ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ ТУРБИНА Российский патент 2017 года по МПК H02K16/00 H02K31/04 H02K55/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение в общем относится к устройству для совершения электромеханической работы. В частности, помимо прочего настоящее изобретение относится к высокоскоростным электромагнитным турбинам.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Одним из фундаментальных принципов физики является связь между электроэнергией и магнетизмом. Эта связь впервые была открыта в середине 1800-ых годов, когда заметили, что электрический ток, проходящий по обычному электропроводящему стержню, размещенному во внешнем магнитном поле, перпендикулярном направлению протекания электрического тока, индуцирует вращающий момент. Т.е., на каждую из перемещающихся заряженных частиц действует сила в результате индуцированного магнитного поля. Сила, приложенная к каждой из перемещающихся заряженных частиц, генерирует на проводнике вращающий момент, пропорциональный магнитному полю.

[0003] Описанные выше основные взаимодействия между электрическим и магнитным полями отражают основные научные принципы, которые подтверждены практическим созданием электродвигателей и генераторов. Одну из самых простых форм электрогенератора впервые показал Майкл Фарадей на примере своего устройства, которое теперь известно как диск Фарадея. Устройство Фарадея состояло из медного диска, вращающегося между полюсами постоянного магнита. Оно генерирует электрический ток, пропорциональный частоте вращения и силе магнитного поля. Диск Фарадея в основном стал первым униполярным генератором. Однако, генератор Фарадея является чрезвычайно неэффективным из-за встречных потоков электрического тока, которые ограничивают выходную мощность пропускной способностью токосъемных проводов и эффектами паразитного нагрева медного диска.

[0004] Несмотря на различные достижения в развитии конструкции и выборе материалов после первоначальной демонстрации Фарадея, униполярные генераторы в целом долго считались чрезвычайно неэффективными. Тем не менее, униполярные генераторы имеют некоторые уникальные физические свойства, которые делают их подходящими для некоторых случаев применения. Во-первых, униполярные генераторы являются единственными генераторами, которые вырабатывают истинный постоянный ток. В большей части многополюсных генераторов необходимо коммутировать или выборочно переключать обмотки переменного тока, чтобы на выходе получить постоянный ток. В дополнение к этому, униполярные генераторы обычно вырабатывают энергию с низкими напряжениями и большими токами.

[0005] Также, униполярные двигатели могут развивать большую мощность при сравнительно низком напряжении питания. Именно этот факт вызывает большой интерес к униполярным двигателям для случаев применения, например, в электрических транспортных средствах. Одним примером такого двигателя является двигатель, разработанный в Техасском Университете, в котором использован четырехполюсный якорь и который работает с пиковым током 5000 А от комплекта батарей с напряжением 48 В. Полная отдача мощности примерно составляет 87%, причем большая часть потерь приходится на щетки. Фактически, одним из основных ограничений униполярной конструкции двигателя являются потери, связанные с передачей мощности посредством традиционных щеток. Износ щеток также является фактором, в частности влияющим в высокоскоростных случаях применения, в которых щетки контактируют с якорем, имеющим большую скорость вращения.

[0006] Другим фактором, влияющим на эффективность униполярных двигателей, является торможение, вызванное вихревыми токами, созданными внутри роторов. Вихревые токи возникают вследствие временных изменений внешнего магнитного поля, изменения магнитного поля в проводнике или изменения, вызванного взаимным перемещением источника магнитного поля и проводящего материала. Вихревые токи становятся серьезной проблемой в случаях применения, в которых используются высокоскоростные роторы и сильные магнитные поля.

[0007] Для типичных униполярных двигателей требуются относительно сильные магнитные поля или множество магнитных полей для формирования необходимого поля, причем размер и количество магнитов опять же увеличивают габаритные размеры и вес системы. Таким образом, размер и вес двигателя являются важными параметрами конструкции в случаях применения, таких как электрические двигательные системы.

[0008] С учетом преимуществ униполярных систем (т.е., систем, в которых используется одиночное однонаправленное поле), предпочтительным является создание униполярной системы, которая позволяет устранить по меньшей мере некоторые из вышеуказанных недостатков уровня техники.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0009] В настоящем описании термин "турбина" использован для обозначения конструкции, которая содержит один или большее количество роторов, вырабатывающих механическую энергию в ответ на контакт по существу с однородным полем.

[0010] Соответственно, согласно одному аспекту настоящего изобретения предложена турбина, содержащая:

по меньшей мере одну сверхпроводящую катушку для возбуждения магнитного поля;

по меньшей мере один ротор, установленный на валу, расположенном внутри сверхпроводящей катушки;

причем подача электрического тока в турбину принуждает вал и ротор выполнять механическую работу.

[0011] Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложена турбина, содержащая:

корпус, содержащий множество сверхпроводящих катушек для возбуждения магнитного поля;

первый вал, расположенный внутри корпуса, содержащий установленный на нем по меньшей мере один ротор;

второй вал, расположенный рядом с множеством сверхпроводящих катушек и электрически связанный по меньшей мере с одним ротором для формирования схемы последовательного соединения в указанной турбине;

причем магнитное поле, возбуждаемое сверхпроводящими катушками, по существу ограничено корпусом и ориентировано в осевом направлении корпуса, при этом подача электрического тока в указанную схему последовательного соединения принуждает первый вал и ротор выполнять механическую работу.

[0012] Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложена турбина, содержащая:

первый набор сверхпроводящих катушек для возбуждения первого магнитного поля;

первый вал, расположенный внутри набора сверхпроводящих катушек и содержащий установленный на нем первый набор роторов;

второй набор сверхпроводящих катушек для возбуждения второго магнитного поля, причем указанный второй набор катушек расположен рядом с первым набором катушек;

второй вал, расположенный внутри набора сверхпроводящих катушек и содержащий установленный на нем второй набор роторов, электрически связанных с первым набором роторов для формирования схемы последовательного соединения в указанной турбине;

причем подача электрического тока в указанную схему последовательного соединения принуждает валы и соответствующие им наборы роторов выполнять механическую работу.

[0013] Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложена турбина, содержащая:

первый набор сверхпроводящих катушек для возбуждения магнитного поля;

первый вал, расположенный внутри первого набора катушек, причем указанный первый вал содержит установленный на нем первый набор роторов;

второй вал, расположенный внутри набора сверхпроводящих катушек, причем указанный второй вал содержит установленные на нем второй набор роторов, электрически связанных с первым набором роторов с формированием схемы последовательного соединения в указанной турбине;

причем подача электрического тока в указанную схему последовательного соединения принуждает валы и соответствующие им наборы роторов выполнять механическую работу.

[0014] Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложен двигатель, содержащий:

корпус;

узел возбуждения, установленный внутри корпуса и содержащий криогенный корпус, имеющий криогенную оболочку, расположенную в нем;

роторный узел, расположенный внутри криогенного корпуса и снаружи криогенной оболочки, содержащий один или большее количество роторов, расположенных на ведущем валу, причем указанные один или большее количество роторов расположено с возможностью формирования схемы последовательного соединения в роторном узле;

сверхпроводящую катушку для возбуждения магнитного поля, заключенную внутри указанной криогенной оболочки;

при этом подача электрического тока в указанную схему последовательного соединения принуждает указанные один или большее количество роторов и вал выполнять механическую работу.

[0015] Соответственно, каждый ротор содержит втулку, соединенную с ободом посредством набора спиц, разнесенных друг от друга радиально вокруг втулки. Согласно одному варианту реализации роторы выполнены из меди, на которую затем гальваническим способом нанесен слой металла с никелем, серебром или другими высокопроводящими металлами. Согласно другому варианту реализации ротор выполнен из титана, волокнитов или других высокорезистивных или непроводящих материалов.

[0016] Предпочтительно электрическое соединение роторов со вторым валом или роторами в смежном наборе роторов осуществлено посредством использования токопроводящей полосы, сформированной на наружной периферийной области обода, который совмещен с токопроводящим кольцом, расположенным на втором валу или рядом с ротором в зависимости от обстоятельств. Токопроводящая полоса может иметь форму одиночной непрерывной полосы, выполненной из непрерывной металловолоконной щетки. Согласно другому варианту реализации токопроводящая полоса сформирована из последовательности перекрывающихся лепестков, причем каждый лепесток сформирован из непрерывной металловолоконной щетки.

[0017] В случае, если турбина содержит вторичный вал и/или вторичный набор роторов, каждый ротор, расположенный на первом валу, может быть механически связан со вторым валом или смежным ротором, расположенном на втором валу. В таких случаях роторы могут содержать зубчатое колесо, которое взаимодействует с зубчатым колесом, расположенным на втором валу или смежном роторе. В случаях, в которых роторы выполнены из меди или других подобных проводящих материалов, зубчатое колесо также действует в качестве токопроводящей конструкции и электрически связывает ротор со вторым валом или смежным ротором. Если ротор выполнен из титана, волокнитов или других высокорезистивных или непроводящих материалов, сверхпроводящий материал должен быть нанесен на наружную поверхность ротора для облегчения электрического соединения ротора со вторым валом или смежным ротором. Сверхпроводящий материал может быть лентой из высокотемпературного сверхпроводника, нанесенной на наружную поверхность ротора. Согласно другому варианту реализации сверхпроводящий материал может быть сверхпроводящим покрытием, соединенным с наружной поверхностью ротора.

[0018] Предпочтительно схема последовательного соединения сформирована соединением чередующихся роторов, расположенных на первом и втором валах, посредством последовательности собирающих шин и щеток. В случае, если второй вал не содержит роторов, токопроводящая полоса и/или зубчатое устройство могут быть связаны назад со следующим ротором в наборе роторов на первом валу посредством набора собирающих шин и щеток.

[0019] Соответственно, катушки выполнены из высокотемпературной сверхпроводимой ленты шириной 12 мм и содержат 100 витков с внутренним радиусом 50 мм. Согласно другому варианту реализации используются 3 пакета ленты шириной 4 мм. Катушки могут быть связаны с формированием длинного соленоида. Соленоид имеет сплошной корпус или может содержать последовательность разрывов. Разрывы могут быть выполнены в форме одного или большего количества промежутков между смежными катушками, формирующими корпус соленоида.

[0020] Катушки возбуждают магнитное поле с индукцией от 1 Тл до 2 Тл при питающем токе от 160 А до 175 А. Соответственно, катушки могут возбуждать магнитное поле с индукцией 2-5,1 Тл при питающем токе от 180 А до 500, в зависимости от конфигурации катушек. Предпочтительно катушки возбуждают пиковое поле с индукцией от 1,3 Тл до 5,1 Тл. Катушки могут возбуждать магнитное поле от 3 Тл до 5 Тл при питающем токе от 300 А до 500 А. Соответственно, катушки выполнены способом, при котором по существу все возбужденное катушками магнитное поле заключено в пределах внутреннего радиуса катушки.

[0021] Соответственно, последовательное соединение между роторами двигателя облегчено последовательностью токопередающих механизмов, расположенных между смежными роторами. Предпочтительно токопередающие механизмы выполнены в форме неподвижных дисков, расположенных между каждым ротором, причем каждый диск содержит первый набор и второй набор токопроводящих щеток, которые расположены парами, при этом щетки первого набора входят в контакт с втулкой ротора, и щетки второго набора входят в контакт с ободом смежного ротора.

[0022] Щетки являются металловолоконными щетками, имеющими сечение 23 мм × 35 мм, с допустимым электрическим током 330 А на щетку. Соответственно, количество используемых пар щеток зависит от необходимого полного электрического тока двигателя, например, семь пар щеток обеспечивают электрический ток 2310 А. Предпочтительно токопередающий механизм и щетки расположены таким образом, что электрический ток направлен от наружного радиуса (обода) предыдущего ротора к внутреннему радиусу (втулке) следующего ротора. Для компенсации постепенного изнашивания щетки могут быть установлены на шунтах, связанных с пружинами, для обеспечения возможности осевого перемещения щеток. Шунты спаренных щеток могут быть соединены гибким проводом, размещенным в раме токопередающего механизма.

[0023] Токопередающие механизмы могут удерживаться неподвижно относительно ведущего вала. Соответственно, токопередающие механизмы удерживаются на месте последовательностью непроводящих распорок, размещенных между парой концевых пластин, расположенных в противоположных концах ведущего вала. Распорки могут содержать профилированный край, содержащий несколько поднятых секций, которые взаимодействуют с выемками, выполненными в наружной периферийной области токопередающих механизмов. Концевые пластины могут содержать подшипники для установки ведущего вала с возможностью вращения. Предпочтительно подшипниками являются керамические подшипники.

[0024] Ведущий вал может содержать по меньшей мере одну непроводящую секцию, расположенную между токопроводящими секциями вала. Соответственно, роторы и токопередающие механизмы расположены на непроводящей секции ведущего вала таким образом, что они соединяют токопроводящие секции ведущего вала в последовательную цепь. Предпочтительно по меньшей мере один ротор и по меньшей мере один токопередающий механизм непосредственно связаны с токопроводящей секцией ведущего вала. Электрический ток может быть применен к токопроводящим секциям ведущего вала посредством набора токопроводящих щеток.

[0025] Соответственно, непроводящая секция ведущего вала сформирована последовательностью непроводящих взаимосвязанных элементов, каждый из которых несет на себе ротор и токопередающий механизм. Ведущий вал может быть полым для размещения усиливающего стержня.

[0026] Криогенный корпус в целом имеет цилиндрическую конструкцию и содержит отверстие для размещения роторного узла. Предпочтительно между наружной и внутренней стенками корпуса расположена криогенная оболочка с отверстием, сформированным между внутренними стенками корпуса. Соответственно, криогенная оболочка соединена с криогенным охлаждающим устройством, установленным на корпусе. Криогенное охлаждающее устройство имеет размер, походящий для криогенного охлаждающего устройства на основе пульсационной трубы, и обеспечивает рабочую температуру узла катушки примерно 20 K (-253°С). Криогенное охлаждающее устройство может быть соединено с медными пальцами, расположенными внутри криогенной оболочки, причем указанные медные пальцы формируют теплопроводящий путь для отвода тепла из сверхпроводящей катушки.

[0027] Корпус содержит концевые крышки для инкапсулирования роторного узла и расположенной в нем криогенной оболочки. Концевые крышки содержат множество пластин, действующих в качестве магнитопроводов. Пластины могут быть выборочно удалены/добавлены для изменения размеров магнитопроводов. Концевые крышки могут содержать проходы для обеспечения возможности прохождения вала за пределы отверстия и указанного корпуса во вторичные корпусы, которые могут быть расположены в противоположных концах указанного корпуса. Во вторичных корпусах могут быть заключены узлы входных и выходных щеток для подачи тока возбуждения в схему последовательного соединения, сформированную в роторном узле. Вторичные корпусы в целом имеют форму воронки. Вторичные корпуса могут содержать охлаждающие средства для направления потока воздуха сквозь проходы и отверстие. Охлаждающиеся средства могут быть реализованы в форме одного или большего количества вентиляторов, соединенных в нагнетательно-вытяжной конфигурации, т.е., противоположно расположенные средства выполнены с возможностью нагнетать воздух в корпус и вытягивать воздух из корпуса.

[0028] Согласно некоторым вариантам реализации турбины может быть использован соленоид с открытым концом без сужения стальных магнитопроводов. В таких случаях спицы роторов также могут иметь конусную форму или могут быть профилированы для создания потока воздуха в центральном отверстии.

[0029] Ведущий вал может быть связан с различными средствами для передачи вращающего момента, включая узлы зубчатой передачи, цепной передачи или тому подобное средство, или может быть соединен непосредственно с ведущим компонентом, таким как колесо, рабочее колесо, цепь и т.п. Соответственно, средства для передачи вращающего момента являются электрически изолированными от вала. Развязка/изоляция средств для передачи вращающего момента может быть осуществлена нанесением изоляционного покрытия на вал, на передающие вращающий момент или приводные механизмы, и т.п.. Средства для передачи вращающего момента могут быть размещены внутри вторичных корпусов или могут быть установлены снаружи вторичных корпусов. Если указанные средства для передачи вращающего момента установлены снаружи, вал может проходить за пределы вторичных корпусов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0030] Для лучшего понимания настоящего изобретения и достижения целесообразного эффекта ниже кратко описаны сопроводительные чертежи, на которых показаны предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения, и на которых:

На фиг. 1 схематически показан вид конструкции турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 2 показан в разрезе вид сверху турбины, показанной на фиг.1, показывающий токопередачу вдоль турбины;

На фиг. 3 показано подробное изображение конструкции ротора для использования в турбине согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 4 схематически показан вид конструкции турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 5 показан в разрезе вид сверху турбины, показанной на фиг.4, показывающий токопередачу вдоль турбины;

На фиг. 6А и 6В схематически показаны подробные виды, показывающие конструкцию межроторного токопередающего механизма согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 6С и 6D показаны увеличенные виды взаимодействия между роторами и собирающими шинами посредством токопередающего механизма согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 7А схематически показан вид конструкции турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 7В показан в разрезе вид турбины, показанной на фиг. 7А, показывающий токопередачу вдоль турбины;

На фиг. 7С схематически показан вид конструкции турбины, обеспечивающей боковое изменение между роторами, согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 8 показана модель профиля поля для соленоида, подходящего для использования в конструкции турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 9 показан график напряженности поля вдоль внутренней стенки соленоида, показанного на фиг. 8;

На фиг. 10 показана модель профиля поля для соленоида для использования в конструкции турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 11 показан график напряженности поля вдоль внутренней стенки соленоида, показанного на фиг. 10;

На фиг. 12 показана модель профиля поля для соленоида для использования в конструкции турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 13 показан график напряженности поля вдоль внутренней стенки соленоида, показанного на фиг. 12;

На фиг. 14 показана модель профиля поля для соленоида для использования в конструкции турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 15 показан график напряженности поля вдоль внутренней стенки соленоида, показанного на фиг. 14;

На фиг. 16 показана модель профиля поля для соленоида для использования в конструкции турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 17 показан график напряженности поля вдоль внутренней стенки соленоида, показанного на фиг. 16;

На фиг. 18 показан график различных коэффициентов пересчета при различной температуре для высокотемпературной сверхпроводимой ленты, на которую воздействуют различные параллельно ориентированные магнитные поля;

На фиг. 19 показан график различных коэффициентов пересчета при различной температуре для высокотемпературной сверхпроводимой ленты, на которую воздействуют различные перпендикулярно ориентированные магнитные поля;

На фиг. 20 показана модель профиля поля для соленоида, согласованного с магнитопроводом, для использования в конструкции турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 21 показан график влияния магнитопровода на напряженность поля внутри соленоида, показанного на фиг. 20;

На фиг. 22 показана модель профиля поля для соленоида, согласованного с магнитопроводом, для использования в конструкции турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 23 показан график влияния магнитопровода на напряженность поля внутри соленоида, показанного на фиг. 22;

