрической энергии за счет вращения роторной части электродвигателя-генератора 14 маховиком 12.

Маховиковая система 10 накопления энергии также включает вал, обозначенный в целом номером 16, который является неподвижным в варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.1, и вокруг которого вращаются маховик 12 и вращающаяся часть электродвигателя-генератора 14, названная ротором.

Маховиковая система 10 накопления энергии, предпочтительно, также включает вакуумную камеру, обозначенную в целом номером 18 на фиг.1. Маховик 12, электродвигатель-генератор 14 и вал 16, предпочтительно, заключены в вакуумную камеру 18. В вакуумную камеру 18 и из нее проведены пригодные электрические соединения для подачи электрической энергии электродвигателю-генератору 14 для приведения в действие электродвигателя-генератора 14 и сообщения ускорения маховику 12 до достижения высокой скорости вращения для накопления им энергии. Подобным образом, предусмотрены электрические соединения, проведенные от электродвигателя-генератора 14, действующие, когда электродвигатель-генератор 14 работает как генератор электроэнергии, будучи приводимым в действие маховиком 12. Конечно, предусмотрены пригодные средства управления электродвигателем-генератором 14. Эти электрические соединения и средства управления электродвигателя-генератора 14 не показаны на фиг.1 для большей наглядности чертежа.

Предпочтительно, маховик 12 включает ступицу 20 и обод 22, соединенный со ступицей 20 спицами, не показанными на фиг.1, которые образуют жесткое структурное соединение между ступицей 20 и ободом 22.

На ободе 22 установлено кольцо, обозначенное в целом номером 26 и названное здесь двойным кольцом. Кольцо 26 является двойным в том смысле, что оно, предпочтительно, включает внутреннюю или первую круглую кольцевую часть 28, установленную непосредственно на обод 22, и внешнюю или вторую кольцевую часть 30, установленную на внешнюю периферийную поверхность внутреннего кольца 28 и соединенную с ним как его дополнение.

Внутреннюю или первую кольцевую часть 28, предпочтительно, устанавливают внутри второго кольца 30 способом сборки с использованием разности теплового расширения. В частности, кольцо 28 охлаждают для того, чтобы кольцо 28 сжалось. Затем узел устанавливают на обод 22, который, предпочтительно, выполнен из алюминия или алюминиевого сплава.

Когда нагрев и охлаждение завершены, обод 22 сажают внутрь двоичного кольца 26, и узлу дают охладиться до комнатной температуры. При комнатной температуре эти части находятся в состоянии посадки с натягом, и посадка с натягом плотно удерживает кольцо 26 на ободе 22. Такой же подход, предпочтительно, используют для сборки двойного кольца 26, состоящего из внутреннего кольца 28 и внешнего кольца 30. Подход с использованием разности теплового расширения при сборке дает получение плотного стыка 32 между ободом 22 и первой кольцевой частью 28, в котором существует избыточно высокое давление, прилагаемое ободом 22 к кольцу 28 и наоборот.

Маховик 12, а именно его ступичной частью 20, установлен на барабане 34, вращение которого относительно вала 16 облегчается подшипниковым узлами 36. Только некоторые из подшипниковых узлов 36 обозначены номерами на фиг.1 для наглядности чертежа. Отдельные компоненты подшипниковых узлов 36, такие как внутренние и внешние кольца подшипников не обозначены номерами на фиг.1 для наглядности чертежа. Эти детали показаны более подробно на других чертежах и обозначены на них номерами.

Барабан 34 имеет центральную ступичную часть 40. Внутри центральной ступичной части 40 расположена кольцевая втулка 38, которая соединена с внешними кольцами подшипниковых узлов 36 для вращения вместе с ними вокруг вала 16. Подшипниковые узлы 36 включают шарики 42 подшипников, внешние кольца 44 подшипников и внутренние кольца 46 подшипников. Эти подшипниковые узлы показаны более подробно на фиг.5, 6, 7, 8 и 9, но даже на этих фигурах не каждый из шариков 42 подшипников, внешних колец 44 подшипников и внутренних колец 46 подшипников обозначен номерами для наглядности чертежей.

Барабан 34 включает кольцевую выступающую часть 48, которая отступает вертикально вверх и совместно с постоянными магнитами 50 образует роторную часть электродвигателя-генератора 14, предназначенную для избирательного вращения маховика 12 при подаче электроэнергии или для выработки электроэнергии при его вращении маховиком 12. Постоянные магниты 50 установлены внутри кольцевого выступа и разнесены под определенными углами по его окружности.

В нижней части вакуумной камеры 18, создающей опору для неподвижного вала 16, расположен нижний вертикальный опорный элемент, обозначенный в целом номером 60. Соответствующий верхний вертикальный опорный элемент 62 также формирует часть вакуумной камеры 18 и совместно с нижним опорным элементом 60 удерживает вал 16 в вертикальном положении, как показано на фиг.1.

Нижний вертикальный опорный элемент 60 обеспечивает вертикальную поддержку для неподвижного круглого кольцевого магнита 58, который расположен так, что он создает магнитную силу, противодействующую магнитной силе, создаваемой вращающимся круглым кольцевым магнитом 56, установленным на нижней части уравновешивающей кольцевой части 122 барабана 34. Эти два магнита имеют одинаковую полярность и, таким образом, создают силы, противодействующие друг другу; это противодействие приводит к тому, что нижний вертикальный опорный элемент 60 эффективно удерживает вес вращающегося узла, состоящего из маховика 12 и вращающейся части электродвигателя-генератора 14, таким образом, освобождая подшипниковые узлы 36 от приема существенной осевой нагрузки, создаваемой весом маховика 12 и электродвигателя-генератора 14.

Верхний вертикальный опорный элемент 62 включает входной канал 64 для охлаждающей воды и выходной канал 66 для охлаждающей воды. Каналы 64, 66 соединены с кольцевой емкостью 68 для охлаждающей воды, сформированной внутри верхнего вертикального опорного элемента 62.

На радиально-наружной поверхности емкости 68 сформировано множество охлаждающих ребер 72. Эти охлаждающие ребра находятся в непосредственной близости к статорной части электродвигателя-генератора 14 и служат для передачи тепла, излучаемого статорной частью электродвигателя-генератора 14, охлаждающей жидкости за счет конвекции жидкости, предпочтительно, воде, содержащейся внутри кольцевой емкости 68 для охлаждающей воды в верхнем вертикальном опорном элементе 62.

Статорная часть электродвигателя-генератора 14 образована серией круглых колец 74, составленных вертикальным пакетом и входящих в контакт друг с другом плоскими поверхностями, причем кольца можно видеть на фиг.1, но они не разрезаны для наглядности чертежа. Кольца 74 соосны с валом 16, с осью вращения маховика 12 и с вращающейся частью электродвигателя-генератора 14. В круглых кольцах 74 сформированы вырезы для размещения в них обмотки 76 электродвигателя, как показано в целом на фиг.1.

Пакет круглых колец 74, формирующий часть статора электродвигателя-генератора 14 показан на фиг.10. Размещение обмоток 76 электродвигателя в вырезах, сформированных в круглых кольцах 74, показано на фиг.25.

Как лучше видно на фиг.10 и 25, статорная часть электродвигателя-генератора 14, который, предпочтительно, является бесщеточным электродвигателем-генератором постоянного тока "вывернутой" конфигурации с радиальным воздушным зазором, неподвижно соединена с валом 16 и включает множество соосных, входящих в контакт друг с другом круглых колец 74. Каждое кольцо 74 имеет серию разнесенных по окружности сквозных вырезов вблизи периферийной окружности кольца, которые не обозначены номером на фиг.10 и 25. Вырезы в кольцах или кольце 74 имеют по существу прямоугольную форму в плоскости каждого кольца. Каждый вырез сообщается с периферийной поверхностью кольца радиальным каналом, сформированным в периферийной части кольца. Вырезы и каналы, сформированные в кольцах 74, совмещены в осевом направлении, при этом кольца имеют центральные отверстия и, как показано на фиг.1, расположены соосно с маховиком 12.

