Сверхпроводниковая электрическая машина с композитным слоистым ротором

Предлагаемая полезная модель относится к электроэнергетике, в частности к синхронным электрическим машинам с постоянными магнитами (ПМ) и высокотемпературными сверхпроводниковыми (ВТСП) элементами, и предназначена для работы в качестве электропривода в бортовых электроэнергетических системах атмосферных летательных аппаратов и космических энергоустановок, а также в высокодинамичных электроприводах специального назначения. Сверхпроводниковая электрическая машина с композитным слоистым ротором содержит статор 1 с шихтованным сердечником с многофазной многополюсной обмоткой 2, цилиндрический ротор 3, состоящий из чередующихся слоев ферромагнитных элементов и немагнитных промежутков. Слой ферромагнитных элементов ротора выполнен в виде композита из пластин постоянных магнитов на основе редкоземельных материалов 4 и пластин из магнитомягких материалов 6. Немагнитные промежутки ротора заполнены диамагнитным высокотемпературным сверхпроводниковым материалом 5. Полезная модель позволяет повысить энергетические (мощность, КПД, cos) показатели машины. Илл.2.

Предлагаемая полезная модель относится к электроэнергетике, в частности к синхронным электрическим машинам с постоянными магнитами (ПМ) и высокотемпературными сверхпроводниковыми (ВТСП) элементами, и предназначена для работы в качестве электропривода в бортовых электроэнергетических системах атмосферных летательных аппаратов и космических энергоустановок, а также в высокодинамичных электроприводах специального назначения.

Известны синхронные ВТСП электрические машины с постоянными магнитами с различным конструктивным выполнением роторов (см. книгу Электрические машины и устройства на основе массивных высокотемпературных сверхпроводников / Под редакцией Л.К.Ковалева, К.Л.Ковалева, С.М.-А.Конеева. - М.: Изд-во ФИЗМАТЛИТ, 2010. 396 с, стр.226; Патент РФ 71190 от 27.02.2008 г. Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина с композитным ротором. Ковалев Л.К., Полтавец В.Н. и др. Опубл. в БИ 2, 2008). Общий недостаток известных устройств - относительно невысокие значения мощности, механического момента, КПД и коэффициента мощности (cos). Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели является конструкция ВТСП синхронной электрической машины с постоянными магнитами, приведенная в Патенте РФ 71190 от 27.02.2008 г. Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина с композитным ротором. Ковалев Л.К., Полтавец В.Н. и др. Опубл. в БИ 2, 2008, содержащая статор с шихтованным сердечником, в пазах которого размещена многофазная многополюсная обмотка и цилиндрический ротор, состоящий из чередующихся слоев ферромагнитных элементов и немагнитных промежутков, заполненных диамагнитным высокотемпературным сверхпроводниковым материалом. При этом ферромагнитные элементы ротора выполнены в виде последовательного набора магнитомягких вставок и блоков постоянных магнитов из редкоземельных материалов (РЗМ).

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 сверхпроводниковой электрической машине с композитным слоистым ротором, содержащей 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 чередующихся слоев ферромагнитных элементов и немагнитных промежутков, заполненных диамагнитными массивными ВТСП элементами, при этом слой ферромагнитных элементов ротора выполнен в виде композита из пластин магнитомягкого материала и пластин постоянных магнитов на основе РЗМ.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в отличие от прототипа, представляющего собой синхронную машину с ротором, выполненным в виде чередующихся слоев двух различных по магнитным свойствам материалов (сталь и ВТСП), причем ферромагнитный слой выполнен в виде последовательного набора магнитомягких вставок и блоков постоянных магнитов из РЗМ, в конструкции данной машины использование в ферромагнитном слое композита из сплошных пластин из магнитомягкого материала и пластин постоянных магнитов на основе РЗМ, намагниченных в направлении перпендикулярном плоскости пластин, позволяет существенно улучшить ее мощностные характеристики. Это следует из известной угловой зависимости электромагнитной мощности явнополюсной синхронной машины с возбуждением от постоянных магнитов (см. кн. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. Т.1 и 2. - М: Издательский дом МЭИ, 2006, Т.2, стр.144):

Здесь x_d и x_q - полные индуктивные сопротивления по продольной и поперечной осям ротора; =E/U - степень перевозбуждения электрической машины; m _ф - число фаз; - угол между направлениями векторов ЭДС Е, создаваемой магнитным потоком ПМ ротора, и напряжением питания U на якорной обмотке статора. Так как сборка ротора осуществляется при комнатной температуре, то величина E, определяется без учета диамагнитных свойств ВТСП керамики.

