Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина с композитным ротором
Полезная модель относится к электротехнике, а именно к синхронным электрическим машинам с применением высокотемпературных сверхпроводников и может быть использована в криогенной и аэрокосмической 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. Ферромагнитные элементы ротора выполнены в виде последовательного набора магнитомягких вставок и блоков постоянных магнитов из редкоземельных материалов (РЗМ). Полезная модель позволяет повысить энергетические (мощность, КПД, cos
) показатели машины.
Предлагаемая полезная модель относится к синхронным электрическим машинам с использованием высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) и может найти применение в криогенной и аэрокосмической технике, в электроприводе транспортных систем.
Известны синхронные машины с различным конструктивным выполнением роторов [1-5]. 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 чередующихся слоев ферромагнитных элементов и немагнитных промежутков, заполненных диамагнитным высокотемпературным сверхпроводниковым материалом. Недостатком данной конструкции является невысокие значения мощности, механического момента, КПД и коэффициента мощности (cos).
Целью полезной модели является повышение энергетических (мощности, механического момента, коэффициента мощности и КПД) показателей машины.
Цель достигается тем, что в сверхпроводниковой синхронной электрической машине с композитным 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 диамагнитным высокотемпературным сверхпроводниковым материалом, и размещенной на нем короткозамкнутой обмотки, ферромагнитные элементы ротора выполнены в виде последовательного набора
магнитомягких вставок и блоков постоянных магнитов из редкоземельных материалов (РЗМ).
Положительный эффект указанной совокупности отличительных признаков заключается в том, что в отличие от прототипа, представляющего собой синхронный реактивный двигатель с ротором, выполненным из чередующихся слоев двух разнородных по магнитным свойствам материалов (стали и ВТСП), в конструкции данной машины использование блоков высокоэнергетических постоянных магнитов из РЗМ позволяет существенно улучшить ее мощностные характеристики, что следует из известной угловой зависимости мощности явнополюсной синхронной машины с возбуждением от постоянных магнитов [2]:
В ранее рассмотренном прототипе реактивной синхронной машины первый член в уравнении (1) отсутствует, т.к. отсутствует электродвижущая сила (э.д.с.) Е, определяемая магнитным потоком, создаваемым постоянными магнитами. В предлагаемой конструкции величина э.д.с. Е определяется известной зависимостью:
, где 
, Bm - максимальная индукция в зазоре, создаваемая блоками постоянных магнитов из РЗМ.
Использование указанной совокупности признаков для реализации поставленных целей в других технических решениях авторам неизвестно.
Расчет параметров рассматриваемой конструкции показал, что сочетание вставок из магнитомягких материалов и блоков РЗМ постоянных магнитов улучшает по сравнению с прототипом выходные характеристики машины.
На фиг.1 представлен поперечный разрез сверхпроводниковой синхронной электрической машины с композитным ротором. 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 сочетание ферромагнитных элементов, выполненных в виде последовательного набора вставок 4 из магнитомягких полиаморфных электротехнических сталей и блоков постоянных магнитов из редкоземельных материалов 5 и немагнитных промежутков 6, заполненных диамагнитным высокотемпературным сверхпроводниковым материалом, например, YBCO керамикой, работающей в криогенной среде при температуре жидкого азота (77,8 К). Для асинхронного запуска на роторе размещена короткозамкнутая обмотка 7.
Предлагаемая машина 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) существенной анизотропией магнитных свойств ротора по продольной d и поперечной q осям машины. Другая (основная) - определяется э.д.с., наведенной магнитным потоком вращающегося ротора в обмотке статора, возникающим за счет введения в ферромагнитные слои композитного ротора блоков постоянных магнитов из редкоземельных материалов. В прототипе основная составляющая момента отсутствует. Суммарный момент в предлагаемой полезной модели будет выше по сравнению с прототипом.
Для проверки работоспособности данной конструкции и подтверждения теоретических расчетов был спроектирован, изготовлен и испытан макетный образец ВТСП двигателя. Испытания показали, что применение данной конструкции позволило повысить энергетические параметры машины по сравнению с прототипом: мощность и момент - более чем на 20%, КПД и cos - на 5-10%.
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 электрическая машина с композитным 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, и размещенной на нем короткозамкнутой обмотки, отличающаяся тем, что ферромагнитные элементы ротора выполнены в виде последовательного набора магнитомягких вставок и блоков постоянных магнитов из редкоземельных материалов.