Обмотки 76 занимают прямоугольные вырезы, соединяют их между собой и проходят по всей осевой длине пакета соосных и входящих в контакт между собой колец 74. На фиг.10 один из прямоугольных вырезов обозначен в целом номером 126. Один из каналов, которым прямоугольные вырезы 126 сообщаются с периферийной поверхностью кольца и, следовательно, с внешней поверхностью статора, обозначен номером 128 на фиг.10. Периферийная поверхность одного кольца или колец 74 обозначена номером 130 на фиг.10.

На фиг.10 также показаны два постоянных магнита 50, образующих часть ротора электродвигателя-генератора 14.

Возвращаясь к фиг.1, отметим, что нижний вертикальный опорный элемент 60 не только удерживает вес вращающегося маховика и вращающейся части электродвигателя-генератора 14, но нижний вертикальный опорный элемент 60 дополнительно удерживает в себе вал 16 и предотвращает его вращение.

Как показано на фиг.1, вал 16 включает центральный канал 132, открытый в нижней части вала 16. Этот центральный канал 132 предназначен для подачи охлаждающей текучей среды, предпочтительно - жидкости, и наиболее предпочтительно - воды внутрь вала 16. Предпочтительно, канал 132 внутри вала 16 проходит в осевом направлении по длине вала 16 таким образом, чтобы он проходил в непосредственной близости от нижнего и верхнего подшипниковых узлов 36. Наличие охлаждающей жидкости, предпочтительно, воды в канале 132 внутри вала 16 обеспечивает отвод тепла, генерируемого в подшипниковых узлах 36, когда маховик 12 и вращающаяся часть электродвигателя-генератора 14 вращаются с избыточно высокой скоростью.

Вокруг внутреннего пространства вакуумной камеры 18 проходит формирующее ее часть кольцевое аварийное защитное средство 94. Как показано на фиг.1, аварийное защитное средство 94, предпочтительно, проходит по вертикали выше и ниже оконечностей маховика 12 в вертикальном направлении таким образом, что при любом повреждении маховика 12 или опорной конструкции маховика 12, когда центробежная сила стремится выбрасывать маховик 12 или его части в радиальном направлении наружу, эти части будут сталкиваться с аварийным защитным средством 94 и удерживаться внутри вакуумной камеры 18 при вхождении в контакт с ним.

На внешнюю резьбу, сформированную на внешней поверхности оконечности кольцевой втулки 38, навинчена гайка 116 с внутренней резьбой, приспособленная под накидной ключ. Подобно гайке 106 под накидной ключ, расположенной на верхней оконечности кольцевой втулки 38, четвертая гайка 116 под накидной ключ может быть снабжена либо выступающей в осевом направлении частью 118, либо может упираться в регулировочную прокладку, имеющую такую же конфигурацию, как и у осевого выступа 118, для упора, с удерживанием ее на месте, во вторую кольцевую прокладку 120, которая находится в выемке, образованной обращенным вниз уступом, сформированным в центральной ступице 40, и обращенной радиально-наружу поверхностью кольцевой втулки 38. Эта выемка показана на фиг.2.

В ходе работы маховиковой системы накопления энергии, соответствующей изобретению, когда маховик и вращающаяся часть электродвигателя-генератора вращаются с угловым ускорением, центробежная сила маховика стремится растягивать маховик наружу. Когда маховик и вращающаяся часть электродвигателя-генератора продолжают вращаться, частота указанных компонентов приближается к критической резонансной частоте, при которой возникает вибрация с крайне высокой амплитудой.

В маховиковых системах накопления энергии, соответствующих настоящему изобретению, центробежная сила, воздействующая на вращающиеся части, вызывает отделение центральной ступицы 40 маховика от кольцевой втулки 38 в районе контакта между ними. Это явление показано на фиг.6, 7, 8 и 9. В частности, на фиг.6 и 8 маховиковая система накопления энергии, соответствующая настоящему изобретению, показана в состоянии, когда центральная ступица маховика 40 входит в поверхностный контакт с кольцевой втулкой 38. Это является конфигурацией кольцевой втулки 38 и центральной ступицы 40 при скоростях, которые значительно ниже скоростей, вызывающих критическую или резонансную частоту.

На фиг.7 и 9 показана маховиковая система накопления энергии и, в частности, кольцевая втулка 38 и центральная ступица 40 с небольшим пространством или зазором, сформированным между ними, когда центральная ступица 40 отошла радиально-наружу от кольцевой втулки 38. Первая и вторая кольцевые прокладки 110, 120 образуют непрерывное эластичное соединение между внутренним вращающимся элементом, образованным кольцевой втулкой 38 и внешними кольцами верхнего и нижнего подшипниковых узлов 36, и внешним вращающимся элементом, образованным барабаном 34, маховиком 12 и соединенными с ними частями.

Когда происходит отделение, как показано на фиг.7 и 9, уменьшенная жесткость пружины в опорной подшипниковой системе для вращающегося узла, образуемого барабаном 34 и маховиком 12 и частями, вращающимися совместно с ними, имеет критическую частоту, которая падает относительно критической частоты вращающихся частей, когда барабан 34 и маховик 12 находились в состоянии плотного вхождения в контакт с втулкой 38. Когда образуется воздушный зазор, уплотнительные кольца составляют единственное соединение между кольцевой втулкой 38 и центральной ступицей 40 барабана 34, благодаря чему критическая скорость вращающегося узла, образованного барабаном 34 и маховиком 12 и частями, жестко соединенными с ним и вращающимися совместно с ним, и критическая скорость вращающегося узла, образованного кольцевой втулкой 38 и внешними кольцами верхнего и нижнего подшипниковых узлов 36, падает до уровня, который ниже соответствующих скоростей вращения этих двух узлов. Первое и второе уплотнительные кольца 110, 120, по существу не несущие нагрузки и образующие эластомерное соединение между внутренним и внешним вращающимися узлами, имеют очень продолжительный срок службы.

Барабан 34 также включает балансировочное кольцо 122, расположенное на его нижней оконечности. Балансировочное кольцо 122 содержит вращающийся круглый кольцевой магнит 56 и входит в резьбовое соединение с нижней частью центральной ступицы 40, как показано на фиг.1.

Балансировочное кольцо 122 снабжено балансировочными винтами, не показанными на фиг.1, которые облегчают динамическую балансировку собранного ротора. Коническая шайба 124 удерживает балансировочное кольцо 122 на месте при существенном поперечном смещении Пуассона, происходящем в результате центробежного расширения всех вращающихся частей, образующих барабан 34 и маховик 12.

Маховиковые системы накопления энергии, соответствующие изобретению, развивают высокую удельную мощность в пределах 5-8 киловатт на килограмм веса системы. Устройства обеспечивают короткое время зарядки, составляющее одну-две минуты для импульсных источников питания. Относительно систем, являющихся вариантами осуществления изобретения, ожидается длительный срок их службы, составляющий от десяти до двадцати лет. В вариантах маховиковых систем накопления энергии с высокой удельной энергией системы будут выдавать от около 80 до около 100 ватт-часов на килограмм в течение 100000 энергетических циклов. Эффективность возврата энергии системы превышает 90%.

Типичные рабочие параметры и размеры маховиковых систем накопления энергии, представляющих варианты осуществления изобретения, приведены в Таблице 1.

Предпочтительным вариантом конструкции кольца маховика маховиковой системы накопления энергии является двойная конструкция с использованием многослойных материалов. Желательно, чтобы внутреннее кольцо было выполнено из эпоксистеклопластика на основе диоксида кремния, тогда как внешнее кольцо желательно выполнять из эпоксикарбопласта. Предпочтительно, ступицу кольца выполняют из алюминия марки 7075-Т651. Маховик рассчитан на работу со скоростью 30000 об/мин в течение 100000 циклов работы системы. Предельная скорость вращения маховика до повреждения превышает 50000 об/мин. Система может работать в температурном диапазоне от -40°С до +80°С, выдавая расчетную мощность 40 киловатт.

