Способ повышения удельной энергоемкости механического накопителя энергии и устройство для его осуществления

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в инерционных аккумуляторах, приводах, содержащих маховик машин, системах ориентации и стабилизации аппаратов.

Известен механический накопитель энергии (далее по тексту - МНЭ) на супермаховиках [1], сделанный из углепластиковых или стеклопластиковых волокон, имеющий вакуумную камеру, магнитный подвес ротора и устройство ввода-вывода энергии. Недостаток известного устройства заключается в том, что повышение его удельной энергоемкости ограничено предельной частотой вращения маховика, которая обусловлена критической скоростью, допускаемой по соображениям прочности. Под удельной энергоемкостью понимаем отношение запасенной устройством энергии к его массе.

Известен механический накопитель энергии [2] национальной лаборатории «Лауренс-Ливермор» (США). Накопитель высотой 40 см, объемом 40 л и массой 75 кг содержит супермаховик, навитый из высокопрочного углепластика (графитового волокна со связкой), выдерживающего напряжения в 7 ГПа и обеспечивающего удельную энергоемкость - 545 Вт⋅ч/кг. Супермаховик вращается с максимальной частотой 60 тыс. оборотов в минуту, накапливая энергию до 1 кВт⋅ч и развивая мощность до 100 кВт. Недостаток устройства заключается в том, что повышение его удельной энергоемкости ограничено предельной частотой вращения маховика, допускаемой по соображениям прочности из-за возможности разрушения маховика.

Наиболее близким по существу заявляемого изобретения, прототипом, является супермаховик Спирякова [3]. Супермаховик содержит корпус, размещенные в нем ось и обод, закрепленные на торцах обода диски, выполненный в виде кольца магнит и закрепленные на торцах магнита и жестко связанные с осью шайбы. Диаметр шайб выбран большим диаметра кольца, диски выполнены из немагнитного материала, а кольцеобразный магнит охвачен ободом, навитым из стальной ленты.

Недостатком прототипа является малая удельная энергоемкость из-за ограничения предельной частоты вращения маховика - из-за возможности разрушения маховика, так как в качестве магнитного материала ротора использована сталь, имеющая недостаточную удельную прочность.

Целью изобретения является повышение удельной энергоемкости механического накопителя энергии.

Цели изобретения - повышения удельной энергоемкости механического накопителя энергии с вакуумированным корпусом, маховиком и устройством ввода-вывода энергии - достигают тем, что обод маховика выполняют из лент магнитопласта, намагниченных поперек ее толщины, вакуумированный корпус содержит внутренний магнит, выполненный намоткой такими же лентами магнитопласта со встречной относительно обода маховика намагниченностью. Для увеличения магнитного потока между ободом и корпусом, обод и корпус выполняют намоткой из колец магнитопласта, имеющих противоположную намагниченность. Подвес маховика выполняют с осевым упорным подшипником.

Заявляемый способ осуществляют, например, следующим путем.

Известен метод производства ниодимовых магнитов [4] по meltspinning process: сначала производят аморфный сплав магнитного материала ниодим-железо-бор, затем его (сплав) измельчают, получают магнитный порошок, вводят порошок в композиционную массу и изготавливают композиционный материал, например, в виде углепластика (далее названного магнитопластом), из которого изготавливают магниты, например, в виде лент, намагниченных в направлении поперек толщины ленты (Фиг. 1, где 1 - лента из магнитопласта, 2 - направление намагниченности, где S - полюс южный, N - полюс северный) и имеющих остаточную намагниченность, например - до 0,8 Тл. Из такой намагниченной ленты - магнитопласта наматывают обод маховика. По сравнению со сталью - магнитным материалом ротора прототипа [4], магнитопласт обладает [http://www.vevivi.ru/best/Magnitoplasty-ref120039.html] примерно вдвое меньшей плотностью и большей прочностью [5] - свойствами, при вращении обеспечивающими сохранность (неразрушаемость) маховика при более высоких (чем у прототипа) оборотах и энергоемкости. Меньшая плотность материала и повышенная (при сохранении цельности устройства) скорость вращения маховика способствуют повышению удельной энергоемкости - отношению запасенной устройством энергии к массе устройства.