На фиг. 24 показана модель профиля поля для соленоида, согласованного с магнитопроводом, для использования в конструкции турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 25 показан график влияния магнитопровода на напряженность поля внутри соленоида, показанного на фиг. 24;

На фиг. 26 показана модель профиля поля для соленоида для использования в конструкции турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 27 показан график напряженности поля вдоль внутренней стенки соленоида, показанного на фиг. 26;

На фиг. 28 показана модель профиля поля для соленоида для использования в конструкции турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 29 показан график напряженности поля вдоль внутренней стенки соленоида, показанного на фиг. 28;

На фиг. 30A-30D показаны графики напряженности пикового поля и вращающего момента в зависимости от тока возбуждения для различных конфигураций турбины;

На фиг. 31A-31D показаны графики зависимости выходного вращающего момента от количества витков, формирующих катушки для различных конфигураций турбины;

На фиг. 32А и 32В показаны графики зависимости силы и вращающего момента от диаметра соленоида;

На фиг. 33 схематически показан вид конструкции роторного узла для использования в турбине согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 34 показан в разрезе вид роторного узла, показанного на фиг. 33;

На фиг. 35 схематически показан вид конструкции статора для использования с роторным узлом согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 36 показан в разрезе вид статора, показывающий протекание электрического тока по ротору, показанному на фиг. 35;

На фиг. 37 схематически показано распределение вращающего момента в роторе, показанном на фиг. 33 и 34;

На фиг. 38 схематически показан вид конструкции межроторного токопередающего механизма для использования в роторном узле согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 39 схематически показан вид обратной стороны межроторного токопередающего механизма, показанного на фиг. 38;

На фиг. 40 показана подробная схема, показывающая взаимное соединение роторов в токопередающем механизме, показанном на фиг. 38 и 39;

На фиг. 41 схематически показано расположение электромагнитов для обеспечения активного экранирования;

На фиг. 42 схематически показан вид электромагнитной турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 43 показан в разрезе вид турбины, показанной на фиг. 42;

На фиг. 44 показан подробный разрез корпус роторов турбины, показанной на фиг.42 и 43;

На фиг. 45 схематически показан вид роторного узла турбины, показанной на фиг. 43;

На фиг. 46 показан в разрезе вид роторного узла, показанного на фиг. 45;

На фиг. 47 схематически показан в разрезе вид электромагнитной турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 48 схематически показан вид роторного узла для использования в турбине, показанной на фиг. 47;

На фиг. 49 схематически показан разрез узла статора для использования в турбине, показанной на фиг. 47;

На фиг. 50 показан в разрезе вид роторного узла, показанного на фиг. 48, установленный на место внутри узла статора, показанного на фиг. 49;

На фиг. 51 схематически показано прохождение тока возбуждения по роторам и статорам турбины, показанной на фиг. 47;

На фиг. 52 схематически в разрезе показан вид конструкции электромагнитной турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 53 схематически показано прохождение тока возбуждения по роторам и статорам турбины, показанной на фиг. 52;

На фиг. 54 схематически в разрезе показан вид конструкции электромагнитной турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 55 схематически показано прохождение тока возбуждения по роторам и статорам турбины, показанной на фиг. 54;

На фиг. 56 схематически в разрезе показан вид конструкции электромагнитной турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 57 схематически показано прохождение тока возбуждения по роторам и статорам турбины, показанной на фиг. 56;

На фиг. 58 схематически в разрезе показан вид конструкции электромагнитной турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 59 схематически показано прохождение тока возбуждения по роторам и статорам турбины, показанной на фиг. 58;

На фиг. 60 схематически в разрезе показан вид конструкции электромагнитной турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 61 схематически показано прохождение тока возбуждения по роторам и статорам турбины, показанной на фиг. 60;

На фиг. 62 схематически в разрезе показан вид конструкции электромагнитной турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 63 схематически показано прохождение тока возбуждения по роторам и статорам турбины, показанной на фиг. 62;

На фиг. 64 схематически в разрезе показан вид конструкции электромагнитной турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 65 показан подробный вид уплотнения для токопередающего механизма турбины, показанной на фиг. 54;

На фиг. 66 схематически показан вид одного возможного механизма для передачи вращающего момента от электромагнитного двигателя согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 67А в частичном разрезе показан вид механизма для передачи вращающего момента для соединения с электромагнитным двигателем согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 67В в разрезе показан вид механизма для передачи вращающего момента, показанного на фиг. 66;

На фиг. 68А схематически показан вид механизма для передачи вращающего момента для соединения с электромагнитным двигателем согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 68В в разрезе показан вид механизма для передачи вращающего момента, показанного на фиг. 68А;

На фиг. 69А-69С показаны графики зависимостей различных характеристик электромагнитных турбин согласно вариантам реализации настоящего изобретения от диаметра ротора;

На фиг. 70 показан в разрезе вид турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 71 показана диаграмма магнитного поля, возбужденного турбиной, показанной на фиг. 70, при использовании компенсирующих катушек;

На фиг. 72 показан в разрезе вид турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 73А показан в разрезе вид механизма для передачи вращающего момента для турбины, показанной на фиг. 72;

На фиг. 73В схематически показан вид механизма для передачи вращающего момента для турбины показанной на фиг. 72;

На фиг. 74 показана диаграмма сил, генерируемых между двумя смежными соленоидами;

На фиг. 75 в разрезе показан вид турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 76 показан в разрезе вид, иллюстрирующий протекание электрического тока в турбине, показанной на фиг. 75;

На фиг. 77 показана диаграмма магнитного поля, возбужденного катушками турбины, показанной на фиг. 75;

На фиг. 78 в разрезе показан вид турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 79 показана диаграмма магнитного поля, возбужденного катушками турбины, показанной на фиг. 78;

На фиг. 80 в разрезе показан вид турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 81 показан в разрезе вид, иллюстрирующий протекание электрического тока в турбине, показанной на фиг. 80;

На фиг. 82 показана диаграмма магнитного поля, возбужденного катушками для использования в турбине, показанной на фиг. 80;

На фиг. 83 показана диаграмма магнитного поля, возбужденного катушками для использования в турбине согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 84 показана диаграмма магнитного поля, возбужденного катушками для использования в турбине согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 85 показана диаграмма магнитного поля, возбужденного катушками для использования в турбине согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 86 показана диаграмма магнитного поля, возбужденного катушками для использования в турбине согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 87 показана диаграмма магнитного поля, возбужденного катушками для использования в турбине согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 88 показана диаграмма магнитного поля, возбужденного катушками для использования в турбине согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

На фиг. 89 в разрезе показан покомпонентный вид турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения; и

На фиг. 90 показан в разрезе вид, иллюстрирующий протекание электрического тока в турбине, показанной на фиг. 88.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0031] На фиг. 1 показан один вариант реализации высокоскоростной электромагнитной турбины 100 согласно одному варианту реализации настоящего изобретения. Как показано на чертеже, турбина 100 содержит корпус 101, сформированный из последовательности проводящих катушек 102₁, 102₂, 102₃, 102₄, 102₅, 102₆, 102₇ и последовательности роторов 103₁, 103₂, 103₃, 103₄, 103₅, 103₆. Для специалистов очевидно, что высокоскоростная электромагнитная турбина показанного на фиг. 1 типа может быть выполнена по меньшей мере из одной катушки и одного ротора или любого количества роторов и катушек (т.е., количество катушек и роторов может быть от 1 до n в зависимости от необходимого размера турбины 100). Катушки 102₁, 102₂, 102₃, 102₄, 102₅, 102₆, 102₇ соединены последовательно с формированием длинного соленоида для возбуждения необходимого магнитного поля для вызывания вращения роторов внутри турбины 100 при пропускании тока возбуждения через турбину 100.

[0032] Роторы 103₁, 103₂, 103₃, 103₄, 103₅ и 103₆, как показано на чертеже, установлены на валу 104. Вал 104 расположен коаксиально относительно центральной оси катушек 102₁, 102₂, 102₃, 102₄, 102₅, 102₆, 102₇. В данном конкретном примере роторы 103₁, 103₂, 103₃, 103₄, 103₅ и 103₆ прикреплены к валу 104, который выполнен с возможностью свободного вращения. Специалистам понятно, что вал может быть фиксированным, в то время как роторы 103₁, 103₂, 103₃, 103₄, 103₅ и 103₆ могут быть выполнены с возможностью свободного вращения вокруг вала 104. В такой конструкции роторы 103₁, 103₂, 103₃, 103₄, 103₅, 103₆ могут быть установлены на валу с использованием подшипников, обеспечивающих возможность вращения каждого ротора независимо от вала 104.

[0033] Каждый ротор 103₁, 103₂, 103₃, 103₄, 103₅, 103₆ соединен с вторичным валом 105 для обеспечения передачи тока между роторами. В этом случае каждый ротор электрически и механически соединен со вторичным валом 105 посредством проводящей полосы 106 и зубчатого колеса 107 (показанных на фиг. 3), расположенных на наружной периферийной области каждого ротора 103₁, 103₂, 103₃, 103₄, 103₅, 103₆. Каждые из проводящих полос 106₁, 106₂, 106₃, 106₄, 106₅, 106₆ и зубчатых колес 107₁, 107₂, 107₃, 107₄, 107₅, 107₆ взаимодействуют с ведущими и токопередающими узлами, разнесенными на некоторое расстояние друг от друга вдоль длины вторичного вала 105.

[0034] Каждый из ведущих и токопередающих узлов, расположенных на вторичном валу, в данном случае содержит проводящее кольцо 108, соединенное с зубчатым колесом 109, которое соединено с электрической щеткой 110, соединенной с одним концом собирающей шины 111. Противоположный конец собирающей шины 111 соединен с основным валом 104 для создания пути обратного тока к следующему ротору внутри последовательности роторов, установленных на основном валу. При подаче электрического тока к ротору 103₁ посредством щетки 112₁, указанный ток протекает через радиальные спицы ротора 103 к проводящей полосе 106. Затем электрический ток передается проводящему кольцу 108 посредством контакта с проводящей полосой 106, через зубчатое колесо 109 и щетку 110 к собирающей шине 111 (более подробное описание передачи электрического тока внутри роторов и между роторами приведено в отношении фиг. 2 и 3 ниже). Зубчатое колесо 109 в данном случае обеспечивает вращающий момент, выработанный ротором 103₁ под действием тока возбуждения, и передает его вторичному валу 105, так что он вращается вместе с роторами 103₁, 103₂, 103₃, 103₄, 103₅, 103₆ и основным валом 104. Благодаря вращению таким образом вторичного вала может быть уменьшен износ проводящих компонентов, а именно, проводящих полос 106₁, 106₂, 106₃, 106₄, 106₅, 106₆ и колец 108₁, 108₂, 108₃, 108₄, 108₅, 108₆.

[0035] На фиг. 2 в частичном разрезе показан вид сверху турбины, показанной на фиг. 1, на котором изображен канал 201 передачи (показанный красным цветом) тока возбуждения в турбине. Поскольку электрический ток приложен к ротору 103₁ посредством щетки 112₁, он протекает вдоль токопроводящей полосы 106₁. Затем, электрический ток протекает по токопроводящему кольцу 108₁ через контакт с токопроводящей полосой 106₁, кольцо 108₁, в свою очередь, передает электрический ток через зубчатое колесо 109₁ щетке 110₁. Щетка 110₁ передает электрический ток собирающей шине 111₁, которая действует моста, возвращающего электрический ток к щетке 113₁, расположенной на основном валу 104, который передает электрический ток второму ротору 103₂ в последовательности роторов 103₁, 103₂, 103₃, 103₄, 103₅, 103₆.

[0036] Затем электрический ток от второго ротора 103₂ передается на кольцо 108₂ вторичного вала 105 посредством токопроводящих полос 106₂. Затем электрический ток протекает в собирающую шину 111₂ через зубчатое колесо 109₂ и щетку 110₂, щетку 113₂ в третий ротор 103₃. Затем электрический ток передается через остальные роторы 103₄, 103₅ и 103₆ через последовательное соединение щеток 113₃, 113₄ и 113₅ посредством соответствующей комбинации токопроводящих полос 106₃, 106₄ и 106₅, колец 108₃, 108₄ и 108₅, зубчатых колес 109₃, 109₄ и 109₅, щеток 110₃, 110₄ и 110₅ и собирающих шин 111₃, 111₄ и 111₅. Поскольку ротор 103₆ в данном случае является последним ротором в указанной последовательности, он обеспечивает соединение для тока возбуждения, протекающего от турбины до пути обратного тока, завершающего схему последовательного соединения. В данном случае токопроводящая полоса 106₆ ротора 103₆ передает электрический ток кольцу 108₆, которое в свою очередь передает электрический ток щетке 112₂, соединенной электрическим кабелем, завершающим схему последовательного соединения в турбине.

[0037] Из вышеуказанного описания понятно, что различные компоненты, расположенные на основном валу 104 и вторичном валу 105 вращаются вместе с их соответствующими валами, за исключением собирающих шин. Для обеспечения необходимого токопроводящего канала между валами 104, 105 собирающие шины 111₁, 111₂, 111₃, 111₄, 111₅ должны оставаться неподвижными относительно перемещения валов 104, 105 и их соответствующих компонентов. Соответственно, каждая из собирающих шин 111₁, 111₂, 111₃, 111₄, 111₅ установлена на валах посредством набора подшипников, которые позволяют валам 104, 105 вращаться независимо от собирающих шин 111₁, 111₂, 111₃, 111₄, 111₅. Специалистам понятно, что также применена изоляция между токонесущими компонентами и валами 104, 105 для снижения электрического потенциала для электрического тока, протекающего вдоль длины каждого вала (т.е., максимальный электрический ток передается через каждый ротор посредством токопередающих механизмов, описанных выше).

[0038] На фиг. 3 показана одна возможная конструкция ротора 103 согласно одному варианту реализации настоящего изобретения. Как показано на чертеже, ротор 103 содержит втулку 301, соединенную с ободом 302 посредством набора спиц 303, разнесенных на некоторое расстояние друг от друга радиально вокруг втулки 301. Вокруг наружной периферийной области обода 302 расположены токопроводящая полоса 106 и зубчатое колесо 107. Как показано на чертеже, втулка 301 имеет отверстие 304 для монтажа ротора 103 на валу 104. При использовании электрический ток проходит от щетки к втулке 301, и от нее электрический ток протекает по радиальным путям в наружном направлении от втулки 301 вдоль каждой из спиц 303, как обозначено стрелками 305, в направлении обода 302 и токопроводящей полосе 106. Также на фиг. 3 показаны некоторые электродинамические элементы 306 для устранения вихревых токов (как описано более подробно ниже).

[0039] Согласно одному варианту реализации роторы выполнены из меди, на которую затем гальваническим способом нанесен слой никеля, серебра или другого металла с высокой проводимостью, причем зубчатое колесо 107 сформировано вместе с ободом 302. В таких случаях зубчатое колесо 107 также действует в качестве токопроводящей конструкции для передачи электрического тока зубчатому колесу 109, расположенному на валу 105. Согласно другому варианту реализации ротор может быть выполнен из титана, волоконного композиционного материала или другого материала, имеющего высокое сопротивление или не являющегося токопроводящим. В этом случае токопередача к токопроводящей полосе 106 может быть достигнута путем размещения сверхпроводящего материала поверх наружной поверхности втулки и спиц, такого как высокотемпературный сверхпроводник (например, лента из высокотемпературного сверхпроводимого проводника). Согласно другому варианту реализации сверхпроводящий материал может быть соединен с наружной поверхностью ротора для обеспечения необходимого токопередающего механизма. Токопроводящая полоса 106 может быть выполнена в форме одиночной непрерывной полосы, сформированной из непрерывной металловолоконной щетки. Согласно другому варианту реализации токопроводящая полоса может быть выполнена из нескольких покрывающих друг друга лепестков, сформированных из непрерывной металловолоконной щетки. Могут быть использованы непрерывные металловолоконные щетки типа, описанного в патенте США №6,245,440, или другие такие подходящие токопроводящие волоконные щетки.

[0040] На фиг. 4 показан другой вариант реализации расположения роторов высокоскоростной турбины согласно настоящему изобретению. Турбина 400 в данном примере выполнена из пары турбин 401, 402, расположенных параллельно, которые являются механически и электрически связанными.

[0041] В данном случае турбина 401 имеет конструкцию, подобную описанной выше и показанной на фиг. 1, и содержит корпус, сформированный из последовательности токопроводящих катушек 405₁, 405₂, 405₃, 405₄, 405₅, 405₆, 405₇, создающих по существу однородное магнитное поле, и последовательности роторов 407₁, 407₂, 407₃, 407₄, 407₅, 407₆ (основных роторов), прикрепленных к выполненному с возможностью вращения валу 409. Каждый ротор содержит токопро водящую щетку 411₁, 411₂, 411₃, 411₄, 411₅, 411₆ и зубчатое колесо 413₁, 413₂, 413₃, 413₄, 413₅, 413₆, которые взаимодействуют с соседними роторами турбины 402 (описанными более подробно ниже).

[0042] Турбина 402 содержит корпус, сформированный последовательностью токопроводящих катушек 404₁, 404₂, 404₃, 404₄, 404₅, 404₆, 404₇, создающих однородное магнитное поле, и последовательностью роторов 406₁, 406₂, 406₃, 406₄, 406₅, 406₆ (вторичных роторов), прикрепленных к выполненному с возможностью вращения валу 408. Каждый ротор содержит токопроводящую полосу 412₁, 412₂, 412₃, 412₄, 412₅, 412₆, которые находятся в контакте со щетками 411₁, 411₂, 411₃, 411₄, 411₅, 411₆ соседнего ротора турбины 401. Каждый из роторов 406₁, 406₂, 406₃, 406₄, 406₅, 406₆ также содержит зубчатое колесо 414₁, 414₂, 414₃, 414₄, 414₅, 414₆, которые взаимодействуют с зубчатыми колесами 413₁, 413₂, 413₃, 413₄, 413₅, 413₆ соседнего ротора турбины 401. Последовательность щеток 410₁, 410₂, 410₃, 410₄, 410₅ электрически соединяет роторы 406₁, 406₂, 406₃, 406₄, 406₅ с одним концом собирающих шин 415₁, 415₂, 415₃, 415₄, 415₅, причем противоположный конец собирающих шин 415₁, 415₂, 415₃, 415₄, 415₅ электрически соединен с роторами 407₂, 407₃, 407₄, 407₅, 407₆ посредством последовательности щеток 417₁, 417₂, 417₃, 417₄, 417₅.

