ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ТУРБИНА
ELECTROMAGNETIC TURBINE

Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится к электромагнитным турбинам. В частности, хотя не исключительно, настоящее изобретение относится к электромагнитным турбинам для выработки электроэнергии.
Уровень техники
[0002] Один из основных принципов физики состоит в связи между электричеством и магнетизмом. Эта связь впервые наблюдалась в середине 1800-ых годов, когда было замечено, что электрический ток, проходящий через проводник в форме простого стержня, индуцирует магнитное поле, направленное перпендикулярно к направлению прохождения электрического тока. В результате появления индуцированного магнитного поля каждый из подвижных зарядов, составляющих электрический ток, испытывает воздействие силы. Сила, воздействующая на каждый из подвижных зарядов, вырабатывает воздействующий на проводник крутящий момент, пропорциональный магнитному полю.
[0003] Вышеупомянутые основные взаимодействия между электрическими и магнитными полями представляют собой основные научные принципы, лежащие в основе работы электродвигателей и генераторов. Одна из самых простых форм электрогенератора была впервые продемонстрирована Майклом Фарадеем, использовавшим устройство, теперь называемое диском Фарадея. Устройство Фарадея содержало медный диск, выполнявший поворот между полюсами постоянного магнита. При этом происходит выработка электрического тока, величина которого пропорциональна скорости поворота. Фактически диск Фарадея был первым униполярным электрическим генератором. Однако генератор Фарадея был чрезвычайно неэффективен вследствие электрических противотоков, ограничивающих выходную мощность на токосъемные провода, и эффектов паразитного нагревания медного диска.
[0004] В частности, электродвижущая сила, образуемая между центром и внешним диаметром поворотного диска радиуса R при частоте поворота ω в однородном магнитном поле В, равна
[0005] Это одна из ключевых формул для униполярной генерации, поскольку напряжение, полученное из отдельного каскада или ротора, представляет собой существенный фактор, определяющий эффективность отбора электрического тока от генератора. Для эффективной выработки тока это напряжение должно быть значительно выше внутренних потерь ротора, скользящих контактов и токовых соединительных проводов и/или окончательной нагрузки.
[0006] Вообще говоря, значение интеграла ∫B(r)r.dr представляет собой один из самых полезных факторов при сравнении различных конструкций. Этот интеграл определяет значение в единицах [В/рад/сек], которое может быть легко вычислено для любого распределения поля.
[0007] Несмотря на различные усовершенствования конструкции и материалов со времен демонстрации опытов Фарадея, в течение длительного времени униполярные генераторы обычно полагали чрезвычайно неэффективными. Тем не менее, униполярные генераторы обладают некоторыми уникальными физическими свойствами, делающими их желательными для определенных приложений. Во-первых, лишь униполярные генераторы способны вырабатывать на выходе истинный постоянный ток. Для большинства мультипольных генераторов необходимо выполнять коммутацию или выборочное переключение к обмоткам переменного тока для выработки на выходе постоянного тока. В дополнение к этому униполярные генераторы обычно вырабатывают низкие значения напряжения и большие значения тока.
[0008] Учитывая преимущества униполярного электродвигателя/генераторов, было бы выгодным предложить униполярный генератор с улучшенными характеристиками. Также было бы выгодным предложить униполярный генератор, устраняющий некоторые из вышеупомянутых недостатков известного уровня техники.
Раскрытие изобретения
[0009] В одном варианте реализации настоящее изобретение предлагает генератор, причем указанный генератор содержит:
первый магнитный узел и второй магнитный узел, причем первый и второй магнитные узлы выполнены параллельно для выработки магнитного поля и области с нулевым магнитным полем;
ротор, размещенный между первым и вторым магнитными узлами, причем ротор связан с ведущим валом, проходящим через первый и второй магнитные узлы, и часть ротора размещена в области с нулевым магнитным полем;
первое приспособление для передачи электрического тока, связанное с ротором в области с нулевым полем, и второе приспособление для передачи электрического тока, связанное с валом;
приводное приспособление, прикрепленное к валу,
причем активизация приводного приспособления вызывает поворот ротора в магнитном поле с образованием электрического потенциала между первым и вторым приспособлениями для передачи электрического тока.
[0010] В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения первый и второй магнитные узлы выполнены цилиндрическими. Соответственно, каждый из узлов содержит одну или большее количество катушек из сверхпроводящего материала, содержащихся внутри криогенной оболочки. В случае наличия в узлах множества сверхпроводящих катушек, эти катушки могут быть соединены вместе с образованием соленоида. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения сверхпроводящие проводящие катушки расположены в виде конкретных геометрических конфигураций. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения катушки могут быть расположены концентрически. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения катушки расположены коаксиально. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения одна или большее количество катушек внутри первого и второго магнитных узлов могут иметь противоположную полярность.
3
[0011] Сверхпроводящие катушки могут быть выполнены из любого подходящего сверхпроводящего провода. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения сверхпроводящий провод представляет собой сверхпроводящий провод из NbSn. В качестве альтернативы катушки могут быть выполнены из сверхпроводящего провода из NbTi.
[0012] Соответственно, ротор и вал выполнены из подходящего проводящего материала. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения вал и ротор выполнены как одно целое. Ротор может быть выполнен в виде сплошного диска. В качестве альтернативы ротор может быть выполнен в виде традиционной конфигурации спицеобразного колеса с центральной ступицей и одной или большим количеством поперечин, связывающих внешний обод колеса со ступицей. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения ступица ротора выполнена полой, что обеспечивает возможность ввода ведущего вала от приводного приспособления. Ротор может быть выполнен в виде слоистой конструкции, где один или большее количество проводящих слоев механически соединены вместе с образованием ротора. В таких случаях каждый из слоев электрически изолирован от соседних роторов за исключением последовательного соединения, обеспечивающего прохождение электрического тока через ротор при повороте ротора в поле возбуждения.
[0013] Приспособления для передачи электрического тока могут быть выполнены в виде щеток, непосредственно контактирующих с ротором и валом. В наиболее предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения приспособления для передачи электрического тока выполнены в виде жидкометаллических щеток. В таком случае жидкометаллические щетки могут быть выполнены посредством канала, образованного в статоре, окружающем обод ротора, причем обод ротора может быть выполнен с дополнительной канавкой для дополнительного улучшения электрического контакта. Жидкий металл может быть введен в канал в статоре из резервуара под переменным давлением. Газ может также быть введен в канал во время уплотнения для уменьшения отрицательного воздействия влажности и кислорода на жидкий металл.
[0014] Соответственно этому приспособление для передачи электрического тока размещено снаружи относительно первого или второго магнитного узлов. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения приспособление для передачи электрического тока размещено в области, где напряженность магнитного поля ниже 0,2 Тл.
[0015] Соответственно этому приводное приспособление может быть выполнено в виде низкоскоростного привода. В таких случаях получаемый в результате электрический потенциал, выработанный посредством приспособлений для передачи электрического тока, представляет собой потенциал с низким значением напряжения и высоким значением тока. Приводное приспособление может быть высокоскоростным приводом. В таких случаях электрический потенциал, выработанный посредством приспособлений для передачи электрического тока, представляет собой потенциал с высоким значением напряжения и низким значением тока. Приводное приспособление может быть любым подходящим приводным приспособлением, таким как электродвигатель или ветряной электродвигатель, паровая турбина, гидротурбина и т.п.
[0016] В качестве другой особенности настоящего изобретения предложен генератор, содержащий каскад преобразования "постоянный ток - постоянный ток" и содержащий:
первый магнитный узел и второй магнитный узел, причем первый и второй магнитные узлы выполнены параллельно для выработки первичного возбуждающего поля и области с нулевым магнитным полем;
первый ротор, размещенный между первыми и вторым магнитными узлами, причем первый ротор выполнен с возможностью соединения с ведущим валом, и часть ротора размещена в области с нулевым магнитным полем;
электродвигатель, электрически соединенный с первым ротором, причем
электродвигатель размещен между третьим и четвертым магнитными узлами, расположенными параллельно для выработки возбуждающего поля для электродвигателя,
указанные третий и четвертый магнитные узлы вырабатывают множество вторичных областей с нулевым полем и
устройства электрического соединения электродвигателя размещены внутри вторичных областей с нулевым полем;
второй ротор, размещенный между первыми и вторыми магнитными узлами и соседним первым ротором, причем указанный второй ротор механически соединен с электродвигателем, а часть второго ротора размещена в области с нулевым магнитным полем,
приводное приспособление, механически соединенное с первым ротором,
причем активизация приводного приспособления вызывает поворот первого ротора внутри первичного возбуждающего поля с выработкой тока большой величины, проходящего через электродвигатель с выработкой крутящего момента для возбуждения второго ротора внутри первичного поля с выработкой на выходе тока низкой величины.
[0017] В качестве еще одной особенности настоящего изобретения предложен генератор, содержащий каскад преобразования "постоянный ток - постоянный ток" и содержащий:
первый магнитный узел и второй магнитный узел, причем первый и второй магнитные узлы выполнены параллельно для выработки первичного возбуждающего поля и области с нулевым магнитным полем;
первый ротор, выполненный с возможностью соединения с ведущим валом, причем часть ротора размещена в области с нулевым магнитным полем, образованной между первым и вторым магнитными узлами;
электродвигатель, электрически соединенный с первым ротором, причем
электродвигатель размещен между третьим и четвертым магнитными узлами, расположенными параллельно для выработки возбуждающего поля для электродвигателя,
указанные третий и четвертый магнитные узлы вырабатывают множество вторичных областей с нулевым полем и
устройства электрического соединения электродвигателя размещены внутри вторичных областей с нулевым полем;
второй ротор, размещенный рядом с первым ротором, причем указанный второй ротор механически соединен с электродвигателем, а часть второго ротора размещена в области с нулевым магнитным полем, образованной между первым и вторым магнитными узлами;
приводное приспособление, механически соединенное с первым ротором,
причем активизация приводного приспособления вызывает поворот первого ротора внутри первичного возбуждающего поля с выработкой тока большой величины, проходящего через электродвигатель с выработкой крутящего момента для возбуждения второго ротора внутри первичного поля с выработкой на выходе тока низкой величины.
[0018] Соответственно этому первый и второй роторы содержат внутренние и внешние приспособления для передачи электрического тока. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения внутренние приспособления для передачи электрического тока размещены в по меньшей мере одной из вторичных областей нулевого поля, а внешние приспособления для передачи электрического тока размещены в области нулевого поля. Приспособления для передачи электрического тока выполнены в виде жидкометаллических щеток. В таком случае жидкометаллические щетки могут быть выполнены посредством канала, выполненного в статоре, окружающем обод ротора, причем обод ротора может быть выполнен с дополнительной канавкой для дополнительного улучшения электрического контакта. Жидкий металл может быть введен в канал в статоре из резервуара под переменным давлением. Газ может также быть введен в канал для уменьшения отрицательного воздействия влажности и кислорода на жидкий металл.
[0019] Устройства электрического соединения для электродвигателя могут быть выполнены в виде внутреннего и внешнего приспособлений для передачи электрического тока. Соответственно этому внутреннее приспособление для передачи электрического тока размещено в первой области внутри областей со вторичным нулевым полем, а внешняя щетка размещена во второй области внутри областей со вторичным нулевым полем.
3
[0020] В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения первый, второй, третий и четвертый магнитные узлы обладают цилиндрической конструкцией. Соответственно этому каждый из узлов содержит одну или большее количество катушек из сверхпроводящего материала, содержащихся внутри криогенной оболочки. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения катушки выполнены с возможностью размещения концентрически. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения катушки расположены коаксиально. В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения одна или большее количество катушек внутри первого и второго могут иметь противоположную полярность. Сверхпроводящие катушки могут быть выполнены от любого подходящего сверхпроводящего провода. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения сверхпроводящий провод представляет собой сверхпроводящий провод из NbSn. В качестве альтернативы катушки могут быть выполнены из сверхпроводящего провода из NbTi.
[0021] В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения первый, второй, третий и четвертый магнитные узлы выполнены с возможностью размещения с взаимным наложением. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения третий и четвертый магнитные узлы выполнены концентрически относительно первого и второго магнитных узлов.
[0022] В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения может иметь место третий ротор. Третий ротор размещен между пятым и шестым магнитными узлами таким образом, что часть третьего ротора размещена в области с нулевым магнитным полем, образованной между пятым и шестым магнитными узлами. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения третий ротор механически присоединен ко второму ротору и электрически изолирован от него.
[0023] Пятый и шестой магнитные узлы могут обладать цилиндрической конструкцией. Соответственно этому пятый и шестой магнитные узлы содержат одну или большее количество катушек из сверхпроводящего материала, содержащихся внутри криогенной оболочки. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения катушки выполнены концентрическими.
[0024] В качестве еще одной особенности настоящего изобретения предложен генератор, содержащий:
первый магнитный узел и второй магнитный узел, причем первый и второй магнитные узлы выполнены параллельно для выработки первичного возбуждающего поля и областей с нулевым магнитным полем;
третий и четвертый магнитные узлы, выполненные параллельно и размещенные концентрически внутри первого и второго магнитных узлов;
ротор, размещенный между магнитными узлами и выполненный с возможностью соединения с ведущим валом;
множество приспособлений для передачи электрического тока, соединенных в дискретных точках вдоль ротора, причем
каждое приспособление для передачи электрического тока размещено внутри области нулевого поля, образованной между магнитными узлами, с ротором, размещенным в области с нулевым полем, и вторым приспособлением для передачи электрического тока, связанным с валом;
приводное приспособление, прикрепленное к валу,
причем активизация приводного приспособления вызывает поворот ротора в магнитном поле с выработкой электрического потенциала между приспособлениями для передачи электрического тока.
[0025] Важное изменение, который может быть использовано в качестве альтернативы или дополнения к вышеупомянутому, состоит в использовании активной экранировки. Цель активной экранировки состоит в уменьшении магнитного поля рассеяния, образованного устройствами. Это обычно уменьшает окружающее устройства пространство, необходимое для безопасной работы или соответствия установленным требованиям. Требуемое пространство обычно представлено линией (в действительности представляющей собой трехмерную поверхность) вокруг устройств, вне которой напряженность магнитного поля ниже 5 Гауссов (линия "5 Гаусс").
[0026] Обычно магнитная экранировка или уменьшение напряженности поля за границей линии "5 Гаусс" достигнуты посредством большого количество стали или другого материала с большим значением магнитной проницаемости. В чувствительных к весу приложениях, использующих сильные магнитные поля, использование большого количества стали представляет собой существенный недостаток. Один способ устранения этого недостатка состоит в использовании питаемых энергией (активных) электромагнитных катушек, размещенных вне первичных электромагнитные катушек, создающих области поля возбуждения и нулевого поля.
[0027] Количество, размер и ориентация внешних магнитных активных катушек экранировки могут быть различными согласно необходимой величине погашения поля, типу и количеству используемого сверхпроводящего провода и внешним ограничениям на размер устройства, подлежащего активному экранированию. Хотя предпочтительные устройства преимущественно используют высокотемпературные и низкотемпературные сверхпроводящие материалы, возможно, могут быть использованы обычные проводящие материалы, такие как медный провод.
[0028] Предпочтительные устройства, обычно, используют или две или четыре дополнительных активных катушек экранировки. В предпочтительных вариантах реализации настоящего изобретения дополнительные активные катушки экранировки размещены коаксиально с предпочтительными главными катушками возбуждения и вторичными катушками создания нулевого поля. Вообще говоря, двухкатушечные устройства активной экранировки обладают несколько более низким полным расходом провода, чем конструкции с четырьмя катушками. Четырехкатушечные конструкции обеспечивают возможность большей свободы при размещении и регулировке катушек и, следовательно, обычно приводят к более эффективной экранировке.
[0029] Ниже приведены основные правила или принципы, используемые в качестве отправной точки для построения систем активной экранировки:
- Для двухкатушечного устройства предпочтительная отправная точка взята в виде пары катушек, диаметр которых в два раза больше диаметра узла главной катушки по средней линии. Расстояние между этими катушками предпочтительно равно радиусу одной из катушек активной экранировки. Это примерно представляет собой расположение катушки Гельмгольца.
- Четырехкатушечные системы экранировки обладают более точным управлением параметрами экранировки, но заключительное оптимальное техническое решение зависит от величины осевого и радиального полей, подлежащих экранировке. Четырехкатушечные конструкции имеют тенденцию требовать больший объем ручной оптимизации на индивидуальной основе. Обычно четырехкатушечное техническое решение требует пары внешних катушек большего диаметра, размещенных на небольшом расстоянии от главного корпуса устройства, и пары внутренних катушек меньшего диаметра, разнесенных на большее расстояние. В большинстве рассмотренных случаев расстояние между внутренними гасящими поле катушками примерно равно радиусу внешних гасящих поле катушек. Предпочтительно, чтобы осевое расстояние между каждой из четырех катушек также было одинаковым.
- Для главных катушек, которые преимущественно представляют собой длинные соленоиды, двухкатушечная система экранировки имеет тенденцию быть оптимальной. По мере изменения отношения сторон основных катушек возбуждения в сторону тонких плоских катушек, четырех-катушечное техническое решение дает все лучшую экранировку.
[0030] Важно отметить, что выше приведены общие принципы и что параметры катушки экранировки обычно должны быть дополнительно отрегулированы для получения оптимального технического решения. Тип провода, плотность тока, ширина и количество витков экранирующей катушки, диаметр и осевых положения наборов катушек могут быть подвергнуты изменению для оптимизации с целью лучшей экранировки, уменьшения стоимости и/или получения более легких устройств.
[0031] Важно отметить, что тип используемого провода и плотность тока для катушек активной экранировки могут быть отрегулированы для оптимизации стоимости, веса и объема устройства активной экранировки. Более высокие значения плотности тока обычно требуют использования более дорогого сверхпроводящего провода, но в то же самое время уменьшают общую массу или объем устройства. Более низкие значения плотности тока обеспечивают возможность использования более дешевого сверхпроводящего провода или более высоких рабочих температур, но за счет увеличенного полного веса устройства.
[0032] Предпочтительный вариант реализации приспособления для эффективной передачи тока в предпочтительных вариантах реализации электромагнитных турбин представляет собой использование эффективных жидкометаллических щеток между поворотными и стационарными частями соответствующих устройств.
[0033] Главный принцип работы этой конкретной особенности настоящего изобретения, а именно, жидкометаллических щеток передачи тока, состоит в том, что происходит передача тока между поворотным элементом в форме язычка и стационарным элементом с канавкой (или наоборот) через проводящую текучую среду или жидкий металл, размещенный между ними и проходящий около стационарного элемента.
[0034] Одна из наиболее существенных модификаций представляет собой изменения способов, посредством которых жидкометаллический материал распределен вокруг щетки и затем предпочтительно собран при простое устройства. Существует возможность выполнения устройства с резервуаром переменного давления, используемым для распределения жидкометаллического материала вокруг щетки, а также сбора жидкого металла вдали от поворотного тела.
[0035] В альтернативном устройстве жидкий металл может быть первоначально введен в узел через вентили текучей среды вокруг внешнего периметра внутреннего и внешнего узлов жидкометаллической щетки. Первоначально и при отсутствии поворота предпочтительно происходит сбор жидкого металла в самой низкой точке узла щетка/ротор, предпочтительно содержащегося в предпочтительных стационарных защитных контейнерах для жидкого металла, включающих сопутствующие уплотнения для текучей среды между стенками защитного контейнера и в выполняющем поворот вале.
[0036] В начале работы жидкий металл обычно постепенно вводят в канавку, созданную внешним кольцом токосъемного устройства, посредством комбинации силы трения и центробежной силы. Во время работы жидкий металл обычно будет однородно распределен по всей окружности ротора, ограниченной между якорем ротора и канавкой стационарного компонента щетки.
[0037] Еще одни дополнительные предпочтительные особенности устройства включают использование керамических подшипников во избежание искажений магнитного поля, вызванных использованием стальных или других основанных на ферритах подшипников, и использование непроводящих точек крепления вала для обеспечения электрической изоляции между валом ротора (который обычно проводит ток) и корпусом устройства.
[0038] Еще одно усовершенствование состоит в установке керамических подшипников на кольцевых уплотнителях с небольшой посадкой с зазором для учета теплового расширения поворотного вала. Без использования этого усовершенствования различные скорости теплового расширения между предпочтительным алюминиевым валом и керамическими подшипниками могут приводить к растрескиванию и поломке подшипников.
[0039] Внешний и внутренний узлы жидкометаллических щеток обладают некоторыми усовершенствованиями, содействующими работе узла и улучшающими характеристики щеток. Секция ротора, образующая проводящий якорь для узла жидкометаллической щетки, может быть прикреплена к поворотному узлу из диска и вала, что обеспечивает возможность использования в конструкции различных материалов. В одном варианте реализации настоящего изобретения узел диска/вала выполнен из алюминия, а якоря ротора выполнены из меди.
[0040] Канавка статора может быть выполнена из двух медных половинок, что обеспечивает возможность сборки над якорем ротора. Предпочтительно, чтобы узел статора с канавкой дополнительно содержал вентили или стоки, обеспечивающие возможность заполнения и стока жидкометаллического материала, а также порты, обеспечивающие возможность установки тепловых и других дополнительных датчиков.
[0041] Форма в поперечном сечении для предпочтительного варианта переносящего электрический ток диска может быть в виде раструба для помощи в сборе жидкометаллического материала при приведении устройства в состояние покоя. Жидкометаллический материал предпочтительно вытекает из предпочтительного варианта внешнего радиального канала с канавкой и может затем быть направлен к внутренним радиальным канавкам сбора посредством раструба на роторе. В конечном счете происходит сбор жидкого металла в самой низкой точке устройства.
[0042] При соединении узла ротора и щетки со сверхпроводящим магнитом ранее описанных конструкций происходит формирование полного электродвигателя или генератора.
[0043] Еще одно ключевое соображение относительно устройств типа электродвигателя или генератора, содержащих жидкометаллические щетки, относится к созданию практических устройств для долгосрочной работы. Обычно присутствие кислорода и/или влажность ухудшает характеристики жидкометаллических материалов. Как следствие, часто желательно размещать узел жидкометаллической щетки в окружающей среде инертного газа (предпочтительно в среде газообразного аргона при давлении немного выше атмосферного). Еще одно усовершенствование состоит в использовании герметизированного защитного контейнера, содержащего уплотнения из ферромагнитной текучей среды между поворотным и стационарным элементами ротора и защитного контейнера.
[0044] Уплотнения из ферромагнитной текучей среды будут предпочтительно достигать газового уплотнения с помощью ферромагнитной текучей среды, удерживаемой между стационарной и выполняющей поворот поверхностями посредством постоянного магнитного поля. Уплотнения из ферромагнитной текучей среды как правило обеспечивают намного более продолжительный срок службы и меньшее трение по сравнению с обычными уплотнениями.
[0045] Защитный контейнер может окружать поворотный диск, поворотный диск и существенную часть узла поворотного вала, или диск, вал и криостат и магнитные катушки.
[0046] Для съема тока с выполняющей поворот поверхности посредством жидкометаллической среды кольцевой канал между твердыми поверхностями контакта обычно полностью заполняют жидким металлом. Преимущества этого способа состоят в однородности съема тока по окружности ротора (и, следовательно, в однородности прохождения электрического тока в роторе) и в достижимых высоких значениях поверхностных скоростей и плотностей тока, которые невозможны или непрактичны при использовании обычных или усовершенствованных твердых щеток. В случаях умеренных значений плотности тока при отсутствии необходимости рециркуляции жидкого металла для охлаждения контакт кольцевого канала, описанный как контакт "якоря и канавки", может быть реализован сравнительно непосредственным образом.
