Сверхпроводниковая синхронная реактивная машина

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к синхронным реактивным электрическим машинам с применением высокотемпературных сверхпроводников и может быть использована в криогенной, аэрокосмической и медицинской технике, в приводе перспективных транспортных систем. Сущность полезной модели: машина содержит статор с шихтованным сердечником с многофазной многополюсной обмоткой, цилиндрический ротор, состоящий из ферромагнитных элементов и немагнитных промежутков и размещенной на нем короткозамкнутой обмотки. Немагнитные промежутки ротора заполнены диамагнитным высокотемпературным сверхпроводниковым материалом. На лобовых частях обмотки статора установлены электромагнитные экраны из высокотемпературного сверхпроводникового материала, каждый из которых выполнен в виде двух тонкостенных цилиндрических оболочек и кольцевого элемента. Изобретение позволяет повысить энергетические (мощность, КПД, cos) и массогабаритные показатели машины.

Предлагаемая полезная модель относится к синхронным реактивным электрическим машинам с использованием высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) и может найти применение в криогенной, аэрокосмической и медицинской технике, в электроприводе транспортных систем.

Известны синхронные реактивные машины с различным конструктивным выполнением роторов [2-5]. Недостатками известных конструкций являются невысокие значения энергетических показателей (КПД и cos), а также малые значения мощности и развиваемого момента по сравнению с мощностью и моментом асинхронного двигателя и синхронного двигателя с обмоткой возбуждения на роторе при одинаковых габаритах.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели является синхронная реактивная машина [1], содержащая статор с шихтованным сердечником, в пазах которого размещена многофазная многополюсная обмотка, цилиндрический ротор с короткозамкнутой обмоткой, состоящий из ферромагнитных элементов и немагнитных промежутков, заполненных диамагнитным высокотемпературным сверхпроводниковым материалом (ВТСП керамикой), величина магнитной проницаемости которой _s лежит в диапазоне от нуля (идеальный диамагнетик) до величины магнитной проницаемости воздуха ₀ (O<_s<₀). Это позволяет реализовать различные магнитные свойства по разным направлениям: ферромагнитные свойства по оси d ротора и уникальные диамагнитные свойства по оси q.

Недостатком данной конструкции является ограниченное значение удельной мощности, механического момента, КПД и cos, что связано с

относительно невысоким значением отношения x_d/x_q (где х_d, x_q - главные индуктивные сопротивления по осям d и q), определяемым различием в магнитной проводимости по продольной и поперечной осям машины, хотя и существенно превышающим аналогичное отношение в синхронных реактивных машинах традиционного исполнения. Одним из путей дальнейшего улучшения параметров и характеристик реактивных ВТСП электрических машин является ограничение магнитных потоков рассеяния лобовых частей обмотки статора.

Целью изобретения является повышение энергетических (мощности, механического момента, коэффициента мощности и КПД) и массогабаритных показателей машины.

Цель достигается тем, что в сверхпроводниковой синхронной реактивной электрической машине, 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 ферромагнитных элементов и немагнитных промежутков, заполненных диамагнитным высокотемпературным сверхпроводниковым материалом, и размещенной на нем короткозамкнутой обмотки, на лобовых частях обмотки статора установлены электромагнитные экраны из высокотемпературного сверхпроводникового материала, каждый из которых выполнен в виде двух тонкостенных цилиндрических оболочек и кольцевого элемента.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 представлен продольный разрез сверхпроводниковой синхронной реактивной электрической машины. Конструктивная схема рассматриваемой машины содержит сердечник статора 1, выполненный шихтованным и имеющий пазы, распределенные по его внутренней поверхности, в которых размещена многофазная многополюсная обмотка 4, установленный на валу машины цилиндрический ротор 2, представляющий собой сочетание ферромагнитных элементов (стальных)

и немагнитных промежутков, заполненных диамагнитным ВТСП материалом, например, YBCO керамикой, работающей в криогенной среде при температуре жидкого азота (77,8 К). На роторе размещена короткозамкнутая обмотка 3. На лобовых частях обмотки статора установлены 2 электромагнитных экрана 5, выполненных с использованием, например, композитных листовых ВТСП материалов на основе висмутовой керамики (соединение Bi-2223), работающей также в криогенной среде при температуре жидкого азота (77,8 К). Каждый ВТСП электромагнитный экран выполнен в виде двух тонкостенных цилиндрических оболочек и кольцевого элемента.

Предлагаемая машина работает следующим образом: при электромагнитном взаимодействии полюсов вращающегося магнитного поля статора и невозбужденных полюсов ротора возникает момент, который будет вращать ротор с синхронной частотой. Возникновение вращающего момента связано с существенной анизотропией магнитных свойств ротора (ВТСП + ферромагнетик). Благодаря тому, что отношение магнитных проводимостей по осям d и q в рассматриваемых машинах существенно выше (_d/_q˜15), чем максимально достижимые значения в традиционных синхронных реактивных машинах, где _d/_q˜4-5, развиваемый вращающий момент и мощность синхронных реактивных машин с использованием ВТСП элементов в 2-3 раза больше, чем у традиционных синхронных реактивных машин. Установка электромагнитных ВТСП экранов на лобовых частях обмотки статора позволяет улучшить энергетические и массогабаритные параметры машины, в частности, при наличии ВТСП экрана на основе висмутовой керамики выходная мощность повышается до 15% и более.