Типичный диаметр маховика составляет около 15 1/2 дюймов, толщина в осевом направлении составляет около 3 1/2 и рабочий объем маховика составляет около 660 кубических дюймов. Типичные технические данные для различных маховиковых систем накопления энергии, представляющих варианты осуществления изобретения в разных размерах, представлены в Таблице 1.

Другой вариант выполнения маховиковой системы накопления энергии, в котором осуществлены аспекты настоящего изобретения, показан на фиг.4, где маховиковая система накопления энергии обозначена в целом номером 410 и включает маховик, обозначенный в целом номером 412, электродвигатель-генератор, обозначенный в целом номером 414, и вал, обозначенный в целом номером 416. В варианте выполнения маховиковой системы накопления энергии, показанном на фиг.4, вал 416 вращается. Это представляет отличие от варианта выполнения маховиковой системы накопления энергии, показанного на фиг.1 и 2, в котором вал неподвижный, и маховик и части электродвигателя-генератора вращаются вокруг неподвижного вала.

Как показано на фиг.4, электродвигатель-генератор 414 включает статор, обозначенный в целом номером 418, и ротор, обозначенный в целом номером 420, причем ротор 420 неподвижно соединен с валом 416 и расположен концентрически внутри статора 418 и отнесен от него в радиальном направлении. Ротор 420 включает множество удлиненных в осевом направлении постоянных магнитов, один из которых показан на фиг.4 и обозначен в целом номером 450, которые разнесены по внешней окружности ротора 420 и обращены к статору 418.

Вал 416 включает осевой канал 490, который суживается внутри вала 416. Как показано на фиг.4, осевой канал 490 имеет относительно большой диаметр на левой стороне на фиг.4 и суживается до относительно небольшого диаметра на правой стороне на фиг.4. Наименьший диаметр канала 490 находится вблизи конца вала 416.

Внутри осевого канала 490 находится теплообменная жидкость, предпочтительно, вода, обозначенная номером 422 на фиг.4. Жидкость служит для теплообмена вдоль осевой длины суживающегося канала 490 за счет испарения в районе канала 490 с большим диаметром, находящемся слева на фиг.4, и конденсации в районе канала 490 с меньшим диаметром, находящемся справа на фиг.4.

Маховиковая система накопления энергии, обозначенная в целом номером 410 на фиг.4, предпочтительно, включает вакуумную камеру, аналогичную вакуумной камере 18, показанной на фиг.1, окружающую, по меньшей мере, вал 416, маховик 412 и электродвигатель-генератор 414, для создания требуемой высоковакуумной среды для минимизации генерирования тепла и потерь на трение при вращении маховика 412. На фиг.4 вакуумная камера не показана для наглядности чертежа.

Маховиковая система 410 накопления энергии также включает подшипниковый узел, обозначенный в целом номером 436 на фиг.4, облегчающий вращение вала 416, маховика 412 и ротора 420 электродвигателя-генератора 414 вокруг оси. Как схематически показано на фиг.4, подшипниковый узел 436 включает внутреннее кольцо 446, внешнее кольцо 444 и множество шариков 442 подшипника.

Как показано на фиг.4, используют маховик 412, имеющий конструкцию, тип которой отличается от конструкции маховика, показанного на фиг.1. Конечно, конструкцию маховика, показанную на фиг.1, можно использовать в устройстве, показанном на фиг.4, и наоборот.

Маховик 412 включает множество несвязанных колец 424 непрерывной нити, выполненной из струнной проволоки или других недорогих нитевидных материалов. Несвязанные нити в кольцах 424 покрыты твердым смазочным материалом в ходе операций намотки для предотвращения повреждения поверхности нитей в результате трения друг о друга при центробежном растяжении и сжатии, когда ротор работает в диапазоне скоростей вращения, требуемых для высокоскоростных маховиковых систем накопления энергии. Предпочтительно, кольца 424 удерживаются в кольце 426 чашеобразного сечения, сформированном снаружи от ступицы ротора 428. В альтернативном варианте, вокруг колец 424 нитей можно располагать несколько лент, связывающих кольца 424 нитей между собой в локальных районах. Эти ленты можно использовать вместо кольца 426 чашеобразного сечения, показанного на фиг.4. Эта конструкция особенно пригодна для больших маховиковых систем накопления энергии, работающих при сравнительно низких скоростях, по сравнению с теми, которых можно достигать с использованием маховика 12 из композиционного материала, показанного в целом на фиг.1.

Как показано на фиг.4, ротор 420 электродвигателя-генератора 414 имеет постоянные магниты 450, установленные на валу 416 при помощи пластинчатого сердечника 430. Постоянные магниты 450 могут удерживаться на месте внешней оберткой из композиционного, желательно, графитового материала. Пластинчатый сердечник 430 может быть сформирован из серии круглых колец, подобных кольцам, используемым в качестве части статора маховиковой системы накопления энергии, показанной на фиг.1, показанным на фиг.10 и 11, но без вырезов для обмотки.

Ступицу 428 маховика, предпочтительно, соединяют с вращающимся валом 416 при помощи вулканизированного эластомерного элемента 432. Такой эластомерный элемент образует соединение между ступицей 428 и валом 416, когда ступица 428 отходит от вала 416 при увеличении углового ускорения. Эта система подобна описанной выше со ссылками на фиг.1, 5, 6, 7, 8 и 9 и облегчает отрыв ступицы ротора 428 от вала 416 центробежной силой на поверхности 434, которая является граничной поверхностью между ступицей 428 и валом 416. Такой центробежный отрыв уменьшает остаточные несбалансированные нагрузки, которые могли бы, в противном случае, воздействовать на подшипниковые узлы 436 в результате вращения маховика 412 и ротора 420 электродвигателя-генератора 414.

Осевой канал 490 герметично уплотнен внутри вала 416 и совместно с теплообменной жидкостью 422 образует автономную вращающуюся теплоотводящую трубку, обеспечивающую тепловой баланс маховиковой системы накопления энергии, показанной на фиг.4.

При вращении маховика теплообменная текучая среда 422 закипает и испаряется в результате генерирования тепла подшипниковыми узлами 436 и ротором 420 электродвигателя-генератора 414. Кипение происходит на конце большего диаметра суживающегося канала 490, обозначенном буквой "L" на фиг.4. Получаемая газообразная фаза теплообменной текучей среды проходит в конец меньшего диаметра суживающегося канала 490, обозначенный на чертеже буквой S. В конце меньшего диаметра парообразная фаза теплообменной текучей среды 422 конденсируется в результате потери тепла внутри вала 416 в конце суживающегося канала 490 меньшего диаметра. Этот конец суживающегося канала 490 внутри вала 416 поддерживается под более низкой температурой, чем остальная часть суживающегося канала 490, в результате применения охлаждающих ребер 440, расположенных в непосредственной близости к району S суживающегося канала 490 и отступающих в радиальном направлении от вала 416.

Когда теплообменная текучая среда конденсируется обратно в жидкую фазу, жидкость течет под действием центробежной силы в осевом направлении вдоль стенки суживающегося канала 490 от района S меньшего диаметра в район L большего диаметра, где теплообменный цикл начинается снова. В результате применения теплообменной трубки внутри вала 416 эффективная теплопроводность вала 416 существенно повышается.

Охлаждающие ребра 438, отступающие в радиальном направлении от вала 416, предпочтительно, находятся внутри промежутков между теплообменными ребрами 440 комплекта неподвижных охватывающих ребер. Предпочтительно, эти ребра отступают от внутренней стороны вакуумной камеры 448 и, предпочтительно, составляют единое целое с вакуумной камерой 448 таким образом, что может достигаться естественное, автономное охлаждение всей маховиковой системы накопления энергии.

