СИНХРОННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА СО СВЕРХПРОВОДНИКОВЫМИ ОБМОТКАМИ Российский патент 1997 года по МПК H02K9/197 H02K55/02 

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к синхронным генераторам со сверхпроводниковыми обмотками.

Известна синхронная электрическая машина, содержащая ротор со сверхпроводящей обмоткой возбуждения и статор с низкотемпературным сосудом с жидким хладагентом, внутри которого расположена выполненная из меди обмотка якоря, охваченная шихтованным стальным сердечником. В данной машине значителен расход жидкого хладагента в статоре из-за больших тепловыделений в стальном сердечнике и медной обмотке якоря, а также значителен вес статора, что усложняет конструкцию низкотемпературного сосуда.

Известна синхронная электрическая машина, содержащая ротор со сверхпроводящей обмоткой возбуждения, статор со сверхпроводниковой обмоткой якоря, размещенный в сосуде с жидким хладагентом, и шихтованный стальной экран, охватывающий машину по наружной поверхности.

В этой машине снижены потери в обмотке якоря, но при этом сохраняется значительный вес находящегося в теплой зоне стального экрана, составляющего до 60% веса машины. В стальном экране выделяется тепло, что снижает КПД машины. Выделившееся тепло нагревает корпус машины, который является внешним вакуумным кожухом криостата, что приводит к увеличению теплопритока в холодную зону и к повышенному расходу жидкого хладагента.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности является синхронная электрическая машина, содержащая ротор со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения и статор с низкотемпературным сосудом с жидким хладагентом, внутри которого расположена сверхпроводниковая обмотка якоря, охваченная сверхпроводящим экраном.

В данной машине обеспечивается значительное снижение веса из-за отсутствия массивных ферромагнитных элементов и, соответственно, потерь мощности в данных элементах.

Однако прототип обладает рядом недостатков.

Поскольку сверхпроводящий экран расположен в непосредственной близости от обмотки якоря, то возникающие в экране от вращающихся магнитных полей машины вихревые токи значительно уменьшают магнитное поле в зоне обмотки якоря, т.е. экран оказывает размагничивающее действие и существенно снижает мощность машины. Так как при этом сверхпроводящий экран расположен в большом магнитном поле, созданном сверхпроводниковыми обмотками машины, и выполнен он из сверхпроводника второго рода, например Nb, то он находится в смешанном состоянии (в интервале от первого критического поля В_c1 до второго критического В_c2). Как известно, при нахождении в постоянном магнитном поле в смешанном состоянии сверхпроводник второго рода является идеальным проводником (сопротивление равно нулю ), но не идеальным диамагнетиком (магнитное поле проникает через сверхпроводник). В переменном же магнитном поле (что имеет место в рассматриваемых машинах) в сверхпроводнике, находящемся в смешанном состоянии, происходят потери. Как следствие этого, сверхпроводящий экран нагревается и надежность его снижается. Кроме того, поскольку сверхпроводящий экран пропускает через себя переменное поле, то в расположенных за этим экраном металлических элементах машины (стенки низкотемпературного сосуда, радиационные экраны, внешний вакуумный кожух и др.) также происходят потери, а значит, нагрев. Нагрев элементов машины приводит к снижению ее КПД и повышенному расходу хладагента, т. е. к неэкономичности. Выполнение же указанных элементов машины неметаллическими проблематично и представляет как технологические, так и конструктивные трудности. Проникающее за поверхность машины переменное магнитное поле неблагоприятно воздействует как на обслуживающий персонал, так и на электронное оборудование.

