ИНДУКТОРНОЕ СИНХРОННОЕ УСТРОЙСТВО
INDUCTOR-TYPE SYNCHRONOUS UNIT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к индукторному синхронному устройству. Более конкретно, настоящее изобретение относится к двигателю или генератору, включающим в себя магнитный материал (индуктор), который индуцирует магнитный поток на стороне магнитного поля, в заданном положении, причем вращение вращающегося вала синхронизировано с изменением полярности якоря.
Уровень техники
Обычно, в генераторе, раскрытом в JP-A-54-116610 или JP-A-6-86517, как показано на фиг.20, вращающийся вал 1 установлен через кронштейн 2 на подшипник 3, при этом кронштейн 2 выполняет функцию внешнего кожуха. Обмотка 5 возбуждения предусмотрена на внешнем контуре ярма 4, которое установлено и закреплено на вращающемся валу 1, и клешневидные магнитные полюса 6 и 7 предусмотрены так, что они поочередно пересекают с левой и с правой стороны обмотку 5 возбуждения, таким образом сформирован весь ротор. В то же время обмотка 8 статора установлена на кронштейне 2 так, что она обращена к клешневидным магнитным полюсам 6 и 7. Электроэнергию подают в обмотку 5 возбуждения, используя скользящие контакты через токосъемное контактное кольцо 9.
В соответствии с описанной выше конфигурацией, когда постоянный ток подают в обмотку 5 возбуждения через токосъемное контактное кольцо 9 так, чтобы N-полюс генерировался с правой стороны обмотки 5 возбуждения, если смотреть на чертеже, и S-полюс генерировался с левой стороны обмотки 5 возбуждения, если смотреть на чертеже, N-полюс индуцируется на клешневидном магнитном полюсе 6, который выступает с правой стороны, в то время как S-полюс индуцируется на клешневидном магнитном полюсе 7, который выступает с левой стороны. Таким образом, множество N-полюсов и множество S-полюсов могут поочередно генерироваться на внешней стороне окружности ротора, вдоль направления его окружности.
Однако обмотка 5 возбуждения сформирована как часть ротора, и подачу электроэнергии в обмотку 5 возбуждения, которая выполняет вращательное движение, требуется производить через токосъемное контактное кольцо 9 с использованием скользящего контакта. Таким образом, такая конструкция становится сложной. Кроме того, возникают такие проблемы, как снижение срока службы из-за износа контакта на токосъемном контактном кольце 9 и дестабилизация подачи энергии из-за дестабилизации скользящего контакта на токосъемном контактном кольце 9.
Патентный документ 1: JP-A-54-116610;
Патентный документ 2: JP-A-6-86517.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение было выполнено с учетом указанных выше проблем, и его цель состоит в создании простой конструкции для подачи электроэнергии в катушку.
Для решения этих проблем в настоящем изобретении предусмотрено индукторное синхронное устройство, содержащее:
статор возбуждения, имеющий элемент возбуждения, с помощью которого концентрично сформированы N-полюс и S-полюс;
ротор, имеющий индуктор N-полюса, который сформирован из магнитного материала и расположен так, что он обращен к N-полюсу элемента возбуждения, и индуктор S-полюса, который сформирован из магнитного материала и расположен так, что он обращен к S-полюсу элемента возбуждения, при этом вращающийся вал закреплен на роторе; и
статор якоря, имеющий катушку якоря, которая установлена так, что она обращена к индуктору N-полюса и индуктору S-полюса.
В соответствии с указанной выше конфигурацией, поскольку как элемент возбуждения, так и катушка якоря закреплены на соответствующих статорах, элемент скользящего контакта, такой как токосъемное контактное кольцо, становится ненужным для подачи электропитания в катушку. Поэтому конструкция может быть упрощена, и такие проблемы, как уменьшение срока службы из-за износа контакта на токосъемном контактном кольце и дестабилизация подачи энергии, могут быть решены.
Когда ротор вращается, индуктор N-полюса движется вдоль окружности в положении генерирования N-полюса статора возбуждения, в то время как индуктор S-полюса движется вдоль окружности в положении генерирования S-полюса статора возбуждения. Таким образом, определенная полярность индуцируется в каждом из индукторов. Статор возбуждения и статор якоря могут быть либо разделены друг от друга, или интегрированы друг с другом.
В случае, когда синхронное устройство представляет собой двигатель, подачу питания в обмотку якоря выполняют путем периодического изменения его полярности. Таким образом, сила притяжения/сила отталкивания генерируется между катушкой якоря и индукторами N-полюса и S-полюса, в результате чего ротор вращается и генерируется движущая сила вращающегося вала. В случае, когда синхронное устройство представляет собой генератор, индуктор N-полюса и индуктор S-полюса вращаются вокруг оси благодаря вращательному движению вращающегося вала, в результате чего индуцированный ток протекает через катушку якоря.
Элемент возбуждения может представлять собой катушку возбуждения, которая намотана вокруг оси вращающегося вала, при этом часть индуктора N-полюса может быть расположена так, что она обращена к одной из внешней стороны окружности и внутренней стороны окружности катушки возбуждения, в то время как часть S-индуктора расположена так, что она обращена к другой ее стороне.
В соответствии с описанной выше конфигурацией, когда постоянный ток подают на катушку возбуждения, N-полюс генерируется на одной из внешней стороны окружности и внутренней стороны окружности катушки возбуждения, в то время как S-полюс генерируется на другой ее стороне, в результате чего N-полюса и S-полюса могут располагаться концентрически. Следовательно, с помощью индуктора N-полюса и индуктора S-полюса может генерироваться магнитное поле с множеством полюсов при использовании одной катушки возбуждения. В соответствии с этим, работа обмотки катушки может быть упрощена, что позволяет повысить эффективность при ее изготовлении.
