https://patents.google.com/patent/US20070120430
https://patentimages.storage.googleapis.com/ae/34/73/8c2ca8c1cde16d/US20070120430A1.pdf
Анотація
Електричний генератор маховика складається зі стартового двигуна, обертового вала маховика, який обертається двигуном, маховика, що обертається через з'єднання з обертовим валом, множині постійних магнітів, розташованих у значно рівних просторах центральних кутів на зовнішніх колових секціях маховика, пари електромагнітів, розташованих нерухомо на прямій діаметрі маховика так, щоб дивитися на постійні магніти, та електронного генератора, який обертається в дію Роторний вал.
Опис
[0001] Ця заявка базується на попередній японській патентній заявці No 2005-346002, поданій 30 листопада 2005 року, весь її зміст включено сюди за посиланням.[0002] Цей винахід стосується електричного генератора маховика, який використовує кінетичну енергію обертання маховика.[0003] Електричний генератор маховика — це електричний генератор, який розряджає кінетичну енергію, накопичену в маховику, з'єднану з ротором електрогенератора, як електричну енергію. Тобто електричний генератор маховика використовує систему, за допомогою якої електрична енергія перетворюється на обертальну енергію об'єкта з великим інерційним моментом для її зберігання. Загалом, маховиковий електрогенератор часто використовується для подачі електроенергії на навантаження, яке потребує імпульсної великої електроенергії.[0004] Наприклад, ядерна термоядерна система, що утримує плазму магнітним полем, постачає електроенергію в кілька сотень тисяч кВт за короткий час, наприклад за кілька секунд, тому незручно безпосередньо отримувати таку імпульсну електроенергію з електросистеми через надто значний вплив на енергосистему. Тому таке поле електричної системи використовує маховиковий електрогенератор. Електричний генератор маховика працює за таким циклом, що збільшує кількість обертів електричного генератора протягом кількох хвилин для зберігання кінетичної енергії в маховику, а кінетичну енергію, накопичену в маховику, розряджає при подачі електроенергії на навантаження, що призводить до зменшення кількості обертів електрогенератора.[0005] Зазвичай звичайний маховиковий електрогенератор безпосередньо з'єднує електродвигун для приводу в рух до електрогенератора. Вихід електрогенератора не залежить від електричної системи, а маховиковий електрогенератор також змінює кількість обертів електрогенератора залежно від джерела живлення навантаження, тому частота також змінюється синхронно з кількістю обертів.[0006] РИС. 7 показує конфігураційний вигляд керуючого пристрою такого звичайного маховикового електрогенератора.Маховиковий електрогенератор 51 приводиться в дію електродвигуном для приводу 52 для зберігання кінетичної енергії в електрогенераторімаховика 51. Електродвигун 52 підключений до приймальної шини53 електросистеми через автомат 54 a і керуєтьсяпристроєм Шербіуса 55 на основі кількості обертівіз середнього 56 для визначення кількості обертів.Пристрій Шербіуса 55 здійснюєвторинне збудження електродвигуна 52 для регенерації частини вторинної електроенергії, що генерується на вторинній стороні шини 53 черезавтомат 54 b.[0007] Щоб забезпечити електроенергію від маховикаелектрогенератора 51на навантаження 57,електрогенератор 51 збуджуєтьсязбуджливим пристроєм 58 для генерації електроенергії і подає їїна навантаження 57, щоб зменшити кількість власних обертів.Електрогенератор 51 подає джерело збудження длязбуджувального пристрою 58 відшини-бару 53 через автомат 54 c (див., наприклад, Японська патентна заявка KOKAI Publication No. 2001-258294). [0008] Щодо конструкції електричного генератора на маховику, у звичайному маховіковому електрогенераторі, окрім такого, де маховик прикріплений до звичайного електричного генератора типу з виступаючими полюсами для його приводу в дію за допомогою звичайного підшипника в атмосфері, техніки використання магнітного вала, що складається з левітуючого магніту та левітуючого насипу з високотемпературного надпровідника, розташованого обличчям до левітуючого магніта в герметичному контейнері, та Експлуатація електричного генератора маховика шляхом встановлення атмосферного тиску ротора в герметичному контейнері в діапазоні від 0,1 атм до 0,4 атм розкривається (див., наприклад, патентна заявка на Японію KOKAI Publication No. 6-303738).