Сверхпроводниковая индукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно, к бесконтактным сверхпроводниковым синхронным электрическим машинам с комбинированным возбуждением и предназначено для использования в системах электроснабжения и системах электродвижения морских судов, наземных транспортных средств и перспективных летательных аппаратов, в том числе полностью электрифицированного самолета.

Известны бесконтактная синхронная электрическая машина с когтеобразными полюсами с внешнезамкнутым магнитным потоком и осевым возбуждением (см. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины: Учеб. пособие для электромеханических и электроэнергетических спец. втузов. - М.: Высш. шк., 1985. - 255 с. стр. 86, рис. 3.10); индукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением с постоянными магнитами (ПМ) и обмоткой осевого возбуждения (там же, стр. 129 рис. 4.12а и идентичные конструкции на стр. 99 рис. 3.18а и стр. 100 рис. 3.19); синхронная электрическая машина с когтеобразным ротором с постоянными магнитами и сверхпроводниковой обмоткой возбуждения (СПОВ) на статоре (Патент №163830 от 22.07.2016. БИ №22 от 10.08.2016 г.).

Перечисленным устройствам свойственны в той или иной мере следующие недостатки: относительно невысокие значения удельной мощности, КПД, массогабаритных показателей, а также снижение надежности при повышении частоты вращения ротора.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является индукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением с постоянными магнитами и обмоткой осевого возбуждения (см. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины: Учеб. пособие для электромеханических и электроэнергетических спец. втузов. - М.: Высш. шк., 1985. - 255 с., стр. 129 рис. 4.12а и идентичные конструкции на стр. 99 рис. 3.18а, стр. 100 рис. 3.19), содержащая, статор с шихтованным сердечником, в пазах которого размещена многофазная многополюсная обмотка якоря, ферромагнитный вал, на котором установлен ферромагнитный стальной сердечник ротора с роторными выступами (зубцами), неподвижные кольцевые обмотки возбуждения осевого магнитного потока, установленные с обеих сторон пакета якоря и сердечника ротора, однонаправленные радиально намагниченные постоянные магниты, расположенные между ферромагнитными роторными выступами.

Заявляемое изобретение направлено на решение следующих задач: повышение энергетических, массогабаритных и эксплуатационных показателей электрической машины, а также технологичности конструкции.

Поставленные задачи решаются за счет того, что в сверхпроводниковой индукторной электрической машине с комбинированным возбуждением, содержащей статор с шихтованным сердечником, в пазах которого размещена многофазная многополюсная обмотка якоря, ферромагнитный вал, на котором установлен ферромагнитный стальной сердечник ротора с роторными выступами (зубцами), неподвижные кольцевые обмотки возбуждения осевого магнитного потока с встречным направлением тока, установленные с обеих сторон от пакета якоря и сердечника ротора, однонаправленные радиально намагниченные постоянные магниты, расположенные между ферромагнитными роторными выступами, с обеих торцевых сторон ферромагнитного сердечника ротора установлены магнитные шунты (интерцепторы) для перераспределения осевого магнитного потока возбуждения и обмотка якоря выполнена из сверхпроводникового материала.

Магнитные шунты могут быть выполнены в виде ферромагнитных дисков с отсеченными сегментами.

Машина может содержать несколько пакетов якоря и ротора с выступами и ПМ между ними, повернутых друг относительно друга на одно полюсное деление, при этом магнитными шунтами являются ферромагнитные полюсы ротора.

Многофазная многополюсная обмотка якоря может быть выполнена кольцевой сосредоточенной из сверхпроводникового материала.

Многофазная многополюсная обмотка якоря может быть выполнена сосредоточенной в виде рейстрековых катушек из сверхпроводникового материала.

В качестве сверхпроводникового материала может быть использован провод на основе высокотемпературных сверхпроводников первого или второго поколения (ВТСП-2), либо диборида магния.

Обмотка возбуждения осевого магнитного потока может быть выполнена из проводов на основе резистивных проводников.

Обмотка возбуждения осевого магнитного потока может быть выполнена из высокотемпературного сверхпроводникового материала второго поколения ВТСП-2.

На внешней стороне ярма статора может быть установлена кольцевая подмагничивающая обмотка.

На ферромагнитных роторных выступах могут быть выполнены немагнитные пазы.

Постоянные магниты ротора могут иметь трапецеидальную форму.

Между сердечником ротора с выступами и ПМ и магнитными шунтами могут быть установлены кольцевые аксиально намагниченные постоянные магниты.

