Синхронна електрична машина з надпровідниковими обмотками

1. Синхронная электрическая машина со сверхпроводниковыми обмотками, содер жащая ротор со сверхпроводниковой об мотк ой воз буж дения и ста тор с низкотемпературным сосудом, заполнен ным жидким хладагентом, внутри которого расположена сверхпроводниковая обмотка якоря, охваченная сверхпроводящим экра ном, выполненным из сверхпроводника вто рого рода, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что сверхпроводящий экран с радиусом Яэ уда лен от наружной поверхности сверхпроводниковой обмотки якоря с радиусом Ron так, e что отношение fWRo* 1,5-1,8, и внутри низкотемпературного сосуда, между сверхпроводящим экраном и сверхпроводниковой обмотк ой як оря ра сположе ны изготовленные из электроизоляционного материала и снабженные патрубками герметичные емкости с предохранительным клапаном. 2. Синхронная электрическая машина по п.1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что сверхпроводя щий экран расположен на внутренних поверхностях наружной и тор цевых стенок низкотемпературного сосуда. 3. Синхронная электрическая машина по п.1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что герметичная емкость выполнена в виде то ра, симметрично установленного относи тельно оси машины. 4. Синхронная электрическая машина по пп.1,3, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что внутренние и наружные емкости тороидной герметичной емкости выполнены цилиндри ческими, а торцевые стенки выполнены пло скими, параллельными торцевым стенкам низкотемпературного сосуда. С > оо о О Изобретение относится к области электромашиностроения, в частности к синхрон* ным генераторам со сверхпроводниковыми обмотками. Известна синхронная электрическая машина, содержащая ротор со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения, статор со сверхпроводниковой обмоткой якоря, размещенной в сосуде с жидким хладаген том, и шихтованный стальной экран,-охватывающий машину по наружной поверхности [1]. 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. Вы де 9809 лившееся тепло нагревает корпус машины, являющийся внешним вакуумным кожухом криос тата, что приводит к увеличению теплопритока в холодную зону и к повышенному расходу жидкого х ладагента. Наиболее близким к пред лагаемому изобретению по технической сущнос ти яв ляется синхронная э лектрическая машина, содержащая ротор со сверупроводниковой обмоткой возбуждения и с татор с низкотем пературным сосудом с жидким хладагентом, внутри которого расположена сверхпроводниковая обмотка якоря, охваченная сверх провод ящим экраном [2]. В данной машине обес печ ивается значительное с ниж ение веса из-за отсу тс твия массивных ферромагнитных э лементов и, соответственно, потерь мощности в данных элементах. Однако прототип обладает рядом недостатков. Поскольку сверхпроводящ ий экран расположен в непос редс твенной близос ти от обмотки як оря, то, возникающие в экране от вращ ающихся магнитных полей маш ины, вихревые токи значительно уменьшают магнитное поле в зоне обмотки якоря, т.е. экран оказывает размагничивающее дейс твие и существенно снижает мощнос ть маш ины. Так как сверхпроводящ ий экран расположен в большом магнитном поле, созданном сверхпровод ник овыми обмотками машины, и он выполнен из сверхпроводника второго рода, например, Nb, то он находится в смешанном сос тоянии (в интервале от первого критического поля Всі д о второго критического Вс2). Как извес тно, при нах ождении в с меш анном с ос тоянии, с верх провод ник второго рода является ид еальным проводник ом (сопротивление равно ну лю ), но не идеальным диамагнетиком (магнитное поле проникает через сверхпроводник). В переменном же магнитном поле (что имеет место в рассматриваемых машинах), в сверхпроводнике, находящ емся в смешанном состоянии, происход ят потери. К ак с ледс твие этого, сверхпроводящ ий экран нагревается и надежнос ть его снижается. Кроме того, поскольку сверхпровод ящий экран пропускает через себя переменное магнитное поле, то в расположенных за э тим экраном металлических элементах машины (с тенки низкотемперату рного сосу да, рад иационные экраны, внеш ний вакуумный кожух и др.) также происх одят потери, а значит нагрев. Нагрев э лементов маш ины приводит к с ниж ению ее К ПД и к повыш енному расходу жидкого хладагента, т.