Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СИНХРОННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА СО СВЕРХПРОВОДНИКОВЫМИ ОБМОТКАМИ
СИНХРОННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА СО СВЕРХПРОВОДНИКОВЫМИ ОБМОТКАМИ

СИНХРОННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА СО СВЕРХПРОВОДНИКОВЫМИ ОБМОТКАМИ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: электротехника, синхронный генератор. Сущность изобретения: синхронная электрическая машина со сверхпроводниковыми обмотками содержит ротор со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения 1 и статор с низкотемпературным сосудом 2 и сверхпроводниковой обмоткой якоря 3. Сверхпроводниковая обмотка якоря расположена внутри низкотемпературного сосуда. Сосуд заполнен жидким хладагентом, например жидким гелием. Сверхпроводящий экран 4 с радиусом Rэ удален от наружной поверхности сверхпроводниковой обмотки якоря с радиусом Rоя так, что отношение Рэоя=1,5-1,8. Экран охватывает низкотемпературный сосуд. В жидком хладагенте размещены герметичные емкости 5 с предохранительным клапаном 7. Герметичная емкость выполнена в виде тора и установлена симметрично относительно оси машины. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

   С помощью Яндекс:  

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2086067
Класс(ы) патента: H02K9/197, H02K55/02
Номер заявки: 4885382/07
Дата подачи заявки: 26.11.1990
Дата публикации: 27.07.1997
Заявитель(и): Харьковский политехнический институт им.В.И.Ленина (UA)
Автор(ы): Болюх Владимир Федорович[UA]; Данько Владимир Григорьевич[UA]; Кожемякин Сергей Михайлович[UA]; Станкевич Анатолий Иванович[UA]
Патентообладатель(и): Харьковский политехнический институт им.В.И.Ленина (UA)
Описание изобретения: Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к синхронным генераторам со сверхпроводниковыми обмотками.
Известна синхронная электрическая машина, содержащая ротор со сверхпроводящей обмоткой возбуждения и статор с низкотемпературным сосудом с жидким хладагентом, внутри которого расположена выполненная из меди обмотка якоря, охваченная шихтованным стальным сердечником. В данной машине значителен расход жидкого хладагента в статоре из-за больших тепловыделений в стальном сердечнике и медной обмотке якоря, а также значителен вес статора, что усложняет конструкцию низкотемпературного сосуда.
Известна синхронная электрическая машина, содержащая ротор со сверхпроводящей обмоткой возбуждения, статор со сверхпроводниковой обмоткой якоря, размещенный в сосуде с жидким хладагентом, и шихтованный стальной экран, охватывающий машину по наружной поверхности.
В этой машине снижены потери в обмотке якоря, но при этом сохраняется значительный вес находящегося в теплой зоне стального экрана, составляющего до 60% веса машины. В стальном экране выделяется тепло, что снижает КПД машины. Выделившееся тепло нагревает корпус машины, который является внешним вакуумным кожухом криостата, что приводит к увеличению теплопритока в холодную зону и к повышенному расходу жидкого хладагента.
Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности является синхронная электрическая машина, содержащая ротор со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения и статор с низкотемпературным сосудом с жидким хладагентом, внутри которого расположена сверхпроводниковая обмотка якоря, охваченная сверхпроводящим экраном.
В данной машине обеспечивается значительное снижение веса из-за отсутствия массивных ферромагнитных элементов и, соответственно, потерь мощности в данных элементах.
Однако прототип обладает рядом недостатков.
