Маховиковая система накопления энергии

Маховиковая система накопления энергии

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предпосылки изобретения и область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к маховиковым системам накопления энергии, к интегрированию высокотехнологичных армированных волокном композиционных маховиков с толстым кольцом, экономичных конструкций маховиков и установочных втулок, выполненных с использованием непрерывной нити несвязанной стальной проволоки и другой нити, со сверхминиатюрными и, в некоторых случаях, недорогими обычными электродвигателями-генераторами и электронными системами управления на основе цифровой обработки сигналов, отказобезопасными вакуумными камерами, системами аварийного отключения энергии и локализации и шариковыми, роликовыми и втулочными подшипниками, имеющими твердые смазочные материалы, которые могут надежно работать в течение многих лет без технического обслуживания. Настоящее изобретение также относится к использованию гироскопического момента, создаваемого таким маховиком, для ориентирования нагрузки подвешенного устройства, как описано в патенте США №5632222, в дополнение к накоплению энергии или вместо него.

Описание известного уровня техники

Накопление энергии, как кинетической энергии вращающегося маховика, известно. Однако несмотря на новейшие усовершенствования армированных волокном композиционных материалов, кольцевых конструкций из намотанной непрерывной нити, электронных средств управления и технологий смазки подшипников и амортизации, маховиковые системы накопления энергии все же лишь потенциально могут конкурировать с альтернативными устройствами для накопления энергии, такими как химические аккумуляторы и сверхконденсаторы.

Обычные материалы, применяемые для выполнения маховика, обеспечивают способность накопления энергии, ограниченную их прочностью на разрыв под действием центробежной силы при высоких скоростях вращения.

Электродвигатели-генераторы и средства управления, в типичном случае, используемые с маховиками, слишком громоздки и не могут работать с высокими скоростями, требуемыми для получения компактной маховиковой системы накопления энергии, соответствующей ограничениям по объему для вариантов применения в автомобилях и других транспортных средствах.

Применение маховиковых систем накопления энергии с меньшей удельной энергией для выравнивания графика нагрузки стационарных электростанций не приносило успеха частично вследствие отсутствия испытанных конструкций с использованием экономичных кольцевых материалов из непрерывной нити.

Электродвигатель с постоянным магнитом с поперечным магнитным потоком обеспечивает получение высоких удельных мощностей с высокой эффективностью, и представляется, что он был впервые описан доктором H.Weh в документе, опубликованном в 1988 году и озаглавленном "Новая синхронная электрическая машина с возбуждением от постоянного магнита, обладающая высокой эффективностью при малых скоростях" ("New Permanent Magnet Excited Synchronous Machine With High Efficiency at Low Speeds"), как средство для получения высоких удельных мощностей с высокой эффективностью для уменьшения веса, стоимости, потерь энергии и объема технического обслуживания.

В обычных промышленных бесщеточных электродвигателях постоянного тока используют эффект Холла, то есть переключаемые магнитным способом неконтактные датчики для определения положения ротора. Сигнал подается в инвертор для переключения на следующую фазу в последовательности, когда ось корневого магнита достигает заданного положения. Таким способом обмотки электродвигателя возбуждаются с получением, таким образом, максимальной величины выходного вращающего момента электродвигателя при любой заданной скорости. Однако известные системы на эффекте Холла сложны по конструкции, громоздки и сложны в производстве, при установке и выравнивании, что ограничивает их использование в высокоскоростных устройствах, в которых признак отсутствия щеток составляет особое преимущество.

Обычные высокоскоростные подшипники требуют подачи воздушно-масляного тумана, циркуляции смазочного масла или периодического пополнения консистентного смазочного материала для обеспечения адекватной смазки между движущимися поверхностями так, чтобы трение не вызывало перегрев подшипников и саморазрушение в ходе работы.