е. к неэкономичнос ти. В ыполнение же указанных э лемен тов маш ины неметал лич ес кими проблематично и предс тавляет значительные как тех нологические, так и конс труктивЙ ые тру д н ос ти. А про ник ающ и е з а поверхнос ть маш ины переменное магнит5 ное поле неблагоприятно возд ейс тву ет как на обс луживающий персонал, так и на электронное и др. оборуд ование. При э том надеж нос ть извес тной маш ины не возрас тает, а д аже снижается, ес ли 10 сверхпроводящ ий экран удалить от обмотки якоря на расс тояние, гд е магнитное поле буд ет меньш е первого критичес кого поля Всі сверхпровод ника второго рода и экран станет идеальным диамагнетиком. Это свя15 зано с тем, что д ля надежного ох лаждения сверх провод ящего экрана низкотемперату рный с осуд с татора д олжен быть полнос ть ю з ап о лн ен жид к им х л ад аг е н том . Однак о наличие большого количес тва жид20 кого х ладагента, помимо экономической целесообразнос ти, нежелательно при наличии тепловыделений в с таторе, поскольку жидкос ть при э том перех одит в газ, давление в низкотемперату рном с осуде с татора резко 25 возрас тает, что требует либо наличия толстых с тенок сосуда, либо аварийного выброса газообразного хлад агента в атмос феру, что нежелательно. Особенно опасна данная ситу ация при использовании жидкого гелия 30 (1 литр жидкого гелия при атмос ферном давлении дает до 700 литров газа) и кратковременно м, но мощ ном тепл овыде ле нии, например, при переход е сверхпроводниковых обмоток маш ины в нормальное состоя35 ние. В озник ающ ее при э том д авление может разруш ить машину. Целью изобретения являетс я повыш ение надежнос ти. Поставленная цель достигается тем, что 40 в извес тной синхронной электрической машине со сверхпроводниковыми обмотками, содержащей ротор со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения, и с татор с низкотемп ера ту рн ым с ос у д ом, заполнен ным 45 жидким хлад агентом, вну три которого расположена с верх провод ник овая обмотка якоря, охваченная сверхпроводящ им экраном, выполненным из сверхпроводника второго род а, с оглас н о изоб ре тен ию, 50 с верх провод ящий э кран удален от наруж ной поверхнос ти сверх провод никовой обмотки як оря и вну три низкотемперату рного сосуда, между сверхпроводящ им экраном и сверхпровод никовой обмоткой якоря рас 55 положены изготовленные из изоляционного материала и снабженные патрубками герметичные емкос ти с пред ох ранительными клапанами. При э том сверхпроводящий экран расположен на вну тренних поверх нос тях на 9809 ет возникновение в них каких-либо потерь ружной и торцевых стенок низкотемпераи искажений магнитных полей машины. турного сосуда и находится в состоянии полНаличие у герметичных емкостей внутренней ного диамагнетизма. герметичной полости, например, ва-5 Каждая герметичная емкость выполнекуумной, обеспеченной через выходной на в виде тора, симметрично установленнопатрубок, позволяет снизить вес машины и го относительно оси машины, внутренние и количество изоляционного материала. наружные стенки тора выполнены цилиндРасположение на одной из стенок внутрическими, а торцевые стенки - плоскими, ренней полости предохранительного клапапараллельными торцевым стенкам низкотемпературного сосуда. Кроме того, предо- 10 на, отрегулированного на определенное давление срабатывания, позволяет, при хранительный клапан выполнен регулируемым с возможностью многократрезком повышении давления из-за испарения жидкого хладагента, ограничить его до ной работы и предохранительные клапаны величины давления срабатывания клапана. отрегулированы на различное давление. В предлагаемой синхронной электриче- 15 Клапан открывается и хладагент поступает во внутреннюю полость герметичной емкоской машине практически полностью устрасти. При устранении источника тепловыденены потери мощности в сверхпроводящем лений клапан закрывается, хладагент из экране, за счет его полного диамагнетизма, внутренней полости по выходному патрубку и в расположенных за экраном элементах 20 поступает в ожижитель, а затем опять подамашины, т.