Сверхпроводящий магнитный подвес для кинетического накопителя энергии



Сверхпроводящий магнитный подвес для кинетического накопителя энергии
Сверхпроводящий магнитный подвес для кинетического накопителя энергии

 


Владельцы патента RU 2551864:

Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) (МАИ) (RU)

Изобретение относится к области магнитных опор на основе объемных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) для кинетических накопителей энергии. Сверхпроводящий магнитный подвес для кинетического накопителя энергии (КНЭ) установлен в корпусе КНЭ, соединенном с системой вакуумной откачки, и включает в себя статор в виде корпуса, содержащего блок высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) элементов с системой охлаждения, постоянные магниты, установленные на валу ротора с зазором относительно корпуса статора. Корпус статора снабжен автономной системой вакуумной откачки, причем выхлоп автономной системы откачки соединен с полостью корпуса КНЭ. Корпус статора также снабжен пассивными вакуумными затворами, выполненными в виде втулок, закрепленных на торцевых поверхностях корпуса подвеса, сопрягаемых с валом, при этом внутренний диаметр втулок превышает диаметр вала ротора на 0,5…1,5 мм, а их осевой размер составляет 50…100 мм. Технический результат: упрощение конструкции, повышение эффективности работы вакуумной системы, обеспечение удобства проведения автономных технологических испытаний подвеса. 2 ил.

 

Изобретение относится к области магнитных опор на основе объемных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) для кинетических накопителей энергии (КНЭ).

Известно сверхпроводящее подшипниковое устройство (Европатент № ЕР 0575618, МПК F16C 32/04, опубл. 29.12.1993), выполненное в виде двух дисков, на одном из которых размещен сверхпроводник в корпусе, а на другом - постоянные кольцевые магниты. Такое устройство обладает малой несущей способностью и не может быть использовано для кинетического накопителя энергии.

Известно сверхпроводящее подшипниковое устройство для устройства накопления энергии (Заявка Японии № JP 2003329038, МПК F16C 32/04, опубл. 10.11.2003), содержащее ротор, магнитные подшипники, сверхпроводящие подшипники в осевом и радиальном направлениях, выполненные в виде кольцевых сверхпроводников, расположенных в корпусах кольцевой формы, и оппозитно расположенных по отношению к ним наборов кольцевых постоянных магнитов. Однако такая конструкция громоздка и требует больших затрат на охлаждение сверхпроводников ввиду больших тепловых потерь.

Наиболее близким техническим решением является сверхпроводящий магнитный подвес с ВТСП фирмы «Boeing» (Strasik, M., J. Hull, J. Mittleider, J. Gonder, P. Johnson, K. McCrary, and C. McIver. "An Overview of Boeing flywheel Energy Storage Systems with High-temperature Superconducting Bearings." Superconductor Science and Technology 23 (2010): 1-5). Сверхпроводящий магнитный подвес для КНЭ установлен в корпусе КНЭ, соединенном с системой вакуумной откачки, включает в себя статор в виде корпуса, содержащего блок ВТСП элементов с системой охлаждения, постоянные магниты, установленные на валу ротора с зазором относительно корпуса статора.

Недостатком такого решения является необходимость вакуумирования камеры КНЭ, в которой расположен подвес, до давления Р≈1·10-3 Па, необходимого для поддержания температуры блока ВТСП элементов, обеспечивающей работоспособность подвеса. Поддержание такого уровня давления внутри всего объема КНЭ является очень сложной и дорогой технической проблемой, поскольку в объеме КНЭ присутствуют устройства и материалы с высоким уровнем газоотделения (связующий материал волокон маховика, изоляционные материалы и т.п.), узкие тупиковые зазоры и щели. Это увеличивает время откачки, ухудшает предельный вакуум при откачке, требует применения вакуумного оборудования с высокими скоростями откачки. В тоже время для эффективного функционирования самого маховика с точки зрения минимизации потерь на трение при вращении достаточно обеспечить давление в камере КНЭ примерно P≈1 Па. К недостаткам следует отнести также то, что такая конструкция подвеса не является универсальной, применима только при размещении ее в вакуумной камере, что затрудняет отработку и технологические испытания статора.