В высокоскоростных маховиковых системах накопления энергии обычные подшипники не обеспечивают достаточного срока службы в вакуумной среде, необходимой для минимизации потерь от сопротивления воздуха и перегрева кольца маховика из композиционного материала. Таким образом, некоторые маховиковые системы основаны на использовании активных магнитных подшипников. Однако даже магнитные подшипники требуют использования вспомогательных шариковых или роликовых подшипников для удерживания ротора в случае непреднамеренного прекращения подачи энергии магнитным подшипникам, или резкого гироскопического маневрирования, или ударных нагрузок, превышающих способность магнитных подшипников выдерживать нагрузку.

Консистентные смазочные материалы и синтетические смазочные масла со сверхнизкой летучестью, требуемые в высоком вакууме таких систем с экономичными шариковыми подшипниками, не дают эффекта присадок синтетических углеводородов или обычных масел на нефтяной основе, в результате чего они обладают недопустимо малой способностью обеспечивать граничную смазку и долговечность подшипников. В этой связи, см., например, документ авторов Mahncke и Schwartz, озаглавленный "Смазка консистентными смазочными материалами подшипников качения в космических аппаратах" ("Grease Lubrication of Rolling Bearings in Spacecraft"), опубликованный в "Сборнике Американского общества специалистов по смазке" ("ASLE Transactions"), том 17, №3, стр.172-181.

Высокие скорости вращения приводят к такому значительному центробежному расширению колец маховика, что требуются специальные приспособления для установки таких колец на удерживаемых подшипниками роторах с ротором электродвигателя-генератора. Установочная система, описанная в патенте США №4860611, предусматривает конструкцию установочной втулки, пригодную для использования при существенно высоких скоростях, но желательны еще большие скорости. Следовательно, требуются дополнительные усовершенствования установочных конструкций.

Адекватно надежные высокоскоростные подшипниковые системы на твердой смазке, особенно для использования в высоковакуумных средах, неизвестны. Подшипниковая промышленность поставляет на рынок несколько типов сухих подшипниковых материалов, основанных на дисульфиде молибдена, графите, тефлоне и других пластмассах, используемых в качестве твердых смазочных материалов. Армированные стекловолокном тефлоновые подшипники изготовляют посредством связывания жесткой металлической подложки с тонким композиционным слоем из мягкого смазочного тефлона, армированного прочной стеклотканью. Очень тонкий слой тефлона смазывает стекловолокно с обеспечением минимальной упругой деформации, пластической деформации и минимального износа. В таких известных вариантах выполнения подшипников на твердой смазке происходят спорадические разрушительные повреждения подшипника.

Автономные, обеспеченные смазкой на весь срок службы подшипники имеют ограниченную способность работать с высокой скоростью и требуют частой замены смазки.

В высокоскоростных роторах, работающих со скоростью выше критической, подшипники обычно смазываются циркулирующим маслом. В случае с высокоскоростными шариковыми или роликовыми подшипниками, это смазочное масло часто циркулирует через кольцевое пространство в кожухе, который отделяет невращающееся опорное кольцо от основного корпуса устройства таким образом, что радиальная нагрузка сдавливает эту масляную пленку. Вибрации ротора демпфируются вязким потоком в форме масляной пленки, когда ротор преодолевает критические скорости при ускорении и замедлении относительно его рабочей скорости.

В доступных в настоящее время вращающихся устройствах широко используют демпфирующие средства на "сжатой пленке" и точно сбалансированные роторы для контроля вибрационного эффекта и нагрузок на подшипники в высокоскоростных вращающихся устройствах. К сожалению, демпфирующие устройства на сжатой пленке имеют собственную неустойчивость вследствие завихрения масла и взбивания масла и часто вносят неустойчивость в работу таких высокоскоростных устройств. Кроме того, конструкция демпфирования на сжатой пленке неудовлетворительно разработана. В дополнение к этому, демпфирующие устройства на сжатой пленке не обеспечивают высоких степеней демпфирования. Следовательно, когда используют демпфирующие устройства на сжатой пленке, часто возникают высокие вибрационные нагрузки на подшипники и неустойчивость системы.

