Диски высокой энергии: маховичный накопитель. Кинетический аккумулятор


Маховичный накопитель | Журнал Популярная Механика

Сегодня ученые со всего мира безуспешно пытаются создать недорогой, легкий, компактный и невероятно емкий аккумулятор. А между тем такой накопитель энергии уже существует.

Николай Корзинов

23 ноября 2008 12:00

Мир электроники и электричества наступает! Милые поклонникам механики устройства все чаще уступают место машинам с электромоторами и электронными схемами. Однако мир будущего станет более механическим! Так считает профессор Нурбей Гулиа. За последние десятилетия механические накопители энергии заметно прибавили в энергоемкости, и именно их, по мнению ученого, будут использовать во многих устройствах вместо привычных электрохимических аккумуляторов.

Пружина, резина, конденсатор…

Во всем мире вряд ли найдется человек, который посвятил себя разработке маховичных накопителей энергии в большей мере, чем Нурбей Гулиа. Ведь делом своей жизни изобретатель начал заниматься в 15 лет. Тогда советский школьник Нурбей решил изобрести «энергетическую капсулу» — так он назвал накопитель энергии, который должен был стать столь же энергоемким, как бак с бензином, но при этом копить в себе абсолютно безвредную для человека энергию. Первым делом любознательный школьник опробовал аккумуляторы различных типов. Одним из самых безнадежных вариантов оказался пружинный накопитель. Чтобы обычный легковой автомобиль проехал с таким аккумулятором 100 км пути, последний должен был весить 50 т.

От маховиков к супермаховикам От маховиков к супермаховикам В качестве накопителей энергии маховики применяют уже несколько столетий, однако качественный скачок в области их энергоемкости произошел только в 1960-е году, когда были созданы первые супермаховики. 1. Супермаховик в работе Супермаховик выглядит, как обычный, но внешняя его часть свита из прочной стальной ленты. Витки ленты обычно склеены между собой. 2. Супермаховик после разрыва Если разрыв обычного маховика разрушителен, то в случае супермаховика лента прижимается к корпусу и автоматически затормаживает накопитель — все совершенно безопасно.

Резиновый аккумулятор показался куда перспективней: накопитель с зарядом на 100 км мог весить «всего» 900 кг. Заинтересовавшись, Нурбей даже разработал резиноаккумулятор инновационной конструкции для привода детской коляски. Один из прохожих, очарованный самоходной коляской, посоветовал разработчику подать заявку в Комитет по изобретениям и даже помог ее составить. Так Гулиа получил первое авторское свидетельство на изобретение.

Вскоре резину сменил сжатый воздух. И опять Нурбей разработал инновационное устройство — относительно компактный гидрогазовый аккумулятор. Однако, как выяснилось в ходе работы над ним, при использовании сжатого газа энергетический «потолок» был невысок. Но изобретатель не сдался: вскоре им был построен пневмокар с подогревом воздуха горелками. Эта машина получила высокую оценку у его друзей, но по своим возможностям была еще далека от того, чтобы конкурировать с автомобилем.

Маховики на транспорте можно использовать как в качестве аккумуляторов энергии, так и в виде гироскопов. На фотографии изображен маховичный концепт-кар Ford Gyron (1961), а впервые гиро-кар был построен в 1914 году русским инженером Петром Шиловским.

Особенно тщательно будущий профессор отнесся к проработке варианта «электрической капсулы». Нурбей оценил возможности конденсаторов, электромагнитов и, разумеется, собрал всю возможную информацию об электрохимических аккумуляторах. Был даже построен электромобиль. В качестве аккумулятора для него конструктор использовал батарею МАЗа. Однако возможности тогдашних электрохимических аккумуляторов Гулиа не впечатлили, не было и оснований ожидать, что в области энергоемкости произойдет прорыв. Поэтому из всех накопителей энергии наиболее перспективными Нурбею Владимировичу показались механические аккумуляторы в виде маховиков, несмотря на то что в то время они ощутимо проигрывали электрохимическим накопителям. Тогдашние маховики, даже сделанные из самой лучшей стали, в пределе могли накопить только 30−50 кДж на 1 кг массы. Если раскручивать их быстрее, они разрывались, приводя в негодность все вокруг. Даже свинцово-кислотные аккумуляторы с энергоемкостью 64 кДж/кг смотрелись на их фоне крайне выигрышно, а щелочные аккумуляторы с плотностью энергии 110 кДж/кг были вне конкуренции. Кроме того, уже тогда существовали страшно дорогие серебряно-цинковые аккумуляторы: по удельной емкости (540 кДж/кг) они примерно соответствовали самым емким на сегодня литий-ионным аккумуляторам. Но Гулиа сделал ставку на столь далекий от совершенства маховик…

Маховик на миллион

Чем выше частота вращения маховика, тем сильнее его частицы «растягивают» диск, пытаясь его разорвать. Поскольку разрыв маховика дело страшное, конструкторам приходится закладывать высокий запас прочности. В результате на практике энергоемкость маховика раза в три ниже возможной, и в начале 1960-х годов самые совершенные маховики могли запасать всего 10−15 кДж энергии на 1 кг. Если же применить более устойчивые к разрыву материалы, прочность маховика станет выше, но такой скоростной маховик становится опасным. Получается порочный круг: прочность материала возрастает, а предельная энергоемкость увеличивается незначительно. Нурбей Гулиа поставил своей задачей вырваться из этого замкнутого круга, и в один памятный день он испытал момент внезапного прояснения. На глаза изобретателю попался тросик, свитый из проволок, — такие обычно применяют в тренажерах для подъема тяжестей. Тросик был примечателен тем, что обладал высокой прочностью и никогда не рвался сразу. Именно этих качеств и не хватало тогдашним маховикам.

Накопитель Накопитель Сегодня благодаря высокой энергоемкости супермаховики применяют во многих областях — от применения в спутниках связи в качестве аккумулятора энергии до использования в электростанциях для повышения их КПД. На схеме изображен маховичный накопитель, который применяют на американских электростанциях для повышения их КПД. Потери энергии в супермаховиках составляют всего 2% - это достигается, в том числе, за счет того, что он вращается в вакуумном кожухе на магнитных подшипниках.

Ученый принялся за работу: сначала поэкспериментировал с тросом, скатав из него маховик, а потом заменил проволочки тонкой стальной лентой такой же прочности — ее намотка была плотнее, а для надежности можно было склеить витки ленты между собой. Разрыв такого маховика уже не представлял опасности: при превышении предельной скорости первой должна была оторваться наиболее нагруженная внешняя лента. Она прижимается к корпусу и автоматически затормаживает маховик — никаких несчастных случаев, а оторванную ленту можно приклеить снова.

Первое испытание, когда ленточный маховик Гулиа раскручивался от скоростного электромотора пылесоса, прошло успешно. Маховик вышел на максимальную частоту вращения без разрыва. А затем, когда ученому удалось испытать этот маховик на специальном разгонном стенде, выяснилось, что разрыв наступал только при скорости обода почти 500 м/c или плотности энергии около 100 кДж/кг. Изобретение Гулиа в несколько раз превзошло по плотности энергии самые передовые на то время маховики и оставило позади свинцово-кислотные аккумуляторы.

Механический гибрид Гулиа (1966) Механический гибрид Гулиа (1966) Это возможно первый в мире гибридный автомобиль. Его передние колеса приводились от ДВС, тогда как задние от вариатора и маховика. Такой опытный образец оказался вдвое экономичней, чем УАЗ-450Д.

В мае 1964 года Гулиа первым в мире подал заявку на изобретение супермаховика, но из-за бюрократизма советской патентной системы получил необходимый документ только через 20 лет, когда срок его действия уже истек. Но приоритет изобретения за СССР сохранился. Жил бы ученый на Западе — давно бы стал мультимиллионером.

Через какое-то время после Гулиа супермаховик изобрели и на Западе, и спустя годы ему находят множество применений. В разных странах разрабатываются проекты маховичных машин. Американские специалисты создают беспилотный вертолет, в котором вместо двигателя используют супермаховики. Отправляют супермаховики и в космос. Там для них особенно благоприятная среда: в космическом вакууме нет аэродинамического сопротивления, а невесомость устраняет нагрузки на подшипники. Поэтому на некоторых спутниках связи применяются супермаховичные накопители — они долговечнее электрохимических аккумуляторов и могут долгое время снабжать аппаратуру спутника энергией. Недавно в США стали рассматривать возможность применения супермаховиков в качестве источников бесперебойного питания для зданий. Там уже работают электростанции, которые во время пика потребления энергии увеличивают мощность за счет маховичных накопителей, а при спаде, обычно в ночное время, направляют избытки энергии на раскручивание маховиков. В итоге у электростанции значительно повышается КПД работы. Кроме того, потери энергии в супермаховиках составляют всего 2% - это меньше, чем у любых других накопителей энергии.

Профессор Гулиа тоже времени зря не терял: создал очень удобную маховичную дрель, разработал первый в мире гибридный маховичный автомобиль на базе УАЗ-450Д — он оказался вдвое экономичней обычной машины. Но главное — профессор постоянно совершенствует разные элементы своей маховичной концепции, чтобы сделать ее по-настоящему конкурентоспособной.

