БЕСКОНТАКТНЫЙ СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ МАГНИТНЫЙ ПОДШИПНИК Российский патент 2023 года по МПК F16C33/00 H10N60/00 H01F6/06 

Изобретение относится к области бесконтактных магнитных подшипников с использованием высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) лент второго поколения и может найти применение при конструировании электротехнических устройств различного назначения с массивным вращающимся ротором/валом при бесконтактной передачи момента вращения неподвижному объекту.

Известен сверхпроводящий магнитный подшипник (RU 174146 U1, ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ", 04.10.2017), включающий в свою конструкцию несущую трубу криостата, на внутренней и внешней поверхностях которой закреплены цилиндрические ВТСП элементы, а также внутренний и внешний роторы с установленными на них кольцевыми магнитами чередующейся полярности. Магниты намагничены в осевом направлении и разделены вставками из магнитомягкого материала. Охлаждение ВТСП элементов осуществляется за счет прокачки жидкого азота через канал в трубе криостата. Устройство функционирует в вакууме и потому не требует дополнительной термоизоляции ВТСП элементов, что позволяет уменьшить зазор между ротором и статором. К недостаткам этого устройства можно отнести отсутствие возможности масштабирования подшипника, невозможность перемещения ротора вдоль статора без остановки подшипника, а также отсутствие способа торможения ротора в процессе работы устройства.

Известна машина с улавливающим подшипником гибридной конструкции (RU 2618570 С2, СИМЕНС АКЦИЕНГЕЗЕЛЛЬШАФТ, 04.05.2017), включающая в свою конструкцию ротор, удерживающийся в статоре бесконтактными активными магнитными подшипниками, а также улавливающий подшипник, представленный на роторе в виде улавливающей втулки, а на статоре устройством скольжения. К недостаткам этого устройства можно отнести также невозможность перемещения ротора вдоль статора без остановки подшипника, а также отсутствие бесконтактного способа торможения ротора в процессе работы устройства.

Наиболее близким по технической сущности и принятым в качестве прототипа является сверхпроводящий магнитный подшипник (RU 197418 U1, Руднев Игорь Анатольевич, 23.04.2020), включающий в себя статор, содержащий сверхпроводящие элементы, систему охлаждения ВТСП-элементов и ротор с размещенными в нем магнитами. Статор представляет собой изготовленную из немагнитного материала с высокой теплопроводностью трубу, на внешней стороне которой выполнены сверхпроводящие обмотки. Охлаждение ВТСП-элементов осуществляется за счет охлаждения трубы статора. К недостаткам этого устройства можно отнести невозможность перемещения ротора вдоль статора без остановки подшипника для бесконтактной передачи момента вращения неподвижному объекту, а также отсутствие возможности бесконтактного торможения ротора в процессе работы устройства.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности перемещения положения ротора вдоль статора в процессе работы устройства для бесконтактной передачи момента вращения неподвижному объекту, а также возможности осуществления бесконтактного торможения устройства, не останавливая его.

Технический результат достигается тем, что бесконтактный сверхпроводящий магнитный подшипник состоит из статора в виде полой трубы, выполненной из немагнитного материала, на внешнюю поверхность которой намотаны сверхпроводящие обмотки, системы охлаждения ВТСП-лент и ротора, выполненного из немагнитного материала, причем оси симметрии ротора и статора совпадают и отличается тем, что статор и ротор размещены в корпусе, при этом на одном из краев статора на его внешней поверхности вокруг трубы расположен первый цилиндрический держатель с осью симметрии, совпадающей со статором, с размещенными в нем в плотную друг к другу одинаковыми постоянными магнитами, образующими ряды вдоль оси симметрии статора, причем количество рядов не менее 4, при этом магниты в центральных рядах держателя имеют одинаковое направление намагниченности вдоль радиального направления, перпендикулярного оси симметрии, а магниты в крайних рядах имеют направление намагниченности, противоположное центральным магнитам, кроме того, за держателем расположены две сверхпроводящие обмотки, выполненные из ВТСП-лент второго поколения, причем длина каждой обмотки равна расстоянию от держателей магнитов до обмотки и расстоянию между обмотками, кроме того, как минимум одна из обмоток имеет правую винтовую симметрию, вторая обмотка - левую винтовую симметрию, при этом каждая из этих двух обмоток представляет собой двухзаходную спираль, состоящую из двух идущих рядом вплотную друг к другу одинаковых ВТСП-лент второго поколения, кроме того, за обмотками на внешней поверхности статора на расстоянии равном расстоянию между обмотками расположен второй идентичный первому держатель с размещенными в нем постоянными магнитами, внутри статора расположен ротор, на внешней поверхности которого намотаны 4 сверхпроводящие обмотки, причем 2 обмотки расположены напротив обмоток статора и полностью идентичны им, а две другие обмотки расположены напротив держателей постоянных магнитов, причем каждая из этих обмоток состоит из более чем одной ВТСП-ленты, ширина которой не более, чем ширина одного из постоянных магнитов, кроме того, на одном из торцов ротора расположен внешний источник вращения.

