Синхронна електрична машина

1. Синхронная электрическая машина со сверхпроводниковыми обмотками, содер жащая ротор со сверхпроводниковой обмот к ой воз б уж де ния и с та т ор с оп орн ы м цилиндром и низкотемпературным сосудом, внутри которого разме щены сверхпровод никовая обмотка якоря, после дова тельно охваченная сверхпроводящим экраном, вы полненным из композитных сверхпроводни ковых проводов, образ ующих "белич ью клетку" и закрепленным на изоляционном цилиндре, и вспомогательным экраном, вы полненным в виде пленки сверхпроводника первого рода, причем наружная и торцевые стенки низкотемпературного сосуда выпол не ны ме та ллич е ск ими, отлич а ю ща я ся тем, что на вне шней поверхности опорного цилиндра, изготовленного из изоляционного материала, закреплена сверхпроводниковая обмотка якоря, вспомогательный экран расположен на наружной и установленных на опорном цилиндре торцевых стенках низкотемпературного сосуда, причем одна из торцевых стенок герметично соединена с опорным цилиндром, а другая установлена на аксиальных направляющих элементах опорного цилиндра, подпружинена в аксиальном направлении упругими опорными элементами и герметично соединена с наружной гибкой камерой, охватывающей указ а нные эле ме н т ы и ге р ме т ич н о соединенной с опорным цилиндром. 2. Синхронная электрическая машина по п. 1,о т л и ч а ю щ а я с я тем, что изоляционный цилиндр прикреплен к опор ному цилиндру с помощью ф ланцев, при этом в изоляционном цилиндре выполнены отверстия, расположенные между провод никами сверхпроводящего экрана. 3. Синхронная электрическая машина по пп.,1, 2, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что сверхпроводящий экран расположен на на ружной поверхности изоляционного цилин дра. О Изобретение относится к области электромашиностроения, в частности, к синхронным ге не ра тора м со све рх проводниковыми обмотками. Известна синхронная электрическая машина, содержащая ротор со сверхпроаодни-г ковой обмотк ой воз буж дения, ста тор со , ЗТЄКТ сверхпроводниковой обмоткой якоря, размещенной в сосуде с жидким хладагентом и шихтованный стальной магнитный экран, охватывающий вакуумный сосуд корпуса машины по наружной поверхности [1]. В этой машине снижены потери в обмотке якоря практически до нуля. Но из-за на 4716 личия массивного, составляющего до 40-60% веса машины, стального экрана, вес мпшины значителен. Причем D данном стальном экране происходят тепловыделения, что снижает КПД машины, происходит 5 нагрев корпуса машины, являющегося внешним кожухом криостата. Кроме того, корпус машины, тепловые экраны крисота-та. низкотемпературный сосуд статора должны быть выполнены неметаллическими, 10 что и технологически и конструктивно сложно. В противном случае в этих элементах будут тепловыделения от переменных магнитных полей машины. Наиболее близким к предлагаемому 15 изобретению по технической сущности является сихронная электрическая машина, содержащая расположенный в вакуумной полости ротор со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения и статор с опорным ме- 20 таллическим цилиндром, охватывающим низкотемпературный сосуд, внутри которого размещены сверхпроводниковая обмотка якоря, последовательно охваченная сверхпроводящим экраном, выполненным из 25 сверхпроводника второго рода, и вспомогательным экраном, выполненным в виде пленки сверхпроводника первого рода, причем наружная и торцовые стенки низкотемпературного с осуда выполнены мотал- 30 лическими [2]. В данной электрической машине достигается сиижеиие потерь в элементах машины, а, значит, повышается ее КПД. При этом обеспечиваются высокая компактность и 35 малый вес машины. Однако известная машина обладает рядом недостатков, г.