[0047] Для максимизации превосходных электрических свойств контакта важно выбрать оптимальные геометрические свойства ротора и его контактного наконечника (якоря) и статора и его кольцевого канала (канавки). Эти параметры важны, поскольку механические потери от гидродинамического трения существенно зависят от ширины якоря и толщины жидкометаллического зазора. В целом имеет место компромисс между двумя конфликтующими требованиями, направленный на минимизацию электрических и механических потерь. Чем шире наконечник, тем меньше плотность тока, что приводит к меньшему количеству теплоты, выделяемому в контакте, однако, более широкий наконечник существенно увеличивает механические потери из-за трения. Следовательно, необходима оптимизация ширины контактного наконечника для достижения минимальной величины общих потерь в контакте.
[0048] Оптимальная толщина зазора между контактными поверхностями с точки зрения уменьшения механических потерь на трение может быть получена из следующего уравнения:
,
tip
где С представляет собой константу, полученную из теоретического исследования и затем экспериментально исправленную, D равно диаметру контактного наконечника, Re равно гидродинамическому числу Рейнольдса для потока жидкости по круговому каналу, вычисленному на основании диаметра контактного наконечника. При поворотном перемещении величина Re получена из следующей известной формулы:
,
где v представляет собой кинематическую вязкость, а ω равно угловой скорости диска. С точки зрения механических и электрических потерь, чем тоньше слой жидкости, тем меньше электрические потери в активной зоне токосъемного устройства, однако, при слишком тонком слое механические потери внезапно становятся предельно высокими, что требует принятия во внимание гидродинамических характеристик при определении оптимального зазора.
[0049] Достижение оптимальной конструкции жидкометаллического токосъемного устройства включает процесс оптимизации, направленный на удовлетворение многих противоречивых требований для достижения минимальных полных потерь и самых лучших характеристик. Это, в частности, имеет место при работе с токосъемными устройствами класса 100 кА с поверхностными скоростями, превышающими 200 м/с.
[0050] Другой важный вопрос представляет собой контактное сопротивление на границе раздела жидкость - твердое тело, которое обычно может быть равно 2/3 от сопротивления жидкометаллического контакта. Вследствие различных химических и электрохимических процессов, происходящих в активной зоне, происходит формирование различных слоев на твердых поверхностях, что увеличивает сопротивление и, таким образом, ухудшает характеристики и стабильность контакта в течение длительных периодов работы. Существенное уменьшение контактного сопротивления и увеличенная химическая устойчивость могут быть достигнуты посредством надлежащего выбора материала тонкого поверхностного покрытия, нанесенного на твердые поверхности жидкометаллических токосъемных устройств. Например, известно, что покрытия из никеля очень хорошо работают с ртутными контактами, а неизолированная медь хорошо работает со сплавами NaK.
[0051] Ниже приведен список материалов, пригодных для различных частей узла жидкометаллической щетки, что будет составлять часть экспериментальных работ относительно жидкометаллических щеток. В этих экспериментальных работах будет проведен поиск оптимальных комбинаций материалов для различных компонентов с целью минимизации механических, электрических, гидродинамических и других потерь.
Материалы для контактного наконечника и статора:
Медь, алюминий или любые другие проводящие материалы, обладающие подходящей механической прочностью.
Материалы для покрытия:
Никель, хром, родий, кобальт, золото и другие благородные металлы.
Жидкие среды:
Ртуть, галлий, сплав олова-индия-галлия, сплавы калия-натрия, натрий или любые другие проводящие материалы в жидкой форме.
[0052] В дополнение к вышеупомянутым вариантам по выбору материала следует также учитывать влияние степени обработки поверхности на эффективность и характеристики узлов жидкометаллической щетки.
[0053] Вышеприведенные списки показывают типы подлежащих использованию материалов и не представляют собой исчерпывающие списки. Специалисту в данной области техники совершенно понятно, что указанные материалы могут быть заменены другими материалами с похожими электрическими и химическими свойствами или их можно использовать в каждой из вышеупомянутых секций.
[0054] Еще один вариант включает использование материала типа графен в качестве покрытия на частях выполняющих поворот и стационарных узлов, в частности в области жидкометаллических щеток. Графен представляет собой кристаллическую разновидность углерода, где атомы углерода размещены в виде регулярной гексагональной структуры толщиной в один атомарный слой.
[0055] Нанесение графенового покрытия на части электродвигателя/генератора может усиливать механическую структуру, и в то же самое время увеличивать удельную электрическую проводимость и удельную теплопроводность различных частей электродвигателя/генератора. Графен может также уменьшать трение на границе между статическими и перемещаемыми частями и жидкими металлами, например, сплавом калия и натрия, металлом в виде лития, металлом в виде натрия, эвтектическим сплавом олово-индий-галлий, GaInSn (галинстан) и металлом в виде галлия. Электрические свойства также могут быть улучшены на поверхности раздела (твердое тело / жидкий металл). Эти усовершенствования, обусловленные введением в систему графенового покрытия, приводят к уменьшению механических, гидродинамических и электрических потерь, а также к уменьшению веса полного устройства.
[0056] В настоящем описании изобретения ссылка на любой известный уровень техники не представляет собой признание или любую форму подтверждения (и не должна быть использована в этом качестве), что известный уровень техники представляет собой часть обычных общеизвестных сведений.
Краткое описание чертежей
[0057] С целью более четкого понимания и практического использования настоящего изобретения будут выполнены ссылки на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения, и на которых:
[0058] На Фигурах 1А, 1В показаны виды в разрезе турбины, предназначенной для использования в качестве генератора, согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;
[0059] На Фигурах 2А, 2В показаны виды в разрезе турбины, предназначенной для использования в качестве генератора, согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;
[0060] На Фигуре 3 показан вид в разрезе турбины, предназначенной для использования в качестве генератора, согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;
[0061] На Фигурах 4А, 4В показаны виды в разрезе турбины, предназначенной для использования в качестве генератора, согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;
[0062] На Фигуре 5А показан вид в разрезе турбины, предназначенной для использования в качестве генератора, использующего жидкометаллические щетки согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;
[0063] На Фигуре 5В более подробно показана конструкция ротора и статора, использующего жидкометаллические щетки для генератора согласно Фигуре 5А;
[0064] На Фигурах 6А, 6В показаны виды в разрезе турбины, использующей преобразование "постоянный ток - постоянный ток" для использования в качестве генератора согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;
[0065] На Фигурах от 7А до 7С показаны распределения магнитного поля, выработанного турбиной согласно Фигурам 6А и 6В, при использовании конкретного типа сверхпроводящего материала;
[0066] На Фигурах 8А, 8В показано расположение щеток турбины согласно Фигурам 6А и 6В.
[0067] На Фигуре 9 показан вид в разрезе турбины согласно Фигурам 6А и 6В, показывающий цепи высокого и низкого токов внутри турбины;
[0068] На Фигуре 10 показано распределение поля магнитного поля, выработанного турбиной согласно Фигурам 6А и 6В, при использовании конкретного типа сверхпроводящего материала;
[0069] На Фигуре 11 показан вид в разрезе турбины, использующей преобразование пошагового повышения типа "постоянный ток - постоянный ток" для использования в качестве генератора согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;
[0070] На Фигуре 12 показан вид в разрезе турбины согласно Фигуре 11, показывающий цепи с высоким и низким значением тока внутри турбины;
[0071] На Фигурах от 13А до 13С показаны распределения магнитного поля, выработанного турбиной согласно Фигурам 11 и 12 при использовании конкретного типа сверхпроводящего материала;
[0072] На Фигуре 14 показано распределение магнитного поля, выработанного турбиной согласно Фигурам 11 и 12 при использовании конкретного типа сверхпроводящего материала;
[0073] На Фигурах 15А, 15В показаны виды в разрезе турбины, использующей преобразование "постоянный ток - постоянный ток" для использования в качестве генератора согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;
[0074] На Фигуре от 16А до 16С показаны распределения магнитного поля, выработанного турбиной согласно Фигурам 15А и 15В при использовании конкретного типа сверхпроводящего материала;
[0075] На Фигуре 17 показан вид в разрезе турбины, использующей преобразование пошагового повышения типа "постоянный ток - постоянный ток" для использования в качестве генератора согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;
[0076] На Фигуре 18 показан вид в разрезе турбины, использующей преобразование пошагового повышения типа "постоянный ток - постоянный) ток для использования в качестве генератора согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;
[0077] На Фигуре 19 показан вид в разрезе турбины, использующей преобразование пошагового повышения типа "постоянный ток - постоянный ток" для использования в качестве генератора согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;
[0078] На Фигуре 20 показано распределение магнитного поля, выработанного турбиной согласно Фигуре 19 при использовании конкретного типа сверхпроводящего материала;
[0079] На Фигуре 21 показан подробный вид сечения распределения поля согласно Фигуре 20;
[0080] На Фигуре 22 показан подробный вид сечения распределения поля согласно Фигуре 20;
[0081] На Фигурах 23А, 23В показаны виды в разрезе турбины, предназначенной для использования в качестве генератора согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;
[0082] На Фигурах 24А и 24В показаны распределения магнитного поля, выработанного турбиной согласно Фигурам 23А и 23В для различных конфигураций катушки;
[0083] На Фигурах 25А, 25В показаны виды в разрезе турбины, предназначенной для использования в качестве генератора согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;
[0084] На Фигуре 26 показано распределение магнитного поля, выработанного турбиной согласно Фигурам 25А и 25В;
[0085] На Фигурах 27А, 27В показаны виды в разрезе турбины, предназначенной для использования в качестве генератора согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;
[0086] На Фигуре 28 показано распределение магнитного поля, выработанного турбиной согласно Фигурам 27А и 27В;
[0087] На Фигуре 29 показан вид в разрезе, изображающий одно возможное расположение для соединения множества турбин с целью увеличения выходного напряжения согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;
[0088] На Фигуре 30 показано распределение поля для конфигурации генератора, содержащей две турбины, показывающей альтернативные пути тока для альтернативных конфигураций ротора;
[0089] На Фигуре 31 показан вид в разрезе турбины, использующей преобразование пошагового повышения типа "постоянный ток - постоянный ток" для использования в качестве генератора согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;
[0090] На Фигурах 32А и 32В показаны виды в разрезе турбины, использующей преобразование пошагового понижения типа "постоянный ток - постоянный ток" для использования в качестве электродвигателя/генератора согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;
[0091] На Фигурах 33А и 33В показаны виды в разрезе электродвигателя/генератора с двойным ротором согласно варианту реализации настоящего изобретения.
[0092] На Фигурах 34А и 34В показаны распределения поля электродвигателя/генератора с двойным ротором, показанного на Фигурах 33А и 33В.
[0093] На Фигурах 35А и 35В показаны виды в разрезе электродвигателя/генератора с двойным ротором с укороченным соединительным проводом согласно варианту реализации настоящего изобретения.
[0094] На Фигурах 36А и 36В показаны распределения поля электродвигателя/генератора с двойным ротором, показанного на Фигурах 35А и 35В.
[0095] На Фигурах 37А и 37В показаны виды в разрезе двухкаскадного генератора с гасящими поле катушками для создания области с нулевым магнитным полем согласно варианту реализации настоящего изобретения.
[0096] На Фигурах 38А, 38В и 38С показаны распределения поля двухкаскадного генератора, показанного на Фигурах 37А и 37В.
[0097] На Фигурах 39А и 39В показаны виды в разрезе многокаскадного устройства с пошаговым понижением или повышением значения скорости и/или напряжения/тока согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения.
[0098] На Фигурах 40, 40А и 40В показаны распределения поля электродвигателя/генератора с многоступенчатого ротора, показанного на Фигурах 39А и 39В.
[0099] На Фигурах 41А и 41В показаны виды в разрезе слоистого низкоскоростного роторного устройства, последовательно соединенного с интервалом между низкоскоростной высокоскоростной секциями согласно варианту реализации настоящего изобретения.
[0100] На Фигуре 42А показан разобранный изометрический вид механических компонентов и на Фигуре 42В показан разобранный изометрический вид с путями тока от низкоскоростного механического входа к электрическому выходному устройству постоянного тока с высоким значением напряжения согласно варианту реализации настоящего изобретения.
[0101] На Фигуре 43А показан разобранный изометрический вид механических компонентов и на Фигуре 43В показан разобранный изометрический вид с путями тока от электрического входного устройства постоянного тока с высоким значением напряжения к низкоскоростному механическому выходному устройству согласно варианту реализации настоящего изобретения.
[0102] На Фигуре 44А показан разобранный изометрический вид механических компонентов и на Фигуре 44В показан разобранный изометрический вид с путями тока от низкоскоростного механического входного устройства к генераторному выходному устройству постоянного тока согласно варианту реализации настоящего изобретения.
[0103] На Фигуре 45А показан разобранный изометрический вид механических компонентов и на Фигуре 45В показан разобранный изометрический вид с путями тока от электродвигателя переменного тока к низкоскоростному механическому выходному устройству согласно варианту реализации настоящего изобретения.
[0104] На Фигуре 46А показан разобранный изометрический вид механических компонентов и на Фигуре 46В показан разобранный изометрический вид с путями тока для униполярного электромагнитного устройства преобразования (от низкой скорости к высокой скорости) согласно варианту реализации настоящего изобретения.
[0105] На Фигуре 47А показан разобранный изометрический вид механических компонентов и на Фигуре 47В показан разобранный изометрический вид с путями тока для униполярного электромагнитного устройства преобразования (от высокой скорости к низкой скорости) согласно варианту реализации настоящего изобретения.
[0106] На Фигуре 48 показан изометрический вид в разрезе электромагнитного преобразователя энергии от постоянного тока с низким значением напряжения к постоянному току с высоким значением напряжения согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения.
[0107] На Фигуре 49 показан изометрический вид в разрезе электромагнитного преобразователя энергии от постоянного тока с высоким значением напряжения к постоянному току с низким значением напряжения согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения.
[0108] На Фигуре 50 показан изометрический вид в разрезе электромагнитного преобразователя энергии от постоянного тока на входе к переменному току на выходе согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения.
[0109] На Фигуре 51 показан изометрический вид в разрезе электромагнитного преобразователя энергии от переменного тока на входе к постоянному току на выходе согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения.
[0110] На Фигуре 52 показан боковой вид в разрезе предпочтительного варианта устройства уплотнения жидкометаллической щетки согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения.
[0111] На Фигуре 53 схематически отражен предпочтительный вариант использования выходного генератора постоянного тока согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения с точки зрения выработки и хранения энергии.
[0112] На Фигуре 54 показано сечение, отражающее разновидность ранее представленного многокаскадного варианта с измененными гасящими поле катушками.
[0113] На Фигуре 55 схематически показана разновидность согласно Фигуре 54, отражающая пути тока с высоким и низким значениями тока.
[0114] На Фигуре 56 показано распределение поля турбины согласно Фигуре 54 с нулевыми областями поля (ниже 0,2 Тл), окруженными зелеными линиями произвольной формы.
[0115] На Фигуре 57 показано распределение поля в области внешней катушки турбины, показанной на Фигуре 54 с нулевыми областями поля (ниже 0,2 Тл), окруженными зелеными линиями произвольной формы.
[0116] На Фигуре 58 показано распределение поля в области внутренней гасящей поле катушки турбины, показанной на Фигуре 54 с нулевыми областями поля (ниже 0,2 Тл), окруженными зелеными линиями произвольной формы.
[0117] На Фигуре 59 схематически показан генератор турбины согласно предпочтительному варианту реализации, используемому в сочетании с системой выравнивания поворотного момента.
[0118] На Фигуре 60 показан вид сбоку с частичным разрезом для устройства, показанного на Фигуре 59.
[0119] На Фигуре 61 показан детальный вид системы выравнивания поворотного момента, показанной на Фигуре 59.
[0120] На Фигуре 62 показан трехмерный вид в разрезе генератора с двухроторной турбиной с противоположным поворотом валов, с двумя независимыми секциями и указанием на противоположные направления входного крутящего момента.
[0121] На Фигуре 63 показаны вид в разрезе генератора турбины, показанного на Фигуре 62.
[0122] На Фигуре 64 показаны пути тока с большим и малым значениями тока через независимые каскады генератора турбины с противоположными направлениями поворота, показанного на Фигуре 62.
[0123] На Фигуре 65 показано общее распределение поля для системы катушек, используемой в генераторе турбины, показанном на Фигуре 62, с зонами, окруженными линиями зеленого цвета произвольной формы и представляющими собой области с напряженностью поля ниже 0,2 Тл.
[0124] На Фигуре 66 показано магнитное поле на половине сечения узла катушки, используемого в генераторе турбины, показанном на Фигуре 62.
[0125] На Фигуре 67 показано детальное сечение распределения поля для узла внешней катушки генератора турбины, показанного на Фигуре 62.
[0126] На Фигуре 68 показано детальное сечение распределения поля для узла внутренней катушки генератора турбины, показанного на Фигуре 62.
[0127] На Фигуре 69 показан вид в вертикальном разрезе генератора ветряной турбины с непосредственным возбуждением и мощностью в несколько мегаватт согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения.
[0128] На Фигуре 70 показаны пути тока с высоким и низким значениями тока через генератор ветряной турбины, показанный на Фигуре 69.
[0129] На Фигуре 71 показан общий вид распределения магнитного поля в генераторе ветряной турбины, показанном на Фигуре 69.
[0130] На Фигуре 72 показана половина сечения распределения поля для генератора ветряной турбины, показанного на Фигуре 69.
[0131] На Фигуре 73 показано подробное распределение поля для узла внешней катушки генератора ветряной турбины, показанного на Фигуре 69, с областью, окруженной линией свободной формы, и представляющую собой область с напряженностью поля ниже 0,2 Тл.
[0132] На Фигуре 74 показано подробное распределение поля для узла внутренней гасящей поле катушки генератора ветряной турбины, показанного на Фигуре 69, с областью, окруженной линией свободной формы, и представляющую собой область с напряженностью поля ниже 0,2 Тл.
[0133] На Фигуре 75 показан вид в вертикальном разрезе для генератора ветряной турбины мощностью в несколько мегаватт согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения.
[0134] На Фигуре 76 показаны пути тока с высоким и низким значениями тока через генератор ветряной турбины, показанный на Фигуре 75.
[0135] На Фигуре 77 показано распределение поля для генератора ветряной турбины, показанного на Фигуре 75, с указанием векторов магнитного поля и областей, окруженных линиями свободной формы с напряженностью поля ниже 0,2 Тл.
[0136] На Фигуре 78 показан вид в вертикальном разрезе для разновидности генератора ветряной турбины, показанной на Фигуре 75, включающей добавление межкаскадного устройства выравнивания (крутящего момента/количества оборотов в минуту).
[0137] На Фигуре 79 показан изометрический вид с разрезом для генератора ветряной турбины, показанного на Фигуре 78.
[0138] На Фигуре 80 показан подробный изометрический вид с разрезом для центральной части генератора ветряной турбины, показанного на Фигуре 79, с указанием относительных направлений приложенного входного крутящего момента.
[0139] На Фигуре 81 показаны пути тока с высоким и низким значениями тока через генератор ветряной турбины, показанный на Фигуре 78.
[0140] На Фигуре 82 показан генератор ветряной турбины с барабанной конфигурацией, содержащий устройство преобразования электромагнитной энергии барабанного типа для обеспечения заключительного высокого напряжения на выходе согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения.
[0141] На Фигуре 83 показаны пути тока с высоким и низким значениями тока через генератор ветряной турбины, показанный на Фигуре 82.
[0142] На Фигуре 84 показан общий вид распределения поля при расположении сверхпроводящих катушек генератора барабанного типа, показанного на Фигуре 82, с внутренними гасящими поле катушками, образующими внутренние области нулевого поля, ограниченные линиями свободной формы.
[0143] На Фигуре 85 показан подробный вид области нулевого поля в центре внешних катушек возбуждения генератора, показанного на Фигуре 82 с указанной областью нулевого поля.
[0144] На Фигуре 86 схематически показаны векторы магнитного поля для главного поля возбуждения, выработанного внешним соленоидом вдоль элемента барабана, согласно варианту реализации настоящего изобретения, показанному на Фигуре 82.
[0145] На Фигуре 87 схематически показаны векторы магнитного поля в области вокруг внутренней гасящей поле катушки и секции высокоскоростного электродвигателя генератора, показанного на Фигуре 82.
[0146] На Фигуре 88 схематически показан разрез генератора ветряной турбины барабанного типа с устройством преобразования электромагнитной энергии с радиальным элементом согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения.
[0147] На Фигуре 89 показаны пути тока с высоким и низким значениями тока и соединения в варианте реализации настоящего изобретения, показанном на Фигуре 88.
[0148] На Фигуре 90 показана разновидность трехкатушечного узла для генератора ветряной турбины барабанного типа, показанного на Фигурах 82 и 88 и содержащего устройство преобразования электромагнитной энергии барабанного типа.
[0149] На Фигуре 91 показаны пути тока с высоким и низким значениями тока через разновидность генератора, показанную на Фигуре 90.
[0150] На Фигуре 92 показан общий вид распределения поля, иллюстрирующий катушки возбуждения и гасящие поле катушки для разновидности генератора, показанной на Фигуре 90.
[0151] На Фигуре 93А схематически показана высокоскоростная турбина первого поколения согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения.
[0152] На Фигуре 93В схематически показана высокоскоростная турбина второго поколения согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения, показывающая возможные изменения конструкции по сравнению с турбиной второго поколения, показанной на Фигуре 93А.
[0153] На Фигуре 94 схематически показан подробный вид части турбины второго поколения, показанной на Фигуре 93В.
[0154] На Фигуре 95 показано распределение поля при обычном расположении катушек и наличии областей нулевого поля для турбины второго поколения, показанной на Фигуре 93В.
[0155] На Фигуре 96 показано распределение поля для разновидности с меньшим диаметром турбины второго поколения, показанной на Фигуре 93В с удаленными внешними гасящими поле катушками.
[0156] На Фигуре 97 схематически показаны основная схема расположения электромагнитного устройства преобразования второго поколения согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения.
[0157] На Фигуре 98 показано распределение поля с областями нулевого поля, ограниченными линиями свободной формы в устройстве преобразования, показанном на Фигуре 97.
[0158] На Фигуре 99 схематически показана гибридная (барабанная/радиальная) конструкция устройства преобразования (электродвигатель/электромагнитный) с альтернативной конструкцией катушки согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения.
[0159] На Фигуре 100 показано распределение поля с областями нулевого поля, ограниченными линиями свободной формы в варианте реализации настоящего изобретения линий, показанном на Фигуре 99.
[0160] На Фигуре 101 схематически показан вид в разрезе для еще одного варианта реализации высокоскоростной турбины второго поколения согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения.
[0161] На Фигуре 102 показано распределение поля с областями нулевого поля, ограниченные линиями свободной формы, и возбуждающее поле, имеющие место в варианте реализации настоящего изобретения, показанном на Фигуре 101.
[0162] На Фигуре 103 схематически показан вид в разрезе для еще одного варианта реализации высокоскоростной турбины второго поколения согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения.
[0163] На Фигуре 104 показано распределение поля с областями нулевого поля, ограниченные линиями свободной формы, и возбуждающее поле, имеющие место в варианте реализации настоящего изобретения, показанном на Фигуре 103.
[0164] На Фигуре 105 схематически показан вид в разрезе для еще одного варианта реализации высокоскоростной турбины второго поколения согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения.
[0165] На Фигуре 106 показан вид в разрезе для еще одного варианта реализации высокоскоростной турбины второго поколения с альтернативными формой ротора, положением и схемой расположения криостата согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения.
[0166] На Фигуре 107 показан вид в разрезе для еще одного варианта реализации высокоскоростной турбины второго поколения с альтернативными формой ротора, положением и схемой расположения криостата согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения.
[0167] На Фигуре 108 показано изображение распределения магнитного поля для дискового устройства радиального типа, подобного показанному на Фигурах 23А и 23В, но без третичных гасящих поле катушек.
[0168] На Фигуре 109 показано изображение распределения магнитного поля для устройства, показанного на Фигурах 23А и 23В, использующего активную экранировку посредством двух экранировочных катушек.