Краткое описание изобретения

Согласно одному аспекту настоящее изобретение обеспечивает получение колец маховиков из композиционного материала из текстильной ткани. В объем настоящего изобретения в отношении таких колец входят кольцевые, полюсно навитые и другие конструкции колец маховиков из армированного непрерывным волокном композиционного материала из текстильной ткани, а также простые маховики из несвязанной непрерывной стальной проволоки высокой прочности или другой нити и их монтажные системы. Маховики, выполненные согласно изобретению, можно изготовить посредством намотки нити с использованием способов влажной или сухой намотки, посредством литьевого прессования смолы, посредством литья под давлением и посредством формования в автоклаве или вакуумного/под давлением формования эластичным мешком. Такое формование в автоклаве или вакуумное/под давлением формование эластичным мешком выполняют с предварительно пропитанными материалами.

Согласно другому аспекту настоящее изобретение предусматривает интегрирование таких колец маховиков из композиционного материала из текстильной ткани и других типов маховиков, упомянутых выше, с электродвигателями-генераторами с пространственным вектором, приводом с гармонической волной, управлением на основе цифровой обработки сигналов, компактным, переключаемым без датчика, с продольным или поперечным магнитным потоком, с радиальным или осевым воздушным зазором, с постоянными магнитами или без них, причем последние называют реактивными конструкциями, в высокоэффективных маховиковых системах накопления энергии с использованием шариковых, роликовых или других подшипниковых узлов на твердой смазке совместно с компенсаторами осевой нагрузки на постоянных магнитах с не проникающим магнитным потоком, требующими незначительного пополнения смазочного материала или технического обслуживания или не требующими его совсем. Согласно другому аспекту настоящее изобретение обеспечивает получение охлаждаемых теплоотводящей трубкой подшипников и роторов электродвигателя, отказобезопасных, быстро поглощающих энергию систем и геометрических форм, облегчающих смазку шариковых, роликовых и скользящих подшипников, а также разделяемых для предотвращения вибрации установочных систем в маховиковых системах накопления энергии, работающих со сверхкритической высокой скоростью, обеспечивающих вращение ротора вокруг центра масс и, таким образом, минимизацию нагрузок на подшипники при высокоскоростной работе и увеличение срока службы, надежность и безопасность.

Согласно еще одному аспекту настоящее изобретение обеспечивает получение колец маховика из полюсно намотанного двойного высокотемпературного композиционного материала на основе углеродного волокна и карбонизированной матрицы или другого композиционного материала из текстильной ткани, которые можно устанавливать на ротор при помощи ступицы с изменениями кривизны на границе соединения между спицами и ободом. Колесо может иметь зубцы в центре каждой перемычки для уменьшения центробежных напряжений в узле.

Кольца маховика можно устанавливать непосредственно на снабженные пазами роторы либо электродвигателей-генераторов с постоянными магнитами, либо устройств реактивного типа без магнитов, обеспечивая естественно происходящее ослабление магнитного поля при увеличении зазора по окружности между сегментами в результате центробежного разделения при увеличении скорости вращения.

Согласно еще одному аспекту изобретение включает использование композиционных материалов с металлической матрицей и волокном для получения ступицы с гибким ободом, которые обладают рабочими характеристиками, сочетающимися с высокопроизводительными роторами без потери проверенной устойчивости и следящей способности. Эти материалы обеспечивают гибкость размеров ступицы маховика как в отношении диаметра, так и длины, избирательное армирование разных районов и экономичное производство в больших объемах.

Согласно еще одному аспекту настоящее изобретение обеспечивает осуществление переключения без использования датчиков режимов работы электродвигателя-генератора с использованием системы, работающей фактически на эффекте Холла.

Согласно еще одному аспекту настоящее изобретение обеспечивает осуществление магнитного демпфирования, выполняемого продолжением подшипникового узла, для ограничения амплитуды вибрации.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения автономная система охлаждения для высокоскоростной маховиковой системы накопления энергии включает теплоотводящую трубку в части вала устройства для обеспечения отвода большого количества тепла, генерируемого электродвигателем-генератором и подшипниками.