Хотя был показан только один конец вала 416, следует понимать, что, предпочтительно, внутри вала 416 выполняют две теплообменные трубки для охлаждения подшипниковых узлов 436, расположенных на каждой стороне маховика 412 в осевом направлении.

Для обеспечения необходимого конвекционного охлаждения, обеспечиваемого окружающим воздухом, для сброса тепла, генерируемого внутри вакуумной камеры 448 при работе маховиковой системы накопления энергии, вакуумную камеру, предпочтительно, снабжают множеством отдельных ребер 452 конвекционного охлаждения, расположенных в непосредственной близости к вторичным охлаждающим ребрам 440 таким образом, чтобы тепло, принимаемое вторичными охлаждающими ребрами 440, могло проводиться через конструкцию вакуумной камеры 448 и передаваться посредством конвекции в окружающую среду ребрами 452 конвекционного охлаждения.

Хотя это не показано на фиг.4, статор 418 может быть такого же типа и может иметь такую же конструкцию, как показано на фиг.1, 10 и 11.

На фиг.5 показан еще один вариант выполнения маховиковой системы накопления энергии, демонстрирующий аспекты настоящего изобретения, в котором маховиковая система накопления энергии обозначена в целом номером 510. Маховиковая система накопления энергии включает маховик, обозначенный в целом номером 512, электродвигатель-генератор, обозначенный в целом номером 514, неподвижный вал, обозначенный в целом номером 516, и вакуумную камеру, обозначенную в целом номером 518, окружающую все указанные компоненты системы.

В варианте выполнения маховиковой системы накопления энергии, показанной на фиг.5, маховик 512 имеет внутреннюю кольцевую часть 520 и внешнюю кольцевую часть 522, которые аналогичны внутренней и внешней кольцевым частям 28, 30 маховика 12, показанного на фиг.1.

Чашеобразный элемент, обозначенный в целом номером 524 на фиг.5, работает как ступица, удерживающая маховик 512, а также несущая постоянные магниты 526 при вращении чашеобразного элемента 524; следовательно, чашеобразный элемент также работает как роторная часть электродвигателя-генератора 514. Чашеобразный элемент 524 имеет проходящую в осевом направлении внешнюю цилиндрическую часть 528, на внутренней стороне которой установлены постоянные магниты 526.

Чашеобразный элемент 524 также включает внутреннюю цилиндрическую часть, обозначенную номером 530 на фиг.5, посаженную на имеющую соответствующие размеры внутреннюю втулку 532, которая вращается вокруг вала 516 при помощи подшипниковых узлов, обозначенных в целом номером 534 на фиг.5. Внешняя и внутренняя цилиндрические части 528, 530, соответственно, чашеобразного элемента 524 соединяются по существу закрытой закругленной торцевой частью 536.

Когда маховику 512 сообщается угловое ускорение, цилиндрическая часть 528, прикрепленная к маховику 512, под действием центробежной силы стремится смещаться радиально-наружу относительно внутренней цилиндрической части 530 и вала 516 и отделяться от них в радиальном направлении. Отделение происходит между внутренней втулкой 532 и чашеобразным кольцом 517, когда чашеобразное кольцо отходит от внутренней втулки 532 под действием центробежной силы при увеличении углового ускорения. Внутренняя цилиндрическая часть 530 включает тонкий элемент, который действует как упругое соединение между более тяжелой частью внутренней цилиндрической части 530, причем указанная более тяжелая часть прикреплена к внутренней втулке 532 и обозначена номером 519 на фиг.5, и закругленной закрытой торцевой частью 536. Следовательно, тонкая цилиндрическая часть 519 внутренней цилиндрической части 530, хотя она и выполнена из металла, обеспечивает непрерывное соединение между отделенными вращающимися элементами и выполняет такую же функцию, как уплотнительные кольца, показанные на фиг.1, 2, 6, 7, 8 и 9 и описанные выше.

Внешняя цилиндрическая часть 528 удерживает постоянные магниты 526. Учитывая выполнение такой функции, внешнюю цилиндрическую часть можно назвать "сердечником", поскольку внешняя цилиндрическая часть выполняет функцию ротора электродвигателя-генератора 514.

Предпочтительно, внешнюю цилиндрическую часть или сердечник 528 выполняют из железного сплава, и, предпочтительно, она разделена прорезями 538 на сегменты 540, расположенные сзади от каждого постоянного магнита и удерживающие их. Предпочтительно, чашеобразный элемент 524 имеет удлиненные в осевом направлении прорези между соседними постоянными магнитами 526, выполненные во внешней цилиндрической части 528. Оконечности прорезей 538 могут находиться в осевом направлении ближе к середине устройства, чем оконечности постоянных магнитов 526. Некоторые прорези 538 могут находиться в одинаковых угловых местоположениях и, таким образом, могут быть выровнены по оси.

В альтернативной конфигурации, оконечности, по меньшей мере, части прорезей 538 находятся в осевом направлении дальше от середины устройства, чем оконечности постоянных магнитов 526. Следовательно, внешняя цилиндрическая часть 528 может быть разделена на сегменты непрерывными прорезями 538, или может быть разделена лишь частично на сегменты прорезями 538, проходящими менее чем по всей осевой длине внешней цилиндрической части 528.

Предпочтительно, внешнюю цилиндрическую часть 528 чашеобразного элемента 524 устанавливают с сильным натягом в отверстие внутренней кольцевой части 520 маховика 512 таким образом, что в собранном состоянии зазоры, образованные прорезями 538, оказываются закрытыми. Когда вращение маховика 512 ускоряется, и его скорость повышается, прорези 538 открываются при избранной расчетной скорости и образуют зазоры, показанные на фиг.5. Переход от плотно сжатого состояния внешней цилиндрической части 528 с вхождением в контакт между собой районов, которые показаны, как образующие границы прорезей 538 на фиг.5, к конфигурации, показанной на фиг.5, при увеличенной скорости вращения является важным фактором, поскольку магнитный поток постоянных магнитов 526 легко пересекает кромки, ограничивающие прорези 528, когда эти кромки входят в контакт друг с другом, но значительно менее легко пересекает их, когда прорези 538 открываются. Это создает в значительной степени полезный эффект ослабления магнитного поля в статорной части электродвигателя-генератора 514. Этот эффект возникает даже когда реактивный синхронный электродвигатель заменяет конструкцию, показанную на фиг.5. Такая замена уменьшает центробежную силу, воздействующую на маховик, благодаря исключению вращающихся магнитов.

Тепловой баланс маховиковой системы накопления энергии, показанной на фиг.5, улучшается благодаря наличию охлаждающих ребер 542, выполненных как единое целое с вакуумной камерой 518, которая, в свою очередь, находится в тепловом контакте как с валом 516, так и со статорной частью электродвигателя-генератора 514. Наиболее желательно, чтобы все электрические соединения были проведены сквозь концы неподвижного вала 516, который, предпочтительно, выходит из вакуумной камеры 518, как показано на фиг.5, таким образом, что не требуется сквозных соединений под вакуумом.

На фиг.21 показана неподвижная система охлаждения с теплоотводящей трубкой для маховиковых систем накопления энергии с неподвижным вертикальным валом, показанных на фиг.1 и 3, в которой бойлер или испаритель 192, расположенный внутри вала электродвигателя, который, в свою очередь, установлен внутри ротора электродвигателя с его постоянными магнитами, извлекает тепло из статора и подшипников. Пар из испарителя 192 поднимается вверх к кондиционеру 194, охлаждается конвекционными ребрами, откуда конденсированная жидкость капает под действием силы тяжести назад в бойлер, и цикл повторяется снова.

На фиг.10 и 25 подробно показана конструкция для компактных, высокоэффективных статоров электродвигателей-генераторов для маховиковых систем накопления энергии, работающих в широком диапазоне высоких скоростей. Множество очень тонких пластинчатых колец 74, выполненных из металлического сплава, с зубчатой конфигурацией на периферийной кромке для получения минимальной зубчатости и максимальной эффективности составлены пакетом и частично образуют статор, вокруг которого на роторе вращаются постоянные магниты 50. Обмотки 76 статора, как показано на фиг.25, целиком заполняют все пространства, ограниченные зубчатыми перегородками, и они намотаны для обеспечения максимальной эффективности и удельной мощности завершенной системы.