Поскольку сверхпроводящий экран расположен в непосредственной близости от обмотки якоря, то возникающие в экране от вращающихся магнитных полей машины вихревые токи значительно уменьшают магнитное поле в зоне обмотки якоря, т.е. экран оказывает размагничивающее действие и существенно снижает мощность машины. Так как при этом сверхпроводящий экран расположен в большом магнитном поле, созданном сверхпроводниковыми обмотками машины, и выполнен он из сверхпроводника второго рода, например Nb, то он находится в смешанном состоянии (в интервале от первого критического поля Вc1 до второго критического Вc2). Как известно, при нахождении в постоянном магнитном поле в смешанном состоянии сверхпроводник второго рода является идеальным проводником (сопротивление равно нулю ), но не идеальным диамагнетиком (магнитное поле проникает через сверхпроводник). В переменном же магнитном поле (что имеет место в рассматриваемых машинах) в сверхпроводнике, находящемся в смешанном состоянии, происходят потери. Как следствие этого, сверхпроводящий экран нагревается и надежность его снижается. Кроме того, поскольку сверхпроводящий экран пропускает через себя переменное поле, то в расположенных за этим экраном металлических элементах машины (стенки низкотемпературного сосуда, радиационные экраны, внешний вакуумный кожух и др.) также происходят потери, а значит, нагрев. Нагрев элементов машины приводит к снижению ее КПД и повышенному расходу хладагента, т. е. к неэкономичности. Выполнение же указанных элементов машины неметаллическими проблематично и представляет как технологические, так и конструктивные трудности. Проникающее за поверхность машины переменное магнитное поле неблагоприятно воздействует как на обслуживающий персонал, так и на электронное оборудование.
При этом надежность известной электрической машины не возрастает, а даже снижается, если сверхпроводящий экран удалить от обмотки якоря на расстояние, где магнитное поле будет меньше первого критического поля Вc1 сверхпроводника второго рода и экран станет идеальным диамагнетиком. Это связано с тем, что для надежного охлаждения сверхпроводящего экрана низкотемпературный сосуд должен быть полностью заполнен жидким хладагентом. Однако наличие большого количества жидкого хладагента, помимо экономической целесообразности, нежелательно при наличии тепловыделений в статоре, поскольку жидкость при этом переходит в газ, давление в низкотемпературном сосуде статора резко возрастает, что требует либо наличия толстых стенок сосуда, либо аварийного выброса газообразного хладагента в атмосферу, что также нежелательно. Особенно опасна ситуация при использовании жидкого гелия (1 л жидкого гелия при атмосферном давлении составляет до 700 л газа) и кратковременном, но мощном тепловыделении, например, при переходе сверхпроводниковых обмоток машины в нормальное состояние. Возникающее при этом давление может разрушить машину.
Целью изобретения является повышение надежности.
Цель достигается тем, что в известной синхронной электрической машине, содержащей ротор со сверхпроводящей обмоткой возбуждения и статор с низкотемпературным сосудом, внутри которого расположена сверхпроводниковая обмотка якоря, охваченная сверхпроводящим экраном, внутри низкотемпературного сосуда между сверхпроводящим экраном и сверхпроводниковой обмоткой якоря в жидком хладагенте расположены изготовленные из электроизоляционного материала вспомогательные элементы с внутренней герметичной полостью, на одной из стенок которых установлен предохранительный клапан.
При этом сверхпроводящий экран расположен на внутренних поверхностях наружных и торцевых стенок низкотемпературного сосуда и находится в состоянии полного диамагнетизма.
Каждый вспомогательный элемент выполнен в виде тора, симметрично установленного относительно оси машины, внутренние и наружные стенки тороидного вспомогательного элемента выполнены цилиндрическими, а торцевые стенки выполнены плоскими, параллельными торцевым стенкам низкотемпературного сосуда, причем каждый вспомогательный элемент снабжен выходным патрубком. Кроме того, предохранительный клапан выполнен регулируемым с возможностью многократной работы и предохранительные клапаны вспомогательных элементов отрегулированы на различное давление.
В предлагаемой сверхпроводниковой синхронной электрической машине устранены практически полностью потери мощности, а значит, повышен КПД за счет того, что сверхпроводящий экран за счет удаления обмотки якоря находится в относительно малом магнитном поле ниже критического поля Вc1, при котором он является полностью диамагнитным. Поэтому отсутствуют потери как в самом экране, что приводит к повышению его надежности из-за отсутствия нагрева, так и в расположенных за экраном элементах машины, так как магнитное поле машины практически равно нулю. Естественно, что данные элементы машины - внутренний сосуд, радиационные экраны, наружный вакуумный кожух и другие - из-за отсутствия потерь в них выполняются металлическими, что существенно повышает технологичность и надежность машины.
Предлагаемое размещение сверхпроводящего экрана позволяет многократно уменьшить действие экрана в активной зоне машины в обмотке якоря. За счет этого обеспечивается повышение магнитного поля в зоне обмотки якоря и возрастают электромагнитные параметры и мощность электрической машины.