[0009] У такому звичайному електричному генераторі з маховиком, чим важчою стає вага маховика, тим більшою стає кількість накопичення енергії, а з іншого боку, тим більшою стає механічна втрата на підшипнику тощо. Отже, у випадку використання звичайного підшипника для електрогенератора маховика, вимога великої потужності призводить до значних механічних втрат на підшипнику і, безумовно, знижує ефективність електрогенератора маховика.[0010] Як зазначено у наведеному вище патентному документі, у герметичному контейнері використовується магнітний вал, що складається з левітуючого магніту та левітуючого об'єму, що складається з високотемпературного надпровідника, розташованого обличчям до левітуючого магніту, у герметичному контейнері потребує великомасштабного пристрою для достатньої роботи над високотемпературним надпровідником.[0011] Як згадувалося вище, система розміщення електричного генератора маховика у герметичному контейнері не є бажаною, оскільки вся система стає складною та великою, і вона потребує багато часу на технічне обслуговування, інспекцію та подальше повторне запуск.[0012] Цей винахід винайдено на основі вищезазначеної ситуації, і його метою є створення маховикового електрогенератора, здатного ефективно виходити навіть в атмосфері.[0013] Маховиковий електрогенератор за втіленням цього винаходу включає пусковий двигун; обертовий вал маховика, який обертається стартовим двигуном; маховик, який обертається шляхом зчеплення з обертовим валом маховика; множинність постійних магнітів, розташованих на значно однаковій відстані на зовнішніх окружних секціях маховика; пара електромагнітів, розташованих у фіксованих положеннях з обох боків маховика вздовж напрямку діаметра так, щоб дивитися на постійні магніти; та електрогенератор, який обертається обертальним валом маховика.[0014] У описаному вище електричному генераторі маховика складається з двох шматків круглих пластин, розташованих окремо паралельно одна одній, та множини опорних пластин, які розташовані так, щоб з'єднати дві частини круглих пластин одна з одною на їх окружних ділянках, а множинність постійних магнітів підтримується на множині опорних пластин, відповідно.[0015] Крім того, у електрогенераторі маховика обертовий вал маховика з'єднаний відповідно з двигуном запуску та електрогенератором через першу та другу муфти.[0016] Крім того, у електричному генераторі маховика поверхні постійних магнітів і електромагнітів розташовані під заданим кутом нахилу.[0017] Крім того, у електрогенераторі маховика кут нахилу не перевищує 30° кожен.[0018] Крім того, у електричному генераторі маховика кут нахилу становить приблизно 22,5° кожен.[0019] Крім того, у електрогенераторі маховика перше і друге зчеплення є електромагнітними.[0020] Крім того, у маховиковому електрогенераторі постійні магніти парного числа розташовані на зовнішніх окружних секціях маховика.[0021] Крім того, у маховиковому електрогенераторі мінімальний зазор між поверхнями електромагнітів і постійних магнітів становить 1 мм.[0022] Додаткові цілі та переваги винаходу будуть викладені в наступному описі, і частково це буде очевидно з опису, або можуть бути вивчені на практиці винаходу. Цілі та переваги винаходу можуть бути реалізовані та отримані за допомогою інструментів і комбінацій, особливо зазначених далі.[0023] Супровідні креслення, які включені до специфікації та є її частиною, ілюструють втілення винаходу, а разом із загальним описом вище та детальним описом втілень, наведеним нижче, служать для пояснення принципів винаходу.[0024] РИС. 1 — це зразковий схематичний боковий вигляд, що демонструє втілення маховикового електрогенератора з поточного винаходу;[0025] РИС. 2 — це зразковий схематичний горизонтальний план електричного генератора маховика, показаний наРИС. 1 ;[0026] РИС. 3 — це зразковий горизонтальний поперечний переріз маховика, показаний нарис. 1 ;[0027] РИС. 4 — це зразковий графік, що вказує виміряний крутний момент крокового двигуна, показаний наРИС. 3 ;[0028] РИС. 5 — це зразковий частково збільшений вигляд крокового мотора, показанийна РИС. 3 ;[0029] РИС. 6 — це зразковий пояснувальний вигляд, який використовується для розрахунку крутного моменту при роботі електрогенератора маховика; та[0030] РИС. 7 — це зразкова блок-схема, що демонструє приклад використання звичайного маховикового електрогенератора.