В качестве альтернативы, элемент возбуждения может представлять собой постоянный магнит, расположенный вокруг оси вращающегося вала, и часть индуктора N-полюса может быть расположена так, что она будет обращена к стороне N-полюса постоянного магнита, в то время как часть индуктора S-полюса может быть расположена так, что она будет обращена к стороне S-полюса постоянного магнита.
В соответствии с описанной выше конфигурацией, постоянный магнит располагается на статоре возбуждения. Таким образом улучшается эффективность производства индукторного синхронного устройства, и его конструкция может быть упрощена.
Кроме того, в случае, когда индукторное синхронное устройство в соответствии с настоящим изобретением представляет собой индукторный двигатель, даже когда в качестве элемента возбуждения используется постоянный магнит, индукторный двигатель может успешно вырабатывать выходную мощность в диапазоне от 1 кВт до 5 МВт, и при этом можно уменьшить размеры индукторного синхронного устройства.
По меньшей мере, один из элемента возбуждения и катушки якоря сформирован из сверхпроводящего материала.
Магнитная проницаемость магнитного материала, составляющего каждый из индукторов, обычно больше, чем у воздуха на три порядка или больше. Таким образом, магнитный поток, генерируемый элементом возбуждения, в основном проходит через индукторы. Однако, поскольку заданный воздушный зазор предусмотрен между элементом возбуждения и каждым из индукторов, или между катушкой якоря и индукторами, возникает случай, когда магнитное сопротивление увеличивается так, что происходит утечка магнитного потока, при которой магнитный поток отклоняется в неожиданном направлении, и величина магнитного потока, способствующая генерированию выходной мощности, таким образом, уменьшается.
В случае, когда один или оба из элементов возбуждения и катушки якоря сформированы из сверхпроводящего материала, ток большой силы может быть подан без опасения генерирования тепла, и генерируемый магнитный поток может быть существенно увеличен. В соответствии с этим, даже когда возникает утечка магнитного потока, магнитный поток, способствующий генерированию выходной мощности, может быть увеличен для получения большой выходной мощности, поскольку общий генерируемый магнитный поток увеличен. Кроме того, при использовании сверхпроводимости можно получить большую плотность тока. Поэтому элемент возбуждения и катушка якоря могут быть выполнены с малыми размерами, в результате чего размер и вес синхронного устройства могут быть уменьшены. В качестве сверхпроводящего материала удобно использовать высокотемпературные сверхпроводящие материалы на основе висмута или иттрия.
Кроме того, в случае, когда используется структура охлаждения из сверхпроводящего материала для получения заданных сверхпроводящих характеристик, то, поскольку как элемент возбуждения, так и каждая из катушек якоря закреплены на статоре и не движутся относительно него, упрощается конструкция каналов подачи охладителя или конструкция герметизации, и может быть упрощена структура охлаждения.
Площадь поперечного сечения каждого из индуктора N-полюса и индуктора S-полюса может быть постоянной от одного торца до другого торца.
А именно, в соответствии с описанной выше конфигурацией, магнитный поток, который генерируется элементом возбуждения и поступает в каждый из индукторов, с меньшей вероятностью создает условие насыщения в индукторах. Таким образом, магнитный поток можно эффективно подавать в катушки якоря.
Кроме того, площадь поперечного сечения индуктора N-полюса и площадь поперечного сечения индуктора S-полюса могут быть, по существу, равными.
А именно, поскольку площади поперечного сечения индукторов одинаковы, сила притяжения/сила отталкивания, генерируемая между индукторами и катушками якоря, становится постоянной, благодаря чему стабилизируется балансировка вращения ротора.
Конкретная конструкция синхронного устройства может быть представлена в виде структуры с осевым зазором, в котором статор возбуждения расположен так, что он обращен к одной стороне ротора в осевом направлении ротора, с заданным зазором между ними, и статор якоря расположен так, что он обращен к другой стороне ротора в осевом направлении ротора, с заданным зазором между ними,
при этом вращающийся вал, закрепленный на роторе, установлен с возможностью вращения в зазоре между статором возбуждения и статором якоря, и
магнитный поток каждого из элементов возбуждения и катушки якоря направлен вдоль оси.
В качестве альтернативы может использоваться структура с радиальным зазором, в которой один из статора возбуждения и статора якоря представляет собой внешнюю круглую трубу, и ротор установлен внутри этой внешней круглой трубы с заданным зазором между ними.
Из приведенного выше описания понятно, что в соответствии с настоящим изобретением как элемент возбуждения, так и катушка якоря закреплены на статоре. Поэтому элемент скользящего контакта, такой как токосъемное контактное кольцо, становится ненужным для подачи электроэнергии возбуждения в катушку. Таким образом, может быть упрощена конструкция, продлен срок службы и стабилизирована подача энергии.
Кроме того, когда один или оба из элементов возбуждения (катушки возбуждения) и катушки якоря сформированы из сверхпроводящего материала, ток большой силы можно подавать без опасности выделения тепла, в результате чего магнитный поток можно существенно усилить. Следовательно, даже в случае, когда происходит утечка магнитного потока, может быть увеличен магнитный поток, способствующий увеличению выходной мощности, что позволяет получить на выходе большую мощность.
В случае, когда площадь поперечного сечения каждого из индуктора N-полюса и индуктора S-полюса постоянна от одного конца до другого конца, снижается вероятность насыщения магнитного потока внутри индукторов, что позволяет эффективно индуцировать магнитный поток на стороне катушки якоря. Кроме того, в случае, когда площадь поперечного сечения индуктора N-полюса и площадь поперечного сечения индуктора S-полюса, по существу, равны, сила отталкивания/сила притяжения, генерируемая между индукторами и катушкой якоря, становится постоянной, в результате чего можно стабилизировать баланс вращения ротора.
Краткое описание чертежей
На фиг.1(A) показан вид в разрезе индукторного синхронного устройства в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, и на фиг.1(B) показан другой вид в разрезе индукторного синхронного двигателя в положении, повернутом на 90°.