к. магнитное поле машины здесь ется в машину. Поэтому клапаны выполняпрактически равно нулю. Естественно, что ются регулируемыми, например, данные элементы машины - внутренний сопружинного типа, на определенное давлесуд, радиационные экраны, наружный вакуние срабатывания с возможностью многоумный кожух и др. - из-за отсутствия потерь в них выполняются металлическими, что су- 25 кратной работы. щественно повышает технологичность и наРегулирование клапанов тороидальных дежность машины. герметичных элементов на различное давление позволяет организовать последоваПредлагаемое размещение сверхпровотельное срабатывание этих клапанов при дящего экрана позволяет многократно уменьшить размагничивающее действие эк-* 30 росте давления хладагента. И только в слурана в активной зоне машины - в обмотке чае аварийного повышения давления, возякоря. никающего, например, при переходе в Наличие герметичных емкостей внутри нормальное состояние сверхпроводящих низкотемпературного сосуда приводит к тоэлементов машины, обеспечивается срабаму, что фактически, в большом объеме низ- 35 тывание всех клапанов и повреждение машины исключается. котемпературного сосуда находится малое Ограничение давления в машине позвоколичество жидкого хладагента, но при этом обеспечивается хорошее охлаждение экраляет выполнить внутренний низкотемперана и обмотки якоря за счет непосредствентурный сосуд тонкостенным, что ного контакта с жидкостью. Малое 40 целесообразно как с точки зрения веса количество жидкого хладагента резко повыэлектрической машины, так и ее экономичшает экономичность электрической машиности. ны и надежность при возникновении резких Расположение сверхпроводящего экратепловыделений в статоре. на непосредственно на внутренних поверхВыполнение герметичных емкостей в 45 ностях стенок низкотемпературного сосуда виде торов, симметрично установленных отпозволяет отказаться от специального корносительно оси машины, обеспечивает равпуса для экрана, его крепления и пр., а также уменьшить размеры внутреннего номерный слой жидкости по всему низкотемпературного сосуда. периметру экрана и обмотки якоря. Выполнение же у этих тороидных элементов внут- 50 Сущность изобретения поясняется чертежами где: ренней и н а р у жн о й с т е н ок на фиг.1 представлена синхронная .цилиндрическими, а торцевых стенок плоэлектрическая машина со сверхпроводнискими и параллельными торцевым стенкам ковыми обмотками (с продольным сечением низкотемпературного сосуда позволяет в максимальной степени реализовать данную 55 половины); на фиг.2 - конструкции герметичной емкости. задачу при минимальном количестве жидкого Синхронная электрическая машина со* хладагента. стоит из ротора со сверхпроводниковой обИзготовление герметичных емкостей из моткой возбуждения 1 и статора с электроизоляционного материала исключанизкотемпературным сосудом 2, внутри ко 9809 торого распложена сверхпроводник овая об мотка якоря 3, охваченная сверхпроводя щим э к р а но м 4. В ну тр и низко темпер а ту рного с ос у д а 2, межд у сверхпроводящим экраном 4 и с верх про водниковой обмоткой якоря 3, в жидком хлад аге н те, на пр им е р, ж ид к о м г е ли и, расположены герметичные емкости 5 с внут ренней полос тью 6, на одной из с тенок ко то рых у с тан ов лен пр ед ох ран и те льн ый клапан 7. Каждая герметичная емкос ть за креплена вну три низкотемперату рного со суда специальными прос тавками (на фиг.1 не показано) и выполнена в виде тора, сим метрично установленного относительно оси машины и снабжена выходным патрубком 8. Вну тренние 9 и наружные 10 стенк и торои дальной герметичной полос ти 5 выполнены цилиндрическими, а торцевые с тенки 11 вы полнены плоскими, параллельными торце вым с тенк ам 1 2 низко темпе ра ту рн ого сосуда 2. Сверхпроводящ ий экран 4 распо ложен на вну тренних поверх нос тях торце вых 12 и на ру жн ых 13 с те нок низкотемперату рного с осуда 2 и наход ится в состоянии полного