[0043] Как указано выше, турбины 401 и 402 соединены последовательностью собирающих шин 415₁, 415₂, 415₃, 415₄, 415₅. Как и в случае турбины, показанной на фиг. 1, собирающие шины 415₁, 415₂, 415₃, 415₄, 415₅ действуют в качестве мостов обратного тока между валами 409, 408. Как показано на фиг. 5, ток возбуждения (обозначенный стрелками 419) протекает по валу 409 первой турбины через кабель 418, щетку 403₁, от которой в свою очередь протекает к ротору 407₁, причем электрический ток и вращающий момент ротора 407₁ впоследствии передаются ротору 406₁ посредством контакта щетки 411₁ с токопроводящим кольцом 412₁ и взаимодействием зубчатых колес 413₁ и 414₁. Затем электрический ток от ротора 406₁ передается одному концу собирающей шины 415₁ посредством щетки 410₁ обратно к турбине 401 и к ротору 407₂ посредством взаимодействия щетки 417₁ с собирающей шиной 415₁. Подобный процесс протекания электрического тока и передачи вращающего момента также действует и в отношении остальных роторов 407₂, 407₃, 407₄, 407₅, 407₆ турбины 401 и роторов 406₂, 406₃, 406₄, 406₅, 406₆ турбины 402.

[0044] Таким образом, электрический ток передается назад и вперед между турбинами посредством схемы последовательного соединения, сформированной взаимодействием щеток 411₂, 411₃, 411₄, 411₅, 411₆ с соответствующими токопроводящим и полосами 412₂, 412₃, 412₄, 412₅, 412₆, обеспечивающей возможность передачи электрических токов по щеткам 414₂, 414₃, 414₄, 414₅ к их соответствующей собирающей шине 415₂, 415₃, 415₄, 415₅ и, следовательно, следующему ротору 407₂, 407₃, 407₄, 407₅, 407₆ в турбине 401. Как показано на чертеже, электрический ток непрерывно передается между турбинами 410, 402, пока он не будет выпущен из ротора 406₆ посредством щетки 403₂ в кабель 418, завершающий указанную схему последовательного соединения.

[0045] Подробный вид взаимодействия основного ротора 407 турбины 401 с вторичным ротором 406 турбины 402 для облегчения передачи электрического тока и вращающего момента между указанными двумя устройствами показан на фиг. 6А и 6В. На фиг. 6А показано токопередающее устройство, в котором щетка 411 состоит из множества токопроводящих лепестков 601, проходящих в наружном направлении от обода 602 основного ротора 407. Свободный конец лепестков 601 в данном случае имеет наклон в направлении обода 602, так что часть каждого лепестка по существу ориентирована тангенциально к ободу 602. Лепестки 601 сконструированы таким способом, благодаря которому уменьшен износ каждого лепестка при его контакте с токопроводящей полосой 412, расположенной на наружной периферийной области обода 604 вторичного ротора 406. Поскольку по существу тангенциальные части каждого лепестка входят в контакт с токопроводящей полосой, указанный лепесток сгибается во внутреннем направлении к ободу 602 и таким образом снижает трение между лепестками и поверхностью токопроводящей полосы 412 с одновременным увеличением области контактной поверхности для передачи электрического тока.

[0046] На фиг. 6В показан другой вариант расположения лепестков 601, формирующих щетку 411. Как показано на чертеже, лепестки в данном случае выполнены в форме токопроводящих петель, расположенных на наружной периферийной области обода 602. При контакте с токопроводящей полосой 412 каждый лепесток прижимается к ободу 602, и сжатие петель таким образом вновь уменьшает трение между полосой 412 и поверхностью лепестка и в тоже время поддерживает хороший контакт для облегчения передачи электрического тока с пониженными потерями. Кроме того, описанная конструкция лепестков 601 лучше всего подходит для ситуаций, в которых турбины могут вращаться как в прямом, так и в обратном направлениях.

[0047] В случае, показанном на фиг. 6А, и в случае, показанном на фиг. 6В, передача тока происходит от основного ротора 407 к вторичному ротору 406, т.е., турбины приводятся в действие в переднем направлении. Как показано на чертеже, электрический ток передается (как обозначено стрелками 600) от втулки основного ротора 407 вдоль каждой спицы 603 к ободу 602 и затем к лепесткам 601 щетки 411. Электрический ток протекает по лепесткам 601 к токопроводящей полосе 412 в точке контакта между указанными двумя элементами. Затем электрический ток протекает от полосы 412 к ободу 604 через радиальные спицы 605 к втулке вторичного ротора 406 (не показан), где он затем протекает по собирающей шине 415 через щетки 414 (не показано).

[0048] На фиг. 6С показана токопередача между вторичным ротором 406 и собирающей шиной 415 более подробно. Как указано выше, электрический ток передается от ротора 406 к собирающей шине через щетку 410, расположенную между указанными ротором и шиной. В этом примере щетка 410 содержит множество лепестков 606, прикрепленных к токопроводящему материалу 607 подложки, который входит в контакт с собирающей шиной 415. Как может быть видно из данного примера, большая часть лепестков 606 находится в контакте с втулкой ротора 406 посредством нескольких лепестков 606, находящихся в контакте с радиальными спицами 605 ротора 406. В данном примере щетка 410 установлена с возможностью синхронного вращения с валом (не показан) вторичной турбины. Поскольку при такой форме прямого соединения щетка подвержена износу, степень износа значительно меньше, чем износ щетки, установленной на основных роторах 407. Щетки, расположенные на наружной периферийной области основных роторов, контактируют при более высоких угловых скоростях по сравнению с угловыми скоростями в случае щеток, установленных на валах турбин, причем соотношение между указанными скоростями пропорционально разности радиусов между внутренними и наружными щетками.

[0049] Механизм токопередачи от собирающей шины 415 к следующему ротору 407 в последовательности основных роторов показан на фиг. 6D. Как описано выше, передача электрического тока от собирающей шины 415 к следующему ротору в последовательности основных роторов осуществлена посредством контакта щетки 417 с собирающей шиной 415. Как и в случае щетки 410, щетка 417 составлена из множества токопроводящих лепестков 608, прикрепленных к токопроводящей подложке 609, которая совмещена с токопроводящей втулкой 610, соединенной со следующим ротором в последовательности основных роторов. Как показано на чертеже, лепестки 608 находятся в полном контакте с задней поверхностью конца собирающей шины 415. Опять же, будет происходить некоторое изнашивание щетки 417, контактирующей с задней поверхностью собирающей шины при ее вращении с втулкой 610 и валом (не показан). Однако, в данном случае износ щетки значительно меньше, чем если бы она была расположена на наружной периферийной области основных роторов.

[0050] На фиг. 7А и 7В показано устройство высокоскоростной турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения. В данном конкретном примере турбина 700 содержит множество роторов, расположенных в основном пакете 701_1,1, 701_1,2, 701_1,3, 701_1,4 и вторичном пакете 70l_2,1, 701_2,2, 701_2,3, 701_2,4 роторов, размещенных внутри последовательности катушек 709, создающих по существу однородное магнитное поле. Установка основного и вторичного пакетов роторов внутрь корпуса турбины подобна установке в случае двухкорпусной турбины, описанном выше и показанном на фиг. 4 и 5. Как показано на чертеже, роторы основного пакета 701_1,1, 701_1,2, 701_1,3, 701_1,4 установлены на основном ведущему валу 702 турбины 700, в то время как вторичный пакет 70l_2,1, 701_2,2, 701_2,3, 701_2,4 роторов установлен на вторичном ведущему валу 703. Каждый ротор в основном пакете содержит щетку 705₁, 705₂, 705₃, 705₄ и зубчатое колесо 707₁, 707₂, 707₃, 707₄, которые взаимодействуют с соседним ротором во вторичном пакете 701_2,1, 701_2,2, 701_2,3, 701_2,4 роторов.

[0051] Как показано на фиг. 7В, роторы основного пакета 701_1,1, 701_1,2, 701_1,3, 701_1,4 и вторичного пакета 701_2,1, 701_2,2, 701_2,3, 701_2,4 электрически и механически соединены вместе посредством собирающих шин 704₁, 704₂, 704₃, образующих дополнительный физический канал между основным 702 и вторичным 703 валами. Собирающие шины 704₁, 704₂, 704₃ также служат мостами для электрического тока между чередующимися роторами внутри основного пакета 701_1,1, 701_1,2, 701_1,3, 701_1,4, и вторичного пакета 701_2,1, 701_2,2, 701_2,3, 701_2,4 роторов. Если ток возбуждения, обозначенный стрелками 716, приложен посредством входного кабеля 715₁ через щетку 717₁ к основному ведущему валу 702, электрический ток 716 передается ротору 701_1,1 и проходит к ротору 701_2,1 благодаря электрическому взаимному соединению, сформированному контактом щетки 705₁ с соответствующей токопроводящей полосой 706₁, расположенной на наружной периферийной области ротора 701_2,1. Вращающий момент, действующий на ротор 701_1,1 вследствие вращения основного вала 702, передается ротору 701_2,1 взаимодействием зубчатого колеса 707₁ с соответствующим зубчатым колесом 708₁, расположенным на наружной периферийной области ротора 701_2,1. Электрический ток, пропущенный через токопроводящую полосу 706₁, протекает по ротору 701_2,1 к щетке 710₁, соединенной с собирающей шиной 704₁, которая возвращает электрический ток в ротор 701_1,2 посредством щетки 713₁. Указанная непрерывная передача электрического тока повторяется в роторах 701_1,2, 701_1,3, 701_1,4 и 701_2,2, 701_2,3 основного и вторичного пакетов ротора в соответствии со схемой последовательного соединения, сформированной взаимодействием щеток 705₂, 705₃ и 705₄ с соответствующими токопроводящими полосами 708₂, 708₃, 708₄, в результате чего электрический ток может быть передан вдоль соответствующей комбинации щеток 710₂, 710₃, 713₂, 713₃ собирающих шин 704₂, 704₃ перед его выпуском посредством щетки 717₂, которая соединяет ротор 701_2,4 с кабелем 715₂ обратного тока для замыкания схемы последовательного соединения.

[0052] Как может быть видно на фиг. 7А и 7В, указанное конкретное расположение роторов обеспечивает возможность соединения катушек 709 для формирования жесткого корпуса, т.е. отсутствует необходимость в физическом промежутке между катушками для размещения устройства для передачи вращающего момента и электрического тока. Также, указанное расположение обеспечивает улучшенное использование внутреннего сгенерированного поля и, таким образом, вырабатывание увеличенного вращающего момента. В дополнение к этому, форма корпуса турбины также способствует увеличению использования магнитного поля, в частности, катушки запрессованы в области, в которых установлен контакт между основным пакетом 701_1,1, 701_1,2, 701_1,3, 701_1,4 и вторичным пакетом 701_2,1, 701_2,2, 701_2,3, 701_2,4 роторов. Результирующая форма катушек напоминает форму бинокля, и, таким образом, устройство, показанное на фиг. 7А и 7В, названо бинокулярной турбиной. В то время как одно преимущество бинокулярной турбины состоит в улучшенном использовании поля, другое преимущество состоит в том, что поскольку между катушками 709, формирующими соленоид, не требуется промежуток, ее габаритный размер по сравнению с описанными выше одиночной и спаренной турбинами аналогичной мощности является уменьшенным.

[0053] Специалистам понятно, что поскольку во всех описанных выше примерах для передачи вращающего момента между основным и вторичным валами используются металлические зубчатые устройства, существует электрический потенциал, который может вызвать образование дуги между зубцами каждого зубчатого колеса при их зацеплении. Для уменьшения электрического потенциала, вызывающего образование дуги, расстояние между соседними зубчатыми колесами может быть отрегулировано для изменения величины поверхностного контакта между взаимодействующими поверхностями зубчатых колес. Один пример осуществления такой модификации показан на фиг. 7С, на котором показана двухроторная турбина 800, имеющая бинокулярную конструкцию.

[0054] Турбина 800 в этом примере содержит катушку 801, содержащую установленные в ней основной вал 802 и основной ротор 803. Основной вал в данном случае установлен между двумя фиксированными подшипниками 804₁, 804₂. Как и в описанных выше примерах, основной ротор 803 соединен электрически и механически посредством токопроводящего кольца 805 и зубчатого колеса 806 с токопроводящей полосой 807 и зубчатым колесом 808 вторичного ротора 809, установленного на вторичном валу 810. Для обеспечения возможности регулирования уровня контакта между зубчатыми колесами 806 и 808, вторичный вал установлен на подвижных подпружиненных монтажных опорах 811₁, 811₂, причем сила, приложенная пружинами, регулируемая уровнем их натяжения, направлена к основному валу, как показано на чертеже стрелками 812. Регулированием натяжения пружин в указанных опорах ротор 809 и вал 810 могут быть перемещены в боковом направлении, как показано на чертеже стрелкой 813, к основному ротору 803 или от него, и таким образом может быть изменен уровень контакта между зубчатыми колесами 806, 808.

[0055] В случае использования последовательности роторов согласно вышеописанным примерам турбины, также может быть желательным изменение расстояние между роторами. Это может быть достигнуто путем смещения дисков роторов вдоль вала и их фиксации на валу с помощью штифтов, установочных винтов с плоским концом и шлицем под отвертку, шпонок и пазов, и т.п.. В таких случаях для направления протекающего электрического тока между роторами вместо собирающих шин может быть использован гибкий электрический кабель для поддерживания последовательного пути электрического тока.

[0056] В описанных выше примерах валы с возможностью вращения установлены на роторах, прикрепленных к валам. Соответственно, механическая работа, выработанная валами, может быть с легкостью использована путем соединения валов с ведущим валом и т.п. посредством планетарной зубчатой передачи, магнитной муфты сцепления или другими подобными подходящими трансмиссионными устройствами.

[0057] Для специалистов очевидно, что количество выработанного вращающего момента является пропорциональным силе магнитного поля. В описанных выше примерах все турбины вырабатывают магнитное поле посредством соленоида, сформированного соединением нескольких токопроводящих катушек. Не смотря на то, что указанные катушки могут быть выполнены из стандартного проводника, такой подход не является идеальным. Катушка из стандартного провода имеет очень высокие резистивные потери и низкую плотность электрического тока, что приводит к значительно увеличенному пространству, занимаемому проводом. В дополнение к пространственным факторам, резистивный нагрев также представляет собой фактор, влияющий на размер катушки из стандартного провода. Выработанный катушкой резистивный нагрев может привести к расплавлению провода при условии достаточных электрического тока и времени. Было выяснено, что сильные магнитные поля могут быть выработаны с большей эффективностью катушками, выполненными из высокотемпературного сверхпроводящего (ВТСП) материала. Затем указанные катушки могут быть сложены в пакет и соединены последовательно с формированием удлиненного соленоида. Увеличение числа пакетов катушек увеличивает силу внутреннего выработанного поля, а также формирует силовые линии, проходящие параллельно продольной оси корпуса турбины.

[0058] Поскольку соленоид по существу представляет собой большую катушку индуктивности, он только должен быть заряжен непосредственно перед работой и не должен заряжаться и разряжаться непрерывно для поддерживания поля. Кроме того, простая низковольтная подача энергии постоянного тока - это все, что требуется для поддерживания однородного поля. Более того, указанная форма соленоида также имеет то преимущество, что все выработанное поле содержится внутри катушки и очень небольшая часть поля выходит за пределы обмоток. Это означает, что все выработанное поле может быть использовано для взаимодействия с роторными лопатками для совершения полезной работы.

[0059] На фиг. 8-17 показаны профили распределения поля, полученные с помощью программы-симулятора Vector Fields Opera 3d, на которых показаны направленность и напряженность магнитного поля внутри катушки в зависимости от изменения ее размеров. В показанных ниже примерах каждая катушка выполнена из ВТСП ленты шириной 12 мм и содержит 100 витков с внутренним радиусом 150 мм.

[0060] На фиг. 8 показан в поперечном сечении вид, изображающий магнитное поле, выработанное электрическим током 160А, приложенным к соленоиду в форме пакета из 10 ВТСП катушек. Как показано на чертеже, магнитное поле (представленное множеством небольших красных стрелок), сгенерированное соленоидом, ориентировано параллельно продольной оси соленоида. На чертеже также видно, что большая часть магнитного поля содержится внутри корпуса соленоида. На фиг. 9 показана диаграмма напряженности поля вдоль внутренней стенки соленоида, причем, как показано на чертеже, пик поля приходится примерно на середину пути вдоль стенки, при этом индукция поля составляет примерно 1 Тл.

[0061] На фиг. 10 показан в поперечном сечении вид, изображающий магнитное поле, выработанное электрическим током 160А, приложенным к соленоиду в форме пакета из 20 ВТСП катушек. Опять же, магнитное поле (представленное множеством стрелок), генерируемое соленоидом, ориентировано параллельно продольной оси соленоида. В дополнение к этому, очевидно, что поле, сгенерированное соленоидом из 20 катушек, охватывает значительно увеличенную область по сравнению с полем, выработанным соленоидом из 10 катушек. Как показано на фиг. 11, 20-катушечный соленоид вырабатывает поле, охватывающее более обширную область, чем 10-катушечный вариант соленоида. Однако пиковое поле в данном случае имеет индукцию 1,25 Тл, что представляет собой лишь незначительное увеличение.

[0062] На фиг. 12 показано магнитное поле, выработанное электрическим током 160А, пропущенным через соленоид в форме пакета из 30 катушек. Вновь можно заметить, что при увеличении числа катушек напряженность результирующего магнитного поля увеличивается. Как показано на чертеже, представленном на фиг. 13, в данном случае поле охватывает более обширную область, чем в случае 10- и 20-катушечных вариантов соленоида, и имеет пиковую индукцию примерно 1,4 Тл.

[0063] На фиг. 14 показано магнитное поле, выработанное соленоидом в форме пакета из 42 катушек, через которые пропущен электрический ток 160А. Как и в предыдущих примерах, результирующее магнитное поле содержится внутри соленоида и ориентировано параллельно продольной оси соленоида. Как показано на фиг. 15, 42-катушечный соленоид вырабатывает более сильное поле, охватывающее более обширную область по сравнению с более ранними примерами, причем пиковая индукция данного составляет примерно 1,45 Тл.

[0064] На фиг. 16 показан профиль распределения магнитного поля для соленоида, выполненного в форме пакета из последовательности разнесенных на некоторое расстояние друг от друга катушек, через которые пропущен электрический ток 160 А. Как показано на фиг. 16, напряженность поля в соленоиде действительно ослаблена в областях, где расположены промежутки, однако, данный соленоид вырабатывает достаточное мощное поле. На фиг. 17 показан график напряженности поля вдоль внутренней стенки соленоида. Как может быть видно из графика, индукция поля изменяется на 0,6 Тл по той причине, что поле индуцировано перпендикулярно стенке соленоида в каждом из промежутков из-за пути замыкания магнитного потока. Однако, поле, выработанное внутри соленоида, остается в пределах приемлемого уровня.

