СВЕРХПРОВОДЯЩАЯ СИНХРОННАЯ МАШИНА С СУЖИВАЮЩИМСЯ ВОЗДУШНЫМ ЗАЗОРОМ МЕЖДУ РОТОРОМ И СТАТОРОМ, СПОСОБ ЕЕ ОХЛАЖДЕНИЯ И СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЗАЗОРА Российский патент 2007 года по МПК H02K55/02 H02K9/16 

Изобретение относится к сверхпроводящим синхронным электрическим машинам с системой вентиляции с потоком текучей среды для охлаждения статора машины.

В процессе выработки электроэнергии электрогенератор создает тепло, которое должно быть отведено от генератора. В генераторах тепло возникает главным образом вследствие сопротивления воздуха и трения, протекания электрического тока и изменяющихся во времени магнитных полей в магнитных конструкциях. Нагрев от трения возникает ввиду того, что в генераторе ротор вращается с высокой скоростью. Аналогично, нагрев также возникает ввиду того, что ток протекает по катушкам обмотки ротора и статора и что эти катушки вращаются относительно друг друга в магнитных полях генератора. В магнитной цепи возникают потери ввиду того, что магнитные поля изменяются во времени в проницаемых материалах, таких как, например, в сердечнике статора и полюсах ротора синхронного генератора.

Генераторы обычно оснащаются системами охлаждения для отвода тепла от статора и ротора наружу из генератора. Системы охлаждения с вентиляцией газом использовались в обычных синхронных машинах, таких как генераторы и двигатели, в которых не применяются сверхпроводящие материалы. Эти системы с вентиляцией газом тесно связывают охлаждение статора и ротора. Система вентиляции охлаждает как ротор, так и статор посредством пропускания охлаждающего газа по газовым проходам в роторе и статоре. Обычные системы вентиляции использовали прямой поток и обратный поток охлаждающих газов через статор и ротор.

В схеме вентиляции с прямым потоком (фиг.1) охлаждающий газ протекает через секции ротора и статора последовательно, что создает сильную связь между системами охлаждения ротора и статора. В схеме вентиляции с обратным потоком охлаждающий газ протекает параллельно через статор и ротор, а затем смешивается в воздушном зазоре машины, что также приводит к связи охлаждения статора и ротора.

Вследствие связи охлаждения ротора и статора обычные системы вентиляции выполнялись для получения надлежащего охлаждения как статора, так и ротора. Для того чтобы обеспечить охлаждение ротора, может потребоваться пойти на некоторые компромиссы в обычной системе вентиляции в отношении охлаждения статора и наоборот. Может быть трудным оптимизировать охлаждение либо статора, либо ротора при помощи системы вентиляции, которая должна обеспечивать охлаждение как ротора, так и статора. Тем не менее, системы вентиляции обычно обеспечивали охлаждение как статора, так и ротора в больших промышленных и коммунальных электрогенераторах.

В сверхпроводящей синхронной машине обмотка возбуждения ротора работает при криогенных температурах при помощи криогенной холодильной системы, которая имеет свой собственный автономный холодильный контур. Холодный криогенный холодоноситель подается в ротор через соединительную муфту передачи. Криогенный холодоноситель циркулирует по холодильному контуру на роторе, где он удаляет тепло от сверхпроводящих обмоток, и возвращается в виде нагретого холодоносителя через ротор и соединительную муфту передачи в стационарную систему охлаждения. Криогенная система охлаждения обеспечивает эффективное охлаждение ротора в сверхпроводящей машине.

В противоположность обычным машинам, где системы охлаждения статора и ротора соединены в одну систему вентиляции, системы охлаждения криогенного ротора и охлаждаемого газом статора могут быть полностью независимыми. Криогенная система охлаждения для сверхпроводящего ротора не охлаждает статор. Статор такой сверхпроводящей синхронной машины имеет отдельную систему охлаждения статора.

Система вентиляции статора была разработана для сверхпроводящей синхронной машины. Статор сверхпроводящей синхронной машины охлаждается системой с обратной вентиляцией. Охлаждающий газ, такой как воздух или водород, засасывается из воздушного зазора и нагнетается через рассеиватель, теплообменник и через сердечник статора обратно в воздушный зазор. Воздушный зазор имеет сужение по его осевой длине для оптимизации потока вентиляции в статоре. Сужение воздушного зазора может быть достигнуто посредством формирования внешней поверхности цилиндрического ротора.

