CZ307872B6 - Flywheel energy storage system - Google Patents

Abstract

This is a flywheel power storage system that solves the problems caused by the inevitable time mismatch between production and power consumption in a distribution network. The solution is based on the temporary storage of energy in the flywheel (1) inside the vacuum box (2), rotating about a vertical axis (20) which is parallel to the local external acceleration vector mounted on a magnetic hinge formed by a fixed permanent magnet (5) mounted outside the vacuum a housing (2), on the one hand by at least one support magnet (6, 7) fixed to the flywheel (1) inside the vacuum box (2) and also outside the vacuum box (2) fixed by the electromagnet winding (12). A motor rotor (3) of at least one permanent magnet is fixed to the flywheel (1) and located inside the cavity of the motor stator (4) connected to the vacuum housing (2).

Description

Vynález řeší problémy způsobené časovým nesouladem mezi produkcí energie na jedné straně a její spotřebou, zejména například v rozvodné spotřebitelské síti, na druhé straně. Řešení spočívá v dočasném skladování energie po tu dobu, během které její produkce a nabídka přesahují poptávku. Nastane-li pak opačná situace, tedy s poptávkou větší než nabídka - je ze soustavy podle vynálezu zase energie do spotřebitelské sítě dodávána. Soustava podle vynálezu může zejména nalézt uplatnění pro pokrytí nevýhodného časového průběhu dodávky energie z obnovitelných zdrojů jako jsou solární nebo větrné elektrárny. Může též být využita pro stabilizaci frekvence střídavého proudu v síti.The invention solves the problems caused by the time mismatch between the production of energy on the one hand and its consumption, in particular, for example, in the consumer distribution network, on the other. The solution is to temporarily store energy for as long as its production and supply exceed demand. If the opposite situation occurs, ie with demand greater than supply, energy is again supplied from the system according to the invention to the consumer network. In particular, the system according to the invention can find application to cover the disadvantageous time course of energy supply from renewable sources such as solar or wind power plants. It can also be used to stabilize AC frequency in a network.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Základním problémem v účelném hospodaření s energií je měnící se poptávka po energii, a naopak jinak se měnící její nabídka. Poptávka a nabídka tak jsou — zejména v případě elektrické energie — ve vzájemném časovém nesouladu. Je proto účelné energii z převisu nabídky nad poptávkou dočasně skladovat, a to ovšem tak, aby byla zase k dispozici, když jí je zapotřebí. Z existující široké škály známých principů skladování energie je předmětem vynálezu skladování ve formě kinetické energie v rotujícím setrvačníku. Oproti jiným principům má tento způsob celou řadu výhod, zejména je známa výhoda vysoké hodnoty uložené energie připadající na jednotku hmotnosti skladovacího zařízení. Dále je známo třeba to, že odpadají potíže s postupnou degradací kapacity zařízení (jaká je třeba problémem při skladování v bateriích s postupně klesající kapacitou). Je tam také výhodou schopnost dodat okamžitě extrémně vysoké hodnoty výkonu. Naopak problémem dosud stále ještě ne dokonale vyřešeným jsou ztráty energie, zejména způsobené třením. Jsou to jednak tření (smyková napětí) ve vzduchu těsně nad povrchem rotujícího setrvačníku, jednak tření v jeho ložiskovém uložení. Jsou známy různé návrhy řešení, z nichž v uspořádání podle vynálezu je sledovánoThe fundamental problem in efficient energy management is the changing demand for energy and, on the other hand, changing energy supply. Thus, demand and supply are, in particular in the case of electricity, inconsistent with each other. It is therefore expedient to temporarily store energy from excess supply over demand, but so that it is available again when it is needed. Of the existing wide range of known energy storage principles, the present invention provides kinetic energy storage in a rotating flywheel. Compared to other principles, this method has a number of advantages, in particular the advantage of the high value of stored energy per unit weight of the storage device is known. Further, it is known that there is no problem with the gradual degradation of the capacity of the device (such as the problem of storage in batteries with gradually decreasing capacity). There is also the advantage of being able to deliver extremely high power values instantly. On the other hand, a problem that has not yet been fully solved is the loss of energy, especially due to friction. These are friction (shear stresses) in the air just above the surface of the rotating flywheel and friction in its bearing arrangement. Various solutions are known, from which the arrangement according to the invention is monitored

a) umístění setrvačníku ve vakuové skříni z níž je vzduch vyčerpán a(a) placing the flywheel in a vacuum housing from which air is exhausted; and

b) nahrazení klasických ložisek bezdotykovou magnetickou levitací.b) replacement of conventional bearings by non-contact magnetic levitation.

Základním problém je s využitím levitace. Přináší jej Eamshawův teorému, původně odvozený pro elektrostatická pole, ale platící obecně pro všechny klasické síly působící na vznášející se tělesa, tedy síly jejichž velikost klesá s druhou mocninou vzdálenosti. Tento teorém se tedy uplatňuje i zde v případě působení magnetických sil a gravitace. Vysloveně sice Eamshawův teorém neukazuje magnetickou levitaci v gravitačním poli jako zcela nemožnou, ale uplatňuje se pro většinu dosud známých obvyklých pasivních konfigurací magnetů, neboť říká, že soubor těles s magnetickými silami na ně působícími o neměnné intenzitě v gravitačním poli nemůže být v žádné konfiguraci udržen v ustálené rovnovážné poloze. Existuje několik výjimek z předpokladů, na nichž je Eamshawův teorém založen, ale ty se týkají případů, které vesměs pro ukládání energie v rozumném měřítku nepřicházejí v úvahu. Aby se permanentní magnet ustavil ve stabilní rovnovážné prostorové poloze bez kontaktu s nehybnými okolními tělesy, musel by se nacházet v místech lokálního extrému silového potenciálu - ale takový extrém nemůže existovat. Co jedině v takovém případě existovat může je pouze nestabilní rovnováha. Ta je charakterizována rozložením potenciálu majícím charakter sedlového bodu. Znamená to sice stabilitu v jednom směm, ale se současnou nestabilitou ve směru, který je k tomu kolmý.The basic problem is using levitation. It is brought by Eamshaw's theorem, originally derived for electrostatic fields, but generally applicable to all classical forces acting on floating bodies, ie forces whose magnitude decreases with the square of distance. This theorem therefore applies here also in the case of magnetic forces and gravity. Specifically, while Eamshaw's theorem does not prove magnetic levitation in a gravitational field to be completely impossible, it applies to most of the usual conventional passive magnet configurations, since it says that a set of bodies with magnetic forces acting on them at constant gravity field cannot be maintained in steady state equilibrium. There are a few exceptions to the assumptions on which Eamshaw's theorem is based, but these relate to cases that are largely out of the question for energy storage. In order to establish a stable equilibrium spatial position without contact with the stationary surrounding bodies, the permanent magnet would have to be located at local extreme power potentials - but such an extreme cannot exist. What can only exist in such a case is only an unstable balance. This is characterized by a potential distribution having the character of a saddle point. It means stability in one direction, but with current instability in a direction perpendicular to it.

Stabilita polohy rotujícího setrvačníku je ovšem nezbytná, neboť na setrvačník nevyhnutelně působí řada mšivých účinků, u nichž je nutné, aby se postupně utlumily. Je toHowever, the stability of the rotating flywheel position is necessary, since a series of cleavage effects inevitably exert on the flywheel in order to gradually dampen it. It is

- 1 CZ 307872 B6 zejména neodstranitelný gyroskopický moment působení zemské rotace — ale uplatňují se také sice v principu odstranitelné, ale prakticky vždy přítomné takové faktory jako je nedokonalá vyváženost setrvačníku nebo u magnetického závěsu silové efekty vířivých elektrických proudů v blízkých elektrických vodičích. Tyto poruchové vlivy jsou schopny vyvinout síly které při obvykle velmi vysokých otáčkách setrvačníku mohou nabýt velkých nebezpečných hodnot a je tedy nutné je potlačit. Vysoké otáčky setrvačníku jsou obvykle žádoucí s ohledem na efektivitu skladování energie. V podstatě známým řešením problému stability je zavedení aktivní stabilizace zpětnou vazbou. Ta je ovšem napájena dodávanou energií, která se projeví jako energetická ztráta ve skladovací soustavě. Součástí takové smyčky zpětné vazby je na jedné straně sonda generující výstupní signál závislý na okamžité poloze setrvačníku a na druhé straně pak je to akční člen, který podle zesíleného a často i složitěji zpracovaného signálu sondy generuje intenzivní silové působení potlačující sondou zjištěnou výchylku, jíž tak potlačí.In particular, the irreversible gyroscopic moment of the Earth's rotation - but also removable but practically always present factors such as the imperfect balance of the flywheel or, in the case of a magnetic hinge, the effects of eddy currents in nearby electrical conductors, are also present. These disturbances are capable of exerting forces which, at very high flywheel speeds, can attain very dangerous values and must therefore be suppressed. High flywheel speeds are usually desirable with respect to energy storage efficiency. An essentially known solution to the stability problem is the introduction of active feedback stabilization. However, it is fed by the supplied energy, which is manifested as an energy loss in the storage system. Such a feedback loop includes, on the one hand, a sensor generating an output signal dependent on the instantaneous flywheel position, and on the other hand an actuator that generates an intense force acting by the probe to suppress the deflection detected by the amplified and often complicated probe signal. .

Roztočení a následná rotace setrvačníku se obvykle provádí účinky rotujícího elektromagnetického pole vytvořeného ve vinutích jaké jsou známé a obvyklé v elektrických točivých strojích. Stejné vinutí je pak často využito ke generaci elektrického výstupního proudu v režimu odběru energie ze setrvačníku.The spinning and subsequent rotation of the flywheel is usually accomplished by the effects of a rotating electromagnetic field generated in the windings as is known and common in electric rotating machines. The same winding is then often used to generate an electrical output current in the flywheel power take-off mode.

Komplikaci způsobuje dosti složitá dynamika roztočeného setrvačníku. Velké působící silové momenty setrvačníků roztočených na vysoké otáčky zejména mohou vyvolat nežádoucí pohyby setrvačníku ve směrech kolmých k ose rotace. Potlačení těchto nežádoucích efektů vyžaduje doplnit soustavu dalšími elektrickými zpětnými vazbami tvořícími uzavřené signálové smyčky s čidly polohy setrvačníku a s elektromagnety reagujícím takovou změnou intenzity magnetického pole, aby se signál čidla po narušení rovnováhy navrátil na žádoucí původní hodnotu. Protože výhody magnetického bezkontaktního závěsu jsou zřejmé, bylo problému levitace setrvačníku věnováno značné úsilí po již relativně dlouhou dobu, aniž by se dosáhlo konečného úplného úspěchu. Tomuto množství již provedených prací odpovídá i existující patentová literatura. Problémy, na něž další vývoj přitom naráží jsou zejména dva. Je to v prvé řadě stále dosud ne zcela úspěšné řešení otázky tlumení oscilací ve zpětnovazebních smyčkách. Je obtížné překonat základní nestabilnost soustavy danou obecně platným Eamshawovým teorémem a jemu odpovídajícímu sedlovému charakteru potenciálu silových polí. Netlumené nebo nevhodně tlumené zpětné vazby mohou vyvolat nebezpečné mechanické oscilace závěsu. Ve druhé řadě, pokud se stabilní závěs setrvačníku již zdařilo realizovat, dochází se u známých uspořádání k tomu, že k udržení stability a k utlumení oscilací je spotřebovávána neúměrně velká energie. Ta ovšem reprezentuje nepříznivě velké procento ze skladované energie.The complicated dynamics of the spinning flywheel cause a complication. In particular, the high torque forces of the flywheels rotated at high speeds may cause undesired flywheel movements in directions perpendicular to the axis of rotation. The suppression of these undesirable effects requires supplementing the system with additional electrical feedbacks forming closed signal loops with flywheel position sensors and electromagnets responsive to a change in magnetic field intensity to return the sensor signal to the desired original value when the equilibrium is disrupted. Since the advantages of a magnetic contactless hinge are evident, considerable effort has been devoted to the problem of flywheel levitation for a relatively long time without achieving ultimate full success. Existing patent literature corresponds to this number of works already performed. In particular, the problems encountered by other developments are two. First and foremost, it is still a not yet successful solution to the problem of damping oscillations in the feedback loops. It is difficult to overcome the fundamental instability of the system given by the generally valid Eamshaw theorem and its corresponding saddle character of the force field potential. Undamped or inappropriately damped feedbacks can cause dangerous mechanical hinge oscillations. Secondly, if a stable flywheel suspension has already been realized, in the known arrangements, disproportionately high energy is consumed to maintain stability and dampen oscillations. However, it represents an unfavorably high percentage of stored energy.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Uvedené problémy řeší setrvačníková soustava pro skladování energie, se setrvačníkem uvnitř vakuové skříně v ní otočným kolem osy setrvačníku, kde tento setrvačník je uchycen na magnetickém závěsu tvořeném třemi částmi, a to jednak pevným prvním magnetem, jednak druhým nosným magnetem souose pevně spojeným se setrvačníkem, a dále souose s osou setrvačníku upevněným nosným vinutím elektromagnetu, přičemž se setrvačníkem je také pevně spojen motorový rotor obsahující nejméně jeden permanentní magnet a umístěný uvnitř dutiny motorového statoru spojeného pevně s vakuovou skříní, podle vynálezu, jehož podstatou je, že permanentní první pevný magnet osově souměrného tvaru mající osu symetrie prvního magnetu orientovanou souose s osou setrvačníku je zmagnetovaný ve směru osy setrvačníku a na své spodní straně pevně spojen s horní stranou vakuovou skříně, která je alespoň ve své horní části zhotovena z nemagnetického materiálu a je spojena se souose umístěným jádrem elektromagnetu, kde na vnější straně vakuové skříně soustředně s tímto jádrem elektromagnetu jsou uspořádány závity nosného vinutí elektromagnetu z elektricky vodivého materiálu, napojené na výstupThese problems are solved by a flywheel energy storage system, with a flywheel inside the vacuum housing rotatable about a flywheel axis therein, where the flywheel is mounted on a magnetic hinge formed by three parts, both a fixed first magnet and a second support magnet coaxially fixed to the flywheel. and coaxial to the flywheel axis fixed by the electromagnet support winding, the motor rotor comprising at least one permanent magnet and located within the cavity of the motor stator fixedly connected to the vacuum housing, according to the invention, characterized in that the permanent first solid magnet is axially connected. of a symmetrical shape having a symmetry axis of the first magnet aligned coaxially with the flywheel axis, magnetized in the direction of the flywheel axis, and fixed at its underside to the upper side of the vacuum housing, which is at least in its upper part It is made of non-magnetic material and is connected to a coaxially located electromagnet core, where on the outside of the vacuum cabinet concentrically with this electromagnet core there are arranged the threads of the electromagnetic carrier winding of electrically conductive material connected to the outlet

