專利名稱:用于空間環(huán)境的多輻條能量存儲系統(tǒng)的制作方法
本發(fā)明涉及到儲存機械能并產(chǎn)生電能的能量存儲系統(tǒng)，特別適用于，但并不僅限于用作空間環(huán)境的儲存機械能和產(chǎn)生電能的多輻條能量存儲系統(tǒng)。
以前已經(jīng)提出過一些不同的在空間環(huán)境中存儲電能的系統(tǒng)，本題目作者已經(jīng)在美國專利第4，509，006號中描述了一種系統(tǒng)。
還有一些古典的能量儲存方法，如原子能和電能以及燃料電池、太陽能電池、電感器、電容器和電池組。
最近還使用了含有高速飛輪的存儲機械能以備使用的系統(tǒng)。這類裝置要設(shè)計得能承受由每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)速度而產(chǎn)生的力，這些由高速產(chǎn)生的力在本質(zhì)上是破壞性的，并且較小的制造缺陷都可以引起災(zāi)難性的破壞。本發(fā)明提供一個在每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)較小的情況下儲存大量機械能的系統(tǒng)。
本發(fā)明提供一個系統(tǒng)從而在空間環(huán)境中可以長期地儲存大量的機械能。而且，所述系統(tǒng)還可用來產(chǎn)生子系統(tǒng)所需要的電能。
而且，所述系統(tǒng)完全可以用現(xiàn)在的航天飛機放入軌道。所述能量存儲系統(tǒng)還可以在較小的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)的情況下儲存機械能。
所述系統(tǒng)包括一個細長的圓柱形外殼，一級環(huán)形輪轂和二級環(huán)形輪轂可旋轉(zhuǎn)地裝在外殼上并按相反的方向旋轉(zhuǎn)。多個等間距離條連接到輪轂上并從那里向外伸出。在輻條的外部和內(nèi)部可以裝上物體，該物體可以沿長輻條的長度方向移動?？墒褂貌煌愋偷尿?qū)動裝置沿輻條的長度方向移動可移動塊。在所述外殼內(nèi)裝有電能源如發(fā)電機，以便在開動和旋轉(zhuǎn)輻條和旋轉(zhuǎn)輪轂的初始階段提供能源。在所述外殼內(nèi)還裝有一個電控制器，以控制所產(chǎn)生的機械能和子系統(tǒng)所需的電能。
通過以下對本發(fā)明的最佳實施方案詳細描述及其附圖的說明，將能明顯地看到本發(fā)明的優(yōu)點和目的。
圖1圖示了裝有可移動外部物體塊的多輻條能量存儲系統(tǒng)。
圖2表示將可移動物體塊安裝在輻條內(nèi)的多輻條能量存儲系統(tǒng)。
圖3表示使用外部可動物體塊的能量存儲元件之間的物理關(guān)系。
圖4表示使用內(nèi)部可動物體塊的能量存儲元件之間的物理關(guān)系。
圖5表示一個用來改變可動物體塊位置的典型的驅(qū)動系統(tǒng)。
圖6表示一個將內(nèi)部可動物體塊重新置位的泵浦系統(tǒng)。
圖7表示穩(wěn)定系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)和不旋轉(zhuǎn)部件的裝置。
圖8表示一個電機/發(fā)電機系統(tǒng)的部件。
圖9表示一個描述使用本發(fā)明的用電器/控制器子系統(tǒng)的電路簡圖。
在圖1中，所述用于空間環(huán)境的多輻條能量存儲系統(tǒng)用參考數(shù)字10表示。系統(tǒng)10包括一個發(fā)電機12，它可以用于向沿著長度方向裝在長圓柱形外殼16中的電動機/發(fā)電機14提供電力。電動機/發(fā)電機14可以是帶有連接到第一環(huán)形輪轂18上的銜鐵15的常規(guī)或單極結(jié)構(gòu)。一級輪轂18可旋轉(zhuǎn)地安裝在外殼16的與二級環(huán)形可旋轉(zhuǎn)輪轂20相對的方向。輪轂18和20都裝有多個在外部等間距分布的輻條22，在輻條22上帶有圖示的安裝在外部的可沿輻條的長度方向向內(nèi)或向外移動的可動物件塊24。
可移動塊24由動力用戶和控制器26控制，它們使塊24朝內(nèi)或向外沿輻條的長度方向運動以保維系統(tǒng)10的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)為常數(shù)。
應(yīng)該注意到每個輻條22都是等距離地分布，所以當(dāng)電能從系統(tǒng)10產(chǎn)生并導(dǎo)出時，為了保持不變的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，這些輻條的位置可以相對于伸長的外殼16的旋轉(zhuǎn)軸變化。安裝在旋轉(zhuǎn)輪轂18和20上的輻條22的數(shù)量可以是兩個或更多，使得所述旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)處于動態(tài)平衡狀態(tài)。
