Rotačný elektrodynamický stroj, najmä zotrvačníkový motorgenerátor na akumuláciu elektrickej energie

Číslo patentu: U 7077

Dátum: 01.04.2015

Autori: Masaryk Michal, Magdolen Luboš

Stiahnuť PDF súbor.

Text

Pozerať všetko

Technické riešenie sa týka rotačného elektrodynamického stroja, ktorý premieňa mechanickú energiu na elektrickú alebo naopak. Riešenie môže byť využité v konštrukcii zotrvačníkového motorgenerátora, ktorý je schopný akumulovať elektrickú energiu do rotujúcej hmoty a neskôr je schopný takúto kinetickú energiu premeniť naspäť na elektrickú energiu.Sú známe elektrické motory a elektrické generátory, ktoré premieňajú elektrickú energiu na mechanickú energiu rotujúcich prvkov a naopak. Motorgenerátory sú od dôb Wemera von Siemensa široko používané stroje vo všeobecnom strojárenstve aj v energetike. Klasické usporiadanie elektrického motorgenerátora pozostáva zo statora na vonkajšej strane a z rotora nachádzajúccho sa vnútri statora, pričom motorgenerátor môže pracovať v motorickom režime, kedy je rotor pomocou rotujúceho magnetického poľa hnaný a koná prácu, alebo naopak v generátorickom režime, kedy je rotor hnaný vonkajšou silou (spotrebúva prácu) a zariadenie produkuje elektrickú energiu. Teoreticky tiež platí, čím sú vyššie otáčky, tým je pri generátorickom režime a rovnakej magnetizácii permanentných statorových magnetov V statore vyššia produkcia elektrickej energie. Čím viac elektrickej energie chceme v zariadení vyprodukovať, tým sú nutné vyššie otáčky. Zvyšovanie otáčok má však pri rotačných strojoch a systémoch svoje hranice dané vlastnosťami namáhaných materiálov a dynamikou systému.V zotrvačníkových akumulátoroch elektrickej energie sa energetická kapacita zvyšuje zväčšovaním hmotnosti, resp. momentu zotrvačnosti rotora. Takýto trend je však sprevádzaný nielen rastom hmotnosti, ale aj rastom vonkajších rozmerov. Nárast priemeru rotora vedie pri rovnakých otáčkach k zväčšeniu obvodovej rýchlosti, ale aj k zväčšeniu odstredivých síl až po prípadnú pevnosmú hranicu použitého materiálu. Riešenia podľa zverejnení W 09502270, CAl 178333 používajú klasický rotor a zvýšenie energetickej kapacity sa docieľuje rastom hmotnosti rotora. Riešenia podľa US 5998899, JP 4370417 znižujú mechanické straty, neriešia však zvýšenie energetickej kapacity.Pri zvyšovaní otáčok motorgenerátorov v dopravných prostriedkov tiež podľa orientácie osi rotácie rastú zotrvačné gyroskopické sily, ktoré pôsobia proti zmene smeru pohybu dopravného prostriedku.Je žiadané jednoduché riešenie, ktoré pri dostupných materiáloch zvýši produkciu elektrickej energie,resp. umožní akumulovať viac energie v rotujúcom zotrvačníku.Uvedené nedostatky v podstatnej miere odstraňuje rotačný elektrodynamický stroj s magnetickým rotorom, so statorovým vinutím, kde rotor je rotačne uložený v telese stroja, ktorého podstata podľa tohto technického riešenia spočíva V tom, že má druhý, protibežný rotor v podobe prstenca, ktorý je rotačne uložený v telese súosovo s prvým vnútorným rotorom, pričom druhý, protibežný rotor aspoň čiastočne obopína prvý rotor.Generátor (alternátor alebo dynamo) môže v takomto dvojrotorovom usporiadaní s protibežne rotujúcimi rotorrni produkovať viac elektrickej energie pri tých istých otáčkach, ako v je to v štandardnom jednoduchom usporiadaní s bežným, jedným rotorom hlavne, ak sa pohybujeme v limitných oblastiach otáčok.Predložené riešenie spočíva najmä v tom, že otáčajúci sa prvý rotor a protibežne sa otáčajúci druhý rotor,teda v podstate prstenec, majú relatívnu vzájomnú rýchlosť väčšiu ako klasický rotor vzhľadom na nepohybujúci sa stator. V našom technickom riešení sme pôvodne pevný stator rozpohybovali opačným smerom ako rotor. Tak z pôvodného statora vznikol druhý rotor. Na roztáčanie druhého rotora bude v telese stroja urniestnené rozbehové elektromagnetické vinutie, ktoré bude teraz tvoriť nový stator.Ak je návrh konštrukcie elektrodynamického stroja obmedzený maximálne prípustnými otáčkami rotora,napríklad maximálne prípustnými otáčkami ložísk alebo