-2CZ 307872 B6 výkonového zesilovače, zatímco uvnitř pod horní stěnou vakuové skříně je k setrvačníku připevněn nejméně jeden permanentní nosný magnet rotačně souměrného tvaru axiálně zmagnetovaný ve směru osy setrvačníku, přičemž ke spodní straně setrvačníku je připevněn motorový rotor obsahující nejméně jeden permanentní magnet zmagnetovaný napříč ke směru osy setrvačníku, zatímco kolem něj umístěný rotorový stator je připevněn prostřednictvím držáku k vakuové skříni, kde tento motorový stator je opatřen elektricky navzájem oddělenými sekcemi statorového elektricky vodivého vinutí, kde každá z těchto sekcí vinutí motorového statoru je elektrickými vodiči napojena na motorové řídicí obvody a vakuová skříň je opatřena otvorem s napojenou spojovací trubici vedoucí jednak k vakuometru, jednak k vývěvě, přičemž jak vakuometr tak vývěva jsou oboje napojeny elektricky na tlakové řídicí obvody a společně s polohovými řídicími obvody napojenými na nejméně jednu Hallovu sondu umístěnou na vakuové skříni a motorovými řídicími obvody a elektrickými vodiči napojenou na centrální řídicí systém, kde podobně jsou na tento centrální řídicí systém napájecím přívodem a vývodem do sítě napojeny polohové řídicí obvody a tlakové řídicí obvody.While at least one permanent magnet of rotationally symmetrical shape axially magnetized axially in the direction of the flywheel axis is attached to the flywheel, below the upper wall of the vacuum housing, a motor rotor comprising at least one permanent magnet magnetized transverse to the flywheel is attached to the flywheel. the direction of the flywheel axis while the rotor stator disposed around it is secured by means of a bracket to the vacuum housing, wherein the motor stator is provided with electrically separate sections of the stator electrically conductive winding, each of these motor stator winding sections being connected by electrical conductors to the motor control circuits; the vacuum box is provided with an opening with a connecting tube leading both to the vacuum gauge and to the vacuum pump, both the vacuum gauge and the vacuum pump are both electrically connected to the pressure control o circuits and together with position control circuits connected to at least one Hall probe located on the vacuum cabinet and motor control circuits and electrical wires connected to the central control system, similarly the position control circuits and pressure circuits are connected to this central control system via the power supply and mains control circuits.

U uspořádání podle vynálezu bylo provedenými experimenty jednoznačně demonstrováno, že ke stabilizaci prostorové polohy řízené signály Hallových sond postačí elektrický příkon řádu miliwattů, tedy o mnoho desítkových řádů menší, než jsou výkony řádu megawattů, které mohou být odebírány elektromagnetickým brzděním s odběrem proudu velkého rotujícího setrvačníku.In the arrangement according to the invention, the experiments clearly demonstrated that to stabilize the spatial position controlled by Hall probe signals, an electrical power of the order of milliwatt, i.e. many tens of orders of magnitude lower than megawatts of power, can be obtained. .

Podle vynálezu může být v setrvačníkové soustavě účelné, aby k horní straně vakuové skříně v blízkosti jak pevného, tak i nosného magnetu byl upevněn elektrodynamický tlumič ve tvaru souose umístěného prstence z elektricky vodivého materiálu.According to the invention, it may be expedient in the flywheel assembly to attach an electrodynamic damper in the form of a coaxially arranged ring of electrically conductive material to the upper side of the vacuum housing in the vicinity of both the fixed and the supporting magnet.

Je umístěn tak, aby se přes něj uzavíral rozptylový tok obou permanentních magnetů magnetického závěsu setrvačníku. Při změnách vzájemné polohy na jedné straně pevného magnetu spojeného s vakuovou skříní a na druhé straně nosného magnetu spojeného se setrvačníkem se v tomto elektrodynamickém tlumiči generují elektrické vířivé proudy působící proti těmto změnám jejich vzájemné prostorové polohy. Disipací energie těchto proudů se pak takovéto polohové změny potlačují, což umožňuje nepatrné energetické nároky na regulaci, jelikož vertikální změny polohy setrvačníku jsou mnohem pomalejší, než je snadno dosažitelná rychlost reakce regulační smyčky daná hlavně indukčností elektromagnetu. Otáčí-li se magnet, a tedy i setrvačník podél osy magnetizace, nevznikají v tomto elektrodynamickém tlumiči vířivé proudy a neklade tedy otáčení magnetu odpor. Ustaví-li se zároveň vzdálenost nosného magnetu setrvačníku od pevného magnetu tak, aby výsledná magnetická síla permanentních magnetů byla rovna gravitační síle působící na rotorovou soustavu, vinutím elektromagnetu pak neprochází žádný proud se stejnosměrnou složkou a spotřeba energie pro udržení levitace je tak minimální.It is positioned so as to close the scattering flow of both permanent magnets of the flywheel magnetic suspension. As the relative position changes on one side of the fixed magnet coupled to the vacuum housing and on the other side of the carrier magnet coupled to the flywheel, electric eddy currents are generated in this electrodynamic damper counteracting these changes in their relative spatial position. By dissipating the energy of these currents, such positional changes are suppressed, which allows low energy demands on regulation, since the vertical variations of the flywheel position are much slower than the easily achievable rate of control loop response, mainly due to the inductance of the electromagnet. If the magnet, and hence the flywheel, rotates along the magnetization axis, no eddy currents occur in this electrodynamic damper and therefore does not impede the rotation of the magnet. If, at the same time, the distance of the flywheel carrier magnet from the fixed magnet is set so that the resulting magnetic force of the permanent magnets is equal to the gravitational force exerted on the rotor assembly, then no DC current is passed through the electromagnet winding.

Dále může být podle vynálezu rovněž účelné, aby kolem motorového statoru, který má mezikruhový tvar se svislou osou symetrie, byl souose umístěn první motorový rotor pevně spojený se setrvačníkem, zatímco uvnitř dutiny motorového statoru je pak souose umístěný druhý motorový rotor rovněž pevně spojený se setrvačníkem.Furthermore, it may also be expedient according to the invention for a first motor rotor rigidly connected to the flywheel to be coaxially positioned around a motor stator having an annular shape with a vertical axis of symmetry, while a second motor rotor also coaxially fixed within the motor stator cavity .

Takovéto uspořádání hnacího a brzdicího systému pro uvádění setrvačníku do rotace nebo naopak odebírání mu jeho energii je účinnější než známá obvyklá uspořádání s pouze jedním motorovým rotorem.Such an arrangement of the drive and braking system for rotating the flywheel, or conversely consuming its flywheel energy, is more efficient than the known conventional arrangements with only one motor rotor.

Rovněž může být podle vynálezu účelné, aby setrvačníková soustava měla za účelem potlačení klonivých pohybů soustavu tri zpětných vazeb spočívajících každá v elektrickém propojení Hallovy sondy umístěné u permanentního nosného magnetu přes polohové řídicí obvody a centrální řídicí systém s elektrickým klopným statorovým vinutím umístěným pod setrvačníkem ve směru lokálního gravitačního zrychlení.It may also be expedient according to the invention for the flywheel assembly to have a triple feedback assembly, each in the electrical connection of a Hall probe positioned at the permanent magnet via position control circuits, and a central control system with an electric flip stator winding positioned below the flywheel. local gravitational acceleration.

Na rozdíl od známých uspořádání s jednou smyčkou zpětné vazby pro elektronickou stabilizaci prostorové polohy setrvačníku, kdy se na rotující komponenty soustavy působí jednou radiálníIn contrast to known single-loop feedback arrangements for electronically stabilizing the flywheel spatial position when rotating system components are acted once by a radial

-3 CZ 307872 B6 silou, přičemž toto uspořádání vyvolá komplikované gyroskopické nutační a precesní pohyby, u systému se třemi elektronickými zpětnými vazbami se třemi Hadovými sondami a třemi klopnými statorovými vinutími jsou současně potlačovány všechny působící prostorové síly a momenty.In the three electronic feedback system with three snake probes and three flip-flop stator windings, all the applied spatial forces and moments are simultaneously suppressed.

Konečně může také být podle vynálezu účelné, aby klopné statorové vinutí napojené na polohové řídicí obvody bylo totožné s vinutím motorového statoru.Finally, according to the invention, it may also be expedient for the flip stator winding connected to the position control circuits to be identical to the motor stator winding.

Tímto vícenásobným využitím statorových vinutí a odpovídajícího rotoru se zmenší celková hmotnost komponent soustavy, které musí být neseny magnetickým závěsem. Touto menší hmotností se dosáhne zrychlení odezvy na silové účinky zpětné vazby a zmenší se příkon, který musí být dodáván pro stabilní levitaci setrvačníku.This multiple use of the stator windings and the corresponding rotor reduces the total weight of the system components that must be supported by the magnetic hinge. This less weight results in an accelerated response to the feedback force forces and a reduction in the power that must be supplied for stable flywheel levitation.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Na přiložených celkem 16ti obrázcích je znázorněno devět různých příkladů uskutečnění setrvačníkových soustav pro skladování energie podle vynálezu.Nine different embodiments of the flywheel energy storage systems of the present invention are shown in the accompanying 16 figures.

Na prvních dvou obrázcích obr. 1 a 2 je znázorněna soustava určená pro relativně malé maximální otáčky setrvačníku. Na obr. 1 je nakreslena v myšleném řezu vedeném svislou rovinou procházející osou symetrie a schematicky jsou na tomto obrázku naznačeny rovněž jednotlivé části systému který tuto soustavu řídí. Druhý obr. 2 představuje příčný myšlený řez rovinou A -A kolmou k ose symetrie, a sice vedenou v úrovni pod spodní stranou setrvačníku, kde je synchronní elektrický točivý stroj fungující alternativně buď jako motor nebo jako alternátor.In the first two figures of FIGS. 1 and 2, a system for relatively small maximum flywheel speed is shown. In FIG. 1 it is drawn in an imaginary section taken along a vertical plane passing through the axis of symmetry, and the individual parts of the system controlling the system are also schematically shown in this figure. The second Fig. 2 is a transverse sectional view taken along the plane A-A perpendicular to the axis of symmetry at a level below the underside of the flywheel, where the synchronous electric rotary machine operates alternatively either as an engine or as an alternator.

Druhé uspořádání, nakreslené na obr. 3 v obdobném vodorovném řezu vedeném rovinou A -A kolmou k ose symetrie, se liší od předcházejícího provedení z obr. 2 jiným elektrickým zapojením točivého elektrického stroje. Stejně jako u výše popisovaného prvního příkladu provedení je u tohoto uspořádání především řešena úloha zajištění vertikální polohy rotujícího setrvačníku, při níž se nikde nedotýká stěn vakuové skříně, která setrvačník obklopuje.The second arrangement shown in FIG. 3 in a similar horizontal section along the line A-A perpendicular to the axis of symmetry differs from the previous embodiment of FIG. 2 by the other electrical connection of the rotating electrical machine. As with the first embodiment described above, the task of providing a vertical position of the rotating flywheel, in which it does not touch the walls of the vacuum housing that surrounds the flywheel, is primarily addressed in this arrangement.

Třetího příkladu provedení se týkají obr. 4, 5, 6 a. 7. Kromě zajištění a stabilizace vertikální polohy setrvačníku zajišťuje toto uspořádání příčnou stabilitu a rovněž potlačení jakéhokoliv klonění osy rotace setrvačníku vzhledem k jej obklopující vakuové skříni. Na obr. 4 je nakresleno uspořádání magnetického závěsu setrvačníku, na obr. 5 je zobrazena spodní část setrvačníku a zde umístěný elektrický točivý stroj. Oba obr. 4 a obr. 5 jsou kresleny v myšleném řezu svislou rovinou procházející osou symetrie. Na obr. 6 je schematické prostorové znázornění cívek elektromagnetů — a to jak těch vyvozujících rotaci setrvačníku, tak těch, které slouží k potlačení náklonů jeho osy rotace. Pro zjednodušení a zpřehlednění obrázku jsou zde nakresleny pouze cívky jedné setři sekcí. Dvě další sekce jsou shodné, jsou jen jinak natočené a jinak umístěné. Na obr. 7 jsou dva diagramy časového průběhu elektrického napětí. První diagram ukazuje napětí na jedné ze tri sekcí elektrického vinutí ve statoru. Druhý diagram ukazuje napětí na vstupu do cívek akčního členu zajišťujícího příčnou stabilizaci setrvačníku.A third exemplary embodiment relates to Figs. 4, 5, 6 and 7. In addition to securing and stabilizing the vertical position of the flywheel, this arrangement provides transverse stability as well as suppressing any tilt of the flywheel axis relative to the surrounding vacuum housing. Fig. 4 shows the flywheel magnetic hinge arrangement; Fig. 5 shows the lower part of the flywheel and the electric rotary machine located there. Both FIGS. 4 and 5 are drawn in an imaginary section through a vertical plane passing through the axis of symmetry. Fig. 6 is a schematic three-dimensional representation of the solenoid coils - both those causing the flywheel rotation and those used to suppress tilt of its axis of rotation. To simplify and clarify the picture, only coils of one section are drawn here. Two other sections are identical, they are just differently filmed and placed differently. Fig. 7 shows two diagrams of the time course of the electric voltage. The first diagram shows the voltage on one of the three sections of the electrical winding in the stator. The second diagram shows the input voltage to the actuator coils providing transverse stabilization of the flywheel.

Čtvrtý příklad uskutečnění, znázorněný na obr. 8, 9 a 10, je kompaktní provedení soustavy skladování energie podle vynálezu, určené pro vysoké maximální otáčky setrvačníku. Na obr. 8 je soustava nakreslena opět v myšleném řezu vedeném meridiální svislou rovinou procházející svislou osou symetrie. Další obr. 9 pak zachycuje myšlený řez rovinou A-A kolmou k ose rotace setrvačníku. Následně obr. 10 poskytuje názorné vysvětlení prostorového uspořádání jedné ze tří sekcí elektrického vinutí ve statoru točivého stroje umístěného na spodní části setrvačníku.A fourth embodiment, shown in FIGS. 8, 9 and 10, is a compact embodiment of the energy storage system of the invention designed for high maximum flywheel speed. In Fig. 8, the assembly is again drawn in an imaginary section through a meridial vertical plane passing through the vertical axis of symmetry. Another Fig. 9 then depicts an imaginary section through the plane A-A perpendicular to the axis of rotation of the flywheel. Consequently, Fig. 10 provides an illustrative explanation of the spatial arrangement of one of the three sections of the electrical winding in the stator of a rotating machine located at the bottom of the flywheel.