Кроме того, обычная синхронная машина может быть модифицирована сверхпроводящим ротором. Аналогично, обычная система вентиляции статора и ротора может быть модифицирована так, чтобы она функционировала в качестве системы вентиляции только статора так, как описано здесь. Ротор соединяется с системой криогенного холодоносителя. Вентиляция статора может иметь прямой или обратный поток газа холодоносителя. Предлагаемые системы охлаждения статора не зависят от типа конструкций сверхпроводящего ротора и могут быть применимы, в равной степени, к сверхпроводящим роторам с железным сердечником и с воздушным сердечником.

В одном варианте выполнения изобретением является синхронная машина, содержащая: ротор, связанный с системой охлаждения ротора; статор, расположенный вокруг ротора и отделенный от ротора кольцевым зазором между ротором и внутренней поверхностью статора, в котором кольцевой зазор имеет переменную ширину по длине зазора, и систему вентиляции статора, независимую от системы охлаждения ротора, в котором система вентиляции статора нагнетает охлаждающие газы через кольцевой зазор.

В другом варианте выполнения изобретением является сверхпроводящая электромагнитная машина, содержащая: ротор, связанный с системой охлаждения ротора; статор, расположенный вокруг ротора и отделенный от ротора кольцевым зазором между ротором и внутренней поверхностью статора, в котором кольцевой зазор имеет переменную ширину по длине зазора, и систему вентиляции статора, независимую от системы охлаждения ротора, в котором система вентиляции статора нагнетает охлаждающие газы через кольцевой зазор.

В другом варианте выполнения изобретением является сверхпроводящая электромагнитная машина, содержащая: ротор с массивным сердечником, криогенно-охлаждаемый посредством катушечной обмотки сверхпроводящего ротора; статор, коаксиальный ротору и имеющий катушки обмотки статора, магнитно-связанные с катушечной обмоткой сверхпроводящего ротора, в котором катушки обмотки статора расположены вокруг ротора, и статор имеет охлаждающие проходы, отходящие наружу от внутренней периферии статора; причем внутренняя периферия статора отделена от ротора кольцевым зазором ротора, в котором зазор ротора имеет суживающуюся ширину по длине зазора; причем ротор охлаждается криогенной охлаждающей текучей средой; и систему вентиляции статора, подающую охлаждающий газ на внешнюю периферию статора и в проходы статора.

В еще одном варианте выполнения изобретением является способ формирования зазора между ротором и статором в синхронной электромагнитной машине, причем способ содержит: образование статора, имеющего цилиндрическую полость для установки ротора, в котором статор включает в себя охлаждающие каналы, открытые в полость; образование цилиндрической поверхности ротора на роторе, в котором поверхность ротора образует внутреннюю цилиндрическую поверхность зазора, и придание поверхности ротора такой формы, что ширина зазора сужается по длине зазора.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена блок-схема в поперечном разрезе одной четверти генератора, изображающая обычную систему охлаждения с прямым потоком.

На фиг.2 представлена блок-схема синхронной электромагнитной машины, имеющей сверхпроводящий ротор.

На фиг.3 представлена блок-схема одной четверти сверхпроводящего генератора, имеющего массивный ротор с суживающейся внешней поверхностью и замкнутую систему вентиляции статора.

На фиг.4 представлен вид сбоку одной половины сегментированного статора и ротора, имеющего суживающуюся поверхность.

На фиг.5 представлен график, сравнивающий поток вентиляции статора в зависимости от расположения канала статора для различных конструкций охлаждения.

На фиг.1 изображен обычный генератор 8, имеющий обычную систему 10 вентиляции с прямым потоком, в которой охлаждающий газ (стрелки 12) протекает через ротор 14 и/или воздушный зазор 16 ротора, а затем через статор 18. Охлаждающими газами могут быть воздух, водород или некоторые другие охлаждающие газы. Охлаждающий газ протекает последовательно по радиальным газовым проходам 20 в роторе и аналогичным радиальным газовым каналам 21 в статоре, что создает тесную связь между потоками охлаждающего газа ротора и статора.