Роторные выступы и магнитные шунты могут иметь равнопрочный профиль для увеличения максимально-допустимой частоты вращения.

Между ферромагнитными выступами ротора над или под ПМ, или над и под ПМ размещены объемные ВТСП элементы для увеличения магнитной анизотропии ротора и для вмороженного магнитного потока.

Техническим результатом использования заявленного изобретения является повышение удельной мощности, надежности, обеспечение компактности и технологичности выполнения электрической машины, а также увеличение сроков регламентного обслуживания и ресурса.

Технический результат обеспечивается тем, что в отличие от прототипа, представляющего собой индукторную электрическую машину с комбинированным возбуждением, главным недостатком которой является размагничивание (ухудшение магнитных свойств постоянных магнитов и ослабление основного магнитного потока встречно направленным к нему потоком осевого возбуждения), в заявляемом изобретении наличие с обеих торцевых сторон ферромагнитного сердечника ротора магнитных шунтов (интерцепторов) в виде ферромагнитных дисков с отсеченными сегментами, перехватывающих (накоротко замыкающих через себя) половину осевого потока возбуждения от каждой из катушеквозбуждения, препятствует размагничиванию ПМ, что, в свою очередь, способствует сохранению чередования полярностей полюсов ротора и увеличению основного магнитного потока электрической машины. Надо отметить, что использование сверхпроводящих катушек осевого возбуждения может существенно размагнитить даже высококоэрцитивные постоянные магниты из редкоземельных материалов. Поэтому задача защиты ПМ сердечника ротора от размагничивания представляется весьма важной с точки зрения улучшения массогабаритных и энергетических показателей.

Схема замыкания размагничивающих магниты потоков через магнитные шунты (интерцепторы) 2 и 4, на примере четырехполюсного ротора машины с комбинированным возбуждением, показана на фиг. 1. Сердечник ротора состоит из чередующихся ферромагнитных полюсов (роторных выступов) 3 и полюсов постоянных магнитов 7. Осевые катушки возбуждения на статоре 1 и 5 (встречно включенные) создают два осевых потока: поток Ф_ind, проходящий через выступ сердечника ротора 3, и шунтируемый магнитными шунтами (интерцепторами) 2 и 4 поток Ф_int. Постоянные магниты 7 создают два потока: традиционным образом замыкающийся по ферромагнитным полюсам сердечника ротора через ярмо статора в радиальной плоскости Ф_PMr и поток Ф_PMa, замыкающийся по полюсам магнитных шунтов (и тем самым не дающий вклада в насыщение полюсов сердечника ротора). Оба этих потока сцеплены с обмоткой якоря и участвуют в наведении ЭДС.

Наличие магнитных шунтов (интерцепторов), помимо сохранения знакопеременности магнитного потока в рабочем зазоре и предотвращения размагничивания постоянных магнитов, позволяет снизить степень насыщения магнитной цепи ярма якоря и полюсов сердечника ротора, что ведет к уменьшению потерь в ярме якоря и толщина ярма может быть снижена.

В случае конструктивного выполнения машины, при котором она содержит несколько пакетов якоря и ротора с выступами и ПМ между ними, повернутых друг относительно друга на одно полюсное деление, защита от размагничивания осуществляется с помощью ферромагнитных полюсов ротора, которые в этом случае выполняют роль магнитных шунтов (интерцепторов). ПМ крайних пакетов защищаются от размагничивающего действия осевых магнитных потоков обмоток возбуждения ферромагнитными полюсами центрального пакета сердечника ротора. На фиг. 2 показан трехпакетный вариант. В этом случае величина наводимой в обмотках якоря ЭДС может быть увеличена в 2-3 раза (в зависимости от активной длины пакетов магнитных шунтов (интерцепторов)), а, соответственно, и мощность машины при тех же габаритах.

Повышение удельной мощности электрической машины может быть получено за счет увеличения индукции в воздушном зазоре и линейной нагрузки статора.

В заявляемом изобретении многофазная многополюсная обмотка якоря может быть выполнена кольцевой сосредоточенной в виде рейстрековых катушек из сверхпроводникового материала. Причем в качестве сверхпроводникового материала используются провода с высокой токонесущей способностью на основе высокотемпературных сверхпроводников первого или второго поколения (ВТСП-2), либо диборида магния, что позволяет существенно повысить линейную нагрузку якорной обмотки.

Обмотки возбуждения осевого магнитного потока заявляемой машины могут быть выполнены из проводов на основе криопроводников или резистивных проводников с возможностью охлаждения до криогенных температур, либо из высокотемпературного сверхпроводникового материала второго поколения ВТСП-2, что позволит существенно повысить индукцию в воздушном зазоре.

Выполнение якорной обмотки в виде рейстрековых сосредоточенных катушек повышает технологичность процесса изготовления машины. Технологичность применения обмоток на основе лент из высокотемпературных сверхпроводников первого или второго поколения достигается способом намотки рядовых кольцевых катушек или двойных галет. Достоинством рядовой намотки является отсутствие необходимости сложного намоточного оборудования, достоинством двойной галеты является близкое расположение выводов ее концов.

На внешней стороне ярма статора может быть установлена кольцевая подмагничивающая обмотка, позволяющая осуществлять регулирование выходного напряжения электрической машины в режиме генератора путем изменения степени насыщения магнитопровода статора без воздействия на сверхпроводниковые обмотки возбуждения. Это повышает эксплуатационные возможности машины.

На ферромагнитных роторных выступах (полюсах) выполнены немагнитные пазы с целью повышения перегрузочной способности электрической машины за счет уменьшения поперечного индуктивного сопротивления (повышения анизотропии). При этом дополнительно снижается масса машины.

Использование в заявляемом изобретении постоянных магнитов сердечника ротора трапецеидальной формы в отличие от прототипа, где они имеют призматическую форму, увеличивает объем ПМ в пазах между роторными выступами, что повышает создаваемый ПМ магнитный поток и, в конечном счете, мощность электрической машины.

Между сердечником ротора с выступами и ПМ и магнитными шунтами могут быть установлены кольцевые аксиально намагниченные постоянные магниты. Это позволяет, не изменяя габариты, дополнительно повысить величину магнитного потока, а следовательно, и мощность машины.

Индукторные машины, как правило, выполняются высокоскоростными, что существенно повышает требования к вопросам прочности. При этом наибольшая концентрация механических напряжений возникает в зоне посадки ротора на вал. Одним из возможных путей снижения уровня механических напряжений в указанной зоне и повышения максимально допустимой частоты вращения является применение равнопрочного профиля в конструкции роторных выступов (полюсов) и магнитных шунтов (см. Накопители энергии: Учеб. пособие для вузов / Д.А. Бут, Б.Л. Алиевский, С.Р. Мизюрин, П.В. Васюкевич; Под. Ред. Д.А. Бута. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 400 с., стр. 274 и стр. 250 рис. 4.6 е).

Между ферромагнитными выступами ротора над или под ПМ, или над и под ПМ для увеличения магнитной анизотропии ротора могут быть размещены объемные ВТСП элементы, обладающие существенно более низкой магнитной проницаемостью (μ~0,4) по сравнению с ПМ, что, как уже указывалось, ведет к увеличению мощности машины. Кроме того, при «вмораживании» магнитного потока в ВТСП элементы они, как известно, могут создавать более сильные магнитные поля по сравнению с ПМ, что дополнительно увеличивает основной магнитный поток в рабочей зоне машины. Это такназываемые ВТСП криомагниты с высокими значениями «вмороженных» магнитных полей (~2-3 Тл при Т ~77К и ~10 Тл при Т~20К см. Электромеханические преобразователи на основе массивных высокотемпературных сверхпроводников / Л.К. Ковалев, К.Л. Ковалев, С.М. - А. Конеев, В.Т. Пенкин, В.Н. Полтавец. - М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ 2008, - 440 с., стр. 375).

В заявляемом техническом решении повышение надежности электрической машины обеспечивается следующими факторами.

Неподвижный криостат расположенной на статоре сверхпроводящей обмотки не требует герметичных скользящих уплотнений, не является конструктивным силовым элементом и не ограничивает предельную частоту вращения ротора.

Наличие высококоэрцитивных постоянных магнитов, расположенных между ферромагнитными роторными выступами, позволит сохранить частичную работоспособность машины в случае аварийного отказа внешней системы электропитания или системы охлаждения обмоток возбуждения.

Простота конструкции ротора, в котором постоянные магниты удерживаются массивными ферромагнитными (стальными) полюсами и наличие ферромагнитного вала увеличенной площади поперечного сечения (для пропускания потока осевого возбуждения), позволят улучшить прочностные параметры и механическую перегрузочную способность электрической машины (предельную частоту вращения и критический момент нагрузки).

На фиг. 1 показана схема замыкания магнитных потоков на примере четырехполюсного ротора сверхпроводниковой индукторнаой электрической машины с комбинированным возбуждением.

На фиг. 2 показана схема замыкания магнитных потоков на примере четырехполюсного ротора трехпакетной сверхпроводниковой индукторной машины с комбинированным возбуждением.

