ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С РАДИАЛЬНЫМ ЗАЗОРОМ Российский патент 2017 года по МПК H02K55/02 H02K55/04 H02K23/54 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, и касается выполнения электродвигателей со сверхпроводящей обмоткой и радиальным зазором между ротором и статором, точнее высокомоментных электродвигателей, которые используются, например, в качестве привода автомобилей, судов и другой техники.

Известен патент: электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором (RU 2411624, опубликован 10.02.2011, МПК Н02К 55/04, Н02К 16/00, Н02К 1/27 (2006.01)), электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором, в котором статоры расположены с воздушными зазорами в аксиальном направлении ротора так, чтобы противостоять друг другу, множество элементов возбуждения в виде обмоток возбуждения или постоянных магнитов расположены на роторе и множество якорных обмоток расположены в статорах и вокруг оси, где одна из обмоток возбуждения или постоянных магнитов ротора и одна из якорных обмоток выполнены из сверхпроводящего материала так, чтобы их магнитные потоки были направлены в аксиальном направлении друг к другу, при этом в полых частях якорных обмоток расположены коллекторы потока, выполненные из магнитного материала.

Недостатком данного изобретения является исполнение двигателя, а именно не полная реализация мощности (плечо двигателя не равно его радиусу), давление в аксиальном направлении требует высокоточной балансировки, реализация охлаждения жидким азотом с помощью каналов идущих к сверхпроводникам, магниты будут создавать в проводниках индукционные токи (что вызовет дополнительные потери), подключение элементов возбуждения к принципиальной электрической цепи ведет за собой увеличение габаритов и массы электродвигателя или усложнения конструкция электродвигателя, где элементы возбуждения в статорах и/или роторах не смогут заменяться при их неисправности, импульсы, зазор между элементами возбуждения должен быть минимальным в аксиальном направлении для реализации полной мощности двигателя что приводит к возникновению области низких давлений между стенками статора и ротора, где в свою очереди возникает опасность соприкосновения/трения и последующей разбалансировки электродвигателя, что может привести к поломке не подлежащей ремонту.

Стандартно в качестве электродвигателей предусматривают электродвигатель либо с радиальным зазором, либо электродвигатель с аксиальным зазором. В качестве типа с радиальным зазором широко используется электродвигатель, в котором ротор предусмотрен в полой части статора, имеющего кольцевое поперечное сечение, из условия, чтобы направления магнитного потока обмоток были направлены в радиальном направлении.

В электродвигателе с аксиальным зазором для магнитного поля используются постоянные магниты или обмотки, такие как медные провода, и медные провода используются для якорных обмоток. Выходной крутящий момент, заданный в виде произведения тока и магнитного поля, есть предел для отдачи электродвигателя. Кроме того, для того чтобы повышать выходную мощность, габариты электродвигателя неизбежно увеличиваются, следовательно, увеличивается и его вес. Кроме того, если растет величина тока, эффективность использования энергии снижается вследствие потерь в меди или тому подобного.

В сверхпроводящем двигателе с аксиальным зазором имеются проблемы охлаждения сверхпроводников в связи со сложностью конструкции, также это влечет за собой проблемное расположение подводящих проводов к обмоткам возбуждения и проблемной замене сверхпроводников и обмоток возбуждения в связи с общей сложностью конструкции.

Задача предлагаемого изобретения - предоставить небольшой и легковесный электродвигатель с радиальным зазором, обеспечивающий высокую выходную мощность, обладающий высоким коэффициентом полезного действия и имеющий простую конструкцию, систему обслуживания и ремонта.

Технический результат - это обеспечение высокой выходной мощности и высокого коэффициента полезного действия электродвигателя с аксиальным зазором, обладающего при этом небольшим весом и габаритами, где плечо равно радиусу ротора и охлаждение высокотемпературных сверхпроводников не вызывает сложности.

В высокотемпературном сверхпроводящем электромагнитном индукционном двигателе с радиальным зазором статор расположен с воздушным зазором в радиальном направлении статора так, чтобы противостоять друг другу, множество элементов возбуждения в виде обмоток возбуждения 3 расположены на трансформаторных болтах 4, где сверху с наружной стороны намотана первичная медная обмотка 3 на материал с высокой магнитной проницаемостью, пермендюр, с внутренней нижней стороны, которые закручиваются в статор 2 высокотемпературные сверхпроводящие катушки 5. Множество высокотемпературных сверхпроводящих пластин 6 расположены на роторе вокруг оси вращения и закреплены на конце ротора в радиальном направлении к статору. Все вторичные сверхпроводящие обмотки 5 и сверхпроводящие пластины 6 сформированы из высокотемпературного сверхпроводящего материала.