Чудо-махомобили

Можно ли вывести супермаховик на уровень самых емких аккумуляторов? Оказывается, это не проблема. Если вместо стали использовать более прочные материалы, то пропорционально вырастет и энергоемкость. Причем, в отличие от электрохимических аккумуляторов, здесь практически нет потолка.

Супермаховик из кевлара на испытаниях при той же массе накапливал в четыре раза больше энергии, чем стальной. Супермаховик, навитый из углеволокна, может в 20−30 раз превзойти стальной по плотности энергии, а если использовать для его изготовления, например, алмазное волокно, то накопитель приобретет фантастическую энергоемкость — 15 МДж/кг. Но и это не предел: сегодня с помощью нанотехнологий на основе углерода создаются волокна фантастической прочности. «Если из такого материала навить супермаховик, — рассказывает профессор, — плотность энергии может достичь 2500−3500 МДж/кг. А значит, 150-килограммовый супермаховик из такого материала способен обеспечить легковому автомобилю пробег в два с лишним миллиона километров с одной прокрутки — больше, чем может выдержать шасси машины».

Маховичные машины Маховичные машины Если объединить в одну схему супермаховик и супервариатор расход привычного автомобиля можно снизить ниже 2 л/100 км, считает Нурбей Гулиа. На фото приведена схема работы маховичной машины на топливных элементах, справа автомобиля с ДВС.

За счет того что супермаховик вращается в вакууме, а его ось закреплена в магнитной подвеске, сопротивление при вращении оказывается минимальным. Возможно, такой супермаховик может крутиться до остановки многие месяцы. Однако машина, способная работать в течение всего срока службы без заправок, пока еще не изобретена. Мощности современных электростанций определенно не хватит для зарядки таких серийных чудо-махомобилей.

Но именно автотранспорт, считает профессор, самая подходящая сфера применения супермаховиков. И показатели машин проекта Гулиа, на которых он планирует использовать супермаховики, не менее удивительные. По оценке ученого, «здоровый» расход топлива у бензинового автомобиля должен составлять примерно 1,5 л на 100 км, а у дизельного — 1,2 л.

Как такое возможно? «В энергетике есть неписаный закон: при одинаковых капиталовложениях всегда более экономичен привод, в котором нет преобразований видов и форм энергии, — поясняет профессор. — Двигатель выделяет энергию в виде вращения, и ведущие колеса автомобиля потребляют эту энергию тоже в виде вращения. Значит, не надо преобразовывать энергию двигателя в электрическую и обратно, достаточно передавать ее от двигателя к колесам через механический привод».

www.popmech.ru

Механический аккумулятор / Средства передвижения. / Коллективные блоги / Steampunker.ru

Человек, внесший наибольший вклад в развитие данного вида накопителей, родился в 1939 году в Тбилиси, где начал заниматься делом всей своей жизни уже в 15 лет. Нурбей решил изобрести «энергетическую капсулу» — так он назвал накопитель, которым он собирался заменить бак с бензином.Механический аккумулятор Первым делом советский школьник Нурбей опробовал различные типы аккумуляторов. От пружинного сразу же пришлось отказаться из-за слишком большого веса( 50т — для преодоления обычным легковым автомобилем дистанции в 100 км). Резиновый аккумулятор был более перспективным — для выполнения той же задачи ему требовалась масса всего в 900 кг. Гулиа даже построил детскую коляску с иновационным резиномотором. Во время испытаний, один из прохожих, очарованный изобретением школьника, посоветовал подать заявку в Комитет по изобретениям, и более того помог ее составить. Так Гулиа получил свое перво авторское свидетельство на изобретение. Но на этом он не остановился, и за резиновым аккумулятором последовал газовый( на сжатом воздухе), а также электрохимические накопители, конденсаторы… но всё это показалось ему не перспективным. Возможности тогдашних электро аккумуляторов его не впечатлили, и не было оснований ждать рывка в этой области. Так из всех накопителей Нурбею Владимировичу наиболее перспективными показались механические накопители с маховиком. Предел накопимости маховиков тех лет был от 30 до 50 кДж на 1 кг массы. А если раскрутить их быстрее, то они просто разрывались. Фактически же в начале 1960-х годов их предел был всего 10-15 кДж/кг. Но увеличить энергоемкость можно применив более устойчивые к разрыву материалы, прочность станет выше, но и опасность от него тоже увеличивается. Вот и получается замкнутый круг: прочность материала возрастает, а энергоемкость увеличивается незначительно. Так было до одного памятного дня, в который изобретателю на глаза попался тросик, свитый из стальных нитей(проволоки. Тросик примечателен тем, что обладает высокой прочностью, и что пожалуй самое главное, никогда не рвётся сразу.Трос В процессе экспериментов трос был заменен на стальную ленту: маховик из нее получается более плотным. А также при разрыве этот маховик уже не был столь опасен: при перегрузке отрывается наиболее нагруженная внешняя лента. Она, прижимаясь к корпусу, затормаживает маховик — никакой опасности, а ленту можно приклеить назад. При испытании на специальном стенде этот маховик показал невиданную энергоемкость — разрыв наступал при плотности энергии около 100кДж/кг. Например у свинцово-кислотных аккумуляторов энергоемкость была 64 кДж/кг, а у щелочных 110 кДж/кг. Также существовали невероятно дорогие серебряно-цинковые аккумуляторы — 540 кДж/кг. В те же 1960 года профессор создал маховичную дрель. Преимущество ее было в том, что дрели тогда существовали только механические, с ручным приводом. Затем он создал гибрид автомобиля УАЗ 450Д. Возможно это был первый гибрид. Его передние колеса приводились от ДВС, а задние — от вариатора и маховика. Этот автомобиль оказался вдвое экономичней оригинала.Гибрид

Если вместо стали использовать другой материал, например углеволокно, то маховик преобретет просто фантастическую энергоемкость — 2500-3500 мДж/кг. А значит 150-килограммовый супермаховик из такого материала способен обеспечить автомобиль пробегом в 2, а то и более миллиона километров с одной прокрутки — больше чем может выдержать шасси. За счет того что супермаховик вращается в вакууме, а его ось закреплена в магнитной подвеске, сопротивление при вращении оказывается минимальным. Возможно, такой супермаховик может крутиться до остановки многие месяцы. Однако машина, способная работать в течение всего срока службы без заправок, пока еще не изобретена. Мощности современных электростанций определенно не хватит для зарядки таких серийных автомобилей.Механический аккумулятор (Фото 2) Но именно автотранспорт по мнению профессора является наиболее подходящей сферой применения его изобретения. Даже по самым скромным оценкам при применении этой технологии расход топлива у бензинового автомобиля должен составлять 1,5 л на 100 км, а у дизельного всего 1,2 литра.

У всех читателей должен возникнуть вполне очевидный вопрос — «почему же при всех достоинствах этой системы она пока не используется на автомобилях?» Но всё далеко не так просто, для такой машины необходим супервариатор, появившийся не так давно, и сейчас только начинает производиться. Так что чудо-автомобиль на подходе.

Мое же мнение по этому поводу я изложу в своем следующем посте… ну или просто отпишусь в комментах)

По материалам журнала Популярная Механика

steampunker.ru

Двигатель с кинетическим аккумулятором

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателям с аккумулированием кинетической энергии. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель состоит из основания, вращающегося кольца, приводного редуктора, соединительной муфты, вала привода, понижающего редуктора и приборов контроля. На основании закреплена опорная ось вращающегося кольца и опора промежуточной шестерни приводного редуктора. На одном конце вала привода установлена муфта разгонная, на другом конце вала привода установлен понижающий редуктор. При включении приводного двигателя последний через разгонную муфту и двухступенчатый редуктор первоначально раскручивает вращающееся кольцо до установленного верхнего предела угловой скорости вращения, накапливает кинетическую энергию, и приводной двигатель отключается. Мощность от вращающегося кольца передается на трансмиссию транспортного средства. При снижении угловой скорости вращения вращающегося кольца до установленного нижнего предела включается приводной двигатель, который дораскручивает вращающееся кольцо до верхнего предела угловой скорости вращения и отключается, далее процесс повторяется. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть применено в качестве силовой установки на автомобилях, других видах транспорта, а также для привода энергетических машин. Известны двигатели с механическим аккумулятором, в которых в середине прошлого века механическая энергия раскручивала маховик, аккумулировала в нем кинетическую энергию, то есть заряжала его, последняя приводила в движение гировозы, которые осуществляли движение небольших поездов. Длина пробега поезда после одной зарядки маховика составляла 4-5 км, применялись гировозы в качестве вспомогательного транспорта во взрывоопасных шахтах. Некоторое практическое применение получили тогда в Бельгии, Швейцарии, России электрожиробусы, оборудованные маховым агрегатом, состоящим из асинхронного двигателя-генератора, сочлененного с маховиком, и тяговых электродвигателей. При этом КПД был менее 50%, а по затратам в эксплуатации дороже троллейбуса и автобуса (БСЭ том 9, стр.222). Основными недостатками были: применение в качестве аккумулятора-маховика стального сплошного диска, момент инерции которого в два раза меньше (J=mr2/2,) например, тонкостенного цилиндрического кольца (J=mr2), так как во вращательном движении роль массы играет момент инерции; небольшое максимальное число оборотов 2000-3000 об/мин), при котором невысокая угловая скорость вращения маховика не могла развивать и аккумулировать большое количество кинетической энергии, T=J/2ω2. Эти недостатки сделали двигатель громоздким, не эффективным и утратили интерес в его дальнейшем развитии и применении.