На фиг.2(A) показан вид спереди ротора, на фиг.2(B) показан вид в разрезе вдоль линии I-I, обозначенной на фиг.2(A), на фиг.2(C) показан вид сзади ротора, и на фиг.2(D) показан вид в разрезе вдоль линии II-II, обозначенной на фиг.2(A).
На фиг.3(A) показан вид спереди статора возбуждения, и на фиг.3(B) показан вид в разрезе вдоль линии I-I, обозначенной на фиг.3(A).
На фиг.4(A) показан вид спереди, представляющий состояние, в котором через ротор и статор возбуждения установлен вращающийся вал, на фиг.4(B) показан вид в разрезе вдоль линии I-I, обозначенной на фиг.4(A), и на фиг.4(C) показан вид в разрезе вдоль линии II-II, обозначенной на фиг.4(A).
На фиг.5(A) показан вид в разрезе индукторного синхронного двигателя в соответствии с первым модифицированным примером первого варианта осуществления изобретения, и на фиг.5(B) показан вид в разрезе индукторного синхронного двигателя в положении, повернутом на 90°.
На фиг.6(A) и 6(B) показаны виды спереди соответствующих статоров возбуждения в соответствии с первым модифицированным примером.
На фиг.7(A) и 7(B) показаны виды спереди соответствующих статоров возбуждения в соответствии со вторым модифицированным примером.
На фиг.8(A) и 8(B) показаны виды спереди соответствующих статоров возбуждения в соответствии с третьим модифицированным примером.
На фиг.9(A) показан вид в разрезе индукторного синхронного двигателя в соответствии со вторым модифицированным примером первого варианта осуществления изобретения, и на фиг.9(B) показан вид в разрезе индукторного синхронного двигателя в положении, повернутом на 90°.
На фиг.10 показан вид в разрезе индукторного синхронного двигателя в соответствии со вторым вариантом осуществления.
На фиг.11 показан вид в разрезе индукторного синхронного двигателя в соответствии с третьим вариантом осуществления.
На фиг.12(A) показан вид спереди, представляющий состояние, в котором через ротор и статор возбуждения в соответствии с четвертым вариантом осуществления установлен вращающийся вал, на фиг.12(B) показан вид в разрезе вдоль линии I-I, обозначенной на фиг.4(A), и на фиг.12(C) показан вид в разрезе вдоль линии II-II, обозначенной на фиг.12(A).
На фиг.13 показан вид в разрезе индукторного синхронного двигателя в соответствии с пятым вариантом осуществления.
На фиг.14 показан вид в разрезе вдоль линии I-I, обозначенной на фиг.13.
На фиг.15 показан вид в разрезе вдоль линии II-II, обозначенной на фиг.13.
На фиг.16 показан вид в перспективе ротора.
На фиг.17 показан вид в перспективе ротора и статора возбуждения в соответствии с шестым вариантом осуществления.
На фиг.18 показан вид в разрезе ротора и статора возбуждения.
На фиг.19 показан вид в разрезе по фиг.18 в положении, повернутом на 90°.
На фиг.20 показан вид, представляющий обычный пример.
Описание номеров ссылочных позиций и обозначений
10, 40, 50, 70 - индукторный синхронный двигатель,
11, 15, 51, 72, 92 - статор возбуждения,
12, 14, 41, 44, 60, 73, 91 - ротор,
13, 71 - статор якоря,
17, 23, 30, 76, 79 - контейнеры с вакуумной изоляцией,
18, 31, 78, 93 - катушка возбуждения,
20, 28, 62, 81, 98 - индуктор N-полюса,
21, 27, 63, 82, 97 - индуктор S-полюса,
24, 75 - катушка якоря,
34, 101 - вращающийся вал,
35, 36, 35', 36', 37, 38, 37', 38' - постоянный магнит,
95 - неподвижный вал,
99, 100 - участок держателя.
Осуществление изобретения
Варианты осуществления изобретения будут описаны со ссылкой на чертежи.
На фиг.1 показан индукторный синхронный двигатель (индукторное синхронное устройство) 10 в соответствии с первым вариантом осуществления.
Индукторный синхронный двигатель 10 имеет конструкцию с осевым зазором, в которой вращающийся вал 34 установлен через статор 11 возбуждения, ротор 12, статор 13 якоря, ротор 14 и статор 15 возбуждения в указанном порядке. Статоры 11, 15 возбуждения и статор 13 якоря закреплены на установочной поверхности G, при этом между ними и вращающимся валом 34 предусмотрен зазор, и роторы 12, 14 установлены и закреплены на вращающемся валу 34 благодаря воздушному зазору между ними и вращающимся валом 34.
Статор 11 возбуждения и статор 15 возбуждения выполнены зеркально симметричными. Поэтому один из статоров 15 детально показан на фиг.3(A) и 3(B).
Каждый из статоров 11, 15 возбуждения имеет ярмо 16, 29, изготовленное из магнитного материала и закрепленное на установочной поверхности G, теплоизолированный контейнер 17, 30 для хладагента, имеющий структуру вакуумной изоляции, встроен внутри соответствующих ярем 16, 29, и катушка 18, 31 возбуждения, обмотка которой изготовлена из сверхпроводящего материала, установлена внутри соответствующего теплоизолирующего контейнера 17, 30 для хладагента.
Каждое из ярм 16, 29 имеет отверстие 16b, 29b свободной посадки, которое просверлено в ее центральной части и имеет больший диаметр, чем внешний диаметр вращающегося вала 34, и участок 16a, 29a канавки, который предусмотрен в виде выемки, с кольцевой формой вокруг отверстия 16b, 29b свободной посадки. Каждая из катушек 18, 31 возбуждения установлена в соответствующих теплоизолирующих контейнерах 17, 30 для хладагента, внутри которых циркулирует жидкий азот. Каждый из теплоизолирующих контейнеров 17, 30 для хладагента встроен в соответствующие участки 16a, 29a канавки.
