КОМБИНИРОВАННЫЙ СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ МАГНИТНЫЙ ПОДШИПНИК Российский патент 2024 года по МПК H10N60/00 F16C39/06 

Изобретение относится к области бесконтактных магнитных подшипников с использованием высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) лент и может найти применение при конструировании электротехнических устройств различного назначения с массивным вращающимся ротором/валом.

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 то, что устройство может функционировать только в вакууме, что усложняет его конструкцию и использование, а также недостаточная стабилизация устройства при внешних воздействиях.

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 недостаточное постоянное магнитное поле от постоянных магнитов ротора, приводящее к плохой стабилизации устройства при внешних воздействиях, стремящихся вызвать относительное поступательное смещение ротора и статора.

Технический результат изобретения заключается в увеличении постоянного магнитного поля и улучшении стабилизации устройства при внешних воздействиях, стремящихся вызвать относительное поступательное смещение ротора и статора.

Технический результат достигается тем, что предлагается комбинированный сверхпроводящий магнитный подшипник, состоящий из статора в виде полой трубы, изготовленного из немагнитного материала с высокой теплопроводностью, на внешней стороне которого выполнены сверхпроводящие обмотки, каждая из которых представляет собой намотанную слоями ВТСП-ленту, системы охлаждения ВТСП-лент и ротора, выполненного из немагнитного материала, на котором в пазах расположены постоянные магниты, формирующие ряды, число которых совпадает с числом ВТСП-обмоток статора, причем геометрические центры каждой намотки ВТСП-лент статора и каждого ряда магнитов ротора расположены друг напротив друга, кроме того оси симметрии ротора и статора совпадают. На одном из краев статора на его внешней поверхности вокруг трубы расположены стопки ВТСП-лент, состоящие из 1-100 слоев, причем стопки ВТСП-лент установлены внахлест с образованием полой сверхпроводящей призмы с толщиной стенок 12 мм, в основании которой лежит правильный многоугольник, причем количество сторон многоугольника определяется диаметром вышеупомянутой трубы, далее от полой сверхпроводящей призмы на расстоянии до 20 мм на внешней поверхности вышеупомянутой трубы устанавливаются друг за другом вдоль вертикальной оси трубы 5+4 n, где n=0, 1,2…n, намоток ВТСП-лент шириной 12 мм, причем каждая намотка ВТСП-лент состоит от 1 до 70 слоев и покрыта слоем теплоизоляционного материала, вокруг статора напротив намоток из ВТСП-лент на расстоянии не более 30 мм от верхнего слоя намотки расположен цилиндрический ротор из немагнитного материала на внутренней стороне которого в пазах закреплены 5+4 n, где n=0, 1,2…n, рядов постоянных магнитов с размерами 10×10×10 мм, кроме того ряды магнитов расположены на расстоянии 2 мм друг от друга в вертикальном направлении с образованием магнитной сборки Халбаха, причем геометрические центры каждой намотки ВТСП-лент и каждого ряда магнитов расположены друг напротив друга и в каждом ряду все магниты ориентированы в одном направлении.

Размещение на одном из краев статора на его внешней поверхности стопок ВТСП-лент, с образованием полой сверхпроводящей призмы с толщиной стенок 12 мм, в основании которой лежит правильный многоугольник, причем количество сторон многоугольника определяется диаметром вышеупомянутой трубы, и расположение на расстоянии до 20 мм от полой сверхпроводящей призмы на внешней поверхности вышеупомянутой трубы следующих друг за другом вдоль вертикальной оси трубы 5+4 n, где n=0, 1, 2…n, намоток ВТСП-лент шириной 12 мм, а также размещение на внутренней поверхности цилиндрического ротора из немагнитного материала 5+4 n, где n=0, 1, 2…n, рядов постоянных магнитов с образованием магнитной сборки Халбаха с размерами 10×10×10 мм, причем геометрические центры каждой намотки ВТСП-лент и каждого ряда магнитов расположены друг напротив друга, приводит к стабилизации конструкции подшипника и препятствию ее смещению как вдоль оси симметрии, так и поперек.

При стопке ВТСП-лент, состоящей менее, чем из 1 слоя не возникает сверхпроводящая структура, использование стопок ВТСП-лент, состоящих из более, чем 100 слоев не целесообразно вследствие слабого прироста в силе левитации.

При намотке ВТСП-лент на поверхность вышеупомянутой трубы менее 1 слоя - не возникает сверхпроводящая структура, при намотке ВТСП-лент более 70 слоев затрудняется охлаждение ВТСП-лент за счет механизма теплопроводности по твердому телу.

