RU2603972C1

RU2603972C1 - Superconducting transmission

Info

Publication number: RU2603972C1
Application number: RU2015136375/07A
Authority: RU
Inventors: Владислав Сергеевич Калитка; Сергей Владимирович Самойленков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "С-Инновации"
Priority date: 2015-08-27
Filing date: 2015-08-27
Publication date: 2016-12-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering, specifically to transmission with superconducting windings. Superconducting transmission includes: input shaft and input electromechanical converter, comprising a stator with multiphase windings and a rotor installed on input shaft, at least one output shaft and at least one output electromechanical converter, comprising a stator with multiphase windings and a rotor installed on output shaft; heat insulated container for providing a temperature mode of superconducting state of, arranged therein, stator windings of input and output of electromechanical converters and cables made of superconducting material and connected into a single electric circuit.

EFFECT: technical result is improvement of efficiency reduced weight and size parameters of transmission due to reduced electric losses in conductors.

10 cl, 2 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к областям сверхпроводниковых технологий, а именно к технологии передачи механического вращения через преобразование его в электрическую энергию, и может быть использовано в транспортных системах, энергетических установках, в частности ветрогенераторах, в бурильных установках и т.п.The invention relates to the field of superconducting technologies, and in particular to the technology of transferring mechanical rotation by converting it into electrical energy, and can be used in transport systems, power plants, in particular wind generators, in drilling rigs, etc.

Предшествующий уровень техникиState of the art

В самом общем случае под трансмиссией понимается совокупность агрегатов для передачи крутящего момента от входного вала на выходной с возможностью изменения тяговых усилий, скоростей и направления движения (изменения направления, сил, моментов и скоростей).In the most general case, a transmission is understood as a set of units for transmitting torque from an input shaft to an output shaft with the possibility of changing traction forces, speeds and direction of movement (changing directions, forces, moments and speeds).

В предшествующем уровне техники представлены трансмиссии (передачи) нескольких видов.In the prior art there are several types of transmissions.

Под механической трансмиссией понимается механизм, служащий для передачи и преобразования механической энергии от энергетической машины до исполнительного механизма (органа) одного или более, как правило, с изменением характера движения. Как правило, используется передача вращательного движения.A mechanical transmission is understood to mean a mechanism that serves to transfer and convert mechanical energy from an energy machine to an actuator (organ) of one or more, as a rule, with a change in the nature of movement. Typically, rotational motion transmission is used.

К недостаткам механической передачи можно отнести сложность организации передачи вращения на большие расстояния, а также большие массогабаритные характеристики. Зачастую мощная механическая передача требует регулярного дорогостоящего обслуживания и частого ремонта.The disadvantages of mechanical transmission include the complexity of organizing the transmission of rotation over long distances, as well as large weight and size characteristics. Often, a powerful mechanical transmission requires regular expensive maintenance and frequent repairs.

Электрическая трансмиссия обеспечивает передачу тягового усилия от первичного двигателя к движителю или исполнительному органу, используя электрически соединенные электрогенератор и электродвигатель.An electric transmission transmits traction from a prime mover to a mover or an actuator using electrically connected electric generator and electric motor.

К недостаткам таких систем относится то, что их масса также значительно растет с увеличением мощности, что ограничивает их круг применения. Кроме того, на низких скоростях работы такой тип передачи отличается невысоким КПД.The disadvantages of such systems include the fact that their mass also increases significantly with increasing power, which limits their range of application. In addition, at low speeds, this type of transmission has a low efficiency.

Частично эти недостатки устраняются электрической трансмиссией, в которой часть компонентов заменена на сверхпроводящие. Сверхпроводящие сегменты позволяют повысить КПД и снизить массогабаритные характеристики, однако токовводы в криогенном объеме создают значительный приток тепла, увеличивая нагрузку на холодильную систему, что приводит к меньшей эффективности по сравнению с полностью сверхпроводящей системой.Partially, these shortcomings are eliminated by electric transmission, in which part of the components are replaced by superconducting. Superconducting segments can increase efficiency and reduce weight and size characteristics, but current leads in a cryogenic volume create a significant heat influx, increasing the load on the refrigeration system, which leads to lower efficiency compared to a fully superconducting system.