В обычной системе 10 вентиляции, так как охлаждающий газ протекает через ротор, где тепло ротора передается газу, температура охлаждающего газа повышается до температуры катушек обмотки ротора. Нагретый газ выходит из ротора в воздушный зазор 16 и смешивается с охлаждающим газом, который непосредственно поступил в воздушный зазор 16. Эта смесь охлаждающих газов из воздушного зазора поступает в каналы 21 статора. По мере того как охлаждающие газы протекают через статор, тепло горячих катушек обмотки статора передается охлаждающим газам и удаляется из статора, так как нагретые газы выходят из статора.

С внешней периферии статора нагретые охлаждающие газы в обычной системе вентиляции проходят по кольцевым каналам 22, которые окружают статор и направляют горячие газы на теплообменники 24. Горячие газы охлаждаются в теплообменниках 24, протекают по каналам 26 рециркуляции и нагнетаются обратно в ротор и воздушный зазор вентилятором 28. Охлаждающие газы также направляются через ротор и в зазор 16 посредством центробежных сил в роторе. Кроме того, часть охлаждающих газов, выходящих из вентилятора 28, направляется для охлаждения витков 30 лобовой части катушечных обмоток статора.

В обычной системе охлаждения часть потока охлаждающих газов (стрелка 12), нагнетаемого вентилятором, направляется в ротор под действием центробежных сил, действующих на газы, проходящие по проходам 20 ротора. Нагретые газы ротора выходят из каналов на поверхности ротора в воздушный зазор 16 между ротором и статором. Кроме того, системы вентиляции с обратным потоком, такие как показанные в патенте США №5633543, предусматривали охлаждающие газы для статоров и роторов.

На фиг.2 изображена примерная машина 50 синхронного генератора, имеющая статор 52 и сверхпроводящий ротор 54. Хотя машина 50 изображена как генератор, она также может быть выполнена в виде электродвигателя. В генераторе ротор включает в себя катушку 66 обмотки возбуждения, которая устанавливается внутри цилиндрической роторной полости 56 статора. Кольцевой зазор 57 образован между внешней периферией ротора и цилиндрической поверхностью статора, которая определяет цилиндрическую полость 56, в которую входит сердечник 64 ротора. Поскольку ротор вращается внутри статора, магнитное поле, генерируемое ротором и катушками обмотки ротора, вращается сквозь статор и создает электрический ток в обмотках катушек 60 статора. Этот ток выводится генератором в виде электроэнергии.

Ротор 54 имеет в основном продольно проходящую ось 62 и в основном массивный сердечник 64 ротора. Массивный сердечник 64 ротора имеет высокую магнитную проницаемость и обычно выполняется из ферромагнитного материала, такого как железо. В сверхпроводящей машине с малой удельной мощностью железный сердечник ротора используется для снижения магнитодвижущей силы (МДС) и, таким образом, минимизирования количества сверхпроводящего (СП) проводника катушек, необходимого для катушечной обмотки.

Ротор 54 поддерживает по меньшей мере одну продольно проходящую, сверхпроводящую при высокой температуре (СВТ) катушечную обмотку 66 в виде беговой дорожки. СВТ-катушечная обмотка может иметь, альтернативно, седлообразную форму или некоторую другую форму, которая подходит для определенной конструкции СВТ-ротора. СВТ-катушечная обмотка охлаждается криогенной текучей средой, подаваемой на ротор от внешнего источника 75 охлаждающей текучей среды. Система 75 охлаждения для ротора 54 и его СВТ-катушек 66 не зависит от систем охлаждения для других составляющих генератора 50 и изолирована от них, таких как система 82 вентиляции (фиг.3) для статора 52.

Ротор включает в себя коллекторный концевой вал 68 и приводной концевой вал 70, которые объединены с сердечником 64 ротора и которые поддерживаются подшипниками 72. Концевые валы могут быть соединены с внешними устройствами. Например, коллекторный концевой вал 68 имеет криогенную соединительную муфту 74 передачи для источника 75 криогенной охлаждающей текучей среды, используемой для охлаждения СП-катушечных обмоток в роторе. Примерный источник криогенной охлаждающей текучей среды описан в соответствующей заявке на патент США с регистрационным номером 09/854943, поданной 15 мая 2001 г.), озаглавленной «Криогенная холодильная система охлаждения для ротора, имеющего сверхпроводящую при высокой температуре обмотку возбуждения и способ».