Наличие вспомогательных элементов внутри низкотемпературного сосуда с жидким хладагентом приводит к тому, что фактически в большом объеме низкотемпературного сосуда находится малое количество жидкого хладагента, но при этом обеспечивается хорошее охлаждение экрана и обмотки якоря за счет непосредственного контакта с жидкостью. Малое количество жидкого хладагента резко повышает экономичность электрической машины и надежность при возникновении резких тепловыделений в статоре.
Выполнение вспомогательных элементов в виде торов, симметрично установленных относительно оси машины, обеспечивает равномерный слой жидкости по всему периметру экрана и обмотки якоря. Выполнение же у этих тороидных элементов внутренней и наружной стенок цилиндрическими, а торцевых стенок плоскими и параллельными торцевым стенкам низкотемпературного сосуда позволяет в максимальной степени реализовать данную задачу при минимальном количестве жидкого хладагента.
Изготовление вспомогательных элементов из электроизоляционного материала исключает возникновение в них каких-либо потерь и искажений магнитных полей машины.
Наличие у вспомогательных элементов внутренней герметичной полости, например вакуумной, обеспеченной через выходной патрубок, позволяет снизить вес машины и количество электроизоляционного материала.
Расположение на одной из стенок внутренней полости предохранительного клапана, отрегулированного на определенное давление срабатывания, позволяет при резком повышении давления из-за испарения жидкого хладагента, ограничить его до величины давления срабатывания клапана. Клапан открывается и хладагент поступает во внутреннюю полость вспомогательного элемента. При устранении источника тепловыделений клапан закрывается, хладагент из внутренней полости по выходному патрубку поступает в емкости, а затем опять подается в машину. Поэтому клапаны выполняются регулируемыми, например пружинного типа, на определенное давление срабатывания с возможностью многократной работы.
Регулирование клапанов тороидных вспомогательных элементов на различное давление обеспечивает последовательное срабатывание этих клапанов при росте давления хладагента. Только в случае аварийного повышения давления, возникающего, например, при переходе в нормальное состояние сверхпроводящих элементов машины, обеспечивается срабатывание всех клапанов и повреждение машины исключается.
Ограничение давления в машине позволяет выполнить внутренний низкотемпературный сосуд тонкостенным, что целесообразно как с точки зрения веса электрической машины, так и ее экономичности.
Расположение сверхпроводящего экрана непосредственно на внутренних поверхностях стенок низкотемпературного сосуда позволяет отказаться от специального корпуса в сосуде для экрана, его крепления и др. а также уменьшить размеры внутреннего низкотемпературного сосуда.
На фиг.1 представлена сверхпроводниковая синхронная электрическая машина (с продольным сечением половины); на фиг.2 конструкция вспомогательного элемента.
Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина состоит из ротора со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения 1 и статора с низкотемпературным сосудом 2, внутри которого расположена сверхпроводниковая обмотка якоря 3, охваченная сверхпроводящим экраном 4. Внутри низкотемпературного сосуда 2 между сверхпроводящим экраном 4 и сверхпроводниковой обмоткой якоря 3 в жидком хладагенте, например жидком гелии, расположены вспомогательные элементы 5 с внутренней полостью 6, на одной из стенок которых установлен предохранительный клапан 7. Каждый вспомогательный элемент закреплен внутри низкотемпературного сосуда специальными проставками (на фиг.1 не показано) и выполнен в виде тора, симметрично установленного относительно оси машины, и снабжен выходным патрубком 8. Внутренние 9 и наружные 10 стенки тороидного вспомогательного элемента 5 выполнены цилиндрическими, а торцевые стенки 11 выполнены плоскими, параллельными торцевым стенкам 12 низкотемпературного сосуда 2. Сверхпроводящий экран 4 расположен на внутренних поверхностях торцевых 12 и наружных 13 стенок низкотемпературного сосуда 2 и находится в состоянии полного диамагнетизма. Сверхпроводниковая обмотка якоря 3, низкотемпературный сосуд 2 и тепловой экран 14 закреплены на опорном цилиндре якоря 15. Опорный цилиндр якоря соединен через ряд равномерно расположенных по периметру машины теплоизоляционных опорных прокладок 16 с внутренними выступами 17 наружных щитов 18 корпуса машины. Корпус машины включает два наружных щита 18, один из которых соединен с источником вакуума 19, и тонкостенную вакуумную цилиндрическую обшивку 20.