диамагнетизма. Сверх проводниковая обмотка як оря 3, низкотем перату рный с осуд 2 и тепловой экран 14 закреплены на опорном цилиндре якоря 15. Опорный цилиндр як оря 15 соединен через ряд равномерно расположенных по пери метру машины теплоизоляционных опор ных прок ладок 16 с вну тренними выс тупами 17 наружных щитов 18 корпуса машины. Корпус машины включает два наружных щи та 18, од ин из которых соединен с ис точни ком вакуума 19, и тонкос тенную вакуумную цилинд рическую обшивку 20. Закрепленная на валу 21 машины, низкотемпературная полос ть 22, в которой расположена с верхпровод ник овая обмотка возбуждения 1 ротора, низкотемперату рный сосуд 2 с жидким х лад агентом, в к оторо м р аз мещ е н ы с ве рх п р ов од н ик о ва я обмотка як оря 3 и сверхпроводящ ий экран 4, зазор 23 между полос тью 22 и сосудом 2, тепловой экран 14 и суперизоляция 24 (многос лойная пленк а алюминизированного майлара) находятся в общей вакуумной полос ти 25 корпуса машины. В сосуде 2 статора имеются патрубки 26 и 27, обес печивающие, с оответс твенно, подачу жидкого хлад агента и выход его паров. Синх ронная э лек трическая машин а имеет трех фазный э лек трический вывод 28, соединенный с трех фазной обмоткой як оря 3. Сверх проводниковая обмотка возбуж дения ротора имеет токоввод ы 29, подсоединенные к ис точнику питания пос тоянного 8 тока (на фиг. не пок азан), и охлажд ается потоком циркулирующего в полос ти 22 жидкого х ладагента, подача и выход которого производитс я через тру бопровод ы 30. 5 На наружных щитах 18 корпуса машины установлены вакуумно-плотные подшипники 31, обес печ ивающие вращение вала 21 ротора и герметизацию вакуумной полос ти 25 корпуса машины. На тепловом экране 14 10 выполнены отверс тия 32, обеспечивающие перед ачу вакуума от ис точник а вакуума 19 к сосуду 2 статора. Установленный на каждой герметичной емкос ти 5 предохранительный клапан 7 вы15 полнен регу лиру емым с возможнос тью многократной работы. В синх ронной э лектрической машине со сверх провод ник овыми обмотками опорный цилиндр якоря 15 изготовлен из тепло20 и э лектроизоляционного выс окопрочного материала, например, с теклотекс толита, герметичные емкос ти 5 - из э лектроизоляционного материала, например, из текс толита, прочного пеноплас та и т.п., торцевые 25 12 и наружная 13 с тенки низкотемперату рного с осуда 2 и корпус машины - из нержавеющей стали, тепловой экран 14 - из меди. Сверх провод никовая обмотка якоря 3 намотана из композитных, вну тренне с та30 билизированных с верхпроводников второго рода, например, NbTI, ЫЬзЭп и др., а сверхпроводящ ий экран 4 выполнен в виде тонк ой пленки из сверх провод ник а второго рода, например, Nb, находящ егося в состо35 янии полного д иамагнетизма. При работе синхронной электрической маш ины в качес тве генератора (основной режим работы) через токовводы 29 осуществляется запитка обмотки возбужд ения 1 40 пос тоянным током. Передавая через вал 21 вращ ающий момент вспомогательного привода (на фиг. не показан), ротор с обмоткой возбуждения привод итс я во вращение, в обмотке як оря 3 индуцируется трех фазная 45 э.д.с, а при под ключении к трех фазному электрическому выводу 28 нагрузки, в обмотке якоря появляется переменный ток „ пос тупающий потребителям. 50 Так как сверх провод ящ ий экран 3 нах одится в сос тоянии полного (ид еального) диамагнетизма, то за поверхнос тью экрана обеспеч ивается полное экранирование как пос тоянных, так и переменных магнитных 55 полей машины. Это позволяет все элементы машины, расположенные за экраном, включая низкотемперату рный сосуд 2, тепловой экран 14, корпус машины и др., выполнить металлическими, что конс труктивно и технологически пред почтительно, причем по 9 тери в экране и в указанных элементах машины отсу тс твуют. Радиус сверхпроводящ его экрана R3 выбирается из условия, чтобы тангенциальная компонента В< р на поверх нос ти сверхпроводящ его экрана не превышала первое критическое поле Всі сверх проводника. При выбранном, исходя из э того, радиусе экрана R3i практически отсу тс твует размагничивающее дейс твие экрана, т. е. снижение