Криогенная соединительная муфта 74 передачи включает в себя стационарный сегмент, подсоединенный к источнику криогенной охлаждающей текучей среды, и вращающийся сегмент, который обеспечивает подачу охлаждающей текучей среды на СВТ-катушку. Коллекторный концевой вал 68 также включает в себя коллектор 76 для электрического соединения с вращающейся СП-катушечной обмоткой. Приводной концевой вал 70 ротора может приводиться во вращение соединительной муфтой 78 силовой турбины.

На фиг.3 изображен разрез одной четверти генератора 50 (см. осевую линию 62 ротора), имеющего систему 82 охлаждения статора с вентиляцией прямым потоком. Система охлаждения подает охлаждающий газ, например окружающий воздух или водород, на статор. Система охлаждения статора не зависит от криогенной системы охлаждения и изолирована от нее, которая подает криогенную охлаждающую текучую среду на ротор.

Система 82 вентиляции статора включает в себя вентиляторы 84 охлаждающего газа, которые прикреплены к противоположным концевым валам (68 и 70) ротора. Вентиляторы 84 вращаются вместе с ротором для ввода охлаждающего газа (стрелки 86) в кольцевой воздушный зазор 57 между сердечником 64 ротора и полостью 56 статора 52. Охлаждающий газ нагнетается вентилятором 82 в воздушный зазор 57. Вентилятор засасывает охлаждающий газ из газового прохода 88, в который газ может поступать из смесительной камеры газовых каналов/рассеивателя 90, который проходит вокруг статора генератора. Альтернативно (или в дополнение), вентилятор засасывает свежий воздух снаружи генератора.

В канал 90 смесительной камеры поступает охлажденный газ от одного или нескольких теплообменников 92. Теплообменники извлекают тепло из газа, выходящего из каналов 100 статора и камер 94 статора. Теплообменники охлаждают газ, так что он может рециркулировать для охлаждения статора. Горячий газ из каналов 100 статора поступает в камеры 94 статора, окружающие внешнюю периферию статора. Камеры имеют цилиндрическую внешнюю стенку 95, которая окружает по окружности статор и имеет отверстия для теплообменников. Камеры также могут включать в себя кольцевые отражательные перегородки 96, отходящие радиально наружу от статора. Эти отражательные перегородки распределяют нагретый воздух из каналов 100 статора на теплообменники 92.

Тепло отбирается от катушек 60 обмотки статора по мере того, как охлаждающий газ проходит по охлаждающим каналам 100 статора. Каналы статора могут быть расположены в статоре для оптимизации охлаждения катушек обмотки статора. Например, периодичность расположения охлаждающих каналов вдоль статора и/или площадь поперечного сечения каналов может быть выбрана для равномерного распределения охлаждения в статоре или для оптимизации иным образом охлаждения статора.

Система 82 вентиляции может быть замкнутой газовой системой, в которой охлаждающий газ, например водород или воздух, циркулирует через статор, теплообменник и смесительную камеру для охлаждения статора. Система охлаждения также может быть открытой, в которой свежий холодный воздух постоянно засасывается в зазор ротора и статор посредством вентилятора 84.

В замкнутой системе 82 вентиляции для машины со сверхпроводящим ротором охлаждающий газ, такой как воздух или водород, циркулирует от теплообменника (теплообменников) 92 через вентиляторы 84 и воздушный зазор 57 в проходы 100 охлаждающих каналов статора для отбора тепла от катушек обмотки статора и обратно на теплообменник. Система охлаждения, предназначенная исключительно для статора, упрощает сложность системы вентиляции по сравнению с обычными системами вентиляции, которые имеют два пути потока через статор и ротор.

Система 82 охлаждения статора также применима для синхронных машин, например генераторов и двигателей, где обычный ротор заменяется сверхпроводящим ротором. В этом случае объединенная система вентиляции с протеканием по ротору и статору исходной машины может быть преобразована в систему с прямым потоком только для статора с суживающимся воздушным зазором, как показано на фиг.3, 4 или 5, или в систему охлаждения с обратным потоком только для статора, которая также включает в себя суживающийся зазор ротора.