pevnostnou hranicou proti odstredivému zrýchleniu,umožní nám protibežne otáčajúci sa druhý rotor dosiahnuť dvojnásobne vyššie vzájomne otáčky.Prvý rotor je umiestnený obvyklým spôsobom v telese elektrodynamického stroja. Druhý, protibežný rotor má formu vonkajšieho prstenca obopínajúceho prvý rotor a tento prstence je zvonka obklopený statorom. V statore je indukovaný elektrický prúd od oboch rotorov, ktoré sú protibežne. Takéto usporiadanie môže produkovať viac elektrickej energie (teoreticky až dvojnásobok) pri rovnakých otáčkach rotuj úcich častí.Magnetický rotor môže mať permanentné magnety alebo môže mať elektromagnety s príslušnými cievkami. Druhý rotor je vybavený statorovým vinutím, ktoré je cez zberač prepojené na teleso stroja. Zberačmôže mať podobu napríklad kief, uhlíkov alebo tekutinového spoja. Bude vhodné, ak zberač bude umiestnený na menšom priemere, než sú priemery rotorov, aby sa dosiahla menšia obvodová rýchlosť na zberacích prvkoch.Dva protibežné rotory vytvárajú sústavu, vnútri ktorej sa gyroskopické momenty rotorov môžu vzájomne eliminovať, čo predstavuje výhodu pri použití v dopravných prostriedkoch.Riadenie otáčok rotorov môže byť samostatné, otáčky rotorov môžu byť odlišné. V takom prípade bude každý rotor prepojený s vlastným frekvenčným meničom.Je možné aj usporiadanie, kedy je prvý rotor a druhý rotor prepojený mechanickým prevodom, napríklad planétovou prevodovkou, ozubením so stálym prevodom alebo podobne. Pri alternátore s takýmto usporiadaním môžeme aj pri malom rozmere stroja získať relatívne vysoké vzájomné obvodové rýchlosti prvého rotora k prstencu druhého rotora.Podľa konkrétnych priestorových pomerov môže elektrodynamický stroj mať viac než dva protibežne rotory, napríklad môže mať prvý rotor, protibežný druhý rotor V podobe prstenca a ďalšie dva prstencové rotory, opäť striedavo protibežne sa otáčajúce.Predložené technické riešenie sa môže výhodne využiť v energetických systémoch, napríklad V zotrvačníkových rotačných akumulátoroch. Zotrvačníky sú schopné akumulovať kinetickú energiu, ktorej veľkosť rastie s kvadrátom otáčok, ale maximálny počet otáčok zotrvačnikov je limitovaný pevnosťou ich materiálu. Ak máme v systéme dva protibežne rotujúce zotrvačníky napojené na dva protibežne rotory jedného motorgenerátora, je možné do jedného zariadenia uložiť a neskôr vyťažiť väčšie množstvo energie ako pri štandardnom usporiadaní.Keďže pri zotrvačníkoch určených na uchovávanie elektrickej energie je dôležité minimalizovať mechanické straty systému, bude vhodné na uloženie všetkých rotorov použiť riadené magnetické ložiská. Radiálne magnetické ložisko môže vo výhodnom usporiadaní mať ložiskový stator, ktorý má dovnútra statora orientované výčnelky magnetických pólov a zároveň má výčnelky magnetických pólov aj na svojom vonkajšom obvode. Magnetické póly sú tvorené perrnanentnými magnetmi a/alebo elektromagnetnii s vinutím a príslušným ovládaním, môže teda ísť o aktívne riadené alebo o kombinované (riadené permanentné magnety) magnetické ložisko. Magnetické póly pôsobia na hriadeľ uložený vnútri ložiskového statora s vôľou oproti výčnelkom. Magnetické póly na vonkajšom obvode ložiskového statora pôsobia na vonkajší prstenec, ktorý s vôľou obopína stator, pričom ovládanie elektromagnetov na vnútomej strane statora je samostatné, oddelene a v podstate nezávislé od ovládania elektromagnetov na vonkajšom obvode statora. Bude výhodné, aby magnetické ložisko malo jednu riadiacu jednotku na ovládanie oboch strán ložiska, pričom samostatné riadenie elektromagnetov vonkajšej a vnútomej strany ložiskového statora môže byť prepojené. Napríklad, ak sa v rámci vôle hriadeľa proti ložískovému statoru nepodarí vyvážiť vnútomý rotor, môže sa zámeme meniť os otáčania prstenca tak, aby sa kmitanie eliminovalo protikmitmi prstenca.Ložiskový stator má výčnelky, na ktorých sú navinuté elektromagnetické cievky. Tie vytvárajú riadené magnetické pole udržujúce hriadeľ aj prstenec v deñnovanej vzdialenosti od výčnelkov tak, aby levitovali a nedochádzalo ku