Ротор электрической машины с криогенным охлаждением Советский патент 1979 года по МПК H02K9/197 H01L39/02 

Изобретение относится к электротехнике, холодильной и криогенной технике и; в частности, относится к роторам электрических машин с криогенным охлаждением.

Извес: ен ротор электрической машины с криогенным охлаждением обмотки возбуждения, выполненной многослойной с каналами для хладагента 1.

В процессе работы сверхпроводяш,их электрических машин при повышении электрической нагрузки могут возникнуть кризисHbie режимы работы, при которых сила тока, магнитная индукция и удельный тепловой поток превысят соответствуюш,ие критические значения. Это приведет к нагреву электропроводника обмотки и выходу его из состояния сверхпроводимости.

В обмотке сверхпроводящей машины в качестве хладагента, как правило, используется жидкий кипящий гелий. При этом температура проводника зависит от температуры кипения хладагента, которая, в свою очередь, определяется давлением в каналах системы охлаждения, интенсивностью теплоотдачи и величиной критического теплового потока.

При враш.ении ротора с круговой частотой W под давлением центробежных сил в радиальном канале, заполненным хладагентом, на участке dr, отстоящем от оси вращения на расстояниег,создается перепад давления

dP b-dr,(1)

где у- плотность хладагента.

Тогда, вследствие действия центробежных сил, давление жидкого кипящего гелия в радиальном канале будет следующим:

Pt РО +JS W rdr РО -f §0) 2г2, (2)

где РО - давление вблизи оси вращения; Р -давление на расстоянии г от оси вращения.

5

В этом случае равновесная температура кипения хладагента и, следовательно, температура обмотки будут пов ыщаться с увеличением расстояния от оси вращения. .В обмотке будет иметь место радиальный градиент температур. Неравномерность температуры в массе обмотки приведет к снижению эффективностимашины, так как рабочие параметры выбираются по наиболее высокой температуре в обмотке. В противном случае в более теплой зоне обмотки, т. е. удаленной от оси вращения зоне, проводники могут, выйти из сверхпроводящего состояния, что приведет к выходу из строя всей мащины. .

Также известен ротор электрической мащины с криогенным охлаждением обмотки возбуждения, выполненной с каналами для хладагента в виде расположенных оДин над другим слоем модулей, каждый из которых имеет обращенную к оси вращения плоскость 2.

Такое устройство позволяет улучщить теплообмен между хладагентом и модулем сверхпроводящей обмотки.

Недостатком такого устройства является то, что в нем неизбежен радиальный градиент температур, вызываемый ростом давления под действием центробежных сил по .мере удаления от оси вращения. Это приводит к неравномерности температур в обмотке возбуждения, снижает критические и рабочие параметры сверхпроводящих проводников и эффективность всей мащины в целом.

Цель изобретения - исключение указанного недостатка.

ГГоставленная цель достигается тем, что каждый модуль снабжен продольными и поперечными относительно оси., стенками, образующими с упомянутой поверхностька ванну для хладагента, и одна из поперечных стенок выполнена укороченной и расположена в соседних слоях с противоположных сторон, а слои модулей установлены со смещением в аксиальном направлении в сторону укороченных стенок соседних слоев.

При этом высота стенок модулей каждого слоя может быть выполнена уменьшающейся в направлении периферии, обратно пропорционально расстоянию слоя от оси.

На фиг. 1 представлен продольный, разрез предложенного ротора; на фиг. 2 - ванна для хладагента.

Ротор имеет трубопровод ввода 1, обмотку, выполненную в виде расположенных друг .над другом слоев модулей 2, 3, 4, каждый из которых имеет обращенную к оси вращения 5 поверхность 6 и продольные 7 и поперечные 8 стенки, образующие с упомянутой поверхностью ванну 9 для хладагента.

При этом одна из попёречных стенок 10 выполнена укороченн.ой, например, высотой, равной 2/3 высоты остальных стенок, и расположена в соседних слоях с противоположных сторон и слои модулей установлены со смещением в аксиальном направлении в сторону укороченных стенок соседних слоев.

При работе жидкий гелий по трубопроводу ввода 1 подается в полость ротора на

первый. модуль 2, ближний к оси вращения и отстоящий от нее на расстоянии г .

Жидкий гелий заполняет ванну первого модуля, а избыток жидкости, проадя вдоль модуля, сливается через укороченную входную стенку 10 на второй модуль 3, расположенный на другом, больщем радиусе вращения..

0 Такое расположение позволяет всей охлаждающей жидкости, сливающейся с первого модуля, попадать в ванну второго модуля.

Конструкция второго модуля и последуюс щих (расположенных на больщих радиусах вращения г,, г,..,г„) аналогична конструкции первого. Второй модуль смещен в аксиальном направлении относительно первого модуля таким образом, что входная часть второго модуля с поперечной стенкой расположена под выходной поперечной стенкой первого модуля.

Заполнив ванну второго модуля, избыток жидкого гелия через выходную поперечную стенку переливается в ванну третьего

5 модуля, размещенного на расстоянии г от оси вращения и смещенного от юсительно второго вдоль оси так, что он располагается точно под первым модулем. Последующие модули жидкий гелий проходит в такой же последовательности.

0 Давление, а следовательно, и температура на поверхности каждого слоя модулей согласно формуле (1) будут пропорциональны произведению радиуса расположения слоя г на толщину слоя хладагента на его

5 поверхности - dr. , .

У каждого последующего к периферии слоя модулей радиус г боляще, чем у предыдущего, и для сохранения постоянства давления и температуры во всем объеме ротора величина dr должна изменяться обратно пропорционально изменению радиуса расположения слоя модулей относительно оси, сохраняя тем самым постоянное значение произведения rdr.

Величина dr определяется высотой укороченной поперечной стенки 10 и, следовательно, для сохранения постоянного значения произведения r.dr на каждом последующем слое модулей, расположенном на большем радиусе от оси вращения, высота стенки должна быть меньще, чем на предыдущем. Это уменьшение высоты стенок должно быть обратно пропорционально увеличению радиуса вращения соответствующих слоев модулей.

Таким образом обеспечивается последовательное ступенчатое движение жидкого хладагента по сверхпроводникам ротора и ликвидируется влияние давления на температуру кипения хладагента и температуру сверхпроводников..