[0031] Далі втілення цього винаходу будуть детально описані з посиланням на креслення.РИС. 1 — це зразковий боковий вигляд, що показує схематичну конфігурацію електричного генератора маховика відповідно до втілення цього винаходу, аРИС. 2 — його зразковий план.[0032] Маховиковий електрогенератор 1 у втіленні включає три ступені 2, 3 і 4, які розташовані відповідно у кожному положенні верхнього ступеня, середнього та нижнього ступеня у вертикальному напрямку.кутових структур Кутова структура верхнього ступеня 2 формується, як показано нарис. 2 , з трьохрук 2 a, які з'єднані так, що утворюють плоску форму трикутника. Верхній ступінь з 5 підтримуєтьсятрьома руками від 2 a до три,що несуть опорні руки 5 a у центральній частинікутової конструкції верхнього ступеня 2. Кутова структурасереднього ступеня 3 також має приблизно таку ж структуру, які структура верхнього кута 2. Тобто, серединний етапангельської структури 3 формується, як частково показано нарис. 3 , з трьохрук 3 a, які з'єднані між собою так, що її плоска форма стає трикутником. Середній ступінь з номером 6 підтримується трьомарукавами 3 a по три, що несутьопорні руки 6 a у центральній частинісередньої сцени ангельської структури 3.Нижня стадія ангельської структури 4 також має приблизно таку ж структуру, які верхня кутова структура 2. Тобто,нижній етап ангельської структури 4 також формується, як частково показано нарис. 3 , з трьохрук 4 a, які з'єднані між собою так, що її планерна форма стає трикутником. Нижній ступінь з опорою 7 підтримуєтьсятрьома руками 4 a до три,що несуть опорні руки 7 a у центральній частинікутової конструкції нижнього ступеня 4.[0033] Верхівки 2, 3 і 4 закріплені трьомакутових конструкцій фіксуючими полюсами 8, сформованими у вертикально обраному стані наосновах ніг 9 відповідно, ікутовими структурами 2. 3 і 4 з трьох етапів інтегрально пов'язані між собою.[0034] Маховик 11 закріплений наобертовому валу маховика 11, який обертається верхньою ступеневою підшипником 5, розташованою накутній структурі верхнього ступеня 2, та середньоступеневим підшипником 6, розташованим укутній структурі середнього ступеня 3 за допомогоюступиці 12.Роторний вал 11 a простягнутий вниз від середнього ступінь 6, а його нижній кінець з'єднаний з першимелектромагнітним зчепленням 13. Першеелектромагнітне зчеплення 13 також з'єднане з першимроторним валом 14 а. Таким чином,роторний вал маховика 11 a і першийроторний вал 14 a шківа з'єднуються або розділяються відповідно до відкриття/закриття першогоелектромагнітного зчеплення 13, і в результаті електроживлення передається або вимикається.[0035] Перший шків 14 з'єднаний ізпусковим двигуном 16, закріпленим на нижній поверхні середньоступеневоїангельської конструкції 3 черезремінь передачі 15.Відповідно, ремінь передачі 15 передає електроенергію відпускового двигуна 16 допершого шківа 14. Стартовийдвигун 16, наприклад, є двополюсним двигуном потужністю 2,2 кВт з інвертором, а його кількість обертів становить 3 400 об/хв.[0036] Маховик 11 — це ротор у формі кошика, у якому двіметалеві круглі пластини 11 b підтримуються паралельно одна одній множинами аркушівзалізних опорних плит 17. Тут, наприклад,опорні плити 17 формуються з 18 листів і розташовані на рівному кутовому просторі близько 20° на периферійних краях кожноїкруглої пластини 11 b. Коженпластиноподібний постійний магніт 18 закріплений на поверхні листа приблизно в центральній частині у вертикальному напрямку кожноїопорної плити 17.[0037] РИС. 3 — це горизонтальний поперечний виглядмаховика 11, показаний наРИС. 