Закрепленная на валу 21 машины низкотемпературная полость 22, в которой расположена сверхпроводниковая обмотка возбуждения 1 ротора, низкотемпературный сосуд 2 с жидким хладагентом, в котором размещены сверхпроводниковая обмотка якоря 3 и сверхпроводящий экран 4, зазор 23 между полостью 22 и сосудом 2, тепловой экран 14 и суперизоляция 24 (многослойная пленка алюминизированного майлара) находятся в общей вакуумной полости 25 корпуса машины.
В сосуде 2 статора имеются патрубки 26 и 27, обеспечивающие, соответственно, подачу жидкого хладагента и выход его паров. Синхронная электрическая машина имеет трехфазный электрический вывод 28, соединенный с трехфазной обмоткой якоря 3.
Сверхпроводниковая обмотка возбуждения ротора имеет токовводы 29, подсоединяемые к источнику питания постоянного тока (не показан), и охлаждается потоком циркулирующего в полости 22 под давлением жидкого хладагента, подача и выход которого производятся через трубопроводы 30.
На наружных щитах 18 корпуса машины установлены вакуумно плотные подшипники 31, обеспечивающие вращение вала 21 ротора и герметизацию вакуумной полости 25 корпуса машины. На тепловом экране 14 выполнены отверстия 32, обеспечивающие передачу вакуума от источника вакуума 19 к сосуду 2 статора.
Установленный на каждом тороидном вспомогательном элементе 5 предохранительный клапан 7 выполнен регулируемым с возможностью многократной работы.
В синхронной электрической машине со сверхпроводящими обмотками опорный цилиндр якоря 15 изготовлен из тепло- и электроизоляционного высокопрочного материала, например стеклотекстолита, вспомогательные элементы 5 из электроизоляционного материала, например из текстолита, прочного пенопласта и др. торцевые 12 и наружная 13 стенки низкотемпературного сосуда 2 и корпус машины из нержавеющей стали, тепловой экран 14 из меди.
Сверхпроводниковая обмотка якоря 3 намотана из композитных, внутренне стабилизированных сверхпроводников второго рода, например NbTi, Nb3Sn и др. а сверхпроводящий экран 4 выполнен в виде тонкой пленки из сверхпроводника второго рода, например Nb, находящегося в состоянии полного диамагнетизма.
При работе синхронной электрической машины в качестве генератора (основной режим работы) через токовводы 29 осуществляется запитка обмотки возбуждения 1 постоянным током. Передавая через вал 21 вращающий момент вспомогательным приводом (не показан), ротор с обмоткой возбуждения приводится во вращение, в обмотке якоря 3 индуцируется трехфазная ЭДС, а при подключении к трехфазному электрическому выводу 28 нагрузки в обмотке якоря появляется переменный ток, поступающий потребителям.
Так как сверхпроводящий экран 3 находится в состоянии полного (идеального) диамагнетизма, то за поверхностью экрана обеспечивается полное экранирование как постоянных, так и переменных магнитных полей машины. Это позволяет все элементы машины, расположенные за экраном, включая низкотемпературный сосуд 2, тепловые экраны 14, корпус машины и другие, выполнить металлическими, что конструктивно и технологически предпочтительно, причем потери в экране и в указанных элементах машины отсутствуют.
Радиус сверхпроводящего экрана Rэ выбирается из условия, чтобы тангенциальная компонента Bϕ на поверхности сверхпроводящего экрана не превышала первое критическое поле Вс1 сверхпроводника. При выбранном исходя из этого радиусе экрана Rэ1 практически отсутствует действие экрана, т.е. снижение радиальной компоненты Br магнитного поля в зоне обмотки якоря, определяющее мощность машины.
Наличие вспомогательных элементов 5 обеспечивает при относительно малом количестве жидкого хладагента, что экономически выгодно, надежное охлаждение сверхпроводниковой обмотки якоря 3 и сверхпроводящего экрана 4 за счет непосредственного контакта с жидкостью. При возникновении теплопритоков в низкотемпературном сосуде 2 статора, например из-за резкого изменения нагрузки машины, часть жидкого хладагента в сосуде перейдет в газообразное состояние, что приведет к росту давления в сосуде. Из-за значительного гидравлического сопротивления только небольшая часть газа уйдет через выходной патрубок 27.