Имеется значительное число патентов, в которых технические решения направлены на замену некоторых компонентов трансмиссии на сверхпроводниковые.There are a significant number of patents in which technical solutions are aimed at replacing certain transmission components with superconducting ones.

В частности, эти замены касаются выполнения элементов ротора. В патенте RU 2256280 ротор состоит из однополярных относительно якорной обмотки магнитных полюсов на основе сверхпроводников. А в заявке US 2010029392 раскрывается устройство для передачи крутящего момента, которое включает ротор, установленный на валу со сверхпроводящими обмотками, которые выполнены с возможностью их охлаждения для поддержания сверхпроводящего состояния.In particular, these replacements relate to the implementation of the rotor elements. In the patent RU 2256280, the rotor consists of unipolar relatively anchor windings of magnetic poles based on superconductors. And in the application US 2010029392 a device for transmitting torque is disclosed, which includes a rotor mounted on a shaft with superconducting windings, which are made with the possibility of cooling to maintain a superconducting state.

Сверхпроводящими компонентами электрических машин также могут быть элементы статоров.The superconducting components of electrical machines can also be stators.

В патенте RU 2086067 описывается синхронная электрическая машина со сверхпроводниковыми обмотками, которая содержит ротор со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения и статор с низкотемпературным сосудом и сверхпроводниковой обмоткой якоря. Сверхпроводниковая обмотка якоря расположена внутри низкотемпературного сосуда, заполненного жидким хладагентом.Patent RU 2086067 describes a synchronous electric machine with superconducting windings, which comprises a rotor with a superconducting field winding and a stator with a low temperature vessel and a superconducting armature winding. The superconducting winding of the armature is located inside a low-temperature vessel filled with liquid refrigerant.

Как следует из описания к патенту, обеспечивается высокая экономичность и высокий КПД машины, что связано практически с отсутствием потерь и тепловыделений в элементах статора от переменных магнитных полей машины.As follows from the description of the patent, high efficiency and high efficiency of the machine are ensured, which is associated with almost no losses and heat dissipation in the stator elements from variable magnetic fields of the machine.

Однако такой результат не является бесспорным: при передаче крутящего момента на некоторое расстояние на принимающее устройство (например, мотор) используются обычные электрические провода, которые являются источником омических потерь. Для низкооборотных систем, работающих на малых напряжениях, эти потери значительно ограничивают спектр применения. При использовании только одной сверхпроводниковой машины будут возникать значительные потери мощности на токовводах, которые сильно увеличат нагрузку на криогенную систему, что приведет к значительному падению эффективности ввиду невысокого КПД криохолодильников.However, this result is not certain: when transmitting torque to a certain distance to a receiving device (for example, a motor), ordinary electric wires are used, which are a source of ohmic losses. For low-speed systems operating at low voltages, these losses significantly limit the range of applications. When using only one superconducting machine, significant power losses will occur at the current leads, which will greatly increase the load on the cryogenic system, which will lead to a significant decrease in efficiency due to the low efficiency of cryo-refrigerators.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачей изобретения является устранение присущих известным техническим решениям недостатков, в частности повышение КПД трансмиссии.The objective of the invention is to eliminate the inherent disadvantages of the known technical solutions, in particular increasing the efficiency of the transmission.

Дополнительные задачи и преимущества изобретения будут понятны из описания, приведенного ниже.Additional objectives and advantages of the invention will be apparent from the description below.

