Сверхпроводящий электродвигатель и генератор Российский патент 2019 года по МПК H02K1/14 H02K1/17 H02K9/19 H02K55/00 H02K23/02 H02K11/00 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ

[0001] Настоящая заявка основана на и испрашивает приоритет патентной заявки США №61/882,790, поданной 26 сентября 2013 года, полное содержание которой включается в настоящий документ посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ

[0002] Настоящее изобретение в целом относится к электродвигателям и генераторам, которые могут быть адаптированы для использования в различных системах или устройствах. В частности, изобретение относится к электрическим двигателям и генераторам, которые обеспечивают повышенную эффективность за счет использования сверхпроводников.

ПРЕДПОСЫЛКИ

[0003] Электрическая конструкция двигателя, который был разработан в 19-м веке, использует фиксированное размещение магнитных полей для инициирования электродвижущей силы (ЭДС). Повышение электрического тока вызывает большее или более сильное магнитное поле, в результате чего и большую электродвижущую силу с более высокой и менее эффективной скоростью потребления. Таким образом, двигатель, поставленный с повышенным электрическим током, ограничивается определенным пиком оборотов в минуту (об/мин) с помощью обратной ЭДС.

[0004] Высокотемпературные сверхпроводники использовались для создания электрических двигателей из-за их высокой плотности тока и низких потерь постоянного тока. Такие двигатели требуют криогенных систем охлаждения, чтобы предотвратить слишком высокий подъем температуры сверхпроводников.

[0005] Большая часть электромагнитной энергии, потерянной электродвигателем, возникает из-за гистерезиса и вихревых токов. Потери гистерезиса относятся к количеству электромагнитной энергии, поглощаемой черным металлом, когда его намагниченность изменяется посредством применения переменного магнитного поля. Вихревые токи - это токи, непреднамеренно индуцированные в индукционных компонентах двигателя полями в двигателе. Эти токи создают магнитные поля, противоположные полям, управляющим двигателем, и, таким образом, действуют как форма магнитного сопротивления на двигателе. Таким образом, существует потребность в электродвигателе, уменьшающем потери энергии из-за этих проблем, и обеспечивающем повышение эффективности.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ

[0006] Настоящее изобретение относится к различным вариантам осуществления, включая системы и устройства для электродвигателей и генераторов, обеспечивающие повышенную эффективность. Эти и другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения раскрыты ниже со ссылками на прилагаемые чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0007] На ФИГ. 1 представлен вид в разрезе или топология электродвигателя или генератора в соответствии с настоящим изобретением.

[0008] На ФИГ. 2 представлен вид в разрезе защитной втулки, как показано на ФИГ. 1.

[0009] На ФИГ. 3 представлен вид в перспективе внутренней структуры защитной втулки, как показано на ФИГ. 2.

[0010] На ФИГ. 4 представлен вид в перспективе защитной втулки, как показано на ФИГ. 1.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Следующее описание носит лишь иллюстративный характер и не предназначено для ограничения настоящего варианта осуществления, применения или использования. Следует понимать, что на всех чертежах, соответствующие ссылочные позиции представляют одинаковые или соответствующие части и компоненты.

[0012] Перед более подробным раскрытием настоящего изобретения следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается определенными раскрытыми вариантами осуществления, и, как таковые, его варианты, конечно, могут варьироваться. Кроме того, следует понимать, что терминология, используемая в настоящем документе, предназначена для целей раскрытия исключительно вариантов осуществления, и не предназначена для ограничения, поскольку объем настоящего изобретения будет ограничиваться исключительно прилагаемыми притязаниями формулы изобретения.

[0013] Ряд материалов был обозначен как подходящий для различных аспектов настоящего изобретения. Эти материалы следует рассматривать как примерные, и они не предназначены для ограничения объема притязаний формулы изобретения. Хотя любые способы и материалы, подобные или эквивалентные раскрытым в настоящем документе, также могут использоваться на практике или при тестировании настоящего изобретения, в настоящем документе раскрыто ограниченное число примерных способов и материалов.

[0014] Следует отметить, что при использовании в настоящем документе и в прилагаемых притязаниях, формы единственного числа включают ссылки на множественное число, если контекстом прямо не установлено иное.

