Тихоходная электромагнитная турбина

Тихоходная электромагнитная турбина

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область, к которой относится изобретение.

Настоящее изобретение относится к устройству для производства электромеханической работы. В частности, предложенное изобретение относится к электромагнитным турбинам.

Уровень техники

Хорошо понятен аспект электромагнитной теории, согласно которому электрический ток, протекая по проводнику, наводит электромагнитное поле перпендикулярно направлению прохождения электрического тока. Благодаря наведенному магнитному полю на каждый из движущихся зарядов в электрическом токе воздействует сила. Сила, воздействующая на каждый из этих движущихся зарядов, создает крутящий момент. На этом принципе основана работа таких устройств, как электродвигатели и генераторы.

Большинство типичных электродвигателей постоянного тока содержат три основных составляющих, а именно статор, якорь/ротор и коллектор. Обычно статор создает магнитное поле, взаимодействующее с полем, наведенным в якоре для обеспечения движения. Коллектор обеспечивает переключение тока, протекающего в якоре, каждые пол оборота с переключением таким образом поля на якоре для поддержания его вращения в поле в одном направлении. Электродвигатель постоянного тока в его простейшем виде может быть описан следующими тремя отношениями:

e_a=КФω

V=e_a+R_ai_a

Т=КФi_a

Где e_a - противодействующая ЭДС, V - напряжение, прикладываемое к двигателю, T - крутящий момент, K - постоянная двигателя, Ф - магнитный поток, ω - скорость вращения двигателя, R_a - сопротивление на якоре и i_a - ток на якоре.

Магнитное поле в типичном электродвигателе является постоянным (на статоре) и создается постоянными магнитами или катушками. По мере подведения тока к якорю/ротору происходит приложение силы F=i_aB к каждому проводнику в якоре. Наведение противодействующей ЭДС происходит за счет относительной скорости изменения магнитного потока благодаря вращению проводников якоря в постоянном поле. Напряжение на обходе контура в якоре содержит противодействующую ЭДС, включая потери на сопротивление в обмотках. Таким образом, регулирование скорости вращения электродвигателя постоянного тока преимущественно осуществляют путем приложения напряжения V к якорю, в то время как крутящий момент пропорционален произведению магнитного потока и тока.

Таким образом, допустимо предположить, что для максимального увеличения крутящего момента электродвигателя постоянного тока достаточно увеличить магнитное поле, либо подаваемый ток. Однако фактически существуют ограничения. Например, величина магнитного поля, которое может быть создано посредством постоянных магнитов, ограничена рядом факторов. Для получения значительно более сильного поля от постоянного магнита физический размер магнита должен быть относительно большим (например, магнит 230 мм с градацией N35 обеспечивает создание поля нескольких килогауссов (кГс)). Значительно более сильные поля можно создать с применением множества магнитов, причем размеры и количество магнитов дополнительно увеличивает общий размер и вес системы. Как размер, так и вес двигателя являются критическими конструктивными аспектами в таких устройствах как системы электрических двигательных установок. Создание больших магнитных полей может быть реализовано путем использования обычных проволочных катушек, но их размер, вес и влияние нагрева указывают на непрактичность использования обычных катушек.

Другим влияющим на крутящий момент фактором, который необходимо учитывать, является возникновение торможения, вызванное вихревыми токами в якоре/роторе. Вихревые токи возникают там, где есть временные изменения в магнитном поле, изменение магнитного поля через проводник или изменения за счет относительного перемещения источника магнитного поля и проводящего материала. Вихревые токи наводят магнитные поля, противодействующие изменению первичного магнитного поля согласно правилу Ленца и вызывающие силы отталкивания или тормозящие силы между проводником и магнитом. Потери (Р) энергии, вызванные вихревыми токами в случае простого проводника при условии равномерного материала и поля и при пренебрежении поверхностным эффектом, могут быть вычислены следующим образом:

Где B_P - пиковая плотность магнитного поля, d - толщина или диаметр провода, ρ - сопротивление, σ - электрическая проводимость, µ - магнитная проницаемость, f - частота (изменения поля) и D - глубина проникновения.