Возвращаясь к фиг.1, отметим, что показана маховиковая система накопления энергии, соответствующая аспектам настоящего изобретения, причем система включает предварительно напряженное, армированное намотанным волокном, двойное кольцо 26 из композиционного материала, установленное на ступицу 20 с гибким ободом, которая, в свою очередь, установлена горячей посадкой на узел барабанного ротора, показанный более подробно на фиг.2, 6, 7, 8 и 9. Этот узел барабанного ротора содержит "вывернутый" бесщеточный электродвигатель-генератор 14 постоянного тока с радиальным воздушным зазором, в котором вращающиеся постоянные магниты 50 установлены внутри вращающегося барабанного ротора 34, и неподвижная обмотка на статоре находится на верхнем конце неподвижного вала 16. Таким образом, водяное охлаждение обмотки обеспечивается внутренними каналами между ребрами, образующими внутреннюю кольцевую емкость 68 для охлаждающей воды, питаемую через соединения, подведенные снаружи от вакуумной камеры 18.

Подобным образом, водяное охлаждение гибридно-керамических, радиально-упорных шарикоподшипниковых узлов 36 с сепараторами специальной конструкции и с твердой консистентной смазкой низкой летучести может осуществляться через фитинги снаружи от вакуумной камеры 18 с нижней стороны узла, причем воду подают по каналу 132 внутри вала 16 таким образом, что эта вода для охлаждения подшипников циркулирует равномерно вблизи как верхнего, так и нижнего подшипников 36 узла.

Предпочтительно, в узел встроена система 54 постоянных магнитов, в которой отталкивание между вращающимся кольцевым магнитом 56 и неподвижным магнитом 58, который может быть снабжен промежуточной пластинчатой прокладкой (не показана на чертежах), обеспечивающей снижение потерь мощности в этих магнитах, удерживает полный вес ротора таким образом, что подшипниковые узлы 36 подвергаются воздействию только их предварительного натяга. Предварительный натяг подшипников обеспечивается множеством спиральных пружин 84 в кассете 82, которая скользит с небольшим зазором на валу 16 и в которой находится совместимая с вакуумом смазка, при этом кассета 82 закреплена клином (который не показан) на валу 16. Это предотвращает разрушительный износ и истирание поверхностей кассеты/вала при высоких скоростях вращения ротора и неустранимые остаточные вибрации в маховиковой системе накопления энергии.

Внутри вакуумной камеры 18, показанной на фиг.1, установлено аварийное защитное средство 94 для защиты от кольца маховика, предпочтительно, выполненное из стали или легкого сверхпрочного армированного волокном композиционного материала, предназначенное для защиты в случае повреждения кольца. На вакуумной камере 18 также установлены изготовленные, например, из алюминия с возможным наложением композиционного материала, верхний вертикальный опорный элемент 62, охватывающий обмотку электродвигателя в верхней части вакуумной камеры 18, и нижний вертикальный опорный элемент 60, образующий неподвижную ступицу в нижней части, при этом оба элемента удерживают концы неподвижного вала 16.

Пружины 84 для предварительного натяга подшипника удерживаются в их кассете 82 зажимной гайкой или колпачком 82 на неподвижном валу 16 таким образом, что эта кассета прижимается к верхнему несущему внутреннему кольцу 134. Уступ на валу 16 имеет такие размеры, чтобы зажимная гайка или колпачок 82 был посажен на этот уступ, оставляя небольшой зазор 136 между зажимной гайкой и уступом. Этот зазор действует как стопор для кассеты 82 в случае, когда внутреннее кольцо 134 толкает вверх воздействующая на подшипники случайная высокая радиальная нагрузка при нарушении балансировки, и, таким образом, предотвращает избыточное, потенциально разрушительное отделение в осевом направлении двух внутренних колец подшипников.

Внутри вакуумной камеры расположен газопоглотитель 25 для поглощения любых остаточных газов после создания вакуума, требуемого для уменьшения сопротивления воздуха и нагрева кольца маховика до осуществимых уровней, благодаря чему вакуумный насос может быть отсоединен, и высокий вакуум поддерживается в течение расчетного срока службы маховиковой системы накопления энергии.

Вся камера 18 с нижним вертикальным опорным элементом 60, образующим неподвижную ступицу, с аварийным защитным средством 94 и статором электродвигателя-генератора может удерживаться либо карданными шарнирами, либо мягкими эластомерными кольцами, которые не показаны, для отклонения с целью минимизации нагрузок на подшипники от гироскопического маневрирования, когда маховиковую систему накопления энергии используют в вертикальных вариантах применения. Для стационарных электростанций или энергетических установок непрерывного действия, для установки этого узла можно использовать стандартные подвески промышленных двигателей с признаками отказобезопасности для поглощения в легкой форме любой кинетической энергии маховика в случае повреждения любого компонента в ходе работы, как описано ниже.

Как показано на фиг.22, опорная система 201 ротора, которая по существу подобна конструкции, показанной на фиг.1, используется как в верхней, так и в нижней частях, стянутых в осевом направлении при помощи соединения опорного элемента 202 ротора с каждым концом непрерывной трубы 203, на которой составлено пакетом множество (на фиг.22 показано пять) двоичных колец 204 маховика из композиционного материала, подобных показанным на фиг.1. Таким образом, базовая устойчивость устройства, показанного на фиг.1, используется для создания маховиковой системы накопления энергии, имеющей повышенную аккумулирующую способность. На фиг.22 электродвигатель-генератор показан лишь частично для иллюстрации частей, которые отличаются от частей электродвигателя-генератора, показанного на фиг.1. Ротор 205 электродвигателя-генератора, показанный на фиг.22, в этом варианте осуществления изобретения выполнен в ребристой конфигурации для обеспечения радиационного охлаждения этого ротора в вакуумной среде. Внутри вакуумной камеры расположены имеющие сопрягаемую конфигурацию выступающие внутрь ребристые элементы (которые не показаны на фиг.2, но показаны на фиг.3 и описаны ниже) для захвата тепла, излучаемого ребристой частью ротора 205.

Как показано на фиг.22, над верхней ступицей маховика и под нижней ступицей маховика, соответственно, расположены два кольцевых ряда балансировочных винтов 206 для облегчения динамической балансировки собранного ротора. Конические шайбы 207 на небольших суживающихся концах обеих ступиц маховика удерживают эти ступицы на месте при существенных поперечных смещениях Пуассона от центробежного расширения этих ступиц. Направляющая втулка 208 удерживает верхнюю половину с точным совмещением с нижней половиной ротора, причем между указанными половинами между их сопрягаемыми поверхностями 209 установлен определенный зазор посредством регулировки прокладкой при тепловой сборке, компенсирующий пуассоновскую осевую деформацию колец 204 маховика на трубе 203 в расчетном диапазоне рабочих скоростей маховиковой системы накопления энергии. Эти две половины ротора удерживаются вместе гайкой 210 под накидной ключ относительно разрезного кольца 211, которое вставлено в канавку в роторе, и зафиксированы на месте пружинным запорным кольцом и узлом 212 закрепляемой шпонкой шайбы, который предотвращает отвинчивание при работе, но легко разбирается для технического обслуживания. Подобный закрепляемый шпонкой узел 212 запирает гайку 213 под накидной ключ на месте, удерживающую нижнюю ступицу на роторе.