При этом надежность известной электрической машины не возрастает, а даже снижается, если сверхпроводящий экран удалить от обмотки якоря на расстояние, где магнитное поле будет меньше первого критического поля В_c1 сверхпроводника второго рода и экран станет идеальным диамагнетиком. Это связано с тем, что для надежного охлаждения сверхпроводящего экрана низкотемпературный сосуд должен быть полностью заполнен жидким хладагентом. Однако наличие большого количества жидкого хладагента, помимо экономической целесообразности, нежелательно при наличии тепловыделений в статоре, поскольку жидкость при этом переходит в газ, давление в низкотемпературном сосуде статора резко возрастает, что требует либо наличия толстых стенок сосуда, либо аварийного выброса газообразного хладагента в атмосферу, что также нежелательно. Особенно опасна ситуация при использовании жидкого гелия (1 л жидкого гелия при атмосферном давлении составляет до 700 л газа) и кратковременном, но мощном тепловыделении, например, при переходе сверхпроводниковых обмоток машины в нормальное состояние. Возникающее при этом давление может разрушить машину.

Целью изобретения является повышение надежности.

Цель достигается тем, что в известной синхронной электрической машине, содержащей ротор со сверхпроводящей обмоткой возбуждения и статор с низкотемпературным сосудом, внутри которого расположена сверхпроводниковая обмотка якоря, охваченная сверхпроводящим экраном, внутри низкотемпературного сосуда между сверхпроводящим экраном и сверхпроводниковой обмоткой якоря в жидком хладагенте расположены изготовленные из электроизоляционного материала вспомогательные элементы с внутренней герметичной полостью, на одной из стенок которых установлен предохранительный клапан.

При этом сверхпроводящий экран расположен на внутренних поверхностях наружных и торцевых стенок низкотемпературного сосуда и находится в состоянии полного диамагнетизма.

Каждый вспомогательный элемент выполнен в виде тора, симметрично установленного относительно оси машины, внутренние и наружные стенки тороидного вспомогательного элемента выполнены цилиндрическими, а торцевые стенки выполнены плоскими, параллельными торцевым стенкам низкотемпературного сосуда, причем каждый вспомогательный элемент снабжен выходным патрубком. Кроме того, предохранительный клапан выполнен регулируемым с возможностью многократной работы и предохранительные клапаны вспомогательных элементов отрегулированы на различное давление.

В предлагаемой сверхпроводниковой синхронной электрической машине устранены практически полностью потери мощности, а значит, повышен КПД за счет того, что сверхпроводящий экран за счет удаления обмотки якоря находится в относительно малом магнитном поле ниже критического поля В_c1, при котором он является полностью диамагнитным. Поэтому отсутствуют потери как в самом экране, что приводит к повышению его надежности из-за отсутствия нагрева, так и в расположенных за экраном элементах машины, так как магнитное поле машины практически равно нулю. Естественно, что данные элементы машины - внутренний сосуд, радиационные экраны, наружный вакуумный кожух и другие - из-за отсутствия потерь в них выполняются металлическими, что существенно повышает технологичность и надежность машины.

Предлагаемое размещение сверхпроводящего экрана позволяет многократно уменьшить действие экрана в активной зоне машины в обмотке якоря. За счет этого обеспечивается повышение магнитного поля в зоне обмотки якоря и возрастают электромагнитные параметры и мощность электрической машины.

Наличие вспомогательных элементов внутри низкотемпературного сосуда с жидким хладагентом приводит к тому, что фактически в большом объеме низкотемпературного сосуда находится малое количество жидкого хладагента, но при этом обеспечивается хорошее охлаждение экрана и обмотки якоря за счет непосредственного контакта с жидкостью. Малое количество жидкого хладагента резко повышает экономичность электрической машины и надежность при возникновении резких тепловыделений в статоре.

Выполнение вспомогательных элементов в виде торов, симметрично установленных относительно оси машины, обеспечивает равномерный слой жидкости по всему периметру экрана и обмотки якоря. Выполнение же у этих тороидных элементов внутренней и наружной стенок цилиндрическими, а торцевых стенок плоскими и параллельными торцевым стенкам низкотемпературного сосуда позволяет в максимальной степени реализовать данную задачу при минимальном количестве жидкого хладагента.

Изготовление вспомогательных элементов из электроизоляционного материала исключает возникновение в них каких-либо потерь и искажений магнитных полей машины.

Наличие у вспомогательных элементов внутренней герметичной полости, например вакуумной, обеспеченной через выходной патрубок, позволяет снизить вес машины и количество электроизоляционного материала.

