Сверхпроводящая магнитная муфта для кинетического накопителя энергии

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам бесконтактной передачи крутящего момента с ведущего вала на ведомый и расцепления его. Технический результат заключается в увеличении стабильности вращения ведомого вала и подшипников кинетического накопителя энергии, а также в возможности осуществления бесконтактного расцепления муфты без механического воздействия. Сверхпроводящая магнитная муфта для кинетического накопителя энергии состоит из двух цилиндрических полумуфт. Ведущая полумуфта соединена с внешним приводом движения и содержит держатель с постоянными магнитами, а ведомая полумуфта размещена в охлаждаемой криорефрижератором вакуумной камере на ведомом валу вращения. Оси симметрии двух полумуфт и вала совпадают. Ведущая полумуфта содержит держатель в пазах которого расположено не менее одного постоянного магнита таким образом, чтобы создаваемое ими магнитное поле не обладало вращательной симметрией относительно оси вышеупомянутого вала, а ведомая полумуфта содержит держатель, на поверхности которого, обращенной к постоянным магнитам ведущей полумуфты расположено не менее одного высокотемпературного сверхпроводящего элемента, таким образом, что возникающее от постоянных магнитов ведущей полумуфты магнитное поле проникает в сверхпроводящие элементы. А вокруг боковой поверхности ведомой полумуфты с зазором, обеспечивающим возможность вращения упомянутого выше вала с размещенной на ней ведомой полумуфтой, эквидистантно с ней установлен полый цилиндрический медный экран, имеющий плотный механический контакт с криорефрижератором. На внешнюю поверхность цилиндрического медного экрана противоположную стороне, обращенной к вышеупомянутому крутящемуся валу, намотан нагреватель. 3 ил.

Сверхпроводящая магнитная муфта для кинетического накопителя энергии, состоящая из двух цилиндрических полумуфт, причем ведущая полумуфта, соединенная с внешним приводом движения, содержит держатель с постоянными магнитами, а ведомая полумуфта размещена в охлаждаемой криорефрижератором вакуумной камере на ведомом валу вращения, причем оси симметрии двух полумуфт и вала совпадают, отличающаяся тем, что ведущая полумуфта содержит держатель в пазах которого расположено не менее одного постоянного магнита таким образом, чтобы создаваемое ими магнитное поле не обладало вращательной симметрией относительно оси вышеупомянутого вала, а ведомая полумуфта содержит держатель, на поверхности которого, обращенной к постоянным магнитам ведущей полумуфты расположено не менее одного высокотемпературного сверхпроводящего элемента, таким образом, что возникающее от постоянных магнитов ведущей полумуфты магнитное поле проникает в сверхпроводящие элементы, а вокруг боковой поверхности ведомой полумуфты с зазором, обеспечивающим возможность вращения упомянутого выше вала с размещенной на ней ведомой полумуфтой, эквидистантно с ней установлен полый цилиндрический медный экран, имеющий плотный механический контакт с криорефрижератором, причем на внешнюю поверхность цилиндрического медного экрана противоположную стороне, обращенной к вышеупомянутому крутящемуся валу, намотан нагреватель.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам бесконтактной передачи крутящего момента с ведущего вала на ведомый и расцепления его.

Известна магнитная муфта (Патент № RU2666771 С2), которая имеет первую и вторую соединительные части, имеющие возможность поворота вокруг оси вращения, и по меньшей мере одну катушку, которая выполнена так, чтобы создавать магнитное поле вдоль оси вращения через первую и вторую соединительные части для бесконтактной передачи крутящего момента между первой и второй соединительными частями. Недостатком такой муфты является нестабильное и слабое магнитное поле, зависящее от материала полумуфты и размеров муфты.

Наиболее близкой по технической сущности и принятой в качестве прототипа является магнитная муфта для кинетического накопителя энергии (Seino Н. et al. Numerical Analysis and Evaluation of Electromagnetic Forces in Superconducting Magnetic Bearings and a Non-contact Permanent Magnetic Clutch // QR of RTRI. - 2010. - Vol. 51, No. 3. - P.156 - 162), содержащая две цилиндрические полумуфты, состоящие из сборок постоянных магнитов, при этом ведущая полумуфта соединена с внешним мотором, а ведомая полумуфта размещается в охлаждаемой криорефрижератором вакуумной камере на ведомом валу вращения. К недостаткам этой муфты можно отнести наличие в ведомой и ведущей муфте постоянных магнитов, которые при взаимодействии или механическом расцеплении могут разбалансироваться в одном из координатных направлений, что может приводить к биениям и изгибу ведомого вала и подшипников, а также к отсутствию возможности бесконтактного расцепления муфты без механического воздействия.

Технический результат изобретения заключается в увеличении стабильности вращения ведомого вала и подшипников кинетического накопителя энергии, а также в возможности осуществления бесконтактного расцепления муфты без механического воздействия.

Технический результат достигается за счет того, что сверхпроводящая магнитная муфта для кинетического накопителя энергии состоит из двух цилиндрических полумуфт, причем ведущая полумуфта, соединенная с внешним приводом движения, содержит держатель с постоянными магнитами, а ведомая полумуфта размещена в охлаждаемой криорефрижератором вакуумной камере на ведомом валу вращения, причем оси симметрии двух полумуфт и вала совпадают. Ведущая полумуфта также содержит держатель в пазах которого расположено не менее одного постоянного магнита таким образом, чтобы создаваемое ими магнитное поле не обладало вращательной симметрией относительно оси вышеупомянутого вала, а ведомая полумуфта содержала держатель, на поверхности которого, обращенной к постоянным магнитам ведущей полумуфты расположено не менее одного высокотемпературного сверхпроводящего элемента, таким образом, что возникающее от постоянных магнитов ведущей полумуфты магнитное поле проникает в сверхпроводящие элементы, а вокруг боковой поверхности ведомой полумуфты с зазором, обеспечивающим возможность вращения упомянутого выше вала с размещенной на ней ведомой полумуфтой, эквидистантно с ней установлен полый цилиндрический медный экран, имеющий плотный механический контакт с криорефрижератором, причем на внешнюю поверхность цилиндрического медного экрана противоположную стороне, обращенной к вышеупомянутому крутящемуся валу, намотан нагреватель.

Применение в муфте ведущей полумуфты с держателем в пазах которого расположено не менее одного постоянного магнита, таким образом, чтобы создаваемое ими магнитное поле не обладало вращательной симметрией относительно оси вышеупомянутого вала, и ведомой полумуфты с держателем, на поверхности которого, обращенной к постоянным магнитам расположено не менее одного высокотемпературного сверхпроводящего элемента, таким образом, что возникающее от постоянных магнитов ведущей полумуфты магнитное поле проникает в сверхпроводящие элементы, позволяет стабилизировать магнитное поле, что в свою очередь приводит к стабилизации вращения ведомого вала и подшипников.

Наличие в муфте цилиндрического медного экрана, имеющего плотный механический контакт с криорефрижератором, позволяет равномерно охлаждать высокотемпературный сверхпроводящий элемент ведомой полумуфты и осуществлять сцепку двух полумуфт за счет возникновения электромагнитного взаимодействия между постоянными магнитами ведущей полумуфты и высокотемпературными сверхпроводящими элементами ведомой полумуфты.

Наличие на внешней поверхности цилиндрического медного экрана нагревателя позволяет нагревать высокотемпературный сверхпроводящий элемент ведомой полумуфты и осуществлять бесконтактное расцепление муфты без механического воздействия.

Таким образом, все перечисленные признаки являются существенными, так как они влияют на возможность решения указанной технической проблемы и позволяют обеспечить технический результат, поскольку они находятся в причинно-следственной связи с указанным результатом.

На Фиг. 1-3 представлены примеры конкретной реализации муфты.

На Фиг. 1 изображена сверхпроводящая магнитная муфта для кинетического накопителя энергии в сборе: 1 - ведущая полумуфта, 2 - внешний привод движения, 3 - держатель постоянного магнита, 4 - постоянный ниодимовый магнит, 5 -ведомый вал, 6 - ведомая полумуфта, 7 - держатель высокотемпературного сверхпроводящего элемента, 8 - высокотемпературный сверхпроводящий элемент, 10 - полый цилиндрический медный экран. 11 - криорефрижератор, 12 -нагреватель.

На Фиг 2 А изображены две вышеупомянутые полумуфты, вид сверху: 1 -ведущая полумуфта, 3 - держатель постоянного магнита, 4 - постоянный ниодимовый магнит, 6 - ведомая полумуфта, 7 - держатель высокотемпературного сверхпроводящего элемента, 8 - высокотемпературный сверхпроводящий элемент.

На Фиг 2 Б изображены две вышеупомянутые полумуфты, вид сбоку: 1 -ведущая полумуфта, 3 - держатель постоянного магнита, 4 - постоянный ниодимовый магнит, 5 - ведомый вал, 6 - ведомая полумуфта, 7 - держатель высокотемпературного сверхпроводящего элемента, 8 - высокотемпературный сверхпроводящий элемент, 9 - силовые линии магнитного поля, создаваемые постоянным магнитом.

На Фиг 3 А изображена другая реализация двух полумуфт сверхпроводящей магнитной муфты для кинетического накопителя энергии, вид сверху: 1 - ведущая полумуфта, 6 - ведомая полумуфта, 14 - держатель постоянных магнитов, 15 -постоянные ниодимовые магниты, 17 - держатель высокотемпературных сверхпроводящих элементов, 18 - высокотемпературные сверхпроводящие элементы.

На Фиг 3 Б изображена другая реализация двух полумуфт сверхпроводящей магнитной муфты для кинетического накопителя энергии, вид сбоку: 1 - ведущая полумуфта, 14 - держатель постоянных магнитов, 15 - постоянные ниодимовые магниты, 5 - ведомый вал, 6 - ведомая полумуфта, 16 - силовые линии магнитного поля, создаваемые постоянным магнитом, 17 - держатель высокотемпературных сверхпроводящих элементов, 18 - высокотемпературный сверхпроводящий элемент.

В примере 1 приведена конкретная реализация сверхпроводящей магнитной муфты для кинетического накопителя энергии.

Муфта содержит две цилиндрические полумуфты, причем ведущая полумуфта 1, соединенная с внешним приводом движения 2, содержит держатель 3, в пазах которого расположен один постоянный ниодимовый магнит 4 диаметром 4 см и толщиной 1 см. Постоянный магнит 4 расположен в пазу держателя ведущей полумуфты 1 таким образом, чтобы создаваемое им магнитное поле 9 не обладало вращательной симметрией относительно оси ведомого вала 5, на котором расположена ведомая полумуфта 6. Ведомая полумуфта 6 содержит держатель 7, на поверхности которого, обращенной к постоянному магниту 4 расположен один высокотемпературный сверхпроводящий элемент 8, изготовленный из керамики YBa₂Cu₃O_7-x в виде полого цилиндра, ось симметрии которого совпадает с осью симметрии вала 5. Полый цилиндр имеет внешний диаметр 9 см, внутренний диаметр 1 см и высоту 1 см. Высокотемпературный сверхпроводящий элемент 8 расположен таким образом, что возникающее от постоянного магнита 4 магнитное поле 9 проникает в сверхпроводящий элемент 8. Вокруг боковой поверхности ведомой полумуфты 6 с зазором, обеспечивающим возможность вращения упомянутого выше вала 5 с размещенной на ней ведомой полумуфтой 6, эквидистантно с ней установлен полый цилиндрический медный экран 10, имеющий плотный механический контакт с криорефрижератором 11, причем на внешнюю поверхность полого цилиндрического медного экрана противоположную стороне, обращенной к вышеупомянутому крутящемуся валу, намотан нагреватель 12 из проводника с током, имеющим большое удельное сопротивление. Ведомая полумуфта 6 вместе с цилиндрическим медным экраном размещены в вакуумной камере 13.

Сверхпроводящая магнитная муфта для кинетического накопителя энергии работает следующим образом.

Ведомая полумуфта 6 соединяется с ведомым валом 5 и размещается в вакуумной камере 13. Криорефрежератор 11 начинает свою работу и охлаждает цилиндрический медный экран 10, до температуры ниже температуры перехода в сверхпроводящее состояние для сверхпроводящих элементов 8. За счет лучистого теплообмена медный экран 10 охлаждает ведомую полумуфту 6 с закрепленными на ней в держателе 7 сверхпроводящими элементами 8. При переходе в сверхпроводящее состояние сверхпроводящие элементы 8 захватывают магнитное поле 9, которое создают постоянные магниты 4, закрепленные на держателе 3 ведущей полумуфты 1. В этот момент создается устойчивая электромагнитная связь между ведущей полумуфтой 1 и ведомой полумуфтой 6. Затем активируется внешний привод движения 2, который начинает раскручивать ведущую полумуфту 1 относительно оси ведомого вала 5. За счет установившейся электромагнитной связи вращение передается на ведомую полумуфту 6, и кинетический накопитель энергии начинает заряжаться. Для разрыва связи между ведущей полумуфтой 1 и ведомой полумуфтой 6 достаточно включить нагреватель 12. Нагреватель 12 увеличит температуру медного экрана 10 до температуры выше температуры перехода в сверхпроводящее состояние для сверхпроводящих элементов 8. За счет лучистого теплообмена медный экран 10 нагреет ведомую полумуфту 6 с закрепленными на ней в держателе 7 сверхпроводящими элементами 8 выше температуры перехода в сверхпроводящее состояние, и сверхпроводящие элементы 8 потеряют свои магнитные свойства. При отключении нагревателя 12, сверхпроводящие элементы 8 охладятся до температуры ниже температуры перехода в сверхпроводящее состояние и приобретут магнитные свойства.

В примере 2 приведена другая конкретная реализация двух полумуфт сверхпроводящей магнитной муфты для кинетического накопителя энергии.

Сверхпроводящая магнитная муфта содержит две цилиндрические полумуфты, причем ведущая полумуфта 1, содержит держатель 14, в пазах которого расположены восемь одинаковых постоянных ниодимовых магнитов 15 длиной 4 см, шириной 1 см и толщиной 1 см. Постоянные магниты 15 расположены в пазах держателя 14 ведущей полумуфты 1 таким образом, чтобы создаваемое ими магнитное поле 16 не обладало вращательной симметрией относительно оси ведомого вала 5, на котором расположена ведомая полумуфта 6. Ведомая полумуфта 6 содержит держатель 17, на поверхности которого, обращенной к постоянным магнитам 15 расположены три высокотемпературных сверхпроводящих элемента 18, изготовленных из керамики GdBa₂Cu₃O_7-x. Первый сверхпроводящий элемент 18 А выполнен в виде прямоугольного параллепипеда высотой 1 см, и размерами основания 2 см на 3 см. Второй сверхпроводящий элемент 18 Б выполнен в виде треугольной призмы высотой 1 см и размерами сторон треугольника в основании 5 см, 3 см, 3 см. Третий сверхпроводящий 18 В элемент выполнен в виде цилиндра диаметром 4 см и высотой 1 см. Высокотемпературные сверхпроводящие элементы 18 расположены на держателе 17 таким образом, что возникающее от постоянных магнитов 15 магнитное поле 16 проникает в сверхпроводящие элементы 18.

Сверхпроводящая магнитная муфта для кинетического накопителя энергии, содержащая две полумуфты, реализованные согласно примеру 2, работает аналогично муфте, приведенной в примере 1.

Таким образом, конструкция вышеуказанной сверхпроводящей магнитной муфты для кинетического накопителя энергии позволяет увеличить стабильность вращения ведомого вала и подшипников кинетического накопителя энергии, а также осуществлять бесконтактное расцепление муфты без механического воздействия.