Электрическое устройство для аккумулирования электрической энергии инерционным маховиком

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в повышении стабильности и к.п.д. Устройство для аккумулирования энергии содержит по меньшей мере одну электрическую машину типа генератора с использованием силы Лоренца или типа двигателя, имеющую ротор (1) и статор (4). Ротор (1) образует инерционный маховик и содержит по меньшей мере один магнит (5), прикрепленный к ротору (1); и по меньшей мере одно средство (3, 7) экранирования магнитного потока. Статор (4) выполнен без ферромагнитного материала и имеет обмотку. Средство (3, 7) экранирования потока установлено с возможностью синхронного вращения с магнитом (5) ротора (1). 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к устройству для аккумулирования электрической энергии инерционным маховиком.

Устройство инерционного маховика представляет собой устройство, обеспечивающее аккумулирование и восстановление энергии, аккумулированной в кинетической форме в массе, приведенной во вращательное движение.

Такие устройства, в частности, используются для выравнивания и обеспечения большей регулярности режима работы электрической системы, нерегулярность которой обусловлена источником питания энергии системы или потребителем, использующим энергию.

Таким образом, они позволяют аккумулировать избыток энергии, чтобы затем восстановить ее, когда системе ее не хватает.

В частности, в случае электрической системы такие устройства, например, могут использоваться для регулирования частоты электрической сети, стабилизации микроэнергосистем или "интеллектуальных" энергосистем или для предотвращения перебоев с целью обеспечения бесперебойного питания.

По сравнению с традиционными устройствами аккумулирования энергии устройства инерционного маховика обладают такими преимуществами, как более длительный срок службы, особенно в отношении зарядно-разрядных циклов, короткое время срабатывания и низкая стоимость технического обслуживания.

Устройство инерционного маховика в целом содержит узел, содержащий подвешенное колесо, соединенное с электрическим двигателем или электрическим генератором, ротор которого соединен с указанным колесом для образования инерционного маховика. Этот узел обычно устанавливается в герметичную вакуумную камеру, а колесо обычно удерживается подвешенным в магнитном поле и стабилизируется, как описано в документе FR 2882203, при этом эта конфигурация позволяет ограничить потери энергии вследствие механического трения.

Как правило, представляется необходимым, в частности, свести к минимуму существующее трение с тем, чтобы уменьшить потери энергии и вызываемое ими шумовое загрязнение.

В настоящее время устройства инерционного маховика имеют ограниченный к.п.д., поскольку они снабжены двигателями или генераторами, обеспечивающими преобразование электрической энергии в кинетическую и наоборот, поведение которых, с одной стороны, может отрицательно влиять на стабильность вращения маховика, а с другой стороны, которые имеют низкое к.п.д., так как они обладают значительным саморазрядом, обусловленным, главным образом, трением, имеющим место в маховике и в статоре с обмоткой, при этом эти инерционные маховики имеют металлический сердечник, приводящий к значительным потерям энергии вследствие вихревых токов и эффекта Джоуля в двигателях или генераторах, работающих по принципу магнитного отталкивания.

Стабильность ротора также является важным фактором, так как любая нестабильность ротора должна быть скорректирована или устранена подшипниками подвески маховика, что также приводит к потере энергии. Для этой цели необходимо, чтобы электрическая машина генерировала как можно меньше паразитных сил в осевом и радиальном направлениях, которые могут дестабилизировать ротор.

Задача изобретения заключается в устранении указанных недостатков и, в частности, в улучшении стабильности и к.п.д. данных устройств инерционного маховика. Для этой цели изобретением обеспечивается устройство для аккумулирования энергии, содержащее:

- ротор, образующий инерционный маховик,

- по меньшей мере один электрический двигатель с использованием силы Лоренца или генератор, содержащий ротор, статор с обмоткой, не содержащий ферромагнитный материал, и по меньшей мере один магнит, закрепленный на роторе,

- по меньшей мере одно средство экранирования магнитного потока,

Устройство отличаетеся тем, что указанное средство экранирования потока установлено с возможностью синхронного вращения с магнитом электрического двигателя или генератора.