Составляющая P₁ определяется возбуждением машины от ПМ на роторе и индуктивным сопротивлением x_d вдоль оси d. Величина P₂ связана с взаимодействием явнополюсного ротора с токами якоря и существенно зависит от анизотропии магнитных свойств ротора (от соотношения индуктивных сопротивлений вдоль осей d и q - x_d и x_q).

В предлагаемой конструкции намагничивание постоянных магнитов на основе РЗМ осуществляется в направлении перпендикулярном плоскости пластин постоянных магнитов. Наличие диамагнитных ВТСП пластин в композитном слоистом роторе обеспечивает при криогенных температурах T<T _к низкую магнитную проводимость по оси d, совпадающей с ориентацией магнитов, и высокую - по оси q, перпендикулярной оси намагничивания постоянных магнитов. Синхронное индуктивное сопротивление x_d уменьшается, а x_q - увеличивается. При этом магнитная анизотропия ротора, определяемая соотношением x_d и x_q, увеличивается по сравнению с прототипом, что ведет к увеличению реактивной составляющей мощности двигателя P₂. при величине угла нагрузки >/2 (как показали расчеты для предлагаемой конструктивной схемы двигателя критическая величина угла нагрузки составляет примерно 120 градусов (см. фиг.2)), что соответствует расчетам максимума мощности P из условия P/=0.

Поперечный разрез сверхпроводниковой электрической машины с композитным слоистым ротором из чередующихся слоев ПМ из РЗМ, магнитомягких материалов и ВТСП элементов показан на фиг.1. Конструктивная схема рассматриваемой машины 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 композит из чередующихся слоев постоянных магнитов из РЗМ 4, немагнитных промежутков 5, заполненных диамагнитным высокотемпературным сверхпроводниковым материалом, например YBCO керамикой, работающей в криогенной среде при температуре жидкого азота (77,8K), и магнитомягких материалов 6, например полиаморфные и новые электротехнические стали с относительной магнитной проницаемостью µ порядка 10³-10⁴.

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. В рассматриваемой конструкции магнитная анизотропия ротора по сравнению с прототипом существенно увеличивается. Вследствие этого суммарный момент в предлагаемой полезной модели будет выше, чем в прототипе

Проведены расчеты параметров и на основе данной полезной модели разработаны конструкции экспериментальных образцов сверхпроводниковых двигателей с ПМ и ВТСП элементами с числом пар полюсов p=1 мощностью 47 кВт и p=2 мощностью ~450 кВт для специальных высокодинамичных приводов.

На фиг.2 приведена зависимость выходной мощности двигателя P от угла нагрузки при различных значениях относительной магнитной проницаемости ВТСП элемента 0,1<µ<1. Из графика видно, что наличие ВТСП пластин с высокими диамагнитными свойствами (µ~0,1) приводит к увеличению мощности двигателя примерно в 2 раза по сравнению с конструктивным вариантом без ВТСП пластин (µ~1).

Результаты проектных расчетов позволяют заключить, что предложенная конструктивная схема ВТСП двигателя с композитным слоистым ротором обладает более высокими энергетическими параметрами по сравнению с известными конструкциями синхронных ВТСП двигателей с ПМ при одинаковых режимах их охлаждения в среде жидкого азота (77K).

По мнению авторов, предлагаемая модель может быть использована в промышленных электроприводах, а совокупность ее существенных признаков необходима и достаточна для достижения заявленного технического результата.

Литература

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

2. Электрические машины и устройства на основе массивных высокотемпературных сверхпроводников / Под редакцией Л.К.Ковалева, К.Л.Ковалева, С.М.-А.Конеева. - М.: Изд-во ФИЗМАТЛИТ, 2010. 396 с.

3. Патент РФ 71190 от 27.02.2008 г. Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина с композитным ротором. Ковалев Л.К., Полтавец В.Н. и др. Опубл. в БИ 2, 2008)

Сверхпроводниковая электрическая машина с композитным слоистым ротором, содержащая статор с шихтованным сердечником, размещенную в его пазах многофазную многополюсную обмотку, цилиндрический ротор, состоящий из чередующихся слоев ферромагнитных элементов и немагнитных промежутков, заполненных диамагнитным высокотемпературным сверхпроводниковым материалом, отличающаяся тем, что слой ферромагнитных элементов ротора выполнен в виде композита из пластин магнитомягких материалов и пластин постоянных магнитов на основе редкоземельных материалов.