RU2551864C1

RU2551864C1 - Superconductive suspension magnetic apparatus for kinetic energy storage device

Info

Publication number: RU2551864C1
Application number: RU2014113299/11A
Authority: RU
Inventors: Валерий Александрович Матвеев; Ольга Леонидовна Полущенко; Николай Александрович Нижельский; Владимир Александрович Маевский; Александр Сергеевич Ивлев; Василий Викторович Асеев; Лев Кузьмич Ковалев; Владимир Николаевич Полтавец
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2014-04-04
Publication date: 2015-05-27

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: superconductive suspension magnetic apparatus for kinetic energy storage device (KNESD) is installed in KNESD frame connected with vacuum pumping system, it includes stator made as a body containing a block of high-temperature superconductive elements (HTSCE) with cooling system, permanent magnets installed at the rotor shaft with a gap in regard to the stator frame. The stator frame is equipped with independent vacuum pumping system, at that exhaust of the above system is connected to cavity of KNESD frame. The stator frame is also equipped with passive gate valves made as bushings fixed at end surfaces of the apparatus body matched to the shaft, at that inner diameter of the bushings exceeds diameter of the rotor shaft per 0.5-1.5 mm, and their axial dimension is 50-100 mm.

EFFECT: simplified design, increased operational efficiency of the vacuum system, and facilitation of testing for independent process testing of the suspension apparatus.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области магнитных опор на основе объемных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) для кинетических накопителей энергии (КНЭ).The invention relates to the field of magnetic supports based on bulk high-temperature superconductors (HTSC) for kinetic energy storage (CNE).

Известно сверхпроводящее подшипниковое устройство (Европатент № ЕР 0575618, МПК F16C 32/04, опубл. 29.12.1993), выполненное в виде двух дисков, на одном из которых размещен сверхпроводник в корпусе, а на другом - постоянные кольцевые магниты. Такое устройство обладает малой несущей способностью и не может быть использовано для кинетического накопителя энергии.A superconducting bearing device is known (Europatent No. EP 0575618, IPC F16C 32/04, publ. 12/29/1993), made in the form of two disks, one of which has a superconductor in the housing, and the other has permanent ring magnets. Such a device has a low bearing capacity and cannot be used for kinetic energy storage.

Известно сверхпроводящее подшипниковое устройство для устройства накопления энергии (Заявка Японии № JP 2003329038, МПК F16C 32/04, опубл. 10.11.2003), содержащее ротор, магнитные подшипники, сверхпроводящие подшипники в осевом и радиальном направлениях, выполненные в виде кольцевых сверхпроводников, расположенных в корпусах кольцевой формы, и оппозитно расположенных по отношению к ним наборов кольцевых постоянных магнитов. Однако такая конструкция громоздка и требует больших затрат на охлаждение сверхпроводников ввиду больших тепловых потерь.A superconducting bearing device for energy storage device is known (Japanese Application No. JP 2003329038, IPC F16C 32/04, published November 10, 2003), comprising a rotor, magnetic bearings, axial and radial superconducting bearings made in the form of ring superconductors arranged in ring-shaped housings, and sets of annular permanent magnets opposed to them. However, this design is cumbersome and requires large expenses for cooling superconductors due to large heat losses.

Наиболее близким техническим решением является сверхпроводящий магнитный подвес с ВТСП фирмы «Boeing» (Strasik, M., J. Hull, J. Mittleider, J. Gonder, P. Johnson, K. McCrary, and C. McIver. "An Overview of Boeing flywheel Energy Storage Systems with High-temperature Superconducting Bearings." Superconductor Science and Technology 23 (2010): 1-5). Сверхпроводящий магнитный подвес для КНЭ установлен в корпусе КНЭ, соединенном с системой вакуумной откачки, включает в себя статор в виде корпуса, содержащего блок ВТСП элементов с системой охлаждения, постоянные магниты, установленные на валу ротора с зазором относительно корпуса статора.The closest technical solution is a Boeing superconducting magnetic suspension with HTSC (Strasik, M., J. Hull, J. Mittleider, J. Gonder, P. Johnson, K. McCrary, and C. McIver. "An Overview of Boeing flywheel Energy Storage Systems with High temperature Superconducting Bearings. "Superconductor Science and Technology 23 (2010): 1-5). A superconducting magnetic suspension for KNE is installed in the KNE housing connected to the vacuum pumping system, includes a stator in the form of a housing containing a block of HTSC elements with a cooling system, permanent magnets mounted on the rotor shaft with a gap relative to the stator housing.

Недостатком такого решения является необходимость вакуумирования камеры КНЭ, в которой расположен подвес, до давления Р≈1·10^-3 Па, необходимого для поддержания температуры блока ВТСП элементов, обеспечивающей работоспособность подвеса. Поддержание такого уровня давления внутри всего объема КНЭ является очень сложной и дорогой технической проблемой, поскольку в объеме КНЭ присутствуют устройства и материалы с высоким уровнем газоотделения (связующий материал волокон маховика, изоляционные материалы и т.п.), узкие тупиковые зазоры и щели. Это увеличивает время откачки, ухудшает предельный вакуум при откачке, требует применения вакуумного оборудования с высокими скоростями откачки. В тоже время для эффективного функционирования самого маховика с точки зрения минимизации потерь на трение при вращении достаточно обеспечить давление в камере КНЭ примерно P≈1 Па. К недостаткам следует отнести также то, что такая конструкция подвеса не является универсальной, применима только при размещении ее в вакуумной камере, что затрудняет отработку и технологические испытания статора.The disadvantage of this solution is the need for evacuation of the KNE chamber, in which the suspension is located, to a pressure of P≈1 · 10 ^-3 Pa, which is necessary to maintain the temperature of the HTSC unit of the elements, ensuring the operability of the suspension. Maintaining such a pressure level within the entire volume of CNF is a very difficult and expensive technical problem, since the volume of CNF contains devices and materials with a high level of gas separation (flywheel fiber binder, insulation materials, etc.), narrow deadlocks and gaps. This increases the pumping time, worsens the ultimate vacuum during pumping, requires the use of vacuum equipment with high pumping speeds. At the same time, for the effective functioning of the flywheel itself, from the point of view of minimizing friction losses during rotation, it is sufficient to provide a pressure in the CNE chamber of approximately P≈1 Pa. The disadvantages include the fact that such a suspension design is not universal, it is applicable only when placed in a vacuum chamber, which complicates the development and technological testing of the stator.

Техническим результатом использования данного изобретения является упрощение конструкции, повышение эффективности работы вакуумной системы, обеспечение удобства проведения технологических испытаний подвеса.The technical result of the use of this invention is to simplify the design, increase the efficiency of the vacuum system, ensure the convenience of technological testing of the suspension.

Указанный технический результат достигается тем, что сверхпроводящий магнитный подвес (СМП) для кинетического накопителя энергии (КНЭ) установлен в корпусе КНЭ, соединенном с системой вакуумной откачки, включает в себя статор в виде корпуса, содержащего блок высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) элементов с системой охлаждения, постоянные магниты, установленные на валу ротора с зазором относительно корпуса статора. Корпус статора снабжен автономной системой вакуумной откачки, причем выхлоп автономной системы откачки соединен с полостью корпуса КНЭ, а корпус статора снабжен пассивными вакуумными затворами, выполненными в виде втулок, закрепленных на торцевых поверхностях корпуса подвеса, сопрягаемых с валом, при этом внутренний диаметр втулок превышает диаметр вала ротора на 0,5…1,5 мм, а их осевой размер составляет 50…100 мм.The specified technical result is achieved by the fact that a superconducting magnetic suspension (SMP) for a kinetic energy storage device (KNE) is installed in a KNE housing connected to a vacuum pumping system, includes a stator in the form of a housing containing a block of high-temperature superconducting (HTSC) elements with a cooling system , permanent magnets mounted on the rotor shaft with a clearance relative to the stator housing. The stator housing is equipped with an autonomous vacuum pumping system, and the exhaust of the autonomous pumping system is connected to the cavity of the KNE housing, and the stator housing is equipped with passive vacuum shutters made in the form of bushings mounted on the end surfaces of the suspension housing, mating with the shaft, while the inner diameter of the bushings exceeds the diameter the rotor shaft by 0.5 ... 1.5 mm, and their axial size is 50 ... 100 mm.

На фиг.1 показана схема КНЭ со сверхпроводящим магнитным подвесом, на фиг.2 - схема подвеса в разрезе.In Fig.1 shows a diagram of the NEC with a superconducting magnetic suspension, Fig.2 is a sectional diagram of the suspension.

Сверхпроводящий магнитный подвес для кинетического накопителя энергии содержит статор 1, который закреплен внутри корпуса 2 КНЭ, тут же расположен ротор 3 на валу 4. Статор 1 жестко соединен с корпусом 2 КНЭ с помощью кронштейнов (фиг.1). Корпус 2 КНЭ снабжен системой вакуумной откачки 6. Корпус статора снабжен автономной системой вакуумной откачки 7. На валу 4 закреплены постоянные магниты 8 (фиг.2). В корпусе подвеса 1 закреплен блок с ВТСП элементами 9 с помощью кронштейнов с низкой теплопередачей 10. Для повышения эффективности теплозащиты блока 9 вокруг него проложена экранно-вакуумная изоляция 11. Торцевые поверхности корпуса статора 12, сопрягаемые с валом, снабжены пассивными вакуумными затворами, выполненными в виде втулок 13. Корпус статора соединен с системой охлаждения 14 (на фиг.1 не показана).The superconducting magnetic suspension for the kinetic energy storage device contains a stator 1, which is fixed inside the KNE body 2, the rotor 3 is immediately located on the shaft 4. The stator 1 is rigidly connected to the KNE body 2 using brackets (Fig. 1). The housing 2 KNE is equipped with a vacuum pumping system 6. The stator housing is equipped with an autonomous vacuum pumping system 7. Permanent magnets 8 are fixed to the shaft 4 (figure 2). In the suspension housing 1, a block with HTSC elements 9 is fixed using brackets with low heat transfer 10. To increase the efficiency of thermal protection of block 9, screen-vacuum insulation 11 is laid around it 11. The end surfaces of the stator housing 12, mating with the shaft, are equipped with passive vacuum shutters made in in the form of bushings 13. The stator housing is connected to the cooling system 14 (not shown in FIG. 1).

Сверхпроводящий магнитный подвес работает следующим образом. Сначала включается система вакуумной откачки 6, создающая внутри корпуса КНЭ вакуум с давлением Р≈1 Па, достаточным для минимизации потерь от аэродинамического нагрева накопительного элемента (маховика). После этого включается автономная система вакуумной откачки статора 7, которая доводит давление в корпусе статора 1 до величины Р≈1·10^-3 Па. При этом выхлоп автономной системы статора производится внутрь корпуса КНЭ. Втулки корпуса статора, обеспечивая зазор с валом в пределах 0,25…0,75 мм на длине 50…100 мм, позволяют создать такой вакуумный затвор, при котором автономная система вакуумной откачки статора, учитывая, что объем которого (5…7 литров) на порядки меньше объема корпуса КНЭ (700…1000 литров), позволяет поддерживать давление в статоре величиной Р<1·10^-3 Па. Эффективность эксплуатации такого затвора может быть существенно повышена путем заполнения зазора вязким веществом с малым газоотделением. Поддержание в процессе работы указанного значения величины давления достаточно для длительной эффективной работы подвеса. Величины зазоров и длины в сопряжении были определены в результате экспериментов на макете подвеса, построенного по приведенной в заявке схеме. После достижения давления в статоре до величины Р≈1·10^-3 Па начинается захолаживание блока ВТСП элементов при помощи системы охлаждения 14. В дальнейшем производятся действия по вводу КНЭ в эксплуатацию: раскручивание ротора с маховиком и т.д.Superconducting magnetic suspension operates as follows. First, the vacuum pumping system 6 is turned on, which creates a vacuum inside the CNF housing with a pressure of P≈1 Pa sufficient to minimize losses from aerodynamic heating of the storage element (flywheel). After that, the autonomous system for vacuum pumping of the stator 7 is turned on, which brings the pressure in the stator housing 1 to a value of P≈1 · 10 ^-3 Pa. At the same time, the exhaust of the autonomous stator system is made inside the KNE housing. The stator housing bushings, providing a clearance with a shaft in the range of 0.25 ... 0.75 mm over a length of 50 ... 100 mm, allow creating such a vacuum shutter in which an autonomous stator vacuum pumping system, taking into account that its volume (5 ... 7 liters) orders of magnitude less than the volume of the CNE housing (700 ... 1000 liters), it allows maintaining pressure in the stator of P <1 · 10 ^-3 Pa. The operational efficiency of such a shutter can be significantly improved by filling the gap with a viscous substance with low gas separation. Maintaining the specified pressure value during operation is sufficient for long-term effective operation of the suspension. The values of the gaps and lengths in the pair were determined as a result of experiments on a suspension model built according to the scheme given in the application. After reaching the pressure in the stator to a value of P≈1 · 10 ^-3 Pa, the cooling of the HTSC block of elements begins using cooling system 14. In the future, steps are taken to put the KNE into operation: untwisting the rotor with a flywheel, etc.

Поддержание в статоре указанного давления позволяет настолько уменьшить теплоприток к ВТСП элементам, что корпус статора можно изготавливать без внутренней стенки, обращенной к валу, основное назначение которой было обеспечение теплозащиты блока ВТСП элементов от тепла, поступающего от вала. Следовательно, исключение внутренней стенки позволяет приблизить ВТСП элементы к постоянным магнитам, уменьшить величину зазора между ротором и статором, таким образом повысив жесткость подвеса. При этом снижается вероятность касания элементов ротора и статора. Экспериментальные исследования показали, что при осуществлении такой конструкции зазор был уменьшен на 0,5…0,7 мм, что повысило жесткость примерно на 15%. Кроме того, даже случайное касание ротором экранно-вакуумной изоляции 11 не будет приводить к тем последствиям, к которым привело бы касание ротора о твердую поверхность внутренней стенки статора.Maintaining the indicated pressure in the stator allows the heat gain to the HTSC elements to be so reduced that the stator housing can be manufactured without an inner wall facing the shaft, the main purpose of which was to provide thermal protection of the HTSC block of elements from heat coming from the shaft. Therefore, the exclusion of the inner wall makes it possible to bring the HTSC elements closer to the permanent magnets, to reduce the gap between the rotor and the stator, thereby increasing the suspension stiffness. This reduces the likelihood of touching the rotor and stator elements. Experimental studies have shown that when implementing this design, the gap was reduced by 0.5 ... 0.7 mm, which increased the stiffness by about 15%. In addition, even accidental contact with the rotor of the screen-vacuum insulation 11 will not lead to the consequences that would result from touching the rotor on a hard surface of the inner wall of the stator.

Claims

A superconducting magnetic suspension for a kinetic energy storage device installed in a kinetic energy storage housing connected to a vacuum pumping system, including a stator in the form of a housing containing a block of high temperature superconducting (HTSC) elements with a cooling system, permanent magnets mounted on the rotor shaft with a gap relative to the stator housing, characterized in that the stator housing is equipped with an autonomous vacuum pumping system, and the exhaust of the autonomous pumping system is connected to the cavity the housing of the kinetic energy storage device, and the stator housing is equipped with passive vacuum shutters made in the form of bushings mounted on the end surfaces of the suspension housing, mating with the shaft, while the inner diameter of the bushings exceeds the diameter of the rotor shaft by 0.5 ... 1.5 mm, and their axial size is 50 ... 100 mm.