Следует отметить, что это устройство аккумулирования энергии содержит статор, не имеющий металлический сердечник, который является цельным или слоистым. А именно, средства экранирования магнитных потоков имеются только на роторе устройства аккумулирования энергии.

Кроме того, используемый двигатель или генератор представляет собой двигатель с использованием силы Лоренца или генератор (называемый также двигателем или генератором Лапласа), то есть для работы данный двигатель или генератор использует силу Лапласа, создаваемую в целом токопроводящим проводом, через который проходит электрический ток, имеющий определенную величину, когда провод подвергается воздействию электромагнитного поля. Создаваемая таким образом сила Лапласа ориентирована перпендикулярно плоскости, образованной проводом и электромагнитным полем.

При обеспечении вращения средства экранирования потока синхронно с ротором средство экранирования потока поворачивается синхронно с индукционным магнитным полем ротора, при этом направление индукционного магнитного поля оптимизируется, а напряженность магнитного поля по паразитным направлениям значительно снижается.

Действительно, при использовании средства экранирования магнитного потока изменения индукционного магнитного потока вызывают соответствующие изменения в указанном средстве экранирования.

Эти изменения не являются одновременными вследствие существования петли гистерезиса материала, образующего средство экранирования потока, причем было установлено образование магнитного поля, имеющего паразитные составляющие по нежелательным направлениям.

Поэтому, когда на электрический двигатель подается питание, а статор генерирует вращающееся магнитное поле, то создаваемая движущая сила также содержит паразитные составляющие, особенно в радиальном и осевом направлениях, дестабилизирующие ротор и, следовательно, маховик.

Это также приводит к потере энергии, главным образом, вследствие вихревых токов. При этом в целях ограничения этого эффекта для изготовления средств экранирования магнитного потока можно использовать слоистые листовые материалы.

Путем использования средства экранирования потока, вращающегося синхронно с индукционным магнитным полем ротора, согласно изобретению указанное средство экранирования потока больше не подвергается изменениям магнитного поля, при этом оно всегда подвергается воздействию одного и того же локального магнитного поля.

При этом безразлично, работает ли устройство аккумулирования в режиме генератора или в режиме свободного вращения.

Таким образом, электрический двигатель или генератор имеет небольшие потери холостого хода, то есть, когда он не нагружен, но ротор вращается, и небольшие нагрузочные потери, то есть, когда во время зарядки-разрядки ротора, образующего инерционный маховик, имеют место обмен энергией между электрическим двигателем или генератором и внешней средой.

Когда ротор вращается, но при этом электрический двигатель или генератор не нагружен, потери в средстве экранирования потока отсутствуют, поскольку средство экранирования вращается синхронно с индукционным полем магнитов электрического ротора.

Когда электрический двигатель или генератор нагружен в режиме двигателя или в режиме генератора, плотность потока создается магнитами ротора, при этом отсутствуют потери энергии в индукторе при создании указанной плотности потока.

Так как вращающееся магнитное поле, создаваемое статором электрического двигателя или генератора, синхронно с магнитами и со средством экранирования потока, в обмотке статора отсутствуют потери на вихревые токи. Во вращающейся части причиной небольших потерь могут быть только возможные гармоники. Потери первого порядка ограничены небольшими потерями, обусловленными эффектом Джоуля в статоре.

Таким образом, данное устройство позволяет ограничить потери энергии в электрическом двигателе или генераторе, в результате чего к.п.д. устройства значительно возрастает.

Согласно дополнительному признаку изобретения устройство аккумулирования энергии содержит несколько магнитов, закрепленных на роторе, образующем инерционный маховик, и расположенных в соответствии с конфигурацией Клауса Хальбаха, при этом статор расположен вокруг магнитов, напротив них и на расстоянии от них.

Предпочтительно конфигурация Клауса Хальбаха позволяет генерировать сильное магнитное поле, сфокусированное в одном управляемом направлении.