Поставленная задача решается сверхпроводниковой трансмиссией, включающей:The problem is solved by a superconducting transmission, including:

входной вал и входной электромеханический преобразователь, содержащий статор с многофазными обмотками и ротор, установленный на входном валу,an input shaft and an input electromechanical converter comprising a stator with multiphase windings and a rotor mounted on the input shaft,

по меньшей мере один выходной вал и по меньшей мере один выходной электромеханический преобразователь, содержащий статор с многофазными обмотками и ротор, установленный на выходном валу,at least one output shaft and at least one output electromechanical converter comprising a stator with multiphase windings and a rotor mounted on the output shaft,

по меньшей мере один кабель, соединяющий статоры упомянутых преобразователей, иat least one cable connecting the stators of said converters, and

контейнер, термоизолированный от внешней среды и выполненный с возможностью реализации в нем температурного режима, поддерживающего сверхпроводящее состояние проводников,a container thermally insulated from the external environment and configured to implement in it a temperature regime that supports the superconducting state of the conductors,

где обмотки статоров входного и выходного электромеханических преобразователей и кабель выполнены из сверхпроводящего материала и представляют собой единый электрический контур, размещенный в упомянутом контейнере.where the windings of the stators of the input and output electromechanical converters and the cable are made of superconducting material and represent a single electrical circuit located in the said container.

В частных воплощениях изобретения поставленная задача решается трансмиссией, в которой упомянутый контейнер представляет собой криостат.In private embodiments of the invention, the problem is solved by a transmission in which said container is a cryostat.

В иных воплощениях изобретения трансмиссия может дополнительно содержать криокуллер, охлаждающие элементы которого размещены в упомянутом контейнере.In other embodiments of the invention, the transmission may further comprise a cryocooler, the cooling elements of which are located in said container.

В этом случае в трансмиссии контейнер может представлять собой вакуумную камеру.In this case, in the transmission, the container may be a vacuum chamber.

Контейнер в трансмиссии может быть выполнен с возможностью создания различных температурных зон для обмоток статоров входного и выходного электромеханических преобразователей и кабеля.The container in the transmission can be configured to create different temperature zones for the windings of the stators of the input and output electromechanical converters and cable.

Желательно, чтобы в трансмиссии кабель и обмотки статоров входного и выходного электрических преобразователей были выполнены из сверхпроводников второго поколения.It is desirable that in the transmission cable and windings of the stators of the input and output electrical converters were made of second-generation superconductors.

Входной электромеханический преобразователь трансмиссии может представлять собой генератор.The input electromechanical transmission converter may be a generator.

Выходной электромеханический преобразователь трансмиссии может представлять собой электрический двигатель.The output electromechanical transmission converter may be an electric motor.

Трансмиссия может включать один выходной электромеханический преобразователь, при этом число обмоток статора входного электромеханического преобразователя будет отлично от числа обмоток статора выходного преобразователя.The transmission may include one output electromechanical converter, the number of stator windings of the input electromechanical converter will be different from the number of stator windings of the output converter.

Роторы входного и выходного электромеханических преобразователей трансмиссии могут быть расположены в одном контейнере со статорами, а валы могут быть выведены из контейнера.The rotors of the input and output electromechanical transducers of the transmission can be located in the same container with the stators, and the shafts can be removed from the container.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема трансмиссии.In FIG. 1 is a schematic diagram of the transmission.

На фиг. 2 приведена схема соединения обмоток статоров входного и выходного электрических преобразователей.In FIG. 2 shows a connection diagram of the stator windings of the input and output electrical converters.

Позиции на чертежах означают следующее.Positions in the drawings mean the following.

1 - входной электромеханический преобразователь;1 - input electromechanical converter;

2 - ротор входного электромеханического преобразователя;2 - input electromechanical converter rotor;

3 - входной вал;3 - input shaft;

4, 5, 6 - обмотки статора входного электромеханического преобразователя, соответственно с фазами А, В и С;4, 5, 6 - stator windings of the input electromechanical converter, respectively, with phases A, B and C;

7 - контейнер для поддержания температурного режима (криостат);7 - a container for maintaining the temperature regime (cryostat);

8 - теплоизолирующий слой;8 - heat insulating layer;

9 - кабель;9 - cable;

10 - выходной электромеханический преобразователь;10 - output electromechanical converter;

11 - ротор выходного электромеханического преобразователя;11 - rotor of the output electromechanical converter;

12 - выходной вал;12 - output shaft;

13, 14, 15 - обмотки статора выходного электромеханического преобразователя, соответственно с фазами А, В и С.13, 14, 15 - stator windings of the output electromechanical converter, respectively, with phases A, B and C.