[0065] Модели и диаграммы, показанные на фиг. 8-17, ясно демонстрируют, что увеличение числа катушек приводит к увеличению поля вдоль длины соленоида. Другим фактором, влияющим на напряженность поля, является сила электрического тока, пропущенного через катушки. В отношении электрического тока, специалистам понятно, что температура и внешние поля также влияют на максимальный ток, который может быть пропущен через сверхпроводник, до того, как он будет нормализован и станет обычным проводником. ВТСП ленты лучше всего подходят для использования с внешним полем, параллельным ленте, поскольку нормализация указанной ленты гораздо менее вероятна. Поведение ВТСП ленты может быть оценено на основании графиков, показанных на фиг. 18, составленных компанией American Superconductor Corp. для ее продукта - ленты Generation 1.

[0066] Диаграмма на фиг. 18 содержит различные коэффициенты пересчета при различных температурах для ленты, на которую действуют различные собственные и внешние поля, параллельные поверхности ленты. Коэффициент пересчета представляет собой отношение критического тока проволоки, на которую действует известное собственное или внешнее поле, разделенного на критический ток для одиночной прямой части проволоки шириной 4 мм при 77 K (-196°С) в отсутствие внешнего поля. Критический ток для прямой части проволоки при отсутствии внешнего поля при 77 K (-196°С) обычно находится между 90-145 А, в зависимости от партии, используемых подложек, и т.п.

[0067] Для определения критического тока I_C для ленты шириной 12 мм при 64°K (-209°С), на которую действует параллельно ориентированное собственное поле с индукцией 1,4 тесла, диаграмма может быть использована следующим образом. Во-первых, может быть допущено, что критический ток 1 с при наружном поле с индукцией 0 Тл и температуре 77°K (-196°С) составляет 100 А. Для поля с индукцией 1,4 Тл при температуре 64°K (-209°С) коэффициент пересчета на оси Y составляет примерно 0,9 (т.е., 0,9×100 А=90 А). Это для ленты шириной 4 мм. Таким образом, для ленты шириной 12 мм критический ток I_C будет в 3 раза больше, т.е., I_C будет составлять 270 А. Это указывает, что для вырабатывания поля с индукцией выше 1,4 Тл через соленоид, формирующий корпус турбины, должен быть пропущен ток 270 А. Для корпуса турбины с пакетом из 42 катушек при токе 160 А индукция пикового поля немного превышает значение 1,45 Тл.

[0068] К сожалению, ВТСП ленты не сохраняют те же самые рабочие характеристики, когда на них действуют перпендикулярно ориентированные поля, как может быть видно из фиг. 19. В присутствии внешнего или самоиндуцированного перпендикулярно ориентированного поля при 64°K (-209°С) коэффициент пересчета 0,9 ограничивает допустимое самоиндуцированное или внешнее поле до индукции примерно 0,2 Тл или 0,6 Тл для ленты шириной 12 мм.

[0069] Не смотря на то, что примеры, показанные на фиг. 8-17, доказывают, что не смотря на то, что магнитное поле в целом ориентировано параллельно корпусу турбины, исключением являются области рядом с концами соленоида или в промежутках между катушками в случае, показанном на фиг. 16 и 17, турбины, в которой направление поля изменяется в начале его обратного пути от северного полюса к южному полюсу. Таким образом, в концах соленоида индуцированное магнитное поле является перпендикулярным поверхности ленты обмотки. Эффект указанного реверсирования состоит в том, что величина электрического тока, который может быть пропущен через катушку при данной температуре, эффективно ограничен силой указанного реверсирования поля. Один способ преодоления указанного ограничения состоит в использовании магнитопроводов на основе феррита, которые эффективно "управляют" направлением магнитного потока, выходящего из конца корпуса. В переменном магнитном поле использование таких магнитопроводов зависит от другого фактора потерь, а именно, вследствие магнитного гистерезиса, но поскольку поле, генерируемое наружными катушками, сохраняет установившийся режим, использование ферритовых магнитопроводов для достижения более высокого уровня рабочих характеристик катушек может считаться обоснованным.

[0070] Феррит для исследований эффективности магнитопроводов различной формы представлял собой обычную низкоуглеродистую холоднокатаную сталь и в основном был выбран по соображениям его доступности и относительно высокой точки насыщения намагниченности (приблизительно 2 Тл). Несмотря на то, что известны другие материалы с более высокими коэффициентами магнитной проницаемости, указанные материалы в целом имеют недостатки, такие как низкая точка насыщения, доступность, обрабатываемость или трудности в получении сходящихся решений нелинейных уравнений для материалов с высокой магнитной проницаемостью в точке насыщения или рядом с ней при попытке создания вычислительных моделей.

[0071] В сущности, были смоделированы и исследованы различные конфигурации магнитопроводов. Лучшие примеры выполнения в целом представляли собой большой прямоугольный магнитопровод тороидальной формы. Из указанных примеров были получены пониженные значения перпендикулярно ориентированных полей, причем тороид находился рядом с концом корпуса, имел внутренний радиус на 50 мм меньше, чем внутренний радиус корпуса, наружный радиус на 10 мм меньше, чем наружный радиус корпуса, и глубину приблизительно 60 мм. Попытки введения тороида во внутреннюю область корпуса вызывали более раннее реверсирование потока и, таким образом, оказались непродуктивными.

[0072] В целях ясности и понятности описания на фиг.20 и 22 показан одиночный магнитопровод. Кроме того, изображение только одиночного магнитопровода ясно иллюстрирует влияние, которое указанные магнитопроводы оказывают на поле в концах катушки. Для специалистов, конечно, очевидно, что в случае практического применения магнитопроводы будут установлены с обоих концов катушки (как показано на фиг. 24), для уменьшения влияния перпендикулярно ориентированных полей, возникающих в указанных областях.

[0073] Один пример использования такого магнитопровода и его влияние на поле в концах соленоида показаны на фиг. 20. Со ссылкой на данные Jc/JcO, обеспеченные ранее, целесообразно ожидать, что при пропускании тока 160 А через указанные катушки, на них будет действовать параллельно ориентированное поле с индукцией 1,5 Тл и перпендикулярно ориентированное поле с индукцией меньше, чем 0,2 Тл, при температурах в диапазоне 64-70 K (от -209°С до -203°С). При установленном на конце соленоида магнитопроводе заметно изменение поля в области его выхода из соленоида, в частности, пиковое поле рядом с внутренними концами слабеет, как показано на фиг. 21. В случае магнитопровода, показанного на фиг. 20, поле рядом с внутренним краем соленоида имеет перпендикулярную ориентацию и индукцию приблизительно 0,15 Тл, которая находится в пределах целевого диапазона.

[0074] На фиг. 22 показан другой вариант расположения магнитопровода для использования с турбиной согласно настоящему изобретению. В данном конкретном примере магнитопровод имеет коническую форму и направляет поле дальше от конца соленоида. Как можно видеть на диаграмме для перпендикулярно ориентированного поля, показанной на фиг. 23, конический магнитопровод уменьшает перпендикулярно ориентированное поле до уровней, близких к оптимальным, с пиковым значением индукции приблизительно 0,25 Тл по сравнению с вариантами, имеющими пиковую индукцию 0,6 Тл в случае, показанном на фиг. 16 и 17.

[0075] В случае одиночной и спаренной моделей турбины, описанных выше, соленоид содержит последовательность промежутков для обеспечения возможности передачи вращающего момента и электрического тока между основным и вторичным валами. В результате действия указанных промежутков может произойти существенное изменение перпендикулярно ориентированного поля вдоль длины соленоида. На фиг. 24 показана модель имеющего промежутки соленоида с ферритовыми магнитопроводами, расположенными с обоих концов соленоида. На графике, показанном на фиг. 25, можно видеть, что изменение индукции поля остается ниже уровня 0,23-0,25 Тл, следовательно использование наружных магнитопроводов является достаточным для достижения равномерности поля, находящейся рядом с целевой спецификацией поля.

[0076] Специалистам понятно, что рабочие характеристики ВТСП лент и, таким образом, турбины заметно улучшаются с понижением температуры до идеального диапазона температур для ВТСП ленты, составляющего 65-70 K (от -208°С до -203°С). Специалистам также понятно, что дальнейшее улучшение рабочих характеристик ВТСП ленты может быть достигнуто, если температура будет снижена до 15 K (-258°С). Поскольку указанный оптимальный диапазон температур находится в поддиапазоне температур жидкого азота, ожидается, что турбины должны содержать криогенные охлаждающие системы, такие как криогенное охлаждающее устройство с циклом Стирлинга, для заключения турбины в криогенную оболочку с диапазоном температур 15-70 K (от -258°С до -203°С).

[0077] Как вкратце указано выше, одним из видов представляющих интерес потерь является выработка вихревых токов в частях узла турбины и, в частности, роторов турбины. В случае, в котором роторы выполнены из токопроводящего материала, основными проблемными областями являются переходные области между ободом и зубчатым колесом и в меньшей степени контактная область между внутренним барабаном и щеткой. Потери (Р) мощности, вызванные вихревыми токами, в случае простой тонкой проволоки могут быть вычислены из:

где D - глубина проникновения:

Параметры для вышеуказанных уравнений включают Bp - пиковую магнитную индукцию (Тл), d - толщину листа или диаметр проволоки (м), ρ - удельное сопротивление (Ом), σ - электропроводность, μ - магнитную проницаемость и f - частоту.

[0078] С учетом членов указанных уравнений более высокого порядка, можно выделить типы свойств, которые оказывают сильное влияние на выработку вихревых токов. В случае обычных проводящих элементов турбины, сборочные факторы, влияющие на вихревые токи и минимизирующие их выработку, включают использование пониженной напряженности магнитного поля или замедление частоты изменения (причем оба указанных фактора влияют на вращающий момент и выходную мощность и, таким образом, являются контрпродуктивными). Использование более тонких секций или ламинирование материалов позволяют уменьшить компонент d, в результате чего уменьшается ширина пути, по которому могут распространяться вихревые токи. Кроме того, секции, которые обычно не несут электрический ток, могут быть выполнены из материала, имеющего повышенное удельное сопротивление, что препятствует генерации циркулирующего электрического тока через дополнительное сопротивление.

[0079] В сверхпроводящих элементах вихревыми токами управляют другие факторы. Сверхпроводники имеют интересное свойство, состоящее в том, что они имеют свойство диамагнетизма. Таким образом, при охлаждении до температур ниже критической температуры, магнитное поле, которое ранее проникало сквозь материал в его нормальном проводящем состоянии, теперь выталкивается из материала. Вследствие того, что поле не проникает сквозь проводник, возникает эффект подвешивания в магнитном поле, который наблюдается в сверхпроводящем образце. Это также означает, что вихревые токи не формируются внутри сверхпроводящего материала. Указанное выталкивание поля называют эффектом Мейснера. Соответственно, были разработаны несколько способов противодействия генерированию вихревых токов.

[0080] Первый способ может быть осуществлен в форме процесса, в основе которого лежит идея электродинамической подвески, используемой в поездах на магнитной подушке. Поскольку сверхпроводники имеют свойства диамагнетизма, они естественно выталкивают из себя магнитное поле. Это свойство используется в поездах на магнитной подушке, в которых внутри катушек генерируется магнитное поле, противостоящее вихревым токам, индуцированным в катушках, для предотвращения дополнительного торможения в приводном механизме поезда, вызванного генерацией вихревых токов. В случае двигателя любые вихревые токи эффективно экранируются или подавляются путем использования замкнутой петли из ВТСП провода для покрытия боковых стенок внутренних и наружных элементов барабана, как показано на фиг. 3.

[0081] Второй способ также включает использование ВТСП провода, намотанного вокруг перехода между наружным ободом и зубчатым колесом, а также барабана и щеточного контакта. Однако, согласно данному способу намотанные катушки не являются замкнутыми, но последовательно соединены с источником энергии. Указанный источник энергии обеспечивает электрический ток, который проходит в обмотках для генерирования сильного магнитного поля, выталкивающего внешнее поле или его большую часть и таким образом уменьшающего вихревые токи в материале. Известны различные способы создания пути для доставки электрического тока, из которых один возможный способ состоит в использовании проводящего кабеля, проложенного в изолированном валу, вокруг которого вращаются все диски ротора. Затем электрический ток подают в катушку, расположенную на внутреннем барабане, и затем подают в катушку, расположенную на границе между наружным барабаном и зубчатым колесом. Затем ток пропускают по внутреннему барабану следующего диска ротора, назад к наружной границе между ободом и зубчатым колесом, и т.д.

[0082] Согласно третьему способу для выталкивания внешнего поля и подавления вихревых токов используют постоянные магниты. Магниты схожим образом размещены на границе между наружным барабаном и зубчатым колесом, а также между внутренним барабаном и щеточным контактом. Постоянные магниты могут иметь необходимый размер и напряженность поля. Напряженность поля, в данном случае фиксированная, может быть определена путем выбора магнита соответствующего сорта. Неодимовые магниты на основе редкоземельных металлов имеют тенденцию создавать самые устойчивые и самые сильные поля.

[0083] Четвертый способ состоит в отказе от использования катушек или постоянных магнитов для выталкивания внешнего поля и минимизирования вихревых токов в выбранном материале. Рекомендуется использование титана в качестве материала для барабана турбины, т.е., все рамы лопаток, втулки и зубчатые колеса должны быть выполнены из титана. Титан, имеющий превосходные механические свойства, обеспечивает подобную механическую прочность барабана турбины, которая может быть достигнута с использованием уменьшенного количества материала по сравнению с другими материалами. Уменьшение толщины материала вдоль областей, склонных к вихревым токам, дополнительно препятствует генерации вихревых токов. Титан имеет в 25 раз большее электрическое сопротивление по сравнению с медью (420 нОм/м у титана против 16,78 нОм/м у меди). Данное повышенное сопротивление затрудняет свободный поток вихревых токов и, следовательно, меньшее количество вихревых токов будут генерироваться в поверхности барабана турбины. Тем не менее, идеальное решение включает использование сверхпроводящего материала для пути между внутренней втулкой и наружным ободом, поскольку сверхпроводящий материал обладает диамагнитными свойствами, которые способствуют выталкиванию вихревых токов. Титановые компоненты могут быть покрыты или плакированы проводящим поверхностным покрытием из материала, такого как медь или серебро, в частности, для повышения проводимости в переходах между зубчатыми колесами или между другими электромеханическими переходами. Кроме титана может быть использован любой другой материал, который имеет подходящие механические свойства и низкую электропроводность.

[0084] Из приведенного выше описания очевидно, что фундаментальным структурным вопросом, который затрагивает рабочие характеристики турбины, является структура магнитного поля внутри соленоида. Для максимизирования эффективности турбины требуется, осевое поле, имеющее высокую напряженность. В следующих примерах поле ограничено индукцией примерно 1,4-1,5 Тл из-за ограничения сверхпроводящей ленты при температуре 65 K (-208°С). Электрический ток в наружных катушках спаренной турбины или бинокулярной турбины, необходимый для генерирования указанного поля, составляет приблизительно 160-170 А. При использовании дополнительного охлаждения, обеспечивающего повышенный порог электрического тока, например, приблизительно 300 А, могут быть достигнуты поля с индукцией больше, чем 3 Тл. Предполагается, что с созданием ВТСП лент новых типов и развитием криогенной техники может быть достигнуто поле с индукцией 3-4 Тл с использованием предложенных конструкций катушек.

[0085] На фиг. 26 в разрезе показан профиль распределения поля соленоида, выполненного в форме пакета из 42 ВТСП катушек, для использования в конструкции одиночной турбины и/или спаренной турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения. Как показано на чертеже, напряженность поля внутри соленоида (как и примерах, показанных на фиг. 8-17), имеет тенденцию к сужению в центре корпусов турбины в области каждого конца. Длина соленоида, на которой напряженность осевого поля остается в приемлемом диапазоне (т.е., в пределах указанного допуска от пикового значения индукции поля, составляющего 1,4-1,5 Тл) внутри соленоида, известна как рабочее расстояние. Для максимизации эффективности турбины роторы должны быть расположены в пределах этого рабочего расстояния, т.е., роторы должны быть расположены в пределах области, имеющей наиболее однородное магнитное поле. Также, расположение роторов в пределах указанной области способствует минимизации выработки противо-ЭДС, возникающей из-за изменений поля рассеяния при использовании турбины. На фиг. 27 показана напряженность поля вдоль продольной оси турбины. В настоящих примерах рабочее расстояние соленоида задано как область, в которой наблюдается ослабление пикового поля не больше, чем на 10-15%. В примере, показанном на фиг. 26 и 27, рабочее расстояние составляет приблизительно 200 мм, т.е. область графика, показанного на фиг. 27, в которой наблюдается ослабление поля на 0,15 Тл.

[0086] На фиг. 28 в частичном разрезе показан профиль распределения поля в бинокулярном соленоиде, сформированном из 42 ВТСП катушек. Как показано на фиг. 28, имеется ослабление поля в средней части диаграммы, в которой пересекаются окружности, описываемые лопатками турбины. В идеальном случае размер промежутка между указанными двумя возвратными дугами наружных бинокулярных катушек может быть минимизировано для достижения максимальной напряженности поля. Практически, ограничения на радиус изгиба наружных ВТСП слоев и необходимость в зазоре между различными неподвижными и вращающимся элементами ограничивают степень "сжатия" бинокуляров. На фиг. 29 показана диаграмма напряженности поля вдоль внутреннего края соленоида, показанного на фиг. 28. Следует отметить сравнительную однородность центральной области размером 200 мм катушки (т.е., рабочее расстояние 200 мм). Увеличенное ослабление поля может быть вызвано потребностью в дополнительном зазоре между двумя половинами бинокулярной катушки.

[0087] На фиг. 30A-30D показан ряд диаграмм, которые демонстрируют, что изменения в пиковом поле (ось В) и соответствующий выходной вращающий момент пропорциональны электрическому току в обмотке соленоида как для спаренной, так и для бинокулярной турбины, описанных выше. Не смотря на то, что диапазон электрического тока немного выше, чем определен первоначально, наблюдаемая пропорциональность сохраняется для случаев пониженного электрического тока.

[0088] Диаграммы, показанные на фиг. 31A-31D, демонстрируют тот факт, что пиковое поле и выходной вращающий момент вновь изменяются пропорционально количеству витков в катушках, которые образуют соленоид, формирующий корпусы турбины. В случае бинокулярного соленоида наблюдается небольшое сокращение выходного вращающего момента. Это может происходить вследствие необходимости изменения расстояния промежутка и возвратного радиуса бинокуляра для соответствия физическому размеру увеличенного числа витков. Опять же, базовый электрический ток для вышеуказанных изменений составлял 300 А, т.е. превышал предполагаемый диапазон рабочих токов 160-170 А, но результаты будут масштабированы с током.