Согласно дополнительному признаку изобретения ротор содержит по меньшей мере одно средство экранирования потока, закрепленное на роторе, образующем инерционный маховик, напротив магнитов на расстоянии от статора и на стороне, противоположной магнитам относительно статора.

Согласно дополнительному признаку изобретения магниты закреплены на цилиндрической части ротора, образующего инерционный маховик. При необходимости средства экранирования потока предпочтительно закреплены на толстой стенке ротора, образующего инерционный маховик.

Предпочтительно средства экранирования потока могут быть интегрированы в толстую стенку ротора таким образом, чтобы они не выступали от толстой стенки.

Сходным образом магниты могут быть интегрированы в цилиндрическую часть ротора таким образом, чтобы они не выступали от цилиндрической части.

Согласно предпочтительному варианту осуществления средство экранирования потока выполнено в виде полоски, надетой на инерционный маховик.

Согласно дополнительному признаку изобретения статор содержит многофазную обмотку.

Предпочтительно расположение фаз статора может быть оптимизировано, так чтобы результирующая радиальных сил электрического двигателя или генератора была равной нулю или была самоцентрирующейся, и так, чтобы результирующая осевых сил электрического двигателя или генератора была равной нулю или самоцентрирующейся.

Такое расположение фаз статора обеспечивает нейтральное поведение электрического двигателя или генератора в отношении стабильности вращения ротора, образующего инерционный маховик.

Согласно дополнительному признаку изобретения обмотка статора содержит литцендрат.

Литцендрат, представляющий собой провод, содержащий первичные жилы очень малого сечения с диаметром порядка 0,1 мм и даже меньше, позволяет значительно уменьшить потери, вызванные вихревыми токами, в частности, когда электрический двигатель или генератор не нагружен.

Предпочтительно, когда электрический двигатель или генератор работает в режиме двигателя, при этом потери первого порядка ограничены джоулевыми потерями в статоре.

Предпочтительно, когда электрический двигатель или генератор работает в режиме генератора, при этом потери строго ограничены джоулевыми потерями в статоре и потерями на вихревые токи в жилах литцедрата статора.

Предпочтительно статор намотан таким образом, чтобы оптимизировать работу электрического двигателя или генератора с уменьшением до минимума паразитных сил, то есть других сил, чем сила Лоренца.

Согласно дополнительному признаку изобретения средства экранирования потока изготовлены из мягкого железа.

Петля гистерезиса мягкого железа очень узкая, это позволяет уменьшить потери.

Согласно дополнительному признаку изобретения ротор, образующий инерционный маховик, содержит два электрических двигателя с использованием силы Лоренца или генератора, которые смонтированы симметрично и напротив друг друга на каждой стороне срединной плоскости инерционного маховика.

Таким образом, эта конфигурация обеспечивает лучшую эффективность и лучшую компенсацию сил, в частности осевых сил, которые могут дестабилизировать ротор, образующий инерционный маховик, благодаря тому, что осевые силы, образованные вращением маховика, на каждой стороне срединной плоскости инерционного маховика симметричны и противоположны друг другу по отношению к этой срединной плоскости инерционного маховика.

Предпочтительно использование двух электрических двигателей или генераторов, кроме того, позволяет повысить безопасность устройства настолько, что в данной конфигурации, если один из электрических двигателей или генераторов больше не работоспособен, это не помешает другому обеспечить ротор энергией или получить энергию ротор обратно для того, чтобы устройство продолжало выполнять свою задачу по аккумулированию и разрядке с тем, чтобы поддерживать стабильность электрической системы и избегать перебоев для обеспечения бесперебойного питания.

Другое преимущество заключается в том, что, когда оба двигателя или генератора работоспособны, обеспечивается значительно более быстрая подача энергии, чем когда используется только один двигатель с использованием силы Лоренца или генератор.

Согласно дополнительному признаку изобретения статоры электрических двигателей или генераторов соединены последовательно.