Ярма 16, 29 изготовлены из магнитного материала, такого как пермендюр, пластина из кремнистой стали, железо и пермаллой. В качестве сверхпроводящего материала для формирования катушек 18, 31 возбуждения используют высокотемпературные сверхпроводящие материалы на основе висмута или иттрия.
Роторы 12, 14 являются взаимно симметричными. Таким образом, один из роторов 14 детально показан на фиг.2(A)-2(D).
Каждый из роторов 12, 14 включает в себя участок 19, 26 держателя в форме диска, который изготовлен из немагнитного материала и имеет отверстие 19a, 26a установки вращающегося вала, пару индукторов 21, 27 S-полюса, встроенных в симметричных относительно центра положениях вокруг отверстия 19a, 26a установки вращающегося вала, и пару индукторов 20, 28 N-полюса, встроенных на участках, повернутых на 90° относительно положений соответствующих индукторов 21, 27 S-полюсов.
Индукторы 21, 27 S-полюсов и индукторы 20, 28 N-полюсов выполнены таким образом, что соответствующие торцевые поверхности 20a, 21a, 27a, 28a в форме секторов, обращенные к статору 13 якоря, расположены через одинаковые интервалы вдоль концентрических кругов и так, что площади торцевых поверхностей 20a, 21a, 27a, 28a равны друг другу.
Другие торцевые поверхности 21b, 27b индукторов 21, 27 S-полюсов расположены так, что они обращены к положениям генерирования S-полюса катушек 18, 31 возбуждения. Например, как показано на фиг.2(C) и 4(B), внешняя концевая поверхность 27b индуктора 27 S-полюса имеет форму дуги круга и расположена так, что она обращена к внешней стороне окружности катушки 31 возбуждения.
Другие торцевые поверхности 20b, 28b индукторов 20, 28 N-полюса расположены так, что они обращены к положениям генерирования N-полюса катушек 18, 31 возбуждения. Например, как показано на фиг.2(С) и 4(C), другая внешняя торцевая поверхность 27b индуктора 27 S-полюса имеет форму дуги круга и расположена так, что она обращена к внутренней стороне окружности катушки 31 возбуждения.
А именно, каждый из индукторов 21, 27 S-полюса и индукторов 20, 28 N-полюса имеет трехмерную форму, в которой ее поперечное сечение изменяется вдоль осевого направления от формы дуги круга на других торцевых поверхностях 20b, 21b, 27b, 28b до формы сектора на торцевых поверхностях 20a, 21a, 27a, 28a. Площадь поперечного сечения каждого из индукторов 21, 27 S-полюса и индукторов 20, 28 N-полюса является постоянной от других торцевых поверхностей 20b, 21b, 27b, 28b до торцевых поверхностей 20a, 21a, 27a, 28a. Кроме того, каждая из других торцевых поверхностей 20b, 28b индукторов 20, 28 S-полюса имеет такую же площадь поверхности, что и каждая из других торцевых поверхностей 21b, 27b индукторов 21, 27 N-полюса.
Участок 26 держателя сформирован из немагнитного материала, такого как FRP (стеклопластик) и нержавеющая сталь. Индукторы 27, 28 сформированы из магнитных материалов, таких как пермендюр, пластина из кремнистой стали, железо и пермаллой.
Как показано на фиг.1(A) и 1(B), статор 13 якоря включает в себя участок 22 держателя, который сформирован из немагнитного материала и закреплен на установочной поверхности G, теплоизолирующий контейнер 23 с хладагентом, который имеет структуру вакуумной изоляции и встроен в участок 22 держателя, катушки 24 якоря, каждая из которых представляет собой обмотку, изготовленную из сверхпроводящего материала, и размещена в теплоизолирующем контейнере 23 с хладагентом.
Участок 22 держателя имеет отверстие 22b свободной посадки, которое высверлено в его центральной части и имеет диаметр, больший, чем внешний диаметр вращающегося вала 34, и четыре установочных отверстия 22a, которые высверлены и расположены через равные интервалы вдоль направления окружности вокруг отверстия 22b свободной посадки. Каждая из катушек 24 якоря установлена в теплоизолирующем контейнере 23 с хладагентом, в котором циркулирует жидкий азот, и коллектор 25 потока, сформированный из магнитного тела, расположен в полом участке каждой из катушек 24 якоря. Четыре теплоизолирующих контейнера 23 с хладагентом, в которых, соответственно, установлены катушки 24 якоря, встроены в отверстия 22a установки катушек.
Коллектор 25 потока сформирован из магнитного материала, такого как пермендюр, пластина из кремнистой стали, железо и пермаллой. В качестве сверхпроводящего материала, из которого сформированы катушки 24 якоря, используют высокотемпературный сверхпроводящий материал на основе висмута или иттрия. Участок 22 держателя сформирован из немагнитного материала, такого как пластик, армированный волокном (FRP), и нержавеющая сталь.
Устройство 32 подачи питания соединено с катушками 18, 31 возбуждения и катушками 24 якоря с помощью проводов, и от него подают постоянный ток через катушки 18, 31 возбуждения при подаче трехфазного переменного тока в катушку 24 якоря.
Резервуар 33 с жидким азотом соединен с теплоизолирующими контейнерами 17, 23, 30 с хладагентом через теплоизолирующие трубы, и жидкий азот циркулирует в качестве хладагента.
Далее, будет описан принцип работы индукторного синхронного двигателя 10.