Другие дополнительные аспекты настоящего изобретения охватывают использование электродвигателей как с продольным, так и с поперечным магнитным потоком, как с осевым, так и с радиальным воздушным зазором и с цифровым приводом с пространственным вектором и гармонической волной и с векторным управлением.

Согласно аспекту настоящего изобретения, включающему кольца маховика из композиционного материала, каждое такое кольцо в роторе с одним кольцом или с множеством колец, предпочтительно, может состоять из, по меньшей мере, двух отдельных колец из композиционного материала, соединенных способом горячей посадки и выполненных из разных составов. Разные составы могут включать композиционные материалы на основе углеродного волокна и карбонизированной матрицы, которые минимизируют возможность термических повреждений ротора, поскольку такие материалы работают в условиях очень высоких температур без ослабления. Пиролиз карбонизированной матрицы композиционного материала на основе углеродного волокна в ходе производства минимизирует газовыделение, а также возникающую от этого возможность возникновения избыточного давления, возгорания и взрыва в случае повреждения ротора.

Другим важным аспектом настоящего изобретения является критическая последовательность и особый режим изменения натяжения волокна, применяемого при намотке и отверждении некоторых из композиционных колец маховика. Можно использовать кольцевую влажную или сухую намотку нити или комбинацию радиально-полюсно плетеных композиционных колец с таким натяжением для создания необходимого распределения остаточных напряжений в завершенном кольце для противодействия центробежным и тепловым напряжениям, генерируемым, когда эти кольца используются в завершенных маховиковых системах накопления энергии.

В установочных ступицах для таких маховиковых колец можно применять модифицированную кривизну в районе соединения спиц и обода и утолщенное сечение в центре участка обода между спицами.

Альтернативные материалы для выполнения этих ступиц, такие как композиционные материалы с металлической матрицей и из волокна, обеспечивают гибкость конструкции ступицы, а также меньшую стоимость производства. Использование композиционных материалов ступицы с металлической матрицей или волокном желательно, чтобы центробежное расширение ступиц при высоких скоростях не превышало максимальный натяг при горячем монтаже ротора, возможный при разных температурах и коэффициентах теплового расширения элементов.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения получены альтернативные способы установки композиционных колец и устройство для маховиков с очень высокой удельной энергией.

Согласно аспектам настоящего изобретения, включающим электродвигатель-генератор и контроллер, очень компактные электромеханические устройства имеют максимальную эффективность с минимальными потерями энергии и минимальным генерированием тепла, а также при контроле извлечения тепла в каждом случае, когда происходит неизбежное генерирование остаточного тепла либо в роторе, либо в статоре. С этой целью устройство может быть оснащено для отдельного измерения температуры и водяного охлаждения статора электродвигателя и ротора электродвигателя благодаря излучающим тепло ребрам в вакуумной камере, а также самим подшипникам и маховиковому кольцу. В одном варианте осуществления изобретения в завершенную маховиковую систему накопления энергии включена автономная система охлаждения с теплоотводящей трубкой.

В различных вариантах выполнения электродвигателя-генератора, соответствующего настоящему изобретению, используются электромагнитные конструкции как с продольным, так и с поперечным магнитным потоком с радиальным или осевым воздушным зазором для минимизации нагрева ротора и статора и для максимизации эффективности.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения конструкция электродвигателя с постоянными магнитами с поперечным магнитным потоком значительно упрощена для достижения большей надежности. Это очень важно для маховиковых систем накопления энергии типа, к которому относится настоящее изобретение, для которого необходим долгий срок службы без периодического технического обслуживания.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения в контроллере генерируются сигналы виртуального эффекта Холла. В этом случае в электродвигателе не требуются датчики обратной связи, определяющие положение ротора, в результате чего получено переключение без использования датчиков, что снижает расходы и повышает надежность. Постоянные магниты в роторах, обычно используемых в таких электродвигателях постоянного тока, могут быть исключены из конструкции, и может использоваться конструкция реактивного синхронного типа.