Изобретение сопровождается чертежами: фиг. 1 - двигатель в разрезе, фиг. 2 - статор двигателя, фиг. 3 - ротор двигателя, фиг. 4 - трансформаторный болт, фиг. 5 - щеточно-коллекторный узел (вид сверху), фиг. 6 - план сил, фиг. 7 - принципиальная электрическая схема.

Высокотемпературный сверхпроводящий электромагнитный индукционный двигатель с радиальным зазором содержит: ротор 1, статор 2, медная обмотка (первичная) 3, трансформаторный болт 4, сверхпроводящая обмотка (вторичная) 5, сверхпроводящая пластина 6, гайка прижимная 7, элемент скольжения внешний 8, элемент скольжения внутренний 9, вал 10, лопасти 11, щеточно-коллекторный узел 12, щетка 13, токопроводящая пластина 14, блок управления 15.

На фиг. 1 изображена собранная модель сверхпроводящего электромагнитного двигателя с радиальным зазором в поперечном сечении, где между ротором 1 и статором 2 в радиальном направлении имеется зазор - Z. Трансформаторные болты 4 вкручиваются по контуру окружности статора 2 в радиальном направлении к ротору 1. Трансформаторные болты 4 представляют собой небольшой вал, с одной стороны которого наматывается медная, первичная обмотка 3 из толстого провода, с другого конца имеется резьба и канал, куда укладывается сверхпроводящая катушка 5, что представлено на фигуре 10. Сверхпроводящая катушка представляет собой ленту из сверхпроводника, смотанную в многослойную одновитковую катушку. В свою очередь на трансформаторный болт надевается гайка прижимная, которая представляет собой гайку прижимную с тремя отверстиями, где два отверстия служат разъемами для медного провода 3, первичной обмотки трансформаторного болта 4, а третий отверстием для отвертки.

В радиальном направлении к трансформаторным болтам 4 по контуру окружности ротора 1 установлены сверхпроводящие пластины 6, сам ротор представляет собой диск, на котором по обе стороны установлены лопасти 11 параллельно к диску, по контуру окружности ротора имеются пазы для вкручивания сверхпроводящих пластин 6, пластины представляют собой монолит с резьбой из высокотемпературного сверхпроводящего материала. В центре диска имеется вал 10, в валу имеются отверстия, в которые устанавливаются детали скольжения 9, представляют собой полукольцо из металла с пазом с одной стороны и штырями с другой.

В статоре 2 имеются отверстия для охлаждения сверхпроводящих катушек 5. В статор 2 устанавливаются два элемента скольжения внутренние 8 и элементы скольжения внешние 9, элементы скольжения 8 представляют собой полукольцо из металла с кромками с одной стороны и штырями с другой.

Для создания магнитного поля в высокотемпературный сверхпроводящий электромагнитный индукционный двигатель с радиальным зазором используются детали из сверхпроводящего материала HgBa₂Ca₂Cu₃O_8+x. Таким образом, может быть приложен большой ток, а габариты и масса электродвигателя могут быть уменьшены, наряду с тем, что достигается двигательный момент высокой выходной мощности. Также посредством использования сверхпроводящего материала, имеющего преимущество над любыми другими проводниками ввиду низкого электрического сопротивления, энергетические потери могут быть значительно уменьшены, что дает возможность реализовать высокий коэффициент полезного действия. Кроме того, поскольку статор 2 расположен в радиальном направлении ротора 1, диаметр может быть уменьшен, что снова приводит к уменьшению габаритов и массы. В электродвигателях с осевым зазором и электродвигателях с аксиальным зазором края обмоток не вносят вклад в двигательный момент в отличие от электродвигателя с радиальным зазором. Исходя из этого, электродвигатели с осевым зазором и аксиальным имеют меньший коэффициент полезного действия и меньшую выходную мощность, чем у высокотемпературного сверхпроводящего электромагнитного индукционного двигателя с радиальным зазором.