Как видно из указанного уравнения по мере увеличения магнитного поля увеличиваются величина и воздействие вихревых токов, т.е. величина магнитного поля пропорциональна торможению, возникающему вследствие вихревых токов. Кроме того, влияние оказывают напряженность поля, сопротивление и толщина проводящих компонентов в якоре. Выбор материала проводящих компонентов якоря в значительной степени может влиять на величину тока, прикладываемую к якорю.

В свете упомянутого согласно изобретению предложены устройство и система для совершения электро-механической работы, выполненные с возможностью функционирования в условиях относительно сильных магнитных полей и преодолевающие по меньшей мере некоторые недостатки уровня техники.

Сущность изобретения

Для ясности целесообразно отметить, что в рамках описания изобретения термин «турбина» относится к структуре, включающей по меньшей мере один ротор, производящий механическую работу в ответ на воздействие по существу равномерного поля.

Согласно одному варианту реализации настоящего изобретения предложена турбина, содержащая:

пару магнитных компонентов, размещенных с возможностью отталкивания;

барабанный узел, размещенный между магнитными компонентами и содержащий множество проводящих компонентов, размещенных по окружности барабана, причем проводящие компоненты соединены с образованием электрической цепи в барабане; а

пропускание тока через указанную электрическую цепь вызывает вращение барабана.

Согласно другому варианту реализации настоящего изобретения предложена турбина, содержащая:

пару магнитных компонентов, размещенных с возможностью отталкивания;

множество барабанных узлов, размещенных между магнитными компонентами, причем каждый барабанный узел включает множество проводящих компонентов, размещеных вокруг барабана, при этом проводящие компоненты соединены с образованием электрической цепи в каждом барабане, а барабаны электрически соединены друг с другом с образованием траектории протекания тока через турбину; при этом

пропускание тока по указанной траектории протекания тока вызывает синхронное вращение барабанных узлов.

Предпочтительно, барабан(ы) установлены в опорах, смежных с магнитными компонентами. Целесообразна установка барабана в опорах на валу. Вал выполнен с возможностью установки внутри барабана по существу соосно с продольной осью барабана(ов).

Целесообразно электрически изолировать проводящие компоненты, а также отделить их друг от друга с целью предотвращения короткого замыкания или прямотока. Изоляция между проводящими компонентами может быть обеспечена множеством непроводящих разделительных компонентов. Целесообразно обеспечить размещение разделительных компонентов между каждым проводящим компонентом вокруг наружной окружности и периферией центрального отверстия кольцевого диска.

Проводящие компоненты могут быть по существу «I»-образными. «I»-образные проводящие компоненты могут быть расположены на наружной периферии барабана с электрической изоляцией друг от друга. Предпочтительно, «I»-образные проводящие компоненты имеют верхнюю часть, нижнюю часть и удлиненное тело. Верхняя и нижняя части, как правило, дугообразные, при этом верхняя и нижняя части соответствующих проводящих компонентов образуют по существу кольцевую втулку. Вытянутое тело каждого проводящего компонента, как правило, проходит параллельно оси вращения с формированием таким образом барабана.

Как таковая длина проводящих компонентов менее существенна, чем ее достаточность для взаимодействия с частью поля, проходящего перпендикулярно оси вращения.

Проводящие компоненты могут иметь поперечное сечение любой формы.

Электрическая цепь в барабане может быть образована путем соединения смежных проводящих компонентов посредством множества токопередающих компонентов, размещенных вокруг наружной периферии относительно периферии барабана. Токопередающие компоненты могут быть соединены друг с другом последовательно с обеспечением протекания тока в каждом из проводящих компонентов в одном направлении по каждому проводящему компоненту в барабане.

Каждый токопередающий компонент может содержать щеточный узел, присоединенный к зубчатой передачи. Целесообразно обеспечение взаимодействия зубчатой передачи с одним или несколькими зубчатыми колесами, размещенными на противоположных концах барабана. Целесообразно обеспечение электрической изоляции зубчатых колес от проводящих компонентов. Зубчатая передача может содержать вал с установленным на нем зубчатым колесом, входящим в зацепление по меньшей мере с одним зубчатым колесом, размещенным на барабане. Вал также может быть соединен с роликом так, что в начале вращения барабана вращение, вызванное зацеплением зубчатых колес, передается посредством вала на ролик, вызывая вращение ролика синхронно с барабаном. Альтернативно, зубчатое колесо может быть соединено с роликом, при этом ролик и зубчатое колесо, оба, поддерживаются на валу подшипниками так, что движение зубчатого колеса напрямую приводит во вращение ролик.