Когда постоянный ток подают через катушку 31 возбуждения с правой стороны на фиг.1, S-полюс генерируется на внешней стороне окружности катушки 31 возбуждения, в то время как N-полюс генерируется на ее внутренней стороне окружности. Затем, как показано на фиг.4(A) и 4(B), магнитный поток на стороне S-полюса входит в индуктор 27 S-полюса от поверхности 27b другого конца так, что магнитный поток S-полюса появляется на торцевой поверхности 27a. Затем, как показано на фиг.4(A) и 4(C), магнитный поток на стороне N-полюса входит в индуктор 28 N-полюса с другой концевой поверхности 28b, в результате чего магнитный поток N-полюса появляется на торцевой поверхности 28a. Поскольку другие торцевые поверхности 27b, 28b расположены концентрично вдоль внешней и внутренней окружности катушки 31 возбуждения, соответственно, магнитный поток S-полюса всегда появляется на торцевой поверхности 27a индуктора S-полюса, в то время как N-полюс всегда появляется на торцевой поверхности 28a индуктора 28 N-полюса.
Основываясь на аналогичном принципе, когда постоянный ток подают через катушку 18 возбуждения, показанную с левой стороны на фиг.1, N-полюс всегда появляется на торцевой поверхности 20a индуктора 20 N-полюса ротора 12, в то время как S-полюс всегда появляется на торцевой поверхности 21a индуктора 21 S-полюса.
Когда трехфазный переменный ток подают в катушки 24 якоря в данном состоянии, вращающееся магнитное поле генерируется вокруг оси статора 13 якоря из-за сдвига фаз между тремя фазами подаваемой электроэнергии. Вследствие вращающегося магнитного поля генерируется крутящий момент вокруг оси каждого из индукторов 20, 28 N-полюса и индукторов 21, 27 S-полюса роторов 12, 14, в результате чего роторы 12, 14 вращаются, приводя во вращение вращающийся вал 34.
В соответствии с описанной выше конфигурацией, статоры 11, 15 возбуждения, на которых, соответственно, закреплены катушки 18, 31 возбуждения, и статор якоря, на котором закреплены катушки 24 якоря, не вращаются, в то время как роторы 12, 14, на которых закреплены индукторы 20, 21, 27, 28, соответственно, вращаются вместе с вращающимся валом 34. Поэтому элемент скользящего контакта, такой как токосъемное контактное кольцо, становится ненужным для подачи электроэнергии в соответствующие катушки 18, 31, в результате чего можно упростить конструкцию подачи питания и стабилизировать подачу питания, что способствует длительному сроку службы двигателя. Кроме того, теплоизолирующие контейнеры 17, 23, 30, содержащие хладагент, в которые подают жидкий азот из резервуара 33 с жидким азотом, закреплены и не движутся во время работы двигателя. Таким образом, упрощается конструкция канала подачи хладагента и структура уплотнения, что позволяет упростить конструкцию охлаждения.
Кроме того, поскольку катушки 18, 31 возбуждения и катушки 24 якоря сформированы из сверхпроводящих материалов, ток большой силы может быть подан для существенного увеличения магнитного потока. В соответствии с этим, магнитный поток, который способствует увеличению выходной мощности, может быть увеличен, даже когда происходит утечка магнитного потока, в результате которой магнитный поток отклоняется в неожиданном направлении. Таким образом может быть реализована большая выходная мощность.
Кроме того, поскольку площадь поперечного сечения каждого из индукторов 20, 28 N-полюса и индукторов 21, 27 S-полюса установлена равной от других торцевых поверхностей 20b, 21b, 27b, 28b до торцевых поверхностей 20a, 21a, 27a, 28a, исключается насыщение магнитного потока в индукторах 20, 21, 27, 28, в результате чего магнитный поток может эффективно индуцироваться в направлении каждой из катушек 24 якоря.
Кроме того, поскольку площадь поперечного сечения каждого из индукторов 20, 28 N-полюса и площадь поперечного сечения каждого из индукторов 21, 27 S-полюса, по существу, равны, сила притяжения/сила отталкивания, генерируемая между катушками 24 якоря и индукторами, остается постоянной, в результате чего можно стабилизировать баланс вращения роторов 12, 14.
Катушки 18, 31 возбуждения или катушки 24 якоря могут быть сформированы из нормального электропроводного материала, такого как медный провод. В таком случае становится возможным исключить структуру охлаждения для нормального электропроводного провода. Кроме того, хотя данный вариант осуществления направлен на двигатель, такую же структуру можно использовать для генератора.
На фиг.5-9 показаны модифицированные примеры первого варианта осуществления. Эти модифицированные примеры отличаются от первого варианта осуществления тем, что элемент возбуждения представляет собой постоянный магнит.
В первом модифицированном примере, показанном на фиг.5 и 6, постоянные магниты 35, 36, каждый из которых имеет кольцевую форму и U-образное поперечное сечение в радиальном направлении, закреплены на соответствующих ярмах 16, 29 статоров 11, 15 возбуждения так, что N-полюс и S-полюс располагаются концентрично.
В частности, постоянный магнит 35, имеющий S-полюс на внутренней стороне окружности и N-полюс на внешней стороне окружности, закреплен на участке 16a внутренней канавки, которая предусмотрена в виде выемки на ярме 16 статора 11 возбуждения (с левой стороны на фиг.5), вокруг отверстия 16b свободной посадки.
С другой стороны, постоянный магнит 36, имеющий S-полюс на внутренней стороне окружности и N-полюс на внешней стороне окружности, закреплен на участке 29a кольцевой канавки, которая предусмотрена в виде выемки на ярме 29 статора 15 возбуждения (с правой стороны на фиг.5), вокруг отверстия 29b свободной посадки.
Во втором модифицированном примере, показанном на фиг.7, множество постоянных магнитов 37, 38, разделенных на сектора, расположены в участках 16a, 29a канавок, предусмотренных в ярмах 16, 29 статоров 11, 15 возбуждения вдоль направления их окружности, без зазора между соседними магнитами, образуя в результате такую же форму, что и форма постоянного магнита в соответствии с первым модифицированным примером.