Сущность изобретения состоит в следующем.The invention consists in the following.

Основной задачей любой трансмиссии служит передача механического вращения для обеспечения работы какого-либо механизма, т.е. заявленная сверхпроводниковая трансмиссия представляет собой систему, передающую вращение с одного своего вала на один или несколько других. Для этого на валах трансмиссии установлены магнитные системы (роторы), взаимодействующие с системой сверхпроводящих обмоток статоров, преобразующих вращение входного вала в электрическую энергию. Эта энергия передается на статор (статоры) выходного электромеханического преобразователя/преобразователей, которые с помощью магнитных сил приводят в движение другой ротор (роторы), закрепленный на выводном валу (валах) системы.The main objective of any transmission is the transmission of mechanical rotation to ensure the operation of any mechanism, i.e. The claimed superconducting transmission is a system that transmits rotation from one of its shaft to one or more others. To do this, magnetic systems (rotors) are installed on the transmission shafts, which interact with the system of superconducting windings of stators that convert the rotation of the input shaft into electrical energy. This energy is transmitted to the stator (s) of the output electromechanical converter / converters, which, using magnetic forces, drive another rotor (s) mounted on the output shaft (s) of the system.

В сверхпроводящей системе можно выделить три основных зоны: обмотки, которые возбуждаются магнитной системой входного вала (генераторные обмотки), проводники, осуществляющие передачу электроэнергии и обмотки, которые приводят в движение выходной вал (валы) трансмиссии (двигательные обмотки).In the superconducting system, three main zones can be distinguished: windings that are excited by the magnetic system of the input shaft (generator windings), conductors that transmit electricity and windings that drive the output shaft (shafts) of the transmission (motor windings).

Поскольку в системе используются сверхпроводниковые провода, соединяемые между собой с помощью низкоомных спаев, КПД системы получается близким к 100%, т.к. вся электроэнергия, преобразованная из магнитных сил магнитной системы входного вала, передается практически без потерь для питания обмоток, приводящих в движение выходной вал (валы). Ввиду отсутствия электрического сопротивления в проводниках передачу энергии можно осуществлять на большие расстояния без снижения эффективности передачи.Since the system uses superconducting wires interconnected using low-resistance junctions, the efficiency of the system is close to 100%, because all electricity converted from the magnetic forces of the magnetic system of the input shaft is transmitted almost without loss to power the windings that drive the output shaft (shafts). Due to the lack of electrical resistance in the conductors, energy can be transferred over long distances without compromising transmission efficiency.

Предложенная сверхпроводниковая трансмиссия может представлять собой трансмиссию транспортных средств, в которой объединены генератор, кабель и электрический двигатель (мотор). При этом статор генератора, кабель и статор мотора выполнены в виде единого неразрывного сверхпроводникового контура, находящегося в общем криостате. Трансмиссия может выполнять также функцию редуктора, что достигается кратным увеличением количества обмоток в генераторной или двигательной части, в результате чего один поворот входного вала может быть равен нескольким (или доле) оборота выходного вала.The proposed superconducting transmission may be a vehicle transmission in which a generator, a cable and an electric motor (motor) are combined. In this case, the generator stator, cable and motor stator are made in the form of a single inextricable superconducting circuit located in a common cryostat. The transmission can also perform the function of a gearbox, which is achieved by a multiple increase in the number of windings in the generator or motor part, as a result of which one turn of the input shaft can be equal to several (or a fraction) of the turn of the output shaft.