-4CZ 307872 B6-4GB 307872 B6

Dva diagramy obr. 11a obr. 12 ukazují dvě z různých možností časového průběhu napětí na svorkách vinutí motorového statoru. Tyto dva diagramy odpovídají dvěma dalším příkladům provedení, pátému a šestému.The two diagrams of FIG. 11a and FIG. 12 show two of the different voltage waveform options at the motor stator winding terminals. These two diagrams correspond to two further exemplary embodiments, the fifth and sixth embodiments.

Motorový stator točivého stroje - motoru/altemátoru - je u všech provedení podle vynálezu umístěn uvnitř skříně která je evakuována. To mj. znamená, že není možné spoléhat na jinak obvyklé konvektivní chlazení vinutí točivého stroje okolním vzduchem. I když teplo zde generované ve vinutí synchronního stroje elektrickým proudem je relativně malé, bez chlazení by v něm teplota mohla přece jen narůstat na nepříznivé hodnoty, zejména když se u popisovaných soustav může jednat o velmi velké zpracovávané výkony. Na obr. 13 je zobrazen sedmý příklad provedení, u nějž se ukazuje, jak může být proveden transport nežádoucího generovaného tepla do okolní atmosféry.In all embodiments of the invention, the motor stator of the rotating machine - motor / alternator - is located inside a housing which is evacuated. This means, among other things, that it is not possible to rely on the otherwise conventional convective cooling of the winding of the rotating machine by ambient air. Although the heat generated here in the winding of the synchronous machine by the electric current is relatively small, without cooling, the temperature in it could still rise to unfavorable values, especially when the systems described may be of very high processing power. FIG. 13 shows a seventh exemplary embodiment showing how undesired heat generated can be transported to the surrounding atmosphere.

Na dále následujících obr. 14 a 15 je znázorněna setrvačníková soustava podle vynálezu v osmém příkladu provedení. Je to provedení do značné míry obdobné prvnímu příkladu, jak jej ukazují obr. 1 a 2, ale tentokrát s účinnějším uspořádáním rotující části, která fůnguje jako elektrický točivý stroj, tedy uspořádáním motoru/altemátoru. Na obr. 14 je opět tato soustava nakreslena v myšleném řezu vedeném meridiální svislou rovinou procházející svislou osou symetrie setrvačníku, zatímco obr. 15 zachycuje myšlený řez rovinou A-A kolmou k ose rotace v úrovni rotoru a statoru elektrického točivého stroje na spodní straně setrvačníku. Je tam znázorněno uspořádání první sekce statorového vinutí, propojující elektrické vodiče tvořící první sekci. Toto propojení je schematicky naznačeno čarami vedenými mimo motorový stator. Ve skutečném provedení jsou tyto vodičové přívody a vývody zavedeny do vinutí motorového statoru prostřednictvím elektrických vodičů vedených kolmo k nákresně obrázku. Zde naznačená konfigurace tohoto provedení, s navzájem přesahujícími cívkami statorového vinutí, zlepšuje charakter rotujících fázově posunutých elektromagnetických polí a tedy zlepšuje i účinnost motoru/ alternátoru.14 and 15 show an inertia system according to the invention in an eighth embodiment. It is an embodiment largely similar to the first example as shown in Figs. 1 and 2, but this time with a more efficient arrangement of the rotating part that functions as an electric rotary machine, ie the arrangement of the motor / alternator. In Fig. 14, the assembly is again illustrated in an imaginary section taken along a meridial vertical plane passing through the vertical axis of symmetry of the flywheel, while Fig. 15 shows an imaginary section through plane A-A perpendicular to the axis of rotation at rotor and stator level of the electric rotary machine. There is shown the arrangement of a first section of the stator winding connecting the electrical conductors forming the first section. This connection is schematically indicated by lines drawn outside the motor stator. In an actual embodiment, these conductor inlets and outlets are introduced into the motor stator windings by means of electrical conductors perpendicular to the drawing of the figure. The configuration of this embodiment outlined here, with the stator winding coils overlapping each other, improves the character of the rotating phase-shifted electromagnetic fields and thus also improves the efficiency of the motor / alternator.

Poslední devátý příklad je na obr. 16. Ukazuje detail provedení, které jinak odpovídá předchozímu sedmému uspořádání (jak je nakresleno na obr. 14 a 15) kde ale v tomto případě je zajištěn odvod generovaného tepla ze statoru motoru/altemátoru kapalným chladivém. Toto chladivo zde protéká v dutinách držáku statoru, jenž je v tepelném kontaktu se statorem a odvádí z něj teplo. Dutiny držáku tvoří spojitě protékanou soustavu kanálů. Po jejím opuštění dále proudící chladivo prochází (zde nekresleným) vnějším chladičem.The last ninth example is shown in FIG. 16. It shows a detail of an embodiment that otherwise corresponds to the previous seventh arrangement (as shown in FIGS. 14 and 15), but where in this case the heat generated from the stator of the motor / alternator is cooled by liquid coolant. Here, the coolant flows in the cavities of the stator holder, which is in thermal contact with the stator and dissipates heat therefrom. The cavities of the holder form a continuous flow of the channel system. Upon leaving, the refrigerant flowing therethrough passes through a (not shown) external cooler.

Příklady uskutečnění vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

První příkladFirst example

Základní komponentou jako u všech zde popisovaných příkladů provedení soustav pro skladování energie je i v toto případě setrvačník U Je to kotouč, který může být proveden z oceli (pro nižší maximální otáčky), titanu, z kompozitu s uhlíkovými vlákny nebo jiného podobného materiálu jehož důležitou vlastností je značná pevnost v tahu umožňující odolávat odstředivému zrychlení. Tvar setrvačníku 1. je souměrný podle osy 20 setrvačníku. Soustava je umístěna a provozována tak, aby tato osa 20 setrvačníku byla orientována rovnoběžně s vektorem vnějšího zrychlení 21. Tento vektor ve většině případů ovšem odpovídá svislému lokálnímu směru působící gravitace. Setrvačník 1_ je umístěn v uzavřené vakuové skříni 2 která je zhotovena buď celá nebo alespoň ve své horní části z nemagnetického materiálu. V místě umístění Hallovy sondy 11 je vakuová skříň 2 také elektricky nevodivá. Tato vakuová skříň 2 zde stejně jako ve všech dále uváděných příkladech provedení sestává ze dvou částí, a sice jednak ze spodní části, která je upevněna na tuhý vnější rám (není kreslen, jsou zde jenom otvory pro připevňovací šrouby) a jednak ještě z horní části. Ta je ke spodní části vakuové skříně 2 vzduchotěsně připevněna prostřednictvím šroubů umístěných na jejím obvodu. Toto rozdělení na dvě části jeAs in all the energy storage systems described here, the flywheel U is a basic component. It is a wheel that can be made of steel (for lower maximum speed), titanium, carbon fiber composite, or other similar material whose important the characteristic is considerable tensile strength allowing to withstand centrifugal acceleration. The shape of the flywheel 1 is symmetrical about the flywheel axis 20. The assembly is positioned and operated such that the flywheel axis 20 is oriented parallel to the external acceleration vector 21. This vector, however, in most cases corresponds to the vertical local direction of gravity. The flywheel 7 is placed in a closed vacuum housing 2 which is made either entirely or at least in its upper part of non-magnetic material. At the location of the Hall probe 11, the vacuum housing 2 is also electrically nonconductive. Here, as in all the examples given below, this vacuum housing 2 consists of two parts, namely the lower part, which is fixed to a rigid outer frame (not shown, there are only holes for fastening screws) and also the upper part . The latter is airtightly attached to the bottom of the vacuum housing 2 by means of screws located on its periphery. This division into two parts is

-5 CZ 307872 B6 nezbytné k tomu, aby při montáži soustavy mohl být dovnitř do vakuové skříně 2 vložen setrvačník 1.In order to assemble the flywheel 1 into the vacuum housing 2 during assembly of the assembly.

Nahoře nad horní stranou vakuové skříně 2 jsou další dvě podstatné součástky, obě připevněné ke stejnému tuhému vnějšímu rámu jako vakuová skříň 2. V prvé řadě, zcela nahoře na obr. 1, je zde pevný první magnet 5. Je v příkladu provedení nakresleném na tomto obrázku prstencového tvaru, jeho osa symetrie prvního magnetu 25 je koaxiální s osou 20 setrvačníku. Pevný první magnet 5 je permanentní magnet. Jeho magnetizace je taková, že má severní pól N dole a jižní pól S nahoře. Pod tímto pevným prvním magnetem 5 je pak umístěn elektromagnet. Ten je zde rovněž prstencového tvaru a je rovněž upevněn k vnějšímu zde nekreslenému rámu. Je určen k modifikaci magnetického pole, jímž je nesen setrvačník 1_. Základní částí tohoto elektromagnetu je jádro elektromagnetu 8 vytvořené navinutím transformátorového plechu do tvaru mezikruží. Zvenku je kolem jádra elektromagnetu 8 navinuto a souose upevněno nosné vinutí elektromagnetu 12. Je tvořeno elektricky izolovanými dráty z elektricky vodivého materiálu velkého průřezu, svinutými do kruhových tvarů a svými elektrickými vývody napojené na výkonový zesilovač 19, který je elektricky napojen na polohové řídicí obvody 14.At the top above the top of the vacuum housing 2 are two other essential components, both attached to the same rigid outer frame as the vacuum housing 2. First, at the very top of Fig. 1, there is a fixed first magnet 5. of the ring shape, its axis of symmetry of the first magnet 25 is coaxial with the axis 20 of the flywheel. The fixed first magnet 5 is a permanent magnet. Its magnetization is such that it has the north pole N at the bottom and the south pole S at the top. An electromagnet is then placed under this fixed first magnet 5. This is also annular in shape and is also fixed to the outer frame (not shown). It is intended to modify the magnetic field with which the flywheel 7 is carried. The basic part of this electromagnet is the core of the electromagnet 8 formed by winding the transformer plate into the shape of an annulus. An electromagnetic carrier winding 12 is wound from outside and coaxially fixed around the electromagnet core 8. It consists of electrically insulated wires of electrically conductive material of large cross-section, wound into circular shapes and connected by its electrical terminals to a power amplifier 19 which is electrically connected to position control circuits 14 .

Na horní straně setrvačníku 1 je umístěn a k němu pevně připevněn další permanentní magnet, a sice druhý nosný magnet 6. Je také prstencového tvaru s otvorem ve svém středu. Tento otvor snižuje hmotnost rotujících komponent nesených na magnetickém závěsu, a kromě toho také usnadňuje montáž, mají stejnou orientaci své magnetizace, a sice opačnou než pevný první magnet 5. Druhý nosný magnet 6 má tedy jižní pól S nahoře a severní pól N dole. Znamená to, že mezi pevným prvním magnetem 5 upevněným na nosním rámu na jedné straně — a na druhé straně pak druhým nosným magnetem 6 připevněným k setrvačníku 1 — působí přitažlivá síla. Ta má proto tendenci setrvačník 1 nadzdvihovat. Poměry v soustavě, pokud jde o magnetické síly jsou předem nastaveny tak, že permanentní magnety samy k úplnému nadzdvihnutí setrvačníku 1 nepostačují. Dokáže to až přídavná vertikální síla generovaná v nosném vinutí elektromagnetu 12.On the upper side of the flywheel 1, another permanent magnet, namely the second support magnet 6, is located and fixed to it. It is also annular in shape with an opening in its center. This aperture reduces the weight of the rotating components supported on the magnetic hinge and, in addition, facilitates assembly, having the same magnetization orientation opposite the fixed first magnet 5. The second support magnet 6 thus has a south pole S at the top and a north pole N at the bottom. This means that an attractive force is exerted between the fixed first magnet 5 mounted on the support frame on one side - and the second support magnet 6 mounted on the flywheel 1 - on the other side. It therefore tends to lift the flywheel 1. The conditions in the system with respect to the magnetic forces are preset such that the permanent magnets alone are not sufficient to fully lift the flywheel 1. This can only be done by the additional vertical force generated in the support winding of the electromagnet 12.

V jedné ze stěn vakuové skříně 2 je otvor, na který jsou přes spojovací trubici napojeny další dvě komponenty soustavy podle vynálezu, a to jednak vakuometr 13, jednak vývěva 15. Oba, jak vakuometr 13 tak i vývěva 15, jsou prostřednictvím elektrických vodičů spojeny s tlakovými řídicími obvody 16 sloužícími k řízení podtlakových poměrů plynu ve vakuové skříni 2, což je prováděno centrálním řídicím systémem 10.In one of the walls of the vacuum housing 2 is an opening to which two other components of the system according to the invention are connected via a connecting tube, both a vacuum gauge 13 and a vacuum pump 15. Both vacuum gauge 13 and vacuum pump 15 are connected via electrical wires to pressure control circuits 16 serving to control the vacuum conditions of the gas in the vacuum housing 2, which is performed by the central control system 10.

Na horní straně vakuové skříně 2 je u obvodu jádra elektromagnetu 8_upevněna Hallova sondaOn the upper side of the vacuum housing 2, a Hall probe is attached to the circumference of the electromagnet core 8

11. Slouží ke sledování změn magnetického pole. Elektrický vývod z ní je zaveden do polohových řídicích obvodů 14. Z nich naopak vychází dva elektrické vodiče, a to jednak přívod elektrického proudu o značné intenzitě (proto kreslen silnější čarou) do výkonového zesilovače 19 — a dále pak přívod slaboproudého signálu na vstup téhož výkonového zesilovače 19 který je tímto signálem ovládán.11. Used to monitor changes in magnetic field. An electrical outlet from it is introduced into the position control circuits 14. On the other hand, two electrical conductors come out of them, namely the supply of electric current of considerable intensity (hence drawn with a stronger line) to the power amplifier 19 - and the low-current signal to the same power input. the amplifier 19 which is controlled by this signal.