[0089] На фиг. 32А и 32В показан эффект увеличения размера корпуса. Поскольку значения вращающего момента, полученные для случаев спаренной турбины и бинокулярной турбины, были подобными, рассмотрен только случай спаренной турбины. Следует ожидать, что наблюдаемые тенденции также относятся и к случаю бинокулярной турбины. Интересно заметить, что сила, действующая на отдельный барабанный элемент, возрастает пропорционально увеличению радиуса корпуса, в то время как полученный вращающий момент, видимо, меняется в пропорции к квадрату увеличения радиуса. Это указывает на то, что увеличение размеров корпуса, вероятно, способствует достижению улучшенных рабочих характеристик. Увеличение общего размера устройства на самом деле становится непрактичным для экспериментирования, но полученные результаты действительно показывают важную линию потенциального исследования.

[0090] На фиг. 33 показан один вариант реализации узла 900 роторов для двигателя, в котором использованы вышеуказанные принципы высокоскоростных турбин, описанных выше. Как показано на чертеже, узел 900 содержит последовательность роторов 902₁, 902₂, 902₃, 902₄, 902₅, 902₆, установленных на валу 901. Вал 901 расположен коаксиально относительно центральной оси роторов 902₁, 902₂, 902₃, 902₄, 902₅, 902₆. В данном конкретном примере роторы 902₁, 902₂, 902₃, 902₄, 902₅, 902₆ прикреплены к валу 901, который выполнен с возможностью свободного вращения. Для специалистов очевидно, что вал мог быть неподвижно закреплен, в то время как роторы 902₁, 902₂, 902₃, 902₄, 902₅, 902₆ могут свободно вращаться вокруг вала 901. В данной конструкции роторы 902₁, 902₂, 902₃, 902₄, 902₅, 902₆ могут быть установлены на валу 901 с использованием подшипников, обеспечивающих возможность вращения каждого ротора независимо от вала 901.

[0091] В данном примере роторы имеют конструкцию, подобную конструкции роторов, описанных выше со ссылкой на фиг. 3, и содержат обод, который соединен с втулкой посредством множества спиц. Роторы 902₁, 902₂, 902₃, 902₄, 902₅, 902₆ в данном случае содержат контактные области 903₁, 903₂, расположенные рядом с ободом и втулкой. Контактные области предназначены для контакта с узлами щеток, установленными на токопередающих механизмах (корпусах статоров), расположенных между каждым ротором. Конструкция токопередающих механизмов подробно описана ниже.

[0092] Вал 901, как и в описанных выше примерах, используется для подачи электрического тока/напряжения в узел для формирования схемы последовательного соединения роторов 902₁, 902₂, 902₃, 902₄, 902₅, 902₆. Узел роторов в данном случае сконструирован с возможностью работы с электрическим током примерно 2000 А. Для обеспечения максимальной токопередачи контактные поверхности вала и роторов, т.е., поверхности, находящиеся в прямом контакте с узлами щеткодержателя и влияющие передачу тока возбуждения, могут быть плакированы золотом.

[0093] На фиг. 34 показана конструкция узла 900 роторов более подробно. Как показано на чертеже, вал 901 в данном случае состоит из 3 секций: входной секции 901₁, промежуточной секции 901₂ и выходной секции 901₃, соединенных вместе для формирования вала. Входная и выходная секции вала выполнены из токопроводящего материала, в то время как промежуточная секция выполнена из изоляционного/изолирующего материала. Весь вал 901 в данном примере снабжен каналом для приема стержня 905 (не показан). Указанный стержень в данном случае обеспечивает дополнительное усиление вала, причем указанный стержень также может быть покрыт изоляционным материалом, обеспечивающим надежное соединение вала с узлами зубчатой передачи и т.п. (т.е. наружными зубчатыми колесами и т.п., электрически изолированными от вала и обесточенными).

[0094] Как показано на чертеже, большая часть роторов 902₁, 902₂, 902₃, 902₄, 902₅ расположены в промежуточной секции 901₂ с дискретными интервалами между ними. Промежуточная секция 901₂ выполнена в форме последовательности взаимозацепляющих самопозиционирующих элементов, причем каждый элемент несет на себе соответствующий ротор 902₁, 902₂, 902₃, 902₄, 902₅. Указанные роторы разнесены на некоторое расстояние друг от друга и не входят в контакт с токопроводящими секциями вала 901, за исключением ротора 902₆, который в данном примере установлен в выходной секции 901₃ вала 901. Для создания необходимой схемы последовательного соединения роторов, токопередающие механизмы в форме корпусов статора расположены между роторами. Контакт между роторами и корпусами статора осуществлен посредством щеток, расположенных на корпусах статора. Щетки расположены с возможностью взаимодействия с контактными поверхностями соответствующих роторов. Конструкция корпуса статора и расположение щеток описаны более подробно ниже.

[0095] Элементы, содержащие промежуточную секцию 901₂ вала, должны быть выполнены из материала, который является достаточно прочным для передачи вращающего момента, выработанного двигателем, и который также обеспечивает электрическую изоляцию входной стороны 901₁ вала от его выходной стороны 901₃ для предотвращения закорачивания двигателя. Этот материал должен быть соответственно изоляционным материалом с подходящими механическими свойствами. Одним материалом, который может быть подходящим для конструкции элементов промежуточной секции 901₂, является анодированный алюминий. Анодированный слой на поверхности алюминия формирует электрически изолирующий слой между медными и алюминиевыми поверхностями. Качество изоляции (т.е., напряжение, которое может быть приложено к ней до пробоя) зависит от глубины анодированного слоя. В данном случае применении глубина анодирования, составляющая 40 мкм, поверхности алюминиевых компонентов является достаточной, поскольку предполагается использование только низковольтного напряжения (т.е., меньше, чем 10 В). Для специалистов очевидно, что могут быть использованы другие материалы, такие как любой подходящий металл, если он обеспечивает электрическую изоляцию от токопроводящих компонентов, или подходящие волокниты и т.п..

[0096] На фиг. 35 конструкция токопередающего механизма (корпуса статора) 904 показана более подробно. Как показано на чертеже, статор 904 в данном случае состоит из двух секций 904₁, 904₂, соединенных вместе для формирования статора. Статор 904 в данном случае поддерживает узлы 906₁, 906₂, 906₃, 906₄, 906₅, 906₆, 906₇ металловолоконных щеток, расположенные рядом с ободом, и узлы 907₁, 907₂, 907₃, 907₄, 907₅, 907₆, 907₇, расположенные рядом с втулкой.

[0097] Корпус статора 904 в данном конкретном примере выполнен из алюминия или титана для уменьшения общего веса, причем для дополнительного уменьшения общего веса статора может быть уменьшено количество материала в областях 908₁, 908₂, 908₃, 908₄, 908₅, 908₆, 908₇ минимальной нагрузки. В дополнение к снижению общего веса статора вырезы 908₁, 908₂, 908₃, 908₄, 908₅, 908₆ и 908₇ также обеспечивают более эффективное принудительное охлаждение узла ротора. Не смотря на то, что в данном конкретном примере корпус статора является электрически проводящим, его электрическое сопротивление выше сопротивления щеток, и электрический ток предпочтительно проходит через щетки. Более подробное описание пути электрического тока сквозь каждый узел щеток и статор приведено ниже. Не смотря на то, что в настоящем примере использован токопроводящий материал, специалисту понятно, что для изготовления корпуса статора также может быть использован непроводящий материал или токопроводящий материал с изолирующим покрытием. В данном случае, корпус 904 статора содержит последовательность выемок 909₁, 909₂, 909₃, 909₄ и 909₅. Выемки 909₁, 909₂, 909₃, 909₄ и 909₅ обеспечивают анкерные точки для крепления корпуса 904 статора в заданном положении относительно вала 901. Благодаря блокированию корпуса статора в заданном положении устранено влияние вращающего момента на статор при протекании электрического тока между узлами щеток.

[0098] Показанный на чертеже корпус статора согласно данному примеру содержит в общей сложности семь пар щеток, которые в свою очередь образуют семь параллельных путей для протекания тока. Были выбраны металловолоконные щетки с сечением 23 мм × 35 мм и допустимым током 330 А на одну щетку. Это в свою очередь означает, что полный ток семи параллельных путей составляет 2310 А. Расположение щеток и пути электрического тока в каждом статоре показаны на фиг. 36. В данном случае на чертеже показано сечение одной из спиц статора (т.е., спицы, несущей щетки 906₁ и 907₁). Как показано на чертеже, статор 904 расположен таким образом, что электрический ток направлен от наружного радиуса предыдущего ротора к внутреннему радиусу следующего ротора. Для компенсации постепенного износа щеток используются плоские пружины 910, обеспечивающие возможность осевого перемещения узлов щеток. Кроме того, пружины 910 прикладывают к щетке небольшое давление для обеспечения непрерывного взаимодействия между металловолоконной щеткой и расположенным рядом с ротором.

[0099] В данном случае узлы щеток содержат шунты 911 и 912, которые в данном случае соединены гибким проводом 913. Указанный провод завершает возвратный путь электрического тока от внутренней щетки к наружной щетке. Поскольку статор (и следовательно, провод) находится в осевом поле возбуждения с индукцией 2,5 Тл, на провод возвратного пути действует сила, направленная тангенциально к радиусу и создающая соответствующий вращающий момент вокруг оси статора. Поскольку статор неподвижен, результирующий вращающий момент нейтрализован, но сила, действующая на гибкий провод, если ее не ограничивать, создает потенциальную нагрузку на щетки и противодействует упругой силе, удерживающей щетки в контакте с вращающейся поверхностью. Перемещение провода в направлении поля может быть ограничено путем встраивания указанного провода в корпус статора.

[00100] Как указано выше, схема пути через статор ориентирована таким образом, что электрический ток проходит от втулки к ободу. Металловолоконные щетки имеют различную скорость изнашивания в зависимости от направления, протекающего в них электрического тока. Щетка, соединенная с положительным выводом, имеет повышенную скорость изнашивания, и щетка, соединенная с отрицательным выводом, имеет пониженную скорость изнашивания из-за разности в окислении. Кроме того, физическая ориентация щеток относительно направления протекания электрического тока также влияет на скорость изнашивания щеток. В данном случае, щетки, расположенные на ободе, подвержены повышенному ротационному износу, чем щетки, расположенные рядом с втулкой. Следовательно, щетки, расположенные вокруг втулки, изнашиваются больше из-за направления протекания электрического тока (т.е. щетки, расположенные на втулке, в действительности являются положительным выводами, а щетки, расположенные на ободе, фактически являются отрицательными выводами).

[00101] На фиг. 37 показано отношение между протеканием электрического тока и действием на ротор индуцированной силы. Как показано на чертеже, протекание электрического тока от втулки к ободу вызывает действие результирующей силы, ориентированной под углом 90° к ротору. В результате расположения щеток симметрично вокруг ротора силы, действующие на ротор, могут быть уравновешены (т.е. силы, действующие в противоположных симметричных концах ротора равны и противоположны друг другу), что способствует повышению плавности вращения. Указанное сглаживающее распределение сил уменьшает вибрацию, делая двигатель идеальным средством для случаев применения, в которых требуется тишина и минимальная вибрация, создаваемая двигателем, в таких как морские суда, подводные лодки и тяжелые машины. Для специалистов очевидно, что добавление дополнительных путей для электрического тока способствует улучшению однородности распределения сил, действующих на ротор, в результате чего может быть достигнут повышенный вращающий момент.

[00102] На фиг. 38 и 39 показан другой механизм для передачи электрического тока между последовательно пакетированными роторами. В данном примере для токопередачи используется токопроводящая текучая среда. Использование токопередающего механизма на основе текучей среды имеет некоторые преимущества по сравнению с токопередающим механизмом на основе твердой щетки, такие как уменьшенные фрикционные потери, уменьшенное изнашивание, облегченное техническое обслуживание, причем допустимая токовая нагрузка также может быть увеличена за счет увеличения площади и объема контактирования, а также за счет упрощения конструкции, не требующей использования сложных щеткодержателей.

[00103] На фиг. 38 показана одна сторона узла 1000 статора на основе текучей среды согласно одному варианту реализации настоящего изобретения. Как показано на чертеже узел 1000 статора выполнен в форме составного диска, который содержит наружный диск 1001 и внутренний диск 1003. Диски 1001 и 1003 разнесены на некоторое расстояние друг от друга для формирования между ними канала 1002 для текучей среды. В наружной периферийной области внутреннего диска 1003 и внутренней части периферийной стенки наружного диска 1001 предусмотрены уплотнения.

[00104] Как показано на фиг. 39, наружный диск 1001 имеет отверстие 1005, ведущее в канал 1002 для текучей среды, расположенное рядом с втулкой 1006 внутреннего диска 1003. Вокруг втулки 1006 и вокруг периферийной области отверстия 1005 установлены уплотнения 1007. Специалисту понятно, что указанные уплотнения необходимы для предотвращения утечки текучей среды при взаимодействии контактной части расположенных рядом роторов с каналом для текучей среды.

[00105] На фиг. 40 показано расположение узла 1000 статора на основе текучей среды и роторов 1100₁, 1100₂, 1100₃, 1100₄. Как показано на чертеже, роторы 1100₂, 1100₃, 1100₄ установлены на промежуточной секции вала 1101₂, причем ротор 1100₁ установлен на выходной секции 1101₃ вала 1101. Как и в описанном выше примере, промежуточная секция 1101₂ выполнена из изоляционного/изолирующего материала для предотвращения закорачивания между роторами и токопроводящими секциями вала. Между каждым из роторов 1100₁, 1100₂, 1100₃, 1100₄ расположен узел 1000₁, 1000₂, 1000₃ статора, причем узлы статора в данном случае расположены с возможностью передачи электрического тока от наружного радиуса предыдущего ротора к внутреннему радиусу следующего ротора.

[00106] Как показано на чертеже, каждый узел статора установлен таким образом, что вал 1101 проходит через каждую втулку 1006 узлов 1000₁, 1000₂, 1000₃ статора, так что контактные поверхности расположенных рядом роторов удерживаются внутри отверстий 1005 каждого 1000₁, 1000₂, 1000₃ узла статора и сообщаются с каналом 1002 для текучей среды. Уплотнения 1007 охватывают секцию контактных поверхностей ротора для надежной изоляции по текучей среде между токопередающим механизмом и ротором. Схожим образом, контактная поверхность на ободе каждого ротора 1100₁, 1100₂, 1100₃, 1100₄ взаимодействует внутри канала 1002 для текучей среды с уплотнениями 1004, формирующими между ними непроницаемый для текучей среды барьер.

[00107] В настоящем примере токопередающий механизм является неподвижным относительно уплотнений 1004 и 1007, которые являются вращающимися уплотнениями, выполненными с возможностью перемещения роторов 1100₁, 1100₂, 1100₃, 1100₄, с которым они связаны. Токопередающие механизмы выполнены с возможностью некоторого бокового перемещения в направлении от роторов, вызванного естественной сжимаемостью текучей среды, и как таковое скользящее уплотнение не требуется. Специалисту понятно, что в данной конструкции токопередающего механизма, показанного на фиг. 38-40, текучая среда может быть введена в канал 1002 для текучей среды только после размещения контактных поверхностей роторов внутри уплотнений 1004, 1007. В таких случаях наружный диск 1001 может содержать уплотняемый порт для текучей среды для обеспечения инжекции текучей среды в канал 1002. Специалисту также понятно, что токопроводящая текучая среда может быть любой соответственно устойчивой токопроводящей текучей средой, такой как серная кислота, соляная кислота или другие подходящие кислоты, гидроокись натрия, хлористый натрий, азотнокислое серебро, гидроокись калия или другие подходящие ионные или электролитические текучие среды. В некоторых случаях текучая среда может быть металлом в жидкой фазе, таким как ртуть, сплав Вуда, сплав Розе, сплав Филдса, сплав Bi-Pb-Sn-Cd-In-Ti, галлий и т.п.

[00108] Как описано в отношении приведенных выше примеров, указанные роторы предназначены для размещения в сильном магнитном поле для индуцирования необходимого вращающего момента. В описанных выше примерах использован соленоид, выполненный из ВТСП материала, и в частности, из ВТСП ленты, такой как ВТСП лента на основе сплава BSCCO (оксид висмута, стронция, кальция, меди). Альтернативой использованию ВТСП ленты является использование ВТСП провода на основе MgB₂. Провод из MgB₂ недавно стал более доступным и присутствует в продаже в широком диапазоне сечений и длин. Имеются некоторые преимущества использования провода из MgB₂ по сравнению с ВТСП лентой: во-первых, указанный провод имеет намного более низкую погонную стоимость (MgB₂ в настоящее время стоит примерно 3-4 доллара США за метр по сравнению с лентой из сплава BSCCO, которая стоит в пределах 25 долларов США за метр). Поведение коэффициента Jc/Jco для перпендикулярно ориентированного внешнего поля такое же, что и в случае параллельно ориентированного внешнего поля. Следовательно, потребность в пассивном магнитопроводе является сниженной или устранена совсем благодаря тому, что поведение коэффициента Jc/Jco для перпендикулярно ориентированного внешнего поля приближено к поведению коэффициента Jc/Jco для параллельно ориентированного внешнего поля.

[00109] Выгодные характеристики сплава MgB₂ в отношении коэффициента Jc/Jco для перпендикулярных и параллельных внешних полей позволяют реализовать конструкцию узла катушки возбуждения с уменьшенным весом, поскольку отсутствует потребность в пассивных магнитопроводах (т.е. стальных магнитопроводах). Благодаря уменьшенному использованию стали, возвратный путь поля имеет некоторые преимущества в отношении однородности поля возбуждения как в осевом, так и в радиальном направлениях. Таким образом, проектные решения могут компенсировать потребность в однородности поля за счет снижения веса в зависимости от конечного целевого случая применения двигателя.

[00110] Другое преимущество использования в качестве материала для проводов сплава MgB₂ или других сверхпроводящих материалов, которые отличаются небольшим или нулевым различием между характеристиками для параллельно или перпендикулярно ориентированных полей, состоит в том, что указанный сплав позволяет использовать активные магнитопроводы. Пример использования активных магнитопроводов показан на фиг. 41. Две катушки 1202, 1203 с противоположно ориентированными магнитными полями размещены с обеих сторон первичной обмотки 1201. Указанные наружные катушки сжимают и отклоняют силовые линии поля. Указанный способ позволяет управлять полем первичной обмотки для минимизации поля рассеяния вдоль оси соленоида. Использование указанного активного экранирования является возможным только в случае использования провода из сплава MgB₂ или эквивалентного материала, для которого различие между характеристиками в перпендикулярно и параллельно ориентированных полях является незначительным. Дополнительная концентрация поля в концах соленоида возбуждения, обеспеченная присутствием дополнительных экранирующих катушек, может привести к существенному уменьшению допустимых значений тока для ВТСП проводов 1-го и 2-го поколений.