нидающих ее надежность. Так при захолаживании до сверхнизких темпертур металлические эле- 40 менты конструкции сжимаются, в то время как элементы машины, находящиеся при комнатной температуре остаются неизменными. Вследствие этого возникают значительные термомеханические напряжения, 45 способные привести к поврждению машины. Тонкостенный металлический иизкотепмпературный сосуд статора будет испытывать значительные напряжения на участке соединения торцовых металличе- 50 ских стенок с неметаллической внутренней стенкой сосуда, которая практически не сжимается. Возникновение ИчЭ-за этого даже незначительных трещин в низкотемпературном сосуде приводит к попаданию хладаген- 55 та из сосуда в вакуумную полость машины, нарушению вакуума, э, значит, и теплоизоляции низкотемпературного сосуда. Кроме того, поскольку опорный цилиндр выполнен металлическим, т.е. обладающим высокой телопроводимость по сравнению с изоляторами, то теплоприток по нему от холодного низкотемпературного сосуда к "теплым" наружным щитам значителен. Возникающий из-за этого повышенный расход жидкого хладагента резко снижает экономичность машины. Поскольку цилиндр якоря выполнен металлическим и имеет большой диаметр, т.к. охватывает низкотемпературный сосуд статора, то вес его значителен. Кроме того, к значительному весу машины приводит и наличие опор в сосуде, фиксирующих сверхпроводниковую обмотку якоря. Так как обмотка непосредственно не прилегает к опорному цилиндру, то на указанные опоры действует момент, значит они должны быть массивными и неметаллическими. Задачей изобретения является создание такой конструкции электрической машины, в которой бы путем снижения термомеханических напряжений и уменьшения теплопритока в низкотемпературную зону статора обеспечивалось повышение надежности и экономичности. Поставленная задача достигается тем, что в известной синхронной электрической машине со сверхпроводниковыми обмотками, содержащей ротор со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения и статор с опорным цилиндром и низкотемпературным сосудом с жидким хладагентом, внутри которого размещены сверхпроводниковая обмотка якоря, последовательно охваченная сверхпроводящим экраном, выполненным из композитных сверхпроводниковых проводов, образующих "беличью клетку" и закреленном на изоляционном цилинрдре, и вспомогательным экраном, выполненным в виде пленки сверхпроводника первого рода, причем наружная и торцовые стенки сосуда выполнены металлическими - на внешней поверхности опорного цилиндра, изготовленного из изоляционного материала, закреплена сверхпроводниковая обмотка якоря, вспомогательный экран расположен на наружной и, установленных на опорном цилиндре, торцевых стенках низкотемпературного сосуда, причем одна из торцевых стенок герметично соединена с опорным цилиндром, а другая установлена на аксиальных направляющих элементах опорного цилиндра и герметично соединена с наружной гибкой камерой, охватывающей указанные элементы и герметично соединенной с опорным цилиндром. Кроме того, изоляционный цилиндр фланцами прикрепс к опорному цилиндру, на его наружной поверхности расположен сверхпроводящий экран, при этом в из: ія 4716 ционном цилиндре выполнены отверстия, расположенные ме жду проводниками сверхпроводящего экрана. Снижение термомеханических напря жений в элементах статора резко уменьшает 5 вероятность механических повреждений низкотемпературного сосуда, возникнове ния в нем трещин, а, значит, и следующего за этим нарушения вакуума машины и выхо да ее из строя. 