[0015] Варианты осуществления изобретения, раскрытого в настоящем документе, используются для повышения эффективности сверхпроводящего электродвигателя или генератора за счет увеличения его магнитной индукции в воздушном зазоре и снижения потерь из-за гистерезиса и вихревых токов. Кроме того, в настоящем изобретении используется большое количество стандартных компонентов двигателя, и, следовательно, двигатель или генератор в соответствии с настоящим изобретением, может взаимодействовать со стандартными механическими системами с минимальными изменениями, и могут изготавливаться с использованием стандартных и экономически эффективных процессов. Следует понимать, что при использовании в данном раскрытии термин "двигатель" также может относиться к обратному, а именно к "генератору", и наоборот.

[0016] Если вращательное усилие применяется к валу изобретения, оно будет действовать как генератор, подающий питание на любую нагрузку, подключенную к клеммам. Те же свойства изобретения, которые повышают его эффективность в качестве двигателя, также будут повышать его эффективность в качестве генератора. Изобретение приведет к повышению эффективности, будь то при использовании в качестве двигателя, либо в качестве генератора, независимо от его основного применения. Генератор осуществляет обратное преобразование механической энергии в электрическую. Двигатели и генераторы имеют много общего, и многие существующие двигатели могут возбуждаться для выработки электроэнергии.

[0017] Примерные варианты осуществления настоящего изобретения могут существенно увеличить доступную дальность пробега аккумулятора в автомобиле, и делают негибридизованные электромобили пригодными для повседневной маятниковой миграции. В результате, это может упростить осуществимый переход от бензиновых транспортных средств к электрическим, негибридизованным транспортным средствам.

[0018] На ФИГ. 1 представлен электрический двигатель или генератор 1 в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, который включает в себя вращающийся якорь 10, статор из постоянного магнита 20 и защитную втулку 30. Вращающийся якорь 10 показан в центре двигателя 1 и связан с подшипниками и щеточным узлом (не показано). Защитная втулка 30 представляет собой полый цилиндр, который помещается между якорем 10 и статором 20.

[0019] Защитная втулка 30 представляет собой полый цилиндр, который располагается между якорем 10 и статором 20. Защитная втулка выполнена с возможностью охлаждать множество высокотемпературных сверхпроводников 40, расположенных внутри втулки 30, до температуры ниже критической температуры сверхпроводников 40. Высокотемпературные сверхпроводники 40 с критическими температурами около 100 К, могут охлаждаться с помощью достаточно простого крио-охладителя, или же жидким азотом (LN₂) с точкой кипения в 77,4 К. Существует два основных вида высокотемпературных сверхпроводящих материалов: Иттрий-барий-медь-оксид (YBa₂Cu₃O₇, или ИБМО), и Висмут-стронций-кальций-медь-оксид (ВСКМО). В одном примерном варианте осуществления настоящего изобретения, двигатель 1 использует ИБМО, чтобы индуцировать поле диамагнитного отталкивания. ИБМО демонстрирует самую высокую плотность тока. Его критическая температура составляет около 90 К, что позволяет использовать его при температуре жидкого азота. При температуре в 77 К этот материал способен захватывать около 1,3 Тесла (Т) магнитного потока и более 6 Т ниже 50 К.

[0020] На ФИГ. 2 внутренний сердечник втулки 30 выполнен из пенополиуретана, например, как изолированный полый цилиндр 100 толщиной примерно 1 дюйм из 100 из пенополиуретан в 3 фунта/фут³. Цилиндр 100 заключен в корпус из стекловолокна, сформированного из полимера, способного выдерживать криогенные температуры. Корпус из стекловолокна представляет собой намотку на барабан толщиной около 3/16 дюйма. Изолированные торцевые крышки 110 из аналогичного состава, прикреплены к концам центрального цилиндра 100. Внутренний диаметр этих торцевых крышек 110 составляет около 6 дюймов, а наружный - около 10. LN₂ может быть введен в цилиндр 100, чтобы обеспечить охлаждение сверхпроводников. Одна из этих торцевых крышек 110 оснащена отверстием для ввода азота, и приспособлена для получения фазоразделителя из бака с жидким азотом. Другая торцевая крышка 110 оснащена отверстием для отвода газа, обеспечивающим выход испарившегося азота из втулки 30.

