用于空间环境的多辐条能量存储系统的制作方法

专利名称:用于空间环境的多辐条能量存储系统的制作方法
本发明涉及到储存机械能并产生电能的能量存储系统，特别适用于，但并不仅限于用作空间环境的储存机械能和产生电能的多辐条能量存储系统。
以前已经提出过一些不同的在空间环境中存储电能的系统，本题目作者已经在美国专利第4，509，006号中描述了一种系统。
还有一些古典的能量储存方法，如原子能和电能以及燃料电池、太阳能电池、电感器、电容器和电池组。
最近还使用了含有高速飞轮的存储机械能以备使用的系统。这类装置要设计得能承受由每分钟数千转的旋转速度而产生的力，这些由高速产生的力在本质上是破坏性的，并且较小的制造缺陷都可以引起灾难性的破坏。本发明提供一个在每分钟转数较小的情况下储存大量机械能的系统。
本发明提供一个系统从而在空间环境中可以长期地储存大量的机械能。而且，所述系统还可用来产生子系统所需要的电能。
而且，所述系统完全可以用现在的航天飞机放入轨道。所述能量存储系统还可以在较小的每分钟转数的情况下储存机械能。
所述系统包括一个细长的圆柱形外壳，一级环形轮毂和二级环形轮毂可旋转地装在外壳上并按相反的方向旋转。多个等间距离条连接到轮毂上并从那里向外伸出。在辐条的外部和内部可以装上物体，该物体可以沿长辐条的长度方向移动。可使用不同类型的驱动装置沿辐条的长度方向移动可移动块。在所述外壳内装有电能源如发电机，以便在开动和旋转辐条和旋转轮毂的初始阶段提供能源。在所述外壳内还装有一个电控制器，以控制所产生的机械能和子系统所需的电能。
通过以下对本发明的最佳实施方案详细描述及其附图的说明，将能明显地看到本发明的优点和目的。
图1图示了装有可移动外部物体块的多辐条能量存储系统。
图2表示将可移动物体块安装在辐条内的多辐条能量存储系统。
图3表示使用外部可动物体块的能量存储元件之间的物理关系。
图4表示使用内部可动物体块的能量存储元件之间的物理关系。
图5表示一个用来改变可动物体块位置的典型的驱动系统。
图6表示一个将内部可动物体块重新置位的泵浦系统。
图7表示稳定系统的旋转和不旋转部件的装置。
图8表示一个电机/发电机系统的部件。
图9表示一个描述使用本发明的用电器/控制器子系统的电路简图。
在图1中，所述用于空间环境的多辐条能量存储系统用参考数字10表示。系统10包括一个发电机12，它可以用于向沿着长度方向装在长圆柱形外壳16中的电动机/发电机14提供电力。电动机/发电机14可以是带有连接到第一环形轮毂18上的衔铁15的常规或单极结构。一级轮毂18可旋转地安装在外壳16的与二级环形可旋转轮毂20相对的方向。轮毂18和20都装有多个在外部等间距分布的辐条22，在辐条22上带有图示的安装在外部的可沿辐条的长度方向向内或向外移动的可动物件块24。
可移动块24由动力用户和控制器26控制，它们使块24朝内或向外沿辐条的长度方向运动以保维系统10的每分钟转数为常数。
应该注意到每个辐条22都是等距离地分布，所以当电能从系统10产生并导出时，为了保持不变的每分钟转数，这些辐条的位置可以相对于伸长的外壳16的旋转轴变化。安装在旋转轮毂18和20上的辐条22的数量可以是两个或更多，使得所述旋转系统处于动态平衡状态。
在图2中表示了图1中所示的系统10的另一个方案，它允许一个可移动块在辐条22内运动以保持不变的每分钟转数。系统10的机械运转和性能与图1所描述的相同，所不同的是内部可移动块28置于辐条22的内部而不是辐条22的外表面。
现在谈到的图3表示的是辐条和可移动块的放大情况，每个辐条22的转动惯量给出下面的关系KE＝ 1/2 ITW2因为这种装置的转动能是IT=MS( (RS2)/4 + (IS2)/3 )+Mm( (R12+R22)/4 + (Im2)/12 )+MmHm2其中W是单个能量存储部件相对于其旋转轴的旋转速度。因为在图1中设计Is、Ms和Rs是固定的，所以如果要求W保持常值，可以改变可移动块24的两个参数Mm和Hm。为了使I总能够变化，图1和图2的方案通过改变块24的质心与辐条22连接到外壳16的连接点25之间的距离，而图4中的变型方案则通过将其内部的块28释放到周围环境或通过移动或泵将吸内部的块28的外壳16的中心来达到上述目的。
图4表示了另一个变型方案，它通过改变辐条22的内部物体块来改变总转动惯量，可以用公式表示为IT=MS( (RS2)/4 + (IS2)/3 )在这个关系式中，由于Rs和Is是固定的，所以可以通过穿过控制阀30释放物质块或者通过移动块28穿过腔32、34等并穿过n来改变质量。
从上述讨论可以清楚地看到，通过用腔32、34等等和可移动块28及支撑辐条22的组合去使转动惯量改变可以产生明显的变型方案。当然，这也包括如图1和图2的结构的组合。
返回来看图3，在这个方案中，由于物体块沿着辐条长度的运动可以通过由图5所示的用马达38驱动环形链条36或其他类似系统的方式来完成，所以沿辐条长度方向移动可动块的方法对本结构来说不是最重要的。对于空间应用目的，用马达38驱动齿轮和环链的结构已选作基准型。这种系统类型重量轻，并且不论偶然或连续使用都可靠。