Расположение на одной из стенок внутренней полости предохранительного клапана, отрегулированного на определенное давление срабатывания, позволяет при резком повышении давления из-за испарения жидкого хладагента, ограничить его до величины давления срабатывания клапана. Клапан открывается и хладагент поступает во внутреннюю полость вспомогательного элемента. При устранении источника тепловыделений клапан закрывается, хладагент из внутренней полости по выходному патрубку поступает в емкости, а затем опять подается в машину. Поэтому клапаны выполняются регулируемыми, например пружинного типа, на определенное давление срабатывания с возможностью многократной работы.

Регулирование клапанов тороидных вспомогательных элементов на различное давление обеспечивает последовательное срабатывание этих клапанов при росте давления хладагента. Только в случае аварийного повышения давления, возникающего, например, при переходе в нормальное состояние сверхпроводящих элементов машины, обеспечивается срабатывание всех клапанов и повреждение машины исключается.

Ограничение давления в машине позволяет выполнить внутренний низкотемпературный сосуд тонкостенным, что целесообразно как с точки зрения веса электрической машины, так и ее экономичности.

Расположение сверхпроводящего экрана непосредственно на внутренних поверхностях стенок низкотемпературного сосуда позволяет отказаться от специального корпуса в сосуде для экрана, его крепления и др. а также уменьшить размеры внутреннего низкотемпературного сосуда.

На фиг.1 представлена сверхпроводниковая синхронная электрическая машина (с продольным сечением половины); на фиг.2 конструкция вспомогательного элемента.

Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина состоит из ротора со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения 1 и статора с низкотемпературным сосудом 2, внутри которого расположена сверхпроводниковая обмотка якоря 3, охваченная сверхпроводящим экраном 4. Внутри низкотемпературного сосуда 2 между сверхпроводящим экраном 4 и сверхпроводниковой обмоткой якоря 3 в жидком хладагенте, например жидком гелии, расположены вспомогательные элементы 5 с внутренней полостью 6, на одной из стенок которых установлен предохранительный клапан 7. Каждый вспомогательный элемент закреплен внутри низкотемпературного сосуда специальными проставками (на фиг.1 не показано) и выполнен в виде тора, симметрично установленного относительно оси машины, и снабжен выходным патрубком 8. Внутренние 9 и наружные 10 стенки тороидного вспомогательного элемента 5 выполнены цилиндрическими, а торцевые стенки 11 выполнены плоскими, параллельными торцевым стенкам 12 низкотемпературного сосуда 2. Сверхпроводящий экран 4 расположен на внутренних поверхностях торцевых 12 и наружных 13 стенок низкотемпературного сосуда 2 и находится в состоянии полного диамагнетизма. Сверхпроводниковая обмотка якоря 3, низкотемпературный сосуд 2 и тепловой экран 14 закреплены на опорном цилиндре якоря 15. Опорный цилиндр якоря соединен через ряд равномерно расположенных по периметру машины теплоизоляционных опорных прокладок 16 с внутренними выступами 17 наружных щитов 18 корпуса машины. Корпус машины включает два наружных щита 18, один из которых соединен с источником вакуума 19, и тонкостенную вакуумную цилиндрическую обшивку 20.

Закрепленная на валу 21 машины низкотемпературная полость 22, в которой расположена сверхпроводниковая обмотка возбуждения 1 ротора, низкотемпературный сосуд 2 с жидким хладагентом, в котором размещены сверхпроводниковая обмотка якоря 3 и сверхпроводящий экран 4, зазор 23 между полостью 22 и сосудом 2, тепловой экран 14 и суперизоляция 24 (многослойная пленка алюминизированного майлара) находятся в общей вакуумной полости 25 корпуса машины.

В сосуде 2 статора имеются патрубки 26 и 27, обеспечивающие, соответственно, подачу жидкого хладагента и выход его паров. Синхронная электрическая машина имеет трехфазный электрический вывод 28, соединенный с трехфазной обмоткой якоря 3.

Сверхпроводниковая обмотка возбуждения ротора имеет токовводы 29, подсоединяемые к источнику питания постоянного тока (не показан), и охлаждается потоком циркулирующего в полости 22 под давлением жидкого хладагента, подача и выход которого производятся через трубопроводы 30.