Щеточный узел может включать проводящую щетку, присоединенную к щетке предыдущего токопередающего компонента в электрической цепи, обычно по всей длине барабана с целью обеспечения протекания тока в одном направлении через соответствующие проводящие компоненты. Щетка может представлять собой щетку с непрерывным металлическим волокном, обеспечивающую постоянную плотность тока более 310 А/см² и функционирующую на скорости 70-100 м/с, которая имеет 5 см длины износа на более 2,5×10⁹ метров траектории скольжения.

Щеточный узел может дополнительно содержать проводящий ролик, находящийся в сопряжении между щеткой и проводящими компонентами. Щеточный узел может также быть снабжен крепежным зажимом, прикрепленными к щетке, с возможностью присоединения к подходящей крепежной конструкции для поддержания положения щетки при работе ротора.

Магнитные компоненты представляют собой постоянные магниты. Постоянные магниты могут иметь диаметр 230 мм и градацию N35 с обеспечением максимального поля 3-5 кГс. Магнит осесимметрично намагничен с роторным узлом, установленным смежно с северным полюсом магнита.

Альтернативно, магнитные компоненты могут быть созданы из катушек, выполненных с использованием высокотемпературной сверхпроводящей (ВТСП) ленты. Катушки выполнены с возможностью создания магнитного поля в диапазоне от 1 до 2 Тл при силе питающего тока от 160 до 174 А. Целесообразно выполнение катушек с возможностью создания магнитного поля в диапазоне от 2 до 5.1 Тл при силе питающего тока от 180 до 500 А. Предпочтительно, катушки создают магнитное поле в диапазоне от 3 до 5 Тл при силе тока от 300 до 500 А.

Магнитные компоненты могут иметь любую конфигурацию и быть размещены с возможностью похождения полярных осей по существу параллельно и, предпочтительно, соосно оси вращения барабана. Поэтому магнитные компоненты предпочтительно кольцевые, благодаря чему установочный вал (при наличии такового) может проходить через оба магнитных компонента и выступать из другого конца турбины, однако, такая конфигурация не обязательна.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложена турбина, содержащая:

пару магнитных компонентов, размещенных с возможностью отталкивания;

по меньшей мере пару барабанных узлов, размещенных между магнитными компонентами с возможностью вращения вокруг общей оси, причем первый барабанный узел содержит множество проводящих компонентов, размещенных по окружности барабана, а второй барабанный узел содержит множество проводящих компонентов, размещенных радиально от указанной оси, при этом проводящие компоненты второго барабанного узла размещены ближе к магнитным компонентам, чем проводящие компоненты первого барабанного узла;

причем проводящие компоненты соединены с образованием электрической схемы в барабане, а барабаны электрически соединены друг с другом с образованием траектории протекания тока через турбину; при этом

пропускание тока по траектории протекания тока вызывает вращение барабанов.

Краткое описание чертежей.

Для лучшего понимания настоящего изобретения и его осуществления приведены ссылки на чертежи, иллюстрирующие предпочтительные варианты реализации изобретения, где:

на фиг. 1 представлен схематический чертеж, изображающий магнитное поле между парой магнитных компонентов;

на фиг. 2 представлен схематический чертеж, изображающий действие магнитного поля между парой магнитных компонентов и положение проводящих компонентов;

на фиг. 3 представлен схематический чертеж, изображающий положение проводников в магнитном поле, созданном магнитными компонентами, показанными на фиг. 1 и фиг. 2;

на фиг. 4 представлен схематический чертеж, изображающий конструкцию барабанного узла согласно одному варианту реализации изобретения;

на фиг. 5 представлен схематический чертеж, изображающий расположение проводников в барабанном узле в соответствии с фиг. 4;

на фиг. 6 схематично изображен барабанный узел с установленными на нем токопередающими узлами;

на фиг. 7 представлен схематический чертеж, иллюстрирующий траекторию передачи тока в барабанном узле в соответствии с фиг. 6;