1 . Як показанона рис. 3 , кожна поверхняпластини опорних плит 17 не перпендикулярна кожному напрямку радіусамаховика 11 і розташована з нахилом до неї. Кожна поверхня пластини пластиноподібних постійних магнітів 18, закріплених на кожній поверхніопорних плит 17, також розташована з нахилом до напрямку радіуса. Кут нахилу становить близько 67,5° за поперечним кутом між напрямком радіусумаховика 11 і поверхнею пластини постійного магніту 18, і близько 22,5° на поперечному куті між дотичним напрямком кола, що утворює зовнішню колімаховика 11, і поверхнею пластинипостійного магніту 18.[0038] Параелектромагнітів 19 розташована у фіксованих позиціях з обох боківмаховика 11 вздовж напрямку діаметра 18, щоб дивитися напостійний магніт 18.[0039] РИС. 5 — це частково збільшений вигляд, що показує позиційний зв'язок міжпостійним магнітом 18, закріпленим на зовнішній окружній частинімаховика 11, іелектромагнітом 19, розташованим протипостійного магніту 18.Постійний магніт 18 має форму, горизонтальна поперечна форма якої — прямокутна здовгою стороною 18 a ікороткою стороною 18 b, і коженкут 18 c, на 18 a і 18 b перехрещені розташовані на зовнішньому окружному краї Cяких сторони маховика 11. Тут напрямок обертання маховика 11 позначається стрілкою A.Довга сторона 18 a розташована з нахилом так, щоб бути ближче до центральної сторони, а не до зовнішнього кромового ребру C у напрямку обертання. Кут нахилу експериментально підтверджується, що описаний вище кут є кращим для цього.[0040] З іншого боку, параелектромагнітів 19 розташована в позиціях, спрямованих напостійні магніти 18, які закріплені на зовнішніх колових секціяхмаховика 11 із визначеними проміжками.Електромагніти 19 розташовані відповідно, як показано нарис. 3 , по протилежних боках на лінії діаметра (не показано), що перетинаємаховик 11. Не показана на рисунку, параелектромагнітів 19 підтримуєтьсяфіксуючими полюсами 18, які фіксують 2, 3 і 4 на колікутові структури маховика 11.[0041] За наведеною вище схемою коженіз постійних магнітів 18 іелектромагніт 19 утворюють магнітне коло для двигуна. Іншими словами,магніт 18 утворює ротор, параелектромагнітів 19 — статор, а подаючи імпульсний сигнал на паруелектромагнітів 19, утворює кроковий двигун (імпульсний двигун). Наприклад, ступовий мотор приводить у рухмаховик 11 у момент, коли кількість обертів становить 400 об/хв. [0042] У нижній частиніпершого шківа 14гальмівний диск 21, що працює як дисковий гальм, закріплений до першогороторного вала 14 а, а другеелектромагнітне зчеплення 22 з'єднане з нижнім кінцемобертового вала 14 а. Протилежний кінець другогоелектромагнітного зчеплення 22 закріплений дороторного валу 23 a, нижній кінець якого обертаєтьсянижнім ступідним підшипником 7.Другий блок 23 закріплений до другогороторного вала шківа 23 a.Трансмісійний ремінь 25 з'єднуєдругий шків 23 зелектрогенераторним шківом 27, закріпленим на обертовому валуелектрогенератора 26.Електрогенератор 26, що обертається відповідно до обертанняелектрогенераторного блока 27, має, наприклад, номінальну потужність 7,5 кВт, змінну частоту 30 Гц і кількість обертів 600 об/хв.[0043] Крім того, операціїелектрогенератора 26 змаховіком 11, як зазначено вище, будуть описані шляхом поділу їх на три етапи.[0044] (Крок 1: Етап запуску)[0045] Електрогенератор 26 закриває перше зчеплення 13, щоб підняти обертаннястартового двигуна 16 у стані з відкритим другим зчепленням 22, після чого передає крутний момент на першийроторний вал 14 а шківа черезремінь передачі 15 іперший шків 14 Щоб повернути його. У цей момент, коли перше зчеплення 13 закрилося, першийроторний вал 14 a іроторний вал маховика 11 a з'єднані між собою. Обертання першогоротаційного вала шківа 14 a таким чином передається наобертовий вал маховика 11 a для його обертання та подальшого обертаннямаховика 11, закріпленого на обертальному валу маховика 11 a.