[00111] Указанные преимущества активного экранирования являются наиболее очевидными в случае использования провода из сплава MgB₂, когда потребность в больших стальных магнитопроводах устранена, в результате чего уменьшен вес, но также и увеличены поля рассеяния в осевом направлении. Использование активных экранов может устранять или может не устранять потребность в дальнейшем пассивном экранировании с использованием экранирующих материалов на основе железа или никеля в зависимости от целевых случаев применения и подведомственных стандартов на ограничение рассеяния магнитного поля.

[00112] На фиг. 42 показана конструкция двигателя 1300 согласно одному варианту реализации настоящего изобретения. Как показано на чертеже, двигатель 1300 содержит основной корпус 1301, в котором размещены криогенный блок 1302 и узел 1303 ротора (показанный на фиг. 43). Двигатель также содержит вторичные корпусы 1304₁, 1304₂, расположенные с обоих концов основного корпуса 1301. Вторичные корпусы 1304₁, 1304₂ в данном случае содержат узлы щеток для подачи тока возбуждения в двигатель. Каждый из вторичных корпусов 1304₁, 1304₂ может быть оснащен охлаждающим средством. В данном примере охлаждающие средства выполнены в форме последовательности вентиляторов для продувания воздуха сквозь узел ротора.

[00113] На фиг. 43 более подробно показано внутреннее расположение двигателя. Как показано на чертеже, двигатель 1300 состоит из множества модульных компонентов для облегчения доступа и замены указанных компонентов при техническом обслуживании. Основной корпус 1301 поддерживает криогенный блок 1302, который в данном примере содержит криогенное охлаждающее устройство 1305 на основе пульсационной трубы, смонтированное на стороне криогенного корпуса 1306, установленного внутри корпуса. Криогенный корпус 306 заключает в себе основной ВТСП соленоид 1307 в криогенной оболочке. Криогенное охлаждающее устройство имеет размер, походящий для обеспечения рабочей температуры узла катушки примерно 20°K (-253°С). Криогенное охлаждающее устройство соединено с медными охлаждающими пальцами, которые формируют теплопроводящий путь к каждой из катушек на узле катушек.

[00114] Как и в описанных выше примерах, ВТСП соленоид обеспечивает статическое поле возбуждения, с которым электрический ток в узле ротора взаимодействует для вырабатывания движущей силы. Проектные значения и критерии для обмоток возбуждения подробно описаны выше. В показанном на чертеже примере соленоид состоит из 60 катушек из сплава BSCCO, изготовленных компанией Sumitomo Corp., каждая из которых имеет внутренний диаметр 340 мм и наружный диаметр 377,12 мм (64 витка провода диаметром 0,29 мм). Рабочий электрический ток соленоида составляет 200 А, в результате чего средняя индукция магнитного поля составляет 2,5 Тл вдоль центрального отверстия. Полная длина узла катушки составляет 308,2 мм.

[00115] Как можно видеть в данном примере, криогенный корпус 1306 в целом имеет цилиндрическую конструкцию и имеет отверстие для приема узла ротора. Как показано на чертеже, криогенная оболочка сформирована между наружной стенкой 1306₁ и внутренней стенкой 1306₂ корпуса 1306, причем узел ротора размещен в отверстии 1308, сформированном между внутренними стенками корпуса 1306.

[00116] Узел 1309 ротора в данном случае имеет общую конструкцию, описанную выше и показанную на фиг. 33 и 34. Узел в данном случае в основном состоит из 6 роторов 1309₁, 1309₂, 1309₃, 1309₄, 1309₅ и 1309₆, которые расположены на изолированной секции 1310₂ вала 1310. Между каждым ротором расположены узлы 1311₁, 1311₂, 1311₃, 1311₄, 1311₅ и 1311₆ статора, описанные и показанные на фиг. 35 и 36. Узлы статора последовательно передают электрический ток посредством узлов щеток от обода предыдущего ротора к втулке следующего ротора. При протекании электрического тока через роторы индуцированная сила преобразуется во вращающий момент на валу 1310. Как показано на чертеже, вал 1310 в данном случае установлен на паре подшипников 1312₁, 1312₂. Подшипники 1312₁, 1312₂ предпочтительно являются керамическими, поскольку использование стандартных металлических подшипников может вызвать большее вращательное торможение из-за их близости к сильному магнитному полю. Как и в описанных выше примерах, вал имеет полую конструкцию для размещения усиливающего стержня 1320.

[00117] Как можно видеть в данном примере, вал проходит за пределы отверстия 1308 и основного корпуса 1301 сквозь проходы 1313₁, 1313₂, расположенные в съемных узлах концевых крышек 1314₁, 1314₂, во вторичные корпуса 1304₁, 1304₂. Концевые крышки 1314₁, 1314₂ в данном случае уплотняют основной корпус 1301 и отверстие 1308, за исключением проходов 1313₁, 1313₂. Концевые крышки 1314₁, 1314₂ в данном конкретном примере содержат множество стальных пластин 1315₁, 1315₂, 1315₃, 1315₄, которые действуют в качестве магнитопроводов. Конструкция концевых крышек обеспечивает возможность выборочного удаления/добавления пластин для изменения размеров магнитопроводов. Для специалистов очевидно, что в случае выполнения основного соленоида из сплава MgB₂, стальные пластины могут быть заменены активными магнитопроводами, как описано выше.

[00118] Вторичные корпусы 1304₁, 1304₂ прикреплены к каждому из узлов концевой крышки. Специалисту понятно, что узел ротора испытывает фрикционный и резистивный нагрев. Вторичные корпусы 1304₁, 1304₂ в целом имеют форму воронки для направления потока воздуха от вентиляторов сквозь проходы 1313₁, 1313₂ и отверстие 1308 и таким образом охлаждения узла 1309 ротора. Кроме того, расширяющаяся форма вторичного корпуса также обеспечивает возможность размещения в нем соответствующих входных щеток 1316₁ и выходных щеток 1316₂, которые расположены таким образом, что входят в контакт с входной секцией 1310₁ и выходной секцией 1310₃ вала 1310. В показанном примере вал 1310 также проходит за пределы вторичных корпусов для соединения с различными средствами для передачи вращающего момента, включая узлы зубчатой передачи, цепной передачи или тому подобное средство, или непосредственно с ведущим компонентом, таким как колесо, рабочее колесо, цепь и т.п. Для специалистов очевидно, что указанные механизмы для передачи вращающего момента должны быть электрически изолированы от вала 1310. Это может быть осуществлено нанесением изоляционного покрытия на вал, на передающие вращающий момент или приводные механизмы.

[00119] Соленоид, используемый в настоящем примере, имеет почти "квадратный" коэффициент формы. Наружный диаметр соленоида составляет 377,12 мм, и длина соленоида составляет 308,2 мм. Опыт и бесчисленные модели показали, что указанный квадратный профиль позволяет вырабатывать максимальное поле в необходимой рабочей области для данной длины ВТСП ленты. Квадратный профиль также имеет дополнительное преимущество, состоящее в его масштабируемости. Т.е., для данного масштабирующего множителя (в описанном выше примере у=1/2х) распределение поля во внутреннем отверстии соленоида остается неизменным как при увеличении, так и при уменьшении размеров (без изменения напряженности поля). Имеющий важное значение факт состоит в том, что поведение поля в проводе также остается почти тем же самым, так что количество витков, необходимое для достижения целевого рабочего поля, остается идентичным или почти идентичным. Это относится как к проводу 1-го поколения, так и к проводу 2-го поколения, при условии, что размер стальных магнитопроводов пропорционален размеру катушек.

[00120] На фиг. 44 показаны пути протекания электрического тока в двигателе 1300. Как можно видеть на чертеже, ток возбуждения (обозначенный фигурными стрелками) подают во входную секцию 1310₁ вала 1310 посредством входных щеток. Электрический ток протекает от вала к узлам щеток, расположенных вокруг обода статора первого узла 1311₁, затем электрический ток протекает по соответствующим щеткам, расположенным рядом с ободом и по проводам, расположенным между парами щеток. Узлы щеток, расположенные рядом с ободом статора узла 1311₁, находятся в прямом контакте с ободом первого ротора 1309₁, в результате чего электрический ток протекает от обода ротора к втулке. Втулка находится в прямом контакте с узлами щеток втулки статора 1311₂. Затем электрический ток протекает от узлов щеток втулки к узлам щеток обода статора. Щетки обода узла 1311₂ второго статора находятся в прямом контакте с ободом второго ротора 1309₂, в результате чего электрический ток протекает от статора 1311₂ по ротору 1309₂ к втулке, от которой ток затем передается узлу щеток втулки третьего статора 1311₃. Описанный выше процесс токопередачи аналогично происходит в остальных статорах 1311₃, 1311₄, 1311₅ и 1311₆ и роторах 1309₃, 1309₄, 1309₅, т.е., электрический ток проходит от втулки к ободу и от обода к втулке расположенных рядом статоров и роторов. Ротор 1309₆ передает электрический ток от узла ротора к выходной секции 1310₃ вала, которая в свою очередь соединена с выходными щетками 1316₂ (не показаны), завершающими схему последовательного соединения в двигателе.

[00121] На фиг. 45 показана конструкция узла ротора для вставления в центральное отверстие 1308 криогенного корпуса 1306. Как показано на чертеже, роторы и статор узла установлены на промежуточной секции вала 1310₂ между концевыми пластинами 1317₁, 1317₂. Концевые пластины 1317₁, 1317₂, которые несут подшипники 1312₁, 1312₂, выполненные с обеспечением возможности вращения вала при приложении тока возбуждения к узлу статора ротора. Как можно видеть на чертеже, в данном случае концевые пластины 1317₁, 1317₂ соединены вместе последовательностью распорок 1318₁, 1318₂, 1318₃, 1318₄ и 1318₅. Распорки 1318₁, 1318₂, 1318₃, 1318₄ и 1318₅ проходят между концевыми пластинами поверх роторов и статоров. Распорки в данном случае выполнены из непроводящего материала, такого как подходящий волокнит, например, Garolite.

[00122] На фиг. 46 показан в разрезе вид узла ротора и показано взаимодействие между распорками, роторами и статорами. Как можно видеть на чертеже, каждая из распорок 1318₁, 1318₂, 1318₃, 1318₄ и 1318₅ имеет фасонную поверхность 1319. Профиль в данном случае создан углубленной секцией 1319₁ для приема секции обода роторов. Поднятые секции 1319₂ фасонной поверхности взаимодействуют со статорами обода, и в частности, углубленная секция, выполненная в ободе статора. Она предназначена для фиксации статоров и предотвращает их вращение.

[00123] Как можно видеть из описанного выше примера, двигатель имеет модульную конструкцию. Такое расположение обеспечивает возможность извлечения различных компонентов из двигателя с относительной легкостью во время технического обслуживания и т.п. Кроме того, такая конструкция обеспечивает возможность упрощенной замены компонентов, в результате чего может быть сокращено общее время простоя.

[00124] На фиг. 47 показан поперечный разрез двигателя 1400 согласно одному варианту реализации настоящего изобретения. Как показано на чертеже, двигатель 1400 состоит из множества модульных компонентов для обеспечения облегченного доступа и замены компонентов во время технического обслуживания. Основной корпус 1401 поддерживает криогенный блок 1402, который в данном примере содержит криогенное охлаждающее устройство 1405 на основе пульсационной трубы, установленное на стороне криогенного корпуса 1406, установленного внутри основного корпуса. Криогенный корпус 1406 заключает в себе основной ВТСП соленоид 1407 в криогенной оболочке. Криогенное охлаждающее устройство имеет размер, походящий для обеспечения рабочей температуры узла катушки примерно 20 K (-253°С). Криогенное охлаждающее устройство соединено с медными охлаждающими пальцами, которые формируют теплопроводящий путь к каждой из катушек на узле катушек.

[00125] Как и в описанных выше примерах, ВТСП соленоид обеспечивает статическое поле возбуждения, с которым электрический ток, протекающий в узле ротора, взаимодействует для вырабатывания движущей силы. Проектные значения и критерии для обмоток возбуждения подробно описаны выше. Рабочий электрический ток соленоида составляет 200 А, в результате чего средняя индукция магнитного поля составляет 2,5 Тл вдоль центрального отверстия.

[00126] Как можно видеть в данном примере, криогенный корпус 1406 в целом имеет цилиндрическую конструкцию и имеет отверстие для приема узла ротора. Как показано на чертеже, криогенная оболочка сформирована между наружной стенкой 1406₁ и внутренней стенкой 1406₂ корпуса 1406, причем узел ротора размещен в отверстии 1408, сформированном между внутренними стенками корпуса 1406.

[00127] Узел 1410 ротора в данном случае отличается от описанных выше примеров тем, что выполнен с возможностью противовращения. В данном случае узел 1410 ротора соединен с внутренним валом 1411, а узел 1412 статора прикреплен к наружному валу 1413. Роторы и статоры имеют конструкцию, подобную конструкции роторов и статоров, описанных выше и показанных на фиг. 33-35. Как показано на чертеже, наружный вал 1413 имеет полую конструкцию с внутренним валом 1411, проходящим сквозь оба вала, установленные на подшипниках 1414. Если электрический ток в статорах 1412 протекает в противоположном направлении относительно направления тока, протекающего в роторах, указанные статоры могут вращаться в направлении, противоположном направлению вращения роторов. Таким образом, наружный вал 1413 вращается в направлении, противоположном направлению вращения внутреннего вала 1411. Ниже приведено более подробное описание узлов ротора и статора.

[00128] Как можно видеть из чертежа, в данном примере валы проходят за пределы отверстия 1408 и корпуса 1401 сквозь проходы 1415₁, 1415₂ в узлах съемных концевых крышек 1416₁, 1416₂. Концевые крышки 1416₁, 1416₂ в данном случае уплотняют как основной корпус 1401, так и отверстие 1408, за исключением проходов 1415₁, 1415₂. Концевые крышки 1416₁, 1416₂ могут содержать множество стальных пластин, которые действуют в качестве магнитопроводов. Конструкция концевых крышек обеспечивает возможность выборочного удаления/добавления пластин для изменения размеров магнитопроводов. Для специалистов очевидно, что если основной соленоид выполнен из проводов MgB₂ или других сверхпроводящих проводов, которые отличаются небольшим или нулевым различием между характеристиками для параллельно ориентированного поля или характеристиками для перпендикулярно ориентированного поля, стальные пластины могут быть заменены активными магнитопроводами, описанными выше.

[00129] На фиг. 48 узел ротора показан более подробно, и как показано на чертеже, узел ротора содержит последовательность роторов 1410₁, 1410₂, 1410₃, 1410₄, установленных на валу 1411. Вал 1411 расположен коаксиально относительно центральной оси роторов 1410₁, 1410₂, 1410₃, 1410₄. В данном конкретном примере роторы 1410₁, 1410₂, 1410₃, 1410₄ прикреплены к валу 1411, который выполнен с возможностью свободного вращения. Для специалистов очевидно, что вал может быть зафиксирован, в то время как роторы 1410₁, 1410₂, 1410₃, 1410₄ могут быть выполнены с возможностью свободного вращения вокруг вала 1411. В такой конструкции роторы 1410₁, 1410₂, 1410₃, 1410₄ могут быть установлены на валу 1411 посредством подшипников, обеспечивающих возможность вращения каждого ротора независимо от вала 1411.

[00130] В настоящем примере роторы имеют конструкцию, подобную конструкции роторов, описанных выше со ссылкой на фиг. 3 и 33, и содержат обод, который соединен с втулкой посредством множества спиц. Роторы 1410₁, 1410₂, 1410₃, 1410₄ в данном случае содержат контактные области 1417₁, 1417₂, расположенные рядом с ободом и втулкой. Контактные области предназначены для контакта с узлами щеток, установленными на токопередающих механизмах (корпусах статора), расположенных между смежными роторами.

[00131] Более подробный вид узла 1412 статора показан на фиг. 49, на котором показано, что узел статора содержит множество корпусов 1418₁, 1418₂, 1418₃, 1418₄, 1418₅ статора. Каждый из корпусов 1418 статора в данном случае имеет конструкцию, подобную конструкции статора, описанной выше со ссылкой на фиг. 35 и 36. В частности, каждый корпус 1418 статора состоит из двух секций, которые сплавлены вместе для формирования статора. Корпус статора в данном конкретном примере выполнен из алюминия или титана для снижения общего веса, причем для дополнительного уменьшения общий веса статоров может быть уменьшено количество материала в областях минимальной нагрузки. В дополнение к снижению общего веса статора, вырезы также обеспечивают более эффективное принудительное охлаждение узла статора.

[00132] Каждый корпус 1418 статора содержит множество пар 1409 металловолоконных щеток для передачи электрического тока между расположенными рядом роторами. Выбранные металловолоконные щетки имеют сечение 23 мм × 35 мм и допустимый ток 330 А на одну щетку. Статор и щетки расположены таким образом, что электрический ток направлен от наружного радиуса предыдущего ротора к внутреннему радиусу следующего ротора. Для компенсации постепенного износа щеток использованы плоские пружины, обеспечивающие возможность осевого перемещения узлов щеток. Кроме того, указанные пружины создают небольшое давление на щетку для обеспечения непрерывного взаимодействия между металловолоконными щетками и расположенным рядом ротором. Узлы щеток также содержат шунты, которые соединены гибким проводом. Указанный провод завершает возвратный путь электрического тока от внутренней щетки до наружной щетки.

[00133] Как показано на чертеже, статоры прикреплены к кронштейну 1419, который обоими концами прикреплен к наружному валу 1413. Набор неподвижных входных и выходных токосъемных контактных колец 1420 предназначен для подачи электрического тока в узлы статоров роторов. Для специалистов очевидно, что кронштейн 1419 выполнен из электрически изоляционного материала для предотвращения закорачивания между валом и статорами.

[00134] На фиг. 50 показан узел 1410 ротора, установленный на место относительно узла 1412 статора. Как показано на чертеже, каждый из роторов 1410₁, 1410₂, 1410₃, 1410₄ чередуется между каждым из статоров 1418₁, 1418₂, 1418₃, 1418₄, 1418₅. Набор прокладок 1421 расположен между внутренним валом 1411 и статорами 1418₁, 1418₂, 1418₃, 1418₄, 1418₅. Прокладки 1421 поддерживают и центруют внутренний вал 1411 внутри наружного вала 1413. Кроме того, прокладки 1421 предотвращают закорачивание между роторами и статорами. Как можно видеть на чертеже, дополнительный статор 1418₆ используется в данном случае для передачи электрического тока к входному контактному кольцу 1420.

[00135] На фиг. 51 показано протекание электрического тока в двигателе. Как показано на чертеже, электрический ток подается в систему от источника питания ротора посредством нескольких параллельных щеток, которые отделяют неподвижный корпус криостата от вращающихся секций турбины. Путь электрического тока проходит через первый ротор, который прикреплен посредством изоляционной прокладки 1421 к внутреннему валу. Как показано на чертеже, каждый из роторов соединен с внутренним валом посредством изоляционной прокладки 1421, которая предотвращает закорачивание между роторами и валом и статорами. Затем электрический ток протекает последовательно по остальным парам роторов/статоров до конечного набора щеток, которые питают неподвижное кольцо выходного тока, которое является началом возврата электрического тока в источник питания ротора.

