Синхронный трехфазный втсп электродвигатель с постоянными магнитами и плавным пуском

 

Предлагаемая полезная модель относится к электроэнергетике, в частности к синхронным электрическим машинам с использованием высокоэнергетических постоянных магнитов (ПМ) и высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) элементов и предназначена для использования в автономных электроэнергетических установках перспективных авиационно-космических комплексов с полностью электрифицированным приводным оборудованием. Синхронный ВТСП электродвигатель с постоянными магнитами содержит статор с шихтованным сердечником 1 с многофазной многополюсной обмоткой 2, цилиндрический ротор 3, состоящий из массива чередующихся блоков постоянных магнитов 4 с тангенциальным намагничиванием и секторов из магнитомягкого материала 5, установленных на втулке из немагнитного материала 6. В середине секторов из магнитомягкого материала радиально на немагнитной втулке ротора установлены ВТСП вставки 7. Полезная модель позволяет повысить энергетические и массогабаритные характеристики электродвигателя. 2 илл.

Предлагаемая полезная модель относится к электроэнергетике, в частности к синхронным электрическим машинам с высокоэнергетическими постоянными магнитами (ПМ) на основе редкоземельных материалов (РЗМ) и высокотемпературными сверхпроводниковыми (ВТСП) элементами и предназначена для использования в автономных электроэнергетических установках перспективных авиационно-космических комплексов с полностью электрифицированным приводным оборудованием (см. книгу А.В.Левин, И.И.Алексеев, Л.К.Ковалев, С.А.Харитонов. Электрический самолет: от идеи до реализации. М.: Машиностроение, 2010. - 288 с.).

Известны синхронные двигатели с ПМ с различным конструктивным выполнением роторов: ротор типа «звездочка», роторы, содержащие массив блоков призматических постоянных магнитов, намагниченных либо в радиальном, либо в тангенциальном направлениях, когтеобразные роторы и т.д. (см. книги В.А.Балагуров, Ф.Ф.Галтеев. Электрические генераторы с постоянными магнитами -М.: Энергоатомиздат, 1998. - 280 с.; Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. T.1 и 2. - М: Издательский дом МЭИ, 2006; Д.А.Бут. Основы электромеханики - М.: Изд-во МАИ, 1996; Специальные электрические машины. Под ред. Б.Л.Алиевского. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 230 с.). Общий недостаток известных устройств - относительно невысокие значения мощности, механического момента, КПД и коэффициента мощности (cos). Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является синхронный электродвигатель с тангенциальными постоянными магнитами, (которые, как показывают исследования, являются более предпочтительными в электрических машинах с числом пар полюсов больше 2-3), приведенный в книге Д.А.Бута Основы электромеханики - М.: Изд-во МАИ, 1996 на стр.157, содержащий статор с шихтованным сердечником, в пазах которого размещена многофазная многополюсная обмотка, цилиндрический ротор, состоящий из массива чередующихся блоков постоянных магнитов с тангенциальной намагниченностью и секторов из магнитомягких материалов, установленных на валу машины на втулке из немагнитного материала.

Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении энергетических и массогабаритных показателей электродвигателя. Техническим результатом использования данной полезной модели является повышение удельных мощности и механического момента, а также повышение коэффициента мощности и КПД электродвигателя.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в синхронном ВТСП электродвигателе с постоянными магнитами, содержащем магнитопроводящий статор, выполненный шихтованным, и имеющий пазы, распределенные по его внутренней поверхности, размещенную в этих пазах многофазную многополюсную обмотку и установленный на валу машины цилиндрический ротор, состоящий из массива чередующихся блоков постоянных магнитов с тангенциальной намагниченностью и секторов из магнитомягкого материала, установленных на валу двигателя на втулке из немагнитного материала, и в середине секторов из магнитомягкого материала между постоянными магнитами радиально на немагнитной втулке ротора установлены диамагнитные вставки, выполненные в виде тонких ВТСП пластин из высокотемпературного сверхпроводникового материала (например иттриевой керамики YBCO).