на фиг. 8 схематично изображен барабанный узел согласно еще одному варианту реализации изобретения;

на фиг. 9 показан подробный вид барабанного узла, изображенного на фиг. 8;

на фиг. 10 схематично изображена турбина согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

на фиг. 11 показан подробный вид турбины, изображенной на фиг. 10;

на фиг. 12 схематично изображена турбина согласно еще одному варианту реализации настоящего изобретения;

на фиг. 13 представлен схематический чертеж, изображающий одну конфигурацию последовательностей турбин согласно одному варианту реализации настоящего изобретения;

на фиг. 14 изображен график различных масштабных отношений при различных температурах для ВТСП ленты, подвергающейся воздействию различных параллельных магнитных полей;

на фиг. 15 изображен график различных масштабных отношений при различных температурах для ВТСП ленты, подвергающейся воздействию различных перпендикулярных магнитных полей;

на фиг. 16 изображен изометрический вид альтернативного варианта реализации настоящего изобретения с двумя противоположно вращающимися барабанами;

на фиг. 17 представлено поперечное сечениее варианта реализации согласно фиг. 16 по линии А-А, где показана траектория протекания тока через барабан;

на фиг. 18 изображен изометрический вид второго или наружного барабана согласно варианту реализации, проиллюстрированному на фиг. 16;

на фиг. 19 изображен изометрический вид первого или внутреннего барабана согласно варианту реализации, проиллюстрированному на фиг. 16;

на фиг. 20 изображен изометрический вид альтернативного варианта реализации настоящего изобретения, в котором два противоположно вращающихся барабана содержат неподвижные щеткодержатели;

на фиг. 21 представлено поперечное сечение варианта реализации согласно фиг. 20 по линии В-В;

на фиг. 22 представлено поперечное сечение варианта реализации согласно фиг. 20 по линии В-В, где показана траектория протекания тока через барабан;

на фиг. 23 изображен изометрический вид альтернативного варианта реализации настоящего изобретения с двумя противоположно вращающимися барабанами и с неподвижными щеткодержателями в альтернативной конфигурации;

на фиг. 24 представлено поперечное сечение вариант реализации согласно фиг. 23 по линии С-С;

на фиг. 25 объемное изображение варианта реализации согласно фиг. 16 с пространственным разделением деталей;

на фиг. 26 изображено поперечное сечение одной конфигурации магнитных компонентов турбины, обеспечивающей оптимизацию поля между компонентами;

на фиг. 27 изображена модель распределения поля для конфигурации магнитных компонентов согласно фиг. 26;

на фиг. 28А-29F изображены графики, отображающие зависимость напряженности поля от различных параметров турбины;

на фиг. 29А-29F изображены графики, отображающие зависимость напряженности поля от установочных параметров турбины;

на фиг. 30 изображена модель распределения поля для магнитных компонентов, содержащих компенсационные катушки согласно фиг. 26;

на фиг. 31А-31D изображены графики, отображающие зависимость напряженности поля от различных параметров турбины;

на фиг. 32 изображено поперечное сечение одной конфигурации магнитных компонентов турбины согласно одному варианту реализации изобретения;

на фиг. 33 изображена модель распределения поля для конфигурации согласно фиг. 32;

на фиг. 34 изображено поперечное сечение одной конфигурации турбины согласно одному варианту реализации изобретения;

на фиг. 35 изображена модель распределения поля для конфигурации согласно фиг. 34;

на фиг. 36 приведена модель распределения поля согласно фиг. 35, подробно изображающая область нулевого поля;

на фиг. 37А и 37В изображены графики, отображающие воздействие различных параметров турбины на область нулевого поля;

на фиг. 38 изображена турбина в поперечном сечении с указанием расположения щеток;

на фиг. 39 изображено поперечное сечение конфигурации турбины согласно одному варианту реализации изобретения;

на фиг. 40 представлено поперечное сечение турбины согласно фиг. 39, показывающее жидкостное токопередающее устройство;

на фиг. 41 изображено поперечное сечение конфигурации турбины согласно одному варианту реализации изобретения;

на фиг. 42 представлено поперечное сечение турбины согласно фиг. 41 для конфигурации с противоположным направлением вращения;

на фиг. 43 представлено поперечное сечение турбины согласно фиг. 41 для конфигурации с одинаковым направлением вращения;