[0046] (Step 2: Flywheel Rotation Step)[0047] After starting up the rotation of theflywheel 11, theelectric generator 26 opens the first clutch 13 to disconnect theflywheel rotary shaft 11 a from therotary shaft 14 a of thefirst pulley 14. In this state, the pair ofelectromagnets 19 is supplied with pulse currents by a pulse signal generator, which is not shown in the drawings. The pulse currents are applied at timing right after eachpermanent magnet 18 has passed through the position facing eachelectromagnet 19 by the rotations of theflywheel 11. As the result of the excitation caused by the pulse signals from theelectromagnets 19, repulsive force generated between theelectromagnets 19 and thepermanent magnets 18 further applies torque to theflywheel 11 in the rotating direction thereof.[0048] РИС. 4 — це графік, що показує результат вимірювання взаємозв'язку між відносними положеннямипостійних магнітів 18 іелектромагнітами 19, розташованими намаховику 11, та крутним моментом (силою вибуття). Під час вимірювання кожна поверхня пластинипостійного магніту 18 розміщується у стані, в якому вона не нахилена до напрямку радіуса маховика 11, а ортогонально йому, і кожна протилежна щілина міжпостійним магнітом 18 іелектромагнітом 19 у напрямку радіуса підтримується на рівні 1 мм. Бічна вісь нарис. 4 позначає відстань (мм) міжпостійним магнітом 18 іелектромагнітом 19 у напрямку обертаннямаховика 11 у діапазоні від 0 до 20 мм, а поздовжня вісь — крутний момент (кг) на кроковому двигуні.[0049] Як зазначено нарис. 4 , крутний момент крокового двигуна досягає максимального значення близько 8 кг, коли відстань міжпостійним магнітом 18 іелектромагнітом 19 у напрямку обертання становить близько 8 мм. Максимальний крутний момент генерується як тягуча сила, коли відстань міжпостійним магнітом 18 іелектромагнітом 19 стає 8 мм до того, якпостійний магніт 18 проходить через положення, спрямоване на електромагніт 19 (вхідна сторона), і як сила реакції, коли відстань міжпостійним магнітом 18 іелектромагнітом 19 стає 8 мм після того, якпостійний магніт 18 проходить через положення, спрямоване на електромагніт 19 (вихідна сторона). Однак у втіленні винаходу, як показанона рис. 5 , кожнаповерхня пластини постійного магніту 18 нахилена до напрямку радіуса маховика 11, а імпульсні струми подаються у момент запалювання одразу після того, якпостійний магніт 18 проходить через положення, протилежне доелектромагніту 19 обертанняммаховика 11. Іншими словами, якщо імпульсні струми дляелектромагніту 19 подаються на вихідній стороні,електрогенератор 26 може безперервно керувати крутним моментом такождо сторони 18 bвід постійного магніту 18 після того, як крутний момент насторону 18 a зовнішньої окружної сторонипостійного магніту 18. Ця робота дозволяєелектрогенератору 26 прикладати сильну силу вибивання напостійний магніт 18. Цей факт також підтверджується експериментально.[0050] Після досягнення достатньої швидкостіобертання маховика 11, навіть колиелектрогенератор 26 перестає подавати імпульсні струми наелектромагніт 19,маховик 11 підтримує обертання самостійно протягом визначеного часового інтервалу за допомогою інерції.