Использование рядов постоянных магнитов, образующих магнитную сборку Халбаха позволяет увеличить магнитное поле в области размещения намоток ВТСП-лент, что в свою очередь приводит к стабилизации конструкции подшипника. Для формирования сборки Халбаха необходимо использовать минимум 5 рядов магнитов, применение в настоящем устройстве 5+4 n, где n=0, 1, 2…n, рядов постоянных магнитов позволяет формировать сборку Халбаха, в которой пятым рядом магнитов является последний ряд предыдущей сборки.

При размещении намоток ВТСП-лент от полой сверхпроводящей призмы на расстояние более 20 мм величина магнитного поля от сборки Халбаха стремится к нулю в направлении вдоль оси симметрии.

При размещении ротора на расстоянии более 30 мм от намоток из ВТСП-лент величина магнитного поля от сборки Халбаха стремится к нулю в направлении перпендикулярном оси симметрии устройства.

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. 1-3 представлен пример конкретной реализации устройства.

На Фиг. 1А представлено предлагаемое устройство в сборе: 1 - статор, 2 - стопки ВТСП-лент, 3 - полая сверхпроводящая призма, 4 -намотки ВТСП-лент, 5 - цилиндрический ротор, 6 - ряды постоянных магнитов, образующие магнитную сборку Халбаха.

На Фиг. 1Б представлена полая сверхпроводящая призма в основании которой лежит правильный шестнадцатиугольник: 2 - стопки ВТСП-лент, 3 - полая сверхпроводящая призма.

На Фиг. 1В представлено предлагаемое устройство в разрезе: 1 - статор, 3 - полая сверхпроводящая призма, 4 - намотки ВТСП-лент, 5 -цилиндрический ротор, 6 - ряды постоянных магнитов, образующие магнитную сборку Халбаха.

На Фиг 2 представлен график зависимости возвращающей силы от величины вертикального смещения.

На Фиг 3 представлен график зависимости возвращающей силы от величины смещения в перпендикулярном относительно оси симметрии направлении.

Устройство работает следующим образом.

Устройство содержит статор 1 выполненный из медной полой трубы диаметром 40 мм. На одном из краев статора 1 на его внешней поверхности вокруг трубы располагаются стопки ВТСП-лент 2, состоящие из 35 слоев, причем стопки ВТСП-лент 2 установлены внахлест с образованием полой сверхпроводящей призмы 3 с толщиной стенок 12 мм, в основании которой лежит правильный шестнадцатиугольник, далее на расстоянии 6 мм от полой сверхпроводящей призмы 3 на внешней поверхности вышеупомянутой трубы устанавливаются друг за другом вдоль вертикальной оси трубы 5 намоток ВТСП-лент 4 шириной 12 мм, причем каждая намотка ВТСП-лент 4 состоит из 8 слоев и покрыта слоем теплоизоляционного материала, вокруг статора 1 напротив намоток из ВТСП-лент 4 на расстоянии 4 мм от верхнего слоя намотки расположен цилиндрический ротор 5, изготовленный из АБС-пластика, на внутренней стороне которого в пазах закреплены 5 рядов постоянных NdFeB магнитов марки N42 6 с размерами 10×10×10 мм, кроме того ряды магнитов 6 расположены на расстоянии 2 мм друг от друга в вертикальном направлении с образованием магнитной сборки Халбаха, причем геометрические центры каждой намотки ВТСП-лент 4 и каждого ряда магнитов 6 расположены друг напротив друга и в каждом ряду все магниты ориентированы в одном направлении.

Предлагаемое устройство выставляется в рабочее положение: цилиндрическая труба статора 1 помещается внутрь ротора 5 соосно с ним, так что геометрические центры каждой намотки ВТСП-лент 4 статора и каждого ряда магнитов 6 ротора расположены друг напротив друга. Устройство охлаждают с помощью жидкого азота, который заливается внутрь трубы статора 1. После охлаждения ротор 5 начинает удерживаться снаружи статора 1 за счет электромагнитного взаимодействия намоток 4 и стопок 2 статора с постоянными магнитами 6 ротора, и может осуществлять свободное вращение относительно оси симметрии устройства.

При воздействии на подшипник вертикальной (вдоль оси симметрии) силы смещения, возникает возвращающая сила, препятствующая относительному смещению статора и ротора. На Фиг. 2 приведен график зависимости возвращающей силы от величины вертикального смещения. При воздействии на подшипник силы, перпендикулярной оси симметрии также возникает возвращающая сила, приведенная на Фиг. 3. Фиг. 2 и Фиг. 3 подтверждают высокую стабильность предлагаемой конструкции.

