СБОРКА ПЕРЕДАЧИ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ДЛЯ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ ВРАЩАЮЩИХСЯ МАШИН
TORQUE TRANSMISSION ASSEMBLY FOR SUPERCONDUCTING ROTATING MACHINES

Ссылки на родственные заявки
Данная патентная заявка притязает на приоритет патентной заявки США №11/533,595, поданной 20 сентября 2006 г., содержание которой в полном объеме включено сюда посредством ссылки.
Включение посредством ссылки
В данную заявку включены посредством ссылки следующие заявки: патентная заявка США №09/415,626, поданная 12 октября 1999 г., патентная заявка США №09/480,430, поданная 11 января 2000 г., патентная заявка США №09/480,397, поданная 11 января 2000 г.; патентная заявка США №09/481,483, поданная 11 января 2000 г.; патентная заявка США №09/481,480, поданная 11 января 2000 г.; патентная заявка США №09/481,484, поданная 11 января 2000 г., патентная заявка США №09/480,396, поданная 11 января 2000 г., и патентная заявка США №09/909,412, поданная 19 июля 2001 г.
Предпосылки изобретения
Изобретение относится к конструкции и эксплуатации сверхпроводящих вращающихся машин и, в частности, к сборкам передачи крутящего момента в сверхпроводящих вращающихся машинах.
Сверхпроводящие электрические машины разрабатываются с начала 1960-х годов. Использование сверхпроводящей обмотки в этих машинах привело к значительному увеличению магнитодвижущей силы, создаваемой обмотками, и повышению плотности магнитного потока в машинах. Однако для правильной работы сверхпроводящей обмотки требуются криогенные температуры. Таким образом, были разработаны сверхпроводящие двигатели и генераторы, включающие в себя механизмы для передачи крутящего момента между сборкой ротора и выходным валом с одновременным ограничением теплопередачи в криогенную зону машины.
Сущность изобретения
Изобретение относится к сборкам ротора, а также к вращающимся машинам (например, двигателю или генератору), имеющим такие сборки ротора. Сборка ротора относится к типу, выполненному с возможностью вращаться в сборке статора вращающейся машины и имеющему вал, расположенный в некриогенной зоне сборки ротора.
Согласно одному аспекту изобретения сборка ротора включает в себя сборку сверхпроводящей обмотки, расположенную в криогенной зоне сборки ротора. В ходе эксплуатации сборка сверхпроводящей обмотки генерирует магнитный поток, пронизывающий сборку статора. Сборка ротора также включает в себя сборку передачи крутящего момента, которая включает в себя две трубы, которые располагаются с радиальным промежутком вне сборки сверхпроводящей обмотки и которые проходят вдоль продольной оси сборки ротора.
Варианты осуществления этого аспекта изобретения могут включать в себя один или несколько из следующих признаков. Сборка передачи крутящего момента может быть механически связана со сборкой сверхпроводящей обмотки и может проходить между некриогенной зоной и криогенной зоной сборки ротора. Сборка ротора может включать в себя фланец, причем сборка передачи крутящего момента аксиально проходит от фланца и по участку сборки сверхпроводящей обмотки. Длины двух труб могут быть достаточными для обеспечения теплоизоляции сборки сверхпроводящей обмотки. Сборка передачи крутящего момента может включать в себя кольцо для механической связи со сборкой сверхпроводящей обмотки. Например, первое кольцо может механически связывать первую трубу со сборкой сверхпроводящей обмотки, и второе кольцо может механически связывать вторую трубу со сборкой сверхпроводящей обмотки. Фланцы также могут быть механически связаны с трубами. Например, одна труба может быть механически связана с одним фланцем и проходить по участку сборки сверхпроводящей обмотки, и другая труба может быть механически связана с другим фланцем и проходить по другому участку сборки сверхпроводящей обмотки. Длины труб могут быть одинаковыми или разными. Промежуток между трубами может быть достаточным для обеспечения существенной теплоизоляции сборки сверхпроводящей обмотки. Промежуток также может быть достаточным для обеспечения опоры для сборки сверхпроводящей обмотки. Трубы могут быть выполнены из различных материалов, например теплопроводящих материалов (например, инконеля). Сборка ротора также может включать в себя спицы, причем каждая спица может механически фиксировать сборку сверхпроводящей обмотки к валу. Одна из труб может быть механически связана с кольцом сварным соединением. Сборка сверхпроводящей обмотки может включать в себя высокотемпературный сверхпроводник. Сборка сверхпроводящей обмотки также может включать в себя опорную трубу. Сборку ротора можно использовать в относительно высокоскоростных применениях. Например, можно использовать при скоростях вращения, по меньшей мере, 3000 об/мин.
Согласно одному аспекту изобретения вращающаяся машина включает в себя вал, расположенный в некриогенной зоне вращающейся машины, и сборку статора. Вращающаяся машина также включает в себя сборку ротора, окруженную сборкой статора. Сборка ротора включает в себя сборку сверхпроводящей обмотки, расположенную в криогенной зоне сборки ротора. В ходе эксплуатации сборка сверхпроводящей обмотки генерирует магнитный поток, пронизывающий сборку статора. Сборка ротора также включает в себя сборку передачи крутящего момента, которая включает в себя две трубы, которые располагаются с радиальным промежутком вне сборки сверхпроводящей обмотки и которые проходят вдоль продольной оси сборки ротора.
Варианты осуществления этого аспекта изобретения могут включать в себя один или несколько из следующих признаков. Сборка ротора может включать в себя фланец, в связи с чем сборка передачи крутящего момента аксиально проходит от фланца и по участку сборки сверхпроводящей обмотки. Длины труб могут быть достаточными для обеспечения существенной теплоизоляции сборки сверхпроводящей обмотки. Промежуток между трубами также может обеспечивать теплоизоляцию сборки сверхпроводящей обмотки. Промежуток между трубами также может быть достаточным для обеспечения опоры для сборки сверхпроводящей обмотки. Сборка передачи крутящего момента может включать в себя одно кольцо для механической связи первой трубы со сборкой сверхпроводящей обмотки и другое кольцо для механической связи второй трубы со сборкой сверхпроводящей обмотки. Первая труба может быть механически связана с первым фланцем и аксиально проходить по участку сборки сверхпроводящей обмотки, и вторая труба может быть механически связана со вторым фланцем и аксиально проходить по другому участку сборки сверхпроводящей обмотки. Трубы могут содержать один или несколько типов теплопроводящих материалов (например, инконель) и композитных материалов.
Детали одного или нескольких вариантов осуществления изобретения приведены в прилагаемых чертежах и нижеследующем описании. Другие признаки, задачи и преимущества изобретения станут очевидны из описания и чертежей, а также из формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - вид в перспективе в разрезе сборки ротора.
Фиг.1A - увеличенный вид в разрезе участка, показанного на Фиг.1.
Фиг.2 - двухмерный вид в разрезе одного варианта осуществления сборки ротора.
Фиг.3 - двухмерный вид в разрезе другого варианта осуществления сборки ротора.
Фиг.3A - конфигурация спиц сборки ротора, показанного на Фиг.3.
Подробное описание
На Фиг.1 и 1A показана сборка 10 ротора синхронной сверхпроводящей машины. В этом виде в перспективе участок электромагнитного экрана 12 удален, чтобы открыть внутренние компоненты сборки 10 ротора. Например, показан вал 14, который проходит вдоль продольной оси 16 сборки 10 ротора. Сверхпроводящая обмотка 18 в ходе эксплуатации генерирует магнитный поток, пронизывающий сборку статора (не показана). В некоторых примерах сверхпроводящая обмотка может иметь одну или несколько топологий конфигурации для создания электрических полюсов (например, шестиполюсную топологию). Сверхпроводящая обмотка 18 может иметь форму (например, овальную форму) для эффективной генерации магнитного потока, как предусмотрено (совместно с другими деталями конструкции) в патентной заявке США №09/359,497, которая включена сюда посредством ссылки. Сборка 10 ротора также включает в себя обмотку возбуждения (не показана), примеры которой более подробно описаны в патентной заявке США №09/480,430, которая включена сюда посредством ссылки.
Сборка 10 ротора включает в себя опорную трубу 20 обмотки, которая поддерживается при криогенных температурах и выполнена из высокопрочного и ковкого материала (например, нержавеющей стали, инконеля, никелевой стали марки 9, никелевой стали марки 12 и т.д.). Создание опорной трубы 20 обмотки из никелевой стали марки 9 или никелевой стали марки 12 имеет преимущество, обусловленное ее ферромагнитными свойствами, которые позволяют усиливать магнитное поле в пути потока, пронизывающего сборку статора. Криогенный охладитель (не показан), внешний по отношению к сборке 10 ротора, обеспечивает охлаждающей жидкостью, например гелием, сборку ротора. Как будет более подробно описано ниже, сборка 10 ротора и его компоненты имеют признаки, позволяющие повысить общую производительность генератора, особенно на относительно высоких скоростях (например, скоростях свыше 3000 об/мин) в условиях высокого или низкого крутящего момента. Однако технические характеристики и признаки сборки 10 ротора также можно применять в низкоскоростных реализациях, в условиях высокого или низкого крутящего момента.
В частности, сборка 10 ротора включает в себя две трубы 22, 24 крутящего момента для передачи вращательных усилий, создаваемых сборкой ротора, валу 14. В этой конфигурации соответствующие фланцы 26, 28 присоединены к трубам 22, 24 крутящего момента для передачи усилий от сборки 10 ротора валу 14. Вал 14 передает энергию вращения, например, пропеллеру, передающей системе или другому подобному устройству или системе. Вал 14 обычно выполнен из стали и не охлаждается (т.е. остается при температуре окружающей среды). В некоторых примерах вал 14 сам по себе или совместно с окружающим его кожухом (не показан) может быть изготовлен из ферромагнитного материала, например магнитной стали или железа для снижения магнитного сопротивления и, таким образом, увеличения величины магнитного потока через путь потока, пронизывающий сборку статора.
Опорная труба 20 обмотки обеспечивает опору для сверхпроводящей обмотки 18, благодаря чему обмотка сохраняет свою форму катушки (например, овальную форму). Для относительно высокоскоростных применений сверхпроводящая обмотка 18 монтируется внутри опорной трубы 20 обмотки. В этом случае опорная труба 20 обмотки располагается в радиальном положении дальше от продольной оси 16, чем сверхпроводящая обмотка 18. При высоких скоростях центростремительные силы могут отталкивать обмотку радиально от оси вращения. Благодаря тому что сверхпроводящая обмотка 18 покрыта опорной трубой 20, обмотка, по существу, остается на месте, сохраняя свою форму.
Трубы 22 и 24 крутящего момента радиально располагаются вне опорной трубы 20 обмотки для относительно высокоскоростных применений сборки 10 ротора. Указанный на Фиг.1 участок сборки 10 ротора показан в увеличенном виде на Фиг.1A. Из Фиг.1A можно видеть, что труба 22 крутящего момента расположена между опорной трубой 20 обмотки и электромагнитным экраном 12 и проходит вдоль продольной оси 16 сборки 10 ротора. Хотя это не показано, труба 24 крутящего момента расположена в примерно таком же радиальном положении между опорной трубой 20 обмотки и электромагнитным экраном 12.
Для передачи вращательных усилий от сборки 10 ротора с одновременной минимизацией теплопередачи между теплыми и холодными компонентами конец трубы 22 крутящего момента механически связан (например, сварен) по своей окружности с фланцем 26, который проходит радиально от вала 14. Аналогично, фланец 28 (показанный на Фиг.1) на противоположном конце сборки 10 ротора связан с трубой 24 крутящего момента. Трубы 22 и 24 крутящего момента проходят вдоль продольной оси 16, покрывая концевые участки опорной трубы 20 обмотки и сверхпроводящей обмотки 18.
Помимо передачи крутящего момента и механической поддержки сверхпроводящей обмотки 18 трубы 22, 24 крутящего момента также обеспечивают теплоизоляцию между обмоткой, находящейся при криогенных температурах, и участками сборки 10 ротора, находящимися при температуре окружающей среды, например валом 14. Для обеспечения механической опоры и теплоизоляции одна или обе из труб 22, 24 крутящего момента могут быть выполнены из материала высокой прочности и низкой теплопроводности, например инконеля (например, инконеля 718), титанового сплава (например, Ti6A14V и т.д.) или другого аналогичного металлического материала. Трубы 22, 24 крутящего момента также могут быть выполнены из композитного материала или комбинации металлических и композитных материалов для обеспечения конструкционных и тепловых свойств.
Поскольку трубы 22, 24 крутящего момента выполнены из высокопрочного материала, длины труб крутящего момента вдоль продольной оси 16 могут быть относительно велики даже для условий эксплуатации сборки 10 ротора на относительно высоких скоростях. Длина труб 22 и 24 крутящего момента в сочетании с их низкой теплопроводностью уменьшает теплопередачу от теплых компонентов к холодным компонентам (например, сверхпроводящей обмотке 18, опорной трубе 20 обмотки), в то же время эффективно передавая крутящий момент с обмоток на вал 14. Как рассмотрено ниже, длины труб крутящего момента можно регулировать для обеспечения нужной опоры и теплоизоляции.
Опорная труба 20 обмотки может сокращаться в размерах вследствие поддержания при криогенных температурах. Например, опорная труба 20 обмотки может укорачиваться вследствие низких температур. Трубы 22, 24 крутящего момента обычно обладают более высокой жесткостью на сдвиг, чем опорная труба 20 обмотки. Например, динамическая жесткость труб 22, 24 крутящего момента может быть значительно ниже динамической жесткости опорной трубы 20 обмотки. Поскольку трубы 22, 24 крутящего момента значительно менее гибки, трубы крутящего момента испытывают меньшее напряжение. Дополнительно низкая теплопроводность труб крутящего момента обеспечивает низкую теплопроводность между криогенной зоной и зоной температуры окружающей среды сборки 10 ротора.
На Фиг.2 двухмерный вид в разрезе сборки 10 ротора показывает сборку 30 сверхпроводящей обмотки, которая поддерживается при криогенных температурах и включает в себя такие компоненты, как сверхпроводящая обмотка 18 и опорная труба 20 обмотки. В силу радиальной симметрии сборки 10 ротора здесь описан только верхний участок сборки, однако описания также соответствуют нижнему участку сборки. Сборка 10 ротора также включает в себя сборку 32 передачи крутящего момента, которая включает в себя такие компоненты, как две трубы 22, 24 крутящего момента, которые соответственно передают крутящий момент валу 14 через два фланца 26, 28. Сборка 32 передачи крутящего момента обеспечивает теплоизоляцию сборки 30 сверхпроводящей обмотки от участков сборки 10 ротора, находящихся при температуре окружающей среды.
1
В этой конфигурации соответствующие концы каждой из труб 22, 24 крутящего момента присоединены к кольцам 34, 36, которые располагаются радиально вне опорной трубы 20 обмотки. Например, один конец трубы кручения 22 механически связан (например, сварен) с кольцом 34, и один конец трубы 24 крутящего момента связан с кольцом 36. Трубы крутящего момента разделены расстоянием вдоль продольной оси 16 сборки 10 ротора. Выраженное расстоянием "X", разделение труб 22, 24 крутящего момента зависит от длины труб, длины сборки 10 ротора и положений колец 34, 36 вдоль продольной оси 16.
OL1
OL2
В этом примере каждая из труб кручения 22, 24 проходит по участку опорной трубы 20 обмотки. Например, труба 22 крутящего момента проходит по участку опорной трубы 20 катушки, которая имеет длину "X", и труба 24 крутящего момента проходит по противоположному участку опорной трубы обмотки, обозначенной длиной "X". Перекрывая опорную трубу 20 обмотки, трубы 22, 24 крутящего момента могут проходить на значительную длину без необходимости в увеличении длины сборки 10 ротора вдоль продольной оси 16. Этого не было бы, если бы трубы 22, 24 крутящего момента располагались параллельно (на одном и том же радиальном расстоянии от продольной оси) опорной трубе 20 обмотки.
1
1
При увеличении длины труб 22, 24 крутящего момента и, таким образом, уменьшении расстояния разделения "X" напряжение на сборке 10 передачи крутящего момента снижается. Дополнительно вследствие низкой теплопроводности материала труб крутящего момента при увеличении длин тепловая нагрузка вследствие теплопроводности трубы крутящего момента уменьшается. Например, в Приложении A представлен анализ крутящего момента для сборки 10 ротора, показанной на Фиг.2. В этом анализе расстояние разделения "X" задано равным 22,5 дюйма. Из расчетов (представленных на языке программирования MathCad, разработанном компанией Mathsoft Corporation of Needham, MA) в трубах крутящего момента присутствует напряжение около 53 ksi, и тепловая нагрузка вследствие теплопроводности трубы крутящего момента составляет около 39 ватт. Как описано ниже, при уменьшении расстояния разделения напряжение может снижаться совместно с тепловой нагрузкой. При уменьшении расстояния разделения до нулевого значения можно минимизировать напряжение и тепловую нагрузку. Однако при нулевом значении разделения два кольца 34, 36 будут располагаться рядом и образовывать единую точку контакта с опорной трубой 20 обмотки, что может снижать механическую стабильность. Поэтому расстояние разделения обычно имеет ненулевое значение.
В некоторых конфигурациях опорная труба 20 обмотки выполнена из металлического материала, например нержавеющей стали, или неметаллического материала, например композитного материала. Аналогично одно или оба из колец 34, 36 могут быть выполнены из металлического материала (например, инконеля), или композитного материала, или комбинации металлического и композитного материалов.
2
1
На Фиг.3 показан двухмерный вид в разрезе другого варианта осуществления сборки 10 ротора. В этом примере две трубы 22 и 24 крутящего момента более длинные по сравнению с трубами крутящего момента, показанными на Фиг.2. Соответственно, расстояние разделения "X" между двумя трубами крутящего момента меньше, чем расстояние разделения "X" на Фиг.2. Благодаря уменьшению расстояния разделения между трубами 22, 24 крутящего момента напряжение в трубах крутящего момента снижается совместно с тепловой нагрузкой вследствие электропроводности труб кручения. Например, поскольку коэффициент жесткости каждой трубы кручения 22, 24 меньше, чем коэффициент жесткости опорной трубы 20 обмотки, каждая труба крутящего момента может сжиматься значительно меньше, чем опорная труба катушки. Например, труба 22 крутящего момента может сжиматься на половину длины, на которую сжимается опорная труба 20 обмотки.
2
1
1
В Приложении B представлен анализ крутящего момента труб 22, 24 крутящего момента для уменьшенного расстояния разделения "X", равного 7,5 дюймам. Анализ показывает, что напряжение составляет около 44 ksi, что значительно меньше, чем напряжение на трубах крутящего момента, разделенных расстоянием "X" (т.е. 53 ksi). Анализ также показывает, что тепловая нагрузка вследствие теплопроводности трубы составляет около 33 ватт, что меньше, чем тепловая нагрузка, испытываемая при расстоянии разделения "X" (т.е. 39 ватт). Таким образом, при увеличении длин труб 22, 24 крутящего момента и, соответственно, уменьшении расстояния разделения напряжение в трубах крутящего момента снижается совместно с тепловой нагрузкой.
1
2
В иллюстративных сборках ротора, показанных на Фиг.2 и Фиг.3, обе трубы 22, 24 крутящего момента имеют равные длины, однако в некоторых конфигурациях трубы крутящего момента могут иметь разные длины. Кроме того, в сборке 10 ротора обе трубы 22, 24 крутящего момента расположены симметрично относительно средней точки расстояния разделения (например, X или X). Однако в некоторых конфигурациях трубы крутящего момента могут располагаться асимметрично относительно средней точки расстояния разделения.
Можно предусмотреть дополнительную опору для опорной трубы 20 обмотки, например, когда сборка 10 ротора входит в состав генератора, работающего в условиях относительно высоких скоростей. Например, спицы 38 (показанные на Фиг.3) можно включить в состав сборки 10 ротора для обеспечения дополнительной опоры для опорной трубы 20 обмотки в радиальном направлении. Согласно Фиг.3A спицы 38 могут быть равномерно распределены (например, с интервалом 45°), однако в некоторых конфигурациях спицы могут быть распределены неравномерно. Спицы 38 также могут располагаться для обеспечения опоры для других компонентов сборки 10 ротора. Например, спицы 38 могут располагаться между валом 14 и трубой 22 крутящего момента. Наряду с интервалами между спицами можно изменять количество спиц в зависимости от необходимой опоры. Кроме того, спицы 38 могут быть выполнены из материала высокой прочности и низкой теплопроводности, например инконеля 718, титанового сплава (например, Ti6A14V) или композитного материала, для снижения теплопередачи между валом 14, находящимся при температуре окружающей среды, и холодными компонентами сборки 10 ротора.
Другие варианты осуществления отвечают объему формулы изобретения. Например, хотя сборка ротора, показанная на Фиг.3, включает в себя один набор спиц 38, соединяющих вал 14 с опорной трубой 20 обмотки, один или несколько дополнительных наборов спиц могут размещаться для обеспечения опоры на противоположном конце опорной трубы обмотки.