Электродвигатели-генераторы маховиковых систем накопления энергии, соответствующих настоящему изобретению, могут иметь включенную в их контроллер специальную схему для высокоскоростных статоров, имеющих дополнительные обмотки для быстрого демпфирования слишком большой накопленной маховиком энергии в неопасном режиме.

С использованием композиционных маховиковых колец, работающих с очень высокой скоростью, для которых обычные установочные ступицы непригодны, может использоваться альтернативный вариант выполнения ротора электродвигателя. Согласно этому аспекту настоящего изобретения могут быть выполнены нарезанные в осевом направлении или частично нарезанные сегменты ротора, посаженные неподвижной горячей посадкой в отверстия этих колец. При возрастании скорости вращения узла эта посадка с натягом устраняется вследствие центробежного расширения, и между кромок сегментов ротора формируется небольшой зазор. Небольшой зазор вызывает ослабление магнитного поля, уменьшение тока и широтно-импульсной модуляции в электродвигателе, что повышает эффективность и снижает нагрев ротора. Относительно аспекта изобретения, касающегося выполнения осевых пазов или частичных пазов в роторе, роторная часть электродвигателя-генератора может быть образована удлиненным в осевом направлении корпусом, имеющим внешнюю цилиндрическую центральную часть, внутри которой установлены постоянные магниты, внутреннюю цилиндрическую центральную часть, соединенную с вращающимся валом, и промежуточную часть, соединяющую внутреннюю и внешнюю цилиндрические центральные части для облегчения совместного вращения внешней цилиндрической центральной части с маховиком, когда частота вращения маховика и вала приближается к частоте, при которой маховик отделяется от вала. Согласно этому аспекту изобретения промежуточная часть, предпочтительно, закруглена и, предпочтительно, тоньше внутренней и внешней цилиндрических центральных частей.

Согласно этому аспекту изобретения маховик, предпочтительно, установлен на внешнюю поверхность внешней цилиндрической центральной части корпуса. Предпочтительно, корпус имеет удлиненные в осевом направлении пазы между соседними постоянными магнитами. Предпочтительно, пазы выполняют в цилиндрической части корпуса. Кроме того, предпочтительно, оконечности пазов находятся в осевом направлении ближе к центру устройства, чем оконечности постоянных магнитов в осевом направлении. Некоторые из пазов могут находиться в одинаковом угловом местоположении и быть совмещенными по оси. Изобретение также предусматривает, что оконечности, по меньшей мере, части пазов могут находиться дальше от центра устройства, чем оконечности постоянных магнитов в осевом направлении.

Другой аспект настоящего изобретения предусматривает использование цифрового управления с пространственным вектором с гармонической волной в электронных средствах управления электродвигателя-генератора на основе цифровой обработки сигналов, которое снижает потери и нагрев и улучшает динамические характеристики. Это векторное управление и явление ослабления магнитного поля увеличивает коэффициент мощности энергетических установок, позволяет минимизировать размеры, вес и стоимость силовых электронных средств и, таким образом, повысить общую эффективность системы.

Согласно аспектам настоящего изобретения, относящимся к подшипникам, подшипниковый узел содержит внешнее кольцо подшипника и внутреннее кольцо подшипника, при этом внутреннее и внешнее кольца подшипника имеют канавки качения для удерживания шариков или роликов подшипникового узла. Подшипниковый узел может дополнительно содержать множество шариков или роликов, установленных в узел для вхождения в контакт качения с соответствующими канавками качения внешнего и внутреннего колец подшипника, и твердую смазку, примыкающую к одному или более шариков или роликов, установленных между внутренним и внешним кольцами, при этом внутреннее и внешнее кольца соединены с прилагающим нагрузку и несущим нагрузку элементами. Твердый смазочный материал также может содержаться в объемной оболочке подшипника скольжения, не имеющего множества шариков или роликов.