Таким образом, конструкция данного устройства позволяет увеличить величину постоянного магнитного поля и улучшить стабилизацию устройства при внешних воздействиях, стремящихся вызвать относительное поступательное смещение ротора и статора.

Использование: для электротехнических устройств. Сущность изобретения заключается в том, что комбинированный сверхпроводящий магнитный подшипник состоит из статора в виде полой трубы, изготовленного из немагнитного материала с высокой теплопроводностью, на внешней стороне которого выполнены сверхпроводящие обмотки, каждая из которых представляет собой намотанную слоями ВТСП-ленту, системы охлаждения ВТСП-лент и ротора, выполненного из немагнитного материала, на котором в пазах расположены постоянные магниты, причем геометрические центры каждой намотки ВТСП-лент статора и каждого ряда магнитов ротора расположены друг напротив друга, кроме того, оси симметрии ротора и статора совпадают. На одном из краев статора на его внешней поверхности вокруг трубы расположены стопки ВТСП-лент, состоящие из 1-100 слоев, причем стопки ВТСП-лент установлены внахлест с образованием полой сверхпроводящей призмы с толщиной стенок 12 мм, в основании которой лежит правильный многоугольник, причем количество сторон многоугольника определяется диаметром вышеупомянутой трубы, далее от полой сверхпроводящей призмы на расстоянии до 20 мм на внешней поверхности вышеупомянутой трубы устанавливаются друг за другом вдоль вертикальной оси трубы 5+4 n, где n=0, 1,2n, намоток ВТСП-лент шириной 12 мм, причем каждая намотка ВТСП-лент состоит от 1 до 70 слоев и покрыта слоем теплоизоляционного материала, вокруг статора напротив намоток из ВТСП-лент на расстоянии не более 30 мм от верхнего слоя намотки расположен цилиндрический ротор из немагнитного материала, на внутренней стороне которого в пазах закреплены 5+4 n, где n=0, 1, 2…n, рядов постоянных магнитов с размерами 10×10×10 мм, кроме того, ряды магнитов расположены на расстоянии 2 мм друг от друга в вертикальном направлении с образованием магнитной сборки Халбаха, причем геометрические центры каждой намотки ВТСП-лент и каждого ряда магнитов расположены друг напротив друга и в каждом ряду все магниты ориентированы в одном направлении. Технический результат: увеличение постоянного магнитного поля и улучшение стабилизации устройства при внешних воздействиях, стремящихся вызвать относительное поступательное смещение ротора и статора. 3 ил.

Комбинированный сверхпроводящий магнитный подшипник, состоящий из статора в виде полой трубы, изготовленного из немагнитного материала с высокой теплопроводностью, на внешней стороне которого выполнены сверхпроводящие обмотки, каждая из которых представляет собой намотанную слоями ВТСП-ленту, системы охлаждения ВТСП-лент и ротора, выполненного из немагнитного материала, на котором в пазах расположены постоянные магниты, формирующие ряды, число которых совпадает с числом ВТСП-обмоток статора, причем геометрические центры каждой намотки ВТСП-лент статора и каждого ряда магнитов ротора расположены друг напротив друга, кроме того, оси симметрии ротора и статора совпадают, отличающийся тем что на одном из краев статора на его внешней поверхности вокруг трубы расположены стопки ВТСП-лент, состоящие из 1-100 слоев, причем стопки ВТСП-лент установлены внахлест с образованием полой сверхпроводящей призмы с толщиной стенок 12 мм, в основании которой лежит правильный многоугольник, причем количество сторон многоугольника определяется диаметром вышеупомянутой трубы, далее от полой сверхпроводящей призмы на расстоянии до 20 мм на внешней поверхности вышеупомянутой трубы устанавливаются друг за другом вдоль вертикальной оси трубы 5+4 n, где n=0, 1,2…n, намоток ВТСП-лент шириной 12 мм, причем каждая намотка ВТСП-лент состоит от 1 до 70 слоев и покрыта слоем теплоизоляционного материала, вокруг статора напротив намоток из ВТСП-лент на расстоянии не более 30 мм от верхнего слоя намотки расположен цилиндрический ротор из немагнитного материала, на внутренней стороне которого в пазах закреплены 5+4 n, где n=0, 1,2…n, рядов постоянных магнитов с размерами 10×10×10 мм, кроме того, ряды магнитов расположены на расстоянии 2 мм друг от друга в вертикальном направлении с образованием магнитной сборки Халбаха, причем геометрические центры каждой намотки ВТСП-лент и каждого ряда магнитов расположены друг напротив друга и в каждом ряду все магниты ориентированы в одном направлении.