在圖2中表示了圖1中所示的系統(tǒng)10的另一個方案，它允許一個可移動塊在輻條22內(nèi)運動以保持不變的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。系統(tǒng)10的機械運轉(zhuǎn)和性能與圖1所描述的相同，所不同的是內(nèi)部可移動塊28置于輻條22的內(nèi)部而不是輻條22的外表面。
現(xiàn)在談到的圖3表示的是輻條和可移動塊的放大情況，每個輻條22的轉(zhuǎn)動慣量給出下面的關(guān)系KE＝ 1/2 ITW2因為這種裝置的轉(zhuǎn)動能是IT=MS( (RS2)/4 + (IS2)/3 )+Mm( (R12+R22)/4 + (Im2)/12 )+MmHm2其中W是單個能量存儲部件相對于其旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速度。因為在圖1中設(shè)計Is、Ms和Rs是固定的，所以如果要求W保持常值，可以改變可移動塊24的兩個參數(shù)Mm和Hm。為了使I總能夠變化，圖1和圖2的方案通過改變塊24的質(zhì)心與輻條22連接到外殼16的連接點25之間的距離，而圖4中的變型方案則通過將其內(nèi)部的塊28釋放到周圍環(huán)境或通過移動或泵將吸內(nèi)部的塊28的外殼16的中心來達到上述目的。
圖4表示了另一個變型方案，它通過改變輻條22的內(nèi)部物體塊來改變總轉(zhuǎn)動慣量，可以用公式表示為IT=MS( (RS2)/4 + (IS2)/3 )在這個關(guān)系式中，由于Rs和Is是固定的，所以可以通過穿過控制閥30釋放物質(zhì)塊或者通過移動塊28穿過腔32、34等并穿過n來改變質(zhì)量。
從上述討論可以清楚地看到，通過用腔32、34等等和可移動塊28及支撐輻條22的組合去使轉(zhuǎn)動慣量改變可以產(chǎn)生明顯的變型方案。當(dāng)然，這也包括如圖1和圖2的結(jié)構(gòu)的組合。
返回來看圖3，在這個方案中，由于物體塊沿著輻條長度的運動可以通過由圖5所示的用馬達38驅(qū)動環(huán)形鏈條36或其他類似系統(tǒng)的方式來完成，所以沿輻條長度方向移動可動塊的方法對本結(jié)構(gòu)來說不是最重要的。對于空間應(yīng)用目的，用馬達38驅(qū)動齒輪和環(huán)鏈的結(jié)構(gòu)已選作基準型。這種系統(tǒng)類型重量輕，并且不論偶然或連續(xù)使用都可靠。
在圖5中，驅(qū)動電動機控制器40接到動力存儲系統(tǒng)39傳來的命令，控制器40用一個脈寬調(diào)制信號驅(qū)動電動機38，電動機38進而驅(qū)動安裝在環(huán)鏈36上的驅(qū)動齒輪42。電動機和相聯(lián)的齒輪對用適當(dāng)?shù)逆湕l附件44連接到可移動塊24上的鏈條36起作用。環(huán)鏈36連續(xù)地環(huán)繞齒輪46形成一個環(huán)。位置傳感器48向驅(qū)動電動機控制40提供反饋，從而完成控制環(huán)路。
圖6中描述了另一種移動輻條22內(nèi)部的塊28的方法。在此圖中，控制系統(tǒng)39的命令送到泵驅(qū)動裝置控制器50，控制器50根據(jù)液位傳感器52提供的反饋信號啟動雙向的泵52。如果物體塊移向伸長的外殼16的旋轉(zhuǎn)軸，則要啟動需要的泵52以抽空對應(yīng)的腔54。這是通過經(jīng)液體噴嘴將外腔的液體抽空，并且流入內(nèi)腔而完成成。為保持旋轉(zhuǎn)輪轂18和20及輻條22的RPM不變，這個過程以必要的速度和頻率進行重復(fù)。圖1中的發(fā)電機12提供系統(tǒng)10中的電動機所用的電力以使多個輻條22運動。所述發(fā)電機可以為任何普通類形，可以包括原子能、太陽能或化學(xué)能發(fā)電機。發(fā)電機的尺寸取決于要求的儲能的速度。所述發(fā)電機還向外殼16內(nèi)部提供主要動力。而且，所述發(fā)電機可以用安裝在輻條22或外殼18上的推進裝置替換，為系統(tǒng)10提供初始旋轉(zhuǎn)能。
軸承56被用于將外殼16與旋轉(zhuǎn)輪轂18和20分開。這些軸承56可以是任何普通的形式，并且可以含有反作用部件以穩(wěn)定發(fā)電機12和動力用戶及控制器26部分。這在圖7中表示。
圖7中的速度傳感器58提供關(guān)于外殼16的非旋轉(zhuǎn)部分的運動數(shù)據(jù)，所選用的傳感器的類型取決于對穩(wěn)定性的精度要求水平。控制器60譯出速度傳感器58的輸出并用脈寬調(diào)制信號命令驅(qū)動電動機按需要的方向需要的速度運動。齒輪驅(qū)動器64與依次連在可旋轉(zhuǎn)輪轂18上的環(huán)形齒輪66相連接。
