Корабли будущего. Тяга на сверхпроводящих движителях

В «Московском авиационном институте (национальном исследовательском университете)» (МАИ) в « Центре сверхпроводниковых электрических машин и устройств» на кафедре 310 ведутся разработки электротехнического оборудования с использованием явления сверхпроводимости, начиная с 1965 года. В 1973 – 1990 гг. с участием МАИ разработаны, созданы и испытаны низкотемпературный сверхпроводниковый (НТСП) униполярный генератор мощностью 0,5 МВт и бортовой синхронный генератор мощностью 0,7 МВт, был выполнен ряд проектов бортовых криогенных энергетических установок мощностью 10 – 30 МВт.

Для развития работ в области прикладной сверхпроводимости в 1993 при кафедре 310 МАИ создан « Центр сверхпроводниковых электрических машин и устройств» . С этого момента в Центре «Сверхпроводниковых электрических машин и устройств» МАИ проводятся работы по созданию принципиально нового класса электрических машин с высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП) с охлаждением жидким азотом. В 1993 – 1997 гг. эти исследования проводились по программе ГКНТ «Актуальные направления в физике конденсированных сред» (направление «Сверхпроводимость»). В период 1995 – 2008 гг. при поддержке Миннауки России и Германии (работы по созданию первых опытных образцов электрических машин на основе объемных ВТСП). В период 2009 – 2013 гг. - в рамках проекта «Сверхпроводниковая индустрия» (в составе проекта Комиссии «Инновационная энергетика» приоритетного направления «Энергоэффективность» (работы по созданию электрических машин на основе ВТСП второго поколения и кинетических накопителей энергии с магнитным ВТСП подвесом).

Ниже приводятся результаты работ « по созданию нового электротехнического оборудования на основе современных ВТСП за период 1993 – 2013 гг.:
– В период 1993 - 1999 гг. созданы первые в мире серии гистерезисных ВТСП двигателей мощностью 100 Вт, 500 Вт, 1 кВт и 4 кВт, работающих в среде жидкого азота. Показано, что эти двигатели превосходят в 3 – 4 раза по массогабаритным параметрам электрические машины традиционного исполнения.
– В 1997 – 2000 гг. в МАИ разработаны, изготовлены и испытаны новые типы реактивных синхронных ВТСП двигателей мощностью 0,5 кВт, 2 кВт, 5 кВт и 10 кВт с композитным ВТСП ферромагнитным ротором, работающих при температурах жидкого азота.
– В 2002 г. в рамках Германо-Российского проекта "HTS Motor < 500 kW" в МАИ совместно с ВНИИ НМ им. Бочвара и ОАО «НИИЭМ» (г. Истра) создан 100 кВт реактивный ВТСП электродвигатель. В рамках той же кооперации в 2002 г. создан бортовой крионасос с ВТСП двигателем (совместно с ОАО «Туполев») для перспективных самолетов типа "Криоплан" на водородном топливе.
– В 2003 г. в МАИ совместно с ФПГ «Новые транспортные технологии» создан первый в России макет магнитного подвеса с использованием объемных ВТСП грузоподъемностью 500 кг для систем высокоскоростного транспорта.
– С 2005 г. в МАИ ведутся разработки ВТСП электродвигателей для приводов крионасосов водородной энергетики и систем криообеспечения силовых ВТСП кабелей. Экспериментально показано, что такие двигатели с постоянными магнитами и объемными ВТСП элементами имеют выходную мощность в 1,5 раза выше, чем традиционные синхронные двигатели при тех же режимах охлаждения в среде жидкого азота.
– В 2007 г. в МАИ совместно с ОАО «НПО Энергомаш имени ак. В.П. Глушко» и ОАО «АКБ Якорь» создан и успешно испытан промышленный образец крионасоса с ВТСП электроприводом для систем криообеспечения силовых ВТСП кабелей.
– В 2008 г. совместно с фирмой “Oswald Elektromotoren GmbH” (ФРГ) создан и успешно испытан высокодинамичный синхронный ВТСП электродвигатель с охлаждением жидким азотом мощностью 500 кВт для специальных промышленных приводов.
– В 2009 г. в МАИ совместно с ОАО «НИИЭМ» (г. Истра) успешно испытан высокодинамичный ВТСП электродвигатель мощностью 150 кВт (в рамках проекта «Машук» Минобороны РФ).
– В 2010 г. в МАИ совместно с ОАО «Русский сверхпроводник» спроектирован, изготовлен и испытан макетный образец кинетического накопителя энергии (КНЭ) на основе ВТСП магнитного подвеса с запасенной энергией 0,5 МДж.

В 2011 – 2015 гг. в рамках программы «Сверхпроводниковая индустрия» МАИ в кооперации с ОАО «НИИЭМ», МГТУ им. Баумана, ИФВЭ, ОАО «ВПО Точмаш» и ГУАП, были проведены следующие работы:
– разработаны технологии намотки ВТСП обмоток возбуждения электрических машин;
– разработаны, изготовлены и испытаны первые в РФ опытные образцы двигателя и генератора на основе ВТСП второго поколения мощностью 50 кВт;
– разработан и изготовлен генератор на основе высокотемпературных сверхпроводников второго поколения мощностью 1 МВА для ветроэнергетических установок;
– разработан и изготовлен электродвигатель для транспорта на основе ВТСП второго поколения мощностью 200 кВт;
– разработан и изготовлен КНЭ с магнитным ВТСП подвесом с запасенной энергией свыше 5 МДж.

Итоги работ « Центра сверхпроводниковых электрических машин и устройств» МАИ по созданию новых типов ВТСП электрических машин, КНЭ и систем магнитного подвеса опубликованы в четырех монографиях, десятках статей и патентах и отражены в 9 кандидатских и 3 докторские диссертациях. Лидирующие позиции разработчиков в области создания новых типов электрических машин на основе современных ВТСП являются общепризнанными как в России, так и за рубежом. Работы по созданию криогенных ВТСП электрических машин отмечены двумя Премиями правительства РФ в области науки и техники за 2002 г. и 2009 г., а также отмечены рядом дипломов и медалей российских и зарубежных конференций и выставок.

Владельцы патента RU 2411624:

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, и касается выполнения электродвигателей со сверхпроводящей обмоткой и с аксиальным зазором, точнее высокомоментных электродвигателей, которые используются, например, в качестве привода автомобилей и судов. В предлагаемом электродвигателе статоры (12) и (13) расположены с требуемыми воздушными зазорами в аксиальном направлении ротора (11) так, чтобы противостоять друг другу, множество элементов возбуждения в виде обмоток возбуждения (15) или постоянных магнитов (33) расположены на роторе (11) и множество якорных обмоток (17) и (19) расположены в статорах (12) и (13) вокруг оси. По меньшей мере, одна из обмоток возбуждения (15) или постоянных магнитов (33) ротора и якорных обмоток (17) и (19) сформированы из сверхпроводящего материала, исходя из условия, чтобы их магнитные потоки были направлены в аксиальном направлении. При этом в полых частях якорных обмоток расположены коллекторы потока, выполненные в виде магнитных тел. Технический результат - обеспечение высокой выходной мощности и высокого коэффициента полезного действия электродвигателя с аксиальным зазором, обладающего при этом небольшим весом и габаритами. 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к электродвигателю со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором, а более точно к высокомоментному электродвигателю, который используется в качестве источника привода автомобилей и судов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Традиционно, в качестве электродвигателей, предусмотрены электродвигатель с радиальным зазором и электродвигатель с аксиальным зазором. В качестве типа с радиальным зазором широко используется электродвигатель, в котором ротор предусмотрен в полой части статора, имеющего кольцевое поперечное сечение, из условия, чтобы направления магнитного потока обмоток были направлены в радиальном направлении. Между тем, электродвигатель с аксиальным зазором, как раскрытый в публикации №2004-140937 нерассмотренной заявки на выдачу патента Японии, содержит статоры, расположенные противостоящими друг к другу в аксиальном направлении ротора, из условия, чтобы направления магнитного потока обмоток были направлены в аксиальном направлении.