Ниже в качестве примеров, не имеющих ограничительного характера, описаны возможные способы осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, причем на всех чертежах одинаковые или сходные номера позиций обозначают одинаковые или сходные элементы или наборы элементов, при этом:

- фиг. 1 представляет собой схематический вид в продольном разрезе ротора по первому способу осуществления настоящего изобретения,

- фиг. 2 представляет собой схематический вид в поперечном разрезе ротора по первому способу осуществления настоящего изобретения,

- фиг. 3 представляет собой схематический вид в продольном разрезе ротора по второму способу осуществления настоящего изобретения,

- фиг. 4 представляет собой размотанный вид обмотки статора по второму способу осуществления настоящего изобретения,

- фиг. 5 представляет собой схематический вид в продольном разрезе ротора по третьему способу осуществления настоящего изобретения,

- фиг. 6 представляет собой вид в аксонометрии магнитов в конфигурации Клауса Хальбаха, используемой для четвертого способа осуществления настоящего изобретения,

- фиг. 7 представляет собой схематический вид в аксонометрии продольного разреза ротора по четвертому способу осуществления настоящего изобретения.

Как показано на фиг. 1 и 2, устройство для аккумулирования энергии содержит:

ротор 1, образующий инерционный маховик, содержащий концентрические цилиндрическую часть 2 и толстую стенку, соединенные друг с другом неподвижно и на расстоянии друг от друга, таким образом, чтобы образовать одну монолитную деталь, цилиндрическая часть 2 и толстая стенка 3 поддерживают колесо (не показано), которое, например, может быть выполнено из композиционного материала, в частности из углеродных волокон;

электрический двигатель с использованием силы Лоренца или генератор, содержащий ротор 1, статор 4 и магнит 5.

Магнит 5 закреплен на цилиндрической части 2 ротора, изготовленного из ферромагнитного материала, при этом толстая стенка 3 выполнена из ферромагнитного материала и, таким образом, выполнена, чтобы служить средством экранирования магнитного потока, причем статор 4 расположен между цилиндрической частью 2 и толстой стенкой 3.

Таким образом, толстая стенка 3 экранирования потока непосредственно соединена с цилиндрической частью 2 и приводится в то же вращательное движение.

Таким образом, средство экранирования потока синхронно вращается с цилиндрической частью 2, несущей индукционные магниты.

Как изложено выше, эта конфигурация позволяет устранить энергетические потери и паразитные силы, которые могут дестабилизировать вращение ротора 1 и которые могли бы генерироваться вследствие петли магнитного гистерезиса материала, образующего толстую стенку 3.

Таким образом, потери энергии ограничиваются, поскольку отсутствуют потери в средстве экранирования потока и устранены силы, дестабилизирующие вращение ротора 1.

На фиг. 3 и 4 показана та же самая конфигурация, что и на фиг. 1 и 2, за исключением статора 4, обмотка которого образована литцендратом. Тем не менее, статор сохраняет то же самое расположение, что и на фиг. 1 и 2, относительно цилиндрической части 2 и толстой стенки 3.

Помимо наличия средства экранирования магнитного потока, вращающегося синхронно с полем, генерируемым магнитом 5 электрического двигателя или генератора и, следовательно, устранения потерь в средстве экранирования магнитного потока, устройство, показанное на фиг. 3 и 4, имеет статор с обмоткой из литцендрата, позволяющей значительно уменьшить потери, обусловленные вихревыми токами.

Как показано на фиг. 5, ротор 1 имеет два электрических двигателя с использованием силы Лоренца или генератора, расположенных симметрично по отношению к центру цилиндрической части 2 ротора 1.

Конфигурация двух двигателей или генераторов по существу такая же, что и на предыдущих фигурах, то есть они имеют два магнита 5 (по одному на каждый электрический двигатель или генератор) и два статора 4.

Предпочтительно статоры 4а и 4b имеют обмотку из литцедрата.

Ротор 1, образующий инерционный маховик, изготовлен таким образом, что ярмо 6 неподвижно соединяет цилиндрическую часть 2 с толстой стенкой 3.