В третьем модифицированном примере, показанном на фиг.8, множество разделенных постоянных магнитов 37', 38' расположено на участках 16a, 29a канавки, предусмотренных в ярмах 16, 29 статоров 11, 15 возбуждения вдоль направления их окружности аналогично второму модифицированному примеру. Однако вместо разделения на сектора постоянные магниты 37', 38' сформированы так, что ширина внешней стороны окружности равна ширине внутренней стороны окружности. Таким образом, хотя постоянные магниты 37', 38' расположены без зазора между соседними магнитами на внутренней стороне окружности, предусмотрен зазор между соседними постоянными магнитами 37', 38' на внешней стороне окружности.
В четвертом модифицированном примере, показанном на фиг.9, поперечное сечение в радиальном направлении каждого из кольцевых постоянных магнитов 35', 36' имеет прямоугольную форму, которая отличается от первого, второго и третьего модифицированных примеров.
Аналогично первому модифицированному примеру, постоянный магнит 35' закреплен на участке 16a кольцевой канавки, которая предусмотрена в виде вогнутого элемента вокруг отверстия 16b свободной установки, в результате чего S-полюса находятся на внутренней стороне окружности, и N-полюса находятся на внешней стороне окружности. С другой стороны, постоянный магнит 36' закреплен на участке 29a кольцевой канавки, которая предусмотрена в виде выемки вокруг отверстия 29b свободной установки, в результате чего S-полюс находится на внешней стороне окружности, и N-полюс находится на внутренней стороне окружности.
Постоянные магниты, разделенные в направлении окружности, могут также использоваться в модифицированном примере, аналогичном второму и третьему модифицированным примерам.
В синхронном двигателе индукторного типа, который имеет описанную выше конфигурацию, магнитный поток на стороне S-полюса постоянного магнита поступает внутрь индукторов 21, 27 S-полюса, в результате чего магнитный поток S-полюса появляется на торцевых поверхностях 21a, 27a индукторов 21, 27 S-полюса. Кроме того, магнитный поток на стороне N-полюса постоянного магнита поступает внутрь индуктора 20, 28 N-полюса, в результате чего магнитный поток N-полюса появляется на торцевых поверхностях 20a, 28a для индукторов 20, 28 N-полюса.
Когда трехфазный переменный ток подают на катушки 24 якоря в такой конструкции, вращающееся магнитное поле генерируется вокруг оси статора 13 якоря из-за сдвига фазы между тремя фазами подаваемой энергии. Вращающееся магнитное поле генерирует крутящий момент вокруг оси таких индукторов 20, 28 N-полюса и индукторов 21, 27 S-полюса роторов 12, 14, в результате чего роторы 12, 14 вращаются, приводя во вращение вращающийся вал 34.
В соответствии с указанной выше конфигурацией, так как постоянные магниты расположены в статорах 11, 15 возбуждения, эффективность производства индукторного синхронного двигателя повышается. Кроме того, устройство подачи энергии и структура охлаждения элемента возбуждения становятся ненужными, в результате чего такая конструкция может быть упрощена.
Кроме того, если выходная мощность составляет от 1 кВт до 5 МВт, достаточно использовать постоянные магниты в качестве элементов возбуждения. Таким образом можно обеспечить уменьшение размеров индукторного синхронного устройства по сравнению со случаем, когда сверхпроводящий материал используется в элементах возбуждения, как в первом варианте выполнения.
Аналогично настоящему варианту осуществления постоянный магнит также можно использовать как элемент возбуждения в следующих вариантах осуществления.
На фиг.10 показан второй вариант осуществления.
Второй вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что количество роторов 41, 44 и статоров 13 якоря увеличено.
Более конкретно, ротор 41, статор 13 якоря, ротор 44 и статор 13 якоря добавлены между статором 13 якоря и ротором 14 по первому варианту осуществления.
Каждый из роторов 41, 44 включает в себя участок 42, 45 опоры в форме диска, который изготовлен из немагнитного материала и сформирован с отверстием 42a, 45a установки вращающегося вала для размещения в нем вращающегося вала 34 и индуктора 43, 46, магнитные элементы, которого, соответственно, встроены через равные интервалы вдоль направления окружности вокруг отверстия 42a, 45a установки вращающегося вала. Каждый из индукторов 43, 46 имеет сечение, форма которого является такой же, что и форма сечения коллектора 25 потока статора 13 якоря. Участки 42, 45 опоры сформированы из немагнитного материала, такого как FRP и нержавеющая сталь. Индукторы 43, 46 изготовлены из магнитного материала, такого как пермендюр, пластина из кремнистой стали, железо и пермаллой.
В описанной выше конфигурации катушки 18, 31 возбуждения сформированы из сверхпроводящего материала, в результате чего можно существенно увеличить магнитный поток, чтобы он достигал более удаленных положений. Поэтому множество роторов 12, 41, 44 может быть расположено между статорами 11, 15 возбуждения на соответствующих сторонах, и можно увеличить выходной крутящий момент.
Поскольку другие конфигурации второго варианта осуществления аналогичны первому варианту осуществления, они обозначены теми же номерами ссылочных позиций и их описание здесь не приведено.
На фиг.11 показан третий вариант осуществления.
Третий вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что роторы 12, 14, статор 13 якоря и статор 51 возбуждения увеличены.
Более конкретно, статор 51 возбуждения, ротор 12, статор 13 якоря и ротор 14 добавлены между ротором 14 и статором 15 возбуждения по первому варианту осуществления.
Статор 51 возбуждения включает в себя ярмо 52, которое сформировано из магнитного материала и закреплено на установочной поверхности G в теплоизолирующем контейнере 54 для хладагента, вакуумная изоляционная структура которого встроена в ярмо 52, и катушку 53 возбуждения, которая представляет собой обмотку, выполненную из сверхпроводящего элемента, установленную в теплоизолирующем контейнере 54 для хладагента.