В качестве сверхпроводников преимущественно используются высокотемпературные сверхпроводящие материалы, основанные на висмуте, иттрии (например, YBa₂Cu₃O_7-x и другие сверхпроводники у которых температура перехода в сверхпроводящее состояние не ниже 5 градусов Кельвина).

Кроме того, сверхпроводящий материал может быть сформирован кластерами, подобными высокотемпературному сверхпроводящему объемному магниту. Высокотемпературный объемный сверхпроводник является магнитом, который изготовлен из высокотемпературного сверхпроводящего слитка, полученного рассеиванием несверхпроводящей фазы в высокотемпературном сверхпроводнике из Re-Ba-Cu-O (и другие сверхпроводники у которых температура перехода в сверхпроводящее состояние не ниже 5 градусов Кельвина), способный к улавливанию и намагничиванию большего магнитного поля, чем постоянный магнит, с высокими эксплуатационными характеристиками.

В изобретении статор является корпусом двигателя 2, благодаря чему имеет меньший вес и более надежную конструкцию, так как элементы возбуждения находятся в радиальном направлении с небольшим воздушным зазором Z к ротору. Пластины расположены по контуру окружности ротора, что дает плечо, кратчайшее расстояние от оси вращения до линий действия силы, равное радиусу ротора и исключает суперпозицию магнитных полей.

Благодаря конструкции сверхпроводящего электромагнитного двигателя с радиальным зазором проблемы механических напряжений в конструкции, охлаждения и сложности конструкции легко решаемы, так как сверхпроводящие пластины закреплены по контуру окружности ротора 1, в такой конструкции давление, оказываемое магнитным полем со стороны сверхпроводящих обмоток 2, направлено перпендикулярно к оси вращения ротора, что решает проблему механических напряжений в конструкции, когда в двигателе с аксиальным зазором множество статоров и роторов испытывает давление в аксиальном направлении. Плечо в двигателе с радиальным зазором равно радиусу ротора, что дает возможность получать двигательный момент высокой выходной мощности. Элементы возбуждения – многовитковые сверхпроводящие ленты 2, выполненные из высокотемпературных сверхпроводников, прочно закрепленных в трансформаторных болтах 4 по корпусу статора, что повышает механическую прочность обмоток. Трансформаторные болты 4 в свою очередь надежно закреплены гайками прижимными 7, выполненными из материала с высокой магнитной проницаемостью, что позволяет задавать направление магнитного потока, а утечка магнитного поля может предохраняться от формирования в направлении, где магнитный поток не осуществляет вклад в крутящий момент.

Сверхпроводящие пластины 6 установлены по контуру окружности ротора параллельно элементам возбуждения на статоре и служат якорными обмотками, где начальной позицией являются сверхпроводящие пластины 6, смещенные относительно сверхпроводящих обмоток 5 на 5-10% от площади взаимодействия магнитных потоков. Поэтому позиционирование легко выполняется, в то время как зазор поддерживается при заданном расстоянии между ротором и статором.

Блок управления 15 представляет собой схему с силовым ключом, где ключом, например, может служить IGBT-транзистор, силовой тиристор, транзистор, симистор, и т.д. Силовой ключ будет открываться небольшим импульсом тока через щеточно-коллекторный узел 12.

Щеточно-коллекторный узел 12 представляет собой набор контактов - щеток 13 и токопроводящих пластин 14, расположенных на валу ротора на определенном расстоянии друг от друга так, чтобы площади сверхпроводящих обмоток 5 и сверхпроводящих пластин 6 были смещены друг относительно друга на 5-10%, чтобы получать вращательный момент (для вращения ротора влево или вправо) за счет встречных магнитных полей (полюс N будет отталкиваться от полюса N или наоборот).

Статоры 2 и ротор 1 сформированы из немагнитного тела. Используя данную конфигурацию, получаем легкую и прочную конструкцию и избегаем влияния переменных магнитных полей на ротор 1 и статор 2. Преимущественно немагнитное тело изготовлено из различных пластиков с высокой прочностью и низкой теплопроводностью (карбоновые пластики, пластики изготовленные из стекловолокна и компаундами отвечающим достаточным прочностным характеристикам при 73 градусах Кельвина, например ЦМК-5, ЭЛК-5 ЦМК-25, ЦМК-27).