[0169] На Фигуре 110 показано изображение распределения магнитного поля для устройства, показанного на Фигурах 23А и 23В, но модифицированного так, чтобы использовать активную экранировку посредством четырех экранировочных катушек.
[0170] На Фигуре 111 показан вид в разрезе устройства согласно Фигурам 23А и 23В, но с четырьмя активными гасящими поле катушками в контексте радиального устройства типа диска.
[0171] На Фигуре 112 показано изображение распределения магнитного поля, показывающее линии "5 Гаусс" и "200 Гаусс" для осевого устройства барабанного типа, подобного показанному на Фигуре 82, но без использования активных гасящих поле катушек.
[0172] На Фигуре 113 показано изображение распределения магнитного поля, показывающее линии "5 Гаусс" и "200 Гаусс" для осевого устройства барабанного типа, подобного показанному на Фигуре 82 с использованием двух активных гасящих поле катушек.
[0173] На Фигуре 114 показан вид в разрезе устройства, вырабатывающего поле, показанное на Фигуре 113, с указанием размещения двух дополнительных активных гасящих поле катушек.
[0174] На Фигуре 115 показаны линии "5 Гаусс" и "200 Гауссов" для осевого устройства барабанного типа, подобного показанному на Фигуре 82, но модифицированного для размещения четырех активных гасящих поле катушек.
[0175] На Фигуре 116 показан вид в разрезе устройства, вырабатывающего поле, показанное на Фигуре 115, с указанием размещения четырех дополнительных активных гасящих поле катушек.
[0176] На Фигуре 117 показаны линии "5 Гаусс" и "200 Гауссов" для многокаскадного дискового устройства радиального типа, подобного показанному на Фигуре 69 без активной экранировки.
[0177] На Фигуре 118 показаны линии "5 Гаусс" и "200 Гауссов" для многокаскадного дискового устройства радиального типа, подобного показанному на Фигуре 69 с активной экранировкой, использующей две катушки экранировки.
[0178] На Фигуре 119 показан вид в разрезе устройства, вырабатывающего поле возбуждения, показанное на Фигуре 118, с указанием размещения двух дополнительных катушек экранировки.
[0179] На Фигуре 120 показан изометрический вид узла главного поворотного диска и вала с внешним кольцом в форме якоря, образующим одну половину узла жидкометаллической щетки согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения.
[0180] На Фигуре 121 показан изометрический вид в сечении для полного ротора и обоих (внутреннего и внешнего) узлов жидкометаллической щетки согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения, включая стенки контейнера для жидкометаллического материала.
[0181] На Фигуре 122 показан передний вертикальный вид в разрезе для конфигурации, показанной на Фигуре 121.
[0182] На Фигуре 123 показан подробный вид в разрезе для внешнего узла жидкометаллической щетки, показанного на Фигуре 122.
[0183] На Фигуре 124 показан подробный вид в разрезе для внутреннего узла жидкометаллической щетки, показанного на Фигуре 122.
[0184] На Фигуре 125 показан вид в разрезе для предпочтительного варианта реализации узла "поворотный диск/вал), показывающего расширенное сечение диска.
[0185] На Фигуре 126 показан вид в разрезе полного ротора и узлов щетки с магнитом привода и границами криостата согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения.
[0186] На Фигуре 127 показано одно возможное осуществление, где уплотненная инертная окружающая среда выполнена вокруг узлов ротора и криостата с заключительным выходным валом, уплотненным посредством уплотнителя из ферромагнитной текучей среды с низким износом.
Описание вариантов реализации настоящего изобретения
1
2
2
1
2
[0187] Со ссылкой на Фигуру 1А показана одна возможная конфигурация электромагнитной турбины, предназначенной для использования в качестве генератора 100, согласно одному варианту реализации настоящего изобретения. Основная схема генератора содержит проводящий диск 101, выполняющий поворот в магнитном поле, ориентированном в направлении оси поворота диска. Магнитное поле на этой основной схеме создано двумя разделенными зазором 103 сверхпроводящими соленоидами 102, 102, направляющими постоянный ток в одном и том же направлении. Ротор 101 размещен в центре этого зазора 103 для использования области нулевого поля, созданной для размещения жидкометаллической щетки 104. При повороте диска 101 внешним источником энергии электрическое напряжение выработано между внутренним 104 и внешним 104 жидкометаллическими токосъемными устройствами. При подсоединении устройства к подходящей электрической нагрузке электрический ток течет от диска к нагрузке. Таким образом, происходит преобразование входной механической энергии в электроэнергию.
1
2
2
1
[0188] На Фигуре 1В показан более подробный вид конструкции турбины. Как показано, сверхпроводящие соленоиды 102, 102 содержат набор сверхпроводящих катушек 105. Электрический ток течет от внешней жидкометаллической щетки 104 от внешнего радиуса элемента ротора к внутреннему радиусу и вдоль оси проводящего вала 106 на выход с узла 104 внутренней жидкометаллической щетки.
1
2
2
1
[0189] В этом случае зазор 103 между соленоидами 102, 102 обеспечивает возможность образования области погашения поля или области нулевого электромагнитного поля. Как очевидно специалистам в данной области техники, на работу и щетки из металлических волокон и жидкометаллической щетки отрицательно воздействуют высокие/сильные магнитные поля, причем в каждом случае воздействие таких больших полей может значительно уменьшать пропускную способность по току. Образование нулевого поля создает область, в которой могут быть размещены жидкометаллические щетки для эффективной работы без уменьшения пропускной способности по току. В настоящем примере узел внешней жидкометаллической щетки 104 размещен внутри зазора 103, в то время как узел внутренней жидкометаллической щетки 104 размещен вне поля, образованного соленоидами, то есть, размещен в области с низкой плотностью поля (в идеале ниже 0,2 Тл).
1
2
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
[0190] На Фигуре 2А и 2В показана одна возможная конфигурация электромагнитной турбины, предназначенной для использования в качестве генератора 200 согласно одному варианту реализации настоящего изобретения. Как показано, турбина имеет конструкцию, аналогичную турбине, показанной на Фигурах 1А и 1В, в том, что она, как и раньше, использует два сверхпроводящих соленоида 202, 202, разделенных зазором 203 с размещенным в нем ротором 201. В этом случае ротор 201 выполнен в виде слоистой структуры. Слоистый ротор 201 состоит из множества слоев слоистой конструкции, включающих элементы 201, 201, 201, 201, 201 и 201 диска, прикрепленные к соответствующим цилиндрическим элементам 206, 206, 206, 206, 206 и 206, причем эти цилиндрические элементы образуют проводящий выходной вал 206 турбины. Между каждым из отдельных слоев ротора 201 размещен непроводящий материал для создания прочной механической связи между слоями при сохранении электрической изоляции между проводящими слоями.
2
1
[0191] Выполненные в виде слоев секции структуры ротора 201 в этом примере соединены последовательно через жидкометаллические токосъемные устройства 204. Более подробный вид соединений между секциями ротора показан на Фигуре 2В. Как можно видеть, каждый слой слоистой конструкции имеет входной и выходной наборы жидкометаллических щеток 204. Щетки 204 соединены вместе с образованием схемы последовательного соединения через соединительные провода 205 обратного тока, которые обеспечивают возможность возврата тока от внешней щетки 204 к внутренней щетке 204 соседних слоев слоистой конструкции.
2
1
[0192] Как в случае турбины согласно Фигуре 1А и 1В, внешние щетки 204 размещены в области нулевого поля, созданной внутри зазора 203. Внутренние щетки 204 тоже размещены вне соленоидов в областях с низкой интенсивностью поля (в идеале ниже 0,2 Тл).
[0193] Цель слоистых конструкций состоит в обеспечении возможности напряжениям, выработанным в отдельных слоистых конструкциях ротора, быть последовательно сложенными вместе для создания заключительного выходного напряжения, лучше подходящего для его заключительной нагрузки (например, для силовой электроники, сетевых связей, электропитания электродвигателей и т.д.). Кроме того, посредством последовательного соединения слоев слоистой конструкции возможно, таким образом, увеличивать выходное напряжение генератора, а рабочий ток понижать в пределах того же самого диапазона мощности.
1
3
3
4
5
6
1
3
3
4
5
6
[0194] На Фигуре 3 показана альтернативная конструкция электромагнитной турбины, предназначенной для использования в качестве генератора 300, использующего слоистый ротор 301. Как и в случае Фигур 2А и 2В, слоистый ротор 301 состоит из множества слоев слоистой конструкции, включающих элементы 301, 301, 301, 301, 301 и 301 диска, прикрепленные к соответствующим цилиндрическим элементам 306, 306, 306, 306, 306 и 306, причем эти цилиндрические элементы образуют проводящий выходной вал 306 турбины. Между каждым из отдельных слоев ротора 301 размещен непроводящий материал для создания прочной механической связи между слоями при сохранении электрической изоляции между проводящими слоями.
1
2
2
1
1
2
[0195] Ротор 301, как и раньше, размещен внутри зазора 303 между сверхпроводящими соленоидами 302, 302 для обеспечения возможности размещения внешних щеток 304 в области нулевого поля, образованной внутри зазора 303. Однако в этом примере полная длина слоистого ротора 301 уменьшена вследствие добавления гасящих поле катушек 307. Гасящие поле катушки 307 создают дополнительные области нулевого поля для размещения внутренних токосъемных устройств 304. Эти гасящие поле катушки 307 могут быть выполнены в виде витков сверхпроводящего провода или, в качестве альтернативы, из сплошного сверхпроводящего материала. В случае использования сплошного сверхпроводящего материала могут быть использованы внешние соленоиды 302, 302 для создания поля сплошного сверхпроводящего материала посредством работы при номинальном значении тока (в обратном направлении) при охлаждении сплошного внутреннего материала до рабочей температуры. Подход состоит в эксплуатации идеального диамагнетизма сплошного сверхпроводящего материала. При отсутствии тока от внешнего источника (то есть, при разряженных внешних сверхпроводящих катушках) постоянное поле сохранено в сплошном сверхпроводниковом материале. Это постоянное поле представляет собой погашающее поле при заряженных в обычном направлении тока сверхпроводящих катушках.
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
5
1
2
3
4
1
2
3
4
[0196] На Фигуре 4А показана одна возможная конструкция электромагнитной турбины, предназначенной для использования в качестве генератора. В этом примере генератор содержит множество элементов 400, 400, 400 и 400 генератора, последовательно соединенных вместе. Как в вышеупомянутых примерах, каждый элемент генератора содержит ротор 401, 401, 401, 401, размещенный внутри зазоров 403, 403, 403, 403, образованных между первичными соленоидами 402, 402, 402, 402 и 402, используемыми для выработки первичного магнитного поля, в котором выполняют поворот роторы. Роторы 401, 401, 401, 401 соединены последовательно посредством использования статоров 405, 405, 405, 405. Происходит перенос тока между роторами и через статоры посредством набора скользящих металлических контактов.
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
[0197] Набор гасящих поле катушек 407, 407, 407, 407, 407 размещен внутри первичных соленоидов 402, 402, 402, 402 и 402. Эти внутренние катушки дают увеличение и плотности и однородности магнитного поля внутри рабочего радиуса и создают набор областей нулевого поля внутри внутреннего диаметра гасящих поле катушек, в которых жидкометаллические щетки могут быть размещены соответствующим образом.
[0198] При механическом повороте роторов на вале 406, электрически изолированном от роторов, происходит индукция потока электрического тока посредством пар статор-ротор. Подробный вид пути тока через генератор показан на Фигуре 4В. Преимущество последовательного соединения множества роторов состоит в увеличенном значении выработанного окончательного напряжения на выходе. В целом, более высокие значения напряжения делают эффективным отбор выработанной мощности, а связь с размещенной вниз по течению мощной электроникой более непосредственной.
1
2
2
2
1
1
1
1
[0199] Как отмечено выше, во многих конструкциях генератора используют жидкометаллические щетки в качестве приспособления для передачи электрического тока. На Фигурах 5А и 5В более подробно показана конструкция ротора и генератора, использующая жидкометаллические щетки. Как показано на Фигуре 5А, генератор 500 содержит ротор 501, установленный на вале 506. Ротор 501, как и раньше, размещен внутри области нулевого поля в зазоре 503 между соленоидами 502, 502. В этом случае ротор заключен в корпус 508 статора, внутри которого размещена внешняя жидкометаллическая щетка 504. В этом конкретном примере использована гасящая поле катушка 507, причем эта гасящая поле катушка размещена рядом с концом соленоида 502 и вокруг внутренней жидкометаллической щетки 504. Внутренняя жидкометаллическая щетка 504 размещена внутри корпуса 508 статора, который размещен внутри гасящей поле катушки 507 и вокруг конца вала 506.
1
2
2
[0200] Для обеспечения использования жидкометаллических щеток 504, 504 ротор 501 и часть вала, взаимодействующая с внешней щеткой, выполнены со скользящим кольцом 509 с канавкой, как показано на Фигуре 5В. Статорное кольцо 508 имеет соответствующую канавку 510, что образует маленький канал, занимаемый жидким металлом 511. Этот жидкий металл затем образует электрическое соединение между кольцом статора и ротором, через которое может проходить электрический ток.
2
[0201] Обычно жидкие металлы способны химически реагировать с влажностью и кислородом в воздухе и требуют уплотнения в среде инертного газа. Вышеупомянутые канавки 509, 510 и канал вместе с устройством уплотнения разработаны для содержания жидкого металла, испытывающего воздействие центробежной силы при повороте. Как можно видеть на Фигуре 5А, жидкий металл 511, заполняющий канавки 510 в статоре 508, подан из резервуара 512 под переменным давлением, используемым для ввода и возвращения жидкого металла. Жидкость в этом резервуаре 512 может также быть охлаждена посредством использования внешнего теплообменника и жидкости, рециркулирующей посредством насосной системы накачки через контактный канал 510. Таким образом система охлаждения может также удалять теплоту из устройства статора и ротора. Обычная токосъемная система может также содержать каналы охлаждения для воды или других охлаждающих текучих сред, циркулирующих вокруг кольца статора, обеспечивая возможность поддержания статора, жидкого металла и ротора при устойчивой рабочей температуре.
[0202] В вышеупомянутом примере выработанный ток выведен непосредственно на нагрузку или на расположенную вниз по потоку мощную электронику и т.п. Использование выработанных тока и напряжения представляет собой относительно простую процедуру в случае поворота генератора с высокой скоростью (то есть ведущий вал механически приведен в движение с высокой скоростью), поскольку при высокой скорости генератор вырабатывает высокое значение напряжения и низкое значение тока. Величина выработанных тока и напряжения зависит от многих факторов, таких как напряженность В первичного магнитного поля и т.д. Текущие конфигурации генераторов описанного выше типа способны при высокой частоте поворота вырабатывать напряжения порядка 1 кВ или больше и токи, примерно составляющие 500 А.
1
2
1
2
[0203] Однако в случаях возбуждения генератора на сравнительно низких скоростях выработанные значения напряжения относительно низки (порядка 20-60 В), а ток составляет величину порядка 0,5 МА. В таких случаях мощная электроника, необходимая для выработки полезной электроэнергии, сравнительно сложна, громоздка и дорога. На Фигуре 6А показана одна возможная конфигурация турбины 600, предназначенная для использования в качестве генератора согласно варианту реализации настоящего изобретения для использования в низкоскоростных приложениях с непосредственным возбуждением. Как показано, в этом случае турбина 600 содержит пару сверхпроводящих катушек 604, 604 возбуждения для выработки первичного магнитного поля. Между катушками возбуждения 604, 604 размещены каскад 601 низкоскоростного генератора, который может быть присоединен к низкоскоростному приводу (то есть обычная скорость привода составляет 5-20 оборотов в минуту), и каскад 603 высокоскоростного генератора (то есть обычная скорость привода составляет 300-600 оборотов в минуту).
[0204] Низкоскоростной каскад 601 обычно вырабатывает низкое напряжение и большой ток, но для их подачи в сеть необходимо наличие существенной силовой электроники. Для преобразования значений напряжения и тока до уровней, полезных для сети, низкое напряжение и высокий ток, выработанные каскадом низкоскоростного генератора, используют для возбуждения промежуточного каскада 602 в виде высокоскоростного электродвигателя, непосредственно возбуждающего каскад 603 высокоскоростного генератора. Каскад 603 высокоскоростного генератора вырабатывает электроэнергию постоянного тока с высоким значением напряжения и низким значением тока, что может быть легче использовано в сети. В этом случае высокоскоростной электродвигатель относится к типу, описанному в поданных ранее Заявителем международных заявках PCT/AU 2012/000345 и PCT/AU 2012/000346, содержание которых полностью включено в настоящую заявку посредством ссылок.
[0205] Как очевидно из вышеупомянутого обсуждения, низкоскоростной каскад 601 и высокоскоростной каскад 603 механически не соединены друг с другом и способны выполнять поворот независимо друг от друга. Каскад высокоскоростного электродвигателя и каскад высокоскоростного генератора механически соединены, но электрически изолированы друг от друга. Выходные терминалы низкоскоростного генератора присоединены к входным терминалам промежуточного каскада с высокоскоростным электродвигателем. В зависимости от конфигурации электропроводки низкоскоростной каскад и высокоскоростной каскад могут выполнять поворот в одном и том же направлении или в противоположных направлениях.
[0206] Как отмечено выше, электродвижущая сила, образуемая между центром и внешним диаметром поворотного диска радиуса R при частоте поворота ω в однородном магнитном поле В, равна
[0207] Для низкоскоростного генератора параметры таковы:
Isg
R = радиус низкоскоростного генератора
Isg
B = магнитное поле низкоскоростного генератора (в предположении его однородности в этом случае)
Isg
ω = угловая скорость низкоскоростного генератора
Isg
Isg
Isg
Isg
2
ε = электродвижущая сила, выработанная низкоскоростным генератором = 0,5*R*B*ω
Isg
P = мощность на входе в низкоскоростной генератор
Isg
I = ток, снятый с низкоскоростного генератора в пренебрежении потерями.
[0208] Как отмечено выше, электрическая мощность с выхода низкоскоростного генератора подана на высокоскоростной электродвигатель, имеющий следующие параметры:
hsm
R = радиус высокоскоростного электродвигателя
hsm
B = магнитное поле высокоскоростного электродвигателя (в предположении его однородности в этом случае)
hsm
Isg
P = мощность на входе высокоскоростного электродвигателя = P (в пренебрежении потерями)
hsm
Isg
I = ток на входе высокоскоростного электродвигателя = I (в пренебрежении потерями)
hsm
Isg
ε = электродвижущая сила на входе высокоскоростного электродвигателя = ω
hsm
Isg
hsm
hsm
ω = угловая скорость высокоскоростного электродвигателя = 2*ε/(R*B)
[0209] Как можно видеть из вышеизложенного, угловая скорость высокоскоростного электродвигателя представляет собой функцию радиуса и магнитного поля промежуточного каскада с высокоскоростным электродвигателем. При учете этого соотношения возможно увеличить частоту поворота промежуточного каскада с высокоскоростным электродвигателем относительно каскада низкоскоростного генератора посредством уменьшения радиуса и/или приложенного магнитного поля промежуточного каскада с высокоскоростным электродвигателем относительно каскада низкоскоростного генератора.
hsm
Isg
Isg
hsm
[0210] В качестве примера, при R=R/10 и B=B
hsm
Isg
Isg
Isg
Isg
hsm
hsm
hsm
2
2
ε=ε=0,5*R*B*ω=0,5*R*B*ω
Isg
Isg
hsm
hsm
hsm
Isg
2
2
[0211] Сокращение R*ω=R*ω и замена R=R/10 дают
Isg
Isg
Isg
hsm
2
2
R*ω=(R/10)*ω
hsm
Isg
ω=100*ω
[0212] В этом примере входная скорость низкоскоростного генератора умножена на 100 в высокоскоростном электродвигателе вследствие разницы в 10 раз для величины радиуса. Магнитное поле может также быть использовано для управления подобным образом скоростью промежуточного каскада с высокоскоростным электродвигателем.
hsm
hsg
[0213] Поскольку промежуточный каскад с высокоскоростным электродвигателем механически соединен с каскадом высокоскоростного генератора (и электрически изолирован от него), ω=ω. Таким образом, электродвижущая сила, выработанная высокоскоростного генератора, равна:
hsg
hsg
hsg
hsg
2
ε = электродвижущая сила, выработанная высокоскоростным генератором = 0,5*R*B*ω
[0214] Где
hsg
R = радиус высокоскоростного генератора
hsg
B = магнитное поле высокоскоростного генератора (в предположении его однородности в этом случае)
hsg
ω = угловая скорость высокоскоростного генератора
hsg
P = мощность на входе в высокоскоростной генератор
hsg
I = ток, снятый с высокоскоростного генератора в пренебрежении потерями
hsg
Isg
hsg
Isg
[0215] Если B=B и R=R, то
hsg
hsg
hsg
hsg
hsg
hsg
Isg
2
2
ε=0.5*R*B*ω=0.5*R*B*100*ω
hsg
hsg
hsg
Isg
2
ε=100*[0.5*R()*В()*ω()]
hsg
Isg
ε()=100*ε()
[0216] Выходное напряжение высокоскоростного генератора в 100 раз больше, чем для низкоскоростного генератора, а выходной ток высокоскоростного генератора в 100 раз меньше, чем для низкоскоростного генератора в пренебрежении потерями.
[0217] При использовании этой трехкаскадной системы, состоящей из низкоскоростного генератора 601, высокоскоростного электродвигателя 602 и высокоскоростного генератора 603, и при заданном соответствующем значении радиуса и отношений магнитного поля, как описано выше, существует возможность преобразования электроэнергии с низким значением напряжения и с высоким значением тока, выработанной при низкой поворотной скорости на входе, в более пригодную к употреблению электроэнергию с высоким значением напряжения и низким значением тока. Также важно отметить, что устройство способно в одинаковой степени работать как каскады электродвигатель/генератор/электродвигатель, что обеспечивает возможность ступенчатым образом повышать или понижать окончательную скорость привода для удовлетворения требований к окончательному приводу. При таком подходе каскады электромагнитного устройства преобразования типа "постоянный ток - постоянный ток" более точно можно назвать униполярным устройством преобразования.
[0218] В вышеупомянутом примере для простоты использованы однородные магнитные поля. Для неоднородных полей должна быть использована интегральная форма
[0219] Если интеграл ∫B(r)rdr рассчитан, то значение в единицах [В /рад/с] может быть вычислено для любого распределения поля. При использовании этого способа отношение интегралов может быть использовано для вычисления отношения скоростей между низкоскоростным генератором и каскадом с высокоскоростным электродвигателем/каскадом с высокоскоростным генератором. Кроме того, окончательное отношение напряжений между каскадом с низкоскоростным генератором и каскадом с высокоскоростным генератором может быть вычислено так, как указано ниже. Следует иметь ввиду, что интеграл ∫B(r)rdr в единицах [В/рад/с] также эквивалентен крутящему моменту, выработанному в расчете на ампер (Нм/А)
Isg
Isg
hsm
hsm
[0220] ∫B(r)r.dr()*ω=∫B(r)r.dr()*ω
hsm
Isg
Isg
hsm
[0221] ω=ω*∫B(r)r.dr()/∫B(r)r.dr()
hsg
hsm
hsg
[0222] ε=ω*∫B(r)r.dr()
hsg
Isg
Isg
hsm
hsg
[0223] ε=[ω*∫B(r)r.dr()/∫B(r)r.dr()]*∫B(r)r.dr()
1
2
1
2
[0224] На Фигуре 6B более подробно показан в поперечном сечении вид ротора согласно Фигуре 6А. Как показано в турбине 600, каскад 601 низкоскоростного генератора и каскад 603 высокоскоростного генератора размещены между парой первичных катушек 604, 604 возбуждения, размещенных в криостатах 605. Как в вышеупомянутых примерах, первичные катушки 604, 604 возбуждения размещены с промежутками между ними для образования области с нулевым магнитным полем, предназначенной для размещения жидкометаллических материалов узлов 606 передачи тока. Как показано, первичные катушки возбуждения содержат 2 концентрических катушки 620 из сверхпроводящего материала.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
[0225] В дополнение к первичным катушкам возбуждения выполнена пара внутренних гасящих поле катушек 607, 607. Внутренние гасящие поле катушки 607, 607 размещены концентрически внутри первичных катушек 604, 604 возбуждения. Как показано, внутренние гасящие поле катушки 607, 607 содержат набор из трех концентрических катушек, размещенных в криостатах 605. Самая внутренняя и самая внешняя катушки 621 имеют направление тока, противоположное направлению тока внешних катушек 604, 604 возбуждения. Катушки 622, размещенные между этими гасящие поле катушками, имеют положительное направление тока, совпадающее с направлением тока во внешних катушках возбуждения. Внутренние гасящие поле катушки 607, 607 в этом случае образуют дополнительные области нулевого поля для размещения жидкометаллических щеток с целью подачи тока возбуждения к каскаду 602 высокоскоростного электродвигателя. Кроме того, гасящие поле катушки 607, 607 также обеспечивают подачу поля возбуждения на каскад 602 электродвигателя.