Кинетическая энергия (T=J/2ω2) является наиболее распространенной энергией, с которой мы постоянно сталкиваемся в повседневной жизни, практически мало изучена, забыта и не используется. Потенциал этой энергии огромен и в применении безграничен, не требует больших затрат на создание на ее базе двигателей на кинетической энергии, которые могут составить серьезную конкуренцию современным двигателям, другим силовым установкам, работающим на углеводородном или биологическом топливе, экологически чистый. Современные технологии позволяют изготовить любые детали указанного двигателя.

Основу двигателя на кинетической энергии составляет тело вращения цилиндрической формы, в данном случае кинетическое кольцо небольшой массы и габаритов, с высоким моментом инерции, которое может накапливать большой заряд кинетической энергии и передавать часть этой энергии в виде работы на трансмиссию автомобиля, другого транспортного средства. Кинетическая энергия кинетического кольца обладает рядом важнейших свойств: при ее угасании или торможении производит работу, что позволяет осуществлять отбор части этой энергии путем рекуперации для привода машин и механизмов; механическая энергия приводного двигателя, передаваемая кинетическому кольцу при его первоначальном раскручивании до установленного верхнего предела угловой скорости вращения, и последующих дораскручиваниях, изменяет величину потенциала массы кинетического кольца при возрастании угловой скорости его вращения, если скорость увеличивается, то потенциальная энергия кинетического кольца (его инертность) уменьшается, в то же время, возрастает «напряженность» массы кинетического кольца, которая возрастает пропорционально этой «напряженности» и создает заряд кинетической энергии (аналогично автомобилю - чем больше скорость, тем меньше требуется мощности двигателя на движение автомобиля). В результате сумма потенциальной и кинетической энергий остается постоянной, что соответствует требованиям Закона сохранения энергии. Следовательно, масса (момент инерции) является определяющим элементом в кинетическом аккумуляторе. Предлагаемый двигатель с кинетическим аккумулятором преобразует механическую энергию приводного двигателя в заряд кинетической энергии кинетического кольца, осуществляет отбор путем рекуперации части этой энергии, которая производит работу по приведению в действие машин и механизмов, электрогенераторов и др.

Устройство двигателя на кинетической энергии (фиг.1) состоит из основания 1, кинетического кольца 2, опорного вала 3, двухступенчатого редуктора 4, вала 5 привода, муфты 6 разгонной, компенсатора 7 мощности, понижающего редуктора 8, приводного двигателя 9, кожуха 11. Основание 1 представляет собой стальную сварную конструкцию, на которой установлен опорный вал 3, консоль 12. Кинетическое кольцо 2 установлено на опорном валу 3, на двух подшипниках 13, с торца закреплена малая цилиндрическая шестерня 14 редуктора 4. Опорный вал 3 установлен на двух радиальных подшипниках 15 и одном упорном подшипнике 16, в гнездах 17 основания 1. Редуктор 4 привода состоит из пары цилиндрических шестерен 14 и 18 и пары конических шестерен 19 и 20, большая цилиндрическая шестерня 18 установлена на консоли 12, на подшипнике 21 и жестко соединена с малой конической шестерней 19, большая коническая шестерня 20 установлена и закреплена на валу 5 привода. Вал 5 привода установлен на подшипниках 22 в гнездах 23 основания 1. Муфта 6 разгонная соединяет вал 5 привода с приводным двигателем 9. Компенсатор 7 мощности установлен на валу 5 привода, соединен с понижающим редуктором 8 и выполняет частично функции вариатора. Приводной двигатель 9 установлен на раме 24 транспортного средства и производит первоначальное раскручивание через приводной редуктор 4, кинетическое кольцо 2 и дальнейшее его дораскручивание в процессе работы системы через определенные промежутки времени. Трансмиссия 10 транспортного средства. Кожух 11.

Работа двигателя с кинетическим аккумулятором (фиг.1). В исходном положении кинетическое кольцо 2 находится в состоянии покоя, то есть не вращается. При включении приводного двигателя 9 муфта 6 соединяется с валом привода 5 и через шестерни редуктора 4 раскручивает кинетическое кольцо 2 до установленного верхнего предела угловой скорости вращения, последнее аккумулирует максимальный заряд кинетической энергии, и приводной двигатель 9 отключается. С этого момента кинетическое кольцо 2 вращается свободно от приводного двигателя и передает часть заряда кинетической энергии через редуктор 4 на вал 5 привода. Энергия производит работу, вращает вал 5 и через компенсатор 7 мощности передает усилие энергии на трансмиссию 10 транспортного средства. Через определенное время часть заряда кинетической энергии расходуется, и угловая скорость вращения кинетического кольца 2 снижается. Достигнув нижнего предела угловой скорости вращения, автоматически включается приводной двигатель 9, который дораскручивает кинетическое кольцо 2 до верхнего предела угловой скорости его вращения, кинетическое кольцо накапливает максимальный заряд кинетической энергии и приводной двигатель отключается. Далее процесс повторяется. Двигатель с кинетическим аккумулятором может быть выполнен (фиг.2) с одноступенчатым редуктором, состоящим из двух конических шестерен 25 и 26, шестерня 25 жестко соединена с кинетическим кольцом 2, муфта 6 разгона установлена на валу коробки передач 29, шестерня 26 установлена на валу 5 привода с муфтой 30, на конце вала 5 установлен компенсатор 7 мощности с механизмом заднего хода 31 и соединены с трансмиссией 10 транспортного средства. Расчетное время движения автомобиля на одном заряде энергии может составлять более двух часов, величина заряда зависит от момента инерции данного кинетического кольца 2 и скорости его вращения. На дораскручивание кинетического кольца 2 затрачивается несколько десятков секунд, и транспортное средство останавливать для этих целей не обязательно. Двигатель с кинетическим аккумулятором прост по конструкции, экологически чистый, устанавливается, предпочтительно, под кузовом, на рамы многих грузовых автомобилей и не требует конструктивных изменений рам и агрегатов, с которыми будут сочленены их механизмы и агрегаты.

Двигатель с кинетическим аккумулятором технологичен в изготовлении, может быть различной мощности и широкого применения. Расход топлива приводного двигателя по расчету составляет около 2 л в день для автомобиля типа ЗИЛ с штатным двигателем внутреннего сгорания. Кинематическая схема двигателя с кинетическим аккумулятором может быть подключена параллельно к штатной кинематической схеме трансмиссии автомобиля (фиг.2).

1. Двигатель с кинетическим аккумулятором, состоящий из привода, сочлененного с маховым агрегатом, отличающийся тем, что двигатель состоит из основания сварной конструкции, вращающегося кольца, приводного редуктора, соединительной муфты, вала привода, понижающего редуктора, приборов контроля, на основании закреплена опорная ось вращающегося кольца и опора промежуточной шестерни приводного редуктора, вращающееся кольцо установлено на опорной оси на радиально-упорных и на опорном подшипнике, размещенных в основании, с торца вращающегося кольца закреплена малая цилиндрическая шестерня приводного редуктора, приводной редуктор двухступенчатый, с парой цилиндрических и парой конических шестерен, малая цилиндрическая шестерня находится в зацеплении с промежуточной цилиндрической шестерней, установленной на подшипнике консоли основания и жестко соединена с малой конической шестерней, большая коническая шестерня приводного редуктора установлена на валу привода и находится в зацеплении с малой конической шестерней, вал привода установлен на подшипниках в гнездах основания, на одном конце вала привода установлена муфта разгонная, на другом конце вала привода установлен понижающий редуктор, при включении приводного двигателя, последний через разгонную муфту и двухступенчатый редуктор, первоначально раскручивает вращающееся кольцо до установленного верхнего предела угловой скорости вращения, накапливает кинетическую энергию, и приводной двигатель отключается, отбор мощности от вращающегося кольца производится путем рекуперации, передается на трансмиссию транспортного средства, при снижении угловой скорости вращения вращающегося кольца до установленного нижнего предела включается приводной двигатель, который дораскручивает вращающееся кольцо до верхнего предела угловой скорости вращения и отключается, далее процесс повторяется.

2. Двигатель с кинетическим аккумулятором по п.1, отличающийся тем, что он имеет механизм заднего хода, муфта разгона установлена на коробке передач, а кинематическая схема подключена параллельно штатной кинематической схеме трансмиссии автомобиля.

www.findpatent.ru

Часы-кинетики: Батарейки не нужны! / Статьи / MyWatch - Сайт журнала Мои часы

08/07/2002

Идея вечного двигателя пришла к нам из глубокой древности. Еще в 1150 году индийский математик Бхаскар описал  колесо, внутри которого располагались специальные полости, наполненные ртутью

Идея вечного двигателя пришла к нам из глубокой древности. Еще в 1150 году индийский математик Бхаскар описал  колесо, внутри которого располагались специальные полости, наполненные ртутью. Ученый утверждал: стоит колесо повернуть один раз - и оно будет вращаться вечно. Но, увы,  закон сохранения энергии нерушим.