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в отличие от прототипа, представляющего собой синхронный ВТСП электродвигатель с ПМ на роторе, выполненными в виде массива чередующихся блоков постоянных магнитов с тангенциальной намагниченностью и секторов из магнитомягкого материала, выполняющих роль полюсов по отношению к якорю на статоре, в конструкции данного двигателя применены вставки из ВТСП керамики с относительной магнитной проницаемостью 0,2<µS<0,5., установленные в середине секторов из магнитомягкого материала между постоянными магнитами радиально на немагнитной втулке ротора. Магнитные потоки соседних ПМ концентрируются в магнитомягких полюсах между ПМ, что позволяет достигать высоких значений магнитной индукции в рабочем зазоре двигателя.

Предварительный анализ работы таких криогенных ВТСП электрических машин с постоянными магнитами и объемными ВТСП элементами в роторе показал, что при захолаживании машины жидким азотом ВТСП элементы переходят в сверхпроводящее состояние в магнитном поле, создаваемом ПМ ротора, тем самым как бы захватывая основной магнитный поток возбуждения (field cooling process - fc-process), создаваемый ПМ ротора. Таким образом, ВТСП элементы после захолаживания двигателя и перехода в сверхпроводящее состояние не оказывают в принципе влияния на основной магнитный поток возбуждения, определяемый системой ПМ машины. Однако по отношению к любым возмущениям магнитного потока, возникающим после перехода ВТСП керамики в сверхпроводящее состояние, ВТСП элемент представляет собой диамагнетик, экранирующий возмущения магнитного поля. В первую очередь это относится к магнитным полям, обусловленным реакцией якоря ВТСП синхронного двигателя. В результате этого изменяются индуктивные сопротивления реакции якоря по продольной и поперечной осям двигателя и улучшаются его энергетические и выходные характеристики.

Так, в предлагаемой полезной модели в условиях охлаждения жидким азотом ВТСП вставки, расположенные радиально вдоль продольной оси ротора d, являются диамагнетиком по отношению к магнитному потоку поперечной реакции якоря. Это позволяет существенно увеличить анизотропию магнитных свойств ротора машины, уменьшить индуктивное сопротивление по поперечной оси - xq.

Поперечный разрез синхронного ВТСП электродвигателя с тангенциальными постоянными магнитами показан на фиг.1.

Синхронный ВТСП электродвигатель с постоянными магнитами содержит: сердечник статора 1, выполненный шихтованным и имеющий пазы, распределенные по его внутренней поверхности, в которых размещена многофазная многополюсная обмотка 2, установленный на валу машины цилиндрический ротор 3, представляющий собой массив чередующихся блоков ПМ 4 с тангенциальным намагничиванием и секторов из магнитомягкого материала 5, установленных на втулке из немагнитного материала 6. В середине секторов из магнитомягкого материала установлены достаточно тонкие диамагнитные пластины из ВТСП керамики 7, размещенные вдоль оси полюсов ротора радиально на немагнитном валу 8 двигателя. Снаружи крепление ПМ осуществляется с помощью бандажа 9.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При электромагнитном взаимодействии полюсов вращающегося магнитного поля статора и возбужденных полюсов ротора возникает момент, который будет вращать ротор с синхронной частотой. Возникающий вращающий момент складывается из двух составляющих. Одна составляющая определяется (как в прототипе) э.д.с., наведенной в обмотке статора магнитным потоком ПМ из редкоземельных материалов вращающегося ротора. Другая - существенной анизотропией магнитных свойств ротора по продольной d и поперечной q осям машины. Суммарный момент в предлагаемой полезной модели будет выше по сравнению с прототипом благодаря использованию диамагнитных ВТСП элементов, существенно увеличивающих магнитную анизотропию ротора.

Проведены проектные расчеты параметров трехфазного четырехполюсного ВТСП синхронного электродвигателя с объемными ВТСП элементами и тангенциальными постоянными магнитами, разработанного на основе данной полезной модели.

Расчеты показывают, что в синхронном ВТСП электродвигателе с тангенциальными ПМ обеспечивается также перевозбужденный режим работы двигателя (=E/U>1 - степень перевозбуждения электрической машины, Е - ЭДС, создаваемая магнитным потоком ПМ ротора, U - напряжение питания на якорной обмотке статора), что позволяет их использовать в режимах компенсатора.

