專利名稱：機械動能微損耗的儲存裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于開發(fā)新能源領(lǐng)域，所涉及的是一種機械動能微損耗的儲存裝置，具體說是風力能源的有效利用。
在自然界中一種能量形式轉(zhuǎn)變成另一種能量形式是似空見慣的事情，但在能量形式的轉(zhuǎn)換過程中，總不是等量轉(zhuǎn)換，或多或少的轉(zhuǎn)換成不希望的第三種能量形式，例如在機械動能轉(zhuǎn)換成電能時，總有一部分機械動能因為磨擦轉(zhuǎn)變成有害的熱能散發(fā)掉，把一種能量形式長時間保存起來而不發(fā)生減少是不可能的，特別是機械動能的儲存。但是在現(xiàn)有技術(shù)下可以做到在保存過程中其損耗很微小。
本實用新型所涉及的就是怎樣把機械動能較長時間儲存起來損耗很微小，在自然界中能量有各種表現(xiàn)形式，勢能、動能、電能、光能、化學能、原子能等等，若想使機械動能較長時間儲存起來損耗很微小，在需要時使用或在需要轉(zhuǎn)換成另一種能量形式時使用，對充分利用能源和節(jié)約能源有莫大的好處，例如自然界的風能時多時少，在風能多時通過風車把風能轉(zhuǎn)換成機械動能形式，輸入到機械動能儲存裝置中，微損耗較長時間的儲存起來，等待需要時再輸出來應(yīng)用經(jīng)濟效益是巨大的。何況風能又是一種清潔不污染環(huán)境低成本取之不盡的綠色能源。
本實用新型的目的就是制造一種裝置，把機械動能長時間的儲存起來而且損耗很小，等需要時輸出來應(yīng)用。
這種機械動能微損耗儲存裝置，首先解決的是磨擦生熱難題，有重量的運動物體與其他物體相接觸，總會產(chǎn)生磨擦生熱效應(yīng)，要求不產(chǎn)生磨擦生熱效應(yīng)，只有使運動物體對被接觸的物體的正壓力為零，即運動物體“失重”；而且運動物體也不與周圍物體發(fā)生碰撞，即沒有能量交換。應(yīng)用“磁懸浮軸承”可以使轉(zhuǎn)動的物體“失重”，(見本人專利“磁懸浮軸承”專利號ZL98204731.2)；把整個儲能運動系統(tǒng)放到密封容器中，抽成真空可滿足上述不與周圍物體碰撞的條件；我們設(shè)想在真空密封容器中一條軸上等距離放置三個金屬輪子(下稱慣性輪)并被懸浮起來，再采用不接觸方式的“磁耦合”輸入方法，輸入機械動能使其高速轉(zhuǎn)動起來，而儲存一定的機械動能；而將來使用機械動能時也采用不接觸的“磁耦合”輸出辦法。在該裝置中還對稱的加上了兩個自潤滑真空機械軸承，在此僅起定位作用。本實用新型的特點是機械動能直接儲存，長時間機械動能儲存損耗甚微，而輸出來仍是機械動能；其裝置結(jié)構(gòu)簡單，不易發(fā)生故障，長壽命。
本實用新型效益是明顯的例如儲存風力能源，當風大時把風能變?yōu)闄C械動能儲存起來，等風仃了之后輸出來應(yīng)用。


圖1實用新型原理示意圖。
圖2磁懸浮永磁體外半圓環(huán)。
圖3磁懸浮永磁體內(nèi)圓環(huán)。
圖4本實用新型示意全圖。
下面介紹各圖中組元名稱在圖1中1、慣性輪，2、自潤滑真空機械軸承3、磁懸浮永磁體外半圓環(huán)，4、磁懸浮永磁體內(nèi)圓環(huán)，5、慣性輪，6、磁懸浮永磁體外半圓環(huán)，7、慣性輪軸，8、自潤滑真空機械軸承，9、磁懸浮永磁體內(nèi)圓環(huán)，10、無磁不銹鋼外殼，11、慣性輪。
圖2是圖1中磁懸浮永磁體外半圓環(huán)3的外形圖。
圖3是圖1中磁懸浮永磁體內(nèi)圓環(huán)4的外形圖。
圖4，其中12、長方形永磁體，13、長方形永磁體，14、動能輸入輪，15、輸入輪軸，16、長方形永磁體，17、長方形永磁體，18、輸出動能接收輪。