10 Кроме того, при резком возрастании давления в низкотемпературном сосуде, например, из-за перехода сверхпроводниковой обмотки якоря в нормальное состояние, наружная гибкая камера, увеличивая свой 15 объем, позволяет частично снизить уровень давления, предотвращая повреждение сосуда. В предлагаемой машине обеспечивается снижение теплопритокта в низкотемпе- 20 ратурную зону статора за счет изготовления опорного цилиндра из изоляционного маттериала, а также за счет выполнения его с меньшей площадью поперечного сечения. Последнее объясняется меньшим диамст- 25 ром опорного цилиндра, т.к. он расположен внутри обмотки якоря, а в протипе -снаружи не только обмотки якоря, но и сверхпроводящих экранов. Выполнение опорного цилиндра из изо- 30 ляционного материала и с малым диаметром сущестенно снижает его вес, а, значит, и общий вес машины. В предлагаемой машине обеспечивает сверхпроводниковыми обмотками (с продольным сечением половины); на фиг.2 - вид А на фиг.1; на фиг.З - конструкция изоляционного цилиндра с закрепленным на нем сверхпроводпщим экраном. Синхронная электрическая машина со сверхпроводниковыми обмотками состоит из ротора, в корпусе 1 которого расположены низкотемпературная полость 2 со сверхпроводящей об моткой возбуждения 3, и статора с опорным цилиндром 4 и низкотемпературным сосудом 5, внутри которого размещены сверхпроводниковая трехфазная ообмотка якоря 6, последовательно охваченная сверхпроводящим экраном 7 и вспомогательным экраном 8. Сверхпроводящий экран 7 выполнен из композитных, внутренне стабилизированных проводов 9, на основе сверхпроводников второго рода например, NbTI, Nb3Sn, образующих "беличью клетку" (фиг.З), и закреплен на наружной поверхности изоляционного цилиндра 10. Вспомогательный экран 8 выполнен в виде пленки сверхпроводника первого рода, например, Nb, Sn и расположен на наружной 11 и торцовых 12 и 13 металлических стенках низкотемпературного сосуда 5. Сверхпроводниковая обмотка якора б расположена и закреплена на внешней поверхности опорного цилиндра 4, изготовленного из изоляционного высокопрочного материала, например, стеклотекстолита. Торцовые 12 и 13 стенки низкотемпературного сосуда 5 установлены на опорном ся более надежное фиксирование сверхпро- 35 цилиндре 4. Причем стенка 12 герметично водн ик ов ой обм отки як о ря и соединена с опорным цилиндром, а стенка сверхпроводящих экранов, т.к. они непос 13 установлена на аксиальных направляюредственно крепятся к опорному цилиндру, щих элементах14 опорного цилиндра 4. Ака не через опоры с возникновением момента сиальные направляющие элементы изгиба, как в прототипе. 40 равномерно расположены по периметру Отсутствие опор также позволяет уменьопорного цилиндра и выполнены в виде плошить вес машины. ских выступов, размещенных в вырезах 15 Размещение вспомогательного экрана на торцевой стенки 13 низкотемпературного металлических стенках сосуда, а сверх- сосуда проводящего экрана на изоляционном ци- 45 Торцевая стенка 13 сосуда герметично линдре позволяет изменить расстояние соединена с наружной гибкой камерой 16, между ними, уменьшить размеры сосуда, а, охватывающей направляющие элементы 14 значит, и габариты машины при неизменном и герметично соединенной с опорным цирадиусе вспомогательного экрана, и выполнить линдром 4. Наружная гибкая камера 16 выизоляционный цилиндр тонкостенным. 50 полнена из металлической тонкостенной Предлагаемая машина по сравнению с гофрированной трубы 17, герметично соедипрототипом более технологична, в частности, ненной со вспомогательным торцовым вследствие расположения проводов фланцем 18. сверхпроводящего экрана не внутри, а снаружи изоляционного цилиндра, конструкции 55 Изоляционный цилиндр 10 содержит низкотемпературного сосуда статора, креп- продольный цилиндрический элемент 19 в виде трубы и два фланца 20, которые приления обмотки якоря и др. креплены к опорному цилиндру 4. На элеСущность изобретения поясняется черменте 19 между сверхпроводниковыми тежами, где на фиг.1 