В традиционном электродвигателе с аксиальным зазором, однако, для магнитного поля используются постоянные магниты или обмотки, такие как медные провода, и медные провода используются для якорных обмоток. Как понятно из того факта, что выходной крутящий момент задан в виде произведения тока и магнитного поля, есть предел для отдачи электродвигателя. Кроме того, для того чтобы повышать выходную мощность, габариты электродвигателя неизбежно увеличиваются, так что увеличивается и его вес. Кроме того, ели растет величина тока, эффективность использования энергии снижается вследствие потерь в меди или тому подобного.

[Патентный документ 1]:

Нерассмотренная публикация №2004-140937 заявки на выдачу патента Японии.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ПРОБЛЕМЫ, РЕШАЕМЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЕМ

Изобретение сделано ввиду вышеприведенных проблем. Поэтому цель изобретения состоит в том, чтобы предоставить электродвигатель с аксиальным зазором, который обеспечивает высокую выходную мощность, является небольшим и легковесным, обладает высоким коэффициентом полезного действия и, в частности, соответствующим образом используется в качестве гребного электродвигателя для судов и тому подобного.

СРЕДСТВО ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ

Для того чтобы решить вышеприведенные проблемы, согласно изобретению предоставлен электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой типа с аксиальным зазором, включающий в себя:

статоры, расположенные с требуемыми воздушными зазорами в аксиальном направлении ротора так, чтобы противостоять друг другу;

множество элементов возбуждения, расположенных на любом одном из ротора и статоров вокруг оси ротора;

по меньшей мере одни из элементов возбуждения и якорных обмоток сформированы из сверхпроводящего материала, из условия, чтобы направления их магнитного потока были направлены в аксиальном направлении.

В такой конфигурации сверхпроводящий материал используется для магнитного поля и/или якорей электродвигателя с аксиальным зазором. Таким образом, большой ток может быть приложен, а габариты и вес электродвигателя могут быть уменьшены, наряду с тем, что достигается двигательный момент высокой выходной мощности. Кроме того, посредством использования сверхпроводящего материала энергетические потери могут быть значительно уменьшены в отсутствие потерь в меди, что дает возможность реализовать высокий коэффициент полезного действия. Кроме того, поскольку статоры расположены в аксиальном направлении ротора в виде конструкции с аксиальным зазором, диаметр может быть уменьшен так, что могут быть уменьшены шумы, вызванные вращением. В электродвигателе с осевым зазором края обмоток, которые не вносят вклад в двигательный момент, не формируются в отличие от электродвигателя с радиальным зазором. Таким образом возможно получать электродвигатель высокого коэффициента полезного действия и высокой выходной мощности.

Предпочтительно, элементы возбуждения являются обмотками возбуждения и как обмотки возбуждения, так и якорной обмотки, сформированы из сверхпроводящего материала.

В качестве сверхпроводящего материала соответствующим образом используются основанные на висмуте или основанные на иттрии высокотемпературные сверхпроводящие материалы.

Кроме того, сверхпроводящий материал может быть сформирован кластерами, подобными высокотемпературному сверхпроводящему объемному магниту или постоянному магниту. Высокотемпературный сверхпроводящий объемный магнит является магнитом, который изготовлен из высокотемпературного сверхпроводящего слитка, полученного рассеиванием несверхпроводящей фазы в высокотемпературном сверхпроводнике из RE-Ba-Cu-O, чтобы заставить фазу плавиться и разрастаться, и который способен к улавливанию и намагничиванию большего магнитного поля, чем постоянный магнит с высокими эксплуатационными характеристиками.

Кроме того, элементы возбуждения могут быть постоянными магнитами, изготовленными из материала, иного чем сверхпроводящий материал, а якорные обмотки могут быть сформированы из сверхпроводящего материала.

Если используется эта конфигурация, постоянные магниты могут просто располагаться на любом одном из ротора и статоров. Поэтому эффективность производства электродвигателя со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором может увеличиваться, что дает возможность упрощать конструкцию.

Кроме того, хотя постоянные магниты, изготовленные из материалов, иных чем сверхпроводящий материал, используются в качестве элементов возбуждения, возможно в достаточной мере справляться с любой ситуацией, если выходная мощность электродвигателя со сверхпроводящей обмоткой составляет от 1 кВт до 5 МВт. Как результат, возможно уменьшать габариты электродвигателя со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором.

Предпочтительно, статоры расположены по обеим сторонам ротора в аксиальном направлении ротора, вращающийся вал, зафиксированный на роторе, подвешен так, чтобы проходить через подшипники статоров, а элементы возбуждения и якорные обмотки расположены на одной и той же оси с воздушными зазорами в аксиальном направлении.

Если используется эта конфигурация, пара статоров предусмотрена по обеим сторонам ротора в аксиальном направлении, с воздушным зазором между ними. Таким образом, по сравнению с тем, когда статор расположен только по одну сторону, магнитное поле у ротора усилено, что дает возможность получать двигательный момент высокой выходной мощности.

Предпочтительно, коллекторы потока магнитных тел расположены в полых частях обмоток возбуждения, служащих в качестве элементов возбуждения и/или якорных обмоток.

Если используется эта конфигурация, магнитные тела предусмотрены в полых частях обмоток, магнитные потоки обмоток могут усиливаться, что дает возможность реализовать электродвигатель высокой выходной мощности. Кроме того, так как электродвигатель обладает высокой выходной мощностью, количество намотанных обмоток может быть уменьшено, так что могут дополнительно уменьшаться габариты и вес электродвигателя. Кроме того, коллекторы потока выполняют роль формирования магнитопровода магнитного потока, который должен формироваться в обмотках. Поэтому может задаваться направление магнитного потока, а утечка магнитного поля может предохраняться от формирования в направлении, где магнитный поток не осуществляет вклад в крутящий момент. Кроме того, магнитные тела утоплены в полых частях обмоток, тем самым повышая механическую прочность обмоток.

Предпочтительно, передние края коллекторов потока установлены в той же самой позиции, что и поверхности передних краев обмоток, где расположены коллекторы потока или в позициях, которые отступают от поверхностей передних краев обмоток.