Техническим результатом использования данного изобретения является упрощение конструкции, повышение эффективности работы вакуумной системы, обеспечение удобства проведения технологических испытаний подвеса.

Указанный технический результат достигается тем, что сверхпроводящий магнитный подвес (СМП) для кинетического накопителя энергии (КНЭ) установлен в корпусе КНЭ, соединенном с системой вакуумной откачки, включает в себя статор в виде корпуса, содержащего блок высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) элементов с системой охлаждения, постоянные магниты, установленные на валу ротора с зазором относительно корпуса статора. Корпус статора снабжен автономной системой вакуумной откачки, причем выхлоп автономной системы откачки соединен с полостью корпуса КНЭ, а корпус статора снабжен пассивными вакуумными затворами, выполненными в виде втулок, закрепленных на торцевых поверхностях корпуса подвеса, сопрягаемых с валом, при этом внутренний диаметр втулок превышает диаметр вала ротора на 0,5…1,5 мм, а их осевой размер составляет 50…100 мм.

На фиг.1 показана схема КНЭ со сверхпроводящим магнитным подвесом, на фиг.2 - схема подвеса в разрезе.

Сверхпроводящий магнитный подвес для кинетического накопителя энергии содержит статор 1, который закреплен внутри корпуса 2 КНЭ, тут же расположен ротор 3 на валу 4. Статор 1 жестко соединен с корпусом 2 КНЭ с помощью кронштейнов (фиг.1). Корпус 2 КНЭ снабжен системой вакуумной откачки 6. Корпус статора снабжен автономной системой вакуумной откачки 7. На валу 4 закреплены постоянные магниты 8 (фиг.2). В корпусе подвеса 1 закреплен блок с ВТСП элементами 9 с помощью кронштейнов с низкой теплопередачей 10. Для повышения эффективности теплозащиты блока 9 вокруг него проложена экранно-вакуумная изоляция 11. Торцевые поверхности корпуса статора 12, сопрягаемые с валом, снабжены пассивными вакуумными затворами, выполненными в виде втулок 13. Корпус статора соединен с системой охлаждения 14 (на фиг.1 не показана).

Сверхпроводящий магнитный подвес работает следующим образом. Сначала включается система вакуумной откачки 6, создающая внутри корпуса КНЭ вакуум с давлением Р≈1 Па, достаточным для минимизации потерь от аэродинамического нагрева накопительного элемента (маховика). После этого включается автономная система вакуумной откачки статора 7, которая доводит давление в корпусе статора 1 до величины Р≈1·10-3 Па. При этом выхлоп автономной системы статора производится внутрь корпуса КНЭ. Втулки корпуса статора, обеспечивая зазор с валом в пределах 0,25…0,75 мм на длине 50…100 мм, позволяют создать такой вакуумный затвор, при котором автономная система вакуумной откачки статора, учитывая, что объем которого (5…7 литров) на порядки меньше объема корпуса КНЭ (700…1000 литров), позволяет поддерживать давление в статоре величиной Р<1·10-3 Па. Эффективность эксплуатации такого затвора может быть существенно повышена путем заполнения зазора вязким веществом с малым газоотделением. Поддержание в процессе работы указанного значения величины давления достаточно для длительной эффективной работы подвеса. Величины зазоров и длины в сопряжении были определены в результате экспериментов на макете подвеса, построенного по приведенной в заявке схеме. После достижения давления в статоре до величины Р≈1·10-3 Па начинается захолаживание блока ВТСП элементов при помощи системы охлаждения 14. В дальнейшем производятся действия по вводу КНЭ в эксплуатацию: раскручивание ротора с маховиком и т.д.