В XVII веке Парижская Академия наук приняла решение: патентные заявки на изобретение вечного двигателя не рассматривать. А между тем идеей вечного двигателя интересовались даже такие крупные ученые, как Леонардо да Винчи. Не обошли эти веяния и часовщиков.

Не заводишься? И замечательно! Как избавить человека от необходимости заводить часы? Этим вопросом задавались мастера во все времена, но сейчас, когда каждую вещь ее создатели стремятся приблизить к техническому совершенству, он встал особенно остро. Еще бы: существуют часы всевозможных форм и вариантов отделки, антимагнитные и противоударные, из керамики и металла, показывающие лунные фазы, высоту над уровнем моря или глубину погружения... Вот только по-прежнему все их надо или заводить, или менять в них батарейки.

Для механических часов была придумана система автоматического завода. Человек идет, машет руками, специальный груз (сектор) внутри часов качается, с помощью храповика закручивает часовую пружину, пружина заставляет часы идти. Однако  если часы не носить, то их механизм остановится. Автоподзавод, конечно, был серьезным шагом вперед, но решал проблему лишь частично.

Появление кварцевых механизмов дало идее часового perpetuum mobile второе дыхание. Разработка миниатюрных, но очень емких батарей шла семимильными шагами, и часы с опытными образцами такого рода элементов питания получили возможность автономной работы на протяжении десяти лет.

Однако сейчас стандартный срок службы не слишком дорогих, надежных батареек - два-три года. К тому же "батареечное" решение также небезупречно: часы долгое время работают, не требуя внимания, но, в конце концов, могут неожиданно подвести в самый ответственный момент. Стрелки остановятся, экран цифрового индикатора станет пустым и серым, и еще хорошо, если в ближайшем супермаркете найдется "таблетка" с заветной маркировкой. А если владелец часов находится вдали от благ цивилизации?

Четыре года, сон нормальный! Так продолжалось до 1986 года, когда фирма Seiko создала часы со встроенным генератором - прототип технологии Kinetic. В нем груз автоподзавода вращается благодаря движению руки владельца часов и передает движение ротору микрогенератора, генератор вырабатывает электричество и заряжает аккумулятор, аккумулятор питает кварцевый часовой механизм. Оставаясь неподвижными, такие часы могут продолжать работать в течение нескольких месяцев. Точность кварцевых часов плюс отсутствие проблем с заменой батарейки - это ли не победа?

Механизмы совершенствовались в сторону увеличения эффективности генератора, емкости аккумулятора и, естественно, уменьшения размеров. А в 1999 году произошел новый революционный скачок: Seiko создала часы серии Kinetic Auto Relay. Их главный козырь - энергосбережение. Дело в том, что львиная доля энергии в обычных часах расходуется на движение стрелок. Но как на этом сэкономить?

Seiko--Arctura Kinetic Auto Relay

Решение было найдено неожиданное - научить часы спать! Если Kinetic Auto Relay в течение трех суток находятся в неподвижности, и аккумулятор, разумеется, не подзаряжается, то часы "засыпают". Стрелки прекращают движение, и лишь микросхема продолжает отсчитывать время. Когда часы снова оказываются на руке, они чудесным образом "оживают", и стрелки сами становятся в нужное положение. Причем "спать" Kinetic Auto Relay могут до 4 лет!

Аналогичные технологии стали использовать многие швейцарские компании-производители. Так, модели с механизмами "автокварц" от ЕТА выпускают Omega, Longines, Ulysse Nardin и другие. Компанией Tissot выпущены несколько моделей - PR 100 Autoquartz, PR 200 Autoquartz и Ballade Autoquartz, - аккумулятор которых способен накопить запас энергии, достаточный для работы часов, остающихся  в неподвижности, в течение ста дней. По сути Kinetik и Autoquartz - примерно одно и то же, однако есть и ряд различий. Так, в некоторых механизмах ETA аккумулятор можно подзарядить также и вращением заводной головки.

Еще одной интересной новинкой 2002 года стал механизм компании Bulova - одного из прародителей кварцевых часов. Ротор в этом механизме расположен спереди, со стороны стрелок, и владелец часов может наблюдать его вращение. Кварцевые по своей сути часы из коллекции Millennia стали такими же "живыми", как механические.

Фирма Ventura, продолжив творческий поиск Seiko, создала свою оригинальную конструкцию. Часами серии Ventura d_SPARC fx легко восхититься, даже ничего не зная об их техническом устройстве. Секрет - дизайн. Титановый браслет, черное обрамление циферблата, строгие электронные цифры под сапфировым стеклом. Что-то космическое, рассчитанное на автономную работу в условиях нечеловеческих перегрузок. Первое впечатление не подводит - часы на руке своего хозяина действительно могут идти вечно, а дожидаясь его, способны "проспать" почти пять лет. А награда "За лучший дизайн", полученная на международной выставке в Чикаго, - гарантия того, что снимать d_SPARC fx вам просто не захочется.

Я на солнышке сижу... Японские коллеги-конкуренты Seiko из компании Citizen предложили собственную альтернативу "Кинетику" - технологию Eco-Drive. В первых моделях Eco-Drive циферблат часов являлся фотоэлементом, вырабатывающим электричество для кварцевого механизма. Вместо батарейки - аккумулятор, способный накапливать энергию, когда фотоэлемент освещен. Итак, часы становятся все более "живыми": им для движения нужен только свет. Fiat lux!

Citizen Eco-Drive

Название Eco-Drive было выбрано, чтобы подчеркнуть экологичность часов: для их работы не требуется внешних источников энергии, а отсутствие необходимости замены батареек позволяет не засорять окружающую среду отработанными элементами питания, которые, как известно, содержат вредные вещества.

Первые модели Eco-Drive имели циферблат характерного для солнечных батарей светлого тона. Нравилось это далеко не всем, и конструкторы Citizen способ, позволяющий создавать часы с циферблатами различных цветов: на свет появились такие разновидности часов, как Eco-Drive Vitro (тончайшие нити солнечных элементов размещены на внутренней стороне стекла) и Eco-Drive Eclisse (солнечный элемент представляет собой пленочное кольцо, расположенное вокруг циферблата).

Компанией Citizen также создан механизм, совмещающий в себе обе технологии: наряду с циферблатом - солнечным элементом он имеет и устройство, генерирующее энергию от движения руки.

Вечный двигатель от RICOH Свой вариант решения проблемы - электромагнитную индуктивную систему зарядки - предложила. компания RICOH. В отличие от Kinetic и Eco Drive, в технологии Rechargeable Electromagnetic Quartz (REQ) используется внешний источник энергии.

Для пополнения запаса энергии батарейки достаточно на некоторое время положить часы на зарядное устройство, работающее от обычной электросети. Пяти минут зарядки достаточно для работы в течение полного дня, а если оставить часы на зарядном устройстве на всю ночь, то после этого они смогут работать 3-4 месяца.

Новая технология имеет ряд преимуществ перед. Хотя эти технологии не зависят от внешних источников питания, они не позволяют Технология REQ снимает ограничения Kinetic и Eco Drive, касающиеся возможности получить достаточно энергии для работы устройств с повышенным энергопотреблением (подсветка, будильник и т.п.).

Венец творения Следуюшим этапом развития энергосберегающих технологий стало создание хронографа Seiko Sportura Kinetic. Совместить генератор и хронограф - сложная задача, ведь последний потребляет в несколько раз больше энергии, чем обычные часы, а мощность миниатюрного генератора не беспредельна. Seiko удалось создать генератор с очень высокой эффективностью и хронограф с минимальным потреблением энергии.

Seiko-Sportura-Kinetic

Но, кажется, и это не предел! В 2000 году на выставке в Базеле и Seiko, и Citizen дружно представили последние разработки на тему "вечного двигателя" - часы, работающие  от тепла человеческой руки Thermic и Eco-Drive Thermo. Электричество в этих моделях вырабатывается за счет разницы температур между задней крышкой, касающейся руки человека, и циферблатом. Какие еще будут идеи?

Опубликовано в журнале "Мои Часы" №3-2002

mywatch.ru

Кинетический Накопитель Энергии |НПК ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Обзор существующих технологий накопления электроэнергии

В настоящее время проблема эффективного использования электрической энергии является актуальной задачей для всех сфер деятельности. Одним из путей повышения эффективности энергопользования может стать применение систем, аккумулирующих энергию генератора и выдающие ее в сеть по мере такой необходимости. Современные системы накопителей энергии способны решить различные задачи хранения и преобразования энергии, реализации оптимальных режимов работы оборудования, питания потребителей с нестандартными параметрами.

Среди ключевых функций накопителей можно выделить:
  • Способность выравнивания графиков нагрузки в сети;
  • Реализация системной надежности потребителей;
  • Обеспечение бесперебойного питания особо важных объектов, собственных нужд электростанций и подстанций;
  • Сглаживание колебаний мощности, стабилизации работы малоинерционных систем распределенной генерации.