Воздушный зазор 57 между сверхпроводящим ротором и сердечником статора представляет собой цилиндрическую область, через которую протекает охлаждающий газ перед поступлением в каналы 100 статора. Охлаждающий газ поступает в воздушный зазор с противоположных торцов 102 зазора на торцах сердечника статора и сердечника ротора. Газ нагнетается в воздушный зазор вентиляторами 84.

На поток охлаждающего газа по воздушному зазору 57 (и, следовательно, в каналы 100 статора) оказывает влияние форма воздушного зазора. Например, узкий воздушный зазор может уменьшать поток по воздушному зазору и увеличивать противодавление газа в зазоре на впускном отверстии 102 зазора. Узкий воздушный зазор также может понижать динамическое давление и, следовательно, уменьшать объем потока, поступающего в каналы статора рядом с узким сечением воздушного зазора. В противоположность этому, широкий воздушный зазор может предусматривать увеличенный поток и уменьшать противодавление на впускном отверстии 102 зазора. Широкий зазор может повышать динамическое давление и увеличивать объем потока, поступающего в каналы статора рядом с широким сечением зазора. Изменение ширины воздушного зазора между входом 102 и центром 104 обеспечивает некоторый метод управления объемом и динамическим давлением охлаждающих газов в отверстиях каждого канала 100 статора.

Посредством сужения (см. наклон 105) воздушного зазора 57, так что существуют (например) относительно широкие участки воздушного зазора к центру 104 ротора и относительно узкие участки воздушного зазора на внешних краях 102 сердечника ротора или наоборот, можно управлять давлением и потоком охлаждающего газа по воздушному зазору. Например, можно управлять воздушным потоком по воздушному зазору 57 для компенсации потерь на гидродинамическое трение, которое имеет место, когда охлаждающие газы протекают по воздушному зазору от торца 102 (или обоих торцов) сердечника ротора по направлению к центру 104 сердечника. Посредством правильного сужения 105 воздушного зазора поток охлаждающего газа в каждом из каналов 100 статора, расположенных по длине статора, может быть относительно равномерным по каждому каналу статора (или может иметь другие требуемые характеристики потока газа на входе каналов статора).

Сужение 105 по длине воздушного зазора 57 может быть достигнуто посредством сужения цилиндрической внутренней периферии сердечника статора, которая образует внешнюю периферию воздушного зазора. Альтернативно, воздушный зазор также может быть сужен посредством формирования внешней поверхности цилиндрического электромагнитного (ЭМ) экрана 106 на сердечнике сверхпроводящего ротора (см. фиг.6). ЭМ-экран находится на внешней периферии сердечника ротора. Далее, воздушный зазор может быть сужен сочетанием формирования внутренней периферии сердечника статора и внешней периферии сердечника ротора.

Сужение внутренней периферии 56 сердечника статора может быть относительно сложным, так как каждый сегмент сердечника статора должен быть обработан или отштампован на своей внутренней периферии для образования требуемой суживающейся формы. В дополнение к повышению сложности сборки сегментов сердечника статора в сердечник статора выполнение каждого сегмента сердечника статора с уникальной поверхностью воздушного зазора накладывает трудности на произведение замены сегментных частей сердечника статора или сегментных частей для ремонта на месте дефектных сердечников статора. Хотя сужение внутренней периферии сердечника статора является доступным методом для формирования суживающегося воздушного зазора, во многих применениях может быть предпочтительным сужение ЭМ-экрана на сердечнике ротора.

На фиг.4 изображено поперечное сечение ЭМ-экрана 106, имеющего суживающуюся внешнюю поверхность. Сужение сегментируется для достижения равномерного охлаждающего потока по каналам статора. Конструкция сегментированного сужения имеет суживающиеся наклоны вдоль поверхности ЭМ-экрана. Наклон сужения проходит от противоположных торцов 102 сердечника ротора по направлению к центру 104 сердечника.