3
1
2
1
2
1
2
[0226] Распределение поля, образованного внутри турбины 600, показано на Фигуре 7А, причем в этом случае катушки возбуждения и гасящие поле катушки выполнены из сверхпроводящего провода из NbSn. Как можно видеть на Фигуре 7А, катушки 604, 604 возбуждения образуют область 701 с нулевым магнитным полем между парами катушек, причем эта область центрирована вокруг пространства 608, созданного между концентрическими катушками, образующими пары катушек. На Фигуре 7В показан более подробный вида области нулевого поля, созданной между катушками 604, 604 первичного возбуждения. Зазор между двумя катушками 604, 604 создает область нулевого поля. Эту область можно усилить и увеличить посредством ввода маленького зазора 608 в обмоточном радиусе катушки. Обведенный участок 704 в верхней части изображения представляет собой участок с напряженностью поля ниже 0,2 Тл.
1
2
[0227] Гасящие поле катушки образуют центральную область 703 с нулевым магнитным полем. Дополнительная область 702 нулевого поля также образована между гасящими поле катушками 607, 607. Эта область центрована вокруг пространства 609, образованного между самой внешней катушкой и второй катушкой в наборе концентрических катушек, образующих гасящие поле катушки. Более подробный вид областей нулевого поля, выработанных внутренними гасящими поле катушками, показан на Фигуре 7С. Окруженные линиями области 705 представляют собой области с напряженностью поля ниже 0,2 Тл. Такое расположение трех дополнительных наборов внутренних катушек не только вырабатывает область с нулевым магнитным полем для соединительных проводов щетки, но также обеспечивает область 706 высокого осевого поля, которое использовано для возбуждения каскада электродвигателя в комбинации электродвигатель - генератор электромагнитного устройства преобразования типа "постоянный ток - постоянный ток".
2
1,2
2
1
3,2
1
1,2
3,2
1
2
[0228] Подробные изображения размещения щеток показаны на Фигурах 8А и 8В. На Фигуре 8А показано размещение внешних щеток для каскадов 601, 603 низкоскоростного и высокоскоростного генераторов. Как показано, ротор 610 для каскада 601 низкоскоростного генератора размещен рядом с катушкой 604 возбуждения таким образом, что внешняя щетка 606 размещена рядом с зазором 608 внутри катушки 604 возбуждения. Ротор 611 для каскада 603 высокоскоростного генератора размещен рядом с катушкой 604 возбуждения таким образом, что внешняя щетка 606 размещена рядом с зазором 608 внутри катушки 604 возбуждения. В обоих случаях щетки 606 606 размещены в области 701 с нулевым магнитным полем, образованной между катушками 604, 604.
1,1
3,1
1,1
3,1
1,1
2
3,1
1
2,1
1,1
3,1
[0229] На Фигуре 8В показано размещение внутренних щеток 606, 606 для каскадов 601, 603 низкоскоростного и высокоскоростного генераторов. Также подробно показано соединение между каскадом 602 высокоскоростного электродвигателя и каскадом 603 высокоскоростного генератора. Как показано, внутренние щетки 606, 606, контактирующие с сердцевинами своих соответствующих роторов 610, 611, размещены внутри отверстий криостатов 605. Внутренняя щетка 606 для каскада 601 низкоскоростного генератора размещена рядом с самой внутренней концентрической катушкой, образующей гасящую поле катушку 607. Внутренняя щетка 606 для каскада высокоскоростного генератора размещена внутри отверстия криостата 605 для гасящей поле катушки 607 и рядом с внутренней щеткой 606 каскада 602 высокоскоростного электродвигателя, размещенной в области 703 нулевого поля. В этом случае внутренние щетки 606, 606 для каскада 601 низкоскоростного и каскада 603 высокоскоростного генераторов размещены в области 703 нулевого поля, образованной гасящими поле катушками.
2,2
1
2,2
[0230] В этом случае внешняя щетка 606 каскада 602 высокоскоростного электродвигателя размещена рядом с самой внешней катушкой гасящей поле катушки 607 таким образом, что она размещена внутри области 702 нулевого поля. Размещение внешней щетки 606 таким образом также означает, что ротор 612 электродвигателя размещен внутри осевого поля высокой интенсивности. Как отмечено выше, каскад 602 высокоскоростного электродвигателя механически соединен с каскадом 603 высокоскоростного генератора. Как можно видеть на Фигуре 8В, каскад 602 электродвигателя соединен с каскадом 603 высокоскоростного генератора посредством подходящего изоляционного материала 613, который поддерживает электрическую изоляцию между каскадом 602 электродвигателя и каскадом 603 высокоскоростного генератора.
1
2
[0231] На Фигуре 9 показано прохождение электрического тока через турбину 600, причем в этом случае турбина содержит цепь с высоким значением тока, образованную каскадом 601 низкоскоростного генератора и каскадом 602 высокоскоростного электродвигателя. Цепь низкого тока в этом случае образована каскадом 603 высокоскоростного генератора. Как можно видеть, ротор 610 низкоскоростного генератора выполняет поворот посредством приспособления внешнего возбуждения, а ток выработан посредством перемещения проводящего ротора внутри первичного магнитного поля. Высокий ток, выработанный каскадом 601 низкоскоростного генератора, проходит, как показано посредством пути 901 тока, к каскаду 602 высокоскоростного электродвигателя. При прохождении тока через ротор 612 каскада 602 высокоскоростного электродвигателя крутящий момент возникает вследствие высокого значения осевого поля, образованного гасящими поле катушками 607, 607. Крутящий момент передан ротору 611 каскада 603 высокоскоростного генератора. Поворот ротора 611 каскада 603 высокоскоростного генератора в первичной индуцирует ток, который выведен на нагрузку / в сеть, как показано посредством пути 902 тока.
3
3
3
[0232] В вышеупомянутых примерах сверхпроводящие катушки выполнены из сверхпроводящего провода из NbSn. В качестве альтернативы сверхпроводящие катушки могут быть выполнены из сверхпроводящего провода из NbTi, у которого в настоящее время есть некоторое ценовое преимущество по сравнению с NbSn, а также некоторые преимущества относительно легкости построения сверхпроводящих катушек. Цена за этот более дешевый, более легкий вариант состоит в увеличении диаметра внешних катушек плоской формы, соответствующем увеличении диаметра высокоскоростного и низкоскоростного роторов и возникающем в результате увеличении веса провода и ротора завершенного генератора. Распределение поля, полученное для устройства генератора согласно Фигурам 6А и 6В, показано на Фигуре 10. Как можно видеть, возникающие в результате области выработанного нулевого поля имеют конфигурацию, аналогичную конфигурации в случае провода из NbSn с небольшим изменением геометрии областей.
1
2
1
2
[0233] Еще один вариант реализации турбины с преобразованием типа "постоянный ток - постоянный ток" показан на Фигуре 11. Как и раньше, турбина разработана для преобразования электроэнергии с низким значением напряжением и высоким значением током, выработанной низкоскоростным каскадом генератора в выходную электроэнергию с высоким значением напряжения и низким значением тока. Турбина содержит первый каскад 800, имеющий ту же конструкцию, что каскад турбины согласно Фигурам 6А и 6В, и содержит первичный каскад 601 низкоскоростного генератора и каскад 603 высокоскоростного генератора, размещенный между парой первичных катушек 604, 604, размещенных в криостатах 605. Первичные катушки 604, 604 возбуждения выполнены с промежутком между ними для выработки области с нулевым магнитным полем, предназначенной для размещения жидкометаллических узлов 606 передачи тока. Как и раньше, первичные катушки возбуждения содержат 2 концентрических катушки из сверхпроводящего материала.
1
2
1
2
1
2
1
2
[0234] В дополнение к первичным катушкам возбуждения выполнена пара внутренних гасящих поле катушек 607, 607, причем внутренние гасящие поле катушки 607, 607 размещены концентрически внутри первичных катушек возбуждения 604, 604. Как показано, внутренние гасящие поле катушки 607, 607 состоят из последовательности трех концентрических катушек, размещенных в криостатах 605.
1
2
1
2
1
2
[0235] Вторичный низкоскоростной каскад 801 содержит второй каскад низкоскоростного генератора, который в этом случае содержит ротор 802, размещенный между парой сверхпроводящих элементов 803, 803. Вторичный низкоскоростной генератор связан с первичным низкоскоростным генератором 601 через проводящий вал 804. Вторичные катушки 803, 803 возбуждения расположены с магнитной полярностью, противоположной магнитной полярности первичных катушек 604, 604 возбуждения. Обратная полярность поля обеспечивает возможность совместимого направления поворота в первом узле с низкоскоростным двойным ротором. Таким образом, электрический ток течет от внешнего радиуса к внутреннему радиусу в первом роторе 610, вдоль вала 804 и затем от внутреннего радиуса к внешнему радиусу второго ротора 802.
[0236] Как и в случае одного ротора секции низкоскоростного генератора использованы для энергопитания высокоскоростного электродвигателя. В этом случае вторичный низкоскоростной генератор соединен с одной из щеток электродвигателя 602, а низкоскоростной генератор первичного каскада 601 соединен с другой щеткой электродвигателя из щеток электродвигателя 602.
[0237] Основное преимущество конструкции с двойным ротором состоит в уменьшении полного диаметра внешних катушек возбуждения (и, следовательно, полного диаметра генератора). Фактически напряжение, выработанное в первом низкоскоростном роторе, выработано двумя физическими роторами без необходимости соединения в виде скользящего контакта. Поскольку напряжение, выработанное в каскадах генератора, сильно коррелирует с радиусом внешних катушек, необходимое напряжение в расчете на пластину может быть уменьшено вдвое, а внешний диаметр катушки может быть уменьшен для выработки этого пониженного целевого напряжения в расчете на пластину.
[0238] На Фигуре 12 показаны цепи с высоким значением тока и низким значением тока для преобразования типа "постоянный ток - постоянный ток" внутри турбины. Как показано, высокий ток, выработанный в низкоскоростных секциях 801, 601, проходит к высокоскоростному электродвигателю 602, как показано в виде пути 805 тока. Получаемый в результате крутящий момент, выработанный электродвигателем 602, переходит к каскаду 603 высокоскоростного генератора. Поворот ротора секции 603 высокоскоростного генератора индуцирует ток, снимаемый в направлении к сети, как показано в виде пути 806 тока.
1,2
3,2
1
2
1,2
3,2
1
2
2,1
3,1
3
1
2,1
2,1
3,1
2,2
1
[0239] Как можно видеть на Фигуре 12, внешние щетки 606, 606 размещены между катушками 604, 604 первичного возбуждения и рядом с зазорами 608, то есть, щетки 606, 606, размещены в области с нулевым магнитным полем, образованным между катушками 604, 604. Внутренние щетки 606, 606 для каскадов 602, 603 высокоскоростных генератора и электродвигателя размещены внутри отверстий криостатов 605. Внутренняя щетка 606д для высокоскоростного генератора размещена внутри отверстия криостата 605 в гасящей поле катушке 607 и рядом с внутренней щеткой 606 высокоскоростного электродвигателя 602. Внутренние щетки 606, 606 высокоскоростного генератора 603 и электродвигателя 602 размещены в центральной области нулевого поля, образованной гасящими поле катушками. В этом случае внешняя щетка 606 высокоскоростного электродвигателя 602 размещена рядом с самой внешней катушкой из гасящих поле катушек 607 таким образом, что она размещена внутри внешней области нулевого поля, образованной гасящими поле катушками.
1,2
1
2
1
2
[0240] Внешние щетки 806 секции вторичного низкоскоростного генератора размещены внутри зазора между вторичными катушками 803, 803 возбуждения, причем, как и в случае первичных катушек возбуждения, вторичные катушки 803, 803 возбуждения содержат пару концентрических катушек с размещенным между ними зазором 807. Как и раньше, этот зазор увеличивает область с нулевым магнитным полем.
3
[0241] Распределение магнитного поля, выработанного комбинацией катушек возбуждения и гасящих поле катушек, показано на Фигуре 13А. В этом случае распределение поля было смоделирован при использовании провода из NbSn. Установка с двумя роторами обеспечивает возможность уменьшения полного внешнего диаметра генератора при поддержании значения выходного напряжения достаточно высоким для эффективного извлечения электроэнергии из первичного каскада низкоскоростного генератора.
[0242] В распределении поля ясно показан первый каскад ротора слева, содержащий набор внешних возбуждающих катушек. Показанный справа составной каскад содержит внешние катушки возбуждения для второй половины каскада из (низкоскоростного генератора/высокоскоростного устройства окончательной генерации) и внутренние гасящие поле катушки. Эти гасящие поле катушки образуют области нулевого поля, подходящие для размещения жидкометаллических контактов, и образуют поле возбуждения для промежуточного каскада высокоскоростного электродвигателя.
1
2
[0243] На Фигуре 13В показан подробный вид поля, выработанного в первичных катушках 604, 604 возбуждения. Область 902, окруженная произвольной линией, означает область с напряженностью поля ниже 0,2 Тл (то есть область, где жидкометаллические щетки могут быть размещены без ухудшения их характеристик).
1
2
[0244] Как показано в предыдущих примерах с одним ротором, область с нулевым полем сначала образована посредством использования промежутка между катушками 803, 803 возбуждения. Как отмечено выше, каждая из катушек возбуждения образована из набора концентрических катушек с зазором, образованным между ними. В этом случае использование воздушного зазора дополнительно увеличивает размер области нулевого поля.
[0245] На Фигуре 13С показано поле, выработанное в первичном каскаде 800 электродвигателя из узла турбины. Как в вышеупомянутых примерах, набор дополнительных катушек создает области 903 нулевого поля, в которых размещены жидкометаллические щетки, переносящие ток между каскадами (генератор/электродвигатель/генератор). Вторая задача этих катушек состоит в выработке области подходящего осевого поля ниже области нулевого поля, которая возбуждает каскад высокоскоростного промежуточного электродвигателя данного устройства.
[0246] На Фигуре 14 показано распределение поля для магнитного поля, выработанного комбинацией катушек возбуждения и гасящих поле катушек, смоделированное для сверхпроводящего провода из NbTi. Использование другого провода, как и раньше, приводит к увеличенному диаметру и, в конечном счете, к более тяжелому устройству.
[0247] Альтернативное расположение турбины, использующей преобразование типа "постоянный ток - постоянный ток", показано на Фигурах 15А и 15В. В этом примере содержащие множество слоев внешние катушки были заменены катушками типа соленоида, как описано относительно Фигур от 1А до 5. Увеличенный зазор между концентрическими внешними катушками облегчает ввод сбоку роторов, образующих секции низкоскоростного и высокоскоростного генераторов. Эта опция дает возможность структуре поддержки внешних катушек содержать структурные кольцеобразные элементы, которые способны, в свою очередь, уменьшать общую массу генератора.
1
2
1,2
3,2
1
2
1
2
1
2
[0248] Как в вышеупомянутых примерах турбина содержит набор катушек возбуждения 1000, 1000, размещенных внутри криостатов 1005. В этом случае катушки расположены концентрически таким образом, что часть роторов для низкоскоростного генератора 1001 и высокоскоростного генератора 1003 вытянута в область между катушками. Как в вышеупомянутых примерах, введение зазора между катушками возбуждения обеспечивает возможность образования области нулевого поля, в которой размещены внешние жидкометаллические щетки 1006 1006 для каскадов генератора. Для дополнительного увеличения областей нулевого поля гасящие поле катушки 1008, 1008 могут быть размещены внутри криостатов рядом с соответствующими катушками 1000, 1000 возбуждения. Размещение гасящих поле катушек 1008, 1008 можно видеть более подробно на Фигуре 15В.
1
2
1
2
1
2
1,1
3,1
1
2
2,1
2,2
[0249] Как в вышеупомянутых примерах, конструкция с боковым вводом также использует набор гасящих поле катушек 1007, 1007. Как можно видеть, в этом случае гасящие поле катушки 1007, 1007, как и раньше, состоят из набора из трех сверхпроводящих катушек, размещенных концентрически. Гасящие поле катушки 1007, 1007 создают области нулевого поля для размещения внутренних щеток 1006, 1006 для секций низкоскоростного и высокоскоростного генераторов. Гасящие поле катушки 1007, 1007 также создают области нулевого поля для размещения щеток 1006, 1006 возбуждения для электродвигателя 1002, а также область высокого осевого поля, действующего как первичное поле возбуждения для электродвигателя 1002.
1,2
1
1
1,1
2
2,2
1
2,1
1
[0250] На Фигуре 15В показано прохождение электрического тока между различными каскадами турбины с высоким значением тока и низким значением тока. Как показано, секция 1001 низкоскоростного генератора окружает секцию 1003 высокоскоростного 1003 генератора с внешней щеткой 1006, установленной рядом с катушкой 1000 возбуждения и гасящей поле катушкой 1008. Внутренняя щетка 1006 установлена рядом с самой внутренней катушкой в виде гасящей поле катушки 1007. Высокий ток, выработанный посредством поворота генератора 1001 с низкой скоростью, проходит к высокоскоростному двигателю 1002, как показано посредством пути 1009 тока. Ротор обеспечивает соединение по току между внешней щеткой 1006 электродвигателя, размещенной рядом с самой внешней катушкой в виде гасящей поле катушки 1007, и внутренней щеткой 1006, размещенной рядом с самой внутренней катушкой в виде гасящей поле катушки 1007 При прохождении тока через электродвигатель возникает крутящий момент вследствие взаимодействия тока и высокого осевого поля, выработанного гасящими поле катушками.
3,2
2
2
3,1
1
[0251] Выработанный электродвигателем крутящий момент непосредственно передан ротору высокоскоростного генератора 1003. Получаемый в результате поворот ротора секции высокоскоростного генератора вырабатывает на выходе низкое значение тока, который снимают, как показано в виде пути 1010 тока, посредством внешней щетки 1006, размещенной рядом с катушкой 1000 возбуждения и гасящей поле катушки 1008, и внутренней щетки 206, размещенной внутри криостата гасящей поле катушки 1007.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
[0252] На Фигуре 16А показано распределение поля для размещения турбины согласно Фигурам 15А и 15В. Как можно видеть, гасящие поле катушки 1007, 1007 размещены рядом с катушками 1000, 1000 возбуждения с областью 1101 нулевого поля, образованной в центральной области между самыми внутренними катушками из гасящих поле катушек 1007, 1007, и областью 1102 нулевого поля, образованной между самыми внешними катушками и средними катушками из гасящих поле катушек 1007, 1007. Область 1103 нулевого поля также возникает в области между катушками 1000, 1000 возбуждения. Область нулевого поля во внешних катушках может быть увеличена и расширена посредством набора дополнительных гасящих поле катушек 1008, 1008 меньшего размера, размещенных в горизонтальном зазоре внешних катушек.
1
2
1
2
1
2
[0253] На Фигуре 16В более подробно показана область 1003 нулевого поля, образованная между катушками 1000, 1000 возбуждения. Набор гасящих поле катушек 1008, 1008 меньшего размера, размещенных внутри зазора между внутренними и внешними катушками 1000, 1000 возбуждения, имеет обратное направление прохождения электрического тока, для увеличения области нулевого поля. Обведенная линией область 1104 представляет собой область с напряженностью поля ниже 0,2 Тл.
1
2
1
2
[0254] На Фигуре 16С показаны области нулевого поля, образованные гасящими поле катушками 1007, 1007. Как можно видеть, это расположение гасящих поле катушек 1007, 1007, образует большую центральную область 1101 нулевого поля и набор меньших областей 1102 нулевого поля в области между внешними катушками и средними катушками. Высокое осевое поле выработано в области 1105 между самой внутренней катушкой и средней катушкой.
1
2
1
2
[0255] В зависимости от необходимых уровней выходного напряжения и мощности каскады генератора (низкоскоростной и высокоскоростной) могут быть выполнены, посредством использования узла ротора с последовательно соединенными слоями. Направление тока поддержано в слоистой конструкции посредством соответствующих стационарных возвратных шин, соединяющих слои ротора. На Фигуре 17 показана турбина, выполненная с возможностью бокового ввода и использующая каскад слоистого низкоскоростного генератора. Конфигурация катушек 1000, 1000 возбуждения и гасящих поле катушек 1007, 1007 та же самая, как описано выше относительно Фигур 15А и 15В.
2
1
1
1,2
1,3
2
1,4
1
1
2,2
2,1
1,1
[0256] В этом примере вторичный низкоскоростной генератор 1201 установлен поверх первичного низкоскоростного генератора 1201. Эти два генератора механически соединены через слой 1200 изоляции. Как можно видеть, в этом случае роторы низкоскоростного каскада соединены последовательно вместе с каскадом 1202 электродвигателя (как можно видеть посредством пути 1209 тока). При повороте секции низкоскоростного генератора ток, выработанный в первичном роторе 1201, передан от внешней щетки 1206, размещенной рядом с концом вторичного ротора, к внутренней щетке 1206 вторичного генератора 1201. Ток от вторичного каскада низкоскоростного генератора подают от внешней щетки 1206, размещенной рядом с катушкой 1000 возбуждения и гасящей поле катушкой 1008 к внешней щетке 1206 электродвигателя 1202 через ротор к внутренней щетке 1206, которая соединена с внутренней щеткой 1206, завершая силовую цепь для электродвигателя 1202.
3,2
2
2
3,1
1
[0257] Как в вышеупомянутых примерах электродвигатель механически присоединен к каскаду 1203 высокоскоростного генератора через подходящий слой 1200 изоляции. При прохождении тока от низкоскоростного каскада через электродвигатель получаемый в результате крутящий момент передан к ротору высокоскоростного генератора, который индуцирует ток. Снятие низкого значения тока на выходе происходит, как показано в виде пути 1210 тока, через внешнюю щетку 1206, размещенную рядом с катушкой 1000 возбуждения и гасящей поле катушкой 1208, и внутреннюю щетку 1206, размещенную внутри криостата гасящей поле катушки 1007.
1
2
1
2
[0258] На Фигуре 18 показан случай турбины, выполненной с возможностью бокового ввода и использующей каскады слоистых низкоскоростного и высокоскоростного генераторов. Конфигурация катушек возбуждения 1000, 1000 и гасящих поле катушек 1007, 1007 совпадает с конфигурацией, описанной выше относительно Фигур 15А и 15В.
2
1
1
1,2
1,3
2
1,4
1
1
2,2
2,1
1,1
[0259] Как и в случае конфигурации согласно Фигуре 17, низкоскоростной каскад содержит два низкоскоростных генератора, механически соединенных посредством подходящего слоя изоляции. Как и раньше, вторичный низкоскоростной генератор 1201 размещен поверх первичного низкоскоростного генератора 1201. Ток проходит между различными каскадами низкоскоростного генератора к электродвигателю 1202, как показано в виде пути 1209 тока. В частности, при повороте низкоскоростной секции генератора ток, выработанный в первичном роторе 1201, передан от внешней щетки 1206, размещенной рядом с концом вторичного ротора, к внутренней щетке 1206 вторичного генератора 1201. Ток от вторичного каскада низкоскоростного генератора подан с внешней щетки 1206, размещенной рядом с катушкой 1000 возбуждения и гасящей поле катушки 1008, к внешней щетке 1206 электродвигателя 1202 и через ротор к внутренней щетке 1206, соединенной с внутренней щеткой 1206, что завершает силовую схему для электродвигателя 1202.