В других аспектах изобретения трансмиссия может применяться в электрогенерирующих системах, в частности в ветрогенераторах для передачи вращения от воздушного винта к генератору с или без изменения числа оборотов в секунду выходного вала. Возможно применение трансмиссии при потребности обеспечить высокую мощность вращения выходного вала в малом габарите, например в буровых работах или погружных насосах.In other aspects of the invention, the transmission can be used in power generating systems, in particular in wind generators, for transmitting rotation from a propeller to a generator with or without changing the number of revolutions per second of the output shaft. It is possible to use the transmission, if necessary, to provide high power output shaft rotation in a small size, for example, in drilling operations or submersible pumps.

Работа устройстваDevice operation

На фиг. 1 приведена принципиальная схема сверхпроводниковой трансмиссии, а на фиг. 2 - схема соединения обмоток статоров входного и выходного электрических преобразователей.In FIG. 1 is a schematic diagram of a superconducting transmission, and FIG. 2 is a connection diagram of the stator windings of the input and output electrical converters.

Входной электромеханический преобразователь 1, выполненный, например, в виде синхронного генератора, включает ротор 2, установленный на входном валу 3.The input electromechanical converter 1, made, for example, in the form of a synchronous generator, includes a rotor 2 mounted on the input shaft 3.

Статор генератора представляет из себя несколько сверхпроводниковых обмоток 4, 5 и 6 с ферромагнитным сердечником или без него.The stator of the generator consists of several superconducting windings 4, 5 and 6 with or without a ferromagnetic core.

Обмотки статора 4, 5, 6 (см. фиг. 2) выполнены с помощью сверхпроводящего провода и находятся в разных фазах, условно отнесенных к фазам А, В и С. Число фаз может быть отлично от трех.The stator windings 4, 5, 6 (see Fig. 2) are made using a superconducting wire and are in different phases, conventionally assigned to phases A, B and C. The number of phases can be different from three.

Количество обмоток подбирается исходя из количества полюсов ротора электрической машины точно так же, как при проектировании несверхпроводникового устройства.The number of windings is selected based on the number of poles of the rotor of an electric machine in the same way as when designing a non-superconducting device.

Обмотки в наилучших воплощениях изобретения могут быть выполнены из сверхпроводниковой ленты 2 поколения, в частности, лента включает подложку, например, из сплава на основе никеля, последовательно расположенные буферные слои - из оксида алюминия, манганита лантана, оксида магния и оксида церия и т.д., сверхпроводящий слой на основе гадолиний-бариевого купрата, слой серебра и слой меди.The windings in the best embodiments of the invention can be made of a 2-generation superconducting tape, in particular, the tape includes a substrate, for example, a nickel-based alloy, sequentially arranged buffer layers of aluminum oxide, lanthanum manganite, magnesium oxide and cerium oxide, etc. ., a superconducting layer based on gadolinium-barium cuprate, a silver layer and a copper layer.

В зависимости от предполагаемых условий работы генератора лента может быть дополнительно модифицирована, например покрыта изоляционным слоем, ламинирована дополнительным слоем металла для электрической и термической стабилизации или покрыта гальванически дополнительным слоем меди. Характеристики сверхпроводниковой ленты подбираются для обеспечения максимального критического тока при температуре и магнитных полях, которые будут воздействовать на обмотки в процессе эксплуатации.Depending on the expected operating conditions of the generator, the tape can be further modified, for example, coated with an insulating layer, laminated with an additional layer of metal for electrical and thermal stabilization, or galvanically coated with an additional layer of copper. The characteristics of the superconducting tape are selected to ensure maximum critical current at temperature and magnetic fields that will affect the windings during operation.

Ротор генератора 2 может быть собран как из постоянных магнитов, так и с обмотками с внешним возбуждением.The rotor of the generator 2 can be assembled both from permanent magnets, and with windings with external excitation.

Обмотки статора 4, 5 и 6 находятся контейнере 7, теплоизолированном от внешней среды (криостате) теплоизолирующим слоем 8. Охлаждение обмоток статора выполняется либо с помощью заполнения контейнера 7 хладагентом (например, жидким азотом, жидким водородом, жидким или газообразным гелием), либо посредством физического контакта с помощью теплопроводного материала обмоток статора с охлаждающим элементом криокулера (не показан).The stator windings 4, 5 and 6 are located in a container 7, thermally insulated from the external environment (cryostat) with a heat-insulating layer 8. The stator windings are cooled by filling the container 7 with refrigerant (for example, liquid nitrogen, liquid hydrogen, liquid or gaseous helium), or physical contact using the heat-conducting material of the stator windings with a cryocooler cooling element (not shown).