[0021] На ФИГ. 3 и 4, множество сверхпроводящих объемных пластин 40, выполненных из ИБМО 123, установлены на наружной поверхности полого цилиндра 100, между торцевыми крышками ПО. Размеры любой из сверхпроводниковых объемных пластин 40 составляют приблизительно Объемные пластины 40 расположены в четырех блоках, габаритные размеры любого из которых составляют около Каждый блок объемных пластин 40 охватывает дугу в приблизительно 45°. На ФИГ. 4 все четыре блока объемных пластин 40 равномерно распределены вокруг цилиндра 100 таким образом, что между ними образуется дуга в приблизительно 45°, т.е., зазор также составляет около 45°. В то время как эта компоновка обеспечивает оптимальные результаты, другие размеры дуги и зазоров также находятся в пределах притязаний формулы настоящего изобретения. Дополнительное объемное стекловолокно (не показано) предусмотрено с возможностью вставки под каждой объемной пластиной 40 в целях обеспечения плоской контактной поверхности и предотвращения образования трещин в пластинах. Объемные пластины удерживаются на месте с помощью корпуса из стекловолокна 120, прикрепленного к внутреннему цилиндру 100, перфорированному для обеспечения большего теплового контакта между жидким азотом во втулке 30 и объемными пластинами 40.

[0022] На ФИГ. 2 и 4 вокруг внутреннего цилиндра 100 втулки 30 установлен полый цилиндр 130, выполненный из стекловолокна. Наружный диаметр цилиндра 130 составляет около 10 дюймов, а толщина - около 3/16 дюйма. Он проскальзывает через торцевые крышки ПО и плотно прижимается к ним, образуя наружную стенку 140 втулки 30. Пространство заключено между внутренним цилиндром 100 и наружной стенкой 140, и плотно закрыто на концах с помощью торцевых крышек 110. Это пространство содержит объемные пластины 40 и также служит в качестве азотной ванны с возможностью охлаждения объемных пластин 40 до их критических температур. LN₂ может вводиться в это пространство, чтобы обеспечить необходимое охлаждение.

[0023] Статор из постоянного магнита 20, показанный на ФИГ. 1, установлен с возможностью размещения втулки 30. В данном варианте осуществления он выполнен в виде восьмиугольника из алюминиевого прутка с размерами около Каждый конец корпуса статора 60 заключен в восьмиугольную алюминиевую концевую пластину толщиной Магниты из редкоземельных металлов 50 размерами около прикреплены к корпусу 60 с интервалами 90°. Магниты 50 прикреплены с альтернативными полюсами, обращенными вверх так, чтобы аналогичные плюса были обращены друг к другу по главной оси двигателя 1. Другие типы магнитов - обычные, из редкоземельных металлов, электрические магниты и даже сверхпроводящие обмотки, также могут использоваться в соответствии с настоящим изобретением. Изменения в типах используемых магнитов может вызвать изменение форм и геометрии магнитных полей. Оптимальная экранированная дуга будет меняться в зависимости от типа магнита, состава и геометрии.

[0024] Корпус статора 60 может быть выполнен из двух половинок с концевыми пластинами, прикрепленными к нижней половине. Это обеспечивает доступ к втулке 30. Фланцы приваривают к половинам, что позволяет скрепить их болтами.

[0025] Все пустое пространство между корпусом статора 60 и втулкой 30 заполняется 3 фунта/фут³ пенополиуретана. Пенополиуретан изолирует внешнюю стенку 140, втулки 30 из корпуса 60, и, таким образом, снижает тепловую нагрузку на азотную ванну. Он также обеспечивает фрикционную посадку на втулке 30 путем фиксации его на месте, когда болты фланца статора затянуты.

[0026] Перед началом эксплуатации двигателя 1, втулка 30 вращается внутри статора 20 таким образом, что каждый блок объемных пластин 40 выравнивается между полюсами статора. Жидкий азот затем вводят во втулку 30 для охлаждения объемных пластин 40 до их критической температуры. После того, как объемные пластины 40 достигают своей критической температуры, магнитный поток, создаваемый магнитами статора 50, блокируется внутри объемных пластин 40. Втулку 30 затем поворачивают на 90° таким образом, чтобы заблокированный поток был противоположным полярности ближайшего к нему магнита. В этот момент двигатель 1 находится в рабочем состоянии.

[0027] Эти объемные пластины 40 наполняют жидким азотом низкого давления, и криоблок удерживает их в оптимизированном положении перед четырьмя неодимовыми магнитами 50. Эти генерируемые поля расположены выше якоря, который создает поле для ЭМП. По желанию, в пределах объемов настоящего изобретения возможно использование других магнитов.

[0028] В описанном варианте осуществления жидкий азот используют для охлаждения и изоляции сверхпроводников. В других вариантах осуществления возможно использование проводящего охлаждения или других типов охлаждающих механизмов, известных специалистам в данной области техники. Если теплопроводность используется для охлаждения сверхпроводников, втулка будет образована из теплопроводного материала.

[0029] Такая конструкция повышает эффективность работы двигателя или генератора за счет уменьшения рассеяния потока. Активированные объемные пластины 40 увеличивают магнитную индукцию в воздушном зазоре и концентрируют линии потока между ними. Этот поток находится в оптимальном диапазоне, чтобы взаимодействовать с полями якоря и производить положительный крутящий момент. Обратная полярность потока, заблокированного в объемных пластинах 40, отменяет поток от полей статора вблизи краев пластин, оставляя лишь концентрированное поле между пластинами, чтобы взаимодействовать с арматурой. В обратном направлении, поля якоря аналогичным образом концентрируют объемными пластинами 40 и сосредоточивают на магнитах статора 50. В результате, потери из-за гистерезиса токов и вихревых токов уменьшаются.

ПРИМЕР:

[0030] Двигатель мощностью в 1 л.с. установили на испытательном стенде так, чтобы он мог приводить в движение ременную передачу, приводя в движение прототип в качестве генератора в соответствии с настоящим изобретением. Измеритель мощности подключили к источнику питания приводного двигателя для измерения входной мощности. Жилы устройства были подключены к 45 Вт электрической лампочке в цепи. Ток, создаваемый опытным двигателем, измерили с помощью амперметра Extech МА220; произведенное напряжение было измерено с помощью Сканирующего спектрорадиометра среднего разрешения (M.O.D.I.S) на базе версии ПО 12.2. Изменяя комбинацию шкивов, используемых для соединения двух машин, двигатель могли приводить в движение на одной из четырех скоростей: 3510, 2995, 2630, и 1910 об/мин.

[0031] Испытание начали с того, что называется обычным испытанием двигателя. Испытание заключалось в работе двигателя до набора скорости без включения сверхпроводящих объемных пластин и с регистрацией мощности, потребляемой приводным двигателем и электрической лампочкой. Испытание проводили десять раз на всех четырех скоростях. После начала испытания втулку устанавливали в одно из двух положений (+5 или -5) и включали. В этих положениях объемные пластины выравнивали в радиальном направлении между магнитами поля статора.

Эти два положения находились на 90 градусов друг от друга, так что единственным различием между ними было то, какой сверхпроводник выровнен между каждой парой магнитов статора. Десять испытаний проводили на каждой скорости. После начала этих испытаний втулку поворачивали на 90 градусов в обратном направлении (+5 или -5) с возможностью провести еще 10 испытаний на каждой скорости. Это привело к испытаниям, проводимым с активированной втулкой на+5 и работающей на +5 и -5, и со втулкой, активированной на -5 и работающей на -5 и +5. В общей сложности, 16 серий из 10 испытаний; по одному на каждом скорости для каждой возможной комбинации точек активации и эксплуатации. Данные представлены ниже.

Процент повышения эффективности по сравнению с обычными двигателями

[0032] Результаты этих испытаний очевидны. 15 из 16 серий испытаний показали статистически значимое увеличение эффективности по сравнению с неактивированным двигателем со средним увеличением эффективности на 14,9% выше, чем в неактивированном изобретении, работающем на той же скорости. Как было отмечено выше, это испытание было предназначено чтобы доказать концепцию настоящего изобретения. Оно не предоставило точную оценку того, насколько изобретение повысит эффективность работы двигателя постоянного тока, работающего в рамках его предполагаемого использования. Эффективность устройства повысилась при активации втулки, доказывая, что оно действительно производило значительное уменьшение паразитных нагрузок (гистерезис и вихревые токи). Изобретение окажет то же воздействие на двигатель, а величина снижения паразитных нагрузок будет зависеть от геометрии двигателя и его магнитных полей.

[0033] Числовые значения и диапазоны предусмотрены для различных аспектов реализаций, описанных выше. Эти значения и диапазоны следует рассматривать исключительно в качестве примеров, и они не предназначены для ограничения объема формулы изобретения.

[0034] В то время как изобретение было описано в сочетании с конкретными примерными реализациями, для специалистов в данной области техники очевидно, что многие альтернативы, модификации и вариации будут явными в свете приведенного выше описания. Соответственно, настоящее изобретение предназначено для охвата всех таких альтернатив, модификаций и вариаций в рамках объема и сущности прилагаемой формулы изобретения.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам со сверхпроводниками. Технический результат – повышение эффективности работы за счет использования сверхпроводников. Электрический двигатель или генератор, использующий изобретение, будет включать в себя три следующих компонента: вращающийся якорь, статор с постоянным магнитом и защитную втулку. Защитная втулка двигателя представляет собой полый цилиндр, который помещается между якорем и статором и выполнен с возможностью охлаждать множество высокотемпературных сверхпроводников внутри него до температуры ниже их критических температур. Множество сверхпроводящих пластин расположены между внутренней стенкой и внешней стенкой защитной втулки и ориентированы вокруг якоря. Нетрадиционная топология сверхпроводящей машины увеличивает магнитную индукцию в воздушном зазоре за счет уменьшения потока рассеяния и концентрации линий потока в воздушном зазоре. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Сверхпроводящее электромагнитное устройство для использования совместно с двигателем постоянного тока или генератором, которое содержит якорь, вращающийся, когда к нему прикладывается вращательное усилие, а также статор из постоянного магнита, отличающееся тем, что включает:

полую защитную втулку, расположенную между якорем и статором, оснащенную внутренней и внешней стенкой, таким образом, что охлаждающая текучая среда может протекать в пределах защитной втулки; а также

множество сверхпроводящих пластин, расположенных между внутренней стенкой и внешней стенкой защитной втулки и ориентированных вокруг якоря.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что охлаждающая текучая среда является жидким азотом.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что сверхпроводящие пластины выполнены из иттрий-барий-медь-оксида или висмут-стронций-кальций-медь-оксида.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что защитная втулка содержит внутренний сердечник, сформированный из пенополиуретана.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что внутренний сердечник заключен в корпус из стекловолокна.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутренний сердечник включает в себя изолирующие торцевые крышки.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что сверхпроводящие пластины прикреплены к внутренней стенке защитной втулки.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что сверхпроводящие пластины расположены с интервалом в 45° вокруг защитной втулки.

9. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что объемное стекловолокно обеспечивает плоскую поверхность контакта между сверхпроводящими пластинами и защитной втулкой.

10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что статор содержит редкоземельные магниты, прикрепленные к корпусу, расположенному на каждом конце статора.

11. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что магнитами в нем являются неодимовые магниты.

12. Сверхпроводящее электромагнитное устройство для использования совместно с двигателем постоянного тока или генератором, которое содержит якорь, вращающийся, когда к нему прикладывается вращательное усилие, а также статор из постоянного магнита, отличающееся тем, что включает:

полую защитную втулку, расположенную между якорем и статором, причем указанная защитная втулка выполнена из теплопроводного материала, и множество сверхпроводящих пластин, расположенных в пределах защитной втулки и ориентированных вокруг якоря.

13. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что защитная втулка содержит внутреннюю стенку и внешнюю стенку, таким образом, что охлаждающая текучая среда течет внутри защитной втулки и сверхпроводящие пластины расположены между внутренней стенкой и внешней стенкой.

14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что сверхпроводящие пластины прикреплены к внутренней стенке защитной втулки.

15. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что сверхпроводящие пластины расположены с интервалом в 45° вокруг защитной втулки.

16. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что объемное стекловолокно обеспечивает плоскую поверхность контакта между сверхпроводящими пластинами и защитной втулкой.

17. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что сверхпроводящие пластины выполнены из иттрий-барий-медь-оксида или висмут-стронций-кальций-медь-оксида.

18. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что защитная втулка содержит внутренний сердечник, сформированный из пенополиуретана.

19. Устройство по п. 18, отличающееся тем, что внутренний сердечник заключен в корпус из стекловолокна.

20. Сверхпроводящее электромагнитное устройство для использования совместно с двигателем постоянного тока или генератором, которое содержит якорь, вращающийся, когда к нему прикладывается вращательное усилие, а также статор из постоянного магнита, отличающееся тем, что включает:

полую защитную втулку, расположенную между якорем и статором, оснащенную внутренней и внешней стенкой, и имеющую внутренний сердечник между внутренней стенкой и внешней стенкой, причем внутренний сердечник, сформированный из пенополиуретана, заключен в корпусе из стекловолокна, таким образом, что жидкий азот в качестве охлаждающей жидкости может протекать в пределах защитной втулки; а также

множество сверхпроводящих пластин, присоединенных к внутренней стенке защитной втулки и ориентированных вокруг якоря с интервалами 45° вокруг защитной втулки.