Как показано на фиг.3, для регулирования теплового потока в рабочих условиях используется система 301 охлаждения электродвигателя-генератора с ребристым ротором, и может использоваться автономная теплоотводящая трубка для охлаждения еще больших единиц оборудования, как описано ниже. Инфракрасные датчики 302 определяют температуру кольца маховика, а также температуру движущегося ротора электродвигателя, который на фиг.3 не показан. Кроме того, используется прозрачное окно 303 для наблюдения в ходе работы за этим кольцом, расположенным внутри вакуумной камеры. Вакуумный манометр-выключатель в вакуумной линии 304, идущей из этой камеры, а также инфракрасные датчики, другие термопары и акселерометры, расположенные в ключевых точках узла, приводят в действие специальную компьютерную цепь контроллера электродвигателя-генератора для автоматического переключения между режимами работы электродвигателя и возвращения энергии в сеть маховиковой системы накопления энергии в случае обнаружения любого признака повреждения компонентов таким образом, что кинетическая энергия маховика быстро сбрасывается в электрическую сеть или в батарею резистивных нагревателей. Таким образом, система может доводиться до полной остановки в мягком режиме с минимальным повреждением любого из компонентов.

Для крайнего случая, когда отказобезопасный механизм по какой-либо причине не сработает как необходимо, испытательная маховиковая система накопления энергии, показанная на фиг.3, снабжена дисковыми тормозами 305, соизмеримыми по размерам с тормозами грузового автомобиля, и массивными эластомерными бамперами 306, расположенными вокруг прочной стальной камеры, для поглощения любой кинетической энергии, передаваемой от маховика камере в процессе торможения.

На фиг.15 изображен вид с торца ступицы маховика, показанного на фиг.1, 2 и 3, иллюстрирующий усовершенствованную конфигурацию соединения 401 между спицами и ободом этой ступицы для существенного уменьшения центробежной деформации в расчетном диапазоне скоростей вращения маховиковой системы накопления энергии. Кроме того, утолщение 402 сечения обода между спицами уменьшает создаваемое центробежной силой напряжение и более равномерно распределяет давление снаружи от этого обода по внутренней поверхности кольца маховика из композиционного материала, установленного на него горячей посадкой с сильным натягом.

На фиг.8 показан другой вариант осуществления изобретения, в котором неподвижные внутренние кольца 601 подшипников установлены со свободной посадкой на неподвижный вал 602 для облегчения сборки и осевого предварительного натяга со стороны пружинной кассеты 603. Внешние кольца 604 подшипников запрессованы с плотной посадкой во вращающуюся втулку 605. Втулка 605 посажена с небольшим натягом в неподвижном положении внутри ротора 606, при этом между втулкой 605 и ротором 606 установлено эластомерное уплотнительное кольцо.

При увеличении скорости вращения ротора центробежное расширение всех вращающихся частей вызывает ослабление натяга между втулкой 605 и ротором 606 и образование зазора 608, который формируется при скорости, немного меньшей критической скорости вала без наличия этого зазора 608. Когда зазор 608 образован, критическая скорость ротора снижается до уровня ниже рабочей скорости ротора в результате увеличенной податливости подшипникового узла благодаря эластичности уплотнительных колец.

Другое важное преимущество использования уплотнительных колец состоит в том, что эти уплотнительные кольца устанавливают в роторный узел, соответствующий настоящему изобретению. Уплотнительные кольца, соответствующие настоящему изобретению, не подвергаются воздействию циклических напряжений при нарушении баланса, поскольку они вращаются в фазе с дисбалансом. Использование недорогих уплотнительных колец для упругого элемента обеспечивает долгий срок службы.

На фиг.6, 7, 8 и 9 показаны дополнительно увеличенные виды и сечения устройства, показанного на фиг.1, иллюстрирующие работу устройства отделения для предотвращения вибрации для достижения очень малых амплитуд вибрации и нагрузок на подшипники во всем широком диапазоне рабочих скоростей маховиковой системы накопления энергии (и любого другого высокоскоростного сверхкритического ротора в широком спектре механического оборудования). На фиг.11 и 12 показаны другие подробные виды сечения устройства, показанного на фиг.1, на которых изображено нижнее балансировочное кольцо 609, а также компенсатор 610 осевой нагрузки от полного веса ротора, выполненный из постоянных магнитов, описанный выше и показанный на фиг.1 и 2. На фиг.12 показан другой вариант устройства, показанного на фиг.11, с неподвижной системой 611 с суппортом дискового тормоза, предназначенной для удерживания тормозного диска 612, выполненного как единое целое с ротором в этой маховиковой системе накопления энергии.

На фиг.19 показан подробный увеличенный вид верхнего подшипника, показанного на фиг.1, 2 и 6, иллюстрирующий неподвижный верхний смазочный экран 613 и вращающийся нижний смазочный экран 614, причем последний из них зафиксирован в осевом направлении в узле контргайкой 615. Верхний экран 613 вместе с внутренним кольцом 601 подшипника свободно посажены на вал 602 и, таким образом, могут свободно двигаться на валу под воздействием предварительного натяга со стороны пружинной кассеты 603. На фиг.20 изображен вид в плане снизу верхнего экрана 613, показанного на фиг.19, на котором можно видеть множество неглубоких радиальных канавок 616, выполненных в нижней поверхности этого экрана, которая входит в контакт с верхней поверхностью внутреннего кольца верхнего подшипника.

На фиг.18 показана геометрическая конфигурация типичной системы отделения для предотвращения вибрации, используемой для установки любой из указанных выше конструкций самосмазывающихся подшипников на высокоскоростные роторы для работы при допустимых вибрациях при скоростях вращения ротора, превышающих его критические скорости. Система включает втулку 501, установленную на вращающемся валу 502 между валом и вращающимся кольцом подшипника. Каждый конец втулки 501 состоит из непрерывного кольца с тонким сечением, посаженного с плотным натягом 503 на вал 502. Вращающееся кольцо подшипника запрессовано с плотным натягом на внешнюю поверхность центрального кольца 501 с более толстым сечением, которое посажено с меньшим натягом 504 на вал, когда вал неподвижен, и с зазором 504 между внутренней поверхностью этого центрального кольца и валом 502, когда вал вращается с превышением заданной скорости.

Контакт 504 с натягом существует, когда вал неподвижен; когда вал вращается, образуется зазор 504 при заданной скорости вращения вала, которая ниже первой критической скорости ротора, в результате центробежного расширения узла вращающегося кольца подшипника в центральной части кольца 501. Это центральное кольцо на его концах соединено с двумя кольцами тонкого сечения полосками 505 клеточного типа, выполненными как единое целое в конфигурации базового кольца 501. Поперечное сечение этих полосок 505 обеспечивает надлежащую величину упругой податливости между подшипником и ротором 502 для уменьшения критической частоты ротора, после формирования зазора, когда втулка поднимается от вала, до достаточно меньшей, чем скорость отрыва, для исключения вращения вала с его критической скоростью, таким образом, исключая любые высокие нагрузки на подшипник от нарушения баланса.

На фиг.24 показан еще один вариант осуществления изобретения, в котором изолирующее вибрацию кольцо 701 установлено на вращающийся вал 702 подобно тому, как кольцо 501 установлено на вал 502 на фиг.18. Как показано на фиг.24, кольцо 701 имеет дополнительные отличительные признаки, такие как охлаждающие ребра 703, выполненные как единое целое с ним, для обеспечения теплового баланса высокоскоростного узла, а также в качестве центробежной массы, требуемой для подъема и создания зазора 704, как было описано выше.

Другим важным отличительным признаком конструкции, показанной на фиг.24, являются зубцы 705 на внутренней поверхности центрального кольца 701, которые увеличивают центробежное расширение этого кольца 701 для создания зазора 704 при меньшей скорости вращения, чем без этих зубцов, при такой же вращающейся массе вращающегося внутреннего кольца подшипника, установленного на кольце 701. Трубчатые части 706 тонкого сечения, соединяющие центральное кольцо с тонкими кольцами на концах кольца 701, могут быть выполнены достаточно длинными для обеспечения требуемой податливости в радиальном направлении, или они могут быть выполнены в клеточной конфигурации, показанной под номером 505 на фиг.18. Кроме того, использовано непрерывное кольцо 707 для пополнения смазочного материала в этом высокоскоростном подшипнике, посаженное в стягивающую ленту 708 для преодоления центробежных напряжений в смазочном материале малой прочности.