В последнем случае в некоторых аспектах изобретения обмотки могут располагаться в вакуумированном контейнере.In the latter case, in some aspects of the invention, the windings may be located in an evacuated container.

Количество обмоток статора подбирается в соответствии с количеством полюсов ротора.The number of stator windings is selected in accordance with the number of rotor poles.

Обмотки статора генератора 4, 5 и 6 с помощью пайки подсоединяются к жилам сверхпроводникового кабеля 9, который передает вырабатываемую входным электромеханическим преобразователем (генератором) 1 электроэнергию.The stator windings of the generator 4, 5 and 6 by soldering are connected to the cores of the superconducting cable 9, which transfers the electricity generated by the input electromechanical converter (generator) 1.

Токи обмоток, работающих в одной фазе, могут быть объединены параллельно в одну жилу кабеля 9 или же могут передаваться по независимым жилам.The currents of the windings operating in one phase can be combined in parallel in one core of cable 9 or can be transmitted through independent cores.

Если в системе к генератору подключен только один мотор, то кабель тянется непосредственно до него, если же моторов несколько, то кабель разделяется на несколько питающих отдельные моторы. Для питания нескольких моторов жилы кабеля распаиваются на несколько параллельных жил.If only one motor is connected to the generator in the system, then the cable stretches directly to it, if there are several motors, then the cable is divided into several powering individual motors. To supply several motors, the cores of the cable are wired into several parallel cores.

В зависимости от соотношения полюсов статора мотора и генератора обмотки мотора могут подключаться как несколько параллельно к одной жиле кабеля, так и одна обмотка мотора может подключаться к нескольким параллельным жилам кабеля, работающим в одной фазе.Depending on the ratio of the poles of the stator of the motor and the generator, the motor windings can be connected both in parallel to one cable core, and one motor winding can be connected to several parallel cable cores operating in the same phase.

Обмотки статора 4, 5 и 6 подключаются (припаиваются или механически прижимаются) к концам сверхпроводникового кабеля 9. Кабель 9 имеет ряд изолированных друг от друга жил, по которым передается ток от обмоток, работающих в разных фазах. Проводники кабеля также выполняются с использованием сверхпроводящего провода и также располагаются в криостате 7.The stator windings 4, 5 and 6 are connected (soldered or mechanically pressed) to the ends of the superconducting cable 9. Cable 9 has a number of cores isolated from each other, through which current is transmitted from windings operating in different phases. Cable conductors are also made using a superconducting wire and are also located in the cryostat 7.

Холодные объемы криостатов 7 кабеля и обмоток статора генератора объединяются без перехода к комнатным температурам.Cold volumes of cryostats 7 of the cable and stator windings of the generator are combined without going to room temperatures.

Сверхпроводящий кабель 9 подводится к выходному электромеханическому преобразователю 10, в качестве которого может быть использован электрический двигатель (мотор), который включает ротор 11, установленный на выходном валу 12. Кабель 9 подключается к обмоткам выходного электромеханического преобразователя 13, 14, 15.The superconducting cable 9 is fed to the output electromechanical converter 10, which can be used as an electric motor (motor), which includes a rotor 11 mounted on the output shaft 12. Cable 9 is connected to the windings of the output electromechanical converter 13, 14, 15.

Если моторов в системе несколько, то в кабеле делается соединительная муфта (не показана), в которой в контейнере 7 с хладагентом жилы кабеля распараллеливаются на несколько кабелей, каждый к отдельному мотору.If there are several motors in the system, a cable joint (not shown) is made in the cable, in which, in the container 7 with the refrigerant, the cable cores are parallelized into several cables, each to a separate motor.

