Способ накопления механической энергии

 

Использование: относится к области механики и может быть использовано в различных электромеханических устройствах, содержащих маховики. Сущность изобретения: симметричный маховик, имеющий одну степень свободы (вращение вокруг оси симметрии), помещают в кардановый подвес и раскручивают одновременно вокруг двух пересекающихся в центре масс маховика осей: оси симметрии (собственной оси вращения) маховика и оси вращения карданового подвеса (второй оси вращения маховика), проходящей через центр масс маховика; при этом с тем, чтобы обеспечить динамическую уравновешенность вращающегося маховика, ось симметрии маховика располагают под таким углом к оси вращения карданового подвеса, при котором для заданного соотношения угловых скоростей вращения маховика момент сил инерции маховика по оси, перпендикулярной осям вращения, равен нулю, а именно под углом где J_z, J_x - главные моменты инерции маховика, из которых J_z - по оси симметрии; Ω₁, Ω₂ - угловые скорости вращения собственно маховика и карданового подвеса соответственно. 1 ил.

Изобретение относится к области механики, а именно к способам накопления механической энергии вращательного движения, и может быть использовано в различных электромеханических устройствах, содержащих маховики, в частности в инерционных аккумуляторах энергии.

Общеизвестен способ накопления механической энергии вращательного движения [1] заключающийся в том, что раскручивают маховик инерционного аккумулятора вокруг оси, перпендикулярной плоскости вращения маховика и являющейся для маховика какой-либо главной центральной осью инерции. Недостатком такого способа накопления энергии является неполное использование инертности маховика, т. е. неиспользование его инертности по двум другим осям инерции во вращательном движении, что снижает удельную энергоемкость маховика при ограничении его угловой скорости вращения.

Известен также способ накопления механической энергии [2] который в некоторой мере устраняет недостаток общеизвестного (традиционного) способа накопления энергии [1] Согласно этому способу маховик инерционного аккумулятора раскручивают вокруг двух пересекающихся под прямым углом осей, проходящих через центр масс маховика и являющихся для маховика главными осями инерции. Однако существенным недостатком данного способа накопления энергии является возникающая в процессе вращения маховика недопустимая нагрузка на опоры подшипников инерционного аккумулятора в радиальном направлении (динамическая неуравновешенность вращающегося маховика).

Цель настоящего изобретения устранение указанных недостатков, т. е. разгрузка подшипниковых опор инерционного аккумулятора в радиальном направлении при сохранении преимущества способа-прототипа [2] по отношению к общеизвестному способу накопления энергии [1] Поставленная цель достигается за счет определенного расположения маховика в кардановом подвесе. Ось симметрии (собственную ось вращения) маховика располагают под таким углом к оси вращения карданового подвеса (ко второй оси вращения маховика), при котором для заданного соотношения угловых скоростей вращения маховика момент сил инерции маховика по оси, перпендикулярной осям вращения, равен нулю.

Способ реализуют следующим образом.

Симметричный маховик, имеющий одну степень свободы (вращение вокруг оси симметрии), помещают в кардановый подвес и раскручивают одновременно вокруг двух пересекающихся в центре масс маховика осей: оси симметрии (собственной оси вращения) маховика и оси вращения карданового подвеса (второй оси вращения маховика), проходящей через центр масс маховика; при этом в отличие от способа-прототипа [2] ось симметрии маховика располагают не под углом 90^o к оси вращения карданового подвеса, а под таким углом, при котором для заданного соотношения угловых скоростей вращения маховика момент сил инерции маховика по оси, перпендикулярной осям вращения, равен нулю, т. е. под углом, при котором гироскопический момент пары сил (радиальных динамических реакций подшипниковых опор маховика) равен нулю. Кроме этого, задавшись требованием, чтобы маховик, раскручиваемый по предлагаемому способу, в сравнении с маховиком, раскручиваемым по способу-прототипу, обладал по крайней мере неменьшей удельной энергоемкостью, находят, как должны соотноситься главные моменты инерции маховика.

На чертеже, поясняющем сущность изобретения, схематически изображены: 1 маховик; 2 кардановый подвес; 3 ось симметрии (собственная ось вращения) маховика; 4 ось вращения карданового подвеса (вторая ось вращения маховика), проходящая через центр масс 0 маховика; 5 ось ОК, перпендикулярная осям 3 и 4.

Поясним сущность изобретения.

Пусть Ω₁, Ω₂ угловые скорости вращения маховика вокруг пересекающихся в точке O осей 3 и 4 соответственно; J_z главный момент инерции по оси симметрии OZ маховика;
J_x, J_y главные моменты инерции по осям ОХ, OY соответственно, причем J_y J_x в силу симметрии маховика.

Найдем условие, при котором гироскопический момент пары сил (реакций ) равен нулю, т. е. условие разгрузки подшипниковых опор инерционного аккумулятора в радиальном направлении.

Применение метода Лагранжа дает следующее уравнение равновесного состояния маховика относительно оси ОК:

где L расстояние между точками приложения сил (см. фиг. 1);
Θ угол между осями 3 и 4.

Из полученного выражения следует, что реакция R опор подшипников равна нулю в двух случаях:
при q 0^o (этот случай соответствует традиционному способу накопления энергии посредством вращения маховика вокруг только одной оси);
при
(1)
Таким образом, условием, определяющим равенство нулю гироскопического момента пары сил и составляющим суть предлагаемого изобретения, является выражение (1). При этом из полученного выражения следует, что
1) динамическая уравновешенность вращающегося маховика имеет место на любом этапе работы маховика (на этапе раскрутки, хранения и отдачи мощности потребителю), если
Ω₁/Ω₂= const;
2) удельная энергоемкость маховика, раскручиваемого по предлагаемому способу, будет не меньше удельной энергоемкости маховика, раскручиваемого по способу-прототипу, если
J₁/J₂>Ω₁Ω₂+1.с

Формула изобретения

Способ накопления механической энергии, заключающийся в том, что маховик инерционного аккумулятора раскручивают вокруг двух пересекающихся в центре масс маховика осей, отличающийся тем, что ось симметрии (собственную ось вращения) маховика располагают под определенным углом к оси вращения карданового подвеса (ко второй оси вращения маховика), при котором для заданного соотношения угловых скоростей вращения маховика момент сил инерции маховика по оси, перпендикулярной осям вращения, равен нулю, а именно под углом

где I_z, I_x главные моменты инерции маховика, из которых I_z по оси симметрии;
Ω₁,Ω₂ угловые скорости вращения собственно маховика и карданного подвеса соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1