ЭМ-экран 106 на сердечнике 64 СП-ротора представляет собой металлический лист, свернутый в цилиндр, который обернут вокруг внешней поверхности ротора. Хотя обычно ЭМ-экран представляет собой цилиндр с равномерной толщиной, имеющий ровную внешнюю поверхность, в настоящем варианте выполнения внешняя поверхность 108 ЭМ-экрана отформована для образования поверхности суживающегося воздушного зазора. Экран может быть отформован посредством утолщения или утоньшения ЭМ-экрана в соответствующих местах по длине ротора. Альтернативно, ЭМ-экран может быть отформован посредством добавления колец вокруг сердечника ротора, которые устанавливаются под экраном или над ним в соответствующих местах по длине сердечника ротора.

Наклон сужения ЭМ-экрана (и, следовательно, сужения воздушного зазора) может быть линейным (см. 105 на фиг.3) или может изменяться по длине зазора (см. фиг.4). Как показано на фиг.4, наклон поверхности ЭМ-экрана увеличивается около центральной части 104 сердечника ротора для образования относительно широкого воздушного зазора 108 в центре длины зазора. Широкий воздушный зазор в центральной части сердечника ротора снижает противодавление охлаждающего газа на впускном отверстии в воздушный зазор и предусматривает протекание большего количества охлаждающего газа к этим каналам статора, которые открываются в центральную часть длины воздушного зазора.

На фиг.5 представлен график 120 охлаждающего потока 126 по каналам 128 статора для различных форм сужения воздушного зазора. Дана оценка нескольким конструкциям суживающегося воздушного зазора с использованием двумерного анализа вычислительной гидродинамики (ВГД). При исследовании конструкций использовалась схема прямоточной вентиляции статора с прямым потоком, в которой воздушный поток вводится вентиляторами в воздушный зазор и протекает из воздушного зазора в сердечник статора. Предполагалось, что радиальные каналы 100 сердечника статора расположены равномерно (см. номера 128 каналов) по оси сердечника ротора. Хотя эти параметры были установлены для анализа ВГД, в практическом применении радиальные каналы 100 статора могут быть разнесены неравномерно по оси сердечника ротора и могут иметь неравномерные площади поперечного сечения, чтобы способствовать получению однородного охлаждающего потока через статор или других требуемых характеристик потока через статор. Кроме того, схема вентиляции может быть использована с суживающимися воздушными зазорами, в которых охлаждающий газ циркулирует по системе вентиляции.

Как показано на графике 120 на фиг.5, сегментированный суживающийся воздушный зазор 122 (в котором центральная часть воздушного зазора шире, чем части зазора около торцов сердечника ротора) обеспечивал относительно однородный воздушный поток по всем каналам статора. Профиль 124 базового воздушного зазора имеет равномерную ширину по длине зазора 57.

Как показано на графике 120 охлаждающего потока по каналам статора, воздушный поток 126 изменяется в значительной степени в зависимости от положения каналов 128 статора по длине сердечника статора. Каналы 100 на торцах сердечника ротора (каналы №№1-10 и 41-49) и в центральной части (каналы №№24-26) имели относительно малый охлаждающий поток для базового воздушного зазора 124. В противоположность этому, каналы в середине статора (№№10-20 и 30-35) имели относительно большой поток охлаждающего газа с базовым зазором. Вследствие неравномерного потока охлаждающего газа в каналах статор с базовым воздушным зазором может не иметь равномерного охлаждения статора.

Другие суживающиеся формы воздушного зазора могут быть разработаны для достижения требуемого потока охлаждающего газа по каналам статора. Охлаждающий поток вследствие линейно суживающегося воздушного зазора представлен 30% уменьшением 130 и 60% уменьшением 132 зазора. Эти линейно суживающиеся зазоры широкие на торцах сердечника ротора и самые узкие в центре сердечника ротора. Линейно суживающийся воздушный зазор 108 схематически представлен на фиг.3. Процентное уменьшение (30% и 60%) представляет относительную ширину (толщину) воздушного зазора в центре 104 сердечника ротора по сравнению с торцами 102 зазора.

Как показано на графике 120, 30% и 60% линейно суживающийся воздушный зазор имел повышенное противодавление охлаждающего газа на входе в зазор вследствие уменьшенной ширины центра зазора. Однако увеличение линейного наклона зазора с 0%, 30% до 60% постепенно уменьшало изменения охлаждающего потока между каналами статора.