Dole pod setrvačníkem 1 je uvnitř vakuové skříně 2 synchronní elektrický stroj. Jak je výše již popsáno, tento stroj fúnguje alternativně buď jako synchronní elektromotor, nebo jako alternátor. Sestává ze dvou hlavních dílů, a sice z motorového statoru 4 se statorovým vinutím 41, 42, 43, 44, 45 a 46 a dále z motorového rotoru 3. Motorový stator 4 je pevně spojen prostřednictvím držáku 40 statoru s vakuovou skříní 2. Motorový rotor 3 je prstencového tvaru, s průchozím otvorem ve středu. Je pevně spojený se setrvačníkem 1 prostřednictvím hřídele 23 procházejícím středovým otvorem. Motorový rotor 3 a motorový stator 4 jsou, jak je u rotoru a statoru elektrických točivých strojů obvyklé, umístěny navzájem souose tak, že mezi nimi je jen malá mezikruhová mezera. Vzájemně nikde nedotýkají. Od běžných známých synchronních strojů se toto provedení liší tím, že zde nejsou jinak obvyklá valivá ložiska pro uložení rotoru. Tato ložiska zde nejsou zapotřebí neboť jejich úlohu přejímá centrážní efekt magnetického závěsu setrvačníku 1. Motorový rotor 3 prstencového tvaru je v tomto příkladu provedení tvořen pouze jedinou součástkou, a sice permanentním magnetem. Směr jeho magnetizace je příčný ke směru osy 20Below the flywheel 1 there is a synchronous electric machine inside the vacuum housing 2. As described above, this machine functions alternatively either as a synchronous electric motor or as an alternator. It consists of two main parts, namely a motor stator 4 with a stator winding 41, 42, 43, 44, 45 and 46 and a motor rotor 3. The motor stator 4 is firmly connected via a stator holder 40 to the vacuum housing 2. Motor rotor 3 is annular in shape, with a through hole in the center. It is rigidly connected to the flywheel 1 by means of a shaft 23 passing through the central bore. The motor rotor 3 and motor stator 4 are, as is usual with the rotor and stator of electric rotary machines, positioned coaxially with respect to each other so that there is only a small annular gap between them. They don't touch each other anywhere. This embodiment differs from conventional known synchronous machines in that there are no other conventional roller bearings for bearing the rotor. These bearings are not required here since their role is taken up by the central effect of the flywheel magnetic hinge 1. The ring-shaped motor rotor 3 in this embodiment is constituted by only one component, namely a permanent magnet. The direction of its magnetization is transverse to the direction of the axis 20

-6CZ 307872 B6 setrvačníku, což znamená, že severní pól N a jižní pól S jsou na protilehlých stranách vnějšího průměru tohoto prstence. Do vinutí motorového statoru 4 může být buď přiváděn třífázový elektrický proud z motorových řídicích obvodů 18 k roztočení a následnému pohonu setrvačníkuThis means that the north pole N and the south pole S are on opposite sides of the outer diameter of the ring. A three-phase electric current from the motor control circuits 18 can either be supplied to the motor stator winding 4 to rotate and then drive the flywheel.

- anebo je naopak do motorových řídicích obvodů 18 elektrickým vedením třífázový proud z motorového statoru 4 odváděn. Aby se potlačily nepříznivé vířivé proudy, motorový stator 4 je složen z plechů. Motorový stator 4_má, jak ukazuje příčný řez na obr. 2, celkem šest pólových nástavců, kolem kterých jsou navinuta statorová vinutí. Tato vinutí motorového statoru 4 jsou rozdělena do tří sekcí, z nichž každá je určena pro napájení jednou ze tří fází třífázového elektrického proudu. Obr. 2 ukazuje propojení vinutí v jedné z těchto sekcí, a to prvního statorového vinutí 41 a čtvrtého statorového vinutí 44. Jsou u příkladu na obr. 2 elektricky zapojena za sebou v sérii. Tato dvě statorová vinutí 41, 44 se nacházejí na protilehlých stranách motorového statoru 4 - a tedy na protilehlých pólových nástavcích. Podobně je to i u dvou dalších protilehlých dvojic, vždy tvořených sériově zapojenou dvojicí vinutí na protilehlých nástavcích. Sériové spojení statorových vinutí 41 a 44 je pak zavedeno do prvních motorových řídicích obvodů 181. Tyto obvody, jsou částí celkových motorových řídicích obvodů 18. Ty jsou jako celek pak napojeny na centrální řídicí systém 10. Na obr. 2 je pro přehlednost nakreslena pouze jedna třetina z celkového řízení magnetického pole v motorovém statoru 4. Zcela obdobná druhá třetina je natočena vzhledem ke statorovým vinutím 41 a 44 o úhel 120°. Podobně zbylá třetí třetina provedením zcela shodná je natočena o další úhel 120°.or, on the other hand, the three-phase current from the motor stator 4 is discharged to the motor control circuits 18 via an electric line. In order to suppress unfavorable eddy currents, the motor stator 4 is composed of sheets. The motor stator 4 has, as shown in cross section in FIG. 2, a total of six pole pieces around which the stator windings are wound. These motor stator windings 4 are divided into three sections, each of which is intended to supply one of the three phases of a three-phase electric current. Giant. 2 shows the connection of the windings in one of these sections, the first stator winding 41 and the fourth stator winding 44. In the example of FIG. 2, they are electrically connected in series. The two stator windings 41, 44 are located on opposite sides of the motor stator 4 - and thus on the opposite pole pieces. The same is true of two other opposing pairs, each consisting of a serially connected pair of windings on opposing extensions. The series connection of the stator windings 41 and 44 is then introduced into the first motor control circuits 181. These circuits are part of the total motor control circuits 18. These are then connected as a whole to the central control system 10. In FIG. a third of the total magnetic field control in the motor stator 4. A quite similar second third is rotated relative to the stator windings 41 and 44 by an angle of 120 °. Similarly, the remaining third third with an identical design is rotated by another angle of 120 °.

Na vývod provedený elektrickými vodiči vyvedenými z vinutí motorového statoru 4 je připojen současně též otáčkoměr 17. Jeho výstupní signál je zaveden do tlakových řídicích obvodů 16 ale současně je také veden i do centrálního řídicího systému 10, neboť otáčky jsou podstatným parametrem určujícím velikost právě skladované energie. Vzhledem k synchronnímu charakteru motoru/alternátoru je řízení frekvence elektrického proudu velmi podstatnou částí řízení systému. Celá setrvačníková soustava skladování energie je elektricky napájena ze síťového napájecího přívodu 9. Ten jednak dodává elektrickou energii při jejím přebytku do setrvačníku 1 roztáčeného na vyšší otáčky, jednak napájí celé elektrické řízení fúnkce setrvačníkové soustavy, tedy řízení prováděné centrálním řídicím systémem 10. Při nedostatku elektrické energie v rozvodné síti, na níž je systém napojen, je pak z točícího se setrvačníku 1. energie odebírána a ve formě elektrické energie je vyváděna vývodem 90 do sítě.A tachometer 17 is connected at the same time to the outlet made by the electrical conductors led out of the motor stator winding 4. Its output signal is applied to the pressure control circuits 16 but also to the central control system 10, since speed is an essential parameter determining the amount of stored energy. . Due to the synchronous nature of the motor / alternator, controlling the frequency of the electric current is a very important part of the system control. The entire inertia energy storage system is electrically powered from the mains power supply 9. This supplies power to the flywheel 1 at high speed when it is in excess, and also supplies the entire electrical control of the flywheel system control, i.e. the control performed by the central control system 10. The energy in the grid to which the system is connected is then withdrawn from the rotating flywheel 1 and is discharged in the form of electrical energy through the outlet 90 into the grid.

Je-li setrvačník 1 v klidovém stavu po delší dobu a do setrvačníkové soustavy skladování energie podle vynálezu není přiváděn žádný elektrický proud, pak tíha setrvačníku 1 překoná vertikální magnetické síly, kterými je druhý nosný magnet 6 přitahován k pevnému prvnímu magnetu 5. To znamená, že ve vakuové skříni 2 leží setrvačník 1 nehybně na jejím dnu. Bude-li elektrické napětí v napájecím přívodu 9 k dispozici a ukáže se účelné spustit skladovací proces, proběhne děj započatý zapnutím centrálního řídicího systému 10, Ten zajistí, že se nejprve rozeběhne vývěva 15 (je-li potřeba obnovit vakuum) a současně se aktivuje napájení Hallovy sondy 11 přes polohové řídicí obvody 14. Tyto obvody zareagují na nízkou polohu setrvačníku 1 otevřením přívodu elektrického proudu do výkonového zesilovače 19 a z něj do nosného vinutí elektromagnetu 12. Setrvačník 1_ je tak nadzdviháván, ale zatím ovšem v tomto stavu ještě nerotuje. Postupně jak rychle narůstá elektrický proud do nosného vinutí elektromagnetu 12 roste vertikální magnetická síla generovaná v jádru elektromagnetu. Tato síla se přičítá ke zdvihové síle permanentních magnetů - tedy pevného prvního magnetu 1 zvenku a druhého nosného magnetu 6 uvnitř vakuové skříně 2 - až součet magnetických vertikálních sil překoná váhu setrvačníku 1 a ten se zvedá vzhůru. Při tomto zdvihnutí dochází ke změnám magnetického pole a na to reaguje Hallova sonda 11. Její signál je zaveden do polohových řídicích obvodů 14 a ten zareaguje změnou stavu výkonového zesilovače 19. Ten změní proud protékající nosným vinutímIf the flywheel 1 is at rest for an extended period of time and no electrical current is supplied to the inertial energy storage system of the invention, then the flywheel weight 1 overcomes the vertical magnetic forces by which the second support magnet 6 is attracted to the fixed first magnet 5. In the vacuum housing 2, the flywheel 1 lies stationary on its bottom. If the power supply 9 is available and it proves expedient to start the storage process, the process started by switching on the central control system 10 ensures that the vacuum pump 15 starts up (if vacuum needs to be restored) and at the same time activates the power supply. Hall probes 11 via position control circuits 14. These circuits respond to the low position of the flywheel 1 by opening the power supply to the power amplifier 19 and therefrom to the solenoid support winding 12. The flywheel 7 is thus lifted but not yet rotated in this state. As the electrical current to the support winding of the electromagnet 12 increases rapidly, the vertical magnetic force generated in the electromagnet core increases. This force is added to the stroke force of the permanent magnets - i.e. the fixed first magnet 1 from outside and the second support magnet 6 inside the vacuum housing 2 - until the sum of the magnetic vertical forces exceeds the weight of the flywheel 1 and rises upwards. This lift changes the magnetic field and the Hall probe 11 reacts to it. Its signal is applied to the position control circuits 14 and it reacts by changing the state of the power amplifier 19. This changes the current flowing through the carrier winding.

12. Vertikální síla generovaná v nosném vinutí elektromagnetu 12 se tak postupně ustaluje. Zapojení polohových řídicích obvodů 14 a jejich parametry jsou uspořádány tak, že se nadzdvihnutý setrvačník 1 ustálí v takové vertikální poloze, kdy se již dna a stěn vakuové skříně mechanicky nedotýká a zároveň síla vyvolaná permanentními magnety je rovna přitažlivé gravitační síle a elektromagnetem tedy teče jen velmi malý elektrický proud, pro korekci nepatrných výkyvů a kompenzaci vnějších rušivých jevů. Teprve na odpovídající odezvu12. The vertical force generated in the support winding of the electromagnet 12 thus gradually stabilizes. The arrangement of the position control circuits 14 and their parameters are arranged such that the lifted flywheel 1 stabilizes in such a vertical position that the bottom and walls of the vacuum housing no longer mechanically touch and at the same time the force induced by permanent magnets is equal to the gravitational force. low electric current, for correcting slight fluctuations and compensating for external disturbances. Only in response

-7 CZ 307872 B6 polohových řídicích obvodů 14 zajišťující dostatečné nadzdvihnutí setrvačníku 1. jsou odblokovány motorové řídicí obvody 18. Setrvačník 1 se tak může začít otáčet. Toto otáčení způsobuje troj fázový střídavý proud zavedený z motorových řídicích obvodů 18 do vinutí v motorovém statoru 4. Jsou tam tři sekce vinutí rozmístěné v motorovém statoru 4 po stejných úhlových vzdálenostech po 120°. Při buzení harmonickými třífázovými proudy - každý do jiné sekce - tyto proudy vyvolají ve statoru rotující homogenní magnetické pole. Synchronně s ním se otáčí i motorový rotor 3, jak je to obvyklé u synchronních elektrických točivých strojů. Otáčení motorového rotoru 3 a tedy i k němu připevněného setrvačníku 1 tak umožňuje, aby napájecí přívod 9 elektrického proudu přiváděl ze sítě proud do motorových řídicích obvodů 18. Že k tomu je v síti v dané situaci dostatek potřebného elektrického příkonu zajišťují informace, které o síti má centrální řídicí systém 10 - neboť ten by při nedostatku elektrické energie nezačal vůbec setrvačník 1 roztáčet. Mezitím stále běžící vývěva 15 způsobí, že ve vakuové skříni 2 postupně klesá tlak až nastane požadované vakuum, což hlídá vakuometr 13. V odezvu na jeho signál tlakové řídicí obvody 16 později vývěvu 15 vypnou. Vývěva 15 ovšem nemusí být při roztáčení setrvačníku 1 vůbec aktivována, pokud ve vakuové skříni 2 je stále ještě vakuum od předcházejícího běhu soustavy. Polohu rotoru sledující Hallova sonda 11 reaguje na možné změny polohy setrvačníku 1 způsobené poruchovými vlivy. Potřebné elektrické příkony k tomu jsou, jak bylo zjištěno při prováděných experimentech, pouze řádu miliwattů. To ovšem je podstatně, o mnoho desítkových řádů menší než výkony, které jsou k dispozici a mohou být odebírány elektromagnetickým brzděním rotujícího setrvačníku 1.The motor control circuits 18 are unlocked so that the flywheel 1 can start to rotate. This rotation is caused by a three-phase alternating current introduced from the motor control circuits 18 into the windings in the motor stator 4. There are three winding sections distributed in the motor stator 4 at equal angular distances of 120 °. When excited by harmonic three-phase currents - each to a different section - these currents generate a rotating homogeneous magnetic field in the stator. The motor rotor 3 also rotates synchronously with it, as is usual with synchronous electric rotating machines. Thus, rotation of the motor rotor 3 and hence the flywheel 1 attached thereto allows the power supply 9 to feed current from the mains to the motor control circuits 18. That there is enough electrical power required in the network to provide the network information the central control system 10, since in the absence of electrical power, the flywheel 1 would not start to rotate at all. Meanwhile, the still running vacuum pump 15 causes the vacuum housing 2 to gradually drop in pressure until the desired vacuum occurs, which is monitored by the vacuum gauge 13. In response to its signal, the pressure control circuits 16 later turn off the vacuum pump 15. However, the vacuum pump 15 need not be activated at all when the flywheel 1 is rotated if there is still vacuum in the vacuum housing 2 since the previous run of the system. The position of the rotor following the Hall probe 11 responds to possible changes in the position of the flywheel 1 caused by disturbances. The electrical power required for this is, as has been found in the experiments carried out, only of the order of milliwatt. This, however, is substantially, by many decimal orders less than the powers available and can be taken up by the electromagnetic braking of the rotating flywheel 1.