Элементы конструкции с высокой магнитной проницаемостью должны обладать высокой плотностью магнитного потока, когда плотность потока в насыщении составляет от 0,5 до 10 Тл. Плотность потока устанавливается от 1,5 до 4 Тл. Кроме того, материал, обладающий высокой магнитной проницаемостью, означает материал, удельная магнитная проницаемость которого составляет от 500 до 10000000. Магнитная проницаемость установлена от 2000 до 10000. В частности, используется материал, обладающий высокой плотностью магнитного потока/высокой магнитной проницаемостью, пермендюр, магнитная проницаемость которого в десять раз большей чем у железа, а насыщенность его магнитного поля является большей, чем 2 Тл. Поэтому ток, который должен подаваться в элементы возбуждения, формирует большое магнитное поле, следовательно, выходная мощность электродвигателя увеличивается, а габариты уменьшаются. Также в качестве магнитного тела могут использоваться кремнистая сталь, железо, пермаллой и тому подобное.

В качестве хладагента для охлаждения сверхпроводящего материала используется газ, испаряемый жидким азотом или его эквивалентом, который подводится через трубки к двигателю и под давлением подается на лопасти 11, установленные на роторе 1, для придания начального импульса, получения дополнительной механической энергии. Термодинамическая система электродвигателя изолирована от окружающей среды с помощью статора 2, выполненного из пластика с низкой теплопроводностью, в свою очередь на статор 2 предпочтительно устанавливается теплоизоляционный экран (теплоотражающая фольга, экран); температура термодинамической системы электродвигателя находится в пределах 100 Кельвин. Сверхпроводники, находящиеся в термодинамической системе электродвигателя, охлаждаются испарениями жидкого азота или его эквивалентом, а сверхпроводящие обмотки, плотно закрепленные в статоре, охлаждаются через специальные отверстия, проделанные в статоре в радиальном направлении к ротору, а сверхпроводящие пластины, находясь в термодинамической системе электродвигателя, плотно закрепленные на роторе, охлаждаются подаваемым газом от испаряемого жидкого азота или его эквивалентом на сами пластины. Термодинамическая система находится в состоянии с максимальной энтропией за счет того, что газ подается прямиком на лопасти ротора и тем самым перемешивается в системе, охлаждая ее до температуры находящейся в пределах 100 Кельвин.

Как понятно из вышеприведенного описания, согласно изобретению сверхпроводящий материал используется для элементов возбуждения - сверхпроводящих обмоток 5 и пластин 6, служащих якорными обмотками, высокотемпературного сверхпроводящего электромагнитного индукционного двигателя с радиальным зазором. Таким образом, больший магнитный поток создается за счет действия более сильного электрического тока и отсутствия потерь на сопротивление проводников, как итог, возрастает коэффициент полезного действия, получается двигательный момент высокой выходной мощности, уменьшаются габариты и вес электродвигателя, так как плечо силы равно радиусу двигателя.

Элементы возбуждения - сверхпроводящие обмотки 5 возбуждаются посредством электромагнитной индукции по принципу работы трансформатора. За счет чего элементы возбуждения крепко закреплены в трансформаторном болте 4, где на верхней части болта намотана катушка возбуждения, выполненная из толстого медного провода первичная обмотка 3, а нижней в болт вставлена сверхпроводящая обмотка вторичная 5. За счет чего элементы возбуждения крепко закреплены и в целом изолируют термодинамическую систему электродвигателя, проблемы, связанные с охлаждением сверхпроводников до температуры перехода в состояние сверхпроводимости и с поддержанием данной температуры (рабочей температуры двигателя), становятся незначительными. А также за счет использования трансформаторного болта 4 из материала, обладающего высокой магнитной проницаемостью, удается внести вклад в характеристику направлений магнитного потока и уменьшение утечки магнитного потока в целом, за счет чего увеличивается двигательный момент, позволяющий получить двигатель высокой выходной мощности, и увеличить КПД двигателя в целом.