以下結(jié)合附圖詳細說明本實用新型附圖1中的1、5、11是用金屬制造的同等重量薄圓柱體，稱為慣性輪，用軸7等距離聯(lián)接在一起，在三個慣性輪之間的軸7上對稱的放置了磁懸浮永磁體圓環(huán)4及9；在4及9圓環(huán)的下部放置了磁懸浮永磁體外半圓環(huán)3及6；4及9的外表面與3及6的內(nèi)表面磁極性相同，因為磁極性相斥將軸7上的三個慣性輪子1、5、11懸浮起來，兩環(huán)之間有0.1厘米懸浮縫隙，為節(jié)約永磁材料，外半圓環(huán)3和6取160度，慣性輪及慣性輪軸的材料采用無磁鋼；為了整個懸浮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在慣性輪1及11內(nèi)側(cè)的軸7上，在對稱的位置上安裝了兩組2及8自潤滑真空機械軸承，此兩組自潤滑真空軸承僅起慣性輪系統(tǒng)位置固定作用，理論上不承受慣性輪的重量。為將來調(diào)測方便，在自潤滑真空機械軸承的底部安裝壓力傳感器，自潤滑軸承的上下位置可以微調(diào)，因為設(shè)計和計算總是難免有誤差的(傳感器和上下位置微調(diào)裝置在圖上未畫出)。
圖4是本實用新型的示意全圖，外殼10內(nèi)的結(jié)構(gòu)和圖1基本一樣，為了機械動能的輸入和輸出，僅在外殼兩端加上動能輸入輸出裝置。外殼10是無磁不銹鋼制造的，對磁場不起屏蔽作用。當外殼10外邊的動能輸入輪14轉(zhuǎn)動時，通過動能輸入輪14上的長方形永磁體13與外殼內(nèi)慣性輪11上的長方形永磁體12相藕合(即12與13隔外殼相吸)，使容器內(nèi)的整個系統(tǒng)開始轉(zhuǎn)動起來，最后整個系統(tǒng)逐步達到與動能輸入輪14同步轉(zhuǎn)動。為了使慣性輪11與動能輸入輪14在短時間內(nèi)達到同步，實際上相互藕合的長方形永磁體12與長方形永磁體13有多組，根據(jù)慣性輪半徑大小和慣性輪要求加速的快慢來確定，后面例子采用了10組；而且長方形永磁體12與長方形永磁體13靠的很近，距離僅是外殼厚度的兩倍，稱之為“緊藕合”。與動能輸入輪14相聯(lián)接的是一組位置可移動的變速系統(tǒng)。當不輸入機械動能時，讓動能輸入輪14脫離“磁藕合”區(qū)；下面談機械動能輸出當動能接受輪18靠近轉(zhuǎn)動的慣性輪1時，由于長方形永磁體16與長方形永磁體17相藕合，動能接收輪18也轉(zhuǎn)動起來。動能接收輪18到慣性輪1的距離是可調(diào)節(jié)的，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)藕合度。一般情況下，慣性輪轉(zhuǎn)的較快，動能接收輪所要求的轉(zhuǎn)速較慢，動能接收輪18與慣性輪1之間一般采用的是“弛藕合”。下面通過實例做一些工程計算，并給出一些數(shù)據(jù)慣性輪及慣性輪軸參數(shù)如下永磁體材料參數(shù)，牌號京磁釹鐵硼33H慣性輪總重量W1＝3×1000公斤剩磁Br＝11.5KGs，慣性輪軸重量W2＝500公斤， 矯頑力He＝20Goe，慣性輪軸長度L＝100厘米，磁能積(BH)max＝34M GsOe，慣性輪軸外半徑R1＝15厘米， 比重ρ2＝7.58克/厘米3，慣性輪鋼材比重ρ1＝7.5克/厘米3，永磁體內(nèi)外圓環(huán)的各參數(shù)永磁體工作點剩磁Ha＝10000Gs永磁體內(nèi)圓環(huán)內(nèi)半徑R1＝15厘米，永磁體內(nèi)圓環(huán)外半徑R2＝18厘米，永磁體外半環(huán)內(nèi)半徑R3＝18.1厘米，永磁體外半圓環(huán)外半徑R4＝21.1厘米，永磁體內(nèi)外環(huán)之間縫隙δ1＝0.1厘米，永磁體外半圓環(huán)為160°，占整圓環(huán)弧長⌒＝0.445根據(jù)修改過的麥克斯韋關(guān)于磁性力的計算公式，應(yīng)該首先計算出兩個永磁體之間相互作用力所需要的平面面積，再根據(jù)面積計算出永磁體圓環(huán)的寬度。