При намотке обода маховика из намагниченной ленты весь маховик (состоящий из обечайки, обода и вала маховика) приобретает свойства магнита с радиальным намагничиванием (Фиг. 2, где 1 - магнит, являющийся ободом маховика, 2 - направление намагниченности, S - полюс южный, N - полюс северный), причем каждый последующий виток намотки притягивается к предыдущему (витку) с силой F=1/2×μ₀×В²×S, где μ₀ - магнитная проницаемость вакуума, В - остаточная магнитная индукция магнитопласта, a S - площадь контакта витков намотки. Притяжение последующих витков препятствует расслаиванию маховика, возникающему при вращении. Это одно из отличительных от прототипа положительных свойств заявляемого изобретения.

Магнит корпуса изготавливают намоткой магнитной ленты (аналогичной использованной ранее для намотки обода маховика), но со встречной (противоположной намагниченности лент намотки обода маховика) намагниченностью (Фиг. 3, где 1 - магнит корпуса, 2 - магнит, являющийся ободом маховика). Под действием магнитных сил обод маховика 2 отталкивается от магнита корпуса 1.

Взаиморасположение обода 2 из магнитного материала и корпуса 1 из противоположно намагниченного материала обеспечивает выполнение функции магнитного подшипника и позволяет в конструкции накопителя энергии отказаться от радиальных подшипников маховика, ограничившись осевым упорным подшипником. Замена поддерживающих маховик радиальных подшипников (имеющихся у прототипа) на выполняющую аналогичную функцию магнитный подшипник исключает трение при вращении маховика и потери энергии на преодоление этого трения, способствует повышению удельной энергоемкости механического накопителя энергии.

Пример устройства для осуществления заявляемого способа - механический накопитель энергии (МНЭ) показан на рисунках (чертежах).

На Фиг. 4 изображен механический накопитель энергии (МНЭ) в разрезе. МНЭ состоит из корпуса вакуумированного 1, где в виде намотанного из лент магнитопласта цилиндра располагается магнит 2 корпуса. В центре корпуса 1 расположены упорные осевые подшипники 3. Корпус 1 вакуумируют для уменьшения аэродинамических потерь при вращении маховика. Внутри корпуса 1 установлен маховик, состоящий из выполненной из стального цилиндра обечайки маховика 4, поверх которого лентой из магнитопласта намотан обод маховика 5. Маховик оснащен осью в виде вала маховика 6. Ленту магнитопласта наматывают с намагниченностью, противоположной намагниченности магнита корпуса. Витки ленты обода маховика 5 склеивают между собой. Обечайку 4 выполняют из стали или другого ферромагнитного материала. На валу 6, который опирается на осевые упорные подшипники 3, располагают устройство ввода - вывода энергии 7, например мотор-генератор.

Механический накопитель энергии (МНЭ) работает следующим образом.

МНЭ устанавливают на подставке (на Фиг. 4 не указан как вспомогательный элемент). Внутреннее пространство корпуса МНЭ вакуумируют. Используя устройство ввода - вывода энергии 7, например мотор-генератор, маховик на валу 6 приводят во вращение. При вращении магнитный обод маховика 5 взаимодействует с магнитом 2 корпуса. При этом стремящаяся разорвать обод маховика 5 центробежная сила уравновешивается силой магнитного отталкивания от магнита 2 корпуса, а также силой магнитного притяжения обода маховика 5 к обечайке маховика 4. Сила воздействия магнита 2 корпуса противодействует изменению расстояния от обода маховика 5 до магнита 2 корпуса и передает возникающие в ободе маховика 5 усилия на корпус 1. При увеличении числа оборотов (маховика) увеличивается центробежная сила, оказывающая нагрузку на маховик и стремящаяся разрушить маховик. Магнитное поле обода маховика 5 взаимодействует с магнитным полем магнита 2 корпуса и разгружает обод маховика. При этом корпус 1 принимает на себя возникающие во вращающемся маховике нагрузки, что позволяет увеличить его скорость вращения и запасать в нем (маховике) большее количество кинетической энергии, соответственно повысить удельную энергоемкость механического накопителя энергии.

