Сверхпроводящая электрическая машина

Задача, решаемая полезной моделью - повышения к.п.д. и создания сверхпроводящей электрической машины предназначенной для работы на высокое напряжение (свыше 100 кВ). Сверхпроводящая электрическая машина машина имеет ротор со сверхпроводящей обмоткой возбуждения и снабженный теплоизолирующей оболочкой, а также статор, содержащий сердечник и обмотку якоря. От прототипа машину отличает то, что обмотка якоря составлена из концентрических катушек седлообразной формы, расположенных концентрическими слоями, разделенными электроизоляционными цилиндрами, при этом катушки седлообразной формы в каждом слое распределены равномерно по окружности вдоль цилиндрической поверхности.

Полезная модель относится энергомашиностроению, а именно к двигателям и генераторам. Полезная модель может найти применение при проектировании высоковольтных турбогенераторов (напряжением свыше 100 кВ) для тепловых и атомных электростанций, а также высоковольтных электродвигателей большой мощности.

В качестве аналога принят сверхпроводниковый турбогенератор [Глебов И.А., Данилевич А.Б., Шахтарин В.Н. Турбогенераторы с использованием сверхпроводимости. - Л.: Наука, лен. отд., с.11]. Генератор относится к традиционным сверхпроводниковым синхронным электрическим машинам.

В качестве прототипа принято Сверхпроводящее вращающееся устройство [Патент РФ 2100892, опубл. 27.12.1997 г.], имеющее ротор со сверхпроводящей охлаждаемой хладагентом обмоткой, снабженный теплоизолирующей оболочкой, имеющее статор, содержащий сердечник и обмотку якоря традиционной конструкции. Данное устройство имеет недостатки, присущие традиционным сверхпроводниковым электрическим машинам, обусловленные применением обмотки якоря традиционной конструкции, которая применяется в электрических машинах сравнительно невысоких уровней напряжений, что обуславливает большие токи в обмотке якоря, особенно при больших мощностях. Исходя из этого, этими недостатками являются:

- повышенные тепловые потери, что приводит к снижению к.п.д.;

- повышенное тепловыделение, что требует усиленной теплоизоляции ротора. В основу полезной модели поставлена задача повышения к.п.д. и создания сверхпроводящей электрической машины предназначенной для работы на высокое напряжение (свыше 100 кВ).

Поставленная задача решается изменением конструкции. Сверхпроводящая электрическая машина машина имеет ротор со сверхпроводящей обмоткой возбуждения и снабженный теплоизолирующей оболочкой, а также статор, содержащий сердечник и обмотку якоря. От прототипа машину отличает то, что

обмотка якоря составлена из концентрических катушек седлообразной формы, расположенных концентрическими слоями, разделенными электроизоляционными цилиндрами, при этом катушки седлообразной формы в каждом слое распределены равномерно по окружности вдоль цилиндрической поверхности.

Полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых представлено: Фиг.1 продольный разрез электрической машины, Фиг.2 - концентрические катушки одного слоя.

Более подробно сущность полезной модели раскрывается в примере реализации.

Ротор 1 генератора представляет собой экранированный в тепловом и электромагнитном отношении вращающийся криостат с заключенной в нем сверхпроводящей обмоткой возбуждения 2. Обмотка возбуждения закреплена в каркасе и охвачена бандажным цилиндром и теплоизолирующей оболочкой 3. Несущая оболочка ротора содержит демпферную обмотку в качестве электромагнитного экрана. Теплоизоляцией низкотемпературной зоны являются слои вакуумной изоляции. Ротор находится в пространстве, образованном внутренней стенкой опорного немагнитного цилиндра и торцевыми щитами. На поверхности опорного немагнитного цилиндра располагается обмотка якоря 4, состоящая из нескольких слоев. Каждый слой содержит изолированные концентрические катушки 5 седлообразной формы, распределенные равномерно по окружности вдоль цилиндрической поверхности. В нашем примере в одном слое три катушки. Слои обмотки якоря разделены электроизоляционными цилиндрами. Также электроизоляционный цилиндр разделяет катушки внешнего слоя и сердечник якоря 6. Сердечник якоря посредством ребер крепится к корпусу электрической машины. На корпусе электрической машины располагается коробка с высоковольтными вводами 7, соединяющими сверхпроводящую синхронную электрическую машину с сетью переменного тока.

Работу заявляемой Сверхпроводящей электрической машины можно рассмотреть на примере для генераторного режима.

Ротор 1 сверхпроводниковой синхронной электрической машины захолаживается, например, жидким хладагентом при температуре, необходимой

для работы сверхпроводника, (например, жидким азотом при температуре кипения). Возможно контактное охлаждение посредством охлаждающих устройства (криоохладителей). Ротор приводится во вращение. Сверхпроводящая обмотка возбуждения 2 запитывается от возбудителя постоянным током. При этом на уровне обмотки якоря 4 образуется вращающееся магнитное поле, а в самой обмотке якоря индуктируется электродвижущая сила, которая при подключении номинальной нагрузки дает необходимое высокое напряжение (свыше 100 кВ) на высоковольтных вводах ?. Высоковольтные вводы 9 подключаются к высоковольтной линии электропередач.

При работе сверхпроводящей электрической машины на нагрузку в обмотке якоря протекает электрический ток, и, вследствие этого, возникают тепловые потери выделяющиеся в обмотке якоря. Беспазовая обмотка, состоящая из катушек седлообразной формы позволяет разместить электрическую изоляцию на высокое напряжение (более 100 кВ), которая состоит из усиленной изоляции самих катушек и электроизоляционных цилиндров, в отличие от обмотки традиционного исполнения, где размещение изоляции ограничивается пазами обмотки. Поэтому применение беспазовой обмотки, состоящей из катушек седлообразной формы, позволяет создать сверхпроводящую электрическую машину, предназначенную для работы на высокое напряжение (свыше 100 кВ), в которой снижен электрический ток в обмотке якоря, а следовательно снижены потери и тепловыделение. При этом достигается повышение к.п.д машины и упрощаются меры по теплоизоляции низкотемпературной зоны ротора.

Сверхпроводящая электрическая машина, имеющая ротор со сверхпроводящей обмоткой возбуждения и снабженный теплоизолирующей оболочкой, а также статор, содержащий сердечник и обмотку якоря, отличающаяся тем, что обмотка якоря составлена из концентрических катушек седлообразной формы, расположенных концентрическими слоями, разделенными электроизоляционными цилиндрами, при этом катушки седлообразной формы в каждом слое распределены равномерно по окружности вдоль цилиндрической поверхности.