Высокомоментный электродвигатель на основе высокотемпературных сверхпроводников для прямого привода пропеллера или гребного винта

Область техники.
Полезная модель относится к области электрических машин, в частности высокомоментных электродвигателей на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), и может найти применение при использовании в приводах пропеллеров или гребных винтов.
Предшествующий уровень техники.
Электрические машины, в которых имеется ротор, приводимый в движение магнитным полем неподвижного статора применяются в качестве приводов в различных видах транспорта, в частности авиационного и морского. В данном случае, двигатель применяется для прямого привода пропеллера или гребного винта.
Приводы винтов обычно требуют невысоких скоростей вращения вала, но высокого крутящего момента. Поскольку в транспортных приложениях масса и габариты зачастую являются важным фактором, для снижения массы привода электрическую машину подбирают с более высокой частотой вращения вала и меньшим моментом, а для согласования скорости и момента применяют редуктор. В результате вес системы в целом получается легче, чем высокомоментный двигатель такой же частоты вращения.
Однако такой подход порождает ряд недостатков, к которым относятся необходимость обслуживания редуктора и сниженный ресурс приводной системы. Редуктор снижает общий КПД приводной системы. Также редуктор является источником шума и вибраций, что критически важно для ответственных применений.
Создание облегченного высокомоментного двигателя, который сможет обеспечить прямой привод винта с той же массогабаритной эффективностью, что и связка высокооборотного двигателя с редуктором, недостижимо традиционными технологиями из-за ограничения плотности тока в обмотках двигателя.
Были предприняты попытки создания электродвигателей с использованием высокотемпературной сверхпроводимости.
Так, в патенте RU 2631673 раскрывается высокотемпературный сверхпроводящий электромагнитный индукционный двигатель с радиальным зазором, который относится к высокомоментным двигателям и может быть использован, например, в качестве привода автомобилей, судов и другой техники. В соответствии с изобретением, сверхпроводящий электромагнитный двигатель с радиальным зазором состоит из ротора, статора, трансформаторных болтов, где сверху с наружной стороны намотана первичная обмотка (обмотка возбуждения), вторичной сверхпроводящей обмотки, множества сверхпроводящих объемных пластин, элементов скольжения внутренних и внешних, вала, лопастей, щеточно-коллекторного узла, при этом, статор расположен с воздушным зазором в радиальном направлении ротора так, что магнитные потоки противостоят друг другу, множество элементов возбуждения, расположенные по контуру окружности статора, противостоят множеству сверхпроводящих пластин, служащих якорными обмотками и расположенных по контуру окружности ротора, магнитные потоки, генерируемые множеством элементов возбуждения и множеством сверхпроводящих объемных пластин, направлены друг к другу в радиальном направлении так, что противостоят друг другу, за счет чего достигается вращательный момент. В итоге обеспечивается высокая выходная мощность и высокий коэффициент полезного действия электродвигателя с аксиальным зазором, двигатель при этом имеет небольшой вес и габариты, охлаждение высокотемпературных сверхпроводников не вызывает сложности.
Однако, известному электродвигателю присущи следующие недостатки. Двигатель содержит коллекторный узел, который является источником шума и подвержен износу. В двигателе возбуждение на статорные ВТСП-катушки передается с помощью трансформаторных болтов, которые, исходя из конструкции двигателя, имеют существенную массу, нет решения для ввода тока непосредственно в обмотки двигателя. В отсутствии магнитопровода и охлаждении жидким азотом не достижимы высокие значения магнитного поля в зазоре, а, следовательно, и высокие мощностные характеристики.
Наиболее близкое техническое решение раскрывается в патенте ЕР 2786472 (В1).
В соответствии с данным устройством, электродвигатель включает статор, ротор и множество обмоточных катушек. Двигатель отличается от предшествующего уровня техники тем, что обмоточные катушки выполнены из ВТСП проводников, причем каждая обмотка заключена в свой криостат, а криостаты размещены внутри статора вокруг сквозных окон его корпуса. В окошках установлены зубцы магнитопровода. Ротор двигателя находится в теплой зоне. Каждый статорный криостат, по существу, повторяет форму катушки и выполнен в форме тора.
Такое выполнение статора в двигателе позволяет использовать криогенную среду только для охлаждения в ней обмоток, в то время как зубцовый магнитопровод статора и ротор работают при комнатной температуре.
Однако, при реализации наиболее близкого технического решения возможны следующие технические проблемы. Индивидуальные криостаты обмоток имеют большое количество клеевых швов, что снижает надежность конструкции. Они обладают большой поверхностью, что увеличивает теплоприток.
Электрический двигатель в соответствии с наиболее близким техническим решение будет обладать меньшей надежностью и конструкционной прочностью по отношению к вибрационным нагрузкам, возникающим в электродвигателе, по сравнению с монолитной системой, предлагаемой в настоящей заявке.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели будет большая надежность высокомоментного электродвигателя на основе ВТСП за счет того, что статор содержит единый криостат.
Раскрытие сущности полезной модели.
Высокомоментный электрический двигатель на основе высокотемпературных сверхпроводников для прямого привода пропеллера или гребного винта, в соответствии с заявленной полезной моделью, включает цилиндрический корпус двигателя с торцевыми щитами, ротор и статор, где статор содержит единый криостат из электроизоляционного материала со статорными обмотками, выполненными из высокотемпературных сверхпроводников, и магнитопровод с зубцами, при этом криостат выполнен в виде полого цилиндра с внутренней и внешней стенками, сквозными окнами и фланцами со штуцерами для подвода криогенной среды, обмотки размещены во внутреннем пространстве криостата вокруг упомянутых окон, а зубцы установлены в окнах криостата.
В частных воплощениях полезной модели обмотки выполнены из высокотемпературных сверхпроводников второго поколения.
В других частных воплощениях полезной модели в одном из щитов размещен вакуумный порт, установленный с возможностью создания вакуума между корпусом и криостатом.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 приведена схема двигателя с пространственным разделением основных частей двигателя.
На фиг. 2 приведено изображение криостата.
На фиг. 3 приведено изображение криостата с расположенными в нем обмотками.
Позиции на чертежах означают следующее:
1. Корпус двигателя.
2. Передний торцевой щит.
3. Задний торцевой щит.
4. Ротор.
5. Криостат.
6. Магнитопровод.
7. Зубцы магнитопровода.
8. Внешняя стенка криостата.
9. Внутренняя стенка криостата.
10. Сквозное окно.
11. Фланец криостата.
12. Штуцер для подвода криогенной среды.
13. Статорная обмотка.
14. Труба.
15. Вакуумный порт.
Предложенное техническое решение предполагает использование высокотемпературных сверхпроводников для изготовления обмоток двигателя, которые позволяют обеспечить высокую плотность тока, при небольшом весе систем криообеспечения, и, тем самым, обеспечивают высокую массовую эффективность всей системы.
В отличие от известного технического решения, в заявленной полезной модели применяется единый криостат для обмоток цилиндрической формы, что обеспечивает его высокую механическую стойкость.
Предложенный высокомоментный электрический двигатель содержит корпус двигателя 1 (см. фиг. 1) со щитами, установленными в торцах корпуса передним торцевым щитом 2 и задним торцевым щитом 3, ротор 4 и статор.
Ротор 4 установлен внутри корпуса двигателя 1 на подшипниках и приводится в движение за счет взаимодействия с магнитным полем статора.
Статор включает криостат 5 и магнитопровод 6 с зубцами магнитопровода 7, закрепленный в корпусе двигателя 1. Криостат 5 выполнен в виде полого цилиндра с внешней 8 и внутренней 9 стенками криостата, сквозными окнами 10 и фланцами криостата 11, на одном из которых установлены два штуцера для подвода криогенной среды 12 (см. фиг. 2).
Строение сквозных окон 10 показано на фиг. 3. Вокруг сквозных окон 10 в криостате 5 размещены статорные обмотки 13, выполненные в виде катушек с намотанной высокотемпературной сверхпроводящей лентой второго поколения. Охлаждение обмотки осуществляется посредством подвода криогенной среды, например, жидкого азота, через один из штуцеров для подвода криогенной среды 12.
Магнитопровод 6 закреплен в корпусе двигателя 1. Магнитопровод имеет разборную конструкцию, позволяющую установить зубцы магнитопровода 7 в сквозные окна 10 криостата со статорными обмотками 13, что позволяет осуществить электромагнитное взаимодействие обмоток и зубцов.
Корпус двигателя 1 является герметичным. Вакуумный объем внутри двигателя формируется корпусом двигателя 1, задним 2 и передним 3 торцевыми щитами, и трубой 14 между ротором 4 и статором, выполненной из электроизоляционного материала, например, стеклоэпоксифенола. Вакуум между корпусом двигателя 1 и криостатом 5 формируется через вакуумный порт 15, размещенный на заднем торцевом щите 3, что позволяет создать температурный барьер между холодным криостатом и теплым корпусом.
Полезная модель реализуется следующим образом.
Статорные обмотки коммутируются между собой согласно схеме коммутации, например, формируя трехфазную обмотку.
Внешняя 8 и внутренняя 9 стенки криостата 5 и фланцы криостата 11 соединяются между собой при помощи склейки специальным компаундом, одновременно формируются сквозные окна 10 и вокруг них размещаются статорные обмотки 13, заранее изготовленные на специальном оборудовании.
В корпус двигателя 1 устанавливается магнитопровод 6 без зубцов. Криостат фиксируется в корпусе двигателя, так, чтобы сквозные окна 10 криостата разместились напротив посадочных мест зубцов магнитопровода 7. Зубцы магнитопровода 7 устанавливаются через сквозные окна 10 криостата в магнитопровод 6. На корпус устанавливается задний торцевой щит 3, уплотняемый с корпусом с помощью вакуумного резинового уплотнения. Внутрь криостата 5, между ротором и статором устанавливается труба 14, уплотняемая в заднем торцевом щите 3 с помощью вакуумного резинового уплотнения.
Ротор 4 двигателя устанавливается на шарикоподшипнике в передний торцевой щит 2 и задвигается через трубу 14 в двигатель. Далее ротор 4 вместе с установленным передним торцевым щитом 2 с помощью шарикоподшипника устанавливается в заднем торцевом щите 3, а передний торцевой щит 2 уплотняется с корпусом двигателя 1 и трубой 14 между ротором и статором с помощью вакуумного резинового уплотнения.
К штуцерам для подвода криогенной среды 12 подсоединяются металлорукава для подачи криогенной среды (не показаны). К вакуумному порту 15 подсоединяется вакуумный насос (не показан). Двигатель закрепляется в изделии, для которого предназначен, передним торцевым щитом 2 с помощью болтовых соединений. Нагрузка, например, пропеллер (не показан) соединяется с валом ротора 4 напрямую или с помощью специальной муфты (не показана).
Использование заявленного высокомоментного электродвигателя на основе высокотемпературной сверхпроводимости позволяет отказаться от использования редуктора при подсоединении к приводам пропеллеров или гребных винтов и реализовать прямое соединение. Это имеет ряд преимуществ, т.к. редуктор - это быстро изнашиваемый механизм, требующий частого обслуживания, создающий дополнительный шум при работе.
Заявляемый технический результат достигается за счет использования в конструкции высокомоментного электродвигателя на основе ВТСП статора, содержащего единый криостат.