представлена синхронпроводами 9 упорядочено по периметру выная электрическая машина со 4716 8 полнен ряд отверстий 21 для прохода жидСинхронная электрическая машина со кого хладагента сверхпроводниковыми обмотками работает На краях аксиальных направляющих следующим образом. элементов 14 опорного цилиндра установлеПри соединении с источником вакуума ны два упора 22. Каждый из упоров выпол- 5 29 в полости 27 корпуса машины образуется нен в виде цилиндрической трубы, к вакуум, что обеспечивает теплоизоляцию торцовой поверхности которой соедининизкотемпературного сосуда 5 статора и тельными элементами 23 прикреплены аксинизкотемпературной полости 2 ротора. альные направляющие элементы, а Под давлением поток жидкого хладагенвнутренней поверхностью упор прикреплен 10 та, например, жидкого гелия, через трубопсоединительными элементами 24 к опорноровод 40 подается в низкотемпературную му цилиндру 4. Между упорами 22 и торцеполость 2 ротора, охлаждает сверхпроводвой стенкой 13 низкотемпературного сосуда никовую обмотку возбуждения 3, после чего размещены упругие опорные элементы 25. пары хладагента удаляются через трубопроНизкотемпературная полость 2, в кото- 15 вод 41. Охлаждение сверхпроводниковой рой расположена сверхпроводниковая обобмотки якоря 6 и сверхпроводящих экрамотка возбуждения ротора, низкотемпенов 7 и 8 статора осуществляется при поморатурный сосуд 5 статора, в котором распощи подачи жидкого хладагента, например, ложены сверхпроводнмкоаая обмотка якоря жидкого гелия, через патрубок 36 в низкои экраны, а также воздушный зазор 26 меж- 20 температурный сосуд 5, а пары хпадагента ду полосьго 2 и сосудом 5 находятся в общей выходят из сосуда через патрубок 37. вакуумной полости 27 корпуса машины. КорТак как наружная 11 и торцовые 12 и 13 пус машины включает в себя два наружных стенки сосуда 5 выполнены металлическищита 28, один из которых соединен с источми, например, из нержавеющей стали, то ником вакуума 29, и тонкостеї+ную вакуум- 25 при охлаждении сосуда, под действием терную цилиндрическую обшивку 30. момеханических усилий, они сжимаются. Опорный цилиндр якоря 4 соединен чеПри этом торцевая стенка 13 под действием рез ряд равномерно расположенных по пеэтих сил перемещается по аксиальным нариметру машины теплоизоляционных правляющим элементам 14 опорного 4 ципрокладок 31 с внутренними выступами 32 30 линдра к середине сосуда, а металлическая наружных щитов 28 корпуса машины. В вагофрированная труба 17 наружной гибкой куумной полости 27 корпуса установлены ка< )ры 16 растягивается. тепловые медные экраны 33, 34 и уложега При работе синхронной электрической мноюслойная изоляция 35. например, алюмашины со сверхпроводящими обмотками в минизированный маилар. 35 качестве генератора (основной режим рабоВ сосуде 5 статора имеются патрубки 36 ты) осуществляется запитка постоянным тои 37, обеспечивающие, соответственно, поком обмотки возбуждения 3 через дачу жидкого хладагента и выход его паров. токовводы 39. Ротор с обмоткой возбуждеСинхронная электрическая машина имеет ния 3 приводится во вращение вспомогатрехфазный электрический вывод 38, соеди- 40 тельным приводом (на фиг.не показан) через ненный с трехфазной сверхпроводниковой вал 43, а в обмотке якоря 6 индуцируется обмоткой якоря 6. трехфазная ЭДС. При подключении к трехСверхпроводниковая обмотка возбужфазному электрическому выводу 38 нагруздения 3 ротора имеет токовводы 39, подсоеки в обмотке якоря появляется переменный диняемые к источнику питания постоянного 45 ток, поступающий потребителям. тока (на фиг.