На фиг.26 показан другой вариант выполнения соединительного устройства, облегчающего преодоление вращающимся с ускорением телом критической частоты вращения, в котором ротор 600 удерживается на месте относительно вала 602 зажимной гайкой 604 ротора, удерживающей на месте первый подъемный элемент 606. Подъемный элемент 606 удерживается на месте зажимной гайкой 608, которая упирается в тарельчатую шайбу 610.

Дополнительно может применяться полость 612 в корпусе, выполненная как уплотненная полость, заполненная вязкой демпфирующей жидкостью для обеспечения демпфирования на сжатой пленке при работе с высокой скоростью. В альтернативном варианте, полость 612 в корпусе может содержать уплотнительные кольца или другие эластичные элементы для обеспечения демпфирования при работе с высокой скоростью.

Дополнительно может применяться соединение с ограничением по моменту со срезной шпилькой, обозначенное в целом номером 614. Указательные стрелки 616 на фиг.26 и 27 показывают подъем вращающегося элемента относительно вала при угловом ускорении вращающегося элемента.

На фиг.28 показан вид с торца части вращающегося элемента, иллюстрирующий высокомоментное шлицевое крепление для вращающихся тел с использованием соединительного устройства и способа, соответствующего изобретению. Подобным образом, на фиг.29 показано высокомоментное некруглое кулачковое крепление с использованием соединительного устройства и способа, соответствующего изобретению.

На фиг.30 показан вид спереди альтернативного варианта выполнения ступицы с гибким ободом для использования с маховиками в маховиковых системах накопления энергии, соответствующих изобретению. На фиг.31 показан вид сечения, выполненного в ступице с гибким ободом, показанной на фиг.30.

Ступица с гибким ободом, показанная на фиг.30, обеспечивает получение сбалансированного профиля напряжений по всей работающей системе. При использовании ступицы, показанной на фиг.30, когда она снабжена маховиком, применяют посадку с плотным натягом между ступицей и кольцом маховика при низких скоростях вращения. Следовательно, при низких скоростях ротор, образованный ступицей и ободом, показанными на фиг.30, совместно с кольцом маховика, прикрепленным к ободу, образует жесткий узел. При возрастании скорости вращения ротора центробежная сила вызывает расширение обода устройства, показанного на фиг.30, превышающее расширение ступицы в районе спиц. Это явление отделения возникает при заданной скорости и является ключевым в работе устройства, показанного на фиг.30.

Отделение позволяет устранять радиальные критические частоты между ступицей и кольцом после подъема. После подъема обод также обеспечивает высокую жесткость при кручении, таким образом, устраняя критические частоты крутильных колебаний в пределах диапазона рабочих скоростей. Кроме того, реализуется принцип радиальных "пальцев" благодаря плотному взаимодействию между гибкими частями обода, которые расположены посередине между спицами, и окружающим кольцом маховика, для поддержания концентричности обода ступицы и кольца маховика, что, таким образом, обеспечивает сохранение сбалансированности ротора после подъема.

Принципиальное преимущество этого устройства состоит в том, что радиальное слежение обода, сохранение концентричности кольца и ступицы и устранение критических частот колебаний осуществляется мягким прокатывающим действием между ступицей и кольцом маховика без какого-либо скольжения или износа поверхностей. Следовательно, результатом этого становится продолжительный циклический срок службы.

В устройстве, показанном на фиг.30, обод немного утолщен в центральных районах между спицами. Это улучшает профиль напряжений в ободе по сравнению с конструкциями известного уровня техники, а также дает хорошую поверхность для добавления балансировочных грузиков, если бы они требовались.

Ступица, показанная на фиг.30, демонстрирует динамические характеристики, которые фактически не изменяются в ходе подъема и после него.

Как показано на фиг.22 чертежей, толстые цилиндрические кольца, которые действуют как внутренние кольца маховика, предпочтительно, изготовляют либо из композиционных материалов с металлической матрицей, либо из специальных плетеных материалов, включающих как кольцевые, так и осевые наслоения волокон или полюсные плетения с осевым армированием. Толстые цилиндрические кольца обладают как осевыми характеристиками для действия в качестве несущих колец, так и кольцевыми характеристиками намотанных нитей для действия в качестве внутренних колец маховика. Как показано, либо одно, либо множество углеродных колец можно составлять пакетом непосредственно на толстые цилиндрические кольца, предпочтительно, с использованием тепловой сборки.

Хотя выше был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, а также альтернативные варианты, объем защиты, на которую изобретение имеет право, определен формулой изобретения и эквивалентами, которые выполняют по существу такие же функции по существу таким же образом для достижения по существу такого же результата, как и предмет рассмотрения, описанный в формуле изобретения, при условии, что такие по существу эквиваленты, как описанные в пункте для такого по существу эквивалента, не описаны в публикациях известного уровня техники.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Устройство накопления энергии, содержащее:

а. вал;

b. маховик, вращающийся относительно указанного вала;

с. средство для избирательного вращения маховика при подаче электрической энергии или выработки электрической энергии при вращении его маховиком;

d. подшипниковое средство, облегчающее вращение маховика и вращаемого маховиком вырабатывающего электрическую энергию средства относительно вала;

е. средство для соединения маховика и средства для избирательного вращения маховика или выработки электрической энергии с частью подшипникового средства, которое вращается относительно вала, содержащее:

I. внутренний элемент, вращающийся с частью подшипникового средства относительно вала;

II. внешний элемент, неподвижно соединенный с указанной комбинацией из маховика и средства для вращения маховика или выработки электрической энергии;

III. при этом внутренний и внешний элементы входят в контакт друг с другом в неподвижном положении;

IV. средство для соединения элементов для обеспечения продолжения совместного вращения внешнего элемента с внутренним элементом, когда частота вращения комбинации из внутреннего и внешнего элементов, маховика и средства для вращения маховика или выработки электрической энергии достигает уровня, при котором центробежная сила разделяет эти элементы.

2. Устройство по п.1, в котором вращение маховика и средства для вращения маховика или выработки электрической энергии происходит совместно.

3. Устройство по п.2, в котором средство для соединения элементов выполнено эластомерным и имеет кольцевую конфигурацию.

4. Устройство по п.3, в котором эластомерное средство содержит уплотнительные кольца.

5. Устройство по п.1, дополнительно содержащее:

а. вакуумную камеру, окружающую маховик; и

b. средство для откачивания воздуха из указанной камеры для получения существенного вакуума.

6. Устройство по п.3, в котором указанные эластомерные кольцевые средства для соединения элементов имеют продольную в осевом направлении подобную втулке конфигурацию с длиной в осевом направлении района отделения между указанными внутренней и внешней втулками при скорости вращения комбинации из внешней втулки, маховика и средства для вращения маховика или выработки электрической энергии, достигающей уровня, при котором центробежная сила разделяет указанные втулки, превышает длину в осевом направлении маховика.

7. Устройство по п.5, в котором подшипниковое средство дополнительно содержит:

а. внешний подшипниковый элемент, имеющий обращенную внутрь канавку качения, приспособленную для приема вращающихся подшипниковых элементов для вращательного движения вращающихся элементов относительно внешнего подшипникового элемента;

b. внутренний подшипниковый элемент, имеющий обращенную наружу канавку качения, приспособленную для приема вращающихся подшипниковых элементов для вращательного движения вращающихся подшипниковых элементов относительно внутреннего подшипникового элемента;

с. множество вращающихся подшипниковых элементов, удерживаемых между указанными поверхностями качения; и

d. твердый смазочный материал, прижатый к, по меньшей мере, одному из вращающихся подшипниковых элементов и входящий в контакт с ним для отложения пленки твердого смазочного материала на вращающемся элементе при вхождении в контакт с ним, когда указанные вращающиеся элементы вращаются относительно поверхностей качения.