Высокотемпературный сверхпроводящий электромагнитный индукционный двигатель с радиальным зазором работает следующим образом. Электрическая принципиальная схема фиг. 7 высокотемпературного сверхпроводящего электромагнитного индукционного двигателя с радиальным зазором содержит источник тока, от которого ток идет к первичной обмотке медного обмотке 3 трансформаторного болта 4 через блок управления 15. Блок управления 15 пропускает ток на катушку во время замыкания токопроводящей пластиной щеток 13. После в первичной медной обмотке 3 создается магнитное поле, которое наводит ЭДС самоиндукции на сверхпроводящую обмотку 5. Из-за ЭДС самоиндукции в сверхпроводящей обмотке 5 возникает магнитный поток. Магнитный поток в свою очередь направлен на сверхпроводящую пластину 6 на роторе 1, где в сверхпроводящей пластине 6 наводится ЭДС самоиндукции и создается магнитное поле, причем магнитные поля сверхпроводящей обмотки 5 и сверхпроводящей пластины 6 направлены друг к другу одноименным полюсом (N или S), что заставляет сверхпроводящую пластину 6, расположенную на роторе 1, отталкиваться от сверхпроводящей обмотки 5, расположенной в статоре 2, вследствие чего возникает вращательный момент. Во время работы двигателя на его лопасти 11 подается струя хладагента, охлаждающая сверхпроводящие обмотки 5 и сверхпроводящие пластины 6, создающая начальный (стартовый) момент вращения.

Областью применения изобретения являются области, где требуется преобразование электрической энергии в механическую (получение вращательного момента).

Описание:

1. Ротор

2. Статор

3. Медная обмотка (первичная)

4. Трансформаторный болт

5. Сверхпроводящая обмотка (вторичная)

6. Сверхпроводящая пластина

7. Гайка прижимная

8. Элемент скольжения 2

9. Элемент скольжения 1

10. Вал

11. Лопасти

12. Щеточно-коллекторный узел

13. Щетка

14. Токопроводящая пластина

15. Блок управления

Z1 - зазор для сверхпроводящей обмотки

Z - зазор между ротором и статором в радиальном направлении

F - Сила, действующая со стороны магнитного поля катушки на порожденное магнитное поле сверхпроводящей объемной силы

R - Плечо действия силы F

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электродвигателях со сверхпроводящей обмоткой и радиальным зазором между ротором и статором, точнее высокомоментных электродвигателей, которые используются, например, в качестве привода автомобилей, судов и другой техники. Технический результат заключается в обеспечении высокой выходной мощности и высокого коэффициента полезного действия электродвигателя с аксиальным зазором, обладающего при этом небольшим весом и габаритами, где плечо равно радиусу ротора и охлаждение высокотемпературных сверхпроводников не вызывает сложности. В высокотемпературном сверхпроводящем электромагнитном индукционном двигателе с радиальным зазором статор расположен с воздушным зазором в радиальном направлении статора так, чтобы противостоять друг другу, множество элементов возбуждения в виде обмоток возбуждения (3) расположены на трансформаторных болтах (4), где сверху с наружной стороны намотана первичная медная обмотка (обмотка возбуждения) (3) на материал с высокой магнитной проницаемостью (пермендюр); с внутренней нижней стороны, которые закручиваются в статор (2), - высокотемпературные сверхпроводящие катушки (5). Множество высокотемпературных сверхпроводящих пластин (6) расположены на роторе вокруг оси вращения и закреплены на конце ротора в радиальном направлении к статору. Все вторичные сверхпроводящие обмотки (5) и сверхпроводящие пластины (6) сформированы из высокотемпературного сверхпроводящего материала. 7 ил.

Сверхпроводящий электромагнитный двигатель с радиальным зазором, состоящий из ротора, статора, первичной медной обмотки, трансформаторного болта, вторичной сверхпроводящей обмотки, сверхпроводящей объемной пластины, гайки прижимной, элементов скольжения внутренних и внешних, вала, лопастей, щеточно-коллекторного узла, отличающийся тем, что статор расположен с воздушным зазором в радиальном направлении ротора так, что магнитные потоки противостоят друг другу, множество элементов возбуждения, расположенные по контуру окружности статора, противостоят множеству сверхпроводящих пластин, служащих якорными обмотками и расположенных по контуру окружности ротора, магнитные потоки, генерируемые множеством элементов возбуждения и множеством сверхпроводящих объемных пластин, направлены друг к другу в радиальном направлении так, что противостоят друг другу, за счет чего достигается вращательный момент.