КОМБИНИРОВАННЫЙ СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ МАГНИТНЫЙ ПОДВЕС ДЛЯ КИНЕТИЧЕСКОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ
COMBINED SUPERCONDUCTING MAGNETIC BEARING FOR KINEMATIC ENERGY STORAGE

Предлагаемое изобретение относится к области бесконтактных магнитных подшипников роторных механизмов, а конкретно к устройствам пассивного (статического) магнитного подвеса маховиков кинетических накопителей энергии (КНЭ), обеспечивающим устойчивое удержание вращающегося маховика без механического контакта с опорой за счет магнитных сил взаимодействия магнитных полей постоянных магнитов между собой и с элементами из высокотемпературного сверхпроводящего материала (ВТСП). Технический результат заключается в расширении функций магнитного подвеса, позволяющих использовать его в качестве элементов арретира, страховочного подшипника и узла начального центрирования маховика.
Известен аналог «Сверхпроводящее подшипниковое устройство КНЭ», патент JP № 2003329038, содержащее ротор, подшипники на постоянных магнитах, а также сверхпроводящие подшипники для опоры в осевом и радиальном направлениях. Сверхпроводящие подшипники состоят из колец из ВТСП материала, расположенных в корпусах кольцевой формы, и наборов кольцевых постоянных магнитов. Недостатком этой системы является необходимость использования дополнительных устройств для обеспечения функций арретира, страховочного подшипника и узла начального центрирования маховика.
Известен аналог «Сверхпроводящий магнитный подвес для КНЭ», патент RU № 2551864, который устанавливается в корпусе КНЭ, соединенном с системой вакуумной откачки, включающий в себя статор, выполняющий функции корпуса и ротор. Статор содержит блок ВТСП элементов с системой охлаждения. Ротор включает в себя постоянные магниты, установленные на его валу с зазором относительно корпуса статора. Недостатком конструкции является то, что вакуумная камера, в которой находятся сверхпроводники, значительно увеличивает зазор между сверхпроводником и постоянными магнитами, что приводит к снижению удельной жесткости подвеса и увеличению его материалоемкости. Кроме того, формирование высокотемпературных сверхпроводников в виде полого цилиндра с радиальной структурой анизотропии возможно только из отдельных секторов, что также снижает эффективность использования материала сверхпроводника. Такая конструкция не может выполнять функции арретира, страховочного подшипника и узла начального центрирования маховика.
Наиболее близкий аналог изобретения (прототип) «Сверхпроводящий магнитный подвес для КНЭ с ВТСП элементами фирмы «Boeing» (An overview of Boeing flywheel energy storage systems with high-temperature superconducting bearings, Journal article. M Strasik, J R Hull, J A Mittleider, J F Gonder, P E Johnson, K E McCrary and С R McIver, 2010 Supercond. Sci. Technol. 23 034021 doi:10.1088/0953-2048/23/3/034021). Сверхпроводящий магнитный подвес установлен в корпусе, внутри которого расположена вакуумная камера, в которой, в свою очередь, расположены маховик, опорный статический магнитный подшипник с кольцевыми постоянными магнитами, герметичная стенка и криостат. Сверхпроводящий магнитный подвес включает в себя статор, содержащий блок ВТСП элементов с системой охлаждения и кольцевые постоянные магниты, установленные на валу ротора с зазором относительно корпуса статора. Устройства такого типа в русскоязычной литературе получили название «комбинированные сверхпроводящие магнитные подшипники» из-за наличия в конструкции как магнитного подшипника с ВТСП элементами, так и статического магнитного подшипника на постоянных магнитах.
Недостатком такой конструкции является отсутствие элементов, необходимых для начального центрирования маховика, а также для выполнения функций арретира и страховочного подшипника.
Указанный недостаток прототипа не позволяет расширить его функциональные возможности.
Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей комбинированного магнитного подвеса для КНЭ.
Технический эффект, возникающий при реализации поставленной технической задачи, состоит в обеспечении возможности осуществлять функции системы начального центрирования, арретира и страховочного подшипника, а также регулирования силы опорного статического магнитного подшипника за счет внешнего магнитного поля и достигается тем, что в известном устройстве сверхпроводящего магнитного подвеса для КНЭ с ВТСП элементами, содержащем корпус, вакуумную камеру, маховик, опорный статический магнитный подшипник, герметичную стенку, криостат, а также сверхпроводящий магнитный подвес дискового типа, включающий в себя статор с блоком ВТСП элементов с системой охлаждения и ротор с установленными на его валу кольцевыми постоянными магнитами, согласно изобретению напротив торцевых поверхностей ротора, выполненных коническими, установлены конические втулки с кольцевыми постоянными магнитами, расположенными у торцевой поверхности втулок, при этом втулки выполнены с возможностью перемещения в осевом направлении и вращения вокруг своей оси без механического контакта с приводным механизмом за счет магнитных сил, создаваемых кольцевым постоянным магнитом снаружи вакуумной камеры, за счет чего конструкция может выполнять функции центрирования и удержания маховика, страховочного подшипника, арретира и регулирования силы опорного статического магнитного подшипника.
На фиг. 1 представлен общий вид конструкции предлагаемого бесконтактного комбинированного магнитного подвеса в составе КНЭ.
На фиг. 2 показана конструкция ВТСП подшипников 4, используемых в КНЭ.
На фиг. 3 показан комбинированный сверхпроводящий магнитный подвес, вид А на фиг. 1.
На фиг. 4 изображена структура статического опорного магнитного подшипника 5 для экспериментального образца КНЭ.
На фиг. 5 изображена структура ВТСП подшипника 4 для экспериментального образца КНЭ.
На фиг. 6 показана зависимость осевой силы статического опорного магнитного подшипника 5 от осевого смещения его внутреннего постоянного магнита для нижнего опорного узла экспериментального образца КНЭ.
0
На фиг. 7 изображена зависимость радиального усилия от радиального смещения при осевом смещении z=31 мм для статического опорного магнитного подшипника 5 экспериментального образца КНЭ.
На фиг. 8 показана зависимость осевой силы от осевого смещения для ВТСП подшипника 4 для экспериментального образца КНЭ.
На фиг. 9 изображена зависимость радиального усилия от радиального смещения для ВТСП подшипника 4 для экспериментального образца КНЭ.
3
3
Бесконтактный комбинированный магнитный подвес в составе КНЭ (фиг. 1) состоит из корпуса 1, образующего вакуумную камеру 2, в которой размещены маховик 3, ВТСП подшипники 4, опорный статический магнитный подшипник 5, магнитные арретиры 6, выполняющие также функции начального центрирования маховика и страховочных подшипников, и криостат 7. В теле вращающегося маховика 3 расположены сборки кольцевых постоянных магнитов 8 (фиг. 2) с осевой намагниченностью и чередующейся полярностью, а внутри них на неподвижной камере криостата 7 с охлаждающей жидкостью (жидкий азот) закреплен полый цилиндр из ВТСП материала 9. Отдельные кольца постоянных магнитов 8 могут быть соединены через кольцевые вставки из магнитомягкого материала для выравнивания и концентрации магнитной индукции в ВТСП цилиндре (не показаны). Конкретные размеры ВТСП и число постоянных магнитов 8 определяются требуемой жесткостью подшипника. Например, при зазоре 1,5 мм между ВТСП цилиндром из YBaCuO керамики и постоянными магнитами из сплава NdFeB ориентировочные удельные параметры подшипника на единицу площади взаимодействующей поверхности ВТСП составляют: осевая жесткость 0.056 Н/мм, радиальная жесткость 0.033 Н/мм.
Опорный статический магнитный подшипник 5 совмещен с системой магнитного арретира 6, выполняющего также функции начального центрирования маховика 3 в ВТСП подшипниках 4 и страховочного подшипника при нарушении работы ВТСП подшипника 4.
В конструкцию (фиг. 3) также входят два кольцевых постоянных магнита 10, 11 и цилиндрический постоянный магнит 12, втулки с внутренним конусом 13, наружный конус 14 на маховике 3, опоры скольжения 15, герметичная стенка корпуса 16 КНЭ, фиксирующая гайка 17, регулировочные шайбы 18 и стопор 19.
Кольцевой постоянный магнит 10 может перемещаться в закрепленной на корпусе 1 опоре скольжения 15, увлекая за собой втулку с внутренним конусом 13 стопором 19. Длина перемещения втулки с внутренним конусом 13 и кольцевого постоянного магнита 10 ограничена опорой скольжения 15. Положение цилиндрического постоянного магнита 12, жестко закрепленного на маховике 3, может регулироваться по оси регулировочными шайбами 18. Кольцевой постоянный магнит 11 удерживается снаружи на корпусе 1 фиксирующей гайкой 17.
В верхней части КНЭ зеркально установлен такой же узел, как на фиг. 3, но из него может быть исключен постоянный магнит опорного статического магнитного подшипника, если силы нижнего опорного статического магнитного подшипника 5 достаточно для удержания маховика 3.
Постоянные магниты 10, 11, 12 опорного статического магнитного подшипника 5 имеют осевую намагниченность. В рабочем состоянии кольцевые постоянные магниты 10, 11 установлены с согласным направлением вектора намагниченности и за счет магнитных сил прижаты к герметичной стенке камеры 16. Цилиндрический постоянный магнит 12 имеет встречную к кольцевым постоянным магнитам 10, 11 намагниченность и, таким образом, магнитная сила компенсирует силу тяжести маховика 3. В верхней опоре цилиндрический постоянный магнит имеет согласную намагниченность с кольцевыми постоянными магнитами 10, 11. Точное бесконтактное регулирование силы опорного статического магнитного подшипника 5 осуществляется перемещением по оси кольцевого постоянного магнита 11 снаружи корпуса 1 КНЭ.
Для начала работы осуществляется следующая последовательность действий. Перед охлаждением цилиндра из ВТСП материала 9 и перевода его в сверхпроводящее состояние маховик 3 КНЭ устанавливается и закрепляется в центральном положении ВТСП подшипника 4 по оси и по радиусу путем сжатия сверху и снизу втулками с внутренним конусом 13, которые упираются в наружные конусы 14 маховика 3. Для этого кольцевой постоянный магнит 11 и симметричный ему постоянный магнит в верхнем опорном узле устанавливают встречной намагниченностью к кольцевому постоянному магниту 10 и прижимают фиксирующей гайкой 17 к корпусу 1. Возникающие между магнитами 10 и 11 силы отталкивания перемещают втулку с внутренним конусом 13 до упора в опоре скольжения 15. Аналогичные действия производятся в верхней опоре КНЭ. В этом состоянии маховик 3 не может перемещаться вдоль оси и находится в зафиксированном положении, то есть втулки с внутренним конусом 13 вместе с наружным конусом 14 на маховике 3 помимо центрирования выполняют функции арретира.
После активации ВТСП подшипников 4, охлаждения цилиндров из ВТСП материала 9 и перевода их в сверхпроводящее состояние, удержание маховика 3 осуществляется за счет сил магнитной левитации ВТСП подшипников 4. Кольцевые постоянные магниты 11 снаружи корпуса 1 КНЭ переставляются в положение с согласной намагниченностью магнитов 10 и 12, которые за счет магнитных сил притягиваются друг к другу, втулки с внутренним конусом 13 отходят и освобождают маховик 3.
Втулки с внутренним конусом 13 могут совершать и линейное, и вращательное движение, что позволяет использовать их в качестве страховочных подшипников скольжения при аварийных остановках в случае отказа ВТСП подшипника 4. В этом случае наружный конус 14 маховика 3 касается втулок с внутренним конусом 13 и они начинают вращение вместе с маховиком 3. Торможение маховика 3 происходит за счет выделения энергии на трение в опоре скольжения 15 и нагрева опорных узлов и корпуса 1. Для стабилизации оси вращения маховика 3 при аварийном торможении кольцевые постоянные магниты верхнего опорного узла переводятся в положение встречной намагниченности, и верхняя втулка с внутренним конусом под действием магнитных сил прижимает маховик 3 ко втулке с внутренним конусом 13 нижнего опорного узла.
z
0
ρ
0
z
0
В изготовленном экспериментальном образце КНЭ с накапливаемой энергией 200 кДж, массой маховика 12 кг и частотой вращения 20000 об/мин применены опорные статические магнитные подшипники 5 и ВТСП подшипники 4, изображенные на фиг. 4 и фиг. 5 соответственно. Статический магнитный подшипник 5 нижнего опорного узла КНЭ собран из трех постоянных магнитов из сплава NdFeB с осевой намагниченностью 1000 кА/м (фиг. 4). Зависимость осевой силы F(z) от осевого смещения внутреннего постоянного магнита для статического магнитного подшипника 5 нижнего опорного узла показана на фиг. 6. Зона устойчивой работы подшипника 5 в качестве осевой опоры маховика 3 с массой 12 кг находится на расстоянии z=31 мм (см. фиг. 4). Осевая жесткость в этой точке составляет 13,3 Н/мм. В радиальном направлении статический магнитный подшипник 5 неустойчив. Зависимость радиального усилия от радиального смещения F(ρ) при осевом смещении z=31 мм для статического магнитного подшипника 5 приведена на фиг. 7. Положительная радиальная жесткость статического магнитного подшипника 5, которую необходимо компенсировать ВТСП подшипниками 4, составляет 3.8 Н/мм, что значительно меньше отрицательной жесткости ВТСП подшипников 4 в радиальном направлении (см. ниже). Для плавного регулирования силы статического магнитного подшипника 5 постоянный магнит 11 отодвигается от корпуса 1. На фиг. 6 пунктирной линией показана зависимость F(z) при перемещении магнита 11 на 5 мм вниз. Сила статического магнитного подшипника 5 для z=31 мм уменьшается на 5 Н, что позволяет точнее установить маховик 3 в центральном положении.
z
ρ
Каждый ВТСП подшипник 4 (фиг. 5) имеет зависимость осевой силы от осевого перемещения F(z), показанную на фиг. 8, и зависимость радиальной силы от радиального перемещения F(ρ), показанную на фиг.9. В рабочем диапазоне перемещений осевая жесткость составляет не менее 140 Н/мм, а радиальная жесткость - не менее 100 Н/мм, что достаточно для устойчивой работы маховика 3.