Хотя изобретение было описано в связи с тем, что в настоящее время считается наиболее практичным и предпочтительным вариантом выполнения, должно быть понятно, что изобретение не ограничивается описанным вариантом выполнения, но, в противоположность этому, предназначено для защиты различных модификаций и эквивалентных устройств, которые включены в сущность и объем прилагаемой формулы изобретения.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к синхронным электрическим машинам с системой вентиляции, включающей поток текучей среды для охлаждения статора электрической машины. Сущность изобретения состоит в том, что синхронная машина содержит ротор с массивным сердечником, имеющий криогенно-охлаждаемую катушечную обмотку сверхпроводящего ротора, статор, коаксиальный с ротором и имеющий катушки обмотки статора, магнитно-связанные с катушечной обмоткой сверхпроводящего ротора, причем катушки обмотки статора расположены вокруг ротора, и статор имеет охлаждающие проходы, отходящие наружу от внутренней периферии статора, причем внутренняя периферия отделена от ротора кольцевым зазором ротора, в которой зазор ротора имеет суживающуюся ширину по длине зазора, причем ротор охлаждается криогенной охлаждающей текучей средой, и система вентиляции статора подает охлаждающий газ в кольцевой зазор ротора и проходы статора. Предложены также способ охлаждения охарактеризованной выше сверхпроводящей электромагнитной машины и способ формирования в ней зазора между ротором и статором. Технический результат - повышение эффективности охлаждения путем создания в сверхпроводящей синхронной машине системы вентиляции статора, независимой от системы охлаждения ротора, в которой система вентиляции статора нагнетает охлаждающие газы через упомянутый выше кольцевой зазор. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Сверхпроводящая электромагнитная машина, содержащая ротор с массивным сердечником, имеющий криогенно-охлаждаемую катушечную обмотку сверхпроводящего ротора; статор, коаксиальный с ротором и имеющий катушки обмотки статора, магнитно связанные с катушечной обмоткой сверхпроводящего ротора, причем катушки обмотки статора расположены вокруг ротора и статор имеет охлаждающие проходы, отходящие наружу от внутренней периферии статора, причем внутренняя периферия отделена от ротора кольцевым зазором ротора, в которой зазор ротора имеет суживающуюся ширину по длине зазора; причем ротор охлаждается криогенной охлаждающей текучей средой, и система вентиляции статора подает охлаждающий газ в кольцевой зазор ротора и проходы статора.2. Синхронная машина по п.1, в которой кольцевой зазор имеет наибольшую ширину в центральной части длины зазора.3. Синхронная машина по п.1, в которой кольцевой зазор имеет большую ширину в центральной части длины зазора, чем на торцевой части кольцевого зазора.4. Синхронная машина по п.1, в которой ширина кольцевого зазора постепенно увеличивается от торцевой части зазора по направлению к центральной части зазора.5. Синхронная машина по п.1, в которой кольцевой зазор имеет наклонную внутреннюю цилиндрическую поверхность, определяемую экраном на секции сердечника ротора у ротора.6. Синхронная машина по п.5, в которой экран имеет суживающуюся поверхность, образующую внутреннюю цилиндрическую поверхность зазора.7. Синхронная машина по п.1, в которой кольцевой зазор имеет наклонную внешнюю цилиндрическую поверхность, определяемую статором.8. Способ охлаждения сверхпроводящей электромагнитной машины, имеющей сердечник ротора, включающий в себя катушечную обмотку сверхпроводящего ротора, сердечник статора и систему вентиляции статора, причем упомянутый способ содержит

a) криогенное охлаждение катушечной обмотки ротора;

b) перемещение охлаждающего газа в кольцевой зазор между ротором и статором, в котором кольцевой зазор сужается по длине зазора, и

c) протекание охлаждающего газа из зазора в каналы статора.

a) образование статора, имеющего цилиндрическую полость для установки ротора, в которой статор включает в себя охлаждающие каналы, открытые в упомянутую полость;

b) образование цилиндрической поверхности ротора на роторе, в которой поверхность ротора образует внутреннюю цилиндрическую поверхность зазора, и

c) формирование поверхности ротора так, что создается сужение ширины зазора по длине зазора.