Ярмо 52 выполнено с отверстием 52b свободной установки, которое высверлено в центре так, что его внешний диаметр больше, чем внешний диаметр вращающегося вала 34, и установочное отверстие 52a высверлено с приданием ему кольцевой формы вокруг отверстия 52b свободной установки. Катушка 53 возбуждения установлена в кольцевом теплоизолирующем контейнере 54 для хладагента, внутри которого циркулирует жидкий азот. Теплоизолирующий контейнер 54 для хладагента встроен в установочное отверстие 52a.
Поскольку конфигурация третьего варианта осуществления аналогична конфигурации по первому варианту осуществления, она обозначена теми же номерами ссылочных позиций и ее описание здесь не приведено.
На фиг.12 показан четвертый вариант осуществления.
Четвертый вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что количество индукторов 62 N-полюса и индукторов 63 S-полюса ротора 60 увеличено.
Ротор 60 имеет участок 61 опоры в форме диска, который изготовлен из немагнитного материала и сформирован с установочным отверстием 61a для вращающегося вала и шестью индукторами 62 N-полюса и шестью индукторами 63 S-полюса, которые поочередно расположены вдоль направления окружности вокруг установочного отверстия 61a через равные интервалы.
Другие торцевые поверхности 62b индукторов 62 N-полюса расположены так, что они обращены к внешней стороне окружности катушки 31 возбуждения, которая представляет собой положение генерирования N-полюса. Другие концевые поверхности 63b индукторов 63 S-полюса расположены так, что они обращены к внутренней стороне окружности катушки 31 возбуждения, которая представляет собой положение генерирования S-полюса. Торцевые поверхности 62a, 63a индукторов 62 N-полюса и индукторов 63 S-полюса, которые обращены к статору 13 якоря, расположены на концентрических кругах через равные интервалы. Площадь поперечного сечения каждого из индукторов 62 N-полюса и индукторов 63 S-полюса остается постоянной от торцевых поверхностей 62a, 63a до других торцевых поверхностей 62b, 63b. Кроме того, площадь поперечного сечения каждого из индукторов 62 N-полюса и площадь поперечного сечения каждого из индукторов 63 S-полюса, по существу, равны.
Поскольку в остальном эти конфигурации аналогичны представленным в первом варианте осуществления, их описание здесь не приведено.
На фиг.13-16 показан пятый вариант осуществления.
Пятый вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что он направлен на индукторный синхронный двигатель 70 со структурой радиального зазора.
Статор 71 якоря включает в себя ярмо 74, которое сформировано из магнитного материала и имеет участки 74b четырех зубьев, выступающих от поверхности внутренней окружности цилиндрического участка 74a через равные интервалы вдоль направления окружности, теплоизолирующие контейнеры 76 для хладагента, каждый из которых имеет структуру вакуумной изоляции и окружает каждый из участков 74b зубьев, и катушки 75 якоря, каждая из которых представляет собой обмотку, изготовленную из сверхпроводящего материала и установленную внутрь соответствующих теплоизолирующих контейнеров 76 с хладагентом.
Статор 72 возбуждения установлен и закреплен на ярме 74 статора 71 якоря и включает в себя ярмо 77 в форме диска, изготовленное из магнитного тела, теплоизолирующий контейнер 79 с хладагентом, имеющий структуру вакуумной изоляции, встроенный в ярмо 77, и катушку 78 возбуждения, которая представляет собой обмотку, изготовленную из сверхпроводящего материала и установленную внутри теплоизолирующего контейнера 79 с хладагентом. Ярмо 77 имеет отверстие 77a свободной установки, которое высверлено в его центре, и имеет диаметр больше, чем внешний диаметр вращающегося вала 84, и участок 77b канавки, который предусмотрен в виде выемки с приданием ему кольцевой формы вокруг отверстия 77a свободной установки. Катушка 78 возбуждения установлена внутри теплоизолирующего контейнера 79 с хладагентом, в котором циркулирует жидкий азот. Теплоизолирующий контейнер 79 с хладагентом встроен на участке 77b канавки.
Ротор 73 включает в себя участок 80 опоры в форме диска, который изготовлен из немагнитного материала и имеет установочное отверстие 80a, в котором установлен вращающийся вал 84, пара индукторов 81 N-полюса, встроенных в симметричных положениях вокруг установочного отверстия 80a, и пара индукторов 82 S-полюса, встроенных в положения, повернутые на 90° относительно положений индукторов 81 N-полюса.
Как показано на фиг.14 и 16, каждый из индукторов 81 N-полюса имеет форму ступенчатой полосы, и один ее конец 81a расположен так, что он обращен в направлении и вдоль положения генерирования N-полюса катушки 78 возбуждения, в то время как внешняя поверхность 81b на стороне другого конца расположена так, что она обращена к катушкам 75 якоря.
Как показано на фиг.15 и 16, каждый из индукторов 82 S-полюса имеет форму сложенной назад полосы, и один ее конец 82a расположен так, что он обращен в направлении и вдоль положения генерирования S-полюса катушки 78 возбуждения, в то время как внешняя поверхность 82b на стороне другого конца расположена так, что она обращена к катушкам 75 якоря. Другой конец 82c индуктора 82 S-полюса не доходит до торцевой поверхности ротора 73, и индуктор 82 S-полюса сформирован в виде сложенной назад формы, в результате чего он расположен на расстоянии от N-полюса катушки 78 возбуждения, что предотвращает утечку магнитного потока.
Площадь поперечного сечения каждого из индукторов 81 N-полюса и индукторов 82 S-полюса является постоянной, и их площади поперечного сечения, по существу, равны друг другу.
Ярма 74, 77, индукторы 81 N-полюса и индукторы 82 S-полюса сформированы из магнитного материала, такого как пермендюр, пластина из кремнистой стали, железо и пермаллой. Участок 80 опоры сформирован из немагнитного материала, такого как FRP и нержавеющая сталь.