радиальной компоненты Вг магнитного поля в зоне обмотки якоря, опред еляющее мощ нос ть машины. Наличие герметичных тороид альных емкос тей 5 обеспечивает при относительно малом количес тве жидкого х лад агента, что экономически выгод но, над ежное ох лажд ение сверхпроводниковой обмотки якоря 3 и сверхпроводящ его экрана 4 за счег непос редс твенного контакта с жидкос тью. При возникновении теплопрмтоков в низкотемперату рном сосуде 2 статора, например, изза резкого изменения нагрузки маш ины, часть жидкого х ладагента в сосуде перейде т в газообразное с ос тояние, что привед ет к росту давления в сосуде. Из-за значительного гид равлического с опротивления только небольшая час ть газа уйдет через выходной патрубок 27. При увеличении д авления происх одит срабатывание, например, верхнего пред охранительного клапана 7, зас лонка открываетс я и час ть х лад агента проникает в полость 6 герметичной емкос ти 5. Поскольку давление в сосуде падает, предохранитель ный клапан снова закрывается. Попавший в полос ть 6 герметичной емкос ти х лад агент, через выходной патрубок 8 за определенное время, удаляется либо в газгольдерную линию, либо возвращается на охлажд ение машины. Таким образом, пред ох раните льный клапан позволяет за короткое время осуществить сброс давления в сосуде, не допуская его опас ного возрас тания. При более интенсивном выделении тепла или мощном теплопритоке в низкотемпературном сосуде 2 статора срабатывает не только предохранительный клапан верхней герметичной емкости, а и отрегулированные на более высокое д авление срабатывания пред охранительные клапаны нижних герметичных емкос тей 5. Пос ледний пред охранительный клапан, например, ниж ней герметичной емкос ти, отрегулирован на максимально допус тимое 9809 10 значение при полном выкипании х ладагента в с осуде, возникающее, например, при неконтролируемом перех оде в нормальное с ос тояние с верх провод ящ их э лементов 5 э лектрической маш ины. При э том газ через открытые пред ох ранительные клапаны всех вспомогательных элементов заполняет их полос ти дос таточной емкос ти, что ограничивает рос т д авления в сосу де. Это по10 зволяет выполнить низкотемперату рный сосуд 2 тонкос'тенным, тем самым обеспечивая малый вес элек трической маш ины. Так как даже в аварийных реж имах машины не происх одит выброс а дорогос тоя15 щего хлад агента - гелия - из нее, то, тем самым, Повышаются ее техник о-экономические параметры. Таким образом, в пред лагаемой с инх ронной э лектрической машине со сверхпро20 вод никовыми обмотками обес печиваютс я: - высокая над ежнос ть за счет хорошего ох лажд ения сверхпровод никовой обмотки як оря и с верх проводящ его экрана непос редс твенно жидким х ладагентом; 25 - выс окая над ежнос ть э леме н тов с та то ра за счет ограничения д авления в низкотем пе р а ту р н ом с ос у д е с та то ра из -з а относ ительно малого количес тва жидкого хладагента и сброса х лад агента в полос ти 30 герметичных емкос тей; - высокая над ежнос ть сверхпроводящ е го экрана из-за отсу тс твия тепловыделений в нем; - тех нологичнос ть и над ежнос ть конс т35 рукции за счет выполнения рас положенных за сверх проводящ им экраном э лементов машины металлическими; - выс ок ая э кономичнос ть и выс ок ий КПД маш ины из-за малого испарения жид 40 кого х ладагента, что связано практически с отсу тс твием потерь и тепловыд елений в элементах с татора от переменных магнитных полей машины; выс окая экономичнос ть из-за пред от45 вращ ения выброс а д орогос тоящ его х лад а г е н та и з м а ш и н ы д а ж е в а в а р и й н ы х режимах; - экономичнос ть из-за малого количес т ва требу емого д ля машины жидкого х лада50 гента; ' - малый вес маш ины; - повыш ение мощ нос ти маш ины из-за уменьшения размагничивающего дейс твия сверхпроаодящ его экрана, что объясняется 55 его удалением от обмотки якоря. 9809 26 9809 Упорядник Замовлення 4552 Техред М.Моргентал Коректор М. Куль Тираж Підписне Державне патентне відомство УкраТни, 254655, ГСП, КиТв-53, Львівська пл., 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул.Гагаріна, 10