[0051] (Крок 3: Етап генерації електроенергії)[0052] Колимаховик 11 досягає заданої кількості обертів, електрогенератор 26 переводить у замкнений стан як перше, так і 13 і 22. Роботи двохдруге зчеплення 13 і 22 забезпечують зчеплення міжмуфт роторним валом маховика 11 a, першимротаційним валом 14 a і другимроторним валом 23 a між собою. Зчеплення забезпечує передачу обертівмаховика 11 на другийроторний вал шківа 23 a черезобертовий вал маховика 11 a і першийобертовий вал 14 a, утворюючидругий роторний вал 23 aОберніть. Обертання другогороторного вала 23 a змушуютьдругий блок 23 обертатися, аелектрогенераторний шків 27 обертається черезтрансмісійний ремінь 25.Електрогенераторний блок 27 закріплений на обертовому валуелектрогенератора 26,електрогенератор 26 генерує електроенергію.Електрогенератор 26 можна зупинити, керувавширозривним диском 21.[0053] Далі крутний момент, що діє наобертовий вал маховика 11 а при роботіелектрогенератора маховика 1, буде описаний за допомогою пояснювального зображення електричного генератора маховика цього винаходу, показаного нарис. 6 .На рис. 6 два 13 і 22 перебувають у стані замикання при генерації електроенергії. Таким чином, кожензчеплення 11 a, 14 a і 23 a можна розглядати як один вал,із роторних валів 13 і 22 опущені назчеплення рис. 6 .[0054] Крутний момент (TF)роторного вала маховика 11 a стає сумою крутного моменту (TA) від стартовогодвигуна 16 та крутного моменту (TB) від крокового двигуна, утвореного на зовнішній окружній частинімаховика 11. Далі крутний момент (TF), (TA) і (TB) будуть пояснюватися по черзі.[0055] (a) Крутний момент (TA) від стартовогодвигуна 16роторного вала маховика 11 a[0056] [0057] [0058] Формула-2 модифікується наступним чином: де потужність пусковогодвигуна 16 становить 2,2 кВт, а кількість обертівроторного вала маховика 11 а — 400 об/хв
TA(Nm)=(60 000/2π)2,2/400[0059] При виконанні одиничного перетворення з Нм у кг виконується така формула.[0060] Отже, крутний момент TA відстартового двигуна 16роторного вала маховика 11 a становить 5,36 кг·м.[0061] [0062] Оскільки діаметрмаховика 11 становить 1,5 м, крутний момент (сила вибуття) від відштовхувальної сили відпостійного магніта 18 іелектромагніта 19 домаховика 11 становить 8 кг, а електромагніти 19 розподіляються у двох точках відповідно, крутний момент TB від крокового двигуна виражається так:
TB=(8×1,5/2)×2=12 кг·м[0063] Відповідно, крутний момент (TF) відроторного вала маховика 11 a виражається так:
TF=TA+TB=5,36 кг·м+12 кг·м=17,36 кг·м[0064] Далі, при розрахунку крутного моменту (TG)електрогенератора 26 за крутним моментом (TF)роторного вала маховика 11 a, оскільки кількість обертівелектрогенератора 26 становить 600 об/хв, крутний момент (TG) отримується так:
TG=17,36/(600/400)=11,57 кг·м[0065] З іншого боку, при одноразовому розрахунку крутного моменту (TH) роторноговала електрогенератора 26 за допомогоюФормули 2, оскільки вихідний моментелектрогенератора 26 становить 67 кВт, а кількість обертів — 600 об/хв, крутний момент (TH) отримується таким чином:
TH=(6,7×974)/600=10,87 кг·м[0066] Тут, порівнюючи крутний момент (TG) роторного валаелектрогенератора 26, отриманий від крутного моменту (TF)обертового вала маховика 11 a з крутним моментом (TH), обчисленим окремо задопомогою Формули 2, залежність між моментами (TG) і (TH) виражається так:
TG=11,57 кг·м>TH=10,87 кг·м[0067] Тобто,маховик 11 застосовується до електрогенератора 26 крутного моменту, не меншого за номінальну потужністьелектрогенератора 26. Відповідно, стало очевидно, що електричнийгенератор маховика 1 може збільшувати вироблену електроенергію, яка виходить віделектрогенератора 26.[0068] Цей винахід не обмежується конкретними деталями та репрезентативними втіленнями, показаними та описаними тут; цей винахід може бути змінений у різних формах, не виходячи за межі духу чи межі загальної винахідницької концепції.

Немає коментарів:
Дописати коментар