на фиг. 44 и фиг. 45 изображено поперечное сечение конфигурации турбины согласно одному варианту реализации изобретения;

на фиг. 46 приведена модель распределения поля для конфигурации согласно фиг. 44 и фиг. 45;

на фиг. 47 и фиг. 48 изображено поперечное сечение конфигурации турбины согласно одному варианту реализации изобретения;

на фиг. 49 приведена модель распределения поля для конфигурации согласно фиг. 47 и фиг. 48;

на фиг. 50 и фиг. 51 изображено поперечное сечение конфигурации турбины согласно одному варианту реализации изобретения;

на фиг. 52 приведена модель распределения поля для конфигурации согласно фиг. 50 и фиг. 51.

Подробное описание вариантов реализации изобретения

При сближении двух почти одинаковых магнитных полей с возможностью отталкивания силовые линии сжимают и изгибают друг друга таким образом, что многие силовые линии становятся параллельными поверхности источника. Например, когда два магнитных компонента размещены рядом и отталкиваются, магнитное поле схоже с изображением, показанным на фиг. 1.

Если имеется внешнее магнитное поле такое, что его собственные силовые линии перпендикулярны силовым линиям магнитного поля от отталкивающихся магнитов, возникает противодействие или вытеснение. Согласно упомянутому силовые линии, проходящие параллельно или по существу параллельно поверхности электромагнита/магнита, являются существенными участками поля. Возникновение противодействия простейшим образом обеспечивают путем размещения проводящих стержней между магнитами или электромагнитами и перпендикулярно их соответствующим поверхностям. На фиг. 2 изображено, что поле, созданное токонесущим проводником, имеет перпендикулярную плоскость сечения. Допустим, бесконечное число плоскостей магнитного потока центрированы радиально относительно центра электромагнита/магнита. На чертеже изображена одна двумерная плоскость. В действительности магнитный поток имеет три измерения. При наблюдении плоскостей из положения лицевой плоскости электромагнита/магнита видно, что плоскости потока центрированы относительно центра электромагнита/магнита.

На фиг. 3 изображены четыре проводящих стержня, размещенных перпендикулярно поверхности магнитных компонентов. Плоскости магнитного потока, образованные проводящими стержнями перпендикулярны образованным магнитными компонентами. С целью использования упомянутого поля для получения электромеханической работы согласно изобретению предложено некоторое количество проводящих структур.

Примеры таких структур изображены на фиг. 4-9 с последующим подробным раскрытием в описании настоящей заявки.

В соответствии с фиг. 4 проиллюстрирована одна из возможных конфигураций барабанного узла 100 для использования в турбине согласно одному варианту реализации настоящего изобретения. Согласно чертежу барабан 100 содержит множество проводящих компонентов 101, расположенных между торцевыми крышками 102 и по окружности барабана 100. Барабан может быть также снабжен валом 103, соосным с центральной осью барабана. В настоящем примере концевые пластины включают косозубые колеса 104 выполненные с возможностью входа в зацепление по меньшей мере с одним зубчатым колесом токопередающих узлов согласно настоящему изобретению, подробно раскрытых в описании настоящей заявки.

Проводящие стержни в этом случае электрически изолированы и отделены друг от друга с целью предотвращения короткого замыкания или параллельного протекания тока. В этом конкретном примере проводящие компоненты имеют по существу «I»-образную форму с верхними частями «I», примыкающими к торцевым крышками 102. Каждый проводящий стержень может быть выполнен из нескольких полос ВТСП-ленты, расположенных вплотную и параллельно (для «I»-образных компонентов лента может быть уложена с образованием удлиненного тела «I»-образной формы). Поверхность ленты предпочтительно ориентирована параллельно магнитному полю, созданному отталкивающимися компонентами турбины. Таким образом, лента будет ориентирована как будто проходящей радиально от оси вращения барабана. Благодаря такой конструкции ВТСП-ленты обеспечено ее размещение в высокопроводящей раме, выполненной из чистой меди или сплава с соответствующим низким электрическим сопротивлением.