kontaktom s výčnelkami. Výčnelky smerujú do vnútomej aj do vonkajšej strany ložiskového statora. Aktuálnu vzdialenosť hriadeľa aj prstenca od ložiskového statora merajú senzory, ktoré sú napojené na riadiaci systém magnetického ložiska. Riadiaci systém magnetického ložiska priebežne vyhodnoeuje údaje zo senzorov a riadi veľkosť magnetického poľa tak, aby obidve strojné časti levitovali V definovaných vzdialenostiach aj pri rôznom zaťažení. Senzory môžu byť vytvorené ako súčasť cievok elektromagnetov alebo môže ísť o samostatné prvky umiestnené na vonkajšej a vnútomej strane statora.Pre prípad výpadku elektrickej energie alebo inej podobnej poruchy môže byť magnetické ložisko vybavené dorazovým ložiskom v podobe klzného ložiska alebo valivého ložiska.Zotrvačníky ako nosiče hmoty môžu byť spojené s rotormi alebo rotory môžu byť priamo konštruované ako dostatočne hmotné zotrvačníky s požadovanými momentmi zotrvačnosti.Ak chceme vytvoriť rad energeticky odstupňovaných zotrvačníkových akumulátorov, bude výhodné, ak rotory a/alebo aj vonkajšie teleso budú mať modulovú konštrukciu. Skladaním príslušného počtu modulov v smere osi rotácie získame akumulátory s rôznymi energetickými kapacitami. Navonok sa to prejaví napríklad rôznou výškou vonkajšieho telesa zotrvačníkového akumulátora.Výhodou uvedeného riešenia je jednoduché dosiahnutie dvojnásobnej relatívnej rýchlosti rotora, a tým zvýšenie energetickej hustoty elektrodynamického stroja.Prehľad obrázkov na výkresochTechnické riešenie je bližšie vysvetlené pomocou obrázkov l až 3. Zvolená mierka vyobrazenia jednotlivých prvkov, ako aj rozmerové pomery rotorov a ostatných prvkov sú len ilustračné a nie je ich možné vysvetľovať ako zužujúce rozsah požadovanej ochrany. Rotory a stator nie sú pre prehľadnosť na obrázkoch šrafované, ložiská sú znázomené len schematicky.Na obrázku 1 je zjednodušený prierez zotrvačníkom s dvoma protibežnými rotormi.Na obrázku 2 je zobrazený trojmodulový zotrvačníkový akumulátor elektrického prúdu.Obrázok 3 znázorňuje schému generátor elektrického prúdu s mechanicky prepoj enými rotonni prostredníctvom planétového prevodového mechanizmu.V tomto príklade podľa obrázka l je technické riešenie využité v konštrukcii zotrvačníka, ktorý slúži ako motorgenerátor na akumuláciu elektrickej energie z malej veternej a fotovoltickej elektráme. Zotrvačnlk má dva rotory l, g. Prvý rotor 1 má klasickú konštrukciu a je v telese g stroja uložený vo vnútomej časti magnetického ložiska j. Druhý rotor 2 má tvar prstenca, obklopuje prvý rotor l a je uložený na vonkajšej časti magnetického ložiska j. Druhý rotor 2 sa otáča proti smeru otáčania prvého rotora l a vinutie druhého rotora z je prepojené so zberačom i. Ten je výklopný a podľa povelu z riadiacej jednotky sa odklápa zo záberu, aby sa znížili trecie straty v situácii, kedy zotrvačník neakumuluje ani nedodáva elektrickú energiu.V telese Q stroja je umiestnený stator g, ktorým sa roztáča druhý rotor g. Vinutia sú prepojené s frekvenčnými meuičmi a ovládanie meničov je riadené centrálnou jednotkou, ktorá vyhodnocuje energetickú bilanciu systému. Vnútro telesa Q je vákuované elektricky poháňanou vývevou.V tomto príklade kapacita zotrvačníka podľa príldadu l je zvýšená tým, že sa pri jeho výrobe zostavia viaceré moduly 5, v tomto príklade sú zmontované tri moduly 8 rotorov l, g a statora g. Na obrázku 2 sú tieto moduly § vyobrazené bez detailov vzájomného napojenia.V tomto príklade z obrázka 3 má elektrodynamický stroj podobu altemátora. Vnútorný, prvý rotor l aj druhý rotor g sú uložené na klasických valivých ložiskách j. Riešenie s dvoma protibežnými rotonni l, 2 je využité na dosiałmutie väčšieho výkonu pri obmedzenej vonkajšej veľkosti. Protibežrté otáčanie druhého rotora 2 je dosiahnuté planétovým prevodovým mechanizmom 7.Priemyselná využiteľnosť Priemyselná využíteľnosť technického riešenia je zrejmá. Podľa tohto technického riešenia je možné priemyselne a opakovane vyrábať a používať rotačné elektrodynamické stroje s protibežnými rotormi, naprí klad vo