На наружных щитах 18 корпуса машины установлены вакуумно плотные подшипники 31, обеспечивающие вращение вала 21 ротора и герметизацию вакуумной полости 25 корпуса машины. На тепловом экране 14 выполнены отверстия 32, обеспечивающие передачу вакуума от источника вакуума 19 к сосуду 2 статора.

Установленный на каждом тороидном вспомогательном элементе 5 предохранительный клапан 7 выполнен регулируемым с возможностью многократной работы.

В синхронной электрической машине со сверхпроводящими обмотками опорный цилиндр якоря 15 изготовлен из тепло- и электроизоляционного высокопрочного материала, например стеклотекстолита, вспомогательные элементы 5 из электроизоляционного материала, например из текстолита, прочного пенопласта и др. торцевые 12 и наружная 13 стенки низкотемпературного сосуда 2 и корпус машины из нержавеющей стали, тепловой экран 14 из меди.

Сверхпроводниковая обмотка якоря 3 намотана из композитных, внутренне стабилизированных сверхпроводников второго рода, например NbTi, Nb₃Sn и др. а сверхпроводящий экран 4 выполнен в виде тонкой пленки из сверхпроводника второго рода, например Nb, находящегося в состоянии полного диамагнетизма.

При работе синхронной электрической машины в качестве генератора (основной режим работы) через токовводы 29 осуществляется запитка обмотки возбуждения 1 постоянным током. Передавая через вал 21 вращающий момент вспомогательным приводом (не показан), ротор с обмоткой возбуждения приводится во вращение, в обмотке якоря 3 индуцируется трехфазная ЭДС, а при подключении к трехфазному электрическому выводу 28 нагрузки в обмотке якоря появляется переменный ток, поступающий потребителям.

Так как сверхпроводящий экран 3 находится в состоянии полного (идеального) диамагнетизма, то за поверхностью экрана обеспечивается полное экранирование как постоянных, так и переменных магнитных полей машины. Это позволяет все элементы машины, расположенные за экраном, включая низкотемпературный сосуд 2, тепловые экраны 14, корпус машины и другие, выполнить металлическими, что конструктивно и технологически предпочтительно, причем потери в экране и в указанных элементах машины отсутствуют.

Радиус сверхпроводящего экрана R_э выбирается из условия, чтобы тангенциальная компонента B_Φ на поверхности сверхпроводящего экрана не превышала первое критическое поле В_с1 сверхпроводника. При выбранном исходя из этого радиусе экрана R_э1 практически отсутствует действие экрана, т.е. снижение радиальной компоненты Br магнитного поля в зоне обмотки якоря, определяющее мощность машины.

Наличие вспомогательных элементов 5 обеспечивает при относительно малом количестве жидкого хладагента, что экономически выгодно, надежное охлаждение сверхпроводниковой обмотки якоря 3 и сверхпроводящего экрана 4 за счет непосредственного контакта с жидкостью. При возникновении теплопритоков в низкотемпературном сосуде 2 статора, например из-за резкого изменения нагрузки машины, часть жидкого хладагента в сосуде перейдет в газообразное состояние, что приведет к росту давления в сосуде. Из-за значительного гидравлического сопротивления только небольшая часть газа уйдет через выходной патрубок 27.

При увеличении давления происходит срабатывание, например, верхнего предохранительного клапана 7: заслонка открывается и часть хладагента проникает в полость 6 вспомогательного элемента 5. Поскольку давление в сосуде падает, предохранительный клапан снова закрывается. Попавший в полость 6 вспомогательного элемента хладагент через выходной патрубок 8 за определенное время удаляется либо в газгольдерную линию, либо возвращается на охлаждение машины.

Таким образом, предохранительный клапан позволяет за короткое время осуществить сброс давления в сосуде, не допуская его превышения определенного значения.

При более интенсивном выделении тепла или мощном теплопритоке в низкотемпературном сосуде 2 статора срабатывает не только предохранительный клапан верхнего вспомогательного элемента, а и отрегулированные на более высокое давление срабатывания предохранительные клапаны более нижних вспомогательных элементов 5.