Согласно упомянутому проводящие компоненты 101, предпочтительно, должны быть электрически изолированы и отделены друг от- друга, что в приведенном примере достигнуто благодаря воздушному зазору 105 между элементами. Специалисту в данной области очевидно, что расстояние между элементами в этом случае должно быть достаточно большим, чтобы предотвратить образование дуги в зазоре. Также специалисту в данной области очевидно использование в указанном случае воздушного зазора с целью обеспечения необходимой изоляции и электрической изоляции, а также возможность расположения изоляционного материала между каждым компонентом.

На фиг. 5 подробно представлен вид, изображающий расположение проводящего компонента 101 в барабане 100. Из чертеже видно, что каждая верхняя часть «I»-образных пучков, образующих проводящие компоненты отделена от другой воздушным зазором 105. Верхние части в этом случае присоединены к торцевой крышке 102, прилегающей к зубчатому колесу 104. Удлиненное «I»-образное тело в этом конкретном варианте образовано уложенными полосами ВТСП-ленты, расположенными параллельно.

Специалистам в данной области техники очевидно, что для использования барабанного узла в соответствии с фиг. 4 и 5 в электромагнитной турбине согласно настоящему изобретению необходимо соединить их с образованием электрической цепи для обеспечения прохождения тока через турбину и возникновения крутящего момента, реагирующего на магнитное поле, создаваемое магнитными компонентами турбины. На фиг. 6 изображена одна конфигурация электрического соединения соседних проводящих компонентов с образованием электрической цепи через барабанный узел 100.

По мере вращения проводящих компонентов с барабаном под действием результирующего крутящего момента, требуется перемещение или скольжение электрического контакта. Один из возможных вариантов заключается в подводе тока к концам проводящих стержней через зубья роликовых зубчатых колес или через гладкую площадь контакта. Последнее использовано в устройстве согласно фиг. 6. Согласно чертежу вокруг периферии торцевых крышек 102 расположено множество токопередающих узлов 106. Каждый токопередающий узел содержит зубчатое колесо 107, сопрягающееся с зубчатым колесом 104 торцевой крышки 102. В этом примере токопередающие узлы содержат щетку 108, контактирующую с роликом 109, соединенным с зубчатым колесом 107. Щетка 108 может представлять собой щетку с непрерывным металлическим волокном, например, раскрытую в патенте США №6245440, которая обеспечивает постоянную плотность тока более 310 А/см², функционирует на скорости 70-100 м/с и имеет 5 см длины износа на более 2,5×10⁹ метров траектории скольжения.

Каждый из токопередающих узлов 106 соединен с токопередающим узлом на противоположной части барабана, или непосредственно через проводящие компоненты или посредством соединительных кабелей 110. В настоящем примере токопередающие узлы соединены с образованием последовательной цепи. По мере подачи тока через главный подающий кабель 1101 ктокопередающему узлу 106, ток проходит через проводящий компонент 101 к следующему токопередающему узлу 106 в цепи. Далее ток проходит от токопередающего узла 106 к следующему токопередающему узлу 106 через кабель 110. Такая непрерывная передача тока между противоположными токопередающими узлами 106 обеспечена через мосты, образованные проводящими компонентами 101 и обратными кабельными соединениями 110 и через кабель 1102, с замыканием таким образом последовательной цепи в барабане 100.

По мере подведения тока через ролик 109 к проводящему компоненту 101 барабан начинает вращаться вызывая вращение зубчатого колеса 104, которое передается посредством зубчатого колеса 107 на ролик 109 с обеспечением вращения роликов 109 синхронно с ротором.

Несмотря на то, что в описании подробно изложено использование последовательной цепи в барабане, специалистам в данной области техники совершенно очевидно, что возможно использование параллельной цепи в барабане. Такое расположение потребует только изменения конфигурации соединительного кабеля между токопередающими узлами.

Более подробная иллюстрация траектории протекания через барабан 100 представлена на фиг. 7. При подведении тока к первому токопередающему узлу 106₁ через концы 111 кабеля ток поступает через щетки 108₁ на ролик 109₁ и на проводящий компонент 101, находящийся уже в контакте стоком, протекающим через проводящий компонент 101 на ролик 109₂ оттокопередающего узла 106₂. Ток от ролика 109₂ попадает на щетку 108₂ и выходит из концов 111 кабеля через кабель 110 (на чертежах не показан) на токопередающий узел 106₃, откуда он поступает на щетку 108з через концы 111 кабеля. Щетка 108₃ в свою очередь передает ток на ролик 109₃, откуда он течет через проводящий компонент 101, находящийся в контакте с токопередающим узлом 106₄. Затем этот процесс повторяется в отношении всех оставшиеся токопередающих узлов в цепи до ее полного прохождения.