На фиг.2 приведены соответствующие зависимости энергетических параметров от рабочего угла в ВТСП синхронном двигателе с тангенциальными магнитами при следующих вариантах конструктивного выполнения ротора: кривые 1 - секторы между ПМ выполнены из магнитомягкого ферромагнитного материала с высокой относительной магнитной проницаемостью (например, из стали 30ХГСА) (традиционная схема ротора синхронного двигателя с тангенциальными ПМ - прототип), кривые 2 - в секторах между ПМ имеются массивные вставки из немагнитного материала с µ S=1, кривые 3 - вставки из идеальной диамагнитной ВТСП керамики с µS=0. Видно, что использование диамагнитных ВТСП вставок приводит к значительному увеличению мощности ВТСП синхронного двигателя в номинальном режиме (45°) примерно на 50%, что связано с соответствующим изменением индуктивных сопротивлений. При этом максимум мощности смещается в сторону меньших (номинальных) значений рабочего угла .

Следует отметить, что масса исследуемого расчетного образца ВТСП синхронного двигателя порядка 12,6 кг, при этом его удельная масса (при номинальной мощности порядка 25 кВт) равна 0,5 кг/кВт. Это на 40-50% меньше, чем удельная масса традиционных синхронных двигателей с постоянными магнитами при тех же режимах охлаждения (жидким азотом) электродвигателя.

Результаты расчетного исследования показали, что использование в конструкции роторов синхронных двигателей с объемными ВТСП элементами на роторе и возбуждением от тангенциальных высокоэнергетичных постоянных магнитов ВТСП элементов позволит на 40-50% увеличить их выходную мощность, и тем самым, улучшить их удельные массовые показатели.

Следует отметить, что в последнее время имеется существенный прогресс в области создания достаточно тонких (порядка 0.3-0,5 мм) ВТСП элементов с высокими диамагнитными характеристиками (µS<0,2) [6]. Их использование в качестве ВТСП вставок в роторе позволит существенно увеличить выходные энергетические характеристики ВТСП синхронных двигателей.

Данный тип электрических двигателей, разработанный на основе предлагаемой полезной модели, предназначен для использования в электроприводах перспективных авиационно-космических комплексов, так как он удовлетворяет специфическим требованиям - высокая мощность и малые значения удельной массы единичного агрегата. По мнению авторов, совокупность существенных признаков рассматриваемой полезной модели необходима и достаточна для достижения заявленного технического результата.

Литература

1. А.В.Левин, И.И.Алексеев, Л.К.Ковалев, С.А.Харитонов. Электрический самолет: от идеи до реализации. М.: Машиностроение, 2010. - 288 с.

2. В.А.Балагуров, Ф.Ф.Галтеев. Электрические генераторы с постоянными магнитами - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 280 с.

3. Д.А.Бут. Основы электромеханики - М.: Изд-во МАИ, 1996

4. Специальные электрические машины. Под ред. Б.Л.Алиевского. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 230 с.

5. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. T.1 и 2. - М: Издательский дом МЭИ, 2006.

6. Iijima Y., Kakimoto К. et al. Development of long Y-123 coated conductors by IBAD and PLD method. Proceedings of the 6-th European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS-2003), September 2003, Sorrento, Italy.

Синхронный высокотемпературный сверхпроводниковый (ВТСП) электродвигатель с постоянными магнитами, содержащий статор с шихтованным сердечником, размещенную в его пазах многофазную многополюсную обмотку, цилиндрический ротор, состоящий из массива чередующихся блоков постоянных магнитов с тангенциальной намагниченностью и секторов из магнитомягкого материала, установленных на валу машины на втулке из немагнитного материала, отличающийся тем, что в середине секторов из магнитомягкого материала между постоянными магнитами радиально на немагнитной втулке ротора установлены вставки, выполненные в виде тонких диамагнитных пластин из высокотемпературного сверхпроводникового материала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для энергоснабжения объектов стабильной сетью переменного тока при переменной скорости вращения первичного двигателя
Наверх