Устройство 32 подачи питания соединено с катушкой 78 возбуждения и катушками 75 якоря с помощью проводов. Постоянный ток подают в катушку 78 возбуждения, в то время как трехфазный переменный ток подают в катушки 75 якоря.
Резервуар 33 с жидким азотом соединен с теплоизолированными контейнерами 76, 79 с хладагентом через изолирующие трубы. Жидкий азот, таким образом, циркулирует в качестве хладагента.
Далее, будет описан принцип работы индукторного синхронного двигателя 70.
Когда постоянный ток подают в катушку 78 возбуждения, N-полюс генерируется на внешней стороне окружности катушки 78 возбуждения, в то время как S-полюс генерируется на ее внутренней стороне окружности. Затем, как показано на фиг.14, магнитный поток на стороне N-полюса входит в индуктор 81 N-полюса с поверхности 81a другого торца, в результате чего магнитный поток N-полюса возникает на внешней поверхности 81b на стороне другого торца. Кроме того, как показано на фиг.15, магнитный поток на стороне S-полюса входит в индуктор 82 S-полюса с поверхности 82a другого торца, в результате чего магнитный поток S-полюса возникает на внешней поверхности 82b на другой стороне.
Когда трехфазный переменный ток подают в катушки 75 якоря в такой конструкции, вращающееся магнитное поле генерируется на поверхности внешней окружности вокруг оси статора 71 якоря в результате сдвига фаз подаваемой электроэнергии. Вращающееся магнитное поле образует крутящий момент, генерируемый вокруг оси в индукторах 81 N-полюса и индукторах 82 S-полюса. Таким образом, ротор 73 вращается, приводя во вращение вращающийся вал 84.
На фиг.17 показан шестой вариант осуществления.
Шестой вариант осуществления отличается от пятого варианта осуществления тем, что шестой вариант осуществления имеет структуру, в которой цилиндрический статор 90 возбуждения окружен ротором 91, выполненным, по существу, в форме трубы так, что между ними образован зазор.
Поскольку статор 71 якоря аналогичен статору по пятому варианту осуществления, его описание здесь не приведено.
Статор 90 возбуждения имеет цилиндрическое ярмо 92, сформированное из магнитного тела, кольцевой вакуумный изолирующий контейнер 94, который установлен и закреплен на внешней окружности ярма 92, катушку 93 возбуждения, сформированную из сверхпроводящего материала, которая установлена внутри теплоизолирующего контейнера 94, содержащего хладагент, и которая намотана вокруг оси, и неподвижный вал 95, который установлен в поперечном направлении от центра одной из торцевых поверхностей ярма 92.
Ротор 91 включает в себя индуктор 97 S-полюса, который сформирован из магнитного материала с поперечным сечением U-образной формы и расположен так, что он закрывает часть левой стороны статора 90 возбуждения в положении, повернутом на 90°, индуктор 98 N-полюса, который сформирован из магнитного материала с поперечным сечением U-образной формы и который расположен так, что он закрывает часть правой стороны статора 90 возбуждения, участки 99, 100 опоры, которые сформированы из немагнитного материала и соединяют индуктор 97 S-полюса и индуктор 98 N-полюса так, что они составляют одно целое, и вращающийся вал 101, который установлен в поперечном направлении так, что он продолжается от торцевой поверхности правой стороны ротора 91.
Как показано на фиг.18, индуктор 97 S-полюса расположен так, что торцевая поверхность 97a на левой стороне обращена к положению генерирования S-полюса катушки 93 возбуждения, и так, что поверхность 97b внешней окружности обращена к катушкам 75 якоря статора 71 якоря. Отверстие 97c свободной установки, диаметр которого больше, чем диаметр неподвижного вала 95, высверлено в центре торцевой поверхности 97a на левой стороне.
Как показано на фиг.19, индуктор 98 N-полюса расположен так, что торцевая поверхность 98a на правой стороне обращена к положению генерирования N-полюса катушки 93 возбуждения, и так, что поверхность 98b внешней окружности обращена к катушкам 75 якоря. Вращающийся вал 101 закреплен в центре торцевой поверхности 98a его правой стороны.
В соответствии с описанной выше конфигурацией, N-полюсы и S-полюсы поочередно возникают на внешней поверхности окружности ротора 91 в направлении вдоль окружности. Площадь поперечного сечения каждого из индуктора 97 S-полюса и индуктора 98 N-полюса является постоянной, и площади поперечного сечения индуктора 97 S-полюса и индуктора 98 N-полюса, по существу, равны друг другу.
Ярмо 92, индуктор 97 S-полюса и индуктор 98 N-полюса сформированы из магнитного материала, такого как пермендюр, пластина из кремнистой стали, железо и пермаллой. Участки 99, 100 опоры сформированы из немагнитного материала, такого как FRP и нержавеющая сталь.
Ниже будет описан принцип работы.
Когда постоянный ток подают в катушку 93 возбуждения, N-полюс генерируется на правой стороне, и S-полюс генерируется на левой стороне, если смотреть, как показано на чертеже. Затем, как показано на фиг.18, магнитный поток на стороне S-полюса входит в индуктор 97 S-полюса с торцевой поверхности 97a левой стороны, в результате чего магнитный поток S-полюса появляется на внешней поверхности 97b окружности. Кроме того, как показано на фиг.19, магнитный поток на стороне N-полюса входит в индуктор 98 N-полюса с торцевой поверхности 98a правой стороны, в результате чего магнитный поток N-полюса возникает на внешней поверхности 98b окружности.
Когда трехфазный переменный ток подают в катушки 75 якоря (не показаны) в этой конструкции, вращающееся магнитное поле генерируется на поверхности внутренней окружности вокруг оси статора 71 якоря в результате сдвига фаз подаваемой электроэнергии. Вращающееся магнитное поле обеспечивает генерирование вокруг оси крутящего момента в индукторе 98 N-полюса и индукторе 97 S-полюса. Таким образом, ротор 91 вращается, приводя во вращение вращающийся вал 101.