Статоры входного электромеханического преобразователя 1 и выходного преобразователя 10, а также кабель 9 располагаются в общем криостате 7 с возможностью создания в нем общей или раздельных температурных зон. Таким образом все три части системы могут находиться как при одной температуре и охлаждаться единым контуром, так и входной и выходной электропреобразователи 1 и 10 могут быть отделены от кабеля 9 и могут эксплуатироваться при другой температуре с другим контуром охлаждения.The stators of the input electromechanical converter 1 and the output converter 10, as well as the cable 9 are located in a common cryostat 7 with the possibility of creating a common or separate temperature zones in it. Thus, all three parts of the system can be both at the same temperature and cooled by a single circuit, and the input and output electrical converters 1 and 10 can be separated from the cable 9 and can be operated at a different temperature with a different cooling circuit.

Главным требованием к системе является то, чтобы все три компонента находились в сверхпроводящем состоянии. Охлаждение каждого из сегментов может обеспечиваться как отдельным контактным криокулером, так и посредством непрерывного прокачивания хладагента.The main requirement for the system is that all three components are in a superconducting state. The cooling of each of the segments can be provided both by a separate contact cryocooler, and by means of continuous pumping of the refrigerant.

При этом возможны различные варианты размещения роторов и валов в трансмиссии. Роторы 2 и 4 могут быть расположены вне контейнера 7 с хладагентом (фиг. 1 и 2), но могут располагаться непосредственно в контейнере 7 вместе со статорами. В последнем случае валы 3 и 12 выводят за область контейнера.In this case, various options for placing rotors and shafts in the transmission are possible. The rotors 2 and 4 can be located outside the container 7 with the refrigerant (Fig. 1 and 2), but can be located directly in the container 7 together with the stators. In the latter case, the shafts 3 and 12 are taken out of the container area.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Вся система охлаждается до температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Это охлаждение осуществляется либо внешней охлаждающей установкой (криокулером), либо путем заливки криогенной жидкости непосредственно в контейнер 7.The entire system is cooled to the temperature of transition to the superconducting state. This cooling is carried out either by an external cooling unit (cryocooler), or by pouring cryogenic liquid directly into the container 7.

Система готова к работе, когда все сверхпроводящие участки остыли до номинальной температуры и перешли в сверхпроводящее состояние.The system is ready for operation when all the superconducting regions have cooled to the nominal temperature and have switched to the superconducting state.

В результате при вращении вала 3 ротора генератора 2 в обмотках статора генератора 4, 5 и 6 вырабатывается электрический ток, который по кабелю 9 передается в мотор 10 и создает в обмотках 13, 14 и 15 статора мотора 10 магнитное поле, проворачивающее ротор 11.As a result, when the shaft 3 of the rotor of the generator 2 is rotated in the stator windings of the generator 4, 5 and 6, an electric current is generated, which is transmitted through cable 9 to the motor 10 and creates a magnetic field in the windings 13, 14 and 15 of the stator of the motor 10, which rotates the rotor 11.

За счет того что все сверхпроводники расположены в криогенной среде, сверхпроводники обладают околонулевым электрическим сопротивлением, на пути от генератора до мотора практически не происходит диссипации электроэнергии. Это позволяет добиться очень высокого КПД передачи вращения.Due to the fact that all superconductors are located in a cryogenic medium, superconductors have near-zero electrical resistance, practically no dissipation of electricity occurs on the way from the generator to the motor. This allows you to achieve a very high efficiency transmission rotation.

Возможности использования изобретенияPossibilities of using the invention

Приведение в движение транспортных средствDriving vehicles

На сегодняшний день применяются два варианта реализации трансмиссии:To date, two transmission options are used:

Механическая, когда вращение от двигателя передается на движитель с помощью механической передачи с или без редуктора;Mechanical, when rotation from the engine is transmitted to the propulsion device using a mechanical transmission with or without gear;

Электрическая, когда двигатель вращает генератор, который передает электроэнергию на электромотор(ы), который(е) обеспечивает(ют) привод движителя(ей).Electric, when the engine rotates a generator that transfers electricity to the electric motor (s), which (e) provide (s) the drive of the propulsion device (s).