1
2
1
2
2
1
2
[0260] Как и в вышеупомянутых примерах электродвигатель, как и раньше, механически соединен с каскадом высокоскоростного генератора. Однако в этом случае каскад высокоскоростного генератора содержит первичный высокоскоростной каскад 1203 вместе со вторичным высокоскоростным каскадом 1203, размещенным между электродвигателем 1202 и первичным каскадом 1203. Электродвигатель 1202 механически соединен со вторичным каскадом 1203 посредством подходящего слоя 1200 изоляции, и аналогичным образом вторичный каскад 1203 соединен с первичным каскадом посредством подходящего слоя 1200 изоляции. При прохождении тока от низкоскоростного каскада через электродвигатель получаемый в результате крутящий момент передан к высокоскоростным каскадам 1203, 1203.
1
2
3,2
3,3
3,4
2
3,1
1
[0261] Последующий поворот высокоскоростных каскадов 1203, 1203 образует низкий ток на выходе. Как можно здесь видеть, внешняя щетка 1206 соединена с внутренней щеткой 1206 вторичного ротора, причем снятие тока происходит, как показано в виде пути 1210 тока, через внешнюю щетку 1206 вторичного высокоскоростного генератора 1203 и внутреннюю щетку 1206 первичного высокоскоростного генератора 1203.
1
2
1
2
[0262] На Фигуре 19 показана еще одна конфигурацию турбины с боковым вводом. В этом случае низкоскоростной каскад и высокоскоростные каскады образованы согласно описанию Фигуры 18. В этом случае турбина использует конфигурацию катушек возбуждения, отличную от ранее описанных конфигураций. В случае конструкций, показанных на Фигурах 15А, 15В, 17 и 18, использовано концентрическое расположение катушек 1000, 1000 возбуждения и гасящих поле катушек 1008, 1008. В качестве примера на Фигуре 19 использовано коаксиальное расположение.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
[0263] Как можно видеть из Фигуры 19, каждый узел 1301, 1301 катушек возбуждения содержит набор из 3 катушек, пары катушек 1302, 1302 возбуждения и гасящих поле катушек 1303 и 1303. Как в вышеупомянутых примерах, узлы катушек 1301, 1301 возбуждения размещены концентрически друг относительно друга с зазором, выполненным между ними для принятия части первичного и вторичного низкоскоростных генераторов 1201, 1201 и высокоскоростных первичного и вторичного генераторов 1203, 1203 и их соответствующих щеток. Катушки 1302, 1302 возбуждения и гасящие поле катушки 1303 расположены коаксиально внутри узлов 1301, 1301 катушек.
1
2
1
2
1
2
[0264] На Фигуре 20 показано распределение результирующего магнитного поля, выработанного при размещением катушек согласно Фигуре 19. Как и раньше, области 1304 нулевого поля образованы внутри зазора между узлами 1301, 1301 катушек возбуждения. На области 1101, 1102 нулевого поля, образованные гасящими поле катушками 1207, 1207, не воздействует изменение конфигурации катушек внутри узлов 1301, 1301 катушек возбуждения, как можно видеть из распределения поля, показанного на Фигуре 21.
1
2
[0265] На Фигуре 22 показан подробный вид области 1304 нулевого поля, образованной между узлами 1301, 1301 катушек. Как в вышеупомянутых случаях, введение гасящих поле катушек в расположения катушек возбуждения приводит к увеличению размера области нулевого поля, в которую могут быть помещены щетки, которая окружена произвольной линией 1305.
[0266] Важно отметить, что все турбины, содержащие каскады электромагнитного устройства преобразования типа "постоянный ток - постоянный ток", могут работать в обратном направлении в качестве генератора (для ступенчатого понижения напряжения от высокоскоростного генератора) или работать в качестве электродвигателя в любом направлении (преобразование от (низкого значения напряжения, низкой скорости) к (высокому значению напряжения, высокой скорости окончательного привода), или преобразование от (высокого значения напряжения, высокой скорости) к (низкому значению напряжению, низкой скорости окончательного привода)). Дополнительно отметим, что в случае использования ветряной турбины окончательный каскад высокоскоростного генератора постоянного тока может быть удален, а каскад высокоскоростного электродвигателя связан с внешним генератором переменного тока. Как и раньше, этот вариант реализации может быть более точно описан как униполярное устройство преобразования.
[0267] Вышеупомянутые примеры были следствием необходимости иметь дело с низкой частотой поворота, или в качестве входной мощности для генератора, как в случае ветряных турбин с непосредственным приводом, или в качестве оконечного выходного ведущего вала для электродвигателя. Низкая скорость и соответствующий высокий крутящий момент, которые имеют место в этих сценариях, требуют большого количества инфраструктуры и приспособлений поддержки. С этими ограничениями сталкиваются все конструкции электродвигателей и генераторов, которые должны работать с этим типом нагрузки.
[0268] При возможности существенного увеличения рабочей скорости размеры генератора и электродвигателя обычно могут быть значительно уменьшены. С точки зрения механики повышенная рабочая скорость означает меньший поворотный момент, воздействующий на ведущий/ведомый вал, при том же самом диапазоне мощностей. Это означает, что могут быть использованы меньшие и более легкие валы и роторы. Кроме того, поскольку величина напряжения в уравнении генератора/двигателя непосредственно зависит от количества оборотов в минуту, работа с повышенной скоростью означает повышенное рабочее напряжение и соответственно более низкий ток. Это уменьшает необходимый размер роторов и токонесущих соединительных проводов, дополнительно уменьшая размер и вес полного устройства.
1
2
1
2
1
2
1
2
[0269] На Фигуре 23А показана одна возможная конфигурация турбины 1400, предназначенная для использования в качестве высокоскоростного электродвигателя/генератора. Как показано, турбина содержит пару магнитных узлов 1401, 1401. Эти магнитные узлы содержат множество сверхпроводящих катушек, причем определенное количество катушек выполнено с возможностью выработки первичного магнитного поля возбуждения и определенное количество катушек выполнено в качестве катушек погашения для образования областей нулевого поля и для уменьшения профиля поля рассеяния, чтобы удовлетворить необходимым стандартам экранировки (то есть формированию линии "5 Гауссов" для турбины). Как можно видеть на Фигуре 23А, турбина содержит один ротор 1402, размещенный между магнитными узлами 1401, 1401. В этом случае ротор 1402 составляет одно целое с ведущим валом 1403, проходящим через отверстия 1404, 1404, выполненные в магнитных узлах 1401, 1401.
1
2
1
2
1
2
[0270] На Фигуре 23В показано расположение магнитных узлов 1401, 1401 относительно ротора 1402 и ведущего вала 1403. Как можно видеть, ротор 1402 размещен внутри зазора 1405 между магнитными узлами 1401, 1401. Как и в вышеупомянутых примерах, хотя этот зазор в основном предназначен для размещения ротора 1402, он также содействует образованию областей нулевого поля в результате взаимодействия между катушками 1406 и 1406 возбуждения.
1
2
1
2
1
2
1
2
[0271] Как можно видеть, в этом случае катушки 1406 и 1406 возбуждения содержат 3 сверхпроводящих катушки, размещенные коаксиально. Набор гасящих поле катушек 1407, 1407, размещен в виде накладывающейся концентрической структуры относительно катушек 1406 и 1406 возбуждения. Как показано, гасящие поле катушки представляют собой 2 сверхпроводящих катушки, размещенные коаксиально. Как в вышеупомянутых случаях, гасящие поле катушки 1407, 1407 использованы для увеличения размера области нулевого поля, в которой может быть размещена жидкометаллическая щетка 1408 для ротора, для обеспечения эффективной работы щетки 1408.
1
2
1
2
1
2
1
2
[0272] В дополнение к гасящим поле катушкам 1407, 1407 магнитные узлы содержат внешний набор гасящих поле катушек 1409, 1409, размещенных рядом с концами вала 1403. Внешние гасящие поле катушки 1409, 1409 образуют области нулевого поля для размещения жидкометаллических щеток 1410, 1410 вала 1403.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
[0273] В дополнение к внутренним 1407, 1407 и внешним 1409, 1409 гасящим поле катушкам магнитные узлы 1401, 1401 также содержат третичный набор гасящих поле катушек 1411, 1411, причем диаметр этих катушек значительно больше диаметра внутренних 1407, 1407 и внешних 1409, 1409 гасящих поле катушек и катушек 1406 и 1406 возбуждения. В этом случае третичные катушки предназначены для уменьшения профиля поля рассеяния турбины. Добавление этих катушек означает, что линия "5 гауссов" для турбины расположена внутри расстояния 100 мм от турбины.
1
2
1
2
[0274] На Фигуре 24А показано распределение поля для турбины согласно Фигуре 23 без использования третичных гасящих поле катушек. Как можно видеть, область 1412 нулевого поля образована в области, примыкающей к первичным катушкам 1406 и 1406 возбуждения и к внутренним гасящим поле катушкам (то есть внутри зазора между магнитными узлами 1401 и 1401). Области 1413 нулевого поля также образованы на противоположных концах турбины внешними гасящими поле катушками. В этом случае линия 1501 показывает уровень 0,2 Тл, то есть вне этой линии интенсивность поля падает ниже 0,2 Тл. Аналогичным образом, линия 1502 позывает область, где напряженность поля начинает падать ниже уровня 0,15 Тл, а линия 1503 показывает область, где напряженность поля начинает падать ниже уровня 0,1 Тл.
[0275] На Фигуре 24В показано воздействие на поле при использовании третичных катушек. Как можно видеть, область нулевого поля, образованная внутри зазора между магнитными узлами, по существу неизменна. Имеет место некоторое изменение формы областей 1143 нулевого поля, образованных на концах турбины. Как можно видеть, третичные катушки перемещают линию "5 Гаусс" ближе к корпусу устройства и активно содержат поле рассеяния. В этом случае линия 1501 (0,2 Тл) отстоит на десятки миллиметров от устройства аналогично линии 1502 (0,15 Тл). Линия 0,1 Тл отстоит на 100 мм или около этого от устройства. В этом случае линия 1504 показывает граничную область, где напряженность поля начинает падать ниже 500 Гс.
[0276] На Фигурах 25А и 25В показано еще одно возможное размещение турбины 1600 для использования в качестве высокоскоростного генератора/двигателя согласно одному варианту реализации настоящего изобретения. Эта конструкция возможна при достаточно большом диаметре внешних катушек возбуждения. Внутренние гасящие поле катушки могут быть размещены внутри главных внешних соленоидов возбуждения. Это значительно уменьшает полную длину узла генератор/электродвигатель.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
[0277] Турбина 1600 содержит один ротор 1601, выполненный как целое с валом 1602. Ротор размещен между парой узлов 1603, 1603 катушек возбуждения. Узлы 1603, 1603 катушек возбуждения содержат пару сверхпроводящих катушек, расположенных концентрически. Как можно видеть, имеет место зазор между каждой из катушек в узлах 1603, 1603 катушек возбуждения, причем, как было ранее отмечено, введение этого зазора увеличивает размер области нулевого поля, образованной между узлами 1603, 1603 катушек для размещения внешней жидкометаллической щетки 1606.
1
2
1
2
2,1
2,2
1
2,1
2,2
[0278] Гасящие поле катушки 1604, 1604 размещены концентрически относительно соответствующих узлов 1603, 1603 катушек возбуждения. Как можно видеть согласно Фигуре 25В, внутренние гасящие поле катушки обеспечивают возможность размещения внутренних щеток 1606, 1606 вблизи от внутреннего отверстия 1605 полного узла турбины. Получающееся в результате уменьшение токонесущей длины внутреннего вала уменьшает полный вес устройства. На Фигуре 25В также показан путь тока при нахождении турбины в конфигурации электродвигателя или генератора. Как можно видеть, ток течет от внешней щетки 1606 через ротор 1601 к валу 1602 и к внешним щеткам 1606, 1606.
1
2
1
2
[0279] На Фигуре 26 показано распределение получаемого в результате магнитного поля, выработанного узлами 1603, 1603 катушек возбуждения и гасящими поле катушками 1604, 1604. Как можно здесь видеть, центральная область 1607 нулевого поля образована гасящими поле катушками в области отверстия 1605. Область 1608 нулевого поля также образована между узлами катушек возбуждения и центрована вокруг зазора, образованного между внутренними и внешними катушками, формирующими каждый из узлов катушки.
1
2
1
2
[0280] На Фигуре 27А и 27В показано еще одно расположение турбины, предназначенной для использования в качестве высокоскоростного электродвигателя/генератора. При этом расположении один ротор 1701 выполнен как целое с валом 1702 таким образом, что ротор 1701 размещен между магнитными узлами 1703, 1703. В этом случае магнитные узлы 1703, 1703 содержат множество сверхпроводящих соленоидов 1704, размещенных концентрически. Такое расположение катушек создает две области рабочего поля на двух рабочих длинах концентрического ротора посредством образования трех областей нулевого поля, обеспечивающих возможность размещения входных токовых щеток на внешнем и внутреннем рабочих радиусах и размещения щетки центрального коллектора в средней радиальной точке.
1,1
1,2
2
3,1
3,2
[0281] На Фигуре 27В показан путь тока для этой конструкции. Поскольку имеет место изменение направления магнитного поля в средней радиальной точке, ток должен быть подан от внутренних радиальных щеток 1706, 1706 и внешних радиальных щеток 1706 и собран щетками 1706, 1706 в среднем радиальном положении для обеспечения возможности правильного направления поворота при работе устройства в качестве электродвигателя. Аналогичное соглашение о связи должно быть использовано при работе устройства в качестве генератора для обеспечения возможности правильной генерации тока.
1
2
[0282] На Фигуре 28 показан график распределения поля для турбины согласно Фигурам 27А и 27В. Как можно видеть, такая конфигурация катушек образует области нулевого поля внутри центрального отверстия 1705 и вблизи окружности узлов 1703, 1703 катушек. Еще одна область нулевого поля образована в средней точке между магнитными узлами катушки. Следует иметь ввиду, что показанные области нулевого поля невелики и могут быть увеличены посредством ввода намоточных промежутков во внешних катушках плоской формы способом, аналогичным описанному ранее.
1
2
[0283] На Фигуре 29 показана еще одна возможная конфигурация для соединения двух турбин с целью увеличения выходного напряжения. Как показано, первая турбина 1800 имеет конструкцию, аналогичную конструкции, описанной выше относительно Фигур 6А и 6В. Как можно видеть, первая турбина 1800 каскад 1801 низкоскоростного генератора и каскад 1803 высокоскоростного генератора, размещенный между. Как и в вышеупомянутых примерах первичные катушки 1804, 1804 возбуждения разнесены друг от друга для образования области с нулевым магнитным полем, предназначенной для размещения жидкометаллических узлов 1806 передачи тока. Как показано, первичные катушки возбуждения представляют собой 2 концентрических катушки из сверхпроводящего материала.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
[0284] В дополнение к первичным катушкам возбуждения выполнена пара внутренних гасящих поле катушек 1807, 1807. Эти внутренние гасящие поле катушки 1807, 1807 размещены концентрически внутри первичных катушек 1804, 1804 возбуждения. Как показано, внутренние гасящие поле катушки 1807, 1807 состоят из набора из трех концентрических катушек, размещенных в криостатах. Самые внутренние и самые внешние катушки имеют направление тока, противоположное направлению тока во внешних катушках 1804, 1804 возбуждения. Катушки, размещенные между этими гасящими поле катушками, имеют положительное направление тока, то есть, такое же, как у внешних катушек возбуждения. В этом случае внутренние гасящие поле катушки 1807, 1807 образуют дополнительные области нулевого магнитного поля для размещения жидкометаллических щеток с целью приложения тока возбуждения к каскаду 1802 высокоскоростного электродвигателя. Кроме того, гасящие поле катушки 1807, 1807 также обеспечивают поле возбуждения для каскада 1802 электродвигателя.
[0285] Поворот низкоскоростного каскада 1801 в поле возбуждения вырабатывает ток, проходящий к высокоскоростному электродвигателю 1802, вырабатывающему крутящий момент, используемый для непосредственного возбуждения каскада 1803 высокоскоростного ротора. Поворот каскада 1803 высокоскоростного ротора вырабатывает ток, который в этом примере использован для управления вторичным каскадом электродвигателя 1809 и вторичным каскадом генератора 1810, содержащихся внутри второй турбины 1808.
1
2
1
2
1
2
1
2
[0286] Как показано, вторая турбина содержит пару первичных катушек 1811, 1811 возбуждения, пару внутренних гасящих поле катушек 1812, 1812, размещенных концентрически относительно первичных катушек 1811, 1811 возбуждения. Как и раньше, гасящие поле катушки 1812, 1812 создают первичное поле возбуждения для каскада 1809 электродвигателя. При прохождении тока от каскада 1803 высокоскоростного генератора через электродвигатель 1809, что обозначено в виде пути 1814 тока, возникает крутящий момент. Крутящий момент передан непосредственно на высокоскоростной генератор 1810 посредством механической связи между электродвигателем и генератором.
1
2
[0287] Поскольку ротор высокоскоростного генератора 1810 синхронно с электродвигателем выполняет поворот внутри магнитного поля, выработанного катушками 1811, 1811 возбуждения, происходит выработка тока. Получаемая в результате энергия на выходе, обозначенная путем 1813 тока, имеет более высокое значение напряжении и более низкое значение тока, чем выработанные в каскаде 1803 генератора.
[0288] На Фигуре 30 показано распределение поля для двух расположений турбины конструкции, аналогичной той, что описана в связи с Фигурами 11 и 12. В частности, это расположение содержит два каскада низкоскоростных генераторов. Первый каскад генератора, размещен в первичных катушках возбуждения (расположение катушек показано справа на графике), а второй низкоскоростной генератор размещен во вторичных катушках возбуждения (расположение катушек показано слева на графике). Как в случае Фигур 11 и 12, ток проходит вдоль двух низкоскоростных генераторов вдоль пути 1901. Однако существует возможность прохождения тока вдоль ротора или роторов, формирующих любой путь между двумя внешними областями нулевого поля, образованными катушками возбуждения. Примеры этого обозначены посредством пути 1902 или пути 1903.
1
2
1
2
[0289] Одно расположение турбины, предназначенной для использования в качестве генератора, использующего путь 1902 тока, показано на Фигуре 31. Как показано, устройство содержит первый каскад 2000, имеющий конструкцию, аналогичную конструкции турбины согласно Фигурам 6А и 6В, и содержит каскад 2003 высокоскоростного генератора, размещенный между парой первичных катушек 2004, 2004 возбуждения, размещенных в криостатах 2005. Первичные катушки 2004, 2004 возбуждения разнесены друг от друга с образованием области нулевого магнитного поля для размещения жидкометаллических узлов 2006 передачи тока. Как и раньше, первичные катушки возбуждения представляют собой 2 концентрических катушки из сверхпроводящего материала.
1
2
1
2
1
2
1
2
[0290] В дополнение к первичным катушкам возбуждения выполнена пара внутренних гасящих поле катушек 2007, 2007. Эти внутренние гасящие поле катушки 2007, 2007 размещены концентрически внутри первичных катушек 2004, 2004 возбуждения. Как показано, внутренние гасящие поле катушки 2007, 2007 представляют собой набор трех концентрических катушек, размещенных в криостатах 2005. Эти гасящие поле катушки образуют области нулевого поля, необходимые для щеток передачи тока каскада 2002 высокоскоростного электродвигателя и для внутренней щетки каскада 2003 высокоскоростного генератора.
1
1
[0291] Низкоскоростной генератор сформирован посредством проводящего барабана 2001, который проходит через зазор между вторичными катушками 2011 возбуждения и через зазор в первичных катушках 2004 возбуждения. Полярность катушек возбуждения упорядочена таким образом, что обеспечивает возможность надлежащего направления тока вдоль каскада низкоскоростного генератора.
1
2
[0292] На Фигурах 32А и 32В показана турбина, использующую преобразование типа "постоянный ток - постоянный ток". В этом случае турбина выполнена с возможностью работы в качестве низкоскоростного электродвигателя с высоким значением тока при приложении на входе низкого значения тока. В этом случае структура весьма похожа на структуру турбины согласно Фигурам 6А и 6В, в том, что она содержит три каскада, размещенных между набором первичных катушек 2101, 2101 возбуждения. Как и в вышеупомянутом случае первичные катушки образуют области с нулевым магнитным полем для размещения щеток 2106, предназначенных для передачи тока между соответствующими каскадами турбины.
1
2
[0293] Как показано, турбина содержит каскад высокоскоростного электродвигателя 2102, механически связанный с промежуточным каскадом высокоскоростного генератора 2103, размещенным между набором гасящих поле катушек 2105, 2105. Как и в вышеупомянутых случаях гасящие поле катушки образуют области нулевого магнитного поля для размещения щеток 2106 с целью передачи тока между соответствующими каскадами. Кроме того, гасящие поле катушки вырабатывают первичное поле возбуждения для каскада высокоскоростного генератора 2103. Ток, выработанный в высокоскоростном генераторе 2103, проходит к каскаду низкоскоростного электродвигателя 2104.
[0294] Выходная электроэнергия, выработанная высокоскоростным генератором, имеет высокое значение тока и низкое значение напряжения. Эти высокое значение тока и низкое значение напряжения использованы для питания электродвигателя, вырабатывающего на выходе низкую скорость и высокий крутящий момент. На Фигуре 32В показаны цепи с высоким значением тока и низким значением тока внутри турбины. Как можно видеть, низкий ток проходит через высокоскоростной электродвигатель, что показано в виде пути 2107 тока. Крутящий момент, выработанный электродвигателем 2102, вынуждает генератор 2103 вырабатывать на выходе высокий ток, проходящий к низкоскоростному электродвигателю 2104, что обозначено как путь 2108.
[0295] Как можно видеть, использование двухкаскадного расположения при преобразовании типа "постоянный ток - постоянный ток" обеспечивает турбине возможность работать в качестве униполярного устройства преобразования, то есть, образуя разность скоростей между входным и выходным валами при использовании электромагнитных устройств и путь тока. Специалистам в данной области техники понятно, что отношение передачи (для униполярного устройства преобразования) или отношение напряжений (для электромагнитного устройства преобразования типа "постоянный ток - постоянный ток") могут быть различными при изменении плотности тока в сверхпроводящих катушках и, следовательно, изменении напряженности магнитного поля, воздействующего на ротор. Таким образом может быть выполнена система с переменным отношением.
[0296] Хотя вышеприведенное описание расположения устройства преобразования было сосредоточено прежде всего на прямом преобразовании "постоянный ток - постоянный ток", специалистам в данной области техники понятно, что устройство преобразования может быть использовано для преобразования входного постоянного тока в переменный ток на выходе и наоборот. Например, каскад генератора в устройстве преобразования может быть возбуждаем электродвигателем переменного тока, или выходная энергия от устройства преобразования может быть использована для возбуждения электродвигателя/генератора переменного тока.
1
2
1
1
2
2
1
2
1
2
1
2
[0297] На Фигуре 33А показано другое возможное расположение турбины 2200 для выработки электроэнергии. Конструкция в этом случае подобна конструкции, описанной выше в связи с Фигурой 11. Турбина содержит первый каскад 2201 генератора и второй каскад 2201 генератора, соединенные посредством проводящего вала 2202. Как показано, первый каскад 2201 генератора содержит ротор 2203, размещенный между парой сверхпроводящих элементов 2204, 2204 для создания магнитного поля возбуждения. Аналогичным образом вторичный каскад 2201 генератора содержит ротор 2205, размещенный между парой сверхпроводящих элементов 2206, 2206 для создания магнитного поля возбуждения. Каждый из сверхпроводящих элементов 2204, 2204, 2206, 2206 содержит пару сверхпроводящих катушек, размещенных концентрически. Как описано выше, промежуток между парой сверхпроводящих элементов и размещение катушек обеспечивают возможность подходящего поля возбуждения, а также обеспечивают возможность образования областей нулевого поля между сверхпроводящими элементами для размещения жидкометаллических щеток 2207.