не показан), и охлаждается поСозданное током обмотки якоря перетоком циркулирующего в низкотемпертатурменное магнитное поле индуцирует в проной полости 2 под давлением жидкого водниках 9 сверхпроводящего экрана 7 хладагента, подача и выход которого произвихревые токи, магнитное поле которых, соводится через трубопроводы, соответствен- 50 гласно правилу Ленца, противоположно поно, 40 и 41. лю, его вызвавшему. За наружной На наружных щитах 28 корпуса машины поверхностью сверхпроводящего экрана 7, установлены взкуумноплотные подшипники таким образом, образуется ослабленное 42, обеспечивающие вращение вала 43 ротомагнитное поле, которое окончательно экрара и герметизацию вакуумной полости 27 55 нируется вспомогательным экраном 8. Так корпуса машины. На корпусе 1 ротора, телокак вспомогательный экран 8 выполнен в вых экранах и многослойной изоляции вывиде пленки сверхпроводника первого рода, полнены отверстия, обеспечивающие обладающего идельным диамагнетизмом, передачу вакуума от источника вакуума 29 то при этом полностью экранируется и пона статор и ротор электрической машины. стоянное, и переменное магнитное поле ма 4716 шины, причем потери в этом экране отсутствуют. Взаимодействие индуцированных в экранах 7 и 8 токов с магнитным полем маши- • ны, согласно закону Ампера, приводит к 5 возникновению крутящих моментов, действующих на эти экраны. Компенсация крутящего момента сверхпроводящего экрана 7 осуществляется за счет жесткого крепления изоляционного цилиндра 10, на котором 10 этот экран расположен, торцовыми фланцами 20 к опорному цилиндру 4. Крутящий момент, действующий на вспомогательный экран 8, компенсируется за счет жесткого фиксирования торцовой стенки 12 сосуда 5 15 к опорному цилиндру 4, а также за счет фиксирования боковыми сторонами плоских выступов - аксиа ль ных н ап рав ля ю щих элементов 14 торцовой стенки 13 сосуда 4. Упругие опорные элементы 25 демпфируют 20 возникающие в аксиальном направлении колебания торцовой стенки 13 ниокотепературного сосуда 5. Из-за полного экранирования магнитного поля все элементы и узлы электрической 25 машины за вспомогательным экраном 8, могут быть выполнены металлическими, например, из меди (тепловой экран 33), из алюминизированной пленки майлар (многослойная изоляция 35), нержавеющей стали 30 (стенки 11, 12, 13 низкотемпературного сосуда 5, цилиндрическая обшивка 30 и наружные щиты 28), причем потери в этих элементах машины будут отсутствовать. 10 Таким образом, в предлагаемой синхронной электрической машине со сверхпроводящими обмотками обеспечиваются* - повышение надежности за счет сниже ния термомеханических усилий в низкотем пературном сосуде статора; - уменьшение теплопритоков к низкотем пературному сосуду по опорному цилиндру якоря за счет выполнения его из изоляцион ного материала и малой площади поперечно го сечения (как следствие малого диаметра); - повышение надежности крепления сверхпроводниковой обмотки якоря и сверх проводящих экранов; - малый вес за счет легких и компактных сверхпроводящих экранов, а также малого веса опорного цилиндра якоря и отсутствия опор в сосуде; - повышение технологичности за счет расположения сверхпроводящего экрана снаружи изоляционного цилиндра, непос редственного крепления обмотки якоря к опорному цилиндру и др.; - малые потери в элементах машины от переменных магнитных полей, что приводит к повышению КПД электрической машины; - высокая компактность за счет распо ложенных близко к обмотке якоря сверхпро-* водящих экранов, обеспечивающих полное экранирование магнитных полей; - высокая экономичность из-за малого расхода жидкого хладагента вследствие ма лых теплопритоков и тепловыделений в низ котемпературной зоне машины. 4716 4716 Вид/І Упорядник Замовлення 596 из Коректор С.Патрушева Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, КиТв-53, Львівська пл., 8 Гехред М.Моргентал Виробі ичо-видавничий комбінат "Патент", м. Ужгород, вул.Гагаріна, 101