Поддержание в статоре указанного давления позволяет настолько уменьшить теплоприток к ВТСП элементам, что корпус статора можно изготавливать без внутренней стенки, обращенной к валу, основное назначение которой было обеспечение теплозащиты блока ВТСП элементов от тепла, поступающего от вала. Следовательно, исключение внутренней стенки позволяет приблизить ВТСП элементы к постоянным магнитам, уменьшить величину зазора между ротором и статором, таким образом повысив жесткость подвеса. При этом снижается вероятность касания элементов ротора и статора. Экспериментальные исследования показали, что при осуществлении такой конструкции зазор был уменьшен на 0,5…0,7 мм, что повысило жесткость примерно на 15%. Кроме того, даже случайное касание ротором экранно-вакуумной изоляции 11 не будет приводить к тем последствиям, к которым привело бы касание ротора о твердую поверхность внутренней стенки статора.

Сверхпроводящий магнитный подвес для кинетического накопителя энергии, установленный в корпусе кинетического накопителя энергии, соединенном с системой вакуумной откачки, включающий в себя статор в виде корпуса, содержащего блок высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) элементов с системой охлаждения, постоянные магниты, установленные на валу ротора с зазором относительно корпуса статора, отличающийся тем, что корпус статора снабжен автономной системой вакуумной откачки, причем выхлоп автономной системы откачки соединен с полостью корпуса кинетического накопителя энергии, а корпус статора снабжен пассивными вакуумными затворами, выполненными в виде втулок, закрепленных на торцевых поверхностях корпуса подвеса, сопрягаемых с валом, при этом внутренний диаметр втулок превышает диаметр вала ротора на 0,5…1,5 мм, а их осевой размер составляет 50…100 мм.



 

Похожие патенты:

Изобретения относятся к области машиностроения, в частности к управляемому газомагнитному подшипниковому узлу и способу его работы. Подшипниковый узел содержит соленоид, магниты, полюса и ярма электромагнитов, вкладыш газового подшипника, отверстия для пористых вставок, рубашку, обмотку электромагнитов, камеру для подачи газовой смазки в пористые вставки, крепления для датчиков измерения зазора, отверстие для подачи газовой смазки в камеру.

Изобретение относится к области энергомашиностроения и может быть использовано для обеспечения бесконтактного вращения ротора электрических машин. Технический результат: повышение надежности, энергоэффективности, силовых характеристик и жесткости гибридного магнитного подшипника, минимизация нагрузок на гибридные магнитные подшипники.

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано при проектировании, например, газотурбинных установок замкнутого цикла большой мощности.

Изобретение относится к способу управления компрессорным элементом для винтового компрессора. Способ управления компрессорным элементом винтового компрессора, в котором компрессорный элемент (1) имеет корпус (2) с двумя взаимозацепленными спиральными роторами (3) внутри него, каждый из роторов удерживается в корпусе (2) в осевом направлении (Х-Х′) посредством по меньшей мере одного осевого подшипника (13).

Изобретение относится к машине и способу контролирования состояния предохранительного подшипника машины. Способ контролирования состояния предохранительного подшипника (14) машины (12) заключается в том, что предохранительный подшипник (14) улавливает роторный вал (1) машины (12) при выходе из строя магнитного подшипника (6) машины (12).

Изобретение относится к двум подшипниковым устройствам из магнитного радиального и поддерживающего подшипников для бесконтактного опирания и поддержания вала ротора турбомашины мощностью 1000 кВт и более.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к подшипникам на магнитной подвеске, и может быть широко использовано в узлах и механизмах во всех отраслях промышленности.

Изобретение относится к области подшипников для вращающихся валов, в частности к магнитным подшипникам на высокотемпературных сверхпроводниках, и может быть использовано в машиностроении, авиадвигателестроении и других областях техники.

Изобретение относится к способам герметизации и может применяться в машиностроении для герметизации зазора между двумя поверхностями, одна из которых выполнена из немагнитного, а вторая из магнитопроводящего материалов.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к подшипникам скольжения, и может быть использовано в металлургической, химической, энергетической и других отраслях промышленности в условиях повышенных температур.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к бесконтактным опорным устройствам с электромагнитными подшипниками для энергетических установок. Магнитная опора ротора турбомашины включает в себя корпус (1) с установленными в нем радиальным активным магнитным подшипником (2) и осевым электромагнитом (3), страховочный шариковый подшипник (4), установленный на валу (5) и закрепленный внешним кольцом (6) в корпусе (7).