Согласно упомянутому каждый из токопередающих узлов содержит зубчатое колесо 107, входящее в зацепление с зубчатым колесом 104, находящимся на торцевой крышке 102. В этом случае благодаря зубчатому колесу 107 обеспечено вращение взаимодействующего с ним ролика 108 на одной окружной скорости с вращением барабана во время работы. Согласование вращения ролика 108 с вращением барабана 100 является важным, поскольку любое рассогласование во вращении может уменьшить токопередающую способность. Кроме того, согласование окружной скорости ролика и барабана дополнительно может уменьшить возможность неравномерного износа, приводящего к разбалансировке системы.

На фиг. 8 изображена другая возможная конфигурация барабанного узла 100 для использования в турбине согласно одному варианту реализации настоящего изобретения. В этом конкретном примере барабанный узел содержит множество барабанов 801, 802, 803, расположенных концентрично. Согласно чертежу каждый токопроводящий участок 801, 802, 803 содержит множество проводящих компонентов 101 (обозначенных черными пятнами), расположенных на расстоянии по периферии каждого проводящего участка.

На фиг. 9 более подробно изображена конфигурация барабанного узла согласно фиг. 8. Согласно чертежу барабаны 801, 802, 803 расположены между торцевыми крышками 102 и концентрично вокруг вала 103. Как и в случае барабана, изображенного на фиг. 1, каждый барабан содержит множество проводящих компонентов 101, размещенных между торцевыми крышками 102 и по окружности барабана 100. Каждый проводящий компонент электрически изолирован и отделен один от другого посредством воздушного зазора 105, обеспеченного между каждым компонентом. Согласно приведенным примерам проводящие компоненты могут быть выполнены из нескольких полос ВТСП-ленты, расположенных вплотную параллельно (для «I»-образных компонентов лента может быть уложена с образованием удлиненного тела «I»-образной формы). Поверхность ленты предпочтительно ориентирована параллельно магнитному полю, созданному отталкивающимися компонентами турбины.

Токопередача через каждый проводящий компонент и барабан и между ними также обеспечена благодаря использованию токопередающих узлов 106 как было уже упомянуто в описании. В этом случае токопередача между барабанами 801, 802, 803 обеспечена путем соединения последнего токопередающего компонента 106 одного барабана с первым токопередающим компонентом следующего барабана.

На фиг. 10 изображена компоновка турбины согласно одному варианту реализации настоящего изобретения. Согласно чертежу турбина содержит опору 1001 для барабана 100 и магнитных компонентов 1002. Магнитные компоненты 1002 размещены с возможностью отталкивания с обеспечением по существу линейного поля, изображенного силовыми линиями 1003 поля, проходящими через опору, так что поле по существу перпендикулярно проводящим компонентам 101.

На фиг. 11 более подробно изображена компоновка опоры, барабана и магнитных компонентов турбины согласно фиг. 10. Согласно чертежу барабан 100 подвешен в опоре 1001 на валу 103 с торцевыми крышками 102 и зубчатыми колесами 104, расположенными с прилеганием к внутренней части опоры 1001. В этом случае токопередающие узлы 106 соединены с опорой 1001. При этом ролики 109 соединены с опорой посредством валов, прикрепленных к опоре. Кроме того, щетки 108 присоединены к опоре посредством зажимов, установленных на щетке 108.

На фиг. 12 изображен еще один вариант реализации турбины согласно настоящему изобретению. Общая конструкция турбины в данном случае аналогична показанной на фиг 10 и 11. В частности, турбина содержит барабан 100, подвешенный в опоре 1001 между магнитными компонентами 1002. Различие между расположением турбины согласно фиг. 12 и ее расположением согласно фиг. 10 и фиг. 11 заключается в том, что токопередающие компоненты не содержат ролик и зубчатое колеса, а токопередача на проводящие компоненты 101 происходит напрямую посредством контакта с щеткой 108.