Последний предохранительный клапан, например, нижнего вспомогательного элемента отрегулирован на максимально допустимое давление при полном выкипании хладагента в сосуде, возникающее, например, при неконтролируемом переходе в нормальное состояние сверхпроводящих элементов электрической машины. При этом газ через открытые предохранительные клапаны всех вспомогательных элементов заполняет их полости достаточной емкости, что ограничивает рост давления в сосуде. Это позволяет выполнить низкотемпературный сосуд 2 тонкостенным, тем самым обеспечивая малый вес электрической машины.

Так как даже в аварийных режимах машины не происходит выброс дорогостоящего хладагента гелия из нее, то тем самым повышаются ее технико-экономические параметры.

Таким образом, в предлагаемой сверхпроводниковой электрической машине обеспечиваются
высокая надежность за счет хорошего охлаждения сверхпроводниковой обмотки якоря и сверхпроводящего экрана непосредственно жидким хладагентом;
высокая надежность элементов статора за счет ограничения давления в низкотемпературном сосуде статора из-за относительно малого количества жидкого хладагента и сброса хладагента в полости вспомогательных элементов;
высокая надежность сверхпроводящего экрана из-за отсутствия в нем тепловыделений;
технологичность и надежность конструкции за счет выполнения расположенных за сверхпроводящим экраном элементов машины металлическим;
высокая экономичность и высокий КПД машины из-за малого испарения жидкого хладагента, что связано практически с отсутствием потерь и тепловыделений в элементах статора от переменных магнитных полей машины;
высокая экономичность из-за предотвращения выброса дорогостоящего хладагента из машины даже в аварийных режимах;
экономичность из-за малого количества требуемого для машины жидкого хладагента;
малый вес машины;
повышение мощности машины из-за уменьшения размагничивающего действия сверхпроводящего экрана, что объясняется его удалением от обмотки якоря.

Использование: электротехника, синхронный генератор. Сущность изобретения: синхронная электрическая машина со сверхпроводниковыми обмотками содержит ротор со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения 1 и статор с низкотемпературным сосудом 2 и сверхпроводниковой обмоткой якоря 3. Сверхпроводниковая обмотка якоря расположена внутри низкотемпературного сосуда. Сосуд заполнен жидким хладагентом, например жидким гелием. Сверхпроводящий экран 4 с радиусом R_э удален от наружной поверхности сверхпроводниковой обмотки якоря с радиусом R_оя так, что отношение Р_э/Р_оя=1,5-1,8. Экран охватывает низкотемпературный сосуд. В жидком хладагенте размещены герметичные емкости 5 с предохранительным клапаном 7. Герметичная емкость выполнена в виде тора и установлена симметрично относительно оси машины. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Синхронная электрическая машина со сверхпроводниковыми обмотками, содержащая ротор со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения, и статор с низкотемпературным сосудом, заполненным жидким хладагентом, внутри которого расположена сверхпроводниковая обмотка якоря, охваченная сверхпроводящим экраном, выполненным из сверхпроводника второго рода, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и эффективности работы сверхпроводящий экран с радиусом R_э удален от наружной поверхности сверхпроводниковой обмотки якоря с радиусом R_о.я, так, что отношение R_э/R_о.я 1,5 - 1,8 и внутри низкотемпературного сосуда, между сверхпроводящим экраном и сверхпроводниковой обмоткой якоря расположены, изготовление из электроизоляционного материала и снабженные патрубками, герметичные емкости с предохранительным клапаном. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что сверхпроводящий экран расположен на внутренних поверхностях наружной и торцевых стенок низкотемпературного сосуда. 3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что герметичная емкость выполнена в виде тора, симметрично установленного относительно оси машины. 4. Машина по пп. 1 и 3, отличающаяся тем, что внутренние и наружные стенки тороидальной герметичной емкости выполнены цилиндрическими, а торцевые стенки выполнены плоскими, параллельными торцевым стенкам низкотемпературного сосуда.