В частности, когда постоянные магниты или сверхпроводящие объемные магниты предусмотрены на находящейся напротив ответной стороне, коллекторы потока не выступают из поверхностей передних краев обмоток, окружающих коллекторы потока. В этом случае сила притяжения, вызванная магнитной силой, почти не формируется между магнитами и находящейся напротив ответной стороной, во время сборки и т.п. Кроме того, не происходит столкновение между ротором и статорами. Поэтому позиционирование легко выполняется, в то время как зазор поддерживается при заданном расстоянии.

Однако коллекторы потока могут быть предусмотрены выступающими из поверхностей передних краев обмоток, в которых расположены коллекторы потока. В этом случае зазор между коллекторами и находящейся напротив ответной стороной (ротором или статорами) может быть уменьшен. Таким образом магнитный поток между ротором и статорами может усиливаться, что ведет к повышению выходного крутящего момента.

Предпочтительно, статоры и/или ротор сформированы из магнитного тела.

Если используется эта конфигурация, статоры и/или ротор выполняют роль в качестве обоймы, а магнитный поток, проходящий через них, может экранироваться от утечки на их заднюю сторону. Поэтому магнитное поле усиливается, что дает возможность реализовать высокий выходной крутящий момент.

Предпочтительно, материал, обладающий высокой плотностью магнитного потока/высокой магнитной проницаемостью, используется для магнитного тела.

Высокая плотность потока означает плотность потока, когда плотность потока в насыщении составляет от 0,5 до 10 Тл. Предпочтительно плотность потока может устанавливаться от 1,5 до 4 Тл.

Кроме того, материал, обладающий высокой магнитной проницаемостью, означает материал, удельная магнитная проницаемость которого составляет от 500 до 10000000. Предпочтительно, удельная магнитная проницаемость может быть установлена в от 2000 до 10000.

В частности, более предпочтительно, что материалом, обладающим высокой плотностью магнитного потока/высокой магнитной проницаемостью, является пермендюр.

Пермендюр обладает магнитной проницаемостью, приблизительно в десять раз большей, чем таковая у железа, а насыщенность его магнитного поля является большей, чем 2 Тл. Поэтому ток, который должен подаваться в обмотки, может формировать по меньшей мере большое магнитное поле, из условия, чтобы могла увеличиваться выходная мощность электродвигателя, а габариты электродвигателя могли уменьшаться. Однако в качестве магнитного тела могут использоваться кремнистая сталь, железо, пермаллой и тому подобное.

Предпочтительно, воздушные зазоры предусмотрены в полых частях якорных обмоток или немагнитные тела расположены в полых частях.

Кроме того, предпочтительно, воздушные зазоры предусмотрены в полых частях обмоток возбуждения или немагнитные тела расположены в полых частях.

В частности, когда постоянные магниты или сверхпроводящие объемные магниты предусмотрены на находящейся напротив ответной стороне, магнитные тела не представлены в полых частях обмоток. В этом случае сила притяжения., вызванная магнитной силой, не формируется между магнитами и находящейся напротив ответной стороной, во время сборки и т.п. Поэтому позиционирование может легко выполняться наряду с тем, что зазор между ротором и статорами поддерживается при заданном расстоянии.

Кроме того, так как воздушные зазоры предусмотрены в полых частях обмоток или легкие немагнитные тела расположены в полых частях обмоток, возможно уменьшить вес электродвигателя. В частности, если воздушные зазоры предусмотрены в полых частях обмоток ротора, или легкие немагнитные тела, такие как полимер, расположены в полых частях обмоток, вес электродвигателя может быть уменьшен, так что снижается сила инерции во время вращения. Кроме того, улучшается чувствительность к изменению частоты вращения.

В дополнение, в качестве легких немагнитных тел, которые должны располагаться в полых частях обмоток, могут быть проиллюстрированы полимер, FRP (волокнит), алюминий и тому подобное.

В качестве средства подачи хладагента для охлаждения сверхпроводящего материала для формирования элементов возбуждения и/или якорных обмоток, когда сверхпроводящий материал прикреплен к стороне ротора, предпочтительно, чтобы проточный канал для хладагента, включающего в себя жидкий азот или тому подобное, был предусмотрен внутри вращающегося вала, зафиксированного в роторе так, чтобы проходить через центр ротора. Между тем, когда сверхпроводящий материал прикреплен к стороне статора, предпочтительно, чтобы проточный канал для хладагента, включающего в себя жидкий азот или тому подобное, предусматривался в каждой позиции крепления сверхпроводящего материала на статоре. В любом случае, предпочтительно, чтобы проточный канал хладагента покрывался теплоизоляционным слоем вплоть до позиции, где хладагент подходит к позиции расположения сверхпроводящего материала, служащего в качестве тел магнитного потока или якорных обмоток.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Как понятно из вышеприведенного описания, согласно изобретению сверхпроводящий материал используется для элементов возбуждения и/или якорных обмоток электродвигателя с аксиальным зазором. Таким образом, большой ток может прикладываться с большим коэффициентом полезного действия в отсутствие потерь в меди. Кроме того, может быть получен двигательный момент высокой выходной мощности и могут быть уменьшены габариты и вес электродвигателя. Кроме того, поскольку статоры расположены в аксиальном направлении ротора в виде конструкции с аксиальным зазором, могут быть уменьшены габариты электродвигателя и могут быть снижены шумы, вызванные вращением.

В дополнение, коллекторы потока, выполненные в виде магнитных тел, расположены в полых частях обмоток. Поэтому магнитный поток обмоток может усиливаться, что дает возможность реализовать электродвигатель высокой выходной мощности. Кроме того, могут быть уменьшены габариты и вес электродвигателя. Предоставление коллекторов потока вносит вклад в характеристику направлений магнитного потока и уменьшение утечки магнитного потока.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - вид в разрезе электродвигателя со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором согласно первому варианту осуществления изобретения.

Фиг.2 - вид в перспективе электродвигателя со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором согласно первому варианту осуществления.

Фиг.3 - вид в разрезе электродвигателя со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором согласно второму варианту осуществления изобретения.

Фиг.4 - вид в разрезе электродвигателя со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором согласно третьему варианту осуществления изобретения.

Фиг.5 - диаграмма, показывающая взаимосвязь между токами обмоток и магнитными потоками.

Фиг.6 - вид в разрезе электродвигателя со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором согласно пятому варианту осуществления изобретения.

Фиг.7 - вид в разрезе электродвигателя со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором согласно шестому варианту осуществления изобретения.

РАСШИФРОВКА ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

10: Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором

12, 13: Статор

14: Вращающийся вал

15: Обмотка возбуждения (элемент возбуждения)

16. 18, 20: Коллектор потока

17. 19: Якорная обмотка

21: Бак жидкого азота

33: Постоянный магнит (элемент возбуждения)

S: Промежуток

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В дальнейшем варианты осуществления изобретения будут описаны со ссылкой на чертежи.

Фиг.1 и 2 показывают электродвигатель 10 со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором согласно первому варианту осуществления изобретения. Электродвигатель 10 со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором содержит пару статоров 12 и 13, расположенных противостоящими друг другу по обеим сторонам ротора 11 в аксиальном направлении ротора 11, зафиксированного на вращающемся валу 14. Вращающийся вал 14, зафиксированный в роторе 11, подвешен так, чтобы проходить через подшипники 31 и 32 статоров 12 и 13.

Ротор 11 сформирован в форме диска, а вращающийся вал 14 зафиксирован в роторе 11 так, чтобы проходить через его центр. Ротор 11 содержит множество отверстий 11а крепления обмоток, которые предусмотрены с равными интервалами в круговом направлении на его внешней периферийной стороне, и множество обмоток 15 возбуждения утоплены в отверстиях 11а крепления обмоток, обмотки 15 возбуждения являются изготовленными из сверхпроводящего материала. По существу, множество обмоток 15 возбуждения закреплены на равных интервалах в круговом направлении вокруг оси ротора, из условия, чтобы направления магнитного потока соответственных обмоток 15 возбуждения были направлены в аксиальном направлении. Любые из коллекторов 16 потока и обмоток 15 возбуждения сделаны не выступающими из обеих боковых поверхностей ротора 11.

В качестве материала для ротора 11 используется магнитный материал, такой как пермендюр, кремнистая сталь, железо или пермаллой. Кроме того, в качестве сверхпроводящего материала для формирования обмоток 15 возбуждения используется основанный на висмуте или основанный на иттрии сверхпроводящий материал. Эти обмотки 15 возбуждения сконфигурированы так, чтобы снабжаться необходимой энергией из источника питания (не показан).

Статоры 12 и 13 имеют взаимно симметричные формы. Статоры 12 и 13, зафиксированные на поверхности G основания, содержат множество впалых частей 12а и 13а крепления обмоток, предусмотренных на их поверхностях, противостоящих ротору 11. Множество впалых частей 12а и 13а крепления обмоток предусмотрены на равных интервалах в круговом направлении по внешней периферийной стороне, из условия, чтобы множество якорных обмоток 17 и 19, изготовленных из сверхпроводящего материала, были утоплены во впалых частях 12а и 13а крепления обмоток. По существу, множество якорных обмоток 17 и 19 закреплены на интервалах в круговом направлении вокруг оси, из условия, чтобы направления их магнитного потока были направлены в аксиальном направлении. В полых частях соответственных якорных обмоток 17 и 19 расположены коллекторы 18 и 20 потока (магнитные тела), изготовленные из пермендюра. Любые из коллекторов 18 и 20 потока и якорных обмоток 17 и 19 сделаны не выступающими из боковых поверхностей статоров 12 и 13 соответственно. Обмотки 17 и 19 возбуждения сконфигурированы так, чтобы снабжаться необходимой энергией из источника питания (не показан).

В качестве материала для статоров 12 и 13 используется магнитный материал, такой как пермендюр, кремнистая сталь, железо или пермаллой с тем, чтобы выполнять роль в качестве задней обоймы. Кроме того, в качестве сверхпроводящего материала для формирования якорных обмоток 17 и 19 используется основанный на висмуте или основанный на иттрии сверхпроводящий материал.

Якорные обмотки 17 и 19 и обмотки 15 возбуждения расположены так, что радиальные расстояния от центра вала вращающегося вала 14 до соответственных обмоток совпадали друг с другом. Кроме того, расстояние между торцевой поверхностью вращения ротора 11 и торцевой поверхностью статора 12 или 13 на стороне ротора установлено от 0,1 мм до 1 мм (0,5 мм в этом варианте осуществления) в качестве зазора.

Поскольку обмотки 15 возбуждения сформированы из сверхпроводящего материала, жидкий азот, хранимый в баке 21 жидкого азота, вводится в полую часть 14а вращающегося вала 14 с тем, чтобы охлаждать обмотки 15 возбуждения.

Более точно, вращающийся вал 14 содержит полую часть 14а, предусмотренную тянущейся до позиции расположения ротора 11, полая часть раскрывается по направлению к одному торцу вращающегося вала в аксиальном направлении. Трубопровод 22 вставлен в полую часть 14а через подшипник 26 из бака 21 жидкого азота с тем, чтобы заканчиваться непосредственно перед позицией расположения ротора. Трубопровод 22 имеет двухтрубную конструкцию, включающую в себя внутренний периферийный проточный канал 24, служащий в качестве выходного канала, и внешний периферийный проточный канал 25, служащий в качестве входного канала, из условия, чтобы жидкий азот, протекающий по внутреннему периферийному проточному каналу 24 на переднем конце трубопровода, перемещался и подвергался циркуляции в периферийный проточный канал 25. Трубопровод 22 содержит вакуумный теплоизоляционный слой 23, предусмотренный на его внешней периферийной поверхности, за исключением позиции, соответствующей ротору 11.

Поскольку якорные обмотки 17 и 19 также сформированы из сверхпроводящего материала, жидкий азот, хранимый в баке 21 жидкого азота, используется для охлаждения якорных обмоток 17 и 19.

Более точно, двухтрубный трубопровод 27 выведен из бака 21 жидкого азота, трубопровод 27 содержит внутренний периферийный проточный канал 28, служащий в качестве выходного канала, и внешний периферийный проточный канала 29, служащий в качестве входного канала. В такой конструкции жидкий азот, протекающий через внутренний периферийный проточный канал 28 на переднем конце трубопровода, перемещается и подвергается циркуляции в периферийный проточный канал 29. Трубопровод 27 раздваивается к задней стороне статора 12 и задней стороне статора 13 из условия, чтобы раздвоенные трубопроводы 27 тянулись до центральных позиций частей крепления якорных обмоток 17 и 19 соответствующих статоров 12 и 13. Передние концы раздвоенных трубопроводов 27 сообщаются с отверстиями 12b и 13b ввода хладагента, углубленными в задних сторонах статоров 12 и 13, соответственно, с тем, чтобы вводить хладагент. Отверстия 12b и 13b ввода хладагента расположены в позициях, соответствующих якорным обмоткам 17 и 19 соответственно. Трубопровод 27 содержит вакуумный теплоизоляционный слой 30, предусмотренный на внешней периферийной поверхности трубопровода 27, за исключением участков, которые вмещены в отверстия 12b и 13b ввода хладагента статоров 12 и 13.

Согласно электродвигателю 10 со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором, сконфигурированному таким образом, обмотки 15 возбуждения сформированы из сверхпроводящего материала. Таким образом, возможно прикладывать большой ток с высоким коэффициентом полезного действия, без потерь в меди, и т.п. Как результат, возможно реализовать двигательный момент высокой выходной мощности и уменьшить габариты и вес. Кроме того, в качестве конструкции с аксиальным зазором статоры 12 и 13 расположены в аксиальном направлении ротора 11. Поэтому диаметр может уменьшаться и также могут быть снижены шумы вращения. Кроме того, поскольку статоры 12 и 13 расположены по обеим сторонам ротора 11, магнитное поле может быть усилено, что дает возможность реализовать более высокую выходную мощность. В дополнение, магнитный материал используется для статоров 12 и 13, чтобы служить в качестве задних обойм, из условия, чтобы предотвращалось формирование магнитного поля утечки. Таким образом, магнитное поле дополнительно усиливается, что дает возможность реализовать высокий выходной крутящий момент. Кроме того, в полых частях обмоток 15 возбуждения и якорных обмоток 17 и 19 магнитные тела (пермендюр) предусмотрены в качестве коллекторов 16, 18 и 20 потока. Таким образом, магнитное поле усиливается, что дает возможность реализовать высокую выходную мощность.

В дополнение, в этом варианте осуществления обмотки 15 возбуждения ротора 11 и якорные обмотки 17 и 19 статоров 12 и 13 сформированы из сверхпроводящего материала. Однако только одни из них сформированы из сверхпроводящего материала, а другие могут формироваться из обычного проводящего материала. В этом случае расстояние между торцевой поверхностью вращения ротора 11 и торцевыми поверхностями статоров 12 и 13 на стороне ротора может быть установлено в с 1 мм до 20 мм. То есть между ними может быть предусмотрен зазор.

Кроме того, статоры 12 и 13 и коллекторы 18 и 20 потока формируются раздельно. Однако, когда статоры 12 и 13 и коллекторы 18 и 20 потока сформированы из одного и того же материала, они могут формироваться как целая часть. В качестве хладагента, в дополнение к жидкому азоту, может использоваться жидкий неон, жидкий гелий или тому подобное.

Ниже описан второй вариант осуществления изобретения.

Как показано на фиг.3, отличие от первого варианта осуществления состоит в том, что коллекторы 35 потока, расположенные в полых частях обмоток 15 возбуждения ротора 11, утоплены так, чтобы не выступать из торцевых поверхностей обмоток 15 возбуждения.

Если используется эта конфигурация, коллекторы 35 потока не выступают из передних торцевых поверхностей обмоток 15 возбуждения. Таким образом, сила притяжения, вызываемая магнитной силой, почти не формируется между статорами 12 и 13 во время сборки, и т.п. Кроме того, не происходят никакие столкновения между ротором 11 и статорами 12 или 13. Поэтому позиционирование легко выполняется, в то время как зазор поддерживается при заданном расстоянии.

Ниже описан третий вариант осуществления изобретения. Как показано на фиг.4, отличие от первого варианта осуществления состоит в том, что воздушные зазоры S предусмотрены в полых частях якорных обмоток 17 и 19 статоров 12 и 13.

Если используется эта конфигурация, магнитные тела не представлены в полых частях якорных обмоток 17 и 19, противостоящих коллекторам 16 потока ротора 11, а сила притяжения, вызванная магнитной силой между элементами возбуждения, не формируется во время сборки и т.п. Таким образом, позиционирование может легко выполняться наряду с тем, что зазор между ротором 11 и статорами 12 и 13 поддерживается при заданном расстоянии.

Вообще, когда коллекторы потока расположены в полых частях обмоток, магнитное поля усиливается. Как показано на фиг.5, однако, магнитный поток почти не повышается после того, как ток превышает определенное значение. Кроме того, когда коллекторы потока не предусмотрены, магнитное поле имеет тенденцию усиливаться. То есть, электродвигатель 40 со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по этому варианту осуществления может реализовать высокий выходной крутящий момент, когда верхний предел тока может быть установлен в высокое значение. Кроме того, возможно уменьшать вес электродвигателя постольку, поскольку не предусмотрены коллекторы потока. Другие части этого варианта осуществления являются такими же, как таковые по первому варианту осуществления. Поэтому идентичные номера ссылок даны таким же частям, как и по первому варианту осуществления, а их описание опущено. Кроме того, поскольку базовые условия изменяются в соответствии с наличием или отсутствием коллекторов потока, формы обмоток также значительно изменяются. Отмечено, что не описывается, что изменяются эксплуатационные характеристики в соответствии с наличием или отсутствием коллекторов потока, так как используются идентичные обмотки.

В этом варианте осуществления воздушные зазоры предусмотрены в полых частях якорных обмоток 17 и 19 статоров 12 и 13. Однако даже когда немагнитные тела, такие как FRP (волокнит) или тому подобные, расположены в полых частях в качестве модификации по этому варианту осуществления, возможно получать такие же результаты. В частности, когда воздушные зазоры не предусмотрены в полых частях, но немагнитные тела расположены в полых частях, обмотки поддерживаются немагнитными телами, из условия, чтобы улучшалась прочность крепления.

Ниже описан четвертый вариант осуществления изобретения.

Отличие от первого варианта осуществления состоит в том, что статоры 12 и 13 сформированы из FRP, который является немагнитным телом.

То есть статоры 12 и 13 не сформированы из магнитного тела (такого как железо), вес которого относительно тяжел, а сформированы из легкого немагнитного тела, такого как полимер или тому подобное. Поэтому может быть снижен вес электродвигателя. В частности, во многих случаях, крупногабаритный электродвигатель, который должен использоваться на судах, сконфигурирован в виде синхронного электродвигателя с последовательным соединением, в котором роторы и статоры расположены поочередно в аксиальном направлении. Поэтому посредством снижения весов соответственных статоров 12 и 13 вес электродвигателя может значительно уменьшаться. Результаты в высшей степени значительны. Другие части по этому варианту осуществления являются такими же, как таковые по первому варианту осуществления и соответственно их описание опущено.

В этом варианте осуществления статоры 12 и 13 сформированы из FRP. Однако из FRP может формироваться ротор 11. Кроме того, конфигурация, где статоры 12 и 13 и/или ротор 11 сформированы из немагнитных тел, таких как FRP, может быть применена ко всем вариантам осуществления изобретения.

Ниже описан пятый вариант осуществления изобретения.

Как показано на фиг.6, отличия от первого варианта осуществления состоят в том, что якорные обмотки 54, изготовленные из сверхпроводящего материала, предусмотрены на роторе 51, обмотки 55 и 56 возбуждения, изготовленные из. сверхпроводящего материала, предусмотрены на статорах 52 и 53, и воздушные зазоры S предусмотрены в полых частях якорных обмоток 54.

В этом варианте осуществления ротор 51 электродвигателя 50 со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором содержит вращающийся вал, зафиксированный в его центре так, чтобы проходить через центр, множество отверстий 51а крепления обмоток, которые предусмотрены на равных интервалах в круговом направлении на внешней периферийной стороне ротора 51, и множество якорных обмоток 54, утопленных в отверстиях 51а крепления обмоток, якорные обмотки являются изготовленными из сверхпроводящего материала. По существу, множество якорных обмоток 54 закреплены на равных интервалах в круговом направлении вокруг оси, из условия, чтобы направления магнитного потока соответствующих якорных обмоток 54 были направлены в аксиальном направлении. Якорные обмотки 54 сформированы так, чтобы не выступать из обеих боковых поверхностей ротора 51. В качестве материала для ротора 51 используется магнитный материал, такой как пермендюр, кремнистая сталь, железо или пермаллой. Кроме того, в качестве сверхпроводящего материала для формирования якорных обмоток 54 используется основанный на висмуте или основанный на иттрии сверхпроводящий материал. Соответствующие якорные обмотки 54 сконфигурированы так, чтобы снабжаться необходимой энергией из источника питания (не показан).

Статоры 52 и 53 имеют взаимно симметричные формы. Статоры 52 и 53, зафиксированные на поверхности G основания, содержат множество впалых частей 52а и 53а крепления обмоток, сформированных на их поверхностях, противостоящих ротору, эти впалые части 52а и 53а крепления обмоток формируются на равных интервалах в круговом направлении на внешней периферийной стороне. Множество обмоток 55 и 56 возбуждения, изготовленных из сверхпроводящего материала, утоплены во впалых частях 52а и 53а крепления обмоток соответственно. По существу, множество обмоток 55 и 56 возбуждения закреплены на равных интервалах в круговом направлении вокруг оси, из условия, чтобы направления их магнитного потока были направлены в аксиальном направлении. В полых частях соответственных обмоток 55 и 56 возбуждения расположены коллекторы потока (магнитные тела) 18 и 20, изготовленные из пермендюра. Любые из коллекторов 18 и 20 потока и обмоток 55 и 56 возбуждения сделаны не выступающими из боковых поверхностей статоров 52 и 53. Обмотки 55 и 56 возбуждения сконфигурированы так, чтобы снабжаться необходимой энергией из источника питания (не показан).

В качестве материала для статоров 52 и 53 используется магнитный материал, такой как пермендюр, кремнистая сталь, железо или пермаллой, с тем, чтобы выполнять роль в качестве задней обоймы. Кроме того, в качестве сверхпроводящего материала для формирования обмоток 55 и 56 возбуждения используется основанный на висмуте или основанный на иттрии сверхпроводящий материал.

Изменения среди вышеописанных вариантов осуществления, то есть наличие или отсутствие коллекторов потока в полых частях обмоток, материалы ротора и/или статоров и тому подобное также могут применяться к случаю, где обмотки 55 и 56 возбуждения предусмотрены в статорах 52 и 53, как в этом варианте осуществления.

Кроме того, в этом варианте осуществления и вышеописанном третьем варианте осуществления любой из ротора и статоров содержит магнитные тела, расположенные в полых частях их обмоток. Однако как ротор, так и статоры, могут иметь воздушные зазоры (или немагнитные тела, такие как FRP), сформированные в полых частях их обмоток, в отсутствие магнитных тел.

Ниже описан шестой вариант осуществления изобретения.

Как показано на фиг.7, отличие от первого варианта осуществления состоит в том, что постоянные магниты 33, изготовленные из материала, иного чем сверхпроводящий материал, используются в качестве элементов возбуждения, которые должны крепиться на роторе 11. Постоянные магниты 33 закреплены во множестве отверстий 11а" крепления, которые предусмотрены в роторе 11" на равных интервалах в круговом направлении ротора. В этом случае направления магнитного потока постоянных магнитов 33 направлены в аксиальном направлении ротора 11".

Если используется этот вариант осуществления, постоянные магниты 33 могут просто располагаться на роторе 11". Поэтому эффективность производства электродвигателя 60 со сверхпроводящей обмоткой типа с аксиальным зазором улучшается. Кроме того, не требуется устройство для подачи энергии к элементам возбуждения или конструкция охлаждения, что дает возможность упростить конструкцию электродвигателя.

Кроме того, хотя в качестве элементов возбуждения используются постоянные магниты 33, возможно эффективно справляться с любой ситуацией, если выходная мощность составляет от 1 кВт до 5 МВт. Кроме того, по сравнению с тем, когда обмотки используются в качестве обмоток 33 возбуждения, как в первом варианте осуществления, возможно уменьшить габариты электродвигателя.

Другие части и эксплуатационные результаты по этому варианту осуществления являются такими же, как таковые по первому варианту осуществления. Поэтому идентичные номера ссылок даны таким же частям, как таковые по первому варианту осуществления, и соответственно их описание опущено.

Конфигурация, в которой элементы возбуждения являются магнитными телами, а не обмотками, может применяться к третьему по пятый вариантам осуществления.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором согласно изобретению может достигать высокой выходной мощности и уменьшать его габариты. Поэтому электродвигатель соответствующим образом используется в качестве приводного электродвигателя для перевозочных транспортных средств, таких как автомобили, поезда и суда. В частности, электродвигатель соответствующим образом используется в качестве гребного электродвигателя судов.

1. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором, содержащий
статоры, расположенные с требуемыми воздушными зазорами в аксиальном направлении ротора так, чтобы противостоять друг другу,
множество элементов возбуждения, расположенных на любом одном из ротора и статоров вокруг оси ротора,
множество якорных обмоток, расположенных на другом таковом вокруг оси, при этом
магнитные потоки, генерируемые множеством элементов возбуждения и множеством якорных обмоток, направлены в аксиальном направлении, якорные обмотки выполнены из сверхпроводящего материала,
в полых частях якорных обмоток расположены коллекторы потока, выполненные в виде магнитных тел.

2. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по п.1, в котором
элементы возбуждения представляют собой обмотками возбуждения, сформированные из сверхпроводящего материала.

3. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по п.1, в котором
элементы возбуждения представляют собой постоянные магниты.

4. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по п.1, в котором
статоры расположены по обеим сторонам ротора в аксиальном направлении ротора,
вращающийся вал, зафиксированный в роторе, подвешен так, чтобы проходить через подшипники статоров, и
элементы возбуждения и якорные обмотки распложены на одной и той же оси с воздушными зазорами в аксиальном направлении.

5. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по п.2, в котором
в полых частях обмоток возбуждения расположены коллекторы потока, выполненные в виде магнитных тел.

6. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по п.5, в котором
передние края коллекторов потока установлены в тех же самых позициях, что и поверхности передних краев обмоток возбуждения, где расположены коллекторы потока, или в позициях, которые отступают от поверхностей передних краев обмоток возбуждения.

7. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по п.1, в котором
передние края коллекторов потока установлены в тех же самых позициях, что и поверхности передних краев якорных обмоток, где расположены коллекторы потока, или в позициях, которые отступают от поверхностей передних краев якорных обмоток.

8. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по п.1, в котором
статоры и/или ротор сформированы из магнитного тела.

9. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по любому одному из пп.1, 5 и 8, в котором
для магнитного тела используют материал, обладающий высокой плотностью магнитного потока/высокой магнитной проницаемостью.

10. Электродвигатель со сверхпроводящей обмоткой с аксиальным зазором по п.9, в котором
материалом, обладающим высокой плотностью магнитного потока/высокой магнитной проницаемостью, является пермендюр.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам с бесконтактной коммутацией, осуществляемой с помощью полупроводниковых приборов, и может быть использовано для электроприводов, например, в системах электродвижения морских судов, подводных лодок, в тяговых приводах электроподвижных наземных транспортных средств, подъемных устройствах, приводах насосов, вентиляторов, электроинструмента и т.д.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, и касается выполнения электродвигателей со сверхпроводящей обмоткой и с аксиальным зазором, точнее высокомоментных электродвигателей, которые используются, например, в качестве привода автомобилей и судов

Такой интересной темой и занимается сейчас American Superconductor. Ещё в 2003 году эта компания построила и испытала опытный 5-мегаваттный электромотор на высокотемпературных сверхпроводниках (так называемый HTS motor, синхронный, переменного тока). А вот теперь, в кооперации с Northrop Grumman , она построила для американских ВМС настоящий двигатель-монстр.

36.5 HTS motor обладает мощностью на валу в 36,5 мегаватт (49 тысяч лошадиных сил), развиваемых при 120 оборотах в минуту (соответствующий чудовищный крутящий момент можете посчитать сами).

В обмотке ротора здесь используются сверхпроводники BSCCO и Bi-2223 (оксид сложного состава на основе висмута), которые работают при температуре 35-40 градусов по Кельвину. Охлаждаются они газообразным гелием, подводимым через полый вал к ротору машины.

Статорная обмотка этого мотора не сверхпроводящая – она выполнена из меди и имеет простое жидкостное охлаждение. Однако она также отличается от обмоток обычных электромоторов. Например, внутри неё нет привычного железного сердечника. Сверхмощное поле ротора и так прекрасно "насыщает" статор, через который, к слову, пропускается весьма малая доля общего тока, потребляемого этим гигантом.

HTS motor был специально спроектирован под американские военные корабли следующего поколения, для которых задумана полностью электрическая двигательная система.

КПД HTS motor на полной мощности превышает 97%, а на одной трети нагрузки и вовсе приближается к 99%.

Заметим, обычные электромоторы некоторых типов также могут показывать КПД порядка 95-97%. В чём же разница? Дело в том, что такую высокую эффективность они выдают далеко не во всём диапазоне оборотов и нагрузки, а во многих режимах движения "проваливаются" до более скромных величин КПД – примерно в 85-88%.

Сверхпроводящий же мотор показывает столь приличный КПД начиная с 5% от максимальной скорости и до максимальных своих оборотов (а значит, и скорости корабля).

Таким образом, на низких нагрузках HTS motor, приводящий корабельный винт, экономит судну более 10% топлива, сжигаемого в газотурбинных генераторах или дизель-генераторах, либо 10% потребляемой из корабельной сети электрической мощности, если на судне - атомная силовая установка. Добавим, что в озвученном выше КПД HTS motor уже учтены энергозатраты на работу криогенной системы охлаждения.

Однако главным преимуществом своих морских электромоторов American Superconductor считает даже не экономичность, а малые габариты и массу. Модель мощностью 36,5 мегаватт весит 69 тонн и имеет толщину в 3,4 метра, ширину 4,6 метра, а высоту 4,1 метра. Традиционный "медный" электромотор с теми же выходными параметрами имел бы массу порядка 200-300 тонн, а габариты - примерно вдвое большие.

Для судна средних размеров эта разница - не пустяк. Уменьшив размеры машинного отделения, можно лишний объём отдать под груз, пассажиров или боеприпасы (если речь идёт о военном корабле). Да и экономию веса в 130-230 тонн можно пустить на что-нибудь полезное.

Кроме того, HTS motor работает намного тише обычного электромотора той же мощности. Так, по информации компании, 25-мегаваттная 60-тонная версия HTS motor шумит на полной скорости с силой всего в 48 децибелов – иной настольный компьютер громче.

Сравнение обычного электромотора на 36,5 мегаватт (слева) и такого же по мощности мотора типа HTS. Создатели последнего утверждают, что, помимо множества иных преимуществ, сверхпроводящий электромотор такой мощности ещё и дешевле классического, и обладает лучшей ремонтопригодностью (иллюстрация American Superconductor).

А что дальше? Недавно были найдены новые сверхпроводники с ещё более удивительными свойствами. Например, сложный состав на основе ртути, который имеет температуру перехода в сверхпроводящее состояние в 134 градуса по Кельвину (минус 139 по Цельсию).

"Когда мы приложили к этому материалу давление, то подняли температуру перехода до 164 Кельвинов (минус 109 по Цельсию) - это рекорд", - рассказал автор этого открытия профессор Пол Чу (Paul Chu) из университета Хьюстона (University of Houston). Чу, заметим, первым нашёл материалы, перешагнувшие по температуре перехода планку в 77 Кельвинов (точка кипения азота при атмосферном давлении). Он открыл составы, которые становились сверхпроводниками при 93 Кельвинах. А теперь уже мы видим впечатляющую цифру 164…

Пусть до практического применения ртутного состава ещё очень далеко, всё же, открытие вселяет надежду. Может, вскоре создадут более удобный и совершенный сверхпроводник?

"Никаких принципиальных ограничений мы не видим", - говорят учёные Деннис Ньюнс (Dennis Newns) и Чан Тсуэй (Chang Tsuei) из IBM, опубликовавшие свою работу, посвящённую механизму высокотемпературной сверхпроводимости, в журнале Nature Physics.

С момента открытия сверхпроводимости в 1911 году учёные постепенно подняли температуру перехода в сверхпроводящее состояние до удобных для промышленности величин. Теперь необычные материалы перемещаются из лабораторий в повседневную жизнь. Как вам, к примеру, боевой корабль со сверхпроводящим мотором или городская электросеть на сверхпроводниках?

Выглядит всё это чистой фантастикой, но становится реальностью прямо на наших глазах. Если первые эффекты сверхпроводимости учёные наблюдали при температурах немногим выше абсолютного нуля, то теперь цифры выглядят куда привлекательнее. Но о мировом рекорде высокотемпературного сверхпроводника скажем позже, а пока посмотрим, что сулит нам на практике способность некоторых материалов проводить ток с нулевым электрическим сопротивлением.

Тут не обойтись без рассказа о достижениях American Superconductor . Эта компания уже известна читателям «Мембраны»: недавно она наладила выпуск промышленных сверхпроводящих кабелей для энергетических сетей.

Японский поезд на магнитной подушке MLX-01, курсирующий вместе с собратом MLX-02 по двухпутной опытной ветке длиной в 18 километров, достигает скорости в 581 километр в час. Позднее эта ветка станет частью коммерческой линии Токио-Осака. MLX используют для создания эффекта левитации катушки из высокотемпературных сверхпроводников (фото Yosemite с сайта de.wikipedia.org).

Как пишет BBC News, короткие секции кабелей American Superconductor, способных нести в 150 раз больший ток, чем медный проводник того же размера, уже работают в городе Колумбус (Columbus), в Огайо. А вскоре в строй должен вступить 800-метровый силовой кабель, также от American Superconductor, который будет участвовать в передаче нагрузок в энергосистеме острова Лонг-Айленд (Нью-Йорк).

Новые кабели работают при температуре жидкого азота, что делает их привлекательными для различных промышленных применений. Ведь криогенные системы на жидком азоте давно привычны и широко распространены. Для настоящей революции остаётся только наладить охлаждение жидким азотом достаточно протяжённых энергетических сетей, что представляет определённую проблему. Но вполне решаемую.

Однако и сверхпроводники, работающие при меньших температурах, оказывается, также могут занять свою нишу в технике.

Обратите внимание, мы не будем говорить о буквально единичных изделиях и экзотических областях применения, вроде огромных ускорителей элементарных частиц или токамаков. Из сверхпроводников, скажем, можно делать обмотки больших электромоторов.

Сверхпроводник нового поколения (серебристый) намного тоньше медного кабеля (в центре), при равной передаваемой мощности. Справа: так American Superconductor иллюстрирует разницу между медными кабелями (под автодорогой) и кабелем сверхпроводящим (под пешеходной дорожкой), несущими одну и ту же мощность (фото и иллюстрация American Superconductor).

Такой интересной темой и занимается сейчас American Superconductor. Ещё в 2003 году эта компания построила и испытала опытный 5-мегаваттный электромотор на высокотемпературных сверхпроводниках (так называемый HTS motor, синхронный, переменного тока). А вот теперь, в кооперации с Northrop Grumman , она построила для американских ВМС настоящий двигатель-монстр.

36.5 HTS motor обладает мощностью на валу в 36,5 мегаватт (49 тысяч лошадиных сил), развиваемых при 120 оборотах в минуту (соответствующий чудовищный крутящий момент можете посчитать сами). Кстати, сборка этого электромотора показана на фото под заголовком.

В обмотке ротора здесь используются сверхпроводники BSCCO и Bi-2223 (оксид сложного состава на основе висмута), которые работают при температуре 35-40 градусов по Кельвину. Охлаждаются они газообразным гелием, подводимым через полый вал к ротору машины.

Статорная обмотка этого мотора не сверхпроводящая – она выполнена из меди и имеет простое жидкостное охлаждение. Однако она также отличается от обмоток обычных электромоторов. Например, внутри неё нет привычного железного сердечника. Сверхмощное поле ротора и так прекрасно «насыщает» статор, через который, к слову, пропускается весьма малая доля общего тока, потребляемого этим гигантом.

HTS motor был специально спроектирован под американские военные корабли следующего поколения, для которых задумана полностью электрическая двигательная система.

Американские военные корабли нового поколения планируется оснащать сверхпроводящими электромоторами для привода винта, такими, как HTS motor (иллюстрация American Superconductor).

КПД HTS motor на полной мощности превышает 97%, а на одной трети нагрузки и вовсе приближается к 99%.

Заметим, обычные электромоторы некоторых типов также могут показывать КПД порядка 95-97%. В чём же разница? Дело в том, что такую высокую эффективность они выдают далеко не во всём диапазоне оборотов и нагрузки, а во многих режимах движения «проваливаются» до более скромных величин КПД – примерно в 85-88%.

Сверхпроводящий же мотор показывает столь приличный КПД начиная с 5% от максимальной скорости и до максимальных своих оборотов (а значит, и скорости корабля).

Таким образом, на низких нагрузках HTS motor, приводящий корабельный винт, экономит судну более 10% топлива, сжигаемого в газотурбинных генераторах или дизель-генераторах, либо 10% потребляемой из корабельной сети электрической мощности, если на судне — атомная силовая установка. Добавим, что в озвученном выше КПД HTS motor уже учтены энергозатраты на работу криогенной системы охлаждения.

Однако главным преимуществом своих морских электромоторов American Superconductor считает даже не экономичность, а малые габариты и массу. Модель мощностью 36,5 мегаватт весит 69 тонн и имеет толщину в 3,4 метра, ширину 4,6 метра, а высоту 4,1 метра. Традиционный «медный» электромотор с теми же выходными параметрами имел бы массу порядка 200-300 тонн, а габариты — примерно вдвое большие.

Для судна средних размеров эта разница — не пустяк. Уменьшив размеры машинного отделения, можно лишний объём отдать под груз, пассажиров или боеприпасы (если речь идёт о военном корабле). Да и экономию веса в 130-230 тонн можно пустить на что-нибудь полезное.

Кроме того, HTS motor работает намного тише обычного электромотора той же мощности. Так, по информации компании, 25-мегаваттная 60-тонная версия HTS motor шумит на полной скорости с силой всего в 48 децибелов – иной настольный компьютер громче.

Сравнение обычного электромотора на 36,5 мегаватт (слева) и такого же по мощности мотора типа HTS. Создатели последнего утверждают, что, помимо множества иных преимуществ, сверхпроводящий электромотор такой мощности ещё и дешевле классического, и обладает лучшей ремонтопригодностью (иллюстрация American Superconductor).

Магниторезонансные сканеры со сверхпроводящими обмотками, охлаждаемые жидким гелием, давно уже никого не удивляют. Они работают во многих крупных госпиталях.

Теперь вот на сцену вышли серийные сверхпроводящие кабели и провода под газообразный гелий и тот же жидкий азот. Благо американским инженерам удалось решить проблему ломкости сверхпроводящих материалов. Новые проводники представляют собой череду тончайших (в нанометры) слоёв из сверхпроводников, размещённых на тонких (в доли миллиметра) металлических подложках. Так получаются жилы, способные легко гнуться, подобно тому, как это происходит с оптоволокном, хотя и сделано оно из стекла.

По крайней мере еще полстолетия корабли заметно не изменят своего внешнего вида. Но уже сейчас ученые и конструкторы мечтают о совершенно иных, сверхпроводящих кораблях, по сравнению с которыми теперешние, работающие на угле и нефти, с обычными гребными винтами, покажутся совершенно устаревшими.

В основу движения кораблей нового типа - вроде изображенного сверху - будет положено явление сверхпроводимости, когда некоторые металлы при исключительно низких температурах перестают оказывать сопротивление электрическому току. Если по сверхпроводящему веществу однажды пустить электрический ток, то он сможет течь по сверхпроводнику практически бесконечно долго. Поэтому устройства, использующие сверхпроводимость, должны быть чрезвычайно эффективными. В настоящее время перед физиками стоит задача найти такие вещества, которые будут переходить в сверхпроводящее состояние при комнатной температуре или вблизи нее. Однако еще до того, как подобные вещества будут созданы, в качестве охладителя для сверхпроводящих устройств вполне может найти применение жидкий азот.

На рисунке, показанном выше, дан разрез одного из предложенных сверхпроводящих движителей. В нем сверхпроводящие магниты должны с огромной скоростью выбрасывать воду из сопел, создавая таким образом тягу для движения судна. Устройства подобного типа должны потреблять в работе очень мало электроэнергии.

Наверху нарисован придуманный корабль, скользящий по воде со скоростью более 60 миль в час. Вместо привычного топлива такое быстроходное транспортное средство будет пользоваться для движения экономичными сверхпроводящими электромагнитами. Новый тип судна, которое сейчас разрабатывается, возможно появится и начнет работать в начале 21 века.

Некоторые разработчики полагают, что сверхпроводящие движители со временем заменят обычные устройства для движения морского транспорта. В новом устройстве морская вода поступает в центральную трубу. Внутри нее находится ряд каналов. Внутри каждого располагается по два электрода, между которыми идет электрический ток. Снаружи канала установлена сверхпроводящая катушка, создающая магнитное поле. Взаимодействие между электрическим и магнитным полем внутри катушки приводит к появлению силы, выталкивающей воду из канала.

На рисунке:

1 - заборный патрубок для морской воды

2 - Механизм движителя

3 - Канал для прохода морской воды

4 - Электрод

5 - Катушка из сверхпроводящего материала

6 - Магнитный поток

7 - Выходной патрубок для морской воды

У двойных движителей сборки I электромагнитов могут располагаться под корпусом корабля. В каждом таком устройстве шесть электромагнитов создают магнитное поле. Каждый такой электромагнит состоит из сверхпроводящей катушки и двух электродов.

На рисунке:

1. - Вакуумированная полость

2. - Вакуумная камера

3. - Жидкий гелий

4. - Электрод

5. - Теплоизоляционная прокладка

6. Водный канал.

Это правило на пальцах показывает направление, в котором действует сила, возникающая в такой катушке при взаимодействии электрического и магнитного поля. Левый указательный палец направляем вдоль магнитного поля, средний палец - в направлении электрического тока, и тогда раскрытый большой палец покажет направление, в котором будет действовать сила.