在图5中，驱动电动机控制器40接到动力存储系统39传来的命令，控制器40用一个脉宽调制信号驱动电动机38，电动机38进而驱动安装在环链36上的驱动齿轮42。电动机和相联的齿轮对用适当的链条附件44连接到可移动块24上的链条36起作用。环链36连续地环绕齿轮46形成一个环。位置传感器48向驱动电动机控制40提供反馈，从而完成控制环路。
图6中描述了另一种移动辐条22内部的块28的方法。在此图中，控制系统39的命令送到泵驱动装置控制器50，控制器50根据液位传感器52提供的反馈信号启动双向的泵52。如果物体块移向伸长的外壳16的旋转轴，则要启动需要的泵52以抽空对应的腔54。这是通过经液体喷嘴将外腔的液体抽空，并且流入内腔而完成成。为保持旋转轮毂18和20及辐条22的RPM不变，这个过程以必要的速度和频率进行重复。图1中的发电机12提供系统10中的电动机所用的电力以使多个辐条22运动。所述发电机可以为任何普通类形，可以包括原子能、太阳能或化学能发电机。发电机的尺寸取决于要求的储能的速度。所述发电机还向外壳16内部提供主要动力。而且，所述发电机可以用安装在辐条22或外壳18上的推进装置替换，为系统10提供初始旋转能。
轴承56被用于将外壳16与旋转轮毂18和20分开。这些轴承56可以是任何普通的形式，并且可以含有反作用部件以稳定发电机12和动力用户及控制器26部分。这在图7中表示。
图7中的速度传感器58提供关于外壳16的非旋转部分的运动数据，所选用的传感器的类型取决于对稳定性的精度要求水平。控制器60译出速度传感器58的输出并用脉宽调制信号命令驱动电动机按需要的方向需要的速度运动。齿轮驱动器64与依次连在可旋转轮毂18上的环形齿轮66相连接。
返回到图1，电动机/发电机14可以是经过下面的运行方面的改进的普通结构。由于正确设计的常规电动机也可以用作发电机，这取决于是用外部机械力还是用电场或磁场驱动衔铁，控制系统将提供必要的转换以重新组合电动机/发电机14，满足动力用户和控制器26的要求。图8显示了电动电动机/发电机14与常规电动机/发电机之间的不同之处。
图8中的电动机/发电机14是一个常规方案，它包括把衔铁15从通信线圈上分离开的轴承68和外壳70、整流器72和刷74。动力由滑动环76和78提供。
在这种设计方案中，辐条22连接到外壳16的旋转轮毂部分18上。衔铁15通过衔铁轴80直接联接到轮毂18上。如前所述，第一和第二轮毂18和20彼此在相反的方向上旋转。
图1中的动力和用户控制器26对系统10的整个能量存储和发电机提供控制，它也对用电器系统以所需的形式提供动力调节和动力传输。图9给出了一个用电器和控制器26所提供的功能的概述。
箭头82所指出的用电器向中央控制器84发出需要动力的请求。控制器84以几种不同的方式工作。一种是由发电机12将电力供给直接电力调节和分配系统86。这是电力随着需要升高或降低到要求的电位并分配给系统的子系统使用。系统10也可以以能量存储的方式状态工作。在这种方式中，命令被送到控制器88，用于电动机控制的电力调节器86和电动机控制器40。电动机/发电器14作为电动机由电动机控制器40控制，电动机计数器转动第一和第二轮毂18和20。次级控制由前面讨论的分配控制器提供。
也可以启动用电器方式，这由中央控制器84送给电动机控制器90的指令来完成。电动机/发电机14电学地转换到发电机方式，旋转的轮毂和辐条在相反的方向驱动励磁线圈和衔铁。所产生的电能通过电力调节器和分配系统92输送到确定的子系统。
质量分配控制系统94与图5所示的轮毂控制器40和图6所示的泵驱动控制器50相连接，以保持系统10的每分钟转数。
所描述的实施方案的配件或部件的结构和布置可以改变，而不脱离下面所确定的本发明的权利要求
的精神或范围。
权利要求
1.用于空间环境条件下的多辐条能量存储系统，该系统包括具有一级环形轮毂和二级环形轮毂的伸长的外壳，这些轮毂可旋转地安装在外壳上；连接到轮毂上的多个等间距辐条，这些辐条由轮毂向外延伸；安装在辐条上的可移动块；控制装置连接到可移动块和辐条上以沿着辐条的长度方向移动所述块，使旋转轮毂和辐条的每分钟转数保持不变；电源连接到外壳上以在轮毂和辐条旋转开始时提供初始电力；和安装在外壳内并连接到旋转辐条上的发电机，以便在辐条和轮毂旋转期间产生电力。
2.权利要求
1所描述的系统中，所述一级环形轮毂和所述二级可旋转地安装在外壳上，它们沿相反的方向旋转;和所述安装在辐条上的块可以沿辐条的长度方向移动。
3.权利要求
1中所描述的系统中，可移动沿着辐条长度的外表面安装，并通过控制装置沿其长度方向移动。
4.权利要求
1中所描述的系统中，可移动块安装在辐条的内部，并由控制装置控制沿其长度方向移动，所述辐条分成单独的部分以容纳内部块保持不变的每分钟转数。
5.权利要求
1中所描述的系统中，发电装置是一个电动机/发电机，它置于外壳的内部并具有一块衔铁，衔铁的轴直接连接到产生电力的旋转轮毂之一的。
专利摘要
多辐条能量存储系统被用来在空间环境下长期 存储大量的机械能。此存储系统也提供了可用于产 生满足子系统要求的电力的装置。
文档编号H02K7/00GK87105246SQ87105246
公开日1988年7月20日 申请日期1987年7月31日
发明者乔治·T·宾森 申请人:博英公司