Накопители электрической энергии в будущем станут важнейшим элементом интеллектуальных (активно-адаптивных) сетей нового поколения, без которых невозможен дальнейший качественный рост экономики.

Основные типы накопителей:

В настоящее время существует множество различных классификаций накопителей электрической энергии. Однако, с практической точки зрения, наиболее точной представляется классификация накопителей на электрохимические и физические. Первые – преобразуют электрическую энергию в химическую энергию веществ, вторые – в механическую энергию.

К электрохимическим накопителям энергии относятся:

  • аккумуляторные батареи;

  • накопители энергии на основе молекулярных конденсаторов.

К физическим накопителям электроэнергии относятся два вида комплексов:

Электрохимические накопители энергии

Свинцово-кислотные аккумуляторы

Данная электрохимическая система является одной из самых распространенных среди аккумуляторов в виду своей дешевизны, отработанной технологии производства и большому опыту эксплуатации. В свинцово-кислотных аккумуляторных батареях ( далее СКА) электролитом является раствор серной кислоты, активным веществом положительных пластин – двуокись свинца РbО2, отрицательных пластин – губчатый свинец Рb.

Свинцово-кислотные аккумуляторы достаточно широко распространены, однако, наряду с достоинствами, обладают и существенными недостатками – малой энергоемкостью (на уровне 10–30 Вт·ч/кг), малым количеством циклов заряд/разряд и низкой допустимой глубиной разряда у большинства их разновидностей.

В настоящее время доступны аккумуляторы с улучшенными ресурсными характеристиками, достигающими 3000 циклов при глубине разряда 50 %. Однако и цена таких аккумуляторов выше, чем у стандартных систем.

Никель-кадмиевые аккумуляторы

Никель-кадмиевые аккумуляторы также известны достаточно давно. Принцип действия основан на формировании гидроокиси кадмия на аноде и гидроокиси никеля – на катоде. Их энергоемкость почти в два раза выше, чем у СКА, они работоспособны при низких температурах, при этом допустимые токи заряда и разряда также существенно выше. Эти достоинства позволили никель-кадмиевым аккумуляторам найти широкое применение на транспорте, в авиации и стационарных системах, несмотря на то, что они более дороги.

Однако, никель-кадмиевым аккумуляторам присущ такой недостаток как эффект памяти – их энергоемкость резко падает при не полном разряде или заряде, для ее восстановления требуются специальные алгоритмы заряда. Также они наиболее критичны из всех типов электрохимических аккумуляторов к точному соблюдению требований по правильной эксплуатации.

Натрий-серные аккумуляторы

Энергоемкость данной системы может достигать 925 Вт·ч/кг, однако в реальности достигнуты гораздо меньшие цифры, 100–150 Вт·ч/кг. Есть ряд существенных нюансов – электролит в данной системе керамический, что обуславливает высокую рабочую температуру аккумулятора (290–360 °С).

Сегодня достигнутые на практике ресурсные характеристики натрий-серных аккумуляторов демонстрируют значения от 2000 до 4000 циклов при глубине разряда до 80-90 %. Наибольших успехов в разработке и производстве высокотемпературных аккумуляторов достигла японская компания NGK Insulators LTD.

Несмотря на неспособность хранить запасенную энергию в течение длительного времени (вся она будет израсходована на поддержание рабочей температуры электролитов), натрий-серные аккумуляторы оказались востребованы для регулирования графиков выдачи мощности и поддержания частоты переменного тока в крупных сетях Японии и США, как для возобновляемой, так и централизованной энергетики. Отсутствие дорогостоящих материалов привело к тому, что стоимость запасенной энергии для данной системы находится на уровне СКА.

Литий-ионные аккумуляторы.

Для данного типа аккумуляторов характерны высокая энергоемкость, глубокие циклы заряда разряда (70–80 %), отсутствие эффекта памяти. В то же время ресурс и стоимость таких аккумуляторов зависят от типа электрохимических систем, применяемых на катоде и аноде, а также от температуры и режимов эксплуатации.

Основной причиной незначительного распространения данного типа аккумуляторных батарей стала их взрывоопасность. Вероятность короткого замыкания и взрыва ограничивала применение литий-ионных аккумуляторов большого размера – например, в масштабах, необходимых для питания электротранспорта или применения в качестве сетевых накопителей энергии, где нужны тысячи киловатт-часов энергии.

Новое поколение данных аккумуляторных батарей, использующих ферро-фосфат лития (LiFePO4) в качестве катодного материала появилось лишь в 2003 году. . Ферро-фосфат лития оказался очень удачным материалом для использования в аккумуляторах. Он способен отдать практически весь накопленный литий, оставаясь устойчивым. При этом сохраняется главное свойство литий-ионных аккумуляторов – большая удельная емкость.

Суперконденсаторы.

Суперконденсатор представляет собой импульсное электрохимическое устройство, предназначенное для компенсации быстрых переходных процессов в различных электрических схемах. От аккумуляторов различных типов он отличается существенно меньшей энергоемкостью (единицы Вт·ч/кг) и повышенной удельной мощностью (2–10 кВт/кг). Процесс запасания энергии в суперконденсаторах осуществляется за счет разделения заряда на двух электродах с достаточно большой разностью потенциалов между ними.

Так как химических превращений веществ в процессе работы суперконденсатора не происходит (если не допускать превышения зарядных напряжений), ресурс системы достаточно велик и может превышать 100 000 циклов заряда разряда. Учитывая вышеупомянутые особенности суперконденсаторов, целесообразно их использование в гибридных схемах с аккумуляторами. В этом случае суперконденсатор реагирует на короткие пики генерации или потребления электроэнергии, увеличивая ресурс аккумулятора и снижая время отклика всей системы на внешние воздействия.

Стоит отметить, что все представленные электрохимические накопители энергии (кроме Суперконденсаторов) имеют общие существенные недостатки, в т.ч.:

  • Высокая удельная стоимость систем.

  • Необходимость соблюдения регламента зарядки/разрядки.

  • Специальные экологические требования к размещению и утилизации.

  • Необходимость регулярного обслуживания и проверки системы.

  • Ограниченный цикл заряда/разряда.

  • Невозможность реагировать на короткие всплески потребления (кроме суперконденсаторов).

Накопители энергии на основе молекулярных конденсаторов

Молекулярные накопители являются новым продуктом в сфере накопителей и в настоящее время проходят стадию создания и испытания опытных образцов.

Среди данного класса накопителей практическое применение в настоящее время нашёл лишь Сверпроводниковый Индуктивный Накопитель Энергии (СПИНЭ) небольшой энергоемкости (до 106 Дж.).

При этом промышленное внедрение СПИНЭ станет возможным лишь после разработки и создания СПИНЭ на базе высокотемпературных сверхпроводников.

СПИНЭ могут находить применение в электроэнергетике как одно из эффективных средств повышения режимной надежности и устойчивости электроэнергетических систем. При этом выделяются такие свойства индуктивных накопителей, как быстродействие, высокий КПД, возможность полной автоматизации ввода и вывода энергии, большая удельная энергоемкость, регулирование активной и реактивной мощности.

Ожидается, что к 2016-2020 гг. на базе СПИНЭ будут созданы недорогие системы хранения энергии достаточной энергоемкости, но пока технические решения по ним все еще в стадии разработки.

Физические накопители электроэнергии

Среди физических накопителей электроэнергии, получивших практическое применение в энергетике можно выделить накопители, использующие естественную гравитацию – к ним относятся Гидроаккумулирующие станции (ГАЭС) и накопители, использующие кинетическую энергию вращения маховика – так называемые накопители кинетической энергии (НКЭ).

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС).

ГАЭС являются одной из самых ранних технологий запасания больших объемов энергии. Основными факторами, определяющими возможность постройки ГАЭС, её максимальную емкость и стоимость, являются особенности рельефа местности, а также необходимость затопления значительных территорий.

Применение ГАЭС может оказаться эффективным в том случае, когда регулируется работа не одной электростанции на основе традиционных технологий или возобновляемых источников энергии, а более крупной энергосистемы, как например энергосеть крупного мегаполиса.

Строительство ГАЭС осуществляется в мире уже более 100 лет. Первая ГАЭС — Леттем (Швейцария), мощностью около 100 кВт, была введена в эксплуатацию в 1882 году. Сейчас общее количество ГАЭС в мире составляет более 460 станций, а их суммарная мощность превышает 300 млн. киловатт.

Гидроаккумулирующая электростанция является уникальным гидроэнергетическим сооружением, посредством которого удается аккумулировать (запасать) электрическую энергию, возвращая её в энергосистему по мере необходимости. В часы, когда в энергосистеме избыток электрической энергии, (преимущественно — ночью), гидроагрегаты ГАЭС работают в качестве насосов и, потребляя дешевую избыточную электроэнергию, перекачивают воду из нижнего бассейна в верхний аккумулирующий бассейн на высоту несколько десятков или сотен метров. В часы, когда в энергосистеме образуется дефицит генерирующей мощности, преимущественно — в утренние и вечерние часы, гидроагрегаты ГАЭС работают в качестве генераторов и превращают энергию потока воды — в электрическую. Она поступает в объединенную систему.