Находящийся под наружным давлением вакуумированный корпус 1 служит для удержания вакуума внутри (корпуса), а также для предотвращения разлетания осколков при возможном разрушении маховика. Корпус 1 имеет толщину и массу, обеспечивающую необходимую прочность. Корпус 1 не участвует непосредственно в запасании энергии маховиком МНЭ. В то же время масса корпуса снижает удельную (приходящуюся на единицу массы МНЭ) энергоемкость устройства. Вследствие того, что нагрузка передается на вакууммированный корпус 1, внешнее атмосферное давление также включается в работу, что способствует разгрузке корпуса 1, увеличению скорости вращения маховика, повышенному накоплению кинетической энергии и повышению удельной энергоемкости МНЭ. Сила взаимодействия между магнитом 2 корпуса и ободом маховика 5 (по Фиг. 4) пропорциональна магнитному потоку между ними (корпусом и ободом).

Для увеличения силы взаимодействия путем увеличения магнитного потока между магнитным ободом маховика и магнитом корпуса, магнит в виде обода маховика 5 и магнит 2 в виде корпуса выполняют намоткой из попарно противоположно намагниченных колец (Фиг. 5).

Кроме того, для дополнительного повышения удельной энергоемкости МНЭ (Фиг. 4) обечайку 4 маховика, на которую наматывают обод 5 из магнитопласта, выполняют из материала, имеющего меньший модуль Юнга, чем у обода. Это способствует работе обода 5 в условиях сжатия - при возникновении растягивающих усилий при вращении маховика.

Разгрузка обода маховика 5 с передачей возникающих и стремящихся разрушить маховик центробежных сил на корпус 1 механического накопителя энергии позволяет существенно увеличить скорость вращения маховика без его разрушения. При этом разгрузка высоконагруженного обода маховика 5 с передачей нагрузки на корпус 1 МНЭ позволяет, в зависимости от конструкции и материала корпуса, за счет безопасного увеличения скорости вращения маховика запасать в накопителе до 1,6 раза больше энергии [6], причем без увеличения массы механического накопителя энергии, то есть существенно повысить удельную энергоемкость МНЭ.

Предлагаемое изобретение удовлетворяет критериям новизны, так как при определении уровня техники не обнаружено устройство, которому присущи признаки, идентичные (то есть совпадающие по исполняемой ими функции и форме выполнения этих признаков) всем признакам, перечисленным в формуле изобретения.

Предлагаемый накопитель имеет изобретательский уровень, поскольку не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками данного изобретения, и не установлена известность влияния отличительных признаков на указанный технический результат.

Заявленное техническое решение можно реализовать в промышленном производстве накопителей энергии посредством использования известных стандартных технических устройств и оборудования. Это соответствует критерию «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ

1. http://beaconpower.com/carbon-fiber-flywheels

2. Гулиа Н.В. Удивительная механика. В поисках «энергетической капсулы». - М.: Издательство НЦ ЭНАС, 2006. - С. 142.

3. Патент RU №2025609. МПК F16F 15/30. Приоритет от 10.05.1990. Опубликован 30.12.1994. Супермаховик. Описание изобретения.

4. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Постоянный магнит.

5. Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн. Кн. 1. (Handbook of composites) Справочное издание. Под ред. Дж. Любина. Перевод с английского А.Б. Геллера, М.М. Гельмонта. Под редакцией Б.Э. Геллера. - М.: Издательство «Машиностроение», 1988. - С. 285-286.

6. D.V. Berezhnoi, D.Е. Chickrin, Е.Yu. Kurchatov, A.F. Galimov. Estimation of specific energy capacity of flywheel-housing system in potential field Applied Mathematical Sciences, Vol. 8, 2014, no. 163, 8125-8135.