1
2
1
2
[0298] На Фигуре 33В показано прохождение электрического тока через турбину 2200. Как можно видеть, электрический ток течет от внешнего радиуса к внутреннему радиусу в первом роторе 2203 через вал 2202 и через ротор 2205. Как очевидно специалистам в данной области техники, сверхпроводящие элементы 2204, 2204 упорядочены с магнитной полярностью, противоположной полярности первичных катушек 2206, 2206. Такая обратная полярность поля обеспечивает согласованное направление поворота в первом и втором роторах.
1
2
1
2
[0299] На Фигуре 34А показано распределение поля при расположении турбины согласно Фигурам 33А и 33В. Как можно видеть, в этом случае каждое из расположений 2204, 2204 и 2206, 2206 катушек образует область рабочего поля, в которую погружены роторы. Кроме того, каждое из расположений катушек создает области 2208 нулевого поля. Более подробный вид расположения этих областей нулевого поля показан на Фигуре 34В, причем, как можно видеть, области 2208 нулевого поля образованы в промежутке между парой сверхпроводящих элементов и центрованы вокруг промежутка, обеспеченного между концентрическими расположениями катушек сверхпроводящих элементов.
1
2
1
1
2
2
1
2
[0300] На Фигуре 35А показано еще одно возможное расположение турбины 2300 согласно одному варианту реализации настоящего изобретения. Конструкция в этом случае аналогична конструкции, описанной выше в связи с Фигурами 33А и 33В. Турбина содержит первый каскад 2301 генератора и второй каскад 2301 генератора, соединенные посредством проводящего вала 2302. Как показано, первый каскад 2301 генератора содержит ротор 2303, размещенный между парой сверхпроводящих элементов 2304, 2304 для создания магнитного поля возбуждения. Аналогичным образом вторичный каскад 2301 генератора содержит ротор 2305, размещенный между парой сверхпроводящих элементов 2306, 2306 для создания магнитного поля возбуждения.
1
2
1
2
[0301] Прохождение электрического тока через турбину 2300 показано на Фигуре 35В. Как можно видеть, электрический ток течет от внешнего радиуса к внутреннему радиусу в первом роторе 2303 через вал 2302 и через ротор 2305. Как очевидно специалистам в данной области техники, сверхпроводящие элементы 2304, 2304 упорядочены с магнитной полярностью, противоположной полярности первичных катушек 2306, 2306. Такая обратная полярность поля обеспечивает совместимое направление поворота в первом и втором роторах.
1
2
1
2
1
2
1
2
[0302] Отличие конструкции турбины согласно Фигурам 35А и 35В от конструкции турбины согласно Фигурам 33А и 33В состоит в том, что длина вала 2302 значительно меньше. Следовательно, пары 2304, 2304 и 2306, 2306 катушек возбуждения размещены ближе друг к другу. Пары 2304, 2304 и 2306, 2306 катушек возбуждения могут быть размещены ближе друг к другу в осевом направлении с некоторыми модификациями геометрии катушки возбуждения для сохранения применимой области нулевого поля. Эти модификации включают дополнительные витки сверхпроводящего провода на самой внутренней противостоящей паре катушек возбуждения и небольшое уменьшение диаметра самых внешних главных катушек. В нижеприведенном примере внутренний диаметр самых внешних основных катушек возбуждения составляет 98,5% от диаметра самых внутренних катушек возбуждения.
[0303] Следует иметь ввиду, что сила отталкивания значительно увеличена при таком уменьшении осевого зазора. Уменьшение этого расстояния в 2,5 раза приводит к увеличению силы отталкивания в 10 раз. При учете этого данный метод имеет тенденцию быть использованным только при аксиальной длине устройства, превышающей номинальное значение.
1
2
1
2
[0304] На Фигуре 36А показано распределение поля при расположении турбины согласно Фигурам 35А и 35В. Как можно видеть, в этом случае каждое из расположений 2304, 2304 и 2306, 2306 катушек образует область рабочего поля, в которой размещены роторы. Кроме того, каждое из расположений катушек создает области 2308 нулевого поля между парами катушек возбуждения. Более подробный вид расположения этих областей нулевого поля показан на Фигуре 36В, причем, как можно видеть, области 2308 нулевого поля образованы в зазоре между парой сверхпроводящих элементов и сосредоточены вокруг промежутка, образованного между расположениями концентрических катушки из сверхпроводящих элементов.
1
2
1
1
2
2
1
2
[0305] На Фигуре 37А показано еще одно возможное расположение турбины 2400 согласно одному варианту реализации настоящего изобретения. В этом случае конструкция подобна конструкции, описанной выше относительно Фигур 33А и 33В выше. Турбина содержит первый каскад 2401 генератора и второй каскад 2401 генератора, соединенные проводящим валом 2402. Как показано, первый каскад 2401 генератора содержит ротор 2403, размещенный между парой сверхпроводящих элементов 2404, 2404 для образования магнитного поля возбуждения. Аналогичным образом вторичный каскад 2401 генератора содержит ротор 2405, размещенный между парой сверхпроводящих элементов 2406, 2406 для образования магнитного поля возбуждения.
2
1
2
2
[0306] Второй каскад 2401 генератора электрически соединен через жидкометаллические щетки 2407 с каскадом высокоскоростного электродвигателя 2408, который механически соединен с каскадом высокоскоростного 2409 генератора, установленным между парой сверхпроводящих элементов 2406, 2406 рядом с ротором 2405 из второго каскада 2401 генератора.
2
2
2
1
1
1
2
[0307] Прохождение электрического тока через турбину 2400 показано на Фигуре 37В. В этом случае имеют место две цепи тока, цепь с низким значением тока, обозначенная как 2411, и цепь с высоким значением тока, обозначенная как 2410. Как можно видеть, цепь 2410 с высоким значением тока идет от внешнего радиуса к внутреннему радиусу в первом роторе 2403, через вал 2402 и через ротор 2405 к щетке 2407. Щетка 2407 затем связана с входной щеткой 2416 из высокоскоростного электродвигателя 2408. Затем ток проходит через электродвигатель 2408, внешнюю щетку 2416 и назад к ротору 2403 через щетку 2407 для завершения схемы последовательного соединения. При прохождении тока через электродвигатель 2408 он производит крутящий момент, который затем передан к высокоскоростному генератору 2409. Поворот генератора 2409 в магнитном поле образует ток 2411, снимаемый посредством щеток 2417, 2417.
1
2
[0308] Как можно видеть, турбина 2400 согласно Фигурам 37А и 37В также содержит гасящие поле катушки 2412, расположенные концентрически относительно сверхпроводящих элементов 2406, 2406. В отличие от ранее описанных конструкций была увеличена ширина внутренних гасящих поле катушек для образования области с нулевым магнитным полем, которая лучше подходит для предпочтительного размещения узлов жидкометаллических щеток. В дополнение к увеличению их ширины внутренние гасящие поле катушки обладают осевым смещением и небольшим увеличением количества витков и, следовательно, большим внешним диаметром, чем их совместно гасящие поле катушки. Обе внутренние гасящие поле катушки размещены на боковой внешней стороне узлов ротора.
1
2
1
2
[0309] На Фигуре 38А показано распределение поля, отражающее местоположение областей нулевого поля, образованных расположением катушек в турбине согласно Фигурам 37А и 37В, с подробным описанием, показанным на Фигурах 38В и 38С. В частности, на Фигуре 38В показана область 2413 с нулевым магнитным полем 2413, образованная между каждой парой сверхпроводящих элементов 2404, 2404, 2406, 2406. Как и в вышеупомянутых примерах область нулевого поля образована в зазоре между парой сверхпроводящих элементов и сосредоточена вокруг промежутка, образованного между концентрическими расположениями катушек из сверхпроводящих элементов. На Фигуре 38С показаны области нулевого поля, образованные гасящими поле катушками 2412. Как можно видеть, область 2414 нулевого поля образована между внешними гасящими поле катушками. Кроме того, область 2415 нулевого поля образована в пространстве между внешним набором гасящих поле катушек.
1
2
1
2
[0310] Еще одна возможная конфигурация турбины 2500 в соответствии с настоящим изобретением показана на Фигуре 39А. В этой конструкции узел 2512 гасящих поле катушек, использованный для образования внутренних областей нулевого поля, был сдвинут от узла 2501 катушки возбуждения. Как и в вышеупомянутых примерах главный узел 2501 катушек возбуждения содержит пару сверхпроводящих элементов 2501, 2501, причем каждый элемент содержит концентрически расположенные сверхпроводящие катушки. Между сверхпроводящими элементами 2501, 2501 размещен каскад 2502 низкоскоростного электродвигателя и каскад 2503 высокоскоростного электродвигателя, электрически и механически соединенные друг с другом.
1
2
3
3
2
1
2
1
[0311] Как упомянуто выше, в этом примере гасящие поле катушки размещены вне главного узла 2501 катушек возбуждения. Как можно видеть, в этом случае гасящие поле катушки 2512 расположены коаксиально с главным узлом 2501 катушек возбуждения. В этом случае узел 2512 гасящих поле катушек содержит три набора катушек, расположенных по существу концентрически. Самый внутренний набор 2512 катушек содержит пару катушек, расположенных параллельно, причем эти катушки размещены концентрически относительно средней катушки 2512 из узла 2512 катушки. Самая внешняя катушка 2512 размещена в виде накладывающегося концентрического расположения относительно самой внутренней и средней катушек. Высокоскоростной генератор 2504 расположен таким образом, что часть генератора размещена между самой внешней гасящей поле катушкой 2512 и средней катушкой 2512, а часть между самой внутренней катушкой 2512 и средней катушкой 2512. Как таковой, каскад 2504 высокоскоростного генератора по существу имеет С-образную форму, причем секция генератора проходит в отверстие сверхпроводникового элемента 2501. Генератор 2504 механически присоединен к каскаду 2503 высокоскоростного электродвигателя, но электрически изолирован от него.
[0312] На Фигуре 39В показано прохождение электрического тока через турбину согласно Фигуре 39А. В этом случае, как и раньше, имеет место цепь 2510 с высоким значением тока и цепь 2511 с низким значением тока. При подаче тока 2511 через каскад 2503 высокоскоростного электродвигателя, возникает крутящий момент, который затем передан непосредственно генератору 2504, вырабатывающему ток 2510 возбуждения для каскада 2502 низкоскоростного электродвигателя. При прохождении тока через низкоскоростной электродвигатель возникает крутящий момент. Как можно видеть, в этом случае устройство в состоянии переводить высокоскоростную поворотную энергию в низкоскоростную поворотную энергию без использования выпрямляющей электроники.
[0313] На Фигурах 40, 40А и 40В показаны распределения поля при размещении катушек турбины согласно Фигурам 39А и 39В. Как и раньше, область 2513 нулевого поля образована в зазоре между парой сверхпроводящих элементов и сосредоточена вокруг промежутка, образованного между концентрическими расположениями катушек из сверхпроводящих элементов, как показано на Фигуре 40А. В этом случае расположение гасящих поле катушек, показанное на Фигуре 40В, образует два набора 2514, 2515 областей нулевого поля, причем область 2514 нулевого поля образована между самой внешней катушкой и средней катушкой, а области 2515 нулевого поля образованы внутри самых внутренних катушек. Два самых внутренних соленоида не одинаковы с точки зрения количества витков. Самый внутренний соленоид, ближайший к осевому зазору во внешних катушках возбуждения, содержит повышенное количество витков для компенсации подлежащей погашению повышенной интенсивности поля.
[0314] На Фигуре 41А показано еще одно возможное расположение турбины 2600 согласно одному варианту реализации настоящего изобретения. Эта конфигурация подобна конфигурации, показанной на Фигуре 6А, но использует слоистый узел низкоскоростного ротора, последовательно соединенный при наличии разделения между высокоскоростной и низкоскоростной частями.
1
2
1
2
[0315] Как показано, турбина 2600 в этом случае содержит пару сверхпроводящих катушек 2604 и 2604 возбуждения для выработки первичного магнитного поля вокруг слоистого каскада низкоскоростного 2606 генератора и вторую пару сверхпроводящих катушек 2605 и 2605 возбуждения для выработки первичного магнитного поля вокруг высокоскоростного ротора 2607 генератора и высокоскоростного электродвигателя 2608. Низкоскоростной ротор представляет собой последовательность из трех частей 2606 ротора, каждая из которых содержит дисковую часть и часть вала.
1
2
1
2
2
[0316] Гасящие поле катушки размещены коаксиально с каждой из пар сверхпроводящих катушек возбуждения. Гасящие поле катушки 2612, связанные со сверхпроводящими катушками 2604 и 2604возбуждения, размещены в месте, аналогичном показанному и объясненному в связи с Фигурой 4А. Гасящие поле 2613 катушки, связанные со сверхпроводящими катушками 2605 и 2605 возбуждения, размещены в месте, аналогичном показанному и объясненному в связи с вариантом реализации настоящего изобретения, показанном во вторичном каскаде 2401 генератора согласно Фигуре 37А.
[0317] На Фигуре 41В показано прохождение электрического тока через турбину согласно Фигуре 41А. Как и раньше, имеет место цепь 2610 с высоким значением тока и цепь 2611 с низким значением тока. При прохождении тока с высоким значением тока через соответствующие слоистые роторы каскада низкоскоростного генератора и через каскад 2608 высокоскоростного электродвигателя происходит выработка крутящего момента, который затем передан непосредственно генератору 2607, который создает низкий ток 2611 на выходе генератора.
[0318] На Фигурах от 42А до 51 показано определенное количество базовых конфигураций по настоящему изобретению. Каждая из этих базовых конфигураций может быть рассмотрена как элементарный процесс, а один или большее количество элементарных процессов могут быть скомбинированы для достижения необходимого результата. Важно отметить, что варианты настоящего изобретения могут быть образованы как расширения основных двухкаскадных элементарных процессов, показанных на Фигурах от 42А до 51. На всех этих Фигурах компоненты показаны в разобранном виде. Пути тока также показаны для компонентов в секции.
[0319] Кроме того, хотя описатели, такие как "низкий" и "высокий", могут быть применены к заданным примерам, их не следует рассматривать как в какой-то мере ограничивающие возможные осуществления. Они просто использованы с целью иллюстрации способности относительного "постепенного возрастания" или "постепенного уменьшения" значений напряжения, тока и/или скорости.
[0320] Стрелки направления электрического тока и значения крутящего момента показаны только для иллюстративных целей. Могут быть использованы различные электрические и механические связи, обеспечивающие возможность поворота в одном направлении или поворота в противоположных направлениях изолированных секций, то есть, чего-то, совершенно очевидного для специалистов в данной области техники.
[0321] Явно разъяснены следующие базовые конфигурации, каждая из которых может формировать альтернативный аспект настоящего изобретения:
Трехкаскадные конфигурации:
[0322] На Фигурах 42А и 42В показано преобразование низкоскоростной механической входной энергии в электрическую выходную энергию постоянного тока с высоким напряжением. Эта конфигурация содержит две пары стационарных сверхпроводящих катушек 4200, первую пару внешних кольцевых катушек и вторую пару внутренних кольцевых катушек, которые с промежутками размещены концентрически во внутреннем направлении внутри внешних кольцевых катушек. Эта конфигурация разделена на низкоскоростную секцию и высокоскоростную секцию, как обозначено на Фигуре 42А.
[0323] Низкоскоростная секция содержит ротор 4210 низкоскоростного генератора, прикрепленный к низкоскоростному механическому выходному валу 4202. Жидкометаллические щетки 4203 выполнены для ротора 4201 низкоскоростного генератора.
[0324] Высокоскоростная секция содержит ротор 4204 высокоскоростного генератора вместе с соответствующими жидкометаллическими щетками 4205. Ротор 4206 высокоскоростного электродвигателя установлен на вале 4207 высокоскоростного узла, на котором также укреплен ротор 4204 высокоскоростного генератора. Как и раньше, ротор 4206 высокоскоростного электродвигателя снабжен жидкометаллическими щетками 4208 для передачи тока. Ротор 4206 высокоскоростного электродвигателя и ротор 4204 высокоскоростного генератора механически соединены, но электрически изолированы посредством использования кольца 4209 электрической изоляции.
[0325] Пути тока в этой конфигурации показаны на Фигуре 42В и содержат выходную электроэнергию с высоким значением напряжением и низким значением тока. Путь с высоким значением тока и низким значением напряжения также показан между жидкометаллическими щетками 4203 на роторе 4201 низкоскоростного генератора и жидкометаллическими щетками 4208 на роторе 4206 высокоскоростного генератора.
[0326] Работа этой конфигурации такая же, как описано в связи с Фигурами 6А и 6В, но по существу направлена на преобразование входного низкоскоростного крутящего момента в выходную электрическую энергию постоянного тока с высоким значением напряжением и низким значением тока.
[0327] Преобразование входной электрической энергии постоянного тока с высоким значением напряжения и низким значением тока в низкоскоростную механическую энергию на выходе показано на Фигурах 43А и 43В. Эта конфигурация также содержит две пары стационарных сверхпроводящих катушек 4300, первую пару внешних кольцевых катушек и вторую пару внутренних кольцевых катушек, которые с промежутками размещены концентрически во внутреннем направлении внутри внешних кольцевых катушек. Эта конфигурация разделена на низкоскоростную секцию и высокоскоростную секцию, как обозначено на Фигуре 43А.
[0328] Однако эта конфигурация по существу представляет собой конфигурацию, обратную той, что показана на Фигурах 42А и 42В. В этой конфигурации высокоскоростная секция содержит ротор 4304 высокоскоростного генератора с сопутствующими жидкометаллическими щетками 4305. Ротор 4306 высокоскоростного электродвигателя установлен на валу 4307 высокоскоростного узла, на котором также установлен ротор 4304 высокоскоростного генератора. Как и раньше, ротор 4306 высокоскоростного электродвигателя снабжен жидкометаллическими щетками 4308 для передачи тока. Ротор 4306 высокоскоростного электродвигателя и ротор 4304 высокоскоростного генератора соединены механически, но электрически изолированы друг от друга посредством кольца 4309 электрической изоляции.
[0329] Низкоскоростная секция содержит ротор 4301 низкоскоростного электродвигателя, прикрепленный к низкоскоростному механическому выходному валу 4302. Жидкометаллические щетки 4303 предназначены для ротора 4301 низкоскоростного электродвигателя.
[0330] Пути тока в этой конфигурации показаны на Фигуре 43В и содержат входную электрическую энергию с высоким значением напряжения и низким значением тока. Путь с низким значением напряжения и высоким значением тока также показан между жидкометаллическими щетками 4303 на роторе 4301 низкоскоростного двигателя и жидкометаллическими щетками 4305 на роторе 4304 высокоскоростного двигателя.
[0331] Как отмечено выше, эта конфигурация по существу обратная конфигурации, показанной на Фигурах 42А и 42В, и направлена на преобразование входной электрической энергии постоянного тока с высоким значением напряжения и низким значением тока в низкоскоростную механическую энергию на выходе.
[0332] Подача входной низкоскоростной механической энергии к генератору переменного тока показана на Фигурах 44А и 44В. Как и в случае двух предыдущих конфигураций, эта конфигурация также содержит две пары стационарных сверхпроводящих катушек 4400, первую пару внешних кольцевых катушек и вторую пару внутренних кольцевых катушек, которые с промежутками размещены концентрически во внутреннем направлении внутри внешних кольцевых катушек. Эта конфигурация разделена на низкоскоростную секцию и высокоскоростную секцию, как показано на Фигуре 43А.
[0333] Низкоскоростная секция содержит ротор 4401 низкоскоростного генератора, прикрепленный к низкоскоростному валу 4402 механического входа. Жидкометаллические щетки 4403 обеспечены для ротора 4401 низкоскоростного генератора.
[0334] Высокоскоростная секция содержит ротор 4406 высокоскоростного электродвигателя, прикрепленный к валу 4407 высокоскоростного узла, а ротор 4406 высокоскоростного электродвигателя снабжен жидкометаллическими щетками 4408 для передачи тока. Вал высокоскоростного узла затем непосредственно питает выход высокоскоростного генератора 4409 переменного тока для выработки электрического переменного тока на выходе.
[0335] Путь тока показан на Фигуре 44В. В этой конфигурации путь тока с высоким значением тока и низким значением напряжении обеспечен между жидкометаллическими щетками 4403 на роторе 4401 низкоскоростного генератора и жидкометаллическими щетками 4408 на роторе 4406 высокоскоростного генератора.
[0336] Преобразование от электродвигателя переменного тока к низкоскоростному механическому выходу показано на Фигурах 45А и 45В. Как упомянуто выше, эта конфигурация по существу обратная конфигурации, показанной на Фигурах 44А и 44В.
[0337] Эта конфигурация также содержит две пары стационарных сверхпроводящих катушек 4500, первую пару внешних кольцевых катушек и вторую пару внутренних кольцевых катушек, которые с промежутками размещены концентрически во внутреннем направлении внутри внешних кольцевых катушек. Эта конфигурация разделена на низкоскоростную секцию и высокоскоростную секцию, как показано на Фигуре 45А.
[0338] Низкоскоростная секция содержит ротор 4501 низкоскоростного электродвигателя, прикрепленный к низкоскоростному валу 4502 механического выхода. Жидкометаллические щетки 4503 обеспечены для ротора 4501 низкоскоростного электродвигателя.
[0339] Высокоскоростная секция содержит ротор 4506 высокоскоростного генератора, прикрепленный к валу 4507 высокоскоростного узла, а ротор 4506 высокоскоростного генератора снабжен жидкометаллическими щетками 4508 для передачи тока. Вал 4507 высокоскоростного узла затем непосредственно управляем входом высокоскоростного генератора 4509 переменного тока для преобразования электрического переменного тока на входе в низкоскоростной высокий крутящий момент на выходе.
[0340] Путь тока показан на Фигуре 45В. В этой конфигурации путь с высоким значением тока и низким значением напряжения обеспечен между жидкометаллическими щетками 4503 на роторе 4501 низкоскоростного электродвигателя и жидкометаллическими щетками 4508 на роторе 4506 высокоскоростного электродвигателя.
Двухкаскадные конфигурации:
[0341] Униполярное электромагнитное устройство преобразования для преобразования низкоскоростного механического входа в высокоскоростной механический выход показано на Фигурах 46А и 46В. Эта конфигурация также содержит две пары стационарных сверхпроводящих катушек 4600, первую пару внешних кольцевых катушек и вторую пару внутренних кольцевых катушек, которые с промежутками размещены концентрически во внутреннем направлении внутри внешних кольцевых катушек. Эта конфигурация разделена на низкоскоростную секцию и высокоскоростную секцию, как обозначено на Фигуре 46А.
[0342] Низкоскоростной вал 4601 механического входа устанавливает ротор 4602 низкоскоростного генератора таким образом, что жидкометаллические щетки 4603 размещены между стационарными сверхпроводящими катушками 4600. Ротор 4604 высокоскоростного электродвигателя прикреплен к высокоскоростному валу 4605 механического выхода. Ротор 4604 высокоскоростного электродвигателя снабжен жидкометаллическими щетками 4606 для создания пути с низким значением напряжения и высоким значением тока между жидкометаллическими щетками 4606 на роторе 4604 высокоскоростного генератора и жидкометаллическими щетками 4603 на роторе 4602 низкоскоростного генератора. Этот путь тока показан с большими подробностями на Фигуре 46В.