Учитывая высокую маневренность гидроэнергетического оборудования, число пусков обратимых гидроагрегатов ГАЭС, в отличие от обычных ГЭС, достигает нескольких сот (500-700) в месяц, а иногда составляет около 30 пусков в сутки.

На сегодняшний день в России таких станций всего 2: Загорская ГАЭС в Подмосковье и Ставропольская ГАЭС на трассе Большого Ставропольского канала (БСК).

Основным предназначением Загорской ГАЭС является автоматическое регулирование частоты и перетоков мощности, а также покрытие суточных пиковых нагрузок в Московской и Центральной энергосистемах.

Первая очередь Загорской ГАЭС мощностью 1200 МВт была построена в 1980—2003 годах, с 2007 года ведётся строительство второй очереди мощностью 840 МВт.

1-ая и 2-ая очередь Загорской ГАЭС способны лишь частично компенсировать дефицит маневренной регулирующей мощности в Центральном регионе России, которая сейчас составляет более 3,0 млн. кВт, в том числе в Москве и Московской области — около 2 млн. кВт.

Существенными недостатками ГАЭС являются:

  • Малая удельная энергоемкость,

  • низкий КПД,

  • высокие требования к месту установки,

  • необходимость существенного вмешательства в экологию района,

  • чрезвычайно высокая удельная стоимость строительства

(свыше 2 000 долл. за 1 кв. электрической мощности).

Накопители кинетической энергии (НКЭ)

Среди физических накопителей энергии на сегодняшний день наиболее перспективными являются агрегаты, работающие на принципе накопления кинетической энергии во вращающихся маховиках. Такие установки носят название накопителей кинетической энергии (НКЭ).

В качестве вращающегося и накапливающего энергию элемента могут быть использованы классические (монолитные) маховики или более современные и перспективные супермаховики. Супермаховик – это маховик высокой удельной энергоемкости, изготовленный методом навивки с натягом на упругий центр материалов с высокой одноосной прочностью – проволок, лент, волокон со связкой (склейкой). Эксплуатируется супермаховик не в воздушной среде, а в среде с пониженными сопротивлениями вращению, например вакууме.

В мире получило распространение применение модулей НКЭ, состоящих из нескольких агрегатов, для резервирования питания ответственных потребителей электроэнергии (таких как медицинские центры, банковские хранилища, атомные объекты и т.д.), а также для чистотного регулирования и сглаживания графика нагрузок в сети.

Накопители кинетической энергии имеют ряд преимуществ перед вышеуказанными системами электрохимических и физических накопителей. Их отличает:

  • высокая удельная объемная энергоемкость;
  • высокая, недостижимая другими накопителями, удельная мощность;
  • разрыво- и взрывобезопасность. Экологическая безопасность;
  • не требуется специальных защитных сооружений для установки;
  • возможность работы в широком температурном диапазоне -40 — +80;
  • простота эксплуатации и обслуживания;
  • срок эксплуатации свыше 20 лет.
Сравнительная характеристика представленных накопителей энергии представлена ниже:

Параметры \

накопители

НКЭ на основе супермаховика

Супер

Конденсаторы

(ионисторы)

Аккумуляторы

с жидким

электролитом

Натрий-серные (горячие) аккумулятор

Удельная мощность (без сопутствующих устройств), Вт/кг

>10000

>1000

80-200

150

Удельная массовая энергоемкость(без сопутствующих устройств), Вт-ч/кг.

Удельная объемная энергоемкость(без сопутствующих устройств), Вт-ч/куб. дм.

15-300

60-550

10-30

15-45

20-100

30-150

200

300

Срок службы, лет

> 20

< 15

До 10 000

циклов

До 4 000

Циклов

Удельная стоимость стр-ва,( долл. США за 1 кВтч)

800 — 1200

1450

3500

2500

Удельная стоимость обслуживания, ( долл. США за 1 кВт в год)

80

85

800

600

Как показывает сравнительная таблица, Накопители кинетической энергии (НКЭ) являются наиболее «гибкими» системами, отличающимися высокими эксплуатационными характеристиками, при этом обладающие самым низким удельным показателем стоимости строительства и обслуживания.

В большинстве случаев, накопители кинетической энергии (НКЭ), могут стать экономичным и выгодным решением, замещающим использование электрохимических систем накопления.

mig-energo.ru

механический аккумулятор электрической энергии - патент РФ 2249288

Изобретение относится к источникам энергии для электромобилей, электробусов и т.д. Техническим результатом является повышение энергетических показателей. Механический аккумулятор электрической энергии представляет собой электрическую машину, содержащую корпус, в котором установлены статор со статорными катушками, катушки возбуждения и расположенный на валу массивный металлический ротор. Статорные обмотки, сердечники которых прикреплены к корпусу, расположены по окружности, в центре которой установлен массивный ротор из однородного металла, обладающего магнитными свойствами. Ротор состоит из двух расположенных по окружности напротив друг друга магнитных полюсов, и двух выступов, выполненных на торцах ротора. На выступах расположены катушки возбуждения, экранированные и неподвижно прикрепленные к крышкам корпуса. С внешней стороны одной из крышек расположены магнитные датчики, контролирующие положение магнитных полюсов ротора относительно статорных катушек, а в торце соответствующего выступа ротора установлены постоянные магниты, изолированные от ротора. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

механический аккумулятор электрической энергии, патент № 2249288

Изобретение относится к источникам электрической энергии и может применяться для питания различных электроустройств электрической энергией.

Механический аккумулятор электроэнергии (в дальнейшем устройство) представляет собой электромашину переменного или постоянного тока, отличающуюся от обычной электромашины наличием массивного маховика, выполняющего функции ротора и способного благодаря большой массе накапливать механическую энергию.

Наиболее близким к предложенному устройству по техническому существу является механический аккумулятор электрической энергии, выполненный в виде электрической машины, содержащей корпус, в котором создана вакуумная среда, внутри корпуса установлен на валу массивный металлический ротор, статор с тремя статорными обмотками и обмотки возбуждения (см. SU, а.с. 1781777, 1992).

Недостатком этого устройства являются низкие энергетические показатели.

Техническим результатом, достигаемым в предложенном изобретении, является повышение энергетических показателей.

Технический результат достигается за счет того, что в механическом аккумуляторе электрической энергии, выполненном в виде электрической машины, содержащей корпус, в котором установлены статор со статорными катушками, катушки возбуждения и расположенный на валу массивный металлический ротор, отличающийся тем, что статорные обмотки, сердечники которых прикреплены к корпусу, расположены по окружности, в центре которой установлен массивный ротор из однородного металла, обладающего магнитными свойствами, состоящий из двух расположенных по окружности напротив друг друга магнитных полюсов и двух выступов, выполненных на торцах ротора, на которых расположены катушки возбуждения, экранированные и неподвижно прикрепленные к крышкам корпуса. Кроме того, внутри корпуса может быть создана вакуумная среда; вал ротора может быть подвешен на магнитных подшипниках, а каждая статорная катушка может быть выполнена из рабочей обмотки и генераторной обмотки с увеличенным сечением провода относительно рабочей обмотки. Кроме того, с внешней стороны одной из крышек могут быть расположены магнитные датчики по числу статорных катушек, контролирующие положение магнитных полюсов ротора относительно статорных катушек, а в торце соответствующего выступа ротора - постоянные магниты, изолированные от ротора, а аккумулятор может быть подключен к внешнему источнику постоянного тока через разъемы, соединенные со входами первого и второго преобразователей постоянного тока в трехфазный переменный, управляющие входы которых соединены с выходами магнитных датчиков, выходы первого преобразователя соединены с генераторными обмотками, а выходы второго преобразователя - с рабочими обмотками статорных катушек и входами выпрямителя, выходы которого связаны с нагрузкой и через регулятор напряжения с катушками возбуждения.

Так же как и в обычной электромашине, ротор-маховик вращается в центре расположенных по окружности трех статорных катушек, сердечники которых прикреплены к корпусу устройства. Генераторные обмотки для ускоренной зарядки изготавливаются из провода большого сечения, по сравнению с рабочими обмотками, что позволит увеличить зарядный ток и приведет к сокращению времени, необходимого для заряда устройства. Процесс заряда устройства происходит методом преобразования электрической энергии в механическую энергию вращения ротора-маховика, при этом работа устройства аналогична работе электродвигателя. Массивный ротор-маховик, разгоняясь до огромной скорости вращения, накапливает большое количество механической энергии, которая в дальнейшем постепенно преобразуется в электрическую и используется для питания различных электроустройств, при этом работа устройства аналогична работе электрогенератора.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 показано устройство механического аккумулятора электроэнергии в осевом сечении; на фиг.2 - то же, в поперечном сечении. На фиг.3 показано устройство ротора-маховика, вид спереди; на фиг.4 - то же, вид сбоку, на фиг.5 - электрическая блок-схема.

Принятые обозначения:

1 - Передняя крышка.

2 - Массивный металлический ротор.

3 - Катушки возбуждения.

4 - Магнитопроводный экран.

5 - Статорные катушки.

6 - Сердечники статорных катушек.

7 - Корпус устройства.

8 - Магнитные полюса ротора.

9 - Герметичное соединение.

10 - Задняя крышка.

11 - Постоянные магниты.

12 - Магнитный датчик.

13 - Магнитоизоляторы.

14 - Магнитные подшипники.

15 - Вал ротора.

16 - Внутренняя полость.

17 - Места расположения магнитных датчиков.

18 - Сквозной канал вала ротора.

19 - Сквозные каналы корпуса ротора.

20 - Цилиндрообразные выступы ротора.

21 - Внешний источник тока.

22 - Преобразователь тока для ускоренной зарядки.

23 - Преобразователь тока для медленной зарядки.

24 - Генераторные обмотки статорных катушек для ускоренной зарядки.

25 - Рабочие обмотки статорных катушек.

26 - Выпрямитель тока.

27 - Регулятор напряжения.

28 - Нагрузка - внешний потребитель.

Описание конструкции устройства

Главной частью устройства является массивный ротор 2 (фиг.1, 2), изготавливаемый целиком из однородного металла, обладающим магнитными свойствами. Ротор 2 состоит из двух расположенных по окружности напротив друг друга магнитных полюсов 8 (см. также фиг.3, 4) и двух цилиндрообразных выступов 20, расположенных с торцов корпуса ротора 2, выполняющие функции вращающихся сердечников катушек 3 возбуждения, в целях уменьшения трения вал 15 ротора подвешивается на магнитных подшипниках 14 к передней и задней крышкам 1 и 10. Сквозные каналы 18 вала и 19 корпуса ротора 2 служат для уменьшения массы ротора 2. С противоположных торцов ротора 2 находятся две катушки 3 возбуждения, экранизированные магнитопроводным экраном 4 и неподвижно прикрепленные к крышкам 1 и 10. Ротор 2 находится в центре расположенных по окружности трех статорных катушек 5, сердечники 6 которых прикреплены к корпусу 7 устройства. Статорные катушки 5 состоят из двух обмоток: рабочей обмотки и генераторной обмотки для ускоренной зарядки с увеличенным сечением провода по сравнению с рабочей обмоткой. С внешней стороны задней крышки 10 располагаются три магнитных датчика 12, контролирующие положение магнитных полюсов 8 ротора относительно статорных катушек 5 (места 17 расположения датчиков 12 показаны на фиг.2). Для оповещения датчиков 12 о положении магнитных полюсов 8 ротора служат постоянные магниты 11, находящиеся в торце цилиндрообразного выступа 20 ротора и изолированные от него магнитоизоляторами 13. Передняя и задняя торцевые крышки 1 и 10 герметично соединены с цилиндрическим корпусом 7 устройства, и во внутренней полости 16 корпуса 7 создана вакуумная среда.

Описание работы устройства

Работа устройства осуществляется в двух режимах: в режиме заряда (медленного или ускоренного) электрическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения ротора, в режиме разряда (рабочий режим) механическая энергия преобразуется в электрическую.

В режиме заряда (ускоренного) с внешнего источника 21 тока постоянный ток небольшой мощности поступает на преобразователь 23 тока для медленной зарядки, а ток большой мощности поступает на преобразователь 22 тока для ускоренной зарядки, где он преобразуется в переменный трехфазный ток с частотой колебания, равной частоте вращения ротора 2. Частота вращения ротора 2 контролируется тремя датчиками 12, которые посылают цифровые сигналы, частотой равные частоте вращения ротора 2, на схемы преобразователей 22 и 23 тока, вследствие этого на выводах преобразователей 22 и 23 тока возникает трехфазный переменный ток точно такой же частоты, который поступает соответственно на обмотки 24 и 25 трех статорных катушек, создавая на статоре 6 вращающееся магнитное поле. Также с преобразователя 23 тока через выпрямитель 26 тока выпрямленный ток поступает к внешним потребителям тока 28 и через регулятор 27 напряжение поступает на катушки 3 возбуждения, тем самым, намагничивая магнитные полюса 8 ротора. При этом вращающееся магнитное поле статора 6, взаимодействуя с магнитными полюсами 8 ротора, заставляет последний вращаться с увеличивающейся частотой. При достижении нужной частоты вращения внешний источник 21 тока отключается, и заряд устройства прекращается. В случае если внешний источник 21 тока не позволяет развить необходимую мощность для осуществления ускоренного заряда, производится медленный заряд, при этом подключается только преобразователь 23 тока для медленного заряда, а преобразователь 22 тока и обмотки 24 статорных катушек 5 не задействованы.

Для перевода устройства в режим разряда (рабочий режим) необходимо отключить внешний источник 21 тока от преобразователей 22 и 23 тока, это приведет к прекращению подачи тока с преобразователей 22 и 23. При вращении ротора 2 намагниченные полюса 8 ротора проходят около сердечников 6 статорных катушек, наводя в рабочих обмотках 25 статорных катушек 5 индукционные токи большой величины (при рабочем режиме генераторные обмотки 24 статорных катушек не задействованы), которые поступают через выпрямитель 26 тока на внешние потребители 28 тока и на катушки 3 возбуждения, тем самым, намагничивая магнитные полюса 8 ротора. Для поддержания заданного напряжения индукционного тока в сети в схеме имеется регулятор 27 напряжения, который, управляя током, проходящим через катушки 3 возбуждения, поддерживает рабочее напряжение в сети.

При работе устройства в режиме разряда механическая энергия, накопленная ротором-маховиком 2, постепенно преобразуется в электрическую энергию и используется для питания внешних потребителей 28. При этом скорость вращения ротора-маховика постепенно будет уменьшаться, и по достижении минимальной величины возникает необходимость в зарядке устройства.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Механический аккумулятор электрической энергии, выполненный в виде электрической машины, содержащей корпус, в котором установлены статор со статорными катушками, катушки возбуждения и расположенный на валу массивный металлический ротор, отличающийся тем, что статорные катушки, сердечники которых прикреплены к корпусу, расположены по окружности, в центре которой установлен массивный ротор из металла, обладающего магнитными свойствами, состоящий из двух расположенных по окружности напротив друг друга магнитных полюсов, и двух выступов, выполненных на торцах ротора, на которых расположены катушки возбуждения, экранированные магнитопроводным экраном и неподвижно прикрепленные к крышкам корпуса.

2. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что внутри корпуса создана вакуумная среда.

3. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что вал ротора подвешен на магнитных подшипниках.

4. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что каждая статорная катушка выполнена из рабочей обмотки и генераторной обмотки с увеличенным сечением провода относительно рабочей обмотки.

5. Аккумулятор по п.4, отличающийся тем, что он снабжен магнитными датчиками по числу статорных катушек, установленными с внешней стороны одной из крышек корпуса с возможностью контроля положения магнитных полюсов ротора относительно статорных катушек, а на торце обращенного к указанным датчикам выступа ротора установлены постоянные магниты, а также он выполнен с возможностью подключения к внешнему источнику постоянного тока через разъемы, соединенные со входами первого и второго преобразователей постоянного тока в трехфазный переменный, управляющие входы которых соединены с выходами магнитных датчиков, выходы первого преобразователя соединены с генераторными обмотками, а выходы второго преобразователя - с рабочими обмотками статорных катушек и входами выпрямителя, выходы которого связаны с нагрузкой и через регулятор напряжения с катушками возбуждения.

www.freepatent.ru

двигатель с кинетическим аккумулятором - патент РФ 2377439

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателям с аккумулированием кинетической энергии. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель состоит из основания, вращающегося кольца, приводного редуктора, соединительной муфты, вала привода, понижающего редуктора и приборов контроля. На основании закреплена опорная ось вращающегося кольца и опора промежуточной шестерни приводного редуктора. На одном конце вала привода установлена муфта разгонная, на другом конце вала привода установлен понижающий редуктор. При включении приводного двигателя последний через разгонную муфту и двухступенчатый редуктор первоначально раскручивает вращающееся кольцо до установленного верхнего предела угловой скорости вращения, накапливает кинетическую энергию, и приводной двигатель отключается. Мощность от вращающегося кольца передается на трансмиссию транспортного средства. При снижении угловой скорости вращения вращающегося кольца до установленного нижнего предела включается приводной двигатель, который дораскручивает вращающееся кольцо до верхнего предела угловой скорости вращения и отключается, далее процесс повторяется. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Рисунки к патенту РФ 2377439

Изобретение относится к машиностроению и может быть применено в качестве силовой установки на автомобилях, других видах транспорта, а также для привода энергетических машин. Известны двигатели с механическим аккумулятором, в которых в середине прошлого века механическая энергия раскручивала маховик, аккумулировала в нем кинетическую энергию, то есть заряжала его, последняя приводила в движение гировозы, которые осуществляли движение небольших поездов. Длина пробега поезда после одной зарядки маховика составляла 4-5 км, применялись гировозы в качестве вспомогательного транспорта во взрывоопасных шахтах. Некоторое практическое применение получили тогда в Бельгии, Швейцарии, России электрожиробусы, оборудованные маховым агрегатом, состоящим из асинхронного двигателя-генератора, сочлененного с маховиком, и тяговых электродвигателей. При этом КПД был менее 50%, а по затратам в эксплуатации дороже троллейбуса и автобуса (БСЭ том 9, стр.222). Основными недостатками были: применение в качестве аккумулятора-маховика стального сплошного диска, момент инерции которого в два раза меньше (J=mr2 /2,) например, тонкостенного цилиндрического кольца (J=mr 2), так как во вращательном движении роль массы играет момент инерции; небольшое максимальное число оборотов 2000-3000 об/мин), при котором невысокая угловая скорость вращения маховика не могла развивать и аккумулировать большое количество кинетической энергии, T=J/2двигатель с кинетическим аккумулятором, патент № 23774392. Эти недостатки сделали двигатель громоздким, не эффективным и утратили интерес в его дальнейшем развитии и применении.

Кинетическая энергия (T=J/2двигатель с кинетическим аккумулятором, патент № 23774392) является наиболее распространенной энергией, с которой мы постоянно сталкиваемся в повседневной жизни, практически мало изучена, забыта и не используется. Потенциал этой энергии огромен и в применении безграничен, не требует больших затрат на создание на ее базе двигателей на кинетической энергии, которые могут составить серьезную конкуренцию современным двигателям, другим силовым установкам, работающим на углеводородном или биологическом топливе, экологически чистый. Современные технологии позволяют изготовить любые детали указанного двигателя.

Основу двигателя на кинетической энергии составляет тело вращения цилиндрической формы, в данном случае кинетическое кольцо небольшой массы и габаритов, с высоким моментом инерции, которое может накапливать большой заряд кинетической энергии и передавать часть этой энергии в виде работы на трансмиссию автомобиля, другого транспортного средства. Кинетическая энергия кинетического кольца обладает рядом важнейших свойств: при ее угасании или торможении производит работу, что позволяет осуществлять отбор части этой энергии путем рекуперации для привода машин и механизмов; механическая энергия приводного двигателя, передаваемая кинетическому кольцу при его первоначальном раскручивании до установленного верхнего предела угловой скорости вращения, и последующих дораскручиваниях, изменяет величину потенциала массы кинетического кольца при возрастании угловой скорости его вращения, если скорость увеличивается, то потенциальная энергия кинетического кольца (его инертность) уменьшается, в то же время, возрастает «напряженность» массы кинетического кольца, которая возрастает пропорционально этой «напряженности» и создает заряд кинетической энергии (аналогично автомобилю - чем больше скорость, тем меньше требуется мощности двигателя на движение автомобиля). В результате сумма потенциальной и кинетической энергий остается постоянной, что соответствует требованиям Закона сохранения энергии. Следовательно, масса (момент инерции) является определяющим элементом в кинетическом аккумуляторе. Предлагаемый двигатель с кинетическим аккумулятором преобразует механическую энергию приводного двигателя в заряд кинетической энергии кинетического кольца, осуществляет отбор путем рекуперации части этой энергии, которая производит работу по приведению в действие машин и механизмов, электрогенераторов и др.

Устройство двигателя на кинетической энергии (фиг.1) состоит из основания 1, кинетического кольца 2, опорного вала 3, двухступенчатого редуктора 4, вала 5 привода, муфты 6 разгонной, компенсатора 7 мощности, понижающего редуктора 8, приводного двигателя 9, кожуха 11. Основание 1 представляет собой стальную сварную конструкцию, на которой установлен опорный вал 3, консоль 12. Кинетическое кольцо 2 установлено на опорном валу 3, на двух подшипниках 13, с торца закреплена малая цилиндрическая шестерня 14 редуктора 4. Опорный вал 3 установлен на двух радиальных подшипниках 15 и одном упорном подшипнике 16, в гнездах 17 основания 1. Редуктор 4 привода состоит из пары цилиндрических шестерен 14 и 18 и пары конических шестерен 19 и 20, большая цилиндрическая шестерня 18 установлена на консоли 12, на подшипнике 21 и жестко соединена с малой конической шестерней 19, большая коническая шестерня 20 установлена и закреплена на валу 5 привода. Вал 5 привода установлен на подшипниках 22 в гнездах 23 основания 1. Муфта 6 разгонная соединяет вал 5 привода с приводным двигателем 9. Компенсатор 7 мощности установлен на валу 5 привода, соединен с понижающим редуктором 8 и выполняет частично функции вариатора. Приводной двигатель 9 установлен на раме 24 транспортного средства и производит первоначальное раскручивание через приводной редуктор 4, кинетическое кольцо 2 и дальнейшее его дораскручивание в процессе работы системы через определенные промежутки времени. Трансмиссия 10 транспортного средства. Кожух 11.

Работа двигателя с кинетическим аккумулятором (фиг.1). В исходном положении кинетическое кольцо 2 находится в состоянии покоя, то есть не вращается. При включении приводного двигателя 9 муфта 6 соединяется с валом привода 5 и через шестерни редуктора 4 раскручивает кинетическое кольцо 2 до установленного верхнего предела угловой скорости вращения, последнее аккумулирует максимальный заряд кинетической энергии, и приводной двигатель 9 отключается. С этого момента кинетическое кольцо 2 вращается свободно от приводного двигателя и передает часть заряда кинетической энергии через редуктор 4 на вал 5 привода. Энергия производит работу, вращает вал 5 и через компенсатор 7 мощности передает усилие энергии на трансмиссию 10 транспортного средства. Через определенное время часть заряда кинетической энергии расходуется, и угловая скорость вращения кинетического кольца 2 снижается. Достигнув нижнего предела угловой скорости вращения, автоматически включается приводной двигатель 9, который дораскручивает кинетическое кольцо 2 до верхнего предела угловой скорости его вращения, кинетическое кольцо накапливает максимальный заряд кинетической энергии и приводной двигатель отключается. Далее процесс повторяется. Двигатель с кинетическим аккумулятором может быть выполнен (фиг.2) с одноступенчатым редуктором, состоящим из двух конических шестерен 25 и 26, шестерня 25 жестко соединена с кинетическим кольцом 2, муфта 6 разгона установлена на валу коробки передач 29, шестерня 26 установлена на валу 5 привода с муфтой 30, на конце вала 5 установлен компенсатор 7 мощности с механизмом заднего хода 31 и соединены с трансмиссией 10 транспортного средства. Расчетное время движения автомобиля на одном заряде энергии может составлять более двух часов, величина заряда зависит от момента инерции данного кинетического кольца 2 и скорости его вращения. На дораскручивание кинетического кольца 2 затрачивается несколько десятков секунд, и транспортное средство останавливать для этих целей не обязательно. Двигатель с кинетическим аккумулятором прост по конструкции, экологически чистый, устанавливается, предпочтительно, под кузовом, на рамы многих грузовых автомобилей и не требует конструктивных изменений рам и агрегатов, с которыми будут сочленены их механизмы и агрегаты.

Двигатель с кинетическим аккумулятором технологичен в изготовлении, может быть различной мощности и широкого применения. Расход топлива приводного двигателя по расчету составляет около 2 л в день для автомобиля типа ЗИЛ с штатным двигателем внутреннего сгорания. Кинематическая схема двигателя с кинетическим аккумулятором может быть подключена параллельно к штатной кинематической схеме трансмиссии автомобиля (фиг.2).

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Двигатель с кинетическим аккумулятором, состоящий из привода, сочлененного с маховым агрегатом, отличающийся тем, что двигатель состоит из основания сварной конструкции, вращающегося кольца, приводного редуктора, соединительной муфты, вала привода, понижающего редуктора, приборов контроля, на основании закреплена опорная ось вращающегося кольца и опора промежуточной шестерни приводного редуктора, вращающееся кольцо установлено на опорной оси на радиально-упорных и на опорном подшипнике, размещенных в основании, с торца вращающегося кольца закреплена малая цилиндрическая шестерня приводного редуктора, приводной редуктор двухступенчатый, с парой цилиндрических и парой конических шестерен, малая цилиндрическая шестерня находится в зацеплении с промежуточной цилиндрической шестерней, установленной на подшипнике консоли основания и жестко соединена с малой конической шестерней, большая коническая шестерня приводного редуктора установлена на валу привода и находится в зацеплении с малой конической шестерней, вал привода установлен на подшипниках в гнездах основания, на одном конце вала привода установлена муфта разгонная, на другом конце вала привода установлен понижающий редуктор, при включении приводного двигателя, последний через разгонную муфту и двухступенчатый редуктор, первоначально раскручивает вращающееся кольцо до установленного верхнего предела угловой скорости вращения, накапливает кинетическую энергию, и приводной двигатель отключается, отбор мощности от вращающегося кольца производится путем рекуперации, передается на трансмиссию транспортного средства, при снижении угловой скорости вращения вращающегося кольца до установленного нижнего предела включается приводной двигатель, который дораскручивает вращающееся кольцо до верхнего предела угловой скорости вращения и отключается, далее процесс повторяется.

2. Двигатель с кинетическим аккумулятором по п.1, отличающийся тем, что он имеет механизм заднего хода, муфта разгона установлена на коробке передач, а кинематическая схема подключена параллельно штатной кинематической схеме трансмиссии автомобиля.

www.freepatent.ru