Nastanou-li v síti poměry kdy nedostačují výkony jež má rozvodná síť k dispozici pro požadované odběry elektrického proudu z jiných jejích částí, pak centrální řídicí systém 10 zareaguje, a to tak, že přepne motorové řídicí obvody 18 na fúnkci alternátoru vyrábějícího třífázový elektrický proud. Ten pak je odváděn vývodem 90 do sítě. Přitom centrální řídicí soustava 10 sleduje to, aby nedošlo k výpadku proudu v nosném vinutí 12, kdy by rotující komponenty soustavy přestaly být nadzdvihávány. S ohledem na důsledky, jaké by měl v takovém případě následující dotyk rotujícího setrvačníku 1 se stěnou vakuové skříně 2 jsou polohové řídicí obvody 14 vícenásobné a jsou také ještě doplněny technickou diagnostikou jejich fúnkce. Mohou být k tomuto účelu opatřeny záložním elektrickým zdrojem.If there is a situation in the grid where the power available to the grid for the required power draws from other parts is insufficient, then the central control system 10 reacts by switching the motor control circuits 18 to the blower of the alternator producing the three-phase electric current. This is then led through the outlet 90 to the network. In this case, the central control system 10 monitors to avoid a power failure in the support winding 12 whereby the rotating components of the system would no longer be lifted. In view of the consequences of the following contact of the rotating flywheel 1 with the wall of the vacuum housing 2, the position control circuits 14 are multiple and are also supplemented by technical diagnostics of their function. They may be provided with a back-up power supply for this purpose.

Druhý příkladSecond example

Druhé uspořádání, nakreslené na obr. 3 v obdobném řezu vedeném rovinou A -A kolmou k ose symetrie setrvačníku 1 jako tomu bylo na obr. 2, má pro přehlednost zobrazeno jen propojení prvního statorové vinutí 41 a čtvrtého statorového vinutí 44. Ta jsou zde spolu zapojena paralelně, a vyvedena na svorky rotace 60. Zcela obdobně jsou také spolu paralelně propojené ale zde je jejich propojení nekreslené, pokud jde o druhé statorové vinutí 42 a páté statorové vinutí 45. Obdobně zde není pro přehlednost kreslena třetí sekce, paralelně spolu spojené třetí statorové vinutí 43 a šesté statorové vinutí 46. Paralelní propojení, na rozdíl od sériového na obr. 2, pracují pracuje s nižšími hodnotami generovaných elektrických napětí, a naopak s většími hodnotami elektrických proudů. Záleží na konstrukčních okolnostech, kdy je která z těchto alternativ vhodná a žádoucí.The second arrangement, shown in FIG. 3 in a similar cross-section along the plane A-A perpendicular to the symmetry axis of the flywheel 1 as in FIG. 2, has for illustration only the interconnection of the first stator winding 41 and the fourth stator winding 44. Similarly, they are also connected in parallel, but here their connection is undistorted with respect to the second stator winding 42 and the fifth stator winding 45. Similarly, for the sake of clarity, there is no drawing of a third section connected in parallel to the third the stator winding 43 and the sixth stator winding 46. The parallel connections, unlike the serial ones in Fig. 2, operate with lower values of the generated electrical voltages and vice versa with higher values of electric currents. It depends on the design circumstances where any of these alternatives is appropriate and desirable.

Třetí příkladThird example

Tohoto dalšího příkladu uskutečnění se týkají jednak tři obrázky obr. 4, 5, 6 a jednak alternativně jeden ze dvou obr. 7 nebo 8. Kromě výše zmíněného zajištění správné vertikální polohy setrvačníku 1 vzhledem k vakuové skříni 2 je v tomto nyní popisovaném uspořádání potlačována i možnost náklonu K osy 20 setrvačníku v magnetickém závěsu nahoře. Na obr. 4 je nakresleno uspořádání tohoto magnetického závěsu a na obr. 5 je zobrazena spodní část setrvačníku s tam umístěným elektrickým točivým strojem sestávajícím ze dvou dílů. Oba obrázky jsou nakresleny v myšleném řezu svislou rovinou procházející osou 20 setrvačníku. Na dalším obr. 6 jde o schematické znázornění cívek tvořících vinutí elektromagnetů vyvozujících jak rotaci setrvačníku 1, tak stabilizaci vertikální polohy jeho osy 20 setrvačníku. Pro přehlednost - neboť i tak je4, 5, 6 and, alternatively, one of two FIGS. 7 or 8. In addition to the aforementioned assurance of the correct vertical position of the flywheel 1 with respect to the vacuum housing 2, in this arrangement described now, the possibility of tilting the K axis 20 of the flywheel in the magnetic hinge at the top. Fig. 4 shows the arrangement of this magnetic hinge and Fig. 5 shows the lower part of the flywheel with an electric rotary machine consisting of two parts there. Both figures are drawn in an imaginary section through a vertical plane passing through the flywheel axis 20. FIG. 6 is a schematic representation of the coils forming the windings of the electromagnets which generate both the rotation of the flywheel 1 and the stabilization of the vertical position of its flywheel axis 20. For clarity - because it is

-8CZ 307872 B6 zobrazení poměrně komplikované - je na obr. 6 pouze jedna třetina, tedy jedna sekce vinutí z celkem tří sekcí - propojující spolu první statorové vinutí 41 a čtvrté statorového vinutí 44. V soustavě jsou tedy ovšem ještě dvě další, na obrázku nekreslené sekce. Jejich kreslení by zkomplikovalo obrázek, a přitom by nepřinášelo zásadně novou informaci, neboť obě tyto sekce jsou zcela identické, pouze jsou natočeny vzhledem ke statorovým vinutím 41 a 44 jedno o úhel 120° a další pak zase ještě stejný úhel 120°.Fig. 6 shows only one third, ie one winding section of a total of three sections - interconnecting the first stator winding 41 and the fourth stator winding 44. However, there are still two more, not shown in the figure, in the system. section. Drawing them would complicate the picture, but would not bring much new information, since both sections are completely identical, only rotated with respect to the stator windings 41 and 44 one at an angle of 120 ° and the other then at the same angle of 120 °.

Konečně na dvou dalších ilustracích, obr. 7 a 8, jsou dva alternativní diagramy znázorňující v podstatě časové průběhy elektrického napětí přiváděného k první ze tří sekcí elektrického vinutí v elektrickém točivém stroji. Ke stabilizaci polohy osy 20 setrvačníku slouží zpětná vazba, která by v principu vystačila se třemi sondami reagujícími na změny. Ve zde popisovaném konkrétním uspořádání je zde však celkem šest Hadových sond umístěných na diametrálně protilehlých místech vakuové skříně 2 vzhledem k ose 20 setrvačníku. Na obr. 4 jsou viditelné první Hallova sonda 111 a proti ní se nacházející protilehlá čtvrtá Hallova sonda 114. Pokud dojde k pokusu o náklon K osy 20 setrvačníku na magnetickém závěsu, reagují Hallovy sondy 111 a 114 navzájem opačně což zvětšuje citlivost detekce náklonu K osy 20 setrvačníku. Vývody z obou Hallových sond 111, 114 jsou zavedeny do prvních polohových řídicích obvodů 141, které spolu s druhými polohovými řídicími obvody 142 a třetími polohovými řídicími obvody 143 tvoří část polohových řídicích obvodů 14.Finally, in two further illustrations, Figs. 7 and 8, there are two alternative diagrams showing substantially the time courses of the electrical voltage applied to the first of the three sections of the electrical winding in the electric rotary machine. Feedback is used to stabilize the position of the flywheel axis 20, which would in principle suffice with three change-sensitive sensors. However, in the particular embodiment described herein, there are a total of six Snake probes located at diametrically opposite locations of the vacuum housing 2 with respect to the flywheel axis 20. In Figure 4, the first Hall probe 111 and the opposite fourth Hall probe 114 are visible. If an attempt is made to tilt the K axis 20 of the flywheel on a magnetic hinge, the Hall probes 111 and 114 react opposite to each other, increasing the sensitivity of the K axis tilt detection. 20 flywheel. The outlets of the two Hall probes 111, 114 are introduced into the first position control circuits 141, which together with the second position control circuits 142 and the third position control circuits 143 form part of the position control circuits 14.

Akční člen zmíněné zpětné vazby pro stabilizaci prostorové polohy osy 20 setrvačníku je v tomto příkladu proveden zcela obdobně jako synchronní elektrický točivý stroj sloužící k roztáčení setrvačníku l· Zajišťuje prakticky neměnnou polohu osy 20 setrvačníku vůči vakuové skříni 2. Jak ukazuje obr. 5, jsou zde tedy dva takové stroje na společném hřídeli 23. Je to první motorový rotor 31 tvořený prstencově tvarovaným permanentním magnetem a pod ním druhý motorový rotor 32 tvořený obdobně tvarovaným ale menším permanentním magnetem. Směr magnetizace je u obou vodorovný, tedy kolmý k ose 20 setrvačníku. To znamená, že severní pól N a jižní pól S jsou na protilehlých stranách vnějšího průměru Horní motorový stator 4 využívá k vyvolání nebo naopak zmenšení intenzity rotace svá statorová vinutí 41, 42, 43, 44, 45 a 46. V řezu meridiální rovinou na obr. 5 je právě viditelné první statorové vinutí 41 vlevo a protilehlé čtvrté statorové vinutí 44 vpravo. Obě jsou vyvedena na svorky 60 rotace. Obdobně vývody ze zde níže umístěného akčního členu zpětné vazby jsou vyvedeny na svorky 61 klonění.The actuator of said feedback for stabilizing the spatial position of the flywheel axis 20 in this example is similar to a synchronous electric rotary machine for rotating the flywheel 1. It provides a virtually constant position of the flywheel axis 20 relative to the vacuum housing 2. As shown in FIG. that is, two such machines on a common shaft 23. It is a first motor rotor 31 formed by an annular shaped permanent magnet and below it a second motor rotor 32 formed by a similarly shaped but smaller permanent magnet. The direction of magnetization is horizontal both perpendicular to the flywheel axis 20. That is, the north pole N and the south pole S are on opposite sides of the outer diameter. The upper motor stator 4 uses its stator windings 41, 42, 43, 44, 45 and 46 to induce or decrease the rotation intensity. 5, the first stator winding 41 on the left and the opposite fourth stator winding 44 on the right are just visible. Both are brought to the terminals 60 of rotation. Similarly, the leads from the feedback actuator located below are brought to the tilt terminals 61.

Schematické znázornění vinutí na obr. 6 zobrazuje pouze jednu ze tří jinak identických sekcí, které jsou rozmístěny po obvodu motorového statoru 4 ve vzájemném úhlovém odstupu 120°. Je zde nakresleno při pohledu zespodu směrem vzhůru, tedy ve směru nakreslené šipky B. Znamená to, že druhý motorový rotor 32 je na obr. 5 nahoře, zatímco první motorový rotor 31 je zde nakresleno pod ním První statorové vinutí 41 a protilehlé čtvrté statorové vinutí 44 jsou spolu spojenu do série, tedy stejně jako na obr. 2. Obě jsou vyvedena na svorky 60 rotace. Také klopné statorové vinutí 33 má obě své cívky zapojeny v sérii. Elektrické vývody z akčního členu zpětné vazby jsou vyvedeny na svorky 61 klonění.The schematic representation of the windings in Fig. 6 shows only one of three otherwise identical sections, which are spaced around the periphery of the motor stator 4 at an angular distance of 120 ° from each other. It is shown here from below in the upward direction, that is, in the direction of the drawn arrow B. This means that the second motor rotor 32 is at the top in Fig. 5, while the first motor rotor 31 is shown below it The first stator winding 41 and the opposite fourth stator winding 44 are connected together in series, i.e. as in FIG. 2. Both are connected to terminals 60 of rotation. Also, the tilting stator winding 33 has both of its coils connected in series. The electrical terminals of the feedback actuator are routed to the tilt terminals 61.

Za provozu soustavy skladování energie podle vynálezu se - vzhledem k rozmístění statorových vinutí po obvodu motorového statoru 40 ve zmíněném úhlovém odstupu 120° a jejich napojení na různé ze tří fází střídavého elektrického napětí jako je první napětí U1 na svorkách 60 rotace v dutině motorového statoru 4 vyvolá rotující magnetické pole. Synchronně s ním pak rotuje první motorový rotor 31. Motorové řídicí obvody 18 mění generované třífázové napětí změnami jeho frekvence a tím mění úroveň skladované kinetické energie v setrvačníku 1. Druhé napětí U2 na svorkách 61 klonění může být přitom v zásadě nulové, pokud právě nereaguje na nějakou poruchu. Dojde-li k takovému poruchovému vlivu který má tendenci sklonit osu 20 setrvačníku například v důsledku otáčení zeměkoule zatímco setrvačník 1 setrvává ve stálé poloze vůči vesmíru - tak, že by se na jedné straně zmenšila a na druhé straně zvětšila mezera mezi motorovým rotorem 4 a motorovým statorem 3 v místech, kde jsou právě první statorové vinutí 41 a protilehlé čtvrté statorové vinutí 44, dojde ke změně výstupního elektrického signálu Wheatstoneova můstku v jehož ramenech jsou Hallovy sondy 111 a 114. Motorové řídicí obvodyDuring operation of the energy storage system of the invention, because of the stator windings spaced around the periphery of the motor stator at said angular distance of 120 ° and connected to different of the three phases of AC voltage such as the first voltage U1 at the rotation terminals 60 in the motor stator cavity 4. produces a rotating magnetic field. The first motor rotor 31 then rotates synchronously with it. The motor control circuitry 18 changes the generated three-phase voltage by changing its frequency, thereby changing the level of stored kinetic energy at the flywheel 1. The second voltage U2 at the tilt terminals 61 may be essentially zero if it is not responding some malfunction. If such a disturbance occurs that tends to incline the flywheel axis 20 due to, for example, the rotation of the globe while the flywheel 1 remains in a fixed position relative to space - so that on the one hand the gap between the motor rotor 4 and the motor by stator 3, where the first stator winding 41 and the opposite fourth stator winding 44 are located, the output electric signal of the Wheatstone bridge in whose arms are the Hall probes 111 and 114 is changed. Motor control circuits

-9CZ 307872 B6-9EN 307872 B6

- po zpracování tohoto signálu - začnou působit druhým napětím U2 na svorkách 61 klonění tak, že setrvačník 1 s připojeným motorovým rotorem 3 začne být vystaven vodorovné působící elektromagnetické síle kolmé k ose 20 setrvačníku a ta jej natočením kolem magnetického závěsu navrátí do původní úhlové polohy.after processing this signal, they begin to apply a second voltage U2 at the tilt terminals 61 such that the flywheel 1 with the attached motor rotor 3 begins to be subjected to a horizontal electromagnetic force perpendicular to the flywheel axis 20 and returns it to its original angular position.

Existuje několik alternativ, jak může taková vodorovná síla působit. Na obr. 7 je znázorněn příklad provedení s vyrovnávacím impulsem. Je tam nakreslen diagram, na jehož vodorovné ose je okamžitá úhlová poloha motorového statoru a a tomu odpovídajících hodnot prvního napětí U1 a také pod ním druhý diagram odpovídající časové závislosti druhého napětí U2. V horním diagramu jsou také přes sebe nakresleny přerušovanými čarami průběhy dalších dvou fází třífázového střídavého proudu. Silnou čarou je naznačen průběh první fáze 91. V úhlových odstupech 120° za ní pak následují druhá fáze 92 a třetí fáze 93. V okamžiku, kde směr magnetizace S - N motorového rotoru_3 souhlasí se spojnicí statorových vinutí 41 a 44 a časový průběh prvního napětí U1 první fáze 91 dosahuje svého maxima, první polohové řídicí obvody 141 generují napěťový puls zavedený jako druhé napětí U2 do svorek 61 klonění.There are several alternatives how such a horizontal force can act. FIG. 7 shows an exemplary embodiment with equalization pulse. There is a diagram on the horizontal axis of which the instantaneous angular position of the motor stator and the corresponding values of the first voltage U1 and the second diagram corresponding to the time dependence of the second voltage U2 are below. In the upper diagram, the waveforms of the other two phases of the three-phase alternating current are also drawn in broken lines. A strong line indicates the course of the first phase 91. The second phase 92 and the third phase 93 follow at 120 ° angular intervals thereafter. At the point where the magnetization direction S - N of the motor rotor 3 coincides with the stator windings 41 and 44 and the first voltage waveform U1 of the first phase 91 reaches its maximum, the first position control circuits 141 generate a voltage pulse applied as the second voltage U2 to the tilt terminals 61.

Uvedený popis potlačení náklonu rotujícího setrvačníku 1 je pro názornost zjednodušen jakoby náklon osy 20 setrvačníku a odpovídající vyrovnávání mohlo probíhat v jedné rovině — tedy jakoby na náklon K na obr. 6 mohlo postačit silové působení vyvolané ve stejné rovině účinkem elektrického proudu zavedené do svorek 61 klonění, a tedy magnetické pole vyvolané pouze klopným statorovým vinutím 33. Jak je ovšem známo, prostorová dynamika odezvy setrvačníku 1 je mnohem složitější, při působení excentrické síly se projevují efekty gyroskopických nutačních a precesních pohybů. Právě proto je nezbytné použití složitého zpětnovazebního uspořádání s třemi smyčkami současně působících zpětných vazeb.The above description of the tilt suppression of the rotating flywheel 1 is simplified for the sake of clarity as the tilt of the flywheel axis 20 and the corresponding alignment could be in one plane - as if the tilt K in FIG. As is well known, the spatial dynamics of the flywheel response is much more complicated, with the effects of gyroscopic nutritional and precession movements being exerted by eccentric force. That is why it is necessary to use a complex feedback arrangement with three loops of simultaneously acting feedbacks.

Tento systém potlačení náklonu je zejména nezbytný, obsahuje-li stator magnetické komponenty, protože pak je poloha osy synchronního stroje nestabilní. V osmém příkladu pak je ukázáno provedení statoru, které touto nestabilitou netrpí a je tedy potřeba potlačení náklonu osy výrazně snížena.This tilt suppression system is particularly necessary if the stator comprises magnetic components, since the position of the synchronous machine axis is then unstable. In the eighth example, a stator design is shown which does not suffer from this instability, and therefore the need for axis tilt suppression is greatly reduced.

Čtvrtý příkladFourth example

U tohoto dalšího příkladu provedení, zobrazeného na obr. 8, 9 a 10, jsou patrné úpravy typické pro provoz při velmi vysokých otáčkách setrvačníku 1. Oproti výše popisovanému uspořádání pro menší otáčky — jaké je na obr. 1 a 2 — proto jsou v této soustavě provedeny změny zajišťující dokonalejší stabilizaci polohy setrvačníku 1 a tím i kroky vedoucí k vyvození menších silových účinků působících na setrvačník 1. Jde o to, že při velmi vysokých otáčkách se mohou projevit potenciálně velmi nebezpečnými odezvami i jinak velmi malé poruchové efekty pokud by způsobily kontakt setrvačníku 1. se stěnami vakuové skříně 2 . Ovšemže vzhledem k vysoké kinetické energii rotace, která narůstá s druhou mocninou otáček, by při jakémkoliv kontaktu s pevnými součástkami soustavy došlo u rotujícího setrvačníku 1 k vysloveně katastrofickým následkům. Až právě na tyto úpravy jsou jak konfigurace, tak i fúnkce tohoto čtvrtého příkladu provedení v zásadě shodné s uspořádáním pro menší otáčky na obr. 1 a 2. Jsou zde však komplikovanějším a tím fúnkčně výhodnějším způsobem zajištěny prostorové stabilizující polohové zpětné vazby, i když jinak v samém principu jde o analogii k dějům u již popsaného třetího případu.In this further embodiment shown in Figures 8, 9 and 10, modifications typical of very high flywheel speed 1 operation are evident. Compared to the above-described arrangement for lower speeds - as in Figures 1 and 2 - they are therefore changes to ensure better stabilization of the flywheel position 1 and hence the steps leading to lesser force effects on the flywheel 1. At very high speeds, potentially very dangerous responses and otherwise very low disturbance effects may occur if they cause contact flywheel 1. with vacuum housing walls 2. Of course, because of the high kinetic energy of rotation, which increases with the square of revolution, any contact with the solid components of the system would result in catastrophic consequences for the rotating flywheel 1. Except for these modifications, both the configurations and the functions of this fourth embodiment are essentially identical to the lower speed arrangement of FIGS. 1 and 2. However, there is a more complicated and thus more advantageous spatially stabilized position feedback, although otherwise in principle, it is an analogy to the processes in the already described third case.

Na první pohled je z ilustrací obr. 8, 9 a 10 patrné, že při provozu s vysokými otáčkami vychází soustava skladování energie kompaktnější, neboť pro stejně velkou ukládanou energii se vystačí s podstatně menším průměrem setrvačníku 1. S ohledem na bezpečnost provozu je proto u nyní popisované ukázky uspořádání provedeno dvojí tlumení. Potlačení klopivých momentů K, jaké mohou být způsobeny vnějšími rozruchy - jako je například ne úplně dokonalé vyvážení - je dosaženo jednak aktivním zpětnovazební tlumením, ale také i pasivním tlumičem 22, Větší síly působící na rychle rotující setrvačník l_vyžadují i silnější a tedy větší magnety než na obr. 1. Platí to jak pro permanentní pevný první magnet 5 tak i pro pod ním umístěný elektromagnet s jehoAt first glance it is apparent from Figures 8, 9 and 10 that in high-speed operation, the energy storage system is more compact, since a substantially smaller flywheel diameter is sufficient for the same stored energy. the presently described examples of the arrangement performed double damping. The suppression of tilting moments K, which may be caused by external disturbances - such as not perfectly perfect balance - is achieved both by active feedback damping but also by a passive damper 22. The higher forces acting on the fast rotating flywheel 1 also require stronger and therefore larger magnets than This applies both to the permanent fixed first magnet 5 and to the electromagnet placed thereunder

- 10CZ 307872 B6 nosným vinutím elektromagnetu 12 a jádrem elektromagnetu 8. Na místě druhého nosného magnetu 6 je nyní ve vakuové skříni 2 jinak tvarovaný třetí nosný magnet 7. Také průměr tohoto třetího nosného magnetu 7 je zde větší. Ovšem s ohledem na co možná nízkou váhu nesenou pevným prvním magnetem 5 je třetí nosný magnet 7 zase výškově o něco menší než pevný první magnet 5 a je také opatřen odlehčovacím středovým otvorem. Ten umožňuje, aby nosné magnetické síly byly menší, přičemž středová paraxiální část rotujících součástek přispívá jen nepatrně ke kinetické energii těchto rotujících hmot. Ze stejného důvodu také hřídel 23 na dolní straně setrvačníku 1 je opatřen odlehčovací dutinou nakreslenou na obr. 8 čárkovaně.The support carrier winding of the electromagnet 12 and the core of the electromagnet 8 are now in place of the second carrier magnet 6. In the vacuum housing 2 there is now a differently shaped third carrier magnet 7. The diameter of the third carrier magnet 7 is also larger here. However, in view of the low weight supported by the fixed first magnet 5, the third support magnet 7 is in turn slightly smaller in height than the fixed first magnet 5 and is also provided with a relief central opening. This allows the carrier magnetic forces to be smaller, with the central paraxial portion of the rotating components making only a minor contribution to the kinetic energy of the rotating masses. For the same reason, the shaft 23 on the underside of the flywheel 1 is also provided with a relief cavity shown in dashed lines in FIG.

Na obr. 8 je významnou odlišností od provedení z obr. 1 a 2 přítomnost výše již zmíněného tlumiče 22. Jde o tlumič 22 elektrodynamického pasivního typu. Má prstencový tvar a je umístěn u třetího nosného magnetu 7 zvenku na vakuové skříni 2. Je zhotoven z elektricky dobře vodivého materiálu. Dojde-li v soustavě k nežádoucím výchylkám polohy rotujícího setrvačníku 1, vyvolá blízkost třetího nosného magnetu 7 v tlumiči 22 vířivé elektrické proudy. Ty vytvoří své opačné magnetické pole a interakce těchto polí přeměňuje kinetickou energii nežádoucích pohybů v teplo. Pro odvod tohoto tepla vnějším chlazením okolním vzduchem je tlumič 22 opatřen žebry 47 zvětšujícími chladicí teplosměnnou plochu.In FIG. 8, a significant difference from the embodiment of FIGS. 1 and 2 is the presence of the aforementioned damper 22. It is a damper 22 of the electrodynamic passive type. It has an annular shape and is located outside the third magnet 7 outside the vacuum housing 2. It is made of an electrically well conductive material. If unwanted deviations in the position of the rotating flywheel 1 occur in the system, the proximity of the third carrier magnet 7 in the damper 22 causes eddy currents. They create their opposite magnetic field and the interaction of these fields converts the kinetic energy of undesirable movements into heat. To dissipate this heat by external cooling of the ambient air, the damper 22 is provided with fins 47 increasing the cooling heat transfer surface.

Motorový stator 4 je jako u všech výše popsaných uspořádání upevněn ve vakuové skříni 2, a sice prostřednictvím držáku 40 statoru. Náklon K setrvačníku 1, který je držen na svém horním konci magnetickým závěsem, je průběžně potlačován zpětnovazebními elektromagnetickými stabilizujícími účinky, které působí na spodním konci rotujících hmot, tedy na dosti dlouhém rameni pod magnetickým závěsem. Na rozdíl od předcházejícího třetího příkladu provedení, kde je k vyvození stabilizující elektromagnetické síly zvláštní vinutí a separátní permanentní magnet v motorovém rotoru 3, zde se nyní využívají ke stabilizaci přímo samotná statorová vinutí 41, 42,The motor stator 4, as in all the arrangements described above, is mounted in the vacuum housing 2 by means of a stator holder 40. The inclination K of the flywheel 1, which is held at its upper end by a magnetic hinge, is continually suppressed by the feedback electromagnetic stabilizing effects which act at the lower end of the rotating masses, i.e. on the rather long arm below the magnetic hinge. In contrast to the preceding third exemplary embodiment, where a separate winding and a separate permanent magnet in the motor rotor 3 are used to generate stabilizing electromagnetic force, the stator windings 41, 42 themselves are now used directly for stabilization,

43. 44, 45 a 46, která jsou částí motorového statoru 4 v synchronním rotačním stroji výše již popsaného typu motor/altemátor. Detekci náklonu K - tedy odchylky od žádoucí polohy rotujícího setrvačníku 1 - zajišťují Hallovy sondy 111, 114. Jsou rozmístěné na horní částí vakuové skříně 2. Z nich je na obr. 3 viditelná první Hallova sonda 111 a proti ní na opačné straně čtvrtá Hallova sonda 114. Jejich spojnice je rovnoběžná se spojnicí prvního statorového vinutí 41 se čtvrtým statorovým vinutím 44 na obr. 4. Obě dvě tato statorová vinutí mají své elektrické vývody do prvních motorových řídicích obvodů 181, kam vede i výstup z prvních polohových řídicích obvodů 141.43, 44, 45 and 46, which are part of a motor stator 4 in a synchronous rotary machine of the type of motor / alternator described above. The tilt detection K - that is, deviations from the desired position of the rotating flywheel 1 - is provided by the Hall probes 111, 114. They are disposed on the upper part of the vacuum housing 2. Of these, the first Hall probe 111 is visible in FIG. 114. Their line is parallel to the line of the first stator winding 41 with the fourth stator winding 44 in FIG. 4. Both of these stator windings have their electrical outlets to the first motor control circuits 181, where the output from the first position control circuits 141 also leads.