兩個永磁體曲面之間的作用力等于三個慣性輪及慣性輪軸的重量，而兩塊永磁體曲面之間相互作用力的大小，等同于與永磁體圓環(huán)曲面在平面上的正投影面積相同的平面永磁體之間相互作用力，即所謂正投影原理。詳細一點解釋正投影原理是中間有縫隙的兩個相斥或相吸的永磁體曲面之間相互作用力的大小，等同與曲面正投影面積相同，縫隙相同的平面永磁體之間的相互作用力的大小，并依曲面正投影面積小的為計算標準。最后算出的正投影總面積為S1＝1225厘米2。
因為磁懸浮永磁體是兩組，所以計算出來的總面積要一分為二。正投影的長度就是永磁體內(nèi)圓環(huán)的直徑，所以很容易計算出正投影面積的寬度H＝17厘米。
這就是磁懸浮永磁體各圓環(huán)和半圓環(huán)的寬度。
根據(jù)上面給出的各參數(shù)，最后計算出永磁體內(nèi)圓環(huán)總重量 W3＝80公斤，永磁體外圓半環(huán)總重量W4＝42公斤，永磁體圓環(huán)總重 W5＝W3＋W4＝122公斤現(xiàn)在計算輸入端長方形永磁體12與13之間相吸的力，永磁體仍用上面的釹鐵硼(Nd FeB)，設(shè)長方形各永磁體的尺寸為厚2厘米，寬5厘米，長8厘米，相吸面積為40厘米2，相吸之間的距離設(shè)定為δ2＝0.6厘米，設(shè)輸入端共10組，根據(jù)修改過的麥克斯韋有關(guān)磁性力的公式，可計算出永磁體12與13之間相吸的力是64公斤，或稱永磁體12與13之間的“磁耦合”力是64公斤，動能輸入輪14與慣性輪11之間10組的相吸力為640公斤；每組永磁體重1.2公斤，10組共重12公斤。如果輸出端和輸入端結(jié)構(gòu)一樣，用永磁體也是12公斤。永磁體相對表面積之間的作用力與兩者之間距離成反比。調(diào)節(jié)兩者之間距離遠近便是調(diào)節(jié)相互間耦合度的大小，利用此原理可調(diào)節(jié)動能輸出輪18的轉(zhuǎn)速。
下面計算儲存機械動能的一個例子當輸入端動能輸入輪14轉(zhuǎn)動后，由于多組永磁體的藕合作用力，容器內(nèi)的慣性輪11及整個系統(tǒng)也轉(zhuǎn)動起來，當相互達到同步轉(zhuǎn)動后動能輸入輪14通過變速箱變成更高轉(zhuǎn)速，慣性輪11及整個系統(tǒng)與動能輸入輪14再次逐步達到同步，最后慣性輪達到規(guī)定的旋轉(zhuǎn)速度。
現(xiàn)設(shè)定慣性輪達到最高轉(zhuǎn)速是N＝20000轉(zhuǎn)/分后動能輸入輪14脫離；經(jīng)過相當一段時間后，與動能接收輪18相聯(lián)接的一臺功率10千瓦發(fā)電機，進入慣性輪1適當?shù)呐汉暇嚯x，計算該發(fā)電機在理論上的運轉(zhuǎn)時間三個薄圓柱形慣性輪每個質(zhì)量為1000公斤，慣性軸的質(zhì)量500公斤，薄圓柱輪的機械動能公式EW機械動能，焦耳EW＝0.25m V2----(1) M慣性輪質(zhì)量，公斤V慣性輪邊沿線速度，米/秒設(shè)定慣性輪的厚度為20厘米，可計算出慣性輪的半徑是R6＝45厘米，把各個數(shù)據(jù)代入公式(1)中，最后計算出的動能等于EW＝666229688焦耳這樣10千瓦的發(fā)電機在理論上可連續(xù)工作18.9小時，如果再把慣性軸的動能考慮進去，將超過20小時。必須說明一點，慣性輪的轉(zhuǎn)速不能太高，上面設(shè)定當轉(zhuǎn)速N＝20000轉(zhuǎn)/分，慣性輪邊沿線速度已達到942.5米/秒，幾乎達到步槍子彈的速度；要增大機械動能的儲存容量，加大慣性輪的質(zhì)量是唯一的途徑。