При увеличении давления происходит срабатывание, например, верхнего предохранительного клапана 7: заслонка открывается и часть хладагента проникает в полость 6 вспомогательного элемента 5. Поскольку давление в сосуде падает, предохранительный клапан снова закрывается. Попавший в полость 6 вспомогательного элемента хладагент через выходной патрубок 8 за определенное время удаляется либо в газгольдерную линию, либо возвращается на охлаждение машины.
Таким образом, предохранительный клапан позволяет за короткое время осуществить сброс давления в сосуде, не допуская его превышения определенного значения.
При более интенсивном выделении тепла или мощном теплопритоке в низкотемпературном сосуде 2 статора срабатывает не только предохранительный клапан верхнего вспомогательного элемента, а и отрегулированные на более высокое давление срабатывания предохранительные клапаны более нижних вспомогательных элементов 5.
Последний предохранительный клапан, например, нижнего вспомогательного элемента отрегулирован на максимально допустимое давление при полном выкипании хладагента в сосуде, возникающее, например, при неконтролируемом переходе в нормальное состояние сверхпроводящих элементов электрической машины. При этом газ через открытые предохранительные клапаны всех вспомогательных элементов заполняет их полости достаточной емкости, что ограничивает рост давления в сосуде. Это позволяет выполнить низкотемпературный сосуд 2 тонкостенным, тем самым обеспечивая малый вес электрической машины.
Так как даже в аварийных режимах машины не происходит выброс дорогостоящего хладагента гелия из нее, то тем самым повышаются ее технико-экономические параметры.
Таким образом, в предлагаемой сверхпроводниковой электрической машине обеспечиваются
высокая надежность за счет хорошего охлаждения сверхпроводниковой обмотки якоря и сверхпроводящего экрана непосредственно жидким хладагентом;
высокая надежность элементов статора за счет ограничения давления в низкотемпературном сосуде статора из-за относительно малого количества жидкого хладагента и сброса хладагента в полости вспомогательных элементов;
высокая надежность сверхпроводящего экрана из-за отсутствия в нем тепловыделений;
технологичность и надежность конструкции за счет выполнения расположенных за сверхпроводящим экраном элементов машины металлическим;
высокая экономичность и высокий КПД машины из-за малого испарения жидкого хладагента, что связано практически с отсутствием потерь и тепловыделений в элементах статора от переменных магнитных полей машины;
высокая экономичность из-за предотвращения выброса дорогостоящего хладагента из машины даже в аварийных режимах;
экономичность из-за малого количества требуемого для машины жидкого хладагента;
малый вес машины;
повышение мощности машины из-за уменьшения размагничивающего действия сверхпроводящего экрана, что объясняется его удалением от обмотки якоря.
Формула изобретения: 1. Синхронная электрическая машина со сверхпроводниковыми обмотками, содержащая ротор со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения, и статор с низкотемпературным сосудом, заполненным жидким хладагентом, внутри которого расположена сверхпроводниковая обмотка якоря, охваченная сверхпроводящим экраном, выполненным из сверхпроводника второго рода, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и эффективности работы сверхпроводящий экран с радиусом Rэ удален от наружной поверхности сверхпроводниковой обмотки якоря с радиусом Rо.я, так, что отношение Rэ/Rо.я 1,5 - 1,8 и внутри низкотемпературного сосуда, между сверхпроводящим экраном и сверхпроводниковой обмоткой якоря расположены, изготовление из электроизоляционного материала и снабженные патрубками, герметичные емкости с предохранительным клапаном.
2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что сверхпроводящий экран расположен на внутренних поверхностях наружной и торцевых стенок низкотемпературного сосуда.
3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что герметичная емкость выполнена в виде тора, симметрично установленного относительно оси машины.
4. Машина по пп. 1 и 3, отличающаяся тем, что внутренние и наружные стенки тороидальной герметичной емкости выполнены цилиндрическими, а торцевые стенки выполнены плоскими, параллельными торцевым стенкам низкотемпературного сосуда.