[00136] В каждом из роторов электрический ток протекает от обода к втулке, в то время как электрический ток в каждом из статоров протекает от втулки к ободу. Поскольку в роторах и статорах электрический ток протекает в противоположных направлениях, взаимодействие с главным полем возбуждения вырабатывает равные и противоположные вращающие моменты, вызывающие вращение внутреннего вала 1411 и наружного вала 1413 в противоположных направлениях. Затем вращающий момент, сгенерированный указанными валами, может быть выведен с использованием различных зубчатых передач наружу в двигатель 1400.

[00137] В турбине/двигателях, описанных выше, использована последовательная подача электрического тока. Следующие конструкции, описанные ниже, питаются электрическим током по параллельной схеме. Конфигурация параллельной токопередачи требует использования низковольтного электрического тока большой силы, который является идеальным для влажных условий, подобных среде, в которой работают двигатели морских судов.

[00138] В параллельной конфигурации роторы установлены непосредственно на выходном валу (или являются частью единой системы ротора и вала). Таким образом, при параллельной конфигурации отсутствует необходимость электрической изоляции роторов друг от друга. Такая конфигурация значительно упрощает конструкцию, поскольку ротор и вал могут иметь фиксированное электрически проводящее соединение или могут быть выполнены за единое целое.

[00139] Кроме того, удаление внутренних щеток позволяет увеличить эффективный рабочий радиус. Внутренние щетки занимают полезное пространство вокруг внутреннего диаметра, в результате чего рабочая область лопаток должна быть смещена в направлении от вращающейся оси. В параллельной конструкции внутренние щетки отсутствуют, в результате чего рабочая длина лопаток может быть увеличена.

[00140] Щетки установлены в периферийной области каждого ротора, и электрический ток протекает к центральному валу, вдоль вала к выходным щеткам. На роторах присутствует положительная полярность, и на щетках выходного вала присутствует отрицательная полярность, но такое распределение полярностей может быть реверсировано.

[00141] На фиг. 52 показана турбина 1500, выполненная с возможностью параллельной подачи тока согласно одному варианту реализации настоящего изобретения. Как показано на чертеже, турбина 1500 содержит криостат 1501, в котором заключен ВТСП соленоид 1502, который обеспечивает статическое магнитное поле возбуждения. Проектные значения и критерии для обмоток возбуждения подробно описаны выше.

[00142] В отверстии криостата расположен узел 1503 ротора, который содержит множество роторных дисков 1503₁, 1503₂, 1503₃, 1503₄, 1503₅, 1503₆, имеющих конструкцию, подобную конструкции роторов, описанных выше, причем указанные диски соединены непосредственно с ведущим валом 1504. Роторы соединены с входной собирающей ток шиной 1505, которая в данном случае формирует положительный вывод. Как можно видеть на чертеже, вал 1504 проходит через входную собирающую ток шину. Для специалистов очевидно, что вал 1504 электрически изолирован от входной собирающей ток шины для предотвращения закорачивания.

[00143] Набор выходных щеток 1506 (отрицательный вывод) расположен в конце вала, противоположном концу с входной собирающей шиной. Выходные щетки в данном случае содержатся внутри токопроводящей цилиндрической конструкции. Как можно видеть на чертеже, вал 1504 проходит за пределы выходных щеток. Таким образом, в настоящем примере вращающий момент, генерируемый на валу 1504, может быть отобран в нескольких точках с обеих сторон выходных щеток 1506.

[00144] На фиг. 53 показано протекание электрического тока в турбине, показанной на фиг. 52. Электрический ток, поданный на входную собирающую ток шину 1505, передается к ободу каждого из дисков ротора посредством последовательности токопроводящих щеток 1507. Затем ток проходит по роторам к валу 1504 и выходным щеткам 1506.

[00145] На фиг. 54 показана конфигурация расположенных друг за другом турбин, описанных выше и показанных на фиг. 52. Как показано на чертеже, указанная конфигурация содержит основную турбину 1601 и вторичную турбину 1602, которая заменяет выходные щетки 1506 в описанной выше конфигурации. Одиночный вал 1603 использован для соединения указанных двух турбин. Действие турбин, расположенных в конфигурации друг за другом, может быть более понятным со ссылкой на фиг. 55, на котором показано протекание электрического тока в турбине.

[00146] Как можно видеть на фиг. 55, электрический ток проходит по входной собирающей шине 1604 к роторам 1605 основной турбины 1601. Затем электрический ток передается от роторов 1605 к валу 1603. Затем электрический ток протекает вдоль вала 1603 к роторам 1606 вторичной турбины 1602. Затем электрический ток проходит по роторам 1606 к выходной собирающей ток шине 1607. Для обеспечения равномерного вращения вала магнитное поле во вторичной турбине 1602 имеет полярность, противоположную полярности основной турбины 1601.

[00147] На фиг. 56 показан другой вариант конфигурации турбин, расположенных друг за другом. По-прежнему, конфигурация содержит основную турбину 1601 и вторичную турбину 1602, которая заменяет выходные щетки 1506 в описанной выше конфигурации. Вал 1603 основной турбины 1601 соединен с валом 1608 вторичной турбины посредством токопроводящего скользящего соединения 1609.

[00148] Как можно видеть на фиг. 57, электрический ток протекает по входной собирающей ток шине 1604, по роторам 1605 основной турбины 1601. Затем электрический ток передается от роторов 1605 к валу 1603. Затем электрический ток протекает вдоль вала 1603 к одной стороне скользящего соединения 1609, затем передается на противоположную сторону скользящего соединения 1609 посредством набора щеток 1610. Затем электрический ток протекает вдоль вала 1608 к роторам 1606 вторичной турбины 1602. Затем электрический ток передается по роторам 1606 к выходной собирающей ток шине 1607. В результате использования указанной конфигурации магнитное поле во вторичной турбине 1602 может иметь ту же полярность, что и поле в основной турбине 1601.

[00149] На фиг. 58 показана еще одно конфигурация параллельной подачи тока согласно одному варианту реализации настоящего изобретения. Данная конструкция подобна конструкции, описанной выше со ссылкой на фиг. 52. Аналогично, турбина 1700 содержит криостат 1701, в котором заключен ВТСП соленоид 1702, создающий статическое магнитное поле возбуждения. Проектные значения и критерии для обмоток возбуждения подробно описаны выше. Внутри отверстия криостата расположен узел 1703 ротора. Узел ротора в данном случае в основном является полым и содержит барабан 1704, который своими обоими концами соединен с ведущим валом 1705. Барабан соединен с входной собирающей ток шиной 1706, которая в данном случае представляет собой положительный вывод. Как можно видеть на чертеже, вал 1705 проходит сквозь входную собирающую ток шину 1706 с использованием подшипниковой опоры. Для специалистов очевидно, что подшипник электрически изолирован от входной собирающей шины для предотвращения закорачивания.

[00150] Как можно видеть на фиг. 59, электрический ток проходит по входной собирающей ток шине 1706, передается на наружную поверхность барабана 1704, протекает по концевым соединениям на вал 1704 и протекает к выходным щеткам 1707.

[00151] На фиг. 60 показана еще одна конфигурацию параллельной подачи тока согласно одному варианту реализации настоящего изобретения. Данная конструкция подобна описанной выше со ссылкой на фиг. 52 и 58. В данном случае турбина 1800 содержит криостат 1801, в котором заключен ВТСП соленоид 1802, обеспечивающий статическое магнитное поле возбуждения. Проектные значения и критерии для обмоток возбуждения подробно описаны выше. Внутри отверстия криостата расположен узел 1803 ротора. Узел ротора в данном случае в основном является полым и содержит барабан 1804, который соединен посредством центрального ребра 1805 с ведущим валом 1806. Барабан 1804 соединен с входной собирающей ток шиной 1807, которая в данном случае представляет собой положительный вывод. Как можно видеть на чертеже, вал 1806 проходит сквозь входную собирающую ток шину 1807 с использованием подшипниковой опоры. Для специалистов очевидно, что подшипник электрически изолирован от входной собирающей шины для предотвращения закорачивания.

[00152] Как можно видеть на фиг. 61, электрический ток проходит по входной собирающей ток шине 1807, передается на наружную поверхность барабана 1804, протекает по ребру 1805 к валу 1806 и к выходным щеткам 1808.

[00153] Другая возможная конструкция с параллельной конфигурацией питания турбины показана на фиг. 62. Данная конструкция подобна описанным выше конструкциям и содержит криостат 1901, в котором заключен ВТСП соленоид 1902, который обеспечивает статическое магнитное поле возбуждения. Проектные значения и критерии для обмоток возбуждения подробно описаны выше. В отверстии криостата расположен узел 1903 ротора. Узел ротора в данном случае расположен рядом с цельным барабаном 1904, который соединен непосредственно с ведущим валом 1905. Барабан 1904 соединен с входной собирающей ток шиной 1706, которая в данном случае представляет собой положительный вывод. Как можно видеть на чертеже, вал 1905 проходит сквозь входную собирающую ток шину 1906 с использованием подшипниковой опоры. Для специалистов очевидно, что подшипник электрически изолирован от входной собирающей шины для предотвращения закорачивания.

[00154] Как показано на фиг. 63, электрический ток протекает по входной собирающей ток шине 1906, передается на наружную поверхность барабана 1904, к валу 1905 и протекает к выходным щеткам 1907.

[00155] Токопроводящие образующие жидкостный/флюидный контакт щетки, описанные выше, также могут быть использованы в конфигурациях с параллельной токопередачей. Токопроводящая текучая среда образует электрический контакт между ротором и источником тока (неподвижным или вращающимся во встречном направлении).

[00156] Просачиванию токопроводящей текучей среды препятствует соответствующее уплотнение. На фиг. 64 показана одна возможная конфигурация с параллельной токопередачей, в которой использована токопроводящая текучая среда. Турбина 2000 в данном случае содержит криостат 2001, в котором заключен ВТСП соленоид 2002, который создает статическое магнитное поле возбуждения. Проектные значения и критерии для обмоток возбуждения подробно описаны выше. Внутри отверстия криостата расположен узел 2003 ротора. Узел ротора в данном случае в основном является полым и содержит барабан 2004, который соединен посредством центрального ребра 2005 с ведущим валом 2006.

[00157] Наружная поверхность барабана 2004 содержит выемку 2007, в которой размещена токопроводящая текучая среда. Входная собирающая шина 2008 находится в контакте с указанной текучей средой и таким образом передает электрический ток барабану 2004, затем вдоль ребра 2005 к валу и выходным щеткам 2009.

[00158] На фиг. 65 показан переход между токопроводящей текучей средой и входной собирающей шиной 2008. Как можно видеть на чертеже, между выемкой 2007 барабана и наружной поверхностью собирающей шины 2008 установлены уплотнения 2011. Уплотнения удерживаются на месте концевыми крышками 2010.

[00159] Как указано выше, вращающий момент, генерируемый каждой/каждым из турбин/двигателей, может быть отобран с использованием различных средств для передачи вращающего момента. На фиг. 66 показана конструкция турбины, описанной выше со ссылкой на фиг. 47 (т.е., турбины с двумя валами, вращающимися в противоположных направлениях), соединенной с механизмом 2100 для передачи вращающего момента и выравнивания скорости вращения. Как показано на чертеже, механизм 2100 для передачи вращающего момента и выравнивания скорости вращения соединен с внутренним валом 1411 и наружным валом 1413 и имеет одиночный выходной вал.

[00160] На фиг. 67А и 67В показана в разрезе конструкция механизма 2100 для передачи вращающего момента и выравнивания скорости вращения. Как показано на фиг. 67А, механизм 2100 для передачи вращающего момента и выравнивания скорости вращения содержит дифференциальный редуктор. Указанная система обычно может быть размещена в корпусе со смазочным маслом, снабженном соответствующим уплотнением. Как можно видеть на чертеже, внутренний вал 1411 и наружный вал 1413 соединены с входными зубчатыми колесами 2101, 2102, которые взаимодействуют с парой прямозубых шестерен 2103. Все зубчатые шестерни и валы установлены с возможностью вращения на подшипниках 2104.

[00161] Как можно видеть на фиг. 67В, внутренний вал 1411 проходит сквозь выходной вал 2105 и связан с входным зубчатым колесом 2102, которое непосредственно связано с выходным валом 2105. Наружный вал 1413 связан с входным зубчатым колесом 2102, которое связано с выходными валами посредством прямозубых шестерен 2103, которые взаимодействуют с входным зубчатым колесом 2101.

[00162] На фиг. 68А и 68В показан другой вариант реализации механизма 2100 для передачи вращающего момента и выравнивания скорости вращения согласно одному варианту реализации настоящего изобретения. Как показано на чертеже, в системе в данном случае вместо конических зубчатых колес использовано цилиндрическое зубчатое колесо или геликоидальное зубчатое колесо. Выходной вал 2105 не является коаксиальным с входными валами 1411, 1413. Как можно видеть на чертеже, внутренний вал 1411 и наружный вал 1413 связаны с входными зубчатыми колесами 2101₁, 2101₂, которые связаны с зубчатыми колесами 2102₁, 2102₂, установленными на выходном валу 2105. Как можно видеть на фиг. 68В, наружный вал 1413 непосредственно связан с зубчатым колесом 2101₁, которое непосредственно взаимодействует с зубчатым колесом 2102₁, установленным на выходном валу. Внутренний вал 1411 проходит сквозь наружный вал и связан с зубчатым колесом 2101₂. Зубчатое колесо 2101₂ связано с зубчатым колесом 2102₂ посредством промежуточной прямозубой шестерни 2106 для передачи выходному валу 2105 вращения от внутреннего вала, которое совпадает с вращением, переданным от наружного вала 1413.

[00163] Основной принцип работы электромагнитной турбины состоит в вырабатывании силы реакции между несущим электрический ток проводником и неподвижным магнитным полем. Таким образом, может быть предсказана пиковая мощность устройства при предельной скорости и исследовано влияние масштабирования на мощность и быстродействие.

[00164] Основное уравнение для выработанной силы, действующей на несущий ток проводник в однородном перпендикулярно ориентированном магнитном поле имеет вид:

где В - индукция перпендикулярно ориентированного магнитного поля, Тл, i - общая сила электрического тока, протекающего в проводнике, А, l - полная длина пути электрического тока, м, и F - результирующая сила, Н.

Вращающий момент T, выработанный указанной силой, направленный вокруг центральной оси, может быть вычислен как:

где r - радиус диска. Для упрощенного случая, в котором длина l несущего электрический ток проводника проходит от оси вала до наружного радиуса диска, справедлива следующая формула:

[00165] Таким образом, можно показать, что вращающий момент двигателя изменяется в зависимости от квадрата радиуса дисков с лопатками, за исключением случаев небольших масштабов, в которых пространство, требующееся для щеток, уменьшает длину несущего электрический ток проводника.

[00166] Пиковая мощность устройства при рабочем токе может быть описана как:

где ω - угловая скорость, рад/с. Для скорости, измеренной в оборотах в минуту, уравнение имеет вид:

которое дает выходную мощность для данного количества оборотов в минуту. В случае электромагнитных турбин максимальная скорость ограничена максимальной скоростью щеток на наружной поверхности вращающегося снабженного лопатками диска. Используемые металловолоконные щетки имеют фиксированный порог окружной скорости (vmax) 90 м/с. Пиковая скорость вращения в об/мин может быть получена следующим образом:

[00167] Из этого вытекает, что максимальная скорость вращения диска обратно пропорциональна радиусу диска. Подстановка уравнений числа оборотов и силы в исходное уравнение для мощности дает следующее:

что может быть упрощено до:

[00168] В самом простом случае пиковая мощность, доступная для одиночной вращающейся лопатки, пропорциональна радиусу лопатки. При увеличении размеров двигателя вращающий момент увеличивается пропорционально квадрату радиуса лопатки, в то время как максимальная рабочая скорость вращения в об/мин уменьшается с увеличением радиуса. Это можно видеть на графиках, показанных на фиг. 69А-69С. На фиг. 69А показан график зависимости вращающего момента от диаметра ротора, в то время как на фиг. 69В показан график зависимости скорости вращения в об/мин от диаметра ротора, и наконец, на фиг. 69С показан график зависимости мощности от диаметра ротора.

[00169] Из описанного выше очевидно, что турбины/двигатели согласно настоящему изобретению могут быть легко масштабированы для получения необходимых рабочих мощности и скорости. На фиг. 70 показана одна возможная конфигурация для модели мощностью 10 МВт, которая представляет собой электродвигатель постоянного тока высокой плотности мощности с рабочим магнитным полем, имеющим индукцию 5 Тл, и полным постоянным электрическим током 10000 А. Указанный двигатель имеет пиковую рабочую скорость 2500 об/мин и 16 рабочих лопаток. Общий диаметр без компенсирующих катушек составляет примерно 1000 мм. С компенсирующими катушками наружный диаметр может быть увеличен в 1,5-2 раза. Общая длина без компенсирующих катушек составляет примерно 1200 мм.

[00170] На фиг. 71 показана диаграмма магнитного поля, выработанного соленоидом в конфигурации, показанной на фиг. 70. В дополнение к соленоиду, вокруг него расположены катушки для формирования внешнего поля и таким образом снижения требований к экранированию.

[00171] На фиг. 72 показан электродвигатель постоянного тока с высокой плотностью мощности, мощностью 40 МВт, рабочим магнитным полем, имеющим индукцию 5 Тл, и полным постоянным электрическим током 50000 А. Указанный двигатель имеет пиковую рабочую скорость вращения 180 об/мин и 32 рабочих лопатки. Он оптимизирован для применения в морских судах, т.е., имеет небольшую скорость вращения, причем выходные валы двигателя вращаются в противоположных направлениях для соответствия вращающимся в противоположных направлениях гребным винтам. Общий диаметр без компенсирующих катушек составляет примерно 2,5 м. С компенсирующими катушками наружный диаметр может быть увеличен 1,5-2 раза. Общая длина без компенсирующих катушек составляет примерно 2,5 м.

[00172] На фиг. 73А и 73В показано внутреннее расположение компонентов системы 2100 для выравнивания скорости вращения и вращающего момента, которая может быть согласована с турбиной, показанной на фиг. 72. Как можно видеть на фиг. 73А, наружный вал 1413 связан с конусным зубчатым колесом 2200. Внутренний вал 141 снабжен конусным зубчатым колесом 2201, которое посредством ряда прямозубых шестерен 2202 связано с конусным зубчатым колесом 2200, установленным на наружном валу 1413, как показано на фиг. 73В.