[0343] Униполярное электромагнитное устройство преобразования для преобразования высокоскоростного механического входа в низкоскоростной механический выход показано на Фигурах 47А и 47В. Эта конфигурация также содержит две пары стационарных сверхпроводящих катушек 4700, первую пару внешних кольцевых катушек и вторую пару внутренних кольцевых катушек, которые с промежутками размещены концентрически во внутреннем направлении внутри внешних кольцевых катушек. Эта конфигурация разделена на низкоскоростную секцию и высокоскоростную секцию, как обозначено на Фигуре 47А.
[0344] На низкоскоростном механическом выходном валу 4701 установлен ротор 4702 низкоскоростного электродвигателя таким образом, что жидкометаллические щетки 4703 размещены между стационарными сверхпроводящими катушками 4700. Ротор 4704 высокоскоростного генератора прикреплен к высокоскоростному входному механическому валу 4705. Ротор 4704 высокоскоростного генератора снабжен жидкометаллическими щетками 4706 для создания пути тока с низким значением напряжения и высоким значением тока между жидкометаллическими щетками 4706 на роторе 4704 высокоскоростного генератора с жидкометаллическими щетками 4703 на роторе 4702 низкоскоростного генератора. Этот путь тока показан с большими подробностями на Фигуре 47В.
[0345] Устройство преобразования энергии, предназначенное для преобразования электрической входной энергии постоянного тока с низким значением напряжения в электрическую выходную энергию постоянного тока с высоким значением напряжения, показано на Фигуре 48. Эта конфигурация содержит две пары стационарных сверхпроводящих катушек 4800, первую пару внешних кольцевых катушек и вторую пару внутренних кольцевых катушек, которые с промежутками размещены концентрически во внутреннем направлении внутри внешних кольцевых катушек. Ротор 4801 электродвигателя малого диаметра прикреплен к валу 4802, который выполнен общим и к которому также прикреплен ротор 4803 генератора большего диаметра. Электродвигатель 4801 малого диаметра и генератор 4803 большего диаметра электрически изолированы посредством кольца 4804 изоляции. Кольцо изоляции также частично проходит вдоль вала 4802 внутри устанавливающего кольца генератора 4803 большого диаметра. Таким образом, электродвигатель 4801 малого диаметра и генератор 4803 большего диаметра механически прикреплены к валу, но электрически изолированы и от него и друг от друга.
[0346] Имеют место два пути тока, показанные на Фигуре 48, а именно, входной путь с высоким значением тока и с низким значением напряжения через жидкометаллические щетки электродвигателя 4801 малого диаметра и выходной путь с высоким значением напряжения и низким значением тока через жидкометаллические щетки, связанные с генератором 4803 большого диаметра.
[0347] Устройство преобразования энергии, предназначенное для преобразования электрической входной энергии постоянного тока с высоким значением напряжения в электрическую выходную энергию постоянного тока с низким значением напряжения, показано на Фигуре 49. Эта конфигурация по существу обратная конфигурации, показанной на Фигуре 48. Это устройство преобразования содержит две пары стационарных сверхпроводящих катушек 4900, первую пару внешних кольцевых катушек и вторую пару внутренних кольцевых катушек, которые с промежутками размещены концентрически во внутреннем направлении внутри внешних кольцевых катушек. Ротор 4901 генератора малого диаметра 4901 прикреплен к валу 4902, который выполнен общим и к которому также прикреплен ротор 4903 генератора большего диаметра. Электродвигатель 4901 малого диаметра и генератор 4903 большего диаметра электрически изолированы посредством кольца 4904 изоляции. Кольцо изоляции также частично проходит вдоль вала 4902 внутри устанавливающего кольца генератора 4903 большого диаметра. Таким образом, электродвигатель 4901 малого диаметра и генератор 4903 большего диаметра механически прикреплены к валу, но электрически изолированы и от него и друг от друга.
[0348] Имеют место два пути тока, показанные на Фигуре 49, а именно, входной путь с высоким значением тока и с низким значением напряжения через жидкометаллические щетки электродвигателя 4903 большого диаметра и выходной путь с высоким значением напряжения и низким значением тока через жидкометаллические щетки, связанные с генератором 4901 большого диаметра.
[0349] Устройство преобразования энергии, предназначенное для преобразования электрической входной энергии переменного тока в электрическую выходную энергию постоянного тока, показано на Фигуре 50. Эта конфигурация использует турбину 1400, показанную на Фигуре 23А (исключая третичные катушки, гасящие поле рассеяния), для преобразования электрической входной энергии постоянного тока в электрическую выходную энергию переменного тока посредством использования генератора 5000 переменного тока, соединенного с валом турбины 1400.
[0350] Устройство преобразования энергии, предназначенное для преобразования электрической входной энергии переменного тока в электрическую выходную энергию постоянного тока, показано на Фигуре 51. Эта конфигурация также использует турбину 1400, показанную на Фигуре 23А, для преобразования электрической входной энергии переменного тока, выработанной электродвигателем 5100 переменного тока, присоединенным к валу турбины 1400, в электрическую выходную энергию постоянного тока.
[0351] На Фигуре 52 показано особенно предпочтительное расположение жидкометаллической щетки, которое может найти применение в настоящем изобретении. Многие жидкие металлы, которые могут быть использованы для системы подачи тока посредством жидкометаллических щеток, требуют кондиционирования окружающей среды, например, использования инертного газа при нулевой влажности. Материалы, используемые для жидкометаллических щеток, в большинстве случаев или страдают от ухудшения характеристик или вступают в химическую реакцию при воздействии кислорода и/или влажности.
[0352] Возможное расположение уплотнения показано на Фигуре 52, где турбина/генератор 5200 как целое уплотнены в подходящем уплотненном защитном контейнере 5201, содержащем оптимальную окружающую среду для работы жидкометаллической щетки 5210. Устройство 5202 индуктивной связи может затем быть использовано для передачи выходного крутящего момента турбины/генератора 5200 через стенку защитного контейнера 5201 с выходным валом 5203, размещенным вне уплотненного защитного контейнера 5201. Стенка в области устройства 5202 индуктивной связи должна быть выполнена из непроводящего материала для устранения возможности образования вихревых токов. Существенное преимущество такого расположения состоит в устранении необходимости уплотнения на выполняющем поворот вале, которое может быть склонно к протеканию или деградации со временем.
[0353] Соответствующая система охлаждения может быть приспособлена к этому защитному контейнеру 5201 и может использовать охлаждение посредством вентилятора, систему охлаждения посредством рециркулирующей текучей среды или другие методы для поддержания турбины/генератора 5200 при стабильной температуре.
2
[0354] Защитный контейнер 5201 обеспечивает возможность узлу как целому быть уплотненным внутри окружающей среды инертного газа с давлением выше атмосферного для предотвращения деградации жидкометаллического материала или вступления его в химическую реакцию. Инертный газ может представлять собой N (Азот), аргон или любой другой подходящий инертный газ. Единственными внедрениями в уплотненную камеру могут быть постоянные токовводы и любые другие инженерные связи для систем охлаждения посредством рециркуляции жидкости или газа. Эти внедрения будут требовать только стационарных уплотнений, а не выполняющих поворот уплотнений, обычно используемых для уплотнения выходного вала.
[0355] Ротор в этом варианте реализации настоящего изобретения может также быть поддержан магнитными подшипниками для дальнейшего уменьшения потерь и требований к обслуживанию турбины/генератора 5200.
[0356] На Фигуре 53 схематически показан один возможный вариант реализации генератора 5300 согласно настоящему изобретению. При использовании функциональной возможности преобразования энергии генератора 5300 происходит преобразование входной энергии от питаемого ветром ротора 5301 в электрическую энергию постоянного тока. Эта электрическая выходная энергия постоянного тока может затем быть подана на любую силовую нагрузку, на Фигуре показанную в виде множества зданий 5302, после прохождения через устройство 5303 преобразования "постоянный ток/переменный ток". В качестве альтернативы или в комбинации с энергией, подаваемой к силовой нагрузке, некоторая часть или вся электрическая энергия постоянного тока от генератора 5300, могут быть использованы в некотором процессе, например, в процессе электролитического образования водородного газа из воды. Этот процесс, схематично показанный блоком 5304, представляет собой энергоемкий процесс, требующий для оптимальной работы высокое значение тока и низкое значение напряжения. Любой выработанный водород может быть накоплен в резервуаре 5305 для хранения водорода. После выработки водород, накопленный в резервуаре 5305 для хранения, может быть извлечен при необходимости, например, в условиях слабого ветра, когда питаемый энергией ветра ротор 5301 не создает какой-либо или достаточной электрической энергии для подачи на силовую нагрузку 5302.
1
2
1
1
1
2
2
2
1
2
1
2
[0357] На Фигурах 54 и 55 показана разновидность ранее представленного многокаскадного варианта реализации, включающая изменение гасящих поле катушек, показанных на Фигурах 39А и 39В. Этот вариант реализации настоящего изобретения содержит низкоскоростной каскад 5400 электродвигателя с центральным валом 5401 и парой роторов 5402, 5402, размещенных с обоих концов. Один из роторов 5402 размещен внутри зазора 5403 между парой внешних сверхпроводящих катушек возбуждения с положительным током 5404, а другой ротор 5402 размещен внутри зазора 5403 между парой внешних сверхпроводящих катушек возбуждения с отрицательным током 5404 для обеспечения возможности размещения внешних щеток 5406, 5406 соответствующих роторов внутри областей нулевого поля, образованных внутри зазоров 5403, 5403.
1
[0358] Каскад 5407 высокоскоростного электродвигателя размещен рядом с ротором 5402. Промежуточный каскад 5408 высокоскоростного генератора размещен рядом с каскадом 5407 высокоскоростного электродвигателя и механически присоединен к нему, но электрически изолирован от него.
[0359] В варианте, показанном на Фигурах 54 и 55, был удален самый внутренний набор гасящих поле катушек вокруг соединительного вала низкоскоростного ротора, которые были выполнены в варианте реализации настоящего изобретения, показанном на Фигурах 37А и 37В. Внутренние гасящие поле катушки были изменены для создания необходимых областей нулевого поля. Как показано, средняя гасящая поле катушка 5409 из набора из трех гасящих поле катушек (катушки положительного тока) была смещена в осевом направлении от набора 5410 внутренних гасящих поле катушек и от набора 5411 внешних гасящих поле катушек (катушки отрицательного тока). Внутренние гасящие поле катушки 5410 отрицательного тока были расширены с зазором, введенным между ними для расширения области с нулевым магнитным полем. Внутренний гасящий поле соленоид (из 5410), ближайший к высокоскоростному промежуточному каскаду 5408 генератора, имеет увеличенное количество витков и толщину для компенсации увеличенной интенсивности магнитного поля, которая должна быть погашена в этой области.
[0360] Как и ранее, каждая из сверхпроводящих катушек выполнена внутри криогенной оболочки 5414.
[0361] Пути тока показаны на Фигуре 55 и включают путь 5416 с низким значением напряжения и высоким значением тока через барабан ротора и промежуточный каскад 5408 высокоскоростного генератора и путь 5417 с высоким значением напряжения и низким значением тока через каскад 5407 высокоскоростного электродвигателя.
[0362] На Фигурах 56-58 показано распределение поля для указанного варианта в показанных областях 5420 нулевого поля с интенсивностью ниже 0,2 Тл. Увеличенная область нулевого поля, созданная посредством изменения внутренних гасящих поле катушек, особенно хорошо показана на Фигуре 58.
[0363] Существует множество других ситуаций, в которых подача электрической энергии с высоким значением тока и с низким значением напряжения особенно полезна, в частности, гальванопластика, электролитическое осаждение, плавление алюминия, выработка водородного топлива, преобразование "переменный ток/постоянный ток", электромагнитные коробки передач, ветряные турбины, а также оборонные приложения, такие как рельсовая электромагнитная пушка или кинетическое оружие.
[0364] Устройства, такие, как описаны ранее, могут быть использованы с устройствами уравнивания крутящего момента, такими как показаны на Фигурах 59-61. На Фигуре 59 показано устройство уравнивания крутящего момента, обеспечивающее возможность уменьшения или увеличения скорости, используемое совместно с вариантом реализации настоящего изобретения, показанным на Фигурах 23А и 24А, в отношении к паре турбин, выполняющих поворот в противоположных направлениях.
[0365] Устройство уравнивания крутящего момента в частности показано на Фигуре 60. На этой Фигуре система 6000 уравнивания крутящего момента содержит входное коническое зубчатое колесо 6001, набор двойных ведущих шестерен 6002 и выходное коническое зубчатое колесо 6003. Входное коническое зубчатое колесо 6001 вместе с внешней ведущей шестерней 6004 из ряда двойных ведущих шестерен 6002 выполняют сцепление с первым отношением передачи, а внешняя ведущая шестерня 6005 из ряда двойных ведущих шестерен 6002 выполняют сцепление со вторым отношением передачи, отличным от первого отношения передачи. Соответствующими отношениями передачи можно управлять для обеспечения изменения полной частоты поворота между входным коническим зубчатым колесом 6001 и выходным коническим зубчатым колесом 6003, увеличивая или уменьшая, тем самым, скорость поворота вала. Устройство 6006 преобразования крутящего момента с ведущей шестерней, обеспечивающей несколько значений отношения передачи, снабжено системой уравнивания крутящего момента для обеспечения уменьшения скорости. Устройство 6006 преобразования и система 6000 уравнивания крутящего момента работают на аналогичных принципах и используют аналогичные компоненты.
[0366] На Фигурах 62 и 63 показаны конструкция и компоненты генератора с противоположным направлением поворота, основанного на турбинной технологии настоящего изобретения. Этот генератор предназначен для использования в ветряной турбине, использующей пару лопастей ветряной турбины, выполняющих поворот в противоположных направлениях.
[0367] Использование лопастей турбины, выполняющих поворот в противоположных направлениях, обеспечивает возможность ветряному электродвигателю более эффективно извлекать энергию ветра в пределах заданной площади. В этих конфигурациях каждая сторона генератора с противоположными направлениями поворота (названных каскадом А 6201 и каскадом В 6202, соответственно) может работать и вырабатывать электроэнергию независимо. Эта конструкция соединяет секцию 6201 каскада с мощностью в несколько МВт с секцией 6201 каскада В с мощностью в несколько МВт.
[0368] Генератор турбины, показанный на Фигуре 62, содержит две независимых секции генератора, обеспечивающие возможность противоположных направлений входного крутящего момента, как показано. Направление 6203 входного крутящего момента каскада А противоположно направлению 6204 входного крутящего момента каскада В. На Фигуре 63 показаны основные компоненты генератора ветряной турбины с противоположными направлениями поворота, показанного на Фигуре 62. Каскады с прямым и обратным поворотом обозначены как "А" и "В".
А
В
А
В
А
B
A
B
А
B
А
B
А
B
[0369] Как в предыдущих вариантах реализации настоящего изобретения и как показано, в частности, на Фигуре 63, каждый каскад содержит пару внешних сверхпроводящих катушек 6301, между которыми размещена часть ротора 6302, 6302 низкоскоростного генератора. Каждый каскад также содержит ротор 6303, 6303 высокоскоростного генератора и секцию 6304, 6304 высокоскоростного электродвигателя, а также набор внутренних гасящих поле катушек 6305, 6305 для создания областей нулевого поля, внутри которых размещены части роторов. Высокоскоростной генератор 6303, 6303 и высокоскоростной электродвигатель 6304, 6304 каждого каскада механически соединены, но электрически изолированы друг от друга посредством изоляции 6306, 6306, лучше всего показанной на Фигуре 64.
[0370] Другое изменение, связанное с этой конструкцией, представляет собой изменение радиального положения самой внутренней щетки каскада высокоскоростного генератора для совпадения с наиболее удаленной щеткой каскада высокоскоростного электродвигателя. Это изменение положения щетки оказывает минимальное воздействие на напряжение, выработанное высокоскоростным каскадом, создавая дополнительное пространство для самых внутренних соединительных проводов щетки с высоким значением тока. Это изменение положения может также быть применено ко многим из ранее описанных вариантов реализации настоящего изобретения.
[0371] Механическая и/или тепловая связь между внешними сверхпроводящими катушками возбуждения может быть выполнена в зазоре между роторами каскада А и каскада В.
[0372] Предпочтительные пути тока с высоким и низким значениями тока внутри независимых каскадов с противоположными направлениями поворота показаны на Фигуре 64.
А
B
А
B
А
B
[0373] При необходимости каскады 6302, 6302 ротора низкоскоростного генератора могут также быть направлены за пределы каскадов 6303, 6303 ротора высокоскоростного генератора, заключая посредством этого в оболочку внутренние гасящие поле катушки 6305, 6305 и входя во внутренний набор катушек со стороны, противоположной той, что показана на Фигуре 64. Это может обеспечить более легкую связь с элементами ввода крутящего момента.
А
B
А
B
[0374] На Фигурах 65-68 показан набор распределений полей, построенных посредством программного обеспечения "Vector Fields Opera 3D" для иллюстрации областей с высокой и низкой напряженностью магнитного поля. Такая конструкция наиболее удаленных катушек отлична от предыдущей конструкции, поскольку внутренняя пара 6702, 6702 внешних катушек выполнена более широкой в поперечном сечении, чем внешняя пара 6701, 6701 внешних катушек, как это лучше всего показано на Фигуре 67. Отношение между этими ширинами катушек составляет примерно 4:1, хотя может быть необходимость в регулировке этого отношения, если использована существенно отличная геометрия. Это изменение формы катушек помогает образовать более высокую напряженность поля посредством отверстия соленоида возбуждения при сохранении большой пригодной к использованию области 6500 с нулевым магнитным полем между внутренней и внешней парами катушек. Другой побочный эффект состоит в уменьшении величины силы внутренней катушки по сравнению с предыдущими конструкциями внешней катушки в виде тонкого соленоида. Это изменение геометрии катушки может также быть применено ко многим из ранее описанных вариантов реализации настоящего изобретения, включая те, что использованы в системе морского контейнера.
А
B
А
B
B
1
[0375] На Фигуре 65 показан общий вид системы катушки, используемой в генераторе турбины, показанном на Фигуре 62. Области, ограниченные произвольными светло-зелеными линиями, представляют собой области с напряженностью поля ниже 0,2 Тл (области 6500 нулевого поля). На Фигуре 66 показано половинное сечение узла катушки, используемой в турбине. Векторы поля показаны в этом изображении для указания на направление магнитного поля. На Фигуре 67 показан вид в разрезе узла внешней катушки, показанной на Фигурах 65 и 66 и ясно показывающий отличие отношений длины к ширине между внутренней парой 6702, 6702 из набора внешних катушек и внешней парой 6701, 6701 из набора внешних катушек. На Фигуре 68 показан подробный вид в разрезе для узла 6305 внутренней катушки, показанного на Фигурах 65-67, демонстрирующий небольшое смещение внешних радиальных областей 6500 нулевого поля, предназначенных для заключения в оболочку щеток каскада высокоскоростного электродвигателя (нижняя область) и каскада ротора (верхняя область).
[0376] Еще одно изменение показано на Фигуре 69. Показанная конструкция представляет собой конструкцию с номинальной мощностью в несколько МВт с одной поворотной лопастью ветряной турбины. Основные компоненты весьма похожи на ранее описанные конструкции ветряных турбин, начиная, в частности, с Фигуры 62. Основные отличия включают использование пересмотренных отношений сторон внешних катушек, а также изменение конструкции вторичных каскадов электродвигателя и генератора таким образом, что гасящие поле катушки размещены на одной боковой стороне каскадов электродвигателя и генератора. Это обеспечивает возможность большего доступа к низкоскоростному ротору для подсоединения вала ветряной турбины. И высокоскоростной и низкоскоростной роторы выходят из боковой стороны узла внешней катушки для обеспечения возможности лучшей механической поддержки внешних катушек.
[0377] Как и раньше, этот вариант реализации настоящего изобретения содержит набор внешних сверхпроводящих катушек 6901, между которыми размещены часть высокоскоростного ротора 6902 генератора и часть низкоскоростного ротора 6903 генератора. Имеет место секция 6904 высокоскоростного электродвигателя, а также набор внутренних гасящих поле катушек 6905 для создания области 6906 нулевого поля, внутри которой размещены контакты щеток. Пути тока с высоким и низким значениями напряжения показаны на Фигуре 70. Как и раньше, высокоскоростной ротор 6903 генератора механически соединен с секцией 6904 высокоскоростного электродвигателя, но электрически изолирован от нее посредством изоляционной втулки 6907.
[0378] На Фигуре 71 показан общий вид распределения поля для изменения, показанного на Фигуре 69. На Фигуре 72 показана половина сечения распределения поля для устройства непосредственного возбуждения с векторами поля, приведенными для указания направления поля. Распределение поля для узла 6901 внешней катушки при изменении непосредственного возбуждения показано на Фигуре 73 с областью, окруженной свободной линией, и представляющую собой область с напряженностью поля ниже 0,2 Тл (область 6906 нулевого поля). Распределение поля, показанное на Фигуре 74, имеет отношение к узлу 6905 внутренних гасящих поле катушек устройства непосредственного возбуждения с областями, ограниченными свободными линиями, представляющими собой области с напряженностью поля ниже 0,2 Тл (области 6906 нулевого поля).
[0379] Разновидность конструкции, показанная на Фигуре 75, представляет собой разновидность генератора ветряной турбины мощностью в несколько мегаватт, где каскад 7502 низкоскоростного ротора генератора выходит через противоположный зазор в расположении катушек. Это показано как альтернативный путь для низкоскоростного ротора. Обычно (и как ранее описано) все пути, которые ротор может предпринять между двумя областями нулевого поля, действительны и будут приводить к похожим, если не идентичным, значениям (интеграл по цепи напряжения/радиан/сек). Механическая и/или тепловая связь между внешними сверхпроводящими катушками возбуждения может быть выполнена в зазоре между низкоскоростным ротором генератора и высокоскоростным ротором генератора.
[0380] Как и раньше, этот вариант реализации настоящего изобретения содержит набор внешних сверхпроводящих катушек 7501, между которыми размещены часть высокоскоростного ротора 7503 генератора и часть низкоскоростного ротора 7502 генератора. Имеет место секция 7504 высокоскоростного электродвигателя, а также набор внутренних гасящих поле катушек 7505 для создания областей нулевого поля, в которых размещена часть электродвигателя. Как и раньше, высокоскоростной ротор 7503 генератора механически соединен с секцией 7504 высокоскоростного электродвигателя, но электрически изолирован от нее изолирующей втулкой 7506. Пути тока с высоким и низким значениями тока показаны на Фигуре 76.
[0381] На Фигуре 77 показано распределение поля для разновидности конструкции генератора ветряной турбины с мощностью в несколько мегаватт. Векторы поля указывают на направление магнитного поля. Области, окруженные линией свободной формы, представляют собой области с напряженностью поля ниже 0,2 Тл (область 7507 нулевого поля).
[0382] Еще одна разновидность, показанная на Фигуре 78, представляет собой конструкцию с противоположными направлениями поворота, где начальные низкоскоростные каскады соединены последовательно и подают электропитание в одну комбинацию высокоскоростных электродвигателя/ротора. Это в свою очередь приводит к одному высокому напряжению на выходе. Устройство 7801 выравнивания крутящего момента включено в эту конструкцию для синхронизации количества оборотов в минуту и значения крутящего момента, создаваемого низкоскоростными роторами генератора с противоположными направлениями поворота. Эта синхронизация предпочтительна для обеспечения правильной работы генератора.
[0383] Хотя разновидность, иллюстрируемая на Фигуре 78, показана с роторами, соединенными последовательно, для специалистов в данной области техники очевидно, что роторы также могут быть легко соединены параллельно.
[0384] Как и раньше, конфигурация содержит набор внешних сверхпроводящих катушек 7802 возбуждения, между которыми размещены часть низкоскоростного ротора 7803 генератора Каскада А и низкоскоростной ротор 7804 генератора каскада В. Имеют место высокоскоростной ротор 7805 генератора и высокоскоростной электродвигатель 7806, а также набор высокоскоростных гасящих поле катушек 7807 и набор гасящих поле катушек 7808 низкоскоростного промежуточного каскада для создания областей нулевого поля, внутри которых размещены жидкометаллические щетки.
[0385] На Фигуре 80 показана в увеличенном масштабе Фигура 79, где показаны детали устройства выравнивания (крутящего момента/количества оборотов в минуту) и относительные направления приложенного входного крутящего момента для каскада А 8001 и каскада В 8002. Как и раньше, высокоскоростной ротор 7805 генератора механически соединен с секцией 7806 высокоскоростного электродвигателя, но электрически изолирован от нее изолирующей втулкой 7819. Пути тока с высоким и низким значениями тока для этого варианта реализации настоящего изобретения показаны на Фигуре 81.
[0386] Генераторы ветряной турбины могут также быть выполнены в виде барабанной турбины. Первая из конструкций типа барабана, показанных на Фигуре 82, содержит элемент 8201 низкоскоростного генератора типа барабана, который электрически соединен с элементом 8202 высокоскоростного двигателя типа барабана, который размещен при меньшем значении радиуса, чем низкоскоростной генератор 8201. Элемент 8202 электродвигателя механически соединен с секцией 8203 высокоскоростного генератора, которая обеспечивает заключительную выходную энергию постоянного тока с высоким значением напряжения. Внутренние гасящие поле наборы 8204 сверхпроводящих катушек создают области нулевого поля, необходимые для щеток элемента 8202 высокоскоростного электродвигателя. Как и раньше, имеют место внешние сверхпроводящие катушки 8205 возбуждения, предназначенные для передачи поворота в конфигурации барабана. Пути тока с высоким и низким значением напряжения для этого варианта реализации настоящего изобретения показаны на Фигуре 83. Элемент 8203 высокоскоростного генератора механически соединен с элементом 8202 высокоскоростного электродвигателя, но электрически изолирован от него узлом 8206 изоляции.
[0387] Специалистам в данной области техники очевидно, что каскады устройства преобразования энергии типа барабана могут также быть легко использованы независимо от низкоскоростного ротора для других потребностей преобразования энергии тем же самым образом, как радиальные каскады устройства преобразования энергии могут быть разделены и использованы независимо.
[0388] На Фигуре 84 показан общий вид распределения поля для разновидности, показанной на Фигуре 82. Местоположение внутренних гасящих поле катушек 8204, образующих внутренние области 8207 нулевого поля, показано на этом изображении.
[0389] На Фигуре 85 показана область 8601 нулевого поля в центре внешних катушек 8205 возбуждения в варианте реализации типа барабана, показанном на Фигуре 82. Выделенная цветом область имеет напряженность поля достаточно низкую для обеспечения возможности размещения жидкометаллических щеток.
[0390] На Фигуре 86 показаны векторы главного поля возбуждения, выработанного внешними катушками 8205 возбуждения вдоль элемента барабана, а на Фигуре 87 показаны векторы поля в области вокруг внутренних гасящих поле катушек 8204 и секции 8202 высокоскоростного электродвигателя.
[0391] Турбины в виде барабана могут также быть построены при использовании устройства преобразования энергии радиального стиля. Разновидность конструкции, показанная на Фигуре 88, содержит это устройство преобразования электромагнитной энергии радиального стиля для получения заключительной выходной энергии генератора. Этот вариант реализации настоящего изобретения содержит элемент 8801 низкоскоростного генератора в стиле барабана и высокоскоростной ротор 8802 генератора. Внешние сверхпроводящие катушки 8404 возбуждения выполнены для возбуждения элемента 8801 низкоскоростного генератора. Элемент 8803 высокоскоростного электродвигателя механически соединен с высокоскоростным ротором 8802 генератора, но электрически изолирован от него изоляционной втулкой 8806. Набор внутренних сверхпроводящих гасящих поле катушек 8805 выполнен для образования областей с нулевым полем, в которых размещены щетки переноса тока высокоскоростного ротора 8802 генератора и элемент 8803 высокоскоростного электродвигателя. Пути тока с высоким и низким значением напряжения для этого варианта реализации настоящего изобретения показаны на Фигуре 89.
[0392] Конструкции из двух катушек, которые были описаны выше, могут также быть распространены на конструкцию из трех катушек. Эта конструкция имеет преимущество удвоения длины низкоскоростного генератора (и увеличения, таким образом, выработанных напряжения/энергии) посредством использования коаксиальной пары роторов 9001, 9002 низкоскоростного генератора без удвоения необходимой длины сверхпроводящего провода.
[0393] В этой конструкции, показанной на Фигуре 90, роторы 9001 и 9002 из секции низкоскоростного генератора электрически соединены последовательно, механически соединены друг с другом и выполняют поворот в одинаковом направлении. Для специалиста в данной области техники очевидно, что эти элементы могут быть соединены сквозным образом с возможностью противоположного поворота (хотя и с добавлением устройства выравнивания (крутящего момента/числа оборотов в минуту) для синхронизации генераторов). В качестве альтернативы роторы 9001 и 9002 могут быть соединены параллельно, причем выработанный ток может быть извлечен с обоих концов и с комбинированной щетки в средней точке.
[0394] Этот пример показывает использование устройства преобразования электромагнитной энергии в стиле барабана, как описано со ссылкой на Фигуру 82. В этом варианте реализации настоящего изобретения, показанном на Фигуре 90, элемент 9003 высокоскоростного генератора размещен концентрически внутри низкоскоростного ротора 9002 генератора. Каскад 9004 высокоскоростного электродвигателя механически соединен к элементом 9003 высокоскоростного генератора, но электрически изолирован от него посредством изолирующего узла 9005. Внутренние сверхпроводящие гасящие поле катушки 9006 выполнены для образования областей нулевого поля, в которых можно разместить щетки переноса тока. Множественные внешние сверхпроводящие катушки 9007 возбуждения выполнены для возбуждения низкоскоростных роторов 9001, 9002 генератора.
[0395] Пути тока с высоким и низким значением тока для этого варианта реализации настоящего изобретения показаны на Фигуре 91. Низкоскоростные роторы 9001 и 9002 в этой конфигурации соединены последовательно и выполняют поворот в одинаковом направлении, хотя также возможны повороты в противоположных направлениях и параллельные соединения.
[0396] Общее распределение поля показано на Фигуре 92. Области, которые ограничены линиями свободной формы, представляют собой области, внутри которых (или вне который) жидкометаллические или другие переносящие ток щетки могут быть размещены и работать оптимальным образом.
[0397] Любая описанная здесь конструкция может также работать с выполняющим поворот криостатом и сверхпроводящими катушками, а не с постоянным криостатом и обычно описываемыми катушками. Суть парадокса Фарадея состоит в том, что описанные генераторы или электродвигатели будут работать, когда индукторные катушки будут или стационарными или выполняющими поворот с ротором. Основное требование состоит в относительном перемещении между ротором и внешней стационарной электрической цепью.
[0398] Также было выполнено еще одно усовершенствование описанной выше турбины. Существенное отличие этого усовершенствования состоит в одностороннем пути тока. В оригинальных конструкциях ток протекал к центральной жидкометаллической щетке большого диаметра или от нее к двум токосъемным устройствам, размещенным на любом конце устройства. В усовершенствованной конструкции электрический ток течет к местоположению одного токосъемного устройства на одном конце устройства. На другом конце удалена гасящее поле катушка и пространство использовано для ввода-вывода крутящего момента. Удаление одной из гасящих поле катушек с одной стороны электродвигателя/генератора способно обеспечить возможность использования легкого вала ввода-вывода. Остающаяся на валу гасящая поле катушка, необходимая для образования области с нулевым магнитным полем в зоне контакта жидкометаллической щетки, может быть выполнена посредством использования одной или большего количества гасящих поле катушек. Пример первоначальной турбины показан на Фигуре 93А, и усовершенствованная конструкция показана на Фигуре 93В.
[0399] Другие модификации, содержащиеся в этом варианте реализации настоящего изобретения, содержат:
a) Увеличенное расстояние между главными катушками 9401 возбуждения. Это приводит к значительному уменьшению силы, действующей между катушками.
b) Двойное значение рабочего тока при использовании более широкого контакта и увеличенной толщины 9402 ротора, что фактически составляет 2 ротора при сравнении с первоначальными конструкциями. Увеличенный рабочий ток также обеспечивает возможность уменьшенного полного диаметра при той же самой энергии, что также уменьшает необходимую длину сверхпроводящего провода.
c) При допустимости этого гасящие поле катушки 9403 вала могут быть сдвинуты ближе к центру устройства и уменьшать полную длину, а также быть размещены только на одной стороне.
d) Вал ввода-вывода (не показан) для ротора 9402, размещенный только на одной стороне.
e) Увеличенная ширина щетки 9405 передачи тока обеспечивает возможность прохождения увеличенного тока через ротор.
[0400] Распределение поля на Фигуре 95 показывает типичную схему катушек и области нулевого поля для усовершенствованной турбины. Это также выполнимо для конструкций с меньшим диаметром, поскольку внешние гасящие поле катушки могут быть удалены полностью, как показано в распределении поля, показанном на Фигуре 96.
[0401] Многие из альтернативных расположений, описанных со ссылками на Фигуру 62 и сопутствующие Фигуры, могут также быть применены к конструкции (электромагнитное устройство преобразования/низкоскоростной электродвигатель). Изменение соотношений сторон главных катушек возбуждения и внешних гасящих поле катушек может приводить к более низкому значению полного диаметра для электромагнитного устройства преобразования, как показано на Фигуре 97. Основная схема расположения содержит высокоскоростной генератор 9701, механически соединенный с секцией 9702 высокоскоростного электродвигателя, но электрически изолированный от нее изоляционной прокладкой 9705. Высокоскоростной генератор 9701 электрически связан с секцией 9703 низкоскоростного электродвигателя. Также имеет место выходной вал 9704. Основные катушки возбуждения узла 9706 сверхпроводящей катушки возбуждения с точки зрения отношения сторон больше похожи на соленоид (как подробно описано выше), а не на плоскую форму, используемую в других вариантах реализации настоящего изобретения.
[0402] Половина картины распределения поля для этого варианта реализации настоящего изобретения показана на Фигуре 98. Области 9801 нулевого поля (интенсивность ниже 0,2 Тл) ограничены линиями свободной формы.
[0403] Эта альтернативная конструкция катушек может также быть применена ко многим другим конструкциям, включая гибридную (барабанную/радиальную) конструкцию (электродвигатель/электромагнитное устройство преобразования), показанную на Фигуре 99 вместе с соответствующим распределением поля, показанным на Фигуре 100. Этот вариант реализации настоящего изобретения содержит низкоскоростной электродвигатель 9900 барабанного типа, выходной вал 9901 и высокоскоростной радиальный электродвигатель 9902, механически соединенные с высокоскоростным радиальным генератором 9903, но электрически изолированные от него изоляционной прокладкой 9904.
[0404] Половина картины распределения поля для этого варианта реализации настоящего изобретения показана на Фигуре 100. Области 10001 нулевого поля (интенсивность ниже 0,2 Тл) ограничены линиями свободной формы.
[0405] В еще одной разновидности, показанной на Фигуре 101, два ротора 10100 эффективно размещены на внешней стороне главных катушек 10101 возбуждения, которые сдвинуты вместе. Таким образом поле эффективно используют дважды. Главные катушки 10101 выполнены, как показано, без зазора между ними. Роторы 10100 размещены вне главных катушек возбуждения. Роторы механически соединены вместе, но электрически изолированы друг от друга посредством изоляционного соединителя 10102. Также, как показано, были добавлены дополнительные гасящие поле катушки 10103 для создания необходимых областей нулевого поля для контактов предпочтительных жидкометаллических щеток. Распределение поля для этого варианта реализации настоящего изобретения показано на Фигуре 102 с указанными областями 10104 нулевого поля.
[0406] Еще одна разновидность показана на Фигуре 103. В этом случае два ротора или двойной ротор 10300 должны быть размещены между тремя наборами главных катушек 10301 возбуждения и присоединены параллельно к общему валу и ток должен быть снят с одного конца (как показано) или с обоих концов, если дополнительные гасящие поле катушки были добавлены на другом конце. Распределение поля для этого варианта реализации настоящего изобретения показано на Фигуре 104 с указанными областями 10302 нулевого поля.
[0407] Еще одно изменение односторонней конструкции представляет собой двухстороннюю конструкцию с двумя роторами 10500 и двумя наборами размещенных на валу гасящих поле катушек 10501, как показано на Фигуре 105. Роторы механически соединены, но электрически изолированы друг от друга.
[0408] Другие изменения односторонней конфигурации состоят в альтернативных форме ротора, положении и схеме криостата, как показано на Фигурах 106 и 107.
[0409] На Фигуре 108 показано изображение распределения магнитного поля для дискового устройства радиального типа, подобного показанному на Фигурах 23А и 23В, но без третичных гасящих поле катушек. Внешняя линия представляет собой линию "5 Гаусс" устройства, которая отмечает границу областей с более высокими и более низкими интенсивностями поля. Внутренняя линия представляет собой границу зоны, внутри которой поле выше 200 Гауссов, за исключением областей нулевого поля для жидкометаллических щеток, которые не видны при таком выборе шкалы. Устройство, вырабатывающее это распределение поля, не использует активную экранировку.
[0410] На Фигуре 109 показано изображение распределения магнитного поля для устройства, показанного на Фигурах 23А и 23В, использующего активную экранировку посредством двух (третичных) экранировочных катушек. Как и раньше, внешняя линия представляет собой линию "5 Гаусс" устройства, которая отмечает границу областей с более высокими и более низкими интенсивностями поля. Внутренняя линия представляет собой границу зоны, внутри которой поле выше 200 Гауссов, за исключением областей нулевого поля для жидкометаллических щеток, которые не видны при таком выборе шкалы. Отметим сравнительное уменьшение осевого и радиального смещений линии "5 Гаусс" по сравнению с показанным на Фигуре 108.
[0411] На Фигуре 110 показано изображение распределения магнитного поля для устройства, показанного на Фигурах 23А и 23В, но модифицированного так, чтобы использовать активную экранировку посредством четырех катушек экранировки. Внешняя линия представляет собой линию "5 Гаусс" устройства, которая отмечает границу областей с более высокими и более низкими интенсивностями поля. Внутренняя линия представляет собой границу зоны, внутри которой поле выше 200 Гауссов, за исключением областей нулевого поля для жидкометаллических щеток, которые не видны при таком выборе шкалы. Отметим сравнительное уменьшение осевого и радиального смещений линии "5 Гаусс" по сравнению с показанным на Фигуре 108.
[0412] На Фигуре 111 показан вид в разрезе устройства согласно Фигурам 23А и 23В, но модифицированного так, чтобы использовать в общей сложности четыре активных гасящих поле катушки в контексте радиального устройства типа диска, которое вырабатывает изображение распределения магнитного поля, показанное на Фигуре 110. В этом устройстве предложена пара внешних активных гасящих поле рассеяния катушек 1111, а также пара внутренних активных гасящих поле рассеяния катушек 1112.
[0413] На Фигуре 112 показано изображение распределения магнитного поля, показывающее линии "5 Гаусс" и "200 Гаусс" для осевого устройства барабанного типа, подобного показанному на Фигуре 82, но без использования активных гасящих поле катушек.
[0414] На Фигуре 113 показано изображение распределения магнитного поля, показывающее линии "5 Гаусс" и "200 Гаусс" для осевого устройства барабанного типа, подобного показанному на Фигуре 82 с использованием двух активных гасящих поле катушек. Эта Фигура при сравнении с Фигурой 112 показывает значительное уменьшение областей, окруженных границами " 5 Гаусс" и "200 Гаусс".
[0415] На Фигуре 114 показан вид в разрезе устройства, вырабатывающего поле, показанное на Фигуре 113, с указанием размещения двух дополнительных активных гасящих поле катушек 1141.
[0416] На Фигуре 115 показаны линии "5 Гаусс" и "200 Гауссов" для осевого устройства барабанного типа, подобного показанному на Фигуре 82, модифицированного для размещения четырех активных гасящих поле катушек. Как и раньше, эта Фигура при сравнении с Фигурой 112 показывает значительное уменьшение областей, окруженных границами "5 Гаусс" и "200 Гаусс".
[0417] На Фигуре 116 показан вид в разрезе устройства, вырабатывающего поле, показанное на Фигуре 115, с указанием размещения четырех дополнительных активных гасящих поле катушек. В этом устройстве использована пара активных гасящих поле рассеяния катушек 1161 большего диаметра, а также пара активных гасящих поле рассеяния катушек 1162 меньшего диаметра.
[0418] На Фигуре 117 показаны линии "5 Гаусс" и "200 Гауссов" для многокаскадного дискового устройства радиального типа, подобного показанному на Фигуре 69 без активной экранировки. Внешняя линия представляет собой линию "5 Гаусс" устройства, которая отмечает границу областей с более высокими и более низкими интенсивностями поля. Внутренняя линия представляет собой границу области, внутри которой поле выше 200 Гауссов, за исключением областей нулевого поля для жидкометаллических щеток, которые не видны при таком выборе шкалы. Вышеупомянутое устройство не использует активную экранировку.
[0419] На Фигуре 118 показаны линии "5 Гаусс" и "200 Гаусс" для многокаскадного дискового устройства радиального типа, подобного показанному на Фигуре 69 с активной экранировкой, использующей две катушки 1181 экранировки. Как и на предыдущих Фигурах, внешняя линия представляет собой линию "5 Гаусс" устройства, которая отмечает границу областей с более высокими и более низкими интенсивностями поля. Внутренняя линия представляет собой границу зоны, внутри которой поле выше 200 Гауссов, за исключением областей нулевого поля для жидкометаллических щеток, которые не видны при таком выборе шкалы. Вышеупомянутое устройство использует активную экранировку, используя две катушки экранировки и сравнительное уменьшение осевого и радиального сдвига линии "5 Гаусс" совершенно очевидно.
[0420] На Фигуре 119 показан вид в разрезе устройства, вырабатывающего поле возбуждения, показанное на Фигуре 118, с указанием размещения двух дополнительных катушек 1181 экранировки.
[0421] На Фигуре 120 показан изометрический вид узла основного диска поворота и вала с внешним кольцом в форме якоря, образующим одну половину узла жидкометаллической щетки согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения. Ведомый проводящий выходной вал 120А установлен для поворота вокруг подшипниковых узлов 120В. На вале 120А закреплен диск 120С ведущего ротора для поворота вместе с валом 120А. Внешняя часть 120D диска 120С ведущего ротора, образующая внутреннюю проводящую поверхность предпочтительного узла жидкометаллической щетки, выполнена из материала, отличного от материала диска 120С ротора, в этом случае из меди. Она также имеет форму якоря, вытянутого в радиальном направлении.
[0422] На Фигуре 121 показан изометрический вид в сечении для полного ротора и обоих (внутреннего и внешнего) узлов жидкометаллической щетки согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения, включая стенки контейнера для жидкометаллического материала. Согласно этой конфигурации поворотный вал 121А установлен между парой электрически изолированных точек 121В установки вала. На выполняющем поворот вале 121А установлен поворотный диск 121С, содержащийся внутри стационарного жидкометаллического защитного контейнера 121D. Внешнее кольцо 121Е подачи/съема тока размещено рядом с выполняющим поворот диском 121С, а внутреннее кольцо 121F подачи/съема тока размещено на одном боковом конце поворотного вала 121А. Оба из этих колец подачи/съема тока содержат узлы жидкометаллических щеток для подачи/съема тока. Внутреннее кольцо подачи/съема тока также размещено внутри стационарного защитного контейнера 121G для жидкого металла.
[0423] На Фигуре 122 показан передний вертикальный вид в разрезе для конфигурации, показанной на Фигуре 121. Эта Фигура ясно показывает керамические подшипники 122А, установленные на кольцевых уплотнителях для учета теплового расширения. Как и раньше, на выполняющем поворот валу 121А установлен поворотный узел 121С диска, содержащий узел 122В внешней жидкометаллической щетки, предназначенный для подачи/съема тока. На выполняющем поворот валу 121А также установлен узел 122С внутренней жидкометаллической щетки на его одном боковом конце, что обеспечивает возможность прохождения электрического тока через поворотный вал 121А и поворотный узел 121С диска.
[0424] На Фигуре 123 показан подробный вид внешнего узла жидкометаллической щетки, показанного на Фигуре 122. В этой конфигурации поворотный диск 123А выполнен из алюминия, а внешнее кольцо поворотного диска (который также образует поворотное внутреннее кольцо 123В узла жидкометаллической щетки) образовано как медное приспособление с удлиненным якорем 123С. Поворотное внутреннее кольцо 123В прикреплено к поворотному диску 123А посредством определенного количества элементов 123D крепления. Стационарное внешнее кольцо 123Е узла жидкометаллической щетки представляет собой состоящее из двух частей кольцо, обеспечивающее возможность сборки стационарного внешнего кольца 123Е поверх поворотного внутреннего кольца 123В с целью создания между ними по существу U-образной канавки для содержания жидкого металла, предназначенного для передачи тока. Краны заполнения и порты 123F датчиков выполнены для обеспечения возможности инжекции жидкого металла 123G в по существу U-образную канавку. Весь узел размещен внутри стенок 123Н защитного контейнера для жидкого металла для предотвращения потерь жидкого металла 123G при простое устройства.
[0425] На Фигуре 124 показан подробный вид внутреннего узла жидкометаллической щетки, показанного на Фигуре 122. Эта конфигурация во многих отношениях подобна конфигурации, показанной на Фигуре 123. Как и раньше, поворотный вал 124D установлен для выполнения поворота при использовании электрически изолированной точки 124Н крепления и керамических подшипников 1241, укрепленных на кольцевых уплотнителях для учета теплового расширения. Внешняя часть вала 124D обеспечивает крепление для внутреннего кольца 124С узла жидкометаллической щетки. Внутреннее кольцо 124С выполнено из меди и прикреплено к предпочтительно алюминиевому поворотному валу 124D посредством одного или большего количества элементов 124Е крепления. Как и раньше, имеет место состоящее из двух частей стационарное внешнее кольцо 124А, размещенное относительно внутреннего кольца 124С для выполнения по существу U-образной канавки для получения жидкого металла с образованием контакта 124В. Защитный контейнер 124F для жидкометаллической щетки содержит узел жидкометаллической щетки, а круговое уплотнение 124G из текучей среды выполнено для предотвращения потерь жидкого металла 124В при простое устройства.
[0426] На Фигуре 125 показан вид в разрезе для предпочтительного варианта реализации поворотного узла диск/вал, показывающий расширенное сечение диска. В этой конфигурации поворотный диск 125А снабжен секцией 125В диска, расширяющейся к основанию диска 125А, то есть, к тому месту, где диск 125А установлен на поворотный вал 125С. Выполнена пара канавок 125D для сбора жидкого металла, по одной на каждой боковой стороне поворотного диска 125А, предназначенных для сбора жидкого металла, протекающего от узла жидкометаллической щетки при простое устройства. В качестве альтернативы конусообразная секция 125В диска может быть подрезана для улучшения сбора текучей среды. Уплотнения 125Е текучей среды также предусмотрены между стенками 125F узла контейнера и поворотным валом 125С для предотвращения потерь жидкого металла.
[0427] На Фигуре 126 показан вид в разрезе полного ротора и узлов щетки с магнитом привода и границами криостата согласно предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения.
[0428] На Фигуре 127 показан один возможный вариант реализации, где уплотненная инертная окружающая среда, определенная внешней граничной стенкой 127А, выполнена вокруг ротора и узлов криостата с заключительным выходным валом 127В, уплотненным посредством уплотнителя 127С из ферромагнитной текучей среды с низким износом.
[0429] Следует иметь ввиду, что вышеупомянутые варианты реализации настоящего изобретения были предназначены лишь для пояснения настоящего изобретения на примерах, и что дальнейшие его модификации и усовершенствования, как это очевидно для специалистов в данной области техники, попадают в пределы широкой области и объема описанного здесь изобретения.