必須說明的是要維持磁懸浮系統(tǒng)容器的低真空，例如1×10-1∽1×10-2乇，它等于原空氣壓力的1.33×10-4—1.33×10-5倍，因這樣稀薄空氣的阻力所造成的機械動能損耗可以視為零；事先調(diào)節(jié)好自潤滑真空機械軸承上下位置，使壓力傳感器受到的壓力為零，這樣在理論上可視整個機械動能儲存裝置基本上不消耗能量，或者說消耗的動能很微少，當然永動機是不存在的。例如轉(zhuǎn)子僅為10克的靜電懸浮陀螺高速轉(zhuǎn)動后，停止供電，三個月后仍在轉(zhuǎn)動就是一例。而最普通的抽氣機械泵很容易抽成這樣的低真空由于容器微孔漏氣及容器內(nèi)金屬部件在溫度變化中的放氣等原因，日久天長真空度變壞，當然指示真空度的儀表和轉(zhuǎn)速表也是必不可少的。還要在容器的上面做上透明視窗，可隨時直視容器內(nèi)的運轉(zhuǎn)情況
權(quán)利要求1.一種機械動能微損耗儲存裝置，該裝置包括在真空容器(10)中，被磁懸浮起的三個慣性輪(1)、(5)、(11)，及兩個起定位作用的自潤滑真空機械軸承(2)、(8)，還有在真空容器左端的動能輸入輪(14)與在真空容器右端的動能輸出接收輪(18)，其特征在于，機械動能輸入部分由動能輸入輪(14)上的永磁體(13)與慣性輪(11)上的永磁體(12)相吸引組成；機械動能輸出部分由慣性輪(1)上的永磁體(16)與動能輸出接收輪(18)上的永磁體(17)相吸引組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述機械動能微損耗儲存裝置，其特征是，在動能輸入輪(14)及慣性輪(11)相對應(yīng)的表面上，放置了永磁體(13)及(12)，永磁體(13)及(12)相對應(yīng)的表面磁極性相異。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述機械動能微損耗儲存裝置，其特征是，在輸入端相吸引的永磁體(13)與(12)也可以由2、3、4、5----組來組成。
4.根據(jù)權(quán)利1要求所述機械動能微損耗儲存裝置，其特征是，在慣性輪(1)與動能接收輪(18)相對應(yīng)的表面上，放置了永磁體(16)及(17)，永磁體(16)及(17)相對應(yīng)的表面磁極性相異。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述機械動能微損耗儲存裝置，其特征是，在輸出端相吸引的永磁體(16)與(17)也可以由2、3、4、5-----組來組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述機械動能微損耗儲存裝置，其特征是，容器(10)的外殼采用無磁不銹鋼材料制成；慣性輪及慣性輪軸由無磁鋼制成。
專利摘要本實用新型為機械動能微損耗儲存裝置,充分利用風動能,屬節(jié)能領(lǐng)域。主要解決的機械動能在儲存過程中摩擦生熱損耗難題,利用“磁懸浮軸承”,把轉(zhuǎn)動物體懸浮“失重”,使摩擦力消失;把轉(zhuǎn)動物體置于真空中,使空氣阻力消失?？砂扬L能轉(zhuǎn)變成機械動能,輸入儲存裝置保存起來。采用永磁體“磁耦合”方式向儲存裝置輸入或輸出機械動能。若被懸浮的轉(zhuǎn)動物體三噸重,轉(zhuǎn)速20000轉(zhuǎn)/分,儲能裝置可使10千瓦發(fā)電機連續(xù)工作20小時以上。
文檔編號F16H37/00GK2480625SQ0026152
公開日2002年3月6日 申請日期2000年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月10日
發(fā)明者李沂清, 李娟 , 李海濤 申請人:李沂清