8. Устройство по п.7, в котором твердый смазочный материал имеет конфигурацию кольца.

9. Устройство по п.8, в котором кольцо находится в радиальном направлении изнутри от вращающихся элементов.

10. Устройство по п.7, в котором комбинация из маховика, средства для вращения маховика или выработки электрической энергии и внешней втулки имеет резонансную частоту, которая меньше частоты вращения, при которой внешняя втулка отделяется от внутренней втулки под действием центробежной силы, и комбинация из маховика, средства для вращения маховика или выработки электрической энергии, внешней втулки и внутренней втулки имеет резонансную частоту, которая больше частоты вращения, при которой внешняя втулка отделяется от внутренней втулки.

11. Устройство накопления энергии, содержащее:

а. корпус;

b. маховик;

с.средство для избирательного вращения маховика при подаче электрической энергии или выработки электрической энергии при вращении его маховиком;

d. подшипниковое средство, облегчающее вращение маховика и средства для вращения маховика или выработки электрической энергии относительно корпуса;

е. средство для соединения маховика и средства для избирательного вращения маховика или выработки электрической энергии с подшипниковым средством, содержащее:

I. элемент, вращающийся совместно с частью подшипникового средства, которая может вращаться относительно корпуса;

II. второй элемент, расположенный концентрически относительно указанного первого элемента, неподвижно соединенный с указанной комбинацией из маховика и средства для вращения маховика или выработки электрической энергии;

III. указанные элементы находятся в контакте друг с другом в неподвижном состоянии;

IV. эластомерные средства для соединения указанных элементов и, таким образом, обеспечения продолжения совместного их вращения, когда центробежная сила разделяет указанные элементы;

f. указанная комбинация из маховика, средства для вращения маховика или выработки электрической энергии и второго элемента имеет резонансную частоту, которая меньше частоты вращения, при которой указанные элементы отделяются друг от друга под действием центробежной силы; и

g. комбинация из маховика, средства для вращения маховика или выработки электрической энергии, второго элемента и первого элемента имеет резонансную частоту, которая больше частоты вращения, при которой указанные элементы отделяются друг от друга под действием центробежной силы.

12. Способ накопления энергии, содержащий вращение с ускорением единой подкомбинации из маховика и средства для избирательного вращения маховика или выработки электрической энергии при вращении маховика с преодолением резонансной частоты единой комбинации, образованной внешней втулкой и указанной единой подкомбинацией, до частоты вращения, достаточной для отделения концентрической внутренней втулки от внешней втулки одновременно с единой комбинацией, но с быстрым прекращением резонансной частоты второй единой комбинации, образованной внутренней и внешней втулками и единой подкомбинацией.

13. Способ по п.12, в котором внутренняя и внешняя втулки до отделения друг от друга входят в дополнительный контакт.

14. Ротор для накопления энергии, содержащий цельнометаллическую ступицу, образующую центр вращения, причем ступица имеет множество разнесенных друг от друга спиц и непрерывный обод, с которым спицы соединяются, как единое целое, в разнесенных друг от друга точках, и кольцо из композиционного материала, окружающее указанный обод, в котором обод находится в положении плотной посадки относительно кольца из композиционного материала в состоянии покоя и представляет собой, по существу, сплошное тело при низких скоростях вращения и в котором те части обода, которые расположены между спицами, приспособлены для отклонения радиально наружу под воздействием центробежной силы при работе с более высокими скоростями вращения, следуя за вызванным центробежной силой радиальным расширением кольца из композиционного материала, окружающего обод, таким образом, что при указанных повышенных скоростях вращения части кольца из композиционного материала способны подниматься от обода ступицы в указанных точках, в которых указанные спицы соединяются с ободом, и так, что плотная посадка между ободом и кольцом сохраняется при всех рабочих скоростях вращения ротора, и, кроме того, части обода между спицами образуют соответствующие выгнутые радиально внутрь части поверхности, каждая из которых имеет центр кривизны, расположенный радиально снаружи от центра вращения, таким образом, что каждая из частей обода становится тоньше в направлении центральной части между соседними указанными спицами.

15. Ротор по п.14, в котором кольцо из композиционного материала состоит из двух колец.

16. Соединительное устройство, облегчающее преодоление вращающимся с ускорением телом критической частоты вращения, содержащее:

а. пару сопрягаемых первой и второй частей указанного тела, причем эти части входят в контакт друг с другом, когда указанное тело неподвижно; и

b. средство для эластичного соединения второй части с первой частью для обеспечения продолжающегося, по существу, совместного их вращения, когда вторая часть отходит от первой части под воздействием центробежной силы при скорости вращения, которая меньше критической частоты.

17. Соединительное устройство по п.16, в котором части входят в контакт друг с другом с плотной посадкой, когда тело неподвижно и имеет комнатную температуру.

18. Соединительное устройство по п.17, в котором сопрягаемые поверхности обращены друг к другу, когда вторая часть отходит в радиальном направлении от первой части под воздействием центробежной силы при скорости вращения, которая меньше критической частоты.

19. Соединительное устройство по п.18, в котором вторая часть движется в радиальном направлении относительно первой части под воздействием центробежной силы.

20. Соединительное устройство по п.19, в котором сопрягаемые части включают сопрягаемые поверхности, которые входят в контакт друг с другом при температуре окружающей среды, когда тело находится в состоянии покоя.

21. Способ ускорения вращающегося тела с преодолением критической частоты вращения, причем тело имеет вторую часть, стремящуюся отделяться от первой части при угловой скорости тела, которая ниже критической частоты, содержащий:

а. обеспечение отделения второй части от первой части под воздействием центробежной силы при скорости вращения, которая ниже критической частоты, посредством чего снижается эффективная масса вращающегося тела и устанавливается новая критическая частота для вращающегося тела, по существу, смещенная в меньшую сторону от первоначальной критической частоты; и

b. сохранение эластичного соединения между первой и второй частями для обеспечения, по существу, совместного их вращения с одной скоростью, но с разными моментами количества движения.

22. Способ по п.21, дополнительно содержащий операцию обеспечения автоматического смещения второй части радиально внутрь для вхождения в контакт друг с другом обращенных друг к другу поверхностей первой и второй частей, когда тело находится в состоянии покоя и при температуре окружающей среды.

23. Устройство для ориентации нагрузки, содержащее:

а. вал;

b. маховик, вращающийся вокруг указанного вала;

с. средство для вращения маховика посредством приведения в действие вала;

d. подшипниковое средство, облегчающее вращение маховика относительно вала;

е. средство для соединения маховика с валом, содержащее:

I. внутренний элемент, вращающийся с частью подшипникового средства относительно вала;

II. внешний элемент, неподвижно соединенный с указанным маховиком;

III. причем внутренний и внешний элементы находятся в контакте друг с другом в неподвижном состоянии;

IV. средство для соединения элементов для обеспечения продолжения совместного вращения внешнего элемента с внутренним элементом, когда скорость вращения комбинации из внутреннего и внешнего элементов и маховика достигает уровня, при котором центробежная сила отделяет друг от друга указанные элементы;

V. корпус, имеющий вал и маховик, установленный с возможностью вращения в нем и образующий ось, вокруг которой установлен маховик для вращения в одной плоскости относительно корпуса;

VI. средство, соединенное с корпусом и вращающееся вокруг второй оси, не совпадающей с осью вращения вала, для вращательного закрепления корпуса относительно указанной нагрузки.

24. Устройство для ориентации нагрузки по п.23, в котором средство, соединяющее указанные элементы для обеспечения продолжения совместного вращения внешнего элемента с внутренним элементом, когда скорость вращения комбинации из внутреннего и внешнего элементов и маховика достигает уровня, при котором центробежная сила отделяет друг от друга указанные элементы, выполнено эластомерным.

Версия для печати
Дата публикации 08.01.2007гг


вверх