Stabilizace a potlačení náklonů setrvačníku 1 by mohlo být zajištěno tak jako u třetího výše popsaného příkladu provedení separátním zařízením, ale protože je žádoucí, pokud možno nezatěžovat magnetický závěs příliš velkou tíhovou silou, ukázalo se jako výhodná možnost využít v soustavě již existující elektromagnety i permanentní magnet, které v motorovém statoru 4 zajišťují rotaci setrvačníku T Tyto komponenty tedy u nyní popisovaného provedení mají svojí fůnkci. Stejně jako je popsáno výše, k vyvození rotace je uvnitř soustavy statorových vinutí 41, 42, 43, 44, 45 a 46 vytvářeno trojfázovým napájením rotující magnetické pole. Tomuto poli je vystaven motorový rotor_3. Ten má charakter permanentního magnetu provedeného jako válec s vodorovnou magnetizací, tedy s vytvořením vodorovné magnetizační osy od S k N kolmé k ose 20 setrvačníku. Tato příčná osa sleduje v motorovém provozu synchronně rotujícího magnetického pole. To postupuje po obvodu vnitřku motorového statoru 4 po jednotlivých sekcích statorového vinutí. Na obou obrázcích 9 a 10 je soustředěna pozornost na první ze všech tří sekcí, tedy na první statorové vinutí 41 a proti němu na opačné straně čtvrté statorové vinutíStabilization and suppression of flywheel tilt 1 could be ensured as in the third embodiment described above with a separate device, but since it is desirable, if possible, not to overload the magnetic hinge with too much gravity, it has proved to be advantageous These components thus have a function in the presently described embodiment. As described above, a rotating magnetic field is generated within the stator windings 41, 42, 43, 44, 45, and 46 to generate rotation. The motor rotor 3 is exposed to this field. It has the character of a permanent magnet designed as a cylinder with horizontal magnetization, thus creating a horizontal magnetization axis from S to N perpendicular to the flywheel axis 20. This transverse axis monitors a synchronously rotating magnetic field in motor operation. This proceeds along the perimeter of the interior of the motor stator 4 in individual sections of the stator winding. In both Figures 9 and 10, attention is focused on the first of all three sections, that is, on the first stator winding 41 and on the opposite side of the fourth stator winding

44. Pro vyvození rotace motorového rotoru 3 jsou obě tato statorová vinutí 41 a 44 spolu elektricky propojena v sérii a takto jsou napojeny na motorové řídicí obvody 181 a zde na jednu ze tří fází střídavého elektrického proudu. Protože první statorové vinutí 41 a čtvrté statorové vinutí 44 jsou prostorově proti sobě, navzájem se vyruší radiálně působící složka elektromagnetických sil.44. To derive the rotation of the motor rotor 3, the two stator windings 41 and 44 are electrically connected in series and are thus connected to the motor control circuits 181 and here to one of the three phases of alternating current. Since the first stator winding 41 and the fourth stator winding 44 are spatially opposed, the radially acting component of the electromagnetic forces interferes with one another.

Pro zamezení náklonu K setrvačníku 1 je však v sériovém zapojení prvního statorového vinutí 41 se čtvrtým statorovým vinutím 44 ještě středový vývod, zejména patrný na obr. 10. Tento třetíHowever, in order to avoid the inclination K of the flywheel 1, a central outlet is still in series connection of the first stator winding 41 with the fourth stator winding 44, in particular in FIG. 10. This third

- 11 CZ 307872 B6 vývod je podle obr.9 také zaveden do motorových řídicích obvodů 181. Elektrický proud jím zavedený do prvního statorového vinutí 41 a tím i radiální síla jsou větší než na opačné straně. Tato radiální nerovnováha způsobuje vyvození magnetické síly směřující k ose 20 setrvačníku a tím vyrovnání náklonu K. Velikost takto působící radiální síly závisí na signálech, které do prvních polohových řídicích obvodů 141 přicházejí od první Hallovy sondy 111 a proti ní na opačné straně čtvrté Hallovy sondy 114.The lead is also fed to the motor control circuitry 181 according to FIG. 9. The electrical current introduced by it into the first stator winding 41 and hence the radial force is greater than on the opposite side. This radial imbalance causes a magnetic force to be applied to the flywheel axis 20 and thus a leveling of K. The magnitude of the radial force thus exerted depends on the signals coming to the first position control circuits 141 from the first Hall probe 111 and opposite it on the opposite side of the fourth Hall probe 114. .

Pátý a šestý příkladFifth and sixth example

Dva diagramy na dále následujících obr. 11 a obr. 12 ukazují dvě zvíce různých možností časového průběhu napětí na svorkách vinutí motorového statoru 4 při stabilizaci prostorové polohy setrvačníku 1, a sice ve výhodném výše zmíněném uspořádání s motorovým statorem 4 jehož vinutí současně konají dvě různé funkce.The two diagrams in the following Figs. 11 and 12 show two of the various possibilities of the voltage waveform at the winding terminals of the motor stator 4 while stabilizing the spatial position of the flywheel 1, in a preferred above-mentioned arrangement with the motor stator 4. function.

Na obr. lije znázorněn případ s vyrovnávacím impulsem zavedeným do vinutí statoru 4. Je tam nakreslen diagram, na jehož vodorovné ose je okamžitá úhlová poloha motorového statoru a a na svislé ose diagramu napětí U střídavého proudu v jeho třech jednotlivých fázových vinutích. Silnou čarou je naznačen průběh první fáze 91. V úhlových odstupech 120° za ní pak za sebou postupně následují druhá fáze 92 a třetí fáze 93.FIG. 11 shows a case with a compensating pulse applied to the stator windings 4. There is a diagram on the horizontal axis of which the instantaneous angular position of the motor stator is shown, and on the vertical axis of the AC voltage diagram in its three individual phase windings. The course of the first phase 91 is indicated by a thick line. The second phase 92 and the third phase 93 are successively followed at 120 ° angular intervals thereafter.

Všechny tři průběhy jsou harmonické a při jejich individuálním napájení fázemi střídavého proudu vytvářejí ve svém celku krouživé magnetické pole interagující s polem permanentního magnetu tvořícího motorový stator 4. Navzájem protilehlé první statorové vinutí 41 a čtvrté statorové vinutí 44 jsou umístěny prostorově proti sobě a jejich radiálně působící složky elektromagnetických sil na motorový rotor 4 jsou při provozu bez působících rozruchů navzájem v silové rovnováze. Tuto radiální rovnováhu může narušit na obr. 11 naznačený napěťový impuls AU který působí proti zde působícímu rozruchu. Tento napěťový puls je zaveden jako napěťový rozdíl mezi jednou ze svorek 60 rotace a středovým vývodem mezi oběma cívkami, jak je ukazuje obr. 10. Současně se přitom nevyhnutelně projeví nutační gyroskopické momenty působící na setrvačník 1, ale ty jsou zachyceny a potlačeny zpětnými vazbami působícími ve dvou ostatních radiálních směrech, jak takovou zpětnou vazbu ukazuje obr. 9.All three waveforms are harmonious and, when individually powered by the alternating current phases, form a rotating magnetic field in their entirety interacting with the field of the permanent magnet constituting the motor stator 4. The opposing first stator windings 41 and fourth stator windings 44 are spatially opposed and radially acting the components of the electromagnetic forces on the motor rotor 4 are in equilibrium with each other in the operation without causing disturbances. This radial equilibrium can be disturbed by the voltage pulse AU indicated in FIG. This voltage pulse is introduced as the voltage difference between one of the rotation terminals 60 and the center outlet between the two coils, as shown in FIG. 10. At the same time, the necessary gyroscopic moments acting on the flywheel 1 inevitably occur but these are captured and suppressed by feedback in two other radial directions, as shown in Figure 9.

Na následujícím obr. 12 je naznačen obdobný diagram pro jinou alternativu působící radiální síly. V tomto případě zajistí první motorové řídicí obvody 181 přivedené podle obr. 9 napěťové posunutí jedné z fází - na obr. 12 konkrétně první fáze 91. Obíhající točivé magnetické pole je pak ovšem excentrické a dochází pak k interakci s obdobnými posunutími u druhé fáze 92 a třetí fáze 93. Zpětnovazební smyčky v polohových řídicích obvodech 14 se tím sice zkomplikují, ale vhledem k malým velikostem posunutí a silnému tlumení je úloha konstrukce vhodných obvodů dobře řešitelná.In the following Fig. 12, a similar diagram for another alternative acting radial force is shown. In this case, the first motor control circuits 181 provided according to FIG. 9 will provide a voltage shift of one of the phases - in FIG. 12 specifically the first phase 91. However, the orbiting rotating magnetic field is then eccentric and interacts with similar shifts in the second phase 92; The feedback loops in the position control circuits 14 are thereby complicated, but due to the small displacement sizes and the strong damping, the role of designing suitable circuits is well solved.

Sedmý příkladSeventh example

I když je elektrický odpor statorových vinutí 41, 42, 43, 44, 45 a 46 v motorovém statoru 4 velmi malý - takže za obvyklých atmosférických podmínek konvektivního ochlazování vzduchem ani není s třeba počítat s přehřátím motorového statoru 4 synchronního točivého zdroje, při funkci uvnitř vakuové skříně 2 toto ochlazování vzduchem odpadá. S tím nastává nebezpečí spojené s možností dosažení nepříznivě vysokých teplot v tělese motorového statoru 4. To je ostatně důvodem, proč k pohonu setrvačníku 1 je v popisovaných příkladech provedení výslovně volen synchronní motor, neboť u něj je v porovnání s jinými známými funkčními principy elektrických motorů a alternátorů generace tepla odporem ve vinutí nejmenší. Nicméně k ohřevu ve statoru stroje dochází a je tedy namístě dostatečný odvod tepla zajistit. U sedmého příkladu provedení, zobrazeného svojí nej důležitější částí na obr. 13, jde o uspořádání soustavy skladování energie jinak naprosto shodné s popsanou konfigurací z obr. 8 a 9, kde ale je úprava umožňující odvod tepla z motorového statoru 4. Tato úprava se týká držáku 40 statoru a stěny vakuové skříně 2 v její spodní části. Tam je držák 40 opatřen soustavou osově souměrných žeber 47. Tato žebra 47Although the electrical resistance of the stator windings 41, 42, 43, 44, 45, and 46 in the motor stator 4 is very low - so under normal atmospheric conditions of convective air cooling, there is no need to overheat the motor stator 4 of the synchronous torque source. In the vacuum housing 2, this air cooling is eliminated. There is a danger associated with the possibility of reaching unfavorably high temperatures in the motor stator housing 4. This is, moreover, the reason why a synchronous motor is explicitly chosen to drive the flywheel 1 in the embodiments described, since it is compared to other known functional principles of electric motors. and alternators of heat generation resistor in the winding least. However, heating occurs in the stator of the machine and sufficient heat dissipation should therefore be ensured. In the seventh exemplary embodiment, illustrated by its most important part in Fig. 13, the configuration of the energy storage system is otherwise completely identical to that described in Figs. 8 and 9, but with a modification allowing heat dissipation from the motor stator 4. This modification relates to the stator holder 40 and the wall of the vacuum housing 2 at the bottom thereof. There, the bracket 40 is provided with a system of axially symmetrical ribs 47. These ribs 47

- 12CZ 307872 B6 jsou zvnějšku přístupná pro atmosférický vzduch a jsou tam tedy v této části ovívána chladným vzduchem. Žebrování není ovšem v zásadě nutné (záleží na intenzitě generace tepla), ale u tohoto příkladu uspořádání zvětšuje podstatně velikost teplosměnné plochy na níž konvektivní přenos tepla silně závisí. Rotující magnetické pole na zvnějšku vakuové skříně 2, pokud není odstíněno, může na spodku vakuové skříně 2 otáčet malou pomocnou vrtulkou nahrazující volnou konvekci vzduchu mnohem intenzivnější nucenou konvekci.- 12GB 307872 B6 are externally accessible to atmospheric air and are therefore occupied by cool air there. The fins are, of course, not necessary (depending on the intensity of heat generation), but in this example the arrangement substantially increases the size of the heat exchange surface on which the convective heat transfer strongly depends. The rotating magnetic field on the outside of the vacuum housing 2, if not shielded, can rotate a small auxiliary propeller at the bottom of the vacuum housing 2 to replace the free convection of air by a much more intense forced convection.

Osmý příkladEighth example

U příkladu provedení zobrazeného zde na obr. 14, 15 a 16 je účinněji proveden motor/altemátor předávající energii do rotujícího setrvačníku 1. a posléze zase z něj energie odebírající. Na obr. 14 je soustava skladování energie kreslena v myšleném řezu vedeném meridiální svislou rovinou procházející svislou osou symetrie, zatímco obr. 15 je myšlený řez rovinou A-A (tedy rovinou naznačenou na obr. 14) kolmou k ose 20 setrvačníku. Neobvyklé je zde provedení synchronního motoru (který ovšem alternativně funguje jako generátor) nakresleného ve spodní části obr. 14. Jsou tam tentokrát k setrvačníku 1 pevně připevněny dva souose orientované motorové rotory, a sice první motorový rotor 31 a druhý motorový rotor 32. Oba jsou tvořeny permanentními magnety ve tvaru osově souměrném vzhledem ke svislé ose 20 setrvačníku. Zatímco druhý motorový rotor 32 má tvar plného válce a je zmagnetizován kolmo k ose 20 setrvačníku, první motorový rotor 31 má tvar dutého kruhového válce většího průměru a je zmagnetizován do podoby Halbachova uspořádání k=2, tedy tak, aby se magnetické pole soustředilo uvnitř válcové dutiny v podobě dipólu s póly S, N naproti pólům druhého rotoru 32, V motorovém statoru 4, který je umístěn v mezikruhové mezeře mezi oběma motorovými rotory 31, 32, je šest statorových vinutí, a sice první statorové vinutí 41, druhé statorové vinutí 42, třetí statorové vinutí 43, čtvrté statorové vinutí 44, páté statorové vinutí 45 a konečně šesté statorové vinutí 46. Jsou rozděleny do tří sekcí. V každé sekci jsou dvě diagonálně protilehle umístěná vinutí, v tomto případě navzájem spojená do série.14, 15 and 16, the motor / alternator is more efficiently transmitting energy to the rotating flywheel 1 and then consuming energy therefrom. In FIG. 14, the energy storage system is drawn in an imaginary section taken along a meridial vertical plane passing through a vertical axis of symmetry, while FIG. 15 is an imaginary section through plane A-A (i.e., the plane indicated in FIG. 14) perpendicular to the flywheel axis 20. An unusual embodiment of the synchronous motor (which alternatively functions as a generator) is shown in the lower part of FIG. 14. This time, two coaxially oriented motor rotors are fixedly fixed to the flywheel 1, the first motor rotor 31 and the second motor rotor 32. Both are formed by permanent magnets axially symmetrical with respect to the vertical axis 20 of the flywheel. While the second motor rotor 32 has the shape of a solid cylinder and is magnetized perpendicular to the flywheel axis 20, the first motor rotor 31 has the shape of a hollow circular cylinder of larger diameter and is magnetized to form a Halbach arrangement k = 2, thus concentrating the magnetic field inside the cylinder. In the form of a dipole with poles S, N opposite the poles of the second rotor 32, there are six stator windings in the motor stator 4 located in the annular gap between the two motor rotors 31, 32, namely the first stator winding 41, the second stator winding 42 , a third stator winding 43, a fourth stator winding 44, a fifth stator winding 45, and finally a sixth stator winding 46. They are divided into three sections. In each section there are two diagonally opposite windings, in this case connected to each other in series.