Согласно аспектам изобретения, касающимся подшипников, снижения и контроля трения в высоковакуумной среде, в которой работает маховиковая система накопления энергии, в качестве дополнительного смазочного материала может оптимально использоваться синтетическая консистентная смазка низкой летучести. Вспомогательный смазочный материал можно получить с использованием пористого пластмассового элемента, например нейлоновой вставки, пропитанной таким же маслом низкой летучести, которое используют в связи с синтетическим консистентным смазочным материалом для поддержания влажности смазочного материала и предотвращения высушивания в вакууме. Аспекты настоящего изобретения, связанные со смазкой, подшипниками и контролем трения, включают использование извилистых лабиринтных уплотнений для ограничения остаточного газовыделения из консистентной смазки малой летучести до допустимых уровней.

Твердым смазочным элементом в подшипниках, предпочтительно, является элемент из углеродного графита, предпочтительно, прижатый, иногда - самоприжимающийся к шарикам, роликам подшипника или другим движущимся поверхностям таким образом, что графит "обмазывает", то есть притирается к шарикам, роликам или другой движущейся поверхности (поверхностям), оставляя на ней тонкую пленку смазочного графита и производя сверхтонкие частицы "продуктов износа" твердого смазочного материала. При работе подшипника эти продукты износа захватываются между поверхностями шариков или роликов и канавок качения. Продукты износа смазочного элемента переносятся вращающимися шариками или роликами на поверхности канавки качения, в которые установлены шарики или ролики, таким образом, что между шариками или роликами и поверхностями канавки качения образуется графитная пленка, и эта пленка постоянно пополняется в течение срока службы подшипника без необходимости последующего нанесения дополнительного смазочного материала.

При низких скоростях вращения подшипника эффект самоприжимания в этих кольцах твердой смазки может обеспечиваться за счет упругости самих колец в результате того, что кольца разрезаны и выполнены так, что они немного нагружены с отклонением в сторону шариков или роликов. В случае с роликовыми подшипниками и при высоких скоростях работы шариковых подшипников инерционные нагрузки на элементы подшипников и на кольца из твердого смазочного материала, которые для таких вариантов применения, предпочтительно, выполняют без каких-либо разрезов, достаточны для обеспечения достаточного прижимания или периодического вхождения в контакт с шариками или роликами для производства требуемых продуктов износа смазочного материала и переноса пленок. В высокоскоростной маховиковой системе накопления энергии шарики движутся так, что они сталкиваются с кольцами твердого смазочного материала в случайном порядке. Когда используют роликовые подшипники, ролики перекашиваются в случайном порядке, входя в контакт с кольцами твердого смазочного материала, встроенными в такие подшипники для вхождения в контакт с концами роликов.

Смазочный элемент, предпочтительно, выполняют в форме кольца, но он может также быть в форме вставок из твердого смазочного материала или относительно толстого покрытия из твердого смазочного материала, связанного с обоймой подшипника. Местоположение твердого смазочного материала может меняться. Кольцо или обойма должны создавать минимальное ограничение орбитального движения шариков или роликов. Минимальное ограничение орбитального движения требуется для минимизации истирания пленки твердого смазочного материала на поверхностях шарика или ролика/канавки качения в подшипнике.

В очень высокоскоростных вариантах применения, когда центробежные силы, воздействующие на кольца твердого смазочного материала или обойму подшипника, достаточно велики для создания избыточного износа и напряжений, можно использовать металлическую ленту для сдерживания напряжений, возникающих в кольце смазочного материала. В альтернативном варианте может использоваться обойма или сепаратор с твердым смазочным материалом, включенным в качестве вставок или покрытий на поверхностях обоймы, входящих в контакт с направляющими фасками кольца и шариками или роликами. Как в случае с кольцом твердого смазочного материала, для минимизации орбитального ограничения для шариков или роликов, гнездо обоймы имеет большие зазоры в орбитальном направлении, и направляющие фаски имеют небольшой зазор и испытывают небольшое трение.