Положительный эффект указанной совокупности отличительных признаков заключается в том, что в отличие от прототипа, на лобовых частях обмотки статора установлены электромагнитные экраны, выполненные с использованием композитных листовых ВТСП материалов на основе висмутовой керамики (соединение Bi-2223). Как

известно, мощность реактивного электродвигателя пропорциональна отношению x_d/x_q, где х_d=x_ad+x ₁, x_q=x_aq+x ₁ - главные индуктивные сопротивления обмотки Статора по продольной и поперечной осям; x_ad, x _aq - индуктивные сопротивления взаимоиндукции обмотки статора по продольной и поперечной осям; x₁ - индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки статора. Очевидно, что основным путем повышения отношения x_d/x _q является снижение индуктивного сопротивления рассеяния x₁ пропорционального полной удельной магнитной проводимости для потоков рассеяния обмотки статора, складывающейся из удельной магнитной проводимости для потока пазового рассеяния _п1, удельной магнитной проводимости для потоков рассеяния между вершинами зубцов _з1 и удельной магнитной проводимости для потоков рассеяния вокруг лобовых частей обмотки статора _л1.

Для уменьшения _л1 разработана конструкция реактивного ВТСП электродвигателя с электромагнитным кольцевым экраном, установленным на лобовых частях обмотки статора. Электромагнитные экраны для лобовых частей двигателя представляют собой коробчатую сварную конструкцию, выполненную из листового многослойного ВТСП материала на базе соединения Bi-2223 в серебряной матрице. Толщина листа 0.8 мм, количество чередующихся слоев Bi-2223 и Ag равно 8. Исходный материал - лист, из которого вырезаются две ленты, свариваемые в дальнейшем в виде двух тонкостенных цилиндрических оболочек, и кольцевой элемент, соединенный с оболочками и формирующий коробчатую конструкцию. Размеры электромагнитного экрана лобовой части: наружный диаметр - 110 мм, внутренний диаметр - 64 мм, высота - 30 мм. Результаты предварительных экспериментальных исследований показали, что экранирование лобовых частей обмотки статора ВТСП экраном на основе висмутовой керамики Bi-2223 на 10-15% снижает удельную магнитную проводимость для потоков рассеяния вокруг лобовых частей обмотки статора _л1.

Проведенные оценки отношения x_d/x_q для реактивного двигателя традиционного исполнения и ВТСП реактивного двигателя показали, что оно может быть повышено с 2-4 до ˜ 20 и более.

Использование указанной совокупности признаков для реализации поставленных целей в других технических решениях авторам неизвестно,

Авторами разработаны математические модели электромагнитных процессов в активной зоне ВТСП реактивных двигателей на основе новых ВТСП материалов с уменьшенным индуктивным рассеянием лобовых частей обмотки статора, разработаны алгоритмы и методики расчета основных параметров и характеристик рассматриваемых двигателей, спроектированы, изготовлены и испытаны сверхпроводниковые реактивные электродвигатели двух типоразмеров для исследования влияния экранирования потока рассеяния лобовых частей обмотки статора.

Предполагамая полезная модель может быть использовано в качестве синхронного реактивного двигателя в приводе насосов для перекачки криогенных жидкостей, в системах электроснабжения летательных аппаратов, в частности, самолета "Криоплан" АНТК им. Туполева, в системах криообеспечения нового медицинского оборудования, в частности томографов, в высокоскоростном наземном транспорте, в физических приборах и оборудовании.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2129329 от 20.04.1999 г. «Синхронная реактивная машина» /Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Полтавец В.Н., Семенихин B.C., Пенкин В.Т., Ковалев К.Л., Егошкина Л.А., Ларионов А.Е., Конеев С.М. - А.

2. Иванов-Смоленский А.В. Электричекие машины. Учебник для вузов. - М.: Энергия, 1980.

3. Голдовский Е.М. Реактивные двигатели для звукового кино. -Кинофотоиздат, 1935.

4. Ермолин Н.П. Электрические машины малой мощности. - М.: Высшая школа, 1962.

5. Williford J.W. Electric motor. United States Patent 2.939.025, C1. 310-261, 31.05.60.

Сверхпроводниковая синхронная реактивная электрическая машина, содержащая статор с шихтованным сердечником, размещенную в его пазах многофазную многополюсную обмотку, цилиндрический ротор, состоящий из ферромагнитных элементов и немагнитных промежутков, заполненных диамагнитным высокотемпературным сверхпроводниковым материалом, и размещенной на нем короткозамкнутой обмотки, отличающаяся тем, что на лобовых частях обмотки статора установлены электромагнитные экраны из высокотемпературного сверхпроводникового материала, каждый из которых выполнен в виде двух тонкостенных цилиндрических оболочек и кольцевого элемента.