Na obr. 15 jsou tak sériově spojené první statorové vinutí 41 a čtvrté statorové vinutí 44. Tato vinutí jsou zalita v polymerové pevné hmotě a svou spodní částí prostřednictvím držáku 40 statoru jsou připevněna ke spodní části vakuové skříně 2. Každá ze tří sekcí vinutí je napojena elektricky do jednoho ze svých částí motorových řídicích obvodů 18, například vývody ze statorových vinutí na obr. 15 jsou zavedeny do prvních motorových řídicích obvodů 181.In FIG. 15, the first stator winding 41 and the fourth stator winding 44 are thus connected in series. These windings are embedded in a polymer solid and are attached to the lower part of the vacuum housing 2 by means of a stator holder 40. Each of the three winding sections is connected electrically into one of its parts of the motor control circuits 18, for example the stator windings of FIG. 15 are introduced into the first motor control circuits 181.

Každá se tří sekcí je v režimu motoru napájena jednou ze tří fází trojfázového elektrického proudu. Tím, že upravený stator je podle těchto obrázků obklopen jak zvnějšku, tak zevnitř permanentními magnety rotoru je zde efektivněji využito jejich magnetických silových účinků.Each of the three sections is supplied with one of the three phases of the three-phase current in the motor mode. Because the modified stator is surrounded by both the external and internal permanent magnets of the rotor according to these figures, their magnetic force effects are utilized more effectively here.

Devátý příkladNinth example

Na posledním obr. 16 je znázorněn odvod tepla ze statoru u uspořádání podle obr. 14 a 15, kde vzhledem k provedení se dvěma rotory, a to s prvním motorovým rotorem 31 a druhým motorovým rotorem 32, není nikde volný přístup ke stěně motorového statoru 4. Není tedy možný takový odvod tepla, jaký je znázorněn na obr.13. Spoléhá se tedy na odvod tepla vedením přes držák 40 motorového statoru 4. Navíc je zde ještě určitou komplikací to, že statorová vinutí 41. 42. 43. 44, 45 a 46 jsou zalita v polymerové pevné hmotě která s ohledem na požadovanou elektrickou izolační vlastnost se vesměs vyznačuje méně účinným vedením tepla.Fig. 16 shows the heat dissipation from the stator in the arrangement according to Figs. 14 and 15, where, due to the two-rotor design, the first motor rotor 31 and the second motor rotor 32, there is now no free access to the motor stator wall 4 Heat dissipation is not possible as shown in Fig. 13. It therefore relies on heat dissipation by conduction through the motor stator holder 40. Moreover, there is a certain complication that the stator windings 41, 42, 43, 44, 45 and 46 are embedded in a polymer solid which, with respect to the desired electrical insulating property is generally characterized by less efficient heat conduction.

Je proto chlazení statoru motoru/altemátoru u tohoto příkladu provedení zajištěno vodou nebo obdobně fungujícím kapalným chladivém. To protéká v dutinách, a sice na obr. 16 v prvním chladicím držáku 401 a současně ve druhém chladicím držáku 402. V nakresleném uspořádání jsou dutiny obou držáků 401, 402 propojeny za sebou, takže soustava má jeden chladivový přívod 51 a jeden chladivový odvod 52.Therefore, cooling of the motor / alternator stator in this embodiment is provided by water or a similarly functioning liquid coolant. This flows in the cavities, in FIG. 16, in the first cooling holder 401 and simultaneously in the second cooling holder 402. In the illustrated arrangement, the cavities of the two holders 401, 402 are connected one after the other so that the assembly has one refrigerant inlet 51 and one refrigerant outlet 52 .

- 13CZ 307872 B6- 13GB 307872 B6

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Předmět vynálezu najde především využití v energetice, a sice k potlačení časového nesouladu mezi produkcí a spotřebou energie v elektrické rozvodné síti. Soustava podle vynálezu může zejména nalézt uplatnění pro pokrytí časového průběhu energie obnovitelných zdrojů jako jsou solární nebo větrné elektrárny.In particular, the present invention finds utility in the power industry to suppress the time mismatch between power generation and consumption in the electricity grid. In particular, the system according to the invention can find application to cover the time course of the energy of renewable sources such as solar or wind power plants.

PATENTOVÉ NÁROKYPATENT CLAIMS

Claims (23)

1. Setrvačníková soustava pro skladování energie, se setrvačníkem (1) uvnitř vakuové skříně (2) v ní otočným kolem osy (20) setrvačníku, kde tento setrvačník (1) je uchycen na magnetickém závěsu tvořeném třemi částmi, a to jednak pevným prvním magnetem (5), jednak druhým nosným magnetem (6) souose pevně spojeným se setrvačníkem (1), a dále souose s osou (20) setrvačníku upevněným nosným vinutím elektromagnetu (12), přičemž se setrvačníkem (1) je také pevně spojen motorový rotor (3) obsahující nejméně jeden permanentní magnet a umístěný uvnitř dutiny motorového statoru (4) spojeného pevně s vakuovou skříní (2), vyznačující se tím, že permanentní první pevný magnet (5) osově souměrného tvaru mající osu (25) symetrie prvního magnetu orientovanou souose s osou (20) setrvačníku je zmagnetovaný ve směru osy (20) setrvačníku a na své spodní straně pevně spojen s horní stranou vakuové skříně (2), která je alespoň ve své horní části zhotovena z nemagnetického materiálu a je spojena se souose umístěným jádrem elektromagnetu (8), kde na vnější straně vakuové skříně (2) soustředně s tímto jádrem elektromagnetu (8) jsou uspořádány závity nosného vinutí elektromagnetu (12) z elektricky vodivého materiálu, napojené na výstup výkonového zesilovače (19), zatímco uvnitř pod horní stěnou vakuové skříně (2) je k setrvačníku (1) připevněn nejméně jeden permanentní nosný magnet (6) rotačně souměrného tvaru axiálně zmagnetovaný ve směru osy (20) setrvačníku, přičemž ke spodní straně setrvačníku (1) je připevněn motorový rotor (3) obsahující nejméně jeden permanentní magnet zmagnetovaný napříč ke směru osy (20) setrvačníku, zatímco kolem něj umístěný rotorový stator (4) je připevněn prostřednictvím držáku (40) k vakuové skříni (2), kde tento motorový stator (4) je opatřen elektricky navzájem oddělenými sekcemi statorového elektricky vodivého vinutí, kde každá z těchto sekcí vinutí motorového statoru (4) je elektrickými vodiči napojena na motorové řídicí obvody (18) a vakuová skříň (2) je opatřena otvorem s napojenou spojovací trubicí vedoucí jednak k vakuometru (13), jednak k vývěvě (15), přičemž jak vakuometr (13) tak vývěva (15) jsou oboje napojeny elektricky na tlakové řídicí obvody (16) a společně s polohovými řídicími obvody (14) napojenými na nejméně jednu Hallovu sondu (11) umístěnou na vakuové skříni (2) a motorovými řídicími obvody (18) a elektrickými vodiči napojenou na centrální řídicí systém (10), kde podobně jsou na tento centrální řídicí systém (10) napájecím přívodem (9) a vývodem (90) do sítě napojeny polohové řídicí obvody (14) a tlakové řídicí obvody (16).An inertia system for storing energy, with a flywheel (1) inside the vacuum housing (2) rotatable therein about a flywheel axis (20), wherein the flywheel (1) is mounted on a three-part magnetic hinge by a fixed first magnet (5), secondly by a second support magnet (6) coaxially fixed to the flywheel (1), and coaxial to the flywheel axis (20) fixed by the electromagnet (12) support winding, the motor rotor (1) also being fixed to the flywheel (1); 3) comprising at least one permanent magnet and located within the cavity of the motor stator (4) connected rigidly to the vacuum housing (2), characterized in that the permanent first rigid magnet (5) of axially symmetrical shape having a first magnet symmetry axis (25) coaxially oriented with the flywheel axis (20) being magnetized in the direction of the flywheel axis (20) and fixed at its underside to the top of the vacuum housing (2) which is at least in its upper part made of non-magnetic material and is connected to a coaxially located electromagnet core (8), where on the outside of the vacuum housing (2) concentrically with this electromagnet core (8) are threads of the electromagnet (12) bearing winding of an electrically conductive material connected to the output of the power amplifier (19), while at least one permanent magnet of rotationally symmetrical shape (6) axially magnetized axially in the direction of the flywheel axis (20) is attached to the flywheel (1) below the upper wall of the vacuum housing (2) wherein a motor rotor (3) comprising at least one permanent magnet magnetized transversely to the direction of the flywheel axis (20) is attached to the underside of the flywheel (1), while the rotor stator (4) placed around it is attached via a holder (40) to the vacuum housing (2), wherein the motor stator (4) is provided electrically to one another separate sections of the stator electrically conductive winding, each of these winding sections of the motor stator (4) being connected by electrical conductors to the motor control circuits (18) and the vacuum housing (2) is provided with an opening with connected connecting tube leading to the vacuum meter (13) both to the vacuum pump (15), wherein both the vacuum meter (13) and the vacuum pump (15) are both electrically connected to the pressure control circuits (16) and together with the position control circuits (14) connected to at least one Hall probe (11) a housing (2) and motor control circuits (18) and electrical wires connected to the central control system (10), where likewise the position control circuits are connected to the central control system (10) by the power supply (9) and the outlet (90) (14) and pressure control circuits (16). 2. Setrvačníková soustava podle nároku 1, vyznačující se tím, že k horní straně vakuové skříně (2) je upevněn tlumič (22) ve tvaru prstence z elektricky vodivého materiálu.Flywheel assembly according to claim 1, characterized in that a ring-shaped damper (22) of electrically conductive material is fastened to the upper side of the vacuum housing (2). 3. Setrvačníková soustava podle nároku 1 nebo 2 vyznačující se tím, žeFlywheel assembly according to claim 1 or 2, characterized in that - 14CZ 307872 B6 uvnitř motorového statoru (4), který má mezikruhový tvar se svislou osou symetrie, je souose umístěn první motorový rotor (31) pevně spojený se setrvačníkem (1) a dále je uvnitř dutiny motorového statoru (4) souose umístěný druhý motorový rotor (32) rovněž pevně spojený se setrvačníkem (1).- 14GB 307872 B6 inside a motor stator (4) having an annular shape with a vertical axis of symmetry, a first motor rotor (31) fixedly connected to the flywheel (1) is coaxially positioned, and a second motor coaxially located inside the motor stator cavity (4). the rotor (32) also firmly connected to the flywheel (1). 4. Setrvačníková soustava podle nároků 1, 2 nebo 3, vyznačující se tím, že za účelem potlačení náklonu (K) má soustavu tri zpětných vazeb spočívajících každá v elektrickém propojení Hallovy sondy (11) umístěné u permanentního druhého nosného magnetu (6) přes polohové řídicí obvody (14) a centrální řídicí systém (10) s elektrickým klopným statorovým vinutím (33) umístěným pod setrvačníkem (1) ve směru lokálního gravitačního zrychleníThe flywheel assembly according to claim 1, 2 or 3, characterized in that, in order to suppress tilt (K), it has a set of three feedbacks, each in the electrical connection of the Hall probe (11) located at the permanent second carrier magnet (6) via position control circuits (14) and a central control system (10) with an electric flip-on stator winding (33) located below the flywheel (1) in the direction of local gravity acceleration 5. Setrvačníková soustava podle nároku 4, vyznačující se tím, že klopné statorové vinutí (33) je totožné s vinutím motorového statoru (4).The flywheel assembly according to claim 4, characterized in that the flip stator winding (33) is identical to the winding of the motor stator (4). 8 výkresů8 drawings Seznam vztahových značekList of reference marks 1 setrvačník1 flywheel 2 vakuová skříň2 vacuum cabinet 3 motorový rotor3 motor rotor 4 motorový stator4 motor stator 5 pevný první magnet5 fixed first magnet 6 druhý nosný magnet6 shows a second carrier magnet 8 jádro elektromagnetu8 electromagnet core 9 napájecí přívod9 power supply 10 centrální řídicí systém10 central control system 11 Hallova sonda11 Hall probe 12 nosné vinutí elektromagnetu12 shows the solenoid support winding 13 vakuometr13 vacuum gauge 14 polohové řídicí obvody14 position control circuits 15 vývěva15 vacuum pump 16 tlakové řídicí obvody16 pressure control circuits 17 otáčkoměr17 Tachometer 18 motorové řídicí obvodyMotor control circuits 19 výkonový zesilovač19 power amplifier 20 osa setrvačníku20 flywheel axis 21 vektor vnějšího zrychlení21 external acceleration vector 22 tlumič22 silencer 23 hřídel23 shaft 25 osa symetrie prvního magnetu25 axis of symmetry of the first magnet 31 první motorový rotor31 first motor rotor 32 druhý motorový rotor32 a second motor rotor 33 klopné statorové vinutí33 tilting stator winding 40 držák40 bracket 41 první statorové vinutí41 first stator winding 42 druhé statorové vinutí42 a second stator winding - 15CZ 307872 B6 třetí statorové vinutí čtvrté statorové vinutí páté statorové vinutí šesté statorové vinutí žebro chladivový přívod chladivový odvod svorky rotace svorky klonění vývod první fáze druhá fáze třetí fáze první Hallova sonda čtvrtá Hallova sonda první polohové řídicí obvody druhé polohové řídicí obvody třetí polohové řídicí obvody první motorové řídicí obvody první chladicí držák druhý chladicí držák severní pól jižní pól šipka první napětí druhé napětí napěťový impuls okamžitá úhlová poloha motorového statoru náklon- 15GB 307872 B6 third stator winding fourth stator winding fifth stator winding sixth stator winding fin coolant coolant outlet clamp rotation tilt clamp terminal first phase second phase third phase first hall probe fourth hall probe first position control circuits second position control circuits third position control circuits first motor control circuits first cooling bracket second cooling bracket north pole south pole arrow first voltage second voltage voltage pulse instantaneous angular position of motor stator tilt