Требуемое малое трение на поверхностях направляющих фасок обоймы может обеспечиваться с использованием гидродинамических или газодинамических упорных подшипников с малым коэффициентом трения или подобной геометрии направляющих фасок обоймы. Необходимая автоматическая гидродинамическая смазка этих поверхностей направляющих фасок обоймы облегчается центробежной деформацией направляющих обоймы при высоких скоростях, когда эти направляющие отклоняются радиально-наружу в каждой обойме между гнездами шариков или роликов в обойме, образуя гребенчатую поверхность скольжения направляющей фаски обоймы для формирования пленки гидродинамической смазки на конической направляющей фаске.

Можно создавать очень тонкие покрытия из твердой смазки на шариках или роликах и канавках качения для первоначальной смазки при приработке контактных поверхностей подшипника, пока не начнет действовать механизм переноса пленки и захвата продукта износа смазочного материала, обеспечивающий пополнение непрерывной пленки и продолжительный срок службы подшипника. Твердые смазочные элементы располагают в подшипниках таким образом, чтобы исключать высокие нагрузки на поверхности, пополняющие пленку из твердого смазочного материала; в противном случае, что нежелательно, при износе смазочного материала могут образовываться крупные частицы, что привело бы к невозможности необходимой непрерывной подачи сверхтонких пополняющих смазку частиц.

Предпочтительно, изобретение предусматривает в определенной степени свободные допуски канавок качения шариковых подшипников или контактных поверхностей роликовых подшипников для получения достаточного пространства вблизи испытывающих нагрузку точек контакта в подшипниках для создания пленки из твердого смазочного материала. Одновременно, геометрия канавок качения подшипников исключает избыточный кромочный контакт, который мог бы нарушать пленки смазочного материала на контактных поверхностях. Все это содействует захвату продуктов износа смазочного материала и переносу пленок из твердого смазочного материала непосредственно на контактные дорожки шариковых, роликовых или скользящих подшипников и одновременно существенно не ограничивает орбитальное движение вращающихся элементов в подшипниках.

В маховиковых системах накопления энергии, соответствующих настоящему изобретению, доминирующей радиальной нагрузкой на подшипники является нагрузка остаточного дисбаланса, которая вращается с ротором, тогда как доминирующей осевой нагрузкой является предварительный натяг, обычно создаваемый пружинами, воздействующими на неподвижные кольца подшипников. Эти неподвижные кольца подшипников, предпочтительно, устанавливают на неподвижную часть конструкции со скользящей посадкой.

Хотя предпочтительным материалом для твердой смазки является пропитанный углеродный графит, можно использовать другие варианты материалов, такие как дисульфид молибдена, дисульфид вольфрама и халькогениды комплексных металлов второго поколения, которые особенно приспособлены для высокотемпературных подшипников. Такие составы твердых смазочных материалов, как предпочтительный углеродный графит, можно включать в самостоятельные прессованные твердые смазочные элементы и покрытия и использовать в подшипниках, соответствующих изобретению.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения вращающееся кольцо устанавливают на ротор маховиковой системы накопления энергии с использованием гибкого соединительного устройства, которое эффективно изменяет критическую скорость ротора, когда ротор ускоряется до избранной расчетной скорости. Таким образом, подшипники никогда не подвергаются высоким нагрузкам от нарушения баланса, которые возникают при критической скорости обычного ротора.