返回到圖1，電動機/發(fā)電機14可以是經(jīng)過下面的運行方面的改進的普通結(jié)構(gòu)。由于正確設(shè)計的常規(guī)電動機也可以用作發(fā)電機，這取決于是用外部機械力還是用電場或磁場驅(qū)動銜鐵，控制系統(tǒng)將提供必要的轉(zhuǎn)換以重新組合電動機/發(fā)電機14，滿足動力用戶和控制器26的要求。圖8顯示了電動電動機/發(fā)電機14與常規(guī)電動機/發(fā)電機之間的不同之處。
圖8中的電動機/發(fā)電機14是一個常規(guī)方案，它包括把銜鐵15從通信線圈上分離開的軸承68和外殼70、整流器72和刷74。動力由滑動環(huán)76和78提供。
在這種設(shè)計方案中，輻條22連接到外殼16的旋轉(zhuǎn)輪轂部分18上。銜鐵15通過銜鐵軸80直接聯(lián)接到輪轂18上。如前所述，第一和第二輪轂18和20彼此在相反的方向上旋轉(zhuǎn)。
圖1中的動力和用戶控制器26對系統(tǒng)10的整個能量存儲和發(fā)電機提供控制，它也對用電器系統(tǒng)以所需的形式提供動力調(diào)節(jié)和動力傳輸。圖9給出了一個用電器和控制器26所提供的功能的概述。
箭頭82所指出的用電器向中央控制器84發(fā)出需要動力的請求?？刂破?4以幾種不同的方式工作。一種是由發(fā)電機12將電力供給直接電力調(diào)節(jié)和分配系統(tǒng)86。這是電力隨著需要升高或降低到要求的電位并分配給系統(tǒng)的子系統(tǒng)使用。系統(tǒng)10也可以以能量存儲的方式狀態(tài)工作。在這種方式中，命令被送到控制器88，用于電動機控制的電力調(diào)節(jié)器86和電動機控制器40。電動機/發(fā)電器14作為電動機由電動機控制器40控制，電動機計數(shù)器轉(zhuǎn)動第一和第二輪轂18和20。次級控制由前面討論的分配控制器提供。
也可以啟動用電器方式，這由中央控制器84送給電動機控制器90的指令來完成。電動機/發(fā)電機14電學(xué)地轉(zhuǎn)換到發(fā)電機方式，旋轉(zhuǎn)的輪轂和輻條在相反的方向驅(qū)動勵磁線圈和銜鐵。所產(chǎn)生的電能通過電力調(diào)節(jié)器和分配系統(tǒng)92輸送到確定的子系統(tǒng)。
質(zhì)量分配控制系統(tǒng)94與圖5所示的輪轂控制器40和圖6所示的泵驅(qū)動控制器50相連接，以保持系統(tǒng)10的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。
所描述的實施方案的配件或部件的結(jié)構(gòu)和布置可以改變，而不脫離下面所確定的本發(fā)明的權(quán)利要求
的精神或范圍。
權(quán)利要求
1.用于空間環(huán)境條件下的多輻條能量存儲系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括具有一級環(huán)形輪轂和二級環(huán)形輪轂的伸長的外殼，這些輪轂可旋轉(zhuǎn)地安裝在外殼上；連接到輪轂上的多個等間距輻條，這些輻條由輪轂向外延伸；安裝在輻條上的可移動塊；控制裝置連接到可移動塊和輻條上以沿著輻條的長度方向移動所述塊，使旋轉(zhuǎn)輪轂和輻條的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)保持不變；電源連接到外殼上以在輪轂和輻條旋轉(zhuǎn)開始時提供初始電力；和安裝在外殼內(nèi)并連接到旋轉(zhuǎn)輻條上的發(fā)電機，以便在輻條和輪轂旋轉(zhuǎn)期間產(chǎn)生電力。
2.權(quán)利要求
1所描述的系統(tǒng)中，所述一級環(huán)形輪轂和所述二級可旋轉(zhuǎn)地安裝在外殼上，它們沿相反的方向旋轉(zhuǎn);和所述安裝在輻條上的塊可以沿輻條的長度方向移動。
3.權(quán)利要求
1中所描述的系統(tǒng)中，可移動沿著輻條長度的外表面安裝，并通過控制裝置沿其長度方向移動。
4.權(quán)利要求
1中所描述的系統(tǒng)中，可移動塊安裝在輻條的內(nèi)部，并由控制裝置控制沿其長度方向移動，所述輻條分成單獨的部分以容納內(nèi)部塊保持不變的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。
5.權(quán)利要求
1中所描述的系統(tǒng)中，發(fā)電裝置是一個電動機/發(fā)電機，它置于外殼的內(nèi)部并具有一塊銜鐵，銜鐵的軸直接連接到產(chǎn)生電力的旋轉(zhuǎn)輪轂之一的。
專利摘要
多輻條能量存儲系統(tǒng)被用來在空間環(huán)境下長期 存儲大量的機械能。此存儲系統(tǒng)也提供了可用于產(chǎn) 生滿足子系統(tǒng)要求的電力的裝置。
文檔編號H02K7/00GK87105246SQ87105246
公開日1988年7月20日 申請日期1987年7月31日
發(fā)明者喬治·T·賓森 申請人:博英公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan