RU199121U1

RU199121U1 - High-torque electric motor based on high-temperature superconductors for direct propeller or propeller drive

Info

Publication number: RU199121U1
Application number: RU2020117554U
Authority: RU
Inventors: Владислав Сергеевич Калитка; Сергей Владимирович Самойленков; Павел Николаевич Дегтяренко; Сергей Викторович Морозов; Сергей Владимирович Павленко; Александр Евгеньевич Щукин; Виктория Сергеевна Гурова; Никита Дмитриевич Васильков; Илья Валентинович Ратьков
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Priority date: 2020-05-18
Filing date: 2020-05-18
Publication date: 2020-08-17

Abstract

Полезная модель относится к области электрических машин, в частности высокомоментных электродвигателей на основе высокотемпературных сверхпроводников, и может найти применение при использовании в прямых приводах пропеллеров или гребных винтов. Высокомоментный электрический двигатель на основе высокотемпературных сверхпроводников для прямого привода пропеллера или гребного винта включает цилиндрический корпус двигателя с торцевыми щитами, ротор и статор, где статор содержит единый криостат из электроизоляционного материала со статорными обмотками и магнитопровод с зубцами, при этом единый 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. Электрический двигатель в соответствии с заявленным техническим решением обладает улучшенной конструкционной прочностью по отношению к вибрационным нагрузкам, возникающим в электродвигателе, и, следовательно, надежностью в эксплуатации, а его конструкция позволяет напрямую подключать двигатель к пропеллеру или гребному винту.The utility model relates to the field of electrical machines, in particular, high-torque electric motors based on high-temperature superconductors, and can find application when used in direct drives of propellers or propellers. A high-torque electric motor based on high-temperature superconductors for direct drive of a propeller or propeller includes a cylindrical motor housing with end shields, a rotor and a stator, where the stator contains a single cryostat made of electrical insulating material with stator windings and a magnetic circuit with teeth, while the single cryostat is made in the form of a hollow cylinder with inner and outer walls, through windows and flanges with fittings for supplying a cryogenic medium, windings are placed in the inner space of the cryostat around the above-mentioned windows, and the teeth are installed in the cryostat windows. The electric motor in accordance with the claimed technical solution has improved structural strength in relation to vibration loads arising in the electric motor, and, therefore, operational reliability, and its design allows direct connection of the motor to the propeller or propeller.

Description

Область техники.The field of technology.

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.The utility model relates to the field of electrical machines, in particular, high-torque electric motors based on high-temperature superconductors (HTSC), and can be used in propeller or propeller drives.

Предшествующий уровень техники.Prior art.

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.Electric machines, in which there is a rotor driven by the magnetic field of a stationary stator, are used as drives in various types of transport, in particular aviation and sea. In this case, the motor is used to directly drive the propeller or propeller.

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.Propeller drives usually require low shaft speeds but high torque. Since weight and size are often an important factor in transport applications, to reduce the weight of the drive, an electric machine is selected with a higher shaft speed and less torque, and a gearbox is used to match the speed and torque. As a result, the overall weight of the system is lighter than a high torque motor of the same speed.

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.However, this approach gives rise to a number of disadvantages, which include the need for maintenance of the gearbox and a reduced resource of the drive system. The gearbox reduces the overall efficiency of the drive system. The gearbox is also a source of noise and vibration, which is critical for demanding applications.

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.The creation of a lightweight high-torque motor that can provide a direct propeller drive with the same weight and size efficiency as a combination of a high-speed motor with a gearbox is unattainable by traditional technologies due to the limitation of the current density in the motor windings.

Были предприняты попытки создания электродвигателей с использованием высокотемпературной сверхпроводимости.Attempts have been made to create electric motors using high-temperature superconductivity.

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.Thus, patent RU 2631673 discloses a high-temperature superconducting electromagnetic induction motor with a radial gap, which belongs to high-torque motors and can be used, for example, as a drive for cars, ships and other equipment. In accordance with the invention, a superconducting electromagnetic motor with a radial gap consists of a rotor, a stator, transformer bolts, where the primary winding (excitation winding) is wound on top from the outside, a secondary superconducting winding, a plurality of superconducting volumetric plates, internal and external sliding elements, a shaft, blades, brush-collector assembly, while the stator is located with an air gap in the radial direction of the rotor so that the magnetic fluxes oppose each other, a plurality of excitation elements located along the contour of the stator circumference oppose a plurality of superconducting plates serving as anchor windings and located along the contour the rotor circumferences, the magnetic fluxes generated by the plurality of excitation elements and the plurality of superconducting bulk plates are directed towards each other in the radial direction so as to oppose each other, whereby a torque is achieved. As a result, high output power and high efficiency of an electric motor with an axial clearance are provided, while the engine is lightweight and lightweight, and the cooling of high-temperature superconductors is not difficult.

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.However, the known electric motor has the following disadvantages. The engine contains a manifold assembly, which is a source of noise and wear. In the motor, the excitation to the stator HTSC coils is transmitted by means of transformer bolts, which, based on the design of the motor, have a significant mass; there is no solution for injecting current directly into the motor windings. In the absence of a magnetic circuit and cooling with liquid nitrogen, high values of the magnetic field in the gap, and, consequently, high power characteristics are not achievable.

Наиболее близкое техническое решение раскрывается в патенте ЕР 2786472 (В1).The closest technical solution is disclosed in EP 2786472 (B1).

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.According to this arrangement, the motor includes a stator, a rotor, and a plurality of winding coils. The motor differs from the prior art in that the winding coils are made of HTSC conductors, each winding being enclosed in its own cryostat, and the cryostats are placed inside the stator around the through windows of its housing. Magnetic circuit teeth are installed in the windows. The motor rotor is in a warm area. Each stator cryostat essentially follows the shape of a coil and is made in the shape of a torus.

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.This design of the stator in the motor allows the use of a cryogenic medium only for cooling the windings in it, while the stator cogwheel and rotor operate at room temperature.

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.However, when implementing the closest technical solution, the following technical problems are possible. Individual winding cryostats have a large number of adhesive seams, which reduces the reliability of the structure. They have a large surface area, which increases heat gain.

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.The electric motor in accordance with the closest technical solution will have less reliability and structural strength in relation to vibration loads arising in the electric motor, compared to the monolithic system proposed in this application.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели будет большая надежность высокомоментного электродвигателя на основе ВТСП за счет того, что статор содержит единый криостат.The technical result of the proposed utility model will be greater reliability of a high-torque electric motor based on HTSC due to the fact that the stator contains a single cryostat.

Раскрытие сущности полезной модели.Disclosure of the essence of the utility model.

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.A high-torque electric motor based on high-temperature superconductors for direct drive of a propeller or a propeller, in accordance with the claimed utility model, includes a cylindrical motor housing with end shields, a rotor and a stator, where the stator contains a single cryostat made of electrical insulating material with stator windings made of high-temperature superconductors , and a magnetic circuit with teeth, while the cryostat is made in the form of a hollow cylinder with inner and outer walls, through windows and flanges with fittings for supplying a cryogenic medium, the windings are placed in the inner space of the cryostat around the said windows, and the teeth are installed in the windows of the cryostat.

В частных воплощениях полезной модели обмотки выполнены из высокотемпературных сверхпроводников второго поколения.In particular embodiments of the utility model, the windings are made of second-generation high-temperature superconductors.

В других частных воплощениях полезной модели в одном из щитов размещен вакуумный порт, установленный с возможностью создания вакуума между корпусом и криостатом.In other particular embodiments of the utility model, one of the shields contains a vacuum port installed with the possibility of creating a vacuum between the body and the cryostat.

Краткое описание чертежей.Brief description of the drawings.

На фиг. 1 приведена схема двигателя с пространственным разделением основных частей двигателя.FIG. 1 shows a diagram of the engine with spatial separation of the main parts of the engine.

На фиг. 2 приведено изображение криостата.FIG. 2 shows an image of a cryostat.

На фиг. 3 приведено изображение криостата с расположенными в нем обмотками.FIG. 3 shows an image of a cryostat with windings located in it.

Позиции на чертежах означают следующее:The numbers in the drawings mean the following:

1. Корпус двигателя.1. Engine housing.

2. Передний торцевой щит.2. Front end shield.

3. Задний торцевой щит.3. Rear end shield.

4. Ротор.4. Rotor.

5. Криостат.5. Cryostat.

6. Магнитопровод.6. Magnetic circuit.

7. Зубцы магнитопровода.7. The teeth of the magnetic circuit.

8. Внешняя стенка криостата.8. Outer wall of the cryostat.

9. Внутренняя стенка криостата.9. Inner wall of the cryostat.

10. Сквозное окно.10. Through window.

11. Фланец криостата.11. Cryostat flange.

12. Штуцер для подвода криогенной среды.12. Connection for supply of cryogenic medium.

13. Статорная обмотка.13. Stator winding.

14. Труба.14. Trumpet.

15. Вакуумный порт.15. Vacuum port.

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.The proposed technical solution assumes the use of high-temperature superconductors for the manufacture of motor windings, which provide a high current density, with a low weight of cryo-supply systems, and, thereby, provide high mass efficiency of the entire system.

В отличие от известного технического решения, в заявленной полезной модели применяется единый криостат для обмоток цилиндрической формы, что обеспечивает его высокую механическую стойкость.In contrast to the known technical solution, the claimed utility model uses a single cryostat for cylindrical windings, which ensures its high mechanical resistance.

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.The proposed high-torque electric motor comprises a motor housing 1 (see Fig. 1) with shields installed at the ends of the housing by a front end shield 2 and a rear end shield 3, a rotor 4 and a stator.

Ротор 4 установлен внутри корпуса двигателя 1 на подшипниках и приводится в движение за счет взаимодействия с магнитным полем статора.The rotor 4 is mounted inside the motor housing 1 on bearings and is driven by interaction with the stator magnetic field.

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).The stator includes a cryostat 5 and a magnetic circuit 6 with teeth of a magnetic circuit 7, fixed in the engine housing 1. The cryostat 5 is made in the form of a hollow cylinder with external 8 and internal 9 walls of the cryostat, through windows 10 and cryostat flanges 11, one of which has two fittings for supply of cryogenic medium 12 (see Fig. 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.The structure of the through windows 10 is shown in FIG. 3. Around the through windows 10 in the cryostat 5 there are stator windings 13 made in the form of coils with a wound high-temperature superconducting tape of the second generation. The winding is cooled by supplying a cryogenic medium, for example, liquid nitrogen, through one of the nozzles for supplying a cryogenic medium 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.The magnetic circuit 6 is fixed in the motor housing 1. The magnetic circuit has a collapsible design, which allows the teeth of the magnetic circuit 7 to be installed in the through windows 10 of the cryostat with stator windings 13, which allows the electromagnetic interaction of the windings and teeth to be carried out.

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.Engine housing 1 is sealed. The vacuum volume inside the engine is formed by the engine casing 1, rear 2 and front 3 end shields, and a pipe 14 between the rotor 4 and the stator, made of an electrically insulating material, for example, glass epoxyphenol. The vacuum between the engine casing 1 and the cryostat 5 is formed through the vacuum port 15 located on the rear end shield 3, which makes it possible to create a temperature barrier between the cold cryostat and the warm casing.

Полезная модель реализуется следующим образом.The utility model is implemented as follows.

Статорные обмотки коммутируются между собой согласно схеме коммутации, например, формируя трехфазную обмотку.The stator windings are switched among themselves according to the switching scheme, for example, forming a three-phase winding.

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.The outer 8 and inner 9 walls of the cryostat 5 and the flanges of the cryostat 11 are connected to each other by gluing with a special compound, at the same time through windows 10 are formed and stator windings 13 are placed around them, pre-fabricated on special equipment.

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.A magnetic circuit 6 without teeth is installed in the motor housing 1. The cryostat is fixed in the engine casing so that the through windows 10 of the cryostat are located opposite the seats of the teeth of the magnetic circuit 7. The teeth of the magnetic circuit 7 are installed through the through windows 10 of the cryostat into the magnetic circuit 6. The rear end shield 3 is installed on the body, which is sealed with the casing using a vacuum rubber seal ... Inside the cryostat 5, between the rotor and the stator, a pipe 14 is installed, which is sealed in the rear end shield 3 with a vacuum rubber seal.

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.The rotor 4 of the engine is mounted on a ball bearing in the front end shield 2 and slides through the pipe 14 into the engine. Further, the rotor 4, together with the installed front end shield 2, is installed with a ball bearing in the rear end shield 3, and the front end shield 2 is sealed with the motor housing 1 and the pipe 14 between the rotor and stator using a vacuum rubber seal.

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).Metal hoses for supplying a cryogenic medium (not shown) are connected to the nozzles for supplying a cryogenic medium 12. A vacuum pump (not shown) is connected to the vacuum port 15. The engine is fixed in the product for which it is intended, by the front end shield 2 using bolted connections. The load, for example, a propeller (not shown) is connected to the rotor shaft 4 directly or using a special coupling (not shown).

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.The use of the claimed high-torque electric motor based on high-temperature superconductivity makes it possible to dispense with the use of a reducer when connecting propellers or propellers to drives and implement a direct connection. This has several advantages, since The gearbox is a quickly wearing mechanism that requires frequent maintenance and creates additional noise during operation.

Заявляемый технический результат достигается за счет использования в конструкции высокомоментного электродвигателя на основе ВТСП статора, содержащего единый криостат.The claimed technical result is achieved due to the use in the design of a high-torque electric motor based on HTSC stator containing a single cryostat.

Claims

1. High-torque electric motor based on high-temperature superconductors for direct drive of a propeller or propeller, including a cylindrical motor housing with end shields, a rotor and a stator, characterized in that the stator contains a single cryostat made of electrical insulating material with stator windings made of high-temperature superconductors, and magnetic circuit with teeth, while the cryostat is made in the form of a hollow cylinder with inner and outer walls, through windows and flanges with fittings for supplying a cryogenic medium, stator windings are placed in the inner space of the cryostat around the said through windows, and the teeth of the magnetic circuit are installed in the cryostat windows.

2. An engine according to claim 1, wherein the stator windings are made of second generation high temperature superconductors.

3. The engine according to claim 1, in which one of the shields contains a vacuum port installed with the possibility of creating a vacuum between the engine housing and the cryostat.