[00173] Одной потенциальной проблемой конструкции корпуса статора при использовании двух и большего количества соленоидов (как в подробно описанных выше примерах, в которых использована параллельная токопередача) является сила, выработанная между соответствующими соленоидами. Пренебрежение учетом величин сил при конструировании опорной конструкции для катушек может привести к разрушению узла статора. На фиг. 74 показана пара соленоидов, смоделированных программой Vector Field Opera 3d. В описанных выше соленоидах используются 4 компенсирующие катушки для приведения 5 поверхностей Гаусса (показанных последовательностью синих линий) ближе к корпусу катушек. Компенсирующие катушки воздействуют на силы притяжения или отталкивания между указанными двумя соленоидами.

[00174] Смоделированные катушки имеют тот же самый размер, что и соленоиды, используемые в конфигурации, показанной на фиг. 42. Внутренний диаметр соленоидов составляет 340 мм, и длина отдельных соленоидов составляет 308 мм. Средняя индукция поля, выработанная в центре, составляет 2,5 Тл, и пиковая индукция поля составляет 2,75 Тл. Расстояние между смежными концами соленоидов составляет 400 мм.

[00175] В случае, если компенсирующие катушки не используются, сила (F_z) притяжения или отталкивания между катушками вдоль центральной оси обеих катушек составляет приблизительно 28 кН. При использовании компенсирующих катушек силы, действующие на основные соленоиды, составляют приблизительно 6,5 кН. Не смотря на то, что основная нагрузка между указанными двумя соленоидами уменьшена, должны быть приняты меры для обеспечения соответствующей опоры для компенсирующих катушек, на которые в этой конфигурации действует осевая сила 40 кН.

[00176] В большей части турбин, описанных выше, отрицательные воздействия среды сильного магнитного поля на металловолоконные щетки минимизированы тем, что ориентация волокон щетки параллельна направлению магнитного поля. Этот способ не подходит в случае использования жидкометаллических щеток для передачи электрического тока между вращающимися токоведущими элементами и токоведущими поверхностями. Действие силы Лоренца путь электрического тока, созданный в проводящей среде жидкого металла, вызывает образование вихревых токов в жидкости. Образование указанных вихрей ограничивает рабочие характеристики несущих электрический ток щеток в высокоплотной среде магнитного поля. Способ совмещения направления волоконных элементов с направлением поля не может быть использован в случае жидкометаллических щеток, и, таким образом, существует необходимость в создании области с отсутствующим или уменьшенным магнитным полем, в котором могут работать указанные щетки.

[00177] Для правильного функционирования жидкометаллические щетки должны находиться в области сравнительно слабого магнитного поля. Разделение одиночного соленоида, использованного в предыдущей версии турбины, на два компонента приводит к значительному увеличению действительной рабочей длины и радиуса ротора, в результате чего значительно увеличивается вращающий момент и плотность энерговыделения машины в целом. Второе преимущество разделяющего промежутка состоит в том, что между катушками образуется область с взаимной компенсацией полей, в которой могут быть расположены жидкометаллические щетки.

[00178] Один пример турбины, в которой использована конструкция с раздельным соленоидом и жидкометаллическими щетками, показан на фиг. 75. Как можно видеть на чертеже, в данном примере соленоид 2300 разделен на два соленоида 2300₁, 2300₂ с промежутком между ними. Внутри указанного промежутка расположен ротор 2301. В данном конкретном примере ротор выполнен за одно целое с валом 2302. Электрический ток в данном случае протекает сквозь входной токопередающий узел 2303₁, расположенный вокруг наружной втулки ротора 2301, по валу 2302 и передается в выходной токопередающий узел 2303₂.

[00179] На фиг. 76 показана токопередача в турбине, показанной на фиг. 75. Как показано на чертеже, электрический ток протекает по наружному токопроводящему диску 2304, в токопроводящей текучей среде 2307 к наружному ободу ротора 2301. Токопроводящая текучая среда в данном случае представляет собой жидкий металл и находится в прямом контакте с наружным ободом ротора. Для специалистов очевидно, что взаимодействие ротора и токопроводящего диска осуществляется посредством вращающегося жидкостного уплотнения. Как показано на чертеже, электрический ток протекает от обода ротора к втулке и вдоль вала 2302 к выходному токопередающему узлу 2303₂. Как можно видеть на чертеже, вал 2302 в данном случае содержит выступ 2306, который находится в гидравлической связи с токопроводящей текучей средой 2307, расположенной между указанным выступом и наружным диском 2308. Выступ 2306 и токопроводящий диск 2308 расположены таким образом, что между ними сформировано уплотнение ротора для предотвращения утечки токопроводящей текучей среды во время работы.

[00180] На фиг. 77 показана диаграмму поведения магнитного поля, выработанного соленоидами. Как можно видеть на диаграмме, обведенные кружком области 2309 указывают области полной компенсации, в которых поле составляет меньше, чем 10% напряженности поля основного узла катушек.

[00181] Одно важное наблюдение в конструкции турбины, показанной на фиг. 75 и 76, состоит в том, что форма соленоидного узла может быть оптимизирована для подачи энергии к одиночному ротору. Моделирование поведения электромагнитного поля с использованием программы Vector Fields Opera 3d показало, что наиболее оптимальная форма катушки для описанной выше турбины уменьшает эффективную длину соленоида и в то же время позволяет увеличить число витков узла катушки. Таким образом, при небольшом уменьшении количества сверхпроводящего провода может быть достигнуто значительное сокращение необходимого объема турбины.

[00182] Ниже описан один вариант реализации турбины с модифицированными размерами катушки, который показан на фиг. 78. Как и в описанном выше примере, соленоид 2300 разделен на два соленоида 2300₁, 2300₂ с промежутком между ними. В указанном промежутке расположен ротор 2301. В данном конкретном примере ротор выполнен за одно целое с валом 2302. Электрический ток в данном случае протекает сквозь входной токопроводящий узел 2303₁, расположенный вокруг наружной втулки ротора 2301, по валу 2302 к выходному токопроводящему узлу 2303₂. В данном случае толщина соленоидов является значительно уменьшенной.

[00183] Как и в описанном выше примере, электрический ток подается к наружному токопроводящему диску 2304 посредством токопроводящей текучей среды 2307 и протекает к наружному ободу ротора 2301. Затем ток протекает от обода ротора к втулке и вдоль вала 2302 в выходной токопередающий узел 2300₂ посредством взаимодействия выступа 2306 с токопроводящим диском 2308.

[00184] На фиг. 79 показана диаграмма поля модифицированного узла катушки, показанного на фиг. 78. Обозначенные кружками области указывают область 2309 области полной компенсации, в которой поле составляет меньше, чем 10% от поля основного узла катушки.

[00185] На фиг. 80 и 81 показан еще один вариант реализации турбины, в котором использовано расположение соленоида, описанное выше. Как можно видеть на чертеже, турбина содержит 3 соленоида 2401₁, 2401₂, 2401₃, которые притягиваются друг к другу. В этой конфигурации роторы 2402₁ и 2402₂ соединены с валами 2403₁, 2403₂. Как показано на чертеже, вал 2403₂ охватывает секцию вала 2403₁ на выходной стороне турбины. Как можно видеть на чертеже, вал 2403₁ проходит сквозь центр ротора 2402₂. В этом случае вал 2403₁ содержит токопроводящую секцию, связанную с ротором 2402₁, и непроводящую или слабопроводящую секцию, которая проходит сквозь второй ротор 2402₂.

[00186] На фиг. 81 показано протекание электрического тока в турбине, показанной на фиг. 80. Как показано на чертеже, электрический ток подается с одной стороны входных щеток 2404₁ вдоль вала 2403₁ в первый ротор 2402₁ и затем вдоль межроторной соединительной шины 2405 во второй ротор 2402₂. Затем электрический ток протекает вдоль наружного вала 2403₂, вращающегося в противоположном направлении, к выходным токопроводящим щеткам 2404₂. Для выравнивания вращающих моментов выходных вращающихся в противоположных направлениях валов, как описано выше, может быть использована система для выравнивания вращающих моментов, описанная выше. Использование указанной системы является необходимым, поскольку второй ротор имеет укороченную эффективную рабочую длину по сравнению с первым ротором.

[00187] На фиг. 82 показана диаграмма поля для имеющего два промежутка соленоида, показанного на фиг. 80. Как можно видеть на чертеже, одна из отличительных особенностей соленоида этого типа состоит в расположении областей 2309 компенсации поля или провалов электромагнитного поля, в которых могут эффективно функционировать жидкометаллические щетки.

[00188] Как и в описанном выше примере, форма узлов катушек может быть оптимизирована для уменьшения длины провода и сокращения объема, занимаемого турбиной. Как показано на фиг. 82, в катушках, расположенных с обоих концов соленоида, требуются дополнительные витки для смещения области компенсации 2600 поля в центр промежутка внутренней катушки.

[00189] Не смотря на то, что конструкции, представленные выше, сосредоточены на снижении общего количества роторов, тем не менее могут быть сконструированы многочисленные промежутки в узле катушек соленоида, предусматривающие использование множества роторов и узлов щеток. Ниже описана одна возможная конструкция, содержащая несколько роторов. Размеры катушки основаны на размерах соленоида, используемого в примерах, описанных выше со ссылкой на фиг. 42, в котором внутренний диаметр катушек составляет 340 мм. Катушки разделены на последовательность плоских дисковых узлов. Указанные разбиения катушек имеют два эффекта. Во-первых, область между раздельными дисками содержит компенсационную область. Указанная компенсационная область представляет собой подходящую рабочую среду для жидкометаллических щеток. Во-вторых, весь соленоидный узел ведет себя больше подобно катушке Гельмгольца, что приводит к увеличению однородности поля в рабочей области соленоида.

[00190] Как можно видеть на фиг. 83, области компенсации поля в концах катушек вытеснены из центральной линии промежутка между катушками. Это означает, что такая конфигурация катушки не создает области нулевого поля, необходимые для использования жидких щеток. Как следствие, количество витков или дисков должно быть подобрано таким образом, чтобы обеспечивать наличие областей нулевого поля, подходящих для фактического использования жидких щеток.

[00191] На фиг. 84 показана диаграмма поля узла катушки с 5 областями Гельмгольца, с концевыми катушками, размещенными в области нулевого поля. На диаграмме поля область компенсации поля показана затемнениями синего цвета. В данной конкретной конфигурации использован набор из 4 внутренних сдвоенных дисковых катушек с наружными двумя узлами, состоящими из счетверенных дисков. Удвоение наружного узла диска сдвигает области нулевого поля в концах катушек ближе к центру наружных промежутков между узлами катушки.

[00192] В диаграммах поля, показанных на фиг. 83 и 84, отражена работа при температуре 20 K катушки с внутренним диаметром 340 мм и средней индукцией поля в центре катушки 2,5 Тл. Также были получены диаграммы, показанные на фиг. 85 и 86, для конструкции катушки с удвоенными концами и средней индукцией поля в центре катушки 4 Тл и 5 Тл. Диаграммы на фиг. 85 и 86 демонстрируют масштабируемость системы. На фиг. 85 показан узел катушек с полем, имеющим индукцию 4 Тл, в котором 4 внутренних узла состоят из 2 двойных дисковых узлов, в то время как наружные два узла состоят из 4 двойных дисковых узлов. На фиг. 86 показана диаграмма для того же самого узла, показанного на фиг. 85, сконструированного для работы с индукцией 5 Тл.

[00193] В качестве альтернативы удвоению количества дисков, может быть увеличено количество витков в концевых катушках для управления и указания места нулевых областей между катушками. Примерная диаграмма поля для наружных катушек, в которых количество витков увеличено относительно количества витков в средних катушках, показана на фиг. 87.

[00194] Диаграмма поля на фиг. 87 относится к последовательности шести двойных дисковых катушек с целевой рабочей средней индукцией поля 2,5 Тл в отверстии. За счет увеличения числа витков в концевых катушках нулевые области могут быть сдвинуты для соответствия необходимой рабочей области на щетке. В описанном выше примере наружные катушки содержат дополнительные 130 витков плоской намотки провода марки Fujikura 2G, в то время как внутренние 4 двойных дисковых узла содержат 246 витков в плоской намотке. Увеличение числа витков больше указанного количества приводит к ограничению положительного изменения в областях компенсации поля из-за существенного увеличения общего количества используемого провода.

[00195] Подобная диаграмма показана на фиг. 88 для катушек с дополнительными 230 витками, сконструированных для поля с рабочей средней индукцией 5 Тл в отверстии.

[00196] Не смотря на то, что описанные выше варианты сосредоточены на конструкциях турбин, в которых используется последовательное соединение между токопроводящими элементами, специалистам понятно, что между токопроводящими элементами также может быть использовано параллельное соединение. На фиг. 89 показана одна возможная конструкция турбины 2500, в которой используется параллельное соединение. Как показано на чертеже, турбина 2500 в данном случае содержит соленоид 2501, в котором размещены множеств роторов 2502₁, 2502₂, 2502₃, 2502₄, 2502₅, 2502₆, установленных на валу 2503. Собирающая шина 2504 выполнена с возможностью параллельного соединения роторов 2502₁, 2502₂, 2502₃, 2502₄, 2502₅, 2502₆.

[00197] На фиг. 90 показано протекание электрического тока в турбине 2500, показанной на фиг. 89. Как показано на чертеже, собирающая шина 2504 соответствует наружному диаметру роторов 2502₁, 2502₂, 2502₃, 2502₄, 2502₅, 2502₆, в узле ротора. Собирающая шина 2504 является неподвижной и содержит узлы металловолоконных или жидкометаллических щеток. Электрический ток протекает вдоль собирающей шины 2504 и полностью делится между указанными 6 роторами в соответствии с параллельной схемой доставки. Затем электрический ток протекает вдоль вала 2503 к собирающим щеткам 2505 выходного токопередающего узла 2506. Для минимизации резистивных потерь в материале указанной конструкции собирающая ток шина и выходной вал имеют достаточный размер.

[00198] Однородность магнитного поля вдоль оси вращения является очень важной, во-первых, потому что недостаточная однородность поля воль оси В приводит к снижению вращающего момента, развиваемого в наружном роторе, и, во-вторых, потому что отклонения, которые происходят в направлении поля рядом с концами соленоида, вызывают сокращение срока службы щеток. Имеются некоторые конструктивные параметры, которые влияют на однородность поля, а именно, выбор благоприятного коэффициента формы катушки для данного рабочего диаметра. В целом квадратная или "сверхквадратная" форма конструкции полного соленоида приводит к более высокой однородности. Таким образом, длина соленоидного узла должна быть равна диаметру отдельной катушки или быть больше него. Узлы катушек гельмгольцевского типа или узлы катушек, которые содержат последовательность промежутков, могут обеспечивать более высокий уровень однородности поля в центральном отверстии соленоидного узла по сравнению с одиночным простым соленоидом. Платой за указанное увеличение однородности является увеличение длины провода для рабочего поля с той же самой индукцией.

[00199] Следует понимать, что описанные выше варианты реализации приведены только в качестве примеров осуществления настоящего изобретения, и его дальнейшие изменения и усовершенствования, очевидные для специалистов, должны считаться находящимися в пределах широкого объема и диапазона защиты описанного в настоящей заявке настоящего изобретения.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к высокоскоростным электромагнитным турбинам. Технический результат – повышение эффективности турбины. Турбина содержит по меньшей мере один ротор, установленный на ведущем валу и выполненный с возможностью протекания по нему тока в радиальном направлении; по меньшей мере одну электромагнитную катушку, расположенную с каждой стороны каждого из указанного по меньшей мере одного ротора. Катушка выполнена с возможностью генерации магнитного поля, ориентированного по существу в осевом направлении через указанный по меньшей мере один ротор, и одной или более областей нулевого магнитного поля между ними. Турбина содержит также по меньшей мере одно токопроводящее средство, электрически соединенное с указанным по меньшей мере одним ротором. По меньшей мере часть указанного токопроводящего средства размещена в одной или более областях нулевого магнитного поля. 15 з.п. ф-лы, 90 ил.

1. Турбина, содержащая:

- по меньшей мере один ротор, установленный на ведущем валу и выполненный с возможностью протекания по нему тока в радиальном направлении;

- по меньшей мере одну электромагнитную катушку, расположенную с каждой стороны каждого из указанного по меньшей мере одного ротора и выполненную с возможностью генерации:

- магнитного поля, ориентированного по существу в осевом направлении, через указанный по меньшей мере один ротор, и

- одной или более областей нулевого магнитного поля между ними;

- и по меньшей мере одно токопроводящее средство, электрически соединенное с указанным по меньшей мере одним ротором, причем по меньшей мере часть указанного токопроводящего средства размещена в указанных одной или более областях нулевого магнитного поля.

2. Турбина по п.1, в которой указанный по меньшей мере один ротор выполнен в форме диска.

3. Турбина по п.1, в которой указанное по меньшей мере одно токопроводящее средство содержит первый токопередающий механизм, электрически соединенный с наружным радиусом указанного по меньшей мере одного ротора.

4. Турбина по п.1, в которой указанное по меньшей мере одно токопроводящее средство содержит второй токопередающий механизм, электрически соединенный с ведущим валом.

5. Турбина по п.1, в которой одна или более из по меньшей мере двух электромагнитных катушек является сверхпроводящей.

6. Турбина по п.5, дополнительно содержащая криогенную оболочку, заключающую в себе сверхпроводящие катушки.

7. Турбина по п.1, в которой указанный по меньшей мере один ротор представляет собой набор роторов, расположенных на ведущем валу и формирующих схему последовательного соединения.

8. Турбина по п.7, в которой указанное по меньшей мере одно токопередающее средство дополнительно содержит по меньшей мере один третий токопередающий механизм, электрически соединяющий смежные роторы для обеспечения последовательной схемы соединения.

9. Турбина по п.1, в которой указанный по меньшей мере один ротор представляет собой набор роторов, расположенных на ведущем валу и формирующих схему параллельного соединения.

10. Турбина по п.9, в которой указанное по меньшей мере одно токопередающее средство дополнительно содержит по меньшей мере один третий токопередающий механизм, электрически соединяющий набор роторов вместе для обеспечения параллельной схемы соединения.

11. Турбина по п.8 или 10, в которой по меньшей мере часть третьего токопередающего механизма размещена в указанных одной или более областях нулевого магнитного поля.

12. Турбина по любому из пп.1-10, в которой указанный по меньшей мере один ротор содержит втулку, соединенную с ободом посредством набора спиц, разнесенных друг от друга радиально вокруг втулки.

13. Турбина по любому из пп.1-10, дополнительно содержащая:

первый и второй магнитопроводы, расположенные на противоположных концах катушек для перенаправления магнитного поля, выходящего из катушек и входящего в катушки.

14. Турбина по п.13, в которой первый и второй магнитопроводы направляют поле по существу параллельно концам электромагнитных катушек.

15. Турбина по любому из пп.1-10, в которой указанное по меньшей мере одно токопередающее средство представляет собой жидкометаллические щетки.

16. Турбина по любому из пп.1-10, которая предназначена для использования в моторе или генераторе.