Такая изоляция вибрации достигается благодаря тому, что кольцевое пространство между ротором и вращающимся кольцом подшипника перекрывается гибким элементом, таким как эластомерное уплотнительное кольцо, или вулканизированный эластомерный элемент, или гибкий металлический элемент, имеющий пригодную податливость. Кольцевого пространства не существует при начале вращения, поскольку детали плотно примыкают друг к другу, когда ротор неподвижен; при промежуточной скорости вращения ротора, за счет центробежного отклонения внешнего элемента узла, детали отделяются друг от друга и образуется кольцевое пространство, создающее зазор. Эту скорость "отрыва" подбирают так, чтобы она составляла приблизительно 2/3 первой критической скорости вращения ротора, когда зазора или кольцевого пространства не существует, и приблизительно на 1/3 выше модифицированной критической скорости, когда зазор или кольцевое пространство создано. Таким образом, ротор никогда не работает точно с критической скоростью и, таким образом, никогда не подвергает подшипники воздействию вибрации с большой амплитудой (амплитудами), которая могла бы возникать при простой работе без демпфирования при критической скорости (скоростях) вращения ротора.

Роторы с этой минимизирующей вибрацию отделяющей системой при работе со скоростями, превышающими скорость отрыва, вращаются вокруг центра масс, а не вокруг геометрического центра подшипниковой опорной системы. В результате, необходимость в высокоточной балансировке ротора уменьшена, и возникает лишь небольшая (или не возникает совсем) центробежная деформация установочных поверхностей прецизионного подшипника. Это особенно важно для высокоскоростных маховиковых колец из волокнистого композиционного материала, в которых центробежное расширение может быть большим, поскольку такие системы сохраняют радиальную совместимость таких колец, а также точную сбалансированность системы в широком диапазоне рабочих скоростей маховиковой системы накопления энергии.

Согласно аспекту настоящего изобретения, относящемуся к минимизирующей вибрацию системе отделения для вращающихся механизмов, изобретение также включает соединительное устройство, облегчающее преодоление вращающимся с ускорением телом критической частоты вращения, причем устройство включает пару сопрягаемых первой и второй частей тела, которые входят в контакт друг с другом, когда тело неподвижно. Устройство также включает средство для упругого соединения второй части с первой частью для облегчения продолжения ее вращения по существу как единое целое, когда вторая часть отходит от первой части под воздействием центробежной силы при скорости вращения, которая ниже критической частоты вращения. Предпочтительно, две части входят в контакт друг с другом с плотной посадкой, когда тело неподвижно и находится при комнатной температуре. Кроме того, предпочтительно, чтобы сопрягаемые поверхности были обращены друг к другу, когда вторая часть движется в радиальном направлении от первой части в результате воздействия центробежной силы при скорости вращения, которая ниже критической частоты.

Согласно аспекту изобретения, относящемуся к отделению для минимизации вибрации, также предложен способ ускорения вращения тела с преодолением критической частоты вращения, причем тело имеет вторую часть, стремящуюся отделяться от первой части при угловой скорости вращения тела, которая ниже критической частоты. Способ включает обеспечение возможности отделения второй части от первой части под воздействием центробежной силы при скорости вращения, которая ниже критической частоты, благодаря чему уменьшается эффективная масса вращающегося тела и устанавливается новая критическая частота для вращающегося тела, которая по существу понижена относительно первоначальной критической частоты; предпочтительно, вторая часть, в таком случае, соединена с первой частью только эластичным элементом, благодаря чему повышается эффективная податливость подшипниковой опоры вращающегося тела. Способ, при необходимости, также предусматривает поддержание эластичного соединения между первой и второй частями для облегчения по существу совместного их вращения с одной скоростью, но с разными моментами количества движения. При необходимости, способ может также включать операцию самостоятельного смещения второй части радиально-внутрь для вхождения в контакт друг с другом обращенных друг к другу поверхностей первой и второй частей, когда тело находится в состоянии покоя и при температуре окружающей среды.

Аспект изобретения, относящийся к минимизирующей вибрацию отделяющей системе ротора, применим не только в маховиковых системах накопления энергии типа, к которому в широком смысле относится изобретение, но также к другим вращающимся с высокой скоростью механизмам, таким как газотурбинные двигатели, генераторы электроэнергии и т.п. Кроме того, в объем настоящего изобретения, в отношении минимизирующего вибрацию отделяющего устройства ротора