fonne zotrvačníkového motorgenerátora na akumuláciu elektrickej energie.l. Rotačný elektrodynamický stroj s magnetickým rotorom, so statorovým vinutím, kde rotor je rotačne uložený v telese (6) stroja, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že má druhý, protibežný rotor (2) V podobe prstenca, ktorý je rotačne uložený v telese (6) súosovo s prvým vnútomým rotorom (l), pričom druhý, protibežný rotor (2) aspoň čiastočne obopína prvý rotor (l) a druhý rotor (2) je vybavený vinutím, ktoré je cez zberač (4) prepojené na vstup a/alebo výstup stroja.2. Rotačný elektrodynamický stroj podľa nároku l, v y z n a č u j ú c i s a t ý m ,párov protibežne sa otáčajúcich rotorov (l, 2).3. Rotačný elektrodynamický stroj podľa nároku 1 alebo 2, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že v telese (6) stroja je stator (3) pôsobiaci na druhý rotor (2).4. Rotačný elektrodynamícký stroj podľa ktoréhokoľvek z nárokov l až 3, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že každý rotor (l, 2) je prepojený s vlastným frekvenčným meničom.5. Rotačný elektrodynamícký stroj podľa ktoréhokoľvek z nárokov l až 4, v y z n a č uj ú c i s a t ý m , že rotory (l, 2) sú uložené V riadených magnetických ložiskách (5).6. Rotačný elektrodynamícký stroj podľa nároku 5, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že magnetické ložísko (S) má dovnútra ložiskového statora orientované výčnelky magnetických pólov a má aj výčnelky magnetických pólov na svojom vonkajšom obvode, magnetické póly pôsobia na hriadeľ uložený vnútri ložiskového statora a pôsobia na vonkajší prstence, ktorý s vôľou obopína ložiskový stator, pričom napájanie elektromagnetov na vnútomej strane ložiskového statora je oddelené od napájania elektromagnetov na vonkajšom obvode ložiskového statora.7. Rotačný elektrodynamícký stroj podľa nároku 6, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že riadenie elektromagnetov na vnútornej strane ložiskového statora je prepojené s riadením elektromagnetov na vonkajšom obvode ložiskového statora.8. Rotačný elektrodynamícký stroj podľa nároku 6 alebo 7, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že má dorazove valivé alebo klzné ložísko zaberajúce do záberu až pred dotykom hriadeľa alebo prstenca o výčnelky ložiskového statora.9. Rotačný elektrodynamícký stroj podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 8, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že protibežne sa otáčajúce rotory (l, 2) sú prepojené mechanickým prevodom (7), výhodne planétovým prevodom.10. Rotačný elektrodynamícký stroj podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 9, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že je zotrvačníkovým motorgenerátorom na akumuláciu elektrickej energie.11. Rotačný elektrodynamícký stroj podľa nároku 10, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že vnútro telesa (6) stroja je aspoň čiastočne vákuované.12. Rotačný elektrodynamícký stroj podľa nároku 10 alebo 11, v y z n a č uj ú c i s a t ý m , že má modulovú konštrukciu s opakujúcimi sa modulmi (8) rotorov (l, 2).13. Rotačný elektrodynamícký stroj podľa ktoréhokoľvek z nárokov 10 až 12, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že je prepojený s riadiacou jednotkou na ovládanie režimov akumulácie a režimov vydávania elektrickej energie.14. Rotačný elektrodynamický stroj podľa nároku 13, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že zberač (4) je výklopný, prispôsobený na vyklopenie zo záberu podľa pokynu riadiacej jednotky.

MPK / Značky

MPK: F16C 32/04, F16C 39/06, F16F 15/30, H02K 7/09

Značky: elektrickej, stroj, najmä, energie, akumuláciu, zotrvačníkový, motorgenerátor, elektrodynamický, rotačný

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/8-u7077-rotacny-elektrodynamicky-stroj-najma-zotrvacnikovy-motorgenerator-na-akumulaciu-elektrickej-energie.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Rotačný elektrodynamický stroj, najmä zotrvačníkový motorgenerátor na akumuláciu elektrickej energie</a>

Podobne patenty