Ярмо 6 выполнено таким образом, чтобы обладать очень большой жесткостью на его внутреннем радиусе вблизи цилиндрической части 2 с тем, чтобы не отсоединиться, и таким образом, чтобы быть гибким на его наружном радиусе вблизи толстой стенки 3, чтобы точно следовать деформациям толстой стенки 3.

Может использоваться несколько ярм 6, распределенных вдоль цилиндрической части 2 и толстой стенки 3, чтобы обеспечить надлежащее соединение между цилиндрической частью 2 и толстой стенкой 3.

Предпочтительно количество используемых ярм 6 определяется в зависимости от резонансных мод колеса в рассматриваемом диапазоне скоростей ротора 1.

Этот вариант осуществления изобретения позволяет значительно уменьшить потери энергии и ограничить саморазряд ротора благодаря значительному уменьшению потерь вследствие вихревых токов и гистерезиса и подавлению паразитных сил, дестабилизирующих вращение ротора 1. Кроме того, использование двух электрических двигателей с использованием силы Лоренца или генераторов обеспечивает улучшение стабильности, в частности осевой стабильности вращения ротора 1.

Как показано на фиг. 6 и 7, ротор 1 имеет конфигурацию, сходную с конфигурацией на фиг. 5, а именно, два электрических двигателя с использованием силы Лоренца или генератора, статоры 4 которых не показаны.

Вариант осуществления изобретения, раскрытый на фиг. 6 и 7, отличается от варианта осуществления на фиг. 5 тем, что он содержит магниты, расположенные согласно конфигурации Клауса Хальбаха на цилиндрической части 2 ротора 1 для образования двух цилиндров 5 Хальбаха или «магических цилиндров», а также тем, что ротор 1 преимущественно изготовлен из неферромагнитного материала. Средство экранирования магнитного потока обеспечивается двумя кольцами 7, изготовленными из ферромагнитного материала типа мягкого железа, при этом каждое кольцо интегрировано в структуру толстой стенки 3 ротора 1 и расположено напротив цилиндра Хальбаха.

Данный способ осуществления изобретения позволяет значительно уменьшить потери энергии и ограничить саморазряд ротора.

Подразумевается, что изобретение не ограничивается вариантами осуществления, описанными выше в качестве примеров, оно включает в себя все технические эквиваленты и варианты описанных средств, а также их возможные комбинации.

1. Устройство аккумулирования энергии, содержащее:

- ротор (1), образующий инерционный маховик,

- по меньшей мере один электрический двигатель с использованием силы Лоренца или генератор, содержащий ротор (1), статор (4) с обмоткой, не содержащий ферромагнитный материал, и по меньшей мере один магнит (5), закрепленный на роторе,

- по меньшей мере одно средство экранирования магнитного потока, отличающееся тем, что указанное средство экранирования потока установлено с возможностью синхронного вращения с магнитом (5) электрического двигателя или генератора.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит несколько магнитов (5), закрепленных на роторе (1), образующем инерционный маховик, и расположенных в соответствии с конфигурацией Клауса Хальбаха.

3. Устройство по любому из пп. 1, 2, отличающееся тем, что средство (7) экранирования потока закреплено на роторе (1), образующем инерционный маховик, напротив магнитов (5) и на стороне, противоположной магнитам (5) относительно статора (4).

4. Устройство по любому из пп. 1, 2, отличающееся тем, что средство экранирования потока выполнено в виде полоски, надетой на инерционный маховик.

5. Устройство по любому из пп. 1, 2, отличающееся тем, что статор (4) содержит многофазную обмотку.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что обмотка статора (4) содержит литцендрат.

7. Устройство по любому из пп. 1, 2, 6, отличающееся тем, что средства (7) экранирования потока выполнены из мягкого железа.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит два электрических двигателя с использованием силы Лоренца или генератора.

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что указанные два электрических двигателя или генератора смонтированы симметрично на каждой стороне срединной плоскости инерционного маховика.

10. Устройство по любому из пп. 8, 9, отличающееся тем, что статоры (4) указанных двух электрических двигателей или генераторов соединены последовательно.