На фиг. 3 показано поперечное сечение активной зоны шестиполюсного ротора сверхпроводниковой индукторной электрической машины с комбинированным возбуждением.

На фиг. 4 показан сектор расчетной геометрии (правая половина 3D модели).

На фиг. 5 показан сектор расчетной геометрии (поперечное сечение активной зоны с полюсом магнитного шунта (интерцептора) на заднем плане)

Сверхпроводниковая индукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением содержит: неподвижные кольцевые обмотки возбуждения 1, 5, статор с шихтованным сердечником 9, многофазную многополюсную обмотку якоря 8, ферромагнитный вал 6, на котором установлен ферромагнитный стальной сердечник ротора с роторными выступами (зубцами) 3, однонаправленные радиально намагниченные постоянные магниты 7, магнитные шунты (интерцепторы) 2, 4, на ферромагнитных роторных выступах выполнены немагнитные пазы 10.

Индукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением в режиме генератора работает следующим образом.

При подаче тока во встречно включенные обмотки возбуждения 1 и 5 в машине возникают осевые магнитные потоки, создаваемые каждой из обмоток. Часть этих потоков, замыкаясь через ферромагнитные полюсы сердечника ротора одной полярности 3, сцеплена с обмоткой якоря 8, расположенной на статоре, и наводит в ней ЭДС. Радиальные постоянные магниты 7 сердечника ротора создают магнитные потоки другой полярности, сцепленные с обмоткой якоря и также наводящие в ней ЭДС. Магнитные шунты (интерцепторы) 2 и 4, расположенные на роторе с обеих торцевых сторон сердечника ротора на расстоянии вылета лобовых частей обмотки якоря, перехватывают часть осевого потока обмоток возбуждения, предотвращая тем самым размагничивание постоянных магнитов 7. Это приводит к уменьшению насыщения ярма статора, и его толщина может быть снижена, что способствует уменьшению массы машины.

По мнению авторов, предлагаемое изобретение может быть использовано в системах электроснабжения и электродвижения, например морских судов, наземного транспорта, летательных аппаратов, а совокупность его существенных признаков необходима и достаточна для достижения заявляемого технического результата.

1. Сверхпроводниковая индукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением, содержащая статор с шихтованным сердечником, в пазах которого размещена многофазная многополюсная обмотка якоря, ферромагнитный вал, на котором установлен ферромагнитный стальной сердечник ротора с роторными выступами, неподвижные кольцевые обмотки возбуждения осевого магнитного потока, установленные с обеих сторон от пакета якоря и сердечника ротора, однонаправленные радиально намагниченные постоянные магниты (ПМ), расположенные между ферромагнитными роторными выступами, отличающаяся тем, что с обеих торцевых сторон ферромагнитного сердечника ротора установлены магнитные шунты для перераспределения осевого магнитного потока возбуждения, обмотка якоря выполнена из сверхпроводникового материала.

2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что магнитные шунты выполнены в виде ферромагнитных дисков с отсеченными сегментами.

3. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что содержит несколько пакетов якоря и ротора с выступами и ПМ между ними, повернутых друг относительно друга на одно полюсное деление, при этом магнитными шунтами являются ферромагнитные полюсы ротора.

4. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что многофазная многополюсная сверхпроводниковая обмотка якоря выполнена кольцевой сосредоточенной.

5. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что многофазная многополюсная сверхпроводниковая обмотка якоря выполнена сосредоточенной в виде рейстрековых катушек.

6. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве сверхпроводникового материала обмотки якоря используются провода на основе высокотемпературных сверхпроводников первого или второго поколения (ВТСП-2), либо диборида магния.

7. Машина по п. 1 отличающаяся тем, что обмотка возбуждения осевого магнитного потока выполнена из проводов на основе криопроводников или резистивных проводников с возможностью охлаждения до криогенных температур.

8. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что обмотка возбуждения осевого магнитного потока выполнена из высокотемпературного сверхпроводникового материала второго поколения ВТСП-2.

9. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что на внешней стороне ярма статора установлена кольцевая подмагничивающая обмотка.

10. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что на ферромагнитных роторных выступах выполнены немагнитные пазы.

11. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что постоянные магниты ротора имеют трапецеидальную форму.

12. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что между сердечником ротора с выступами и ПМ и магнитными шунтами установлены кольцевые аксиально намагниченные постоянные магниты.

13. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что роторные выступы и магнитные шунты имеют равнопрочный профиль.

14. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