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в качестве подвеса ротора электрических машин. Технический результат: повышение срока службы, энергоэффективности системы.

Изобретения относятся к области машиностроения, в частности к управляемому газомагнитному подшипниковому узлу и способу его работы. Подшипниковый узел содержит соленоид, магниты, полюса и ярма электромагнитов, вкладыш газового подшипника, отверстия для пористых вставок, рубашку, обмотку электромагнитов, камеру для подачи газовой смазки в пористые вставки, крепления для датчиков измерения зазора, отверстие для подачи газовой смазки в камеру.

Изобретение относится к области энергомашиностроения и может быть использовано для обеспечения бесконтактного вращения ротора электрических машин. Технический результат: повышение надежности, энергоэффективности, силовых характеристик и жесткости гибридного магнитного подшипника, минимизация нагрузок на гибридные магнитные подшипники.

Изобретение относится к области энергомашиностроения и может быть использовано для обеспечения бесконтактного вращения ротора электрических машин. Гибридный магнитный подшипник с осевым управлением содержит вал (1), корпус (2), радиальную магнитную опору, статор и ротор осевой электромагнитной опоры, страховочные механические подшипники (15) и четыре датчика перемещения (6, 8, 10, 12).

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано при проектировании, например, газотурбинных установок замкнутого цикла большой мощности.

Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности к электромеханическим преобразователям энергии на бесконтактных подшипниках. Технический результат заключается в повышении точности управления и повышении надежности электрической машины с ротором на бесконтактных подшипниках.

Изобретение относится к радиальному магнитному подшипнику для магнитной опоры ротора (5). Радиальный магнитный подшипник (1”) выполнен в виде разноименнополюсного подшипника и имеет статор (2), при этом статор (2) имеет магнитно-проводящий расположенный с прохождением вокруг ротора (5) статорный элемент (4), при этом элемент (4) на своей обращенной к ротору (5) стороне (12) имеет проходящие в осевом направлении (Х) статорного элемента (4) выемки (10), в которых расположены электрические провода (8а, 9а) катушек (8, 9).

Газотурбинный двигатель, на цилиндрической втулке которого со стороны, прилегающей к колесу турбины, надета первая чашеобразная цапфа-пята первого радиально-упорного магнитного подшипника, ориентированная своим дном к колесу турбины, при этом на свободном конце вала последовательно установлены с упором друг в друга, вторая чашеобразная цапфа-пята второго радиально-упорного магнитного подшипника, ориентированная своим дном к колесу компрессора, первый и второй упорные лепестковые газовые подшипники, колесо центробежного компрессора и балансировочная шайба, зафиксированные гайкой.

Газотурбинный двигатель, на вал которого надета цилиндрическая втулка, выполненная из немагнитного материала, одним концом упертая в торцевую поверхность колеса турбины, а другим упертая в кольцевой выступ пяты, выполненной из немагнитного материала, надетой на вал, на участке, примыкающем к колесу компрессора.

Изобретение относится к устройству магнитного осевого подшипника с повышенным усилием на единицу поверхности и простой конструкцией. Устройство магнитного осевого подшипника включает в себя кольцевую систему листов электротехнической стали, у которой отдельные листы (80, 90, 170) стали выдаются радиально наружу, а соседние листы (80, 90, 170) стали в окружном направлении образуют зазор (20). В устройстве также предусмотрена электрическая катушка, которая вставлена в систему электротехнической листовой стали, для создания магнитного поля в системе. Эта система имеет по меньшей мере два концентрических кольца (8, 9, 17) листов электротехнической стали. По существу все соседние листы (80, 90, 170) электротехнической стали каждого кольца (8, 9, 17) листов электротехнической стали по внутреннему периметру (14, 18, 19) соответствующего кольца листов электротехнической стали касаются друг друга. С помощью этой шихтовки (12) получается повышенный по сравнению с традиционной шихтовкой (11) коэффициент заполнения активной сталью. Технический результат: улучшение коэффициента полезного действия устройства магнитного осевого подшипника. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх