МАГНИТНЫЙ ПОДШИПНИК НА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКАХ ДЛЯ КИНЕТИЧЕСКОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ

Предлагаемое техническое решение относится к области бесконтактных магнитных подшипников на высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП), в том числе для кинетических накопителей энергии (КНЭ). Технический результат заключается в улучшении удельных силовых характеристик магнитного подшипника, что позволяет улучшить массогабаритные показатели.
Наиболее близким аналогом (прототипом) технического решения является магнитный подшипник на высокотемпературных сверхпроводниках для кинетического накопителя энергии (Дергачев П.А., Костерин А.А., Курбатова Е.П., Курбатов П.А. Полностью интегрированный кинетический накопитель энергии с магнитным ВТСП подвесом маховика. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2015; (22): 95-101. DOI: 10.15518/isjaee. 2015.22.011). Он содержит наружный ротор, состоящий из двух или более аксиально намагниченных постоянных магнитов с осевой симметрией и встречной намагниченностью соседних магнитов, статор, расположенный внутри наружного ротора и содержащий ВТСП элементы, закрепленные на внешней стороне несущей трубы криостата.
Недостатком прототипа является неполное использование материала ВТСП элементов.
Указанный недостаток прототипа определяет низкие значения предельных удельных силовых характеристик подшипника.
Технической задачей является увеличение предельных удельных силовых характеристик подшипника.
Технический эффект, возникающий при реализации поставленной технической задачи, состоит в улучшении массогабаритных показателей подшипника и достигается тем, что известный магнитный подшипник на высокотемпературных сверхпроводниках для кинетического накопителя энергии, содержащий наружный ротор, внешние постоянные магниты, статор, расположенный внутри наружного ротора и содержащий ВТСП элементы, закрепленные на внешней поверхности несущей трубы криостата, согласно полезной модели дополнительно содержит внутренний ротор и внутренние постоянные магниты чередующейся полярности, несущая труба криостата выполнена с полой стенкой, в которой расположен канал для прокачки охлаждающей жидкости, ВТСП элементы разделены на две части и закреплены на внутренней и внешней поверхностях несущей трубы криостата.
На фиг. 1 представлен общий вид магнитного подшипника для кинетического накопителя энергии.
На фиг. 2 приведены результаты расчетов функций радиальной силы от радиального смещения ротора для варианта ВТСП подшипника, выполненного согласно полезной модели.
На фиг. 3 приведены результаты расчетов функций осевой силы от значений осевых смещений ротора для варианта ВТСП подшипника, выполненного согласно полезной модели.
На фиг. 4 приведена зависимость критической плотности тока от напряженности магнитного поля ВТСП элемента, принятая для расчета характеристик варианта ВТСП подшипника, выполненного согласно полезной модели.
На фиг. 5 приведена возможная кинематическая схема применения полезной модели в конструкции полностью интегрированного в вакуумную камеру кинетического накопителя энергии.
Устройство содержит (фиг. 1) наружный ротор 1, внутренний ротор 2 и расположенный между ними статор 3. На наружном роторе 1 и внутреннем роторе 2 установлены постоянные магниты 4, имеющие чередующуюся полярность. В состав статора 3 входят ВТСП элементы 5, закрепленные на внутренней и внешней поверхностях несущей трубы криостата 6, выполненной с полой стенкой, внутри которой расположен канал 7 для прокачки охлаждающей жидкости (жидкого азота), что обеспечивает охлаждение и криостатирование ВТСП элементов 5. Для выравнивания распределения магнитной индукции и уменьшения паразитных полей рассеяния, создаваемых постоянные магнитами 4 в азимутальном направлении, между ними могут быть установлены прокладки в виде шайб из магнитомягкого материала (не показаны).
Для работы предлагаемого ВТСП подшипника необходимо зафиксировать наружный ротор 1, внутренний ротор 2 и статор 3 в симметричном положении относительно друг друга, как показано на фиг. 1. Затем производится охлаждение ВТСП элементов 5 в магнитном поле постоянных магнитов 4 (режим Field Cooling) путем прокачки жидкого азота по каналу 7 несущей трубы криостата 6. ВТСП элементы 5 захватывают (вмораживают) магнитное поле постоянных магнитов 4 и в дальнейшем при перемещении наружного 1 и внутреннего 2 роторов относительно статора 3 стремятся сохранить магнитное поле за счет индуцируемых в ВТСП элементах 5 токов. Возникают силы, действующие на индуцируемые токи, которые возвращают наружный 1 и внутренний 2 роторы в исходное положение. Электрофизические свойства ВТСП элементов 5 имеют нелинейный характер, ограничивающий индуцируемые в них токи и, соответственно, силовые характеристики подшипника.
Преимуществами данного технического решения является то, что увеличивается степень использования материала ВТСП элементов 5, а также то, что несущая труба криостата 6 выполняет роль опоры маховика кинетического накопителя энергии. Предполагается, что предлагаемый ВТСП подшипник будет функционировать в вакуумной камере кинетического накопителя энергии, в результате чего дополнительной теплоизоляции для ВТСП элементов 5 не потребуется, что позволит уменьшить немагнитный зазор между ВТСП элементами 5 и постоянными магнитами 3, за счет чего увеличится магнитная индукция и сила взаимодействия между ними.
В качестве примера возможных силовых характеристик магнитного подшипника на ВТСП, выполненного по полезной модели, на фиг. 2, 3 приведены результаты расчетов функций осевой и радиальной сил от значений осевых и радиальных смещений ротора (пунктирная линия). Для сравнения на этих же чертежах показаны расчетные значения сил для сплошного ВТСП элемента (сплошная линия). В пределах рабочих смещений ротора до 0,5 мм влияние разделения ВТСП элемента незначительное. Размеры подшипника даны в таблице 1. Использованная в расчетах зависимость критической плотности тока от напряженности магнитного поля ВТСП материала показана на фиг. 4 для температуры 77 К. Намагниченность постоянных магнитов из сплава NdFeB принята однородной и равной 1000 кА/м.
Возможная кинематическая схема применения полезной модели в конструкции полностью интегрированного в вакуумную камеру кинетического накопителя энергии показана на фиг. 5. Она включает два ВТСП подшипника 8, выполненные по полезной модели и закрепленных на несущей трубе криостата 6 системы охлаждения и криостатирования, через которую прокачивается жидкий азот. Несущая труба криостата 6 закрепляется на стенке вакуумной камеры 9 через теплоизолирующие конструктивные элементы (тепловые мосты). Роторы 1, 2 обоих ВТСП подшипников жестко соединены между собой и маховиком 10 кинетического накопителя энергии. Для снижения статических нагрузок на ВТСП подшипники в осевом направлении, вызываемых силой тяжести маховика и других конструктивных элементов, в конструкцию может быть добавлен опорный подшипник на постоянных магнитах (не показан).
Последовательность приведения ВТСП подшипников в рабочее состояние в составе полностью интегрированного кинетического накопителя энергии следующая. Производится начальное центрирование маховика 10 при помощи центрирующего устройства (не показано), создается вакуум в камере 9 кинетического накопителя энергии, производится охлаждение ВТСП элементов 5 подшипников прокачкой охлаждающей жидкости (жидкого азота) через канал 7. Затем производится освобождение маховика 10 из центрирующего устройства. При этом он переходит в состояние левитации.