Вариант электрической трансмиссии может применяться эффективно только при высоких оборотах генератора. Также для больших мощностей традиционные трансмиссии обладают очень большими массогабаритными характеристиками.The electric transmission option can be applied efficiently only at high generator speeds. Also, for large capacities, traditional transmissions have very large mass and size characteristics.

Предложенная сверхпроводниковая трансмиссия позволяет повысить КПД (эффект особенно высок для систем, работающих на низких оборотах) и существенно снизить массогабаритные параметры для крупных машин.The proposed superconducting transmission can increase efficiency (the effect is especially high for systems operating at low speeds) and significantly reduce weight and size parameters for large machines.

ВетрогенераторыWind generators

Без использования сверхпроводниковых решений существует ограничение на максимальную мощность турбины, связанное прежде всего с ограничением по массе генератора и низкими оборотами лопастей генератора, ввиду чего требуется установка тяжелого механического редуктора.Without the use of superconducting solutions, there is a limitation on the maximum power of the turbine, which is associated primarily with a limitation on the mass of the generator and low speed of the blades of the generator, which requires the installation of a heavy mechanical gearbox.

Использование сверхпроводниковой трансмиссии, например, в соответствии с п. 9 формулы изобретения позволит сильно снизить удельную (на киловатт мощности) массу установки, поднимаемой на мачту ветряка, таким образом сделав возможным изготовить генератор значительно большей мощности. Также использование сверхпроводниковой трансмиссии позволит отказаться от тяжелого и требующего регулярного обслуживания механического редуктора, что повысит эффективность применения ветряных генераторов.The use of a superconducting transmission, for example, in accordance with paragraph 9 of the claims, will greatly reduce the specific (per kilowatt of power) mass of the installation lifted to the mast of the windmill, thus making it possible to manufacture a generator of much greater power. Also, the use of a superconducting transmission will make it possible to abandon a heavy mechanical gearbox that requires regular maintenance, which will increase the efficiency of using wind generators.

Буровые работыDrilling work

В настоящее время применяется очень тяжелая механическая передача вращения на бур. Применение сверхпроводниковой трансмиссии способно значительно увеличить мощность и КПД установки.Currently, a very heavy mechanical transmission of rotation to the drill is used. The use of a superconducting transmission can significantly increase the power and efficiency of the installation.

Claims

1. Superconducting transmission, characterized in that it includes:
an input shaft and an input electromechanical converter comprising a stator with multiphase windings and a rotor mounted on the input shaft,
at least one output shaft and at least one output electromechanical converter comprising a stator with multiphase windings and a rotor mounted on the output shaft,
at least one cable connecting the stators of said converters, and
a container thermally insulated from the external environment and configured to implement in it a temperature regime that supports the superconducting state of the conductors,
where the windings of the stators of the input and output electromechanical converters and the cable are made of superconducting material and represent a single electrical circuit located in the said container.

2. The transmission according to claim 1, characterized in that the said container is a cryostat.

3. The transmission according to claim 1, characterized in that it further comprises a cryocooler, the cooling elements of which are located in the said container.

4. The transmission according to claim 3, characterized in that the container is a vacuum chamber.

5. The transmission according to claim 1, characterized in that the container is configured to create various temperature zones for the windings of the stators of the input and output electromechanical converters and cable.

6. The transmission according to claim 1, characterized in that the cable and windings of the stators of the input and output electrical converters are made of second-generation superconductors.

7. The transmission according to claim 1, characterized in that the input electromechanical converter is a generator.

8. The transmission according to claim 1, characterized in that the output electromechanical converter is an electric motor.

9. The transmission according to claim 1, characterized in that it includes one output electromechanical converter, the number of stator windings of the input electromechanical converter is different from the number of stator windings of the output converter.

10. The transmission according to claim 1, characterized in that the rotors of the input and output electromechanical converters are located in the same container with the stators, and the shafts are removed from the container.