МАГНИТНАЯ ОПОРА ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТИПА НА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКАХ

Полезная модель относится к магнитным опорам на высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП). Областью применения таких опор являются электротехнические устройства с массивным вращающимся ротором/валом. Их преимуществом является отсутствие механического контакта между взаимодействующими поверхностями, что резко снижает потери энергии на трение и износ поверхностей соприкасающихся деталей, а также устойчивая стабилизация ротора по всем направлениям, достигаемая благодаря электрофизическим свойствам сверхпроводников. Использование магнитных подшипников с ВТСП элементами позволяет упростить или полностью отказаться от системы активного управления магнитной опоры.
Известна магнитная ВТСП опора цилиндрического типа (фиг. 1), в которой магнитное поле формируется из последовательности магнитных колец, намагниченных по оси. В собранном виде кольца располагаются таким образом, чтобы векторы намагниченности соседних колец были направлены встречно друг другу. Как правило, между кольцами устанавливаются прокладки из магнитомягкого материала, которые увеличивают значение магнитного потока в зазоре между ВТСП статором и ротором магнитной опоры и уменьшают неоднородность магнитного поля, вызванную технологическими причинами.
Недостатком такого решения является то обстоятельство, что максимальная индукция магнитного поля устанавливается на поверхности самого магнита, где отсутствуют сверхпроводники.
2
Известно, что жесткость магнитной опоры равна произведению величин магнитной индукции и ее градиента, т.е. фактически пропорциональна квадрату индукции магнитного поля В в месте расположения ВТСП элемента. Так как ВТСП элемент отделен от магнита пространством, необходимым для обеспечения беспрепятственного вращения ротора, то величина магнитной индукции в этом промежутке существенно уменьшается при удалении от магнита. Поэтому магнитное поле в области сверхпроводника значительно ниже значений, которых можно добиться на поверхности магнитов.
Если значение остаточной магнитной индукции высококоэрцетивного сплава Nd-Fe-B составляет ~1.1-1.4 Тл, то при известной схеме конструкции магнитной системы магнитная индукция в объеме сверхпроводника находится в диапазоне 0.4-0.6 Тл. Таким образом, применение описанной конструкции является неэффективным с точки зрения использования магнитного потока, создаваемого постоянными магнитами.
Наиболее близким прототипом является магнитная система подшипника, разработанная фирмой ATZ (Frank N. Werfel, Uta Floegel-Delor, Tomas Riedel, Rolf Rothfeld, Dieter Wippich, Bernd Goebel. HTS Magnetic Bearings in Prototype Application. IEEE/EEE/CSC&ESAS EUROPEAN SUPERCONDUCTIVITY NEWS FORUM. No 12 APRIL 2010). Ротор конструкции собирается из последовательности противоположно намагниченных в осевом направлении магнитов, разделенных прокладками из магнитомягкого материала. Прокладки между магнитами позволяют смещать магнитное поле в направлении ВТСП элементов и являются концентраторами магнитного потока, увеличивая магнитный поток, проходящий через ВТСП элементы, установленные на статоре.
Выступание прокладок над поверхностью магнита не дает существенного улучшения этой ситуации. Основными недостатками такого решения является уменьшение пространства для вращения ротора при выступании прокладок в зазор и потери магнитного потока в пространстве между выступами, не позволяющие добиться существенного улучшения ситуации.
Техническим результатом заявленной полезной модели является перераспределение магнитного поля в зазоре между статором и ротором подшипника таким образом, что в области расположения ВТСП элемента будет сосредоточен больший магнитный поток. Такой подход позволяет решить задачу увеличения жесткости и повышения эффективности использования магнитного потока постоянных магнитов в цилиндрической конструкции магнитной ВТСП опоры, снижения материалоемкости конструкции.
Указанный технический результат достигается тем, что в области расположения ВТСП элементов устанавливаются элементы из магнитомягкого материала различной геометрической формы. Благодаря его высокой магнитной проницаемости значительная часть магнитного потока замыкается через эти элементы, позволяя формировать магнитное поле необходимым образом, т.е. увеличивать поток, проходящий через сверхпроводник. Значение магнитной индукции в таком случае зависит от пути, по которому замыкается магнитный поток, т.е. от геометрии и расположения элементов из магнитомягкого материала.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
Магнитная система ротора полезной модели аналогично прототипу состоит из намагниченных в осевом направлении и расположенных встречно друг другу постоянных магнитов 1, между которыми располагаются прокладки из магнитомягкого материала 2, концентрирующие магнитное поле. Элементы из магнитомягкого материала 4, вызывающие перераспределение магнитного потока, устанавливаются на статор магнитной опоры, где расположены ВТСП элементы 3. Возможные схемы установки дополнительных элементов:
1) в виде трубы, расположенной с внешней стороны ВТСП элементов (фиг. 2);
2) в виде участков трубы (колец), расположенных с внешней стороны ВТСП элементов напротив прокладок ротора (фиг. 3);
3) в виде участков трубы (колец), расположенных с внешней стороны ВТСП элементов напротив постоянных магнитов ротора (фиг. 4).
Охлаждение высокотемпературного сверхпроводника до критической температуры происходит в режиме fc в магнитном поле собранного ротора.
Расчеты, проведенные с помощью компьютерного моделирования магнитной системы ВТСП опоры, показывают увеличение осевой жесткости при использовании дополнительных элементов из магнитомягкого материала для перераспределения магнитного потока. Так обычная цилиндрическая конструкция длиной 100 мм и следующими размерами элементов магнитной системы:
- внешний радиус ротора 75 мм;
- внутренний радиус ротора 55 мм;
- толщина кольцевых постоянных магнитов 8 мм;
- толщина прокладок ротора 3 мм;
- зазор между статором и ротором магнитной опоры 3 мм;
- толщина ВТСП элементов 2 мм
обладает жестокостью 1185 Н/мм. В то же время жесткость конструкций с дополнительными элементами, предложенных в полезной модели, достигает значений:
1) с дополнительными элементами в виде участков труб толщиной 2 мм и длиной 8 мм, расположенных напротив прокладок ротора - 1412 Н/мм;
2) с дополнительными элементами в виде участков труб толщиной 2 мм и длиной 8 мм, расположенных напротив постоянных магнитов ротора - 1661 Н/мм;
3) с дополнительными элементами в виде трубы толщиной 2 мм - 1824 Н/мм;
Наиболее выгодное расположение элементов из магнитомягкого материала и их размеры могут быть определены в результате проведения вариантов расчетов по распределению магнитного поля.