Размещение на краях статора на его внешней поверхности вокруг трубы цилиндрических держателей с осью симметрии, совпадающей со статором, с размещенными в них вплотную друг к другу одинаковыми постоянными магнитами, образующими ряды вдоль оси симметрии статора и размещение напротив них на роторе сверхпроводящих обмоток, состоящих из более чем одной ВТСП-ленты, ширина которой не более, чем ширина одного из постоянных магнитов позволяет бесконтактно удерживать ротор внутри подшипника.

Магниты в центре держателя имеют одинаковое направление намагниченности вдоль радиального направления, перпендикулярного оси симметрии. Они создают в области сверхпроводящих обмоток ротора магнитное поле, близкое к однородному вдоль оси симметрии, что позволяет ротору перемещаться вдоль оси вращения при возникновении небольших продольных сил. Магниты по краям держателя магнитов имеют направление намагниченности противоположное центральным магнитам, что создает область с резко неоднородным магнитным полем, которая препятствует смещению сверхпроводящей обмотки вдоль оси за пределы области действия магнитов.

При количестве рядов постоянных магнитов менее 4 намагниченность соседних рядов магнитов оказывается разнонаправленной. Обмотка из ВТСП ленты оказывается изначально зафиксирована неоднородностями магнитного поля, что препятствует перемещению ротора вдоль статора.

При ширине ВТСП-ленты, расположенной напротив держателя постоянных магнитов, более чем ширина одного из постоянных магнитов при первичном охлаждении в рабочем положении происходит захват магнитного потока лентой с учетом неоднородностей магнитного поля, наличие которых обусловлено наличием стыков между центральными магнитами. Наличие неоднородностей в профиле захваченного потока препятствует перемещению ротора вдоль статора.

Применение в устройстве двух сверхпроводящих обмоток, выполненных из ВТСП-лент второго поколения, причем длина каждой обмотки равна расстоянию от держателей магнитов до обмотки и расстоянию между обмотками, кроме того, как минимум одна из обмоток имеет правую винтовую симметрию, вторая обмотка - левую винтовую симметрию, при этом каждая из этих двух обмоток представляет собой двухзаходную спираль, состоящую из двух идущих рядом вплотную друг к другу одинаковых ВТСП-лент второго поколения, позволяет осуществлять управляемое перемещение ротора вдоль статора как влево, так и в право, а также осуществлять бесконтактное торможение ротора.

Таким образом, все перечисленные в разделе сущности изобретения признаки являются существенными, так как они влияют на возможность решения указанной технической проблемы и позволяют обеспечить технический результат, поскольку они находятся в причинно-следственной связи с указанным результатом.

На Фиг. 1-4 представлен пример конкретной реализации устройства. На Фиг. 1 представлен статор со сверхпроводящими обмотками и держателями постоянных магнитов, на Фиг. 2 представлен ротор со сверхпроводящими обмотками, на Фиг. 3 представлен общий вид устройства в сборе с разрезом, на Фиг. 4 представлено размещение на статоре держателя с постоянными магнитами и соответствующее ему размещение на роторе обмотки, содержащей ВТСП-ленты.

Устройство представляет собой: 1 - цилиндрический каркас статора в виде полой трубы, 2 - первый цилиндрический держатель постоянных магнитов, 3 - двухзаходная сверхпроводящая обмотка статора, имеющая левую винтовую симметрию, 4 - двухзаходная сверхпроводящая обмотка статора, имеющая правую винтовую симметрию, 5 - второй цилиндрический держатель постоянных магнитов, 6 - токовводы обмотки статора, имеющей левую винтовую симметрию, 7 - токовводы обмотки статора, имеющей правую винтовую симметрию, 8 - цилиндрический ротор в виде стержня, 9 - сверхпроводящая обмотка, расположенная на поверхности ротора напротив первого держателя постоянных магнитов, 10 - сверхпроводящая обмотка, расположенная на поверхности ротора напротив второго держателя постоянных магнитов,, 11 - двухзаходная сверхпроводящая обмотка ротора, имеющая левую винтовую симметрию, 12 - двухзаходная сверхпроводящая обмотка ротора, имеющая правую винтовую симметрию, 13 - внешний источник вращения, 14 - постоянные магниты, размещенные в держателе, 15 - ВТСП-ленты сверхпроводящей обмотки, расположенной напротив держателя, 16 - корпус устройства, 17 - система охлаждения ВТСП-лент. Стрелками показано направление действия компонент силы сопротивления. Жирные стрелки показывают направление протекания тока в лентах.