Преимущество рассмотренных конфигураций заключается в возможности соединения вместе нескольких турбин на центральном валу. Комплект этих турбин может быть электрически последовательно соединен, или возможно индивидуальное подключение каждого электродвигателя к источнику питания, или даже параллельно к одному источнику питания.

При соединении электродвигателей в комплект требуется прохождение внешнего поля таким образом, что поля внутри каждого соответствующего двигателя являются отталкивающими. Ток, как таковой, пропускаемый через проводящие стержни каждого второго электродвигателя необходимо переключить таким образом, чтобы обеспечить создание одинаково направленного крутящего момента всеми двигателями, как показано на фиг. 13.

Магнитные компоненты в каждом из упомянутых случаев могут представлять собой постоянные магниты или электромагниты. В настоящее время постоянные магниты имеют ограничение на размер, составляющее около 230 мм для магнитов цилиндрических формы. Однако, достижение больших толщин возможно путем соединения нескольких магнитов в комплект. При таком размере высшей градацией магнитного материала, который допустимо использовать, будет N35. Предстоящие достижения производственных мощностей возможно снимут эти ограничения. Наличие нескольких частей нежелательно ввиду возникновения неравномерного распределения радиального поля. Кроме того, постоянные магниты имеют конечное максимальное поле 3-5 кГс. В приведенном примере магнитные компоненты представляют собой электромагниты, образованные из высокотемпературной сверхпроводящей (ВТСП) ленты. Такой электромагнит может быть составлен до достижения любого размера и при криогенном охлаждении способен производить очень большое поле.

Размеры моделей, использующихся в настоящее время, указаны только для справки. Согласно вышеупомянутому постоянные магниты или сверхпроводящие электромагниты могут быть использованы для получения статического внешнего поля. Предполагается, что более крупные устройства имеют большую плотность энергии.

Изменение текущей производительности зависит от того, используют предпочтительный вариант с ВТСП-электрическими шинами, или они выполнены из меди или другого нормального проводящего материала. В случае меди плотность тока определяется комбинацией проводимости используемого класса меди, количеством доступной площади (определение площади поперечного сечения медных ведущих электрических шин) и интенсивностью отвода тепла в результате потерь на сопротивление.

В предпочтительном варианте с ВТСП-электрическими шинами, текущая производительность менее зависит от доступного пространства, но более зависит от класса используемого ВТСП-провода, рабочей температуры (ниже 77К) и возможности тщательно ориентировать ВТСП-провод так, чтобы не подвергать его разрушительному воздействию перпендикулярного магнитного поля. Различные эффекты параллельного и перпендикулярного поля в свете снижения номинального тока ВТСП (высокотемпературного сверхпроводника) обсуждаются более подробно далее в описании. На фиг. 14 изображен график различных масштабных коэффициентов при различных температурах для ВТСП-ленты, подвергающейся воздействию различных параллельных магнитных полей.

Для определения 1 с ленты шириной 12 мм при температуре 64 К, когда она подвергается воздействию параллельного собственного поля с индукцией 1,4 Тл, график следует использовать следующим образом. Во-первых, предполагаем, что 1 с при индукции 0 Тл внешнего поля и температуре 77 К составляет 100 А. Поле 1,4 Тл на 64 К дает масштабное отношение на ось Y примерно 0,9. Отсюда 0,9×100=90 А. Это для ленты шириной 4 мм, а для ленты шириной 12 мм критический ток 1 с в 3 раза больше, поэтому 1 с составляет 270 А. Это означает, что на турбину можно подавать ток до 270 А для создания поля намного больше 1,4 Тл. В комплекте из 42 турбин при 160 А максимальное поле незначительно превышает 1,45 Тл.

К сожалению, ВТСП-ленты не имеют такие же рабочие характеристики при воздействии перпендикулярных полей, как это следует из графика на фиг. 15. Например, если внешнее или собственное поле перпендикулярно при температуре 64 К масштабное отношение 0,9 ограничивает допустимое собственное или внешнее поле примерно на 0,2 Тл, или на 0,6 Тл для ленты шириной 12 мм.

В предпочтительном варианте реализации изобретения внешние электромагнитные катушки, несущие электрически