Устройство работает следующим образом.

Устройство содержит статор 1 выполненный из медной полой трубы. На одном из краев статора на его внешней поверхности вокруг трубы располагается первый цилиндрический держатель 2 с осью симметрии, совпадающей со статором, с размещенными в нем вплотную друг к другу одинаковыми постоянными магнитами 14, образующими девять рядов вдоль оси симметрии статора, за держателем 2 постоянных магнитов располагается двухзаходная сверхпроводящая обмотка статора 3, выполненная из ВТСП-лент второго поколения (лента 1 и лента 2) и имеющая левую винтовую симметрию, за ней располагается другая двухзаходная сверхпроводящая обмотка статора 4, выполненная также из ВТСП-лент второго поколения (лента 3 и лента 4) и имеющая правую винтовую симметрию, причем длина каждой обмотки равна расстоянию от держателей магнитов до обмотки и расстоянию между обмотками, кроме того, каждая из этих двух обмоток представляет собой двухзаходную спираль, состоящую из двух идущих рядом вплотную друг к другу одинаковых ВТСП-лент второго поколения, за обмотками на внешней поверхности статора на расстоянии, равном расстоянию между обмотками, расположен второй идентичный первому держатель 5 с размещенными в нем постоянными магнитами, внутри статора расположен цилиндрический ротор 8 в виде медного стержня, на внешней поверхности которого намотаны 4 сверхпроводящие обмотки, причем две обмотки 11 и 12 расположены напротив обмоток статора, обмотка ротора 11 идентична обмотки статора 3, а обмотка ротора 12 полностью идентична обмотке статора 4, а две другие обмотки 9 и 10 расположены напротив держателей постоянных магнитов, причем каждая из этих обмоток состоит из трех ВТСП-лент 15, ширина которой не более, чем ширина одного из постоянных магнитов, кроме того, на одном из торцов ротора расположен внешний источник вращения в виде электродвигателя 13. Подача тока на сверхпроводящие обмотки статора осуществляется с помощью токовводов 6 и 7.

Предлагаемое устройство выставляется в рабочее положение: внутрь статора 1 соосно с ним помещают ротор 8, так что сверхпроводящяя обмотка 9 не выходит за пределы держателя магнитов 2, а сверхпроводящая обмотка 10 не выходит за пределы держателя магнитов 5. Двухзаходная обмотка статора 3 не выходит за пределы двухзаходной обмотки ротора 11, а двухзаходная обмотка статора 4 не выходит за пределы двухзаходной обмотки ротора 12. Устройство размещают в корпус 16 и охлаждают с помощью криокулера 17 до криогенных температур газообразным гелием. После охлаждения ротор 8 начинает самостоятельно удерживаться внутри статора 1. Далее на двухзаходные сверхпроводящие обмотки статора 3 и 4 подают ток с помощью токовводов 6 и 7, соответственно, что позволяет осуществить первичное намагничивание сверхпроводящих обмоток ротора 11 и 12. Высокий критический ток статора (по сравнению с током ротора) позволяет перевести основную часть ротора в критическое состояние. Ток отключают. Запускают электродвигатель для вращения ротора. Перемещение ротора относительно статора вдоль оси вращения и его торможение осуществляются следующим образом. При нулевых токах через токовводы 6 и 7 между двухзаходными сверхпроводящими обмотками 11 и 12 на вращающемся роторе 8 и неподвижном статоре 1 отсутствуют силы. При подаче токов через токовводы 6 на двухзаходную сверхпроводящую обмотку 3 статора возникает неоднородное магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем первично намагниченной обмотке 11 ротора. Сила F, действующая со стороны магнитного поля статора на точку поверхности ротора направлена параллельно поверхности ротора и перпендикулярна границе раздела соседних лент (Ленты 5 и Ленты 6). Эта сила, схематично представленная на Фиг. 2 и имеющая значительную компоненту F_Z, направленную вдоль оси вращения ротора, обеспечивает перемещение ротора вправо. Перемещение вращающегося в ту же сторону ротора влево достигается переключением тока от внешнего источника с двухзаходной сверхпроводящей обмотки 3 на двухзаходную сверхпроводящую обмотку 4 через токовводы 7. Подача равных по величине токов одновременно через токовводы 6 и 7 в двухзаходные сверхпроводящие обмотки статора 3 и 4 приводит к бесконтактному торможению ротора без его перемещения вдоль оси вращения.

Таким образом конструкция данного устройства позволяет перемещать положение ротора вдоль статора в процессе работы устройства для бесконтактной передачи момента вращения неподвижному объекту, а также осуществлять торможение ротора, не останавливая его.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к области бесконтактных магнитных подшипников с использованием высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) лент второго поколения, и может найти применение при конструировании электротехнических устройств различного назначения с массивным вращающимся ротором/валом при бесконтактной передачи момента вращения неподвижному объекту. Технический результат заключается в обеспечении возможности перемещения положения ротора вдоль статора в процессе работы устройства для бесконтактной передачи момента вращения неподвижному объекту, а также возможности осуществления бесконтактного торможения устройства без его остановки. Бесконтактный сверхпроводящий магнитный подшипник состоит из статора в виде полой трубы, выполненной из немагнитного материала, на внешнюю поверхность которой намотаны сверхпроводящие обмотки, системы охлаждения ВТСП-лент и ротора, выполненного из немагнитного материала, причем оси симметрии ротора и статора совпадают. Ротор и статор размещены в корпусе. На одном из краев статора на его внешней поверхности вокруг трубы расположен первый цилиндрический держатель с осью симметрии, совпадающей со статором, с размещенными в нем вплотную друг к другу одинаковыми постоянными магнитами, образующими ряды вдоль оси симметрии статора, причем количество рядов не менее 4 штук. Магниты в центральных рядах держателя имеют одинаковое направление намагниченности вдоль радиального направления, перпендикулярного оси симметрии, а магниты в крайних рядах имеют направление намагниченности, противоположное центральным магнитам. За держателем расположены две сверхпроводящие обмотки, выполненные из ВТСП-лент второго поколения. Длина каждой обмотки равна расстоянию от держателей магнитов до обмотки и расстоянию между обмотками. Как минимум одна из обмоток имеет правую винтовую симметрию, вторая обмотка - левую винтовую симметрию. Каждая из этих двух обмоток представляет собой двухзаходную спираль, состоящую из двух идущих рядом вплотную друг к другу одинаковых ВТСП-лент второго поколения. За обмотками на внешней поверхности статора на расстоянии, равном расстоянию между обмотками, расположен второй идентичный первому держатель с размещенными в нем постоянными магнитами. Внутри статора расположен цилиндрический ротор в виде стержня, на внешней поверхности которого намотаны 4 сверхпроводящие обмотки. Причем 2 обмотки расположены напротив обмоток статора и полностью идентичны им, а две другие обмотки расположены напротив держателей постоянных магнитов. Каждая из этих обмоток состоит из более чем одной ВТСП-ленты, ширина которой не более, чем ширина одного из постоянных магнитов. На одном из торцов ротора расположен внешний источник вращения. 4 ил.

Бесконтактный сверхпроводящий магнитный подшипник, состоящий из статора в виде полой трубы, выполненной из немагнитного материала, на внешнюю поверхность которой намотаны сверхпроводящие обмотки, системы охлаждения ВТСП-лент, ротора, выполненного из немагнитного материала, причем оси симметрии ротора и статора совпадают, отличающийся тем, что статор и ротор размещены в корпусе, при этом на одном из краев статора на его внешней поверхности вокруг трубы расположен первый цилиндрический держатель с осью симметрии, совпадающей со статором, с размещенными в нем вплотную друг к другу одинаковыми постоянными магнитами, образующими ряды вдоль оси симметрии статора, причем количество рядов не менее 4 штук, при этом магниты в центральных рядах держателя имеют одинаковое направление намагниченности вдоль радиального направления, перпендикулярного оси симметрии, а магниты в крайних рядах имеют направление намагниченности, противоположное центральным магнитам, кроме того, за держателем расположены две сверхпроводящие обмотки, выполненные из ВТСП-лент второго поколения, причем длина каждой обмотки равна расстоянию от держателей магнитов до обмотки и расстоянию между обмотками, кроме того, как минимум одна из обмоток имеет правую винтовую симметрию, вторая обмотка - левую винтовую симметрию, при этом каждая из этих двух обмоток представляет собой двухзаходную спираль, состоящую из двух идущих рядом вплотную друг к другу одинаковых ВТСП-лент второго поколения, кроме того, за обмотками на внешней поверхности статора на расстоянии, равном расстоянию между обмотками, расположен второй идентичный первому держатель с размещенными в нем постоянными магнитами, внутри статора расположен цилиндрический ротор в виде стержня, на внешней поверхности которого намотаны 4 сверхпроводящие обмотки, причем 2 обмотки расположены напротив обмоток статора и полностью идентичны им, а две другие обмотки расположены напротив держателей постоянных магнитов, причем каждая из этих обмоток состоит из более чем одной ВТСП-ленты, ширина которой не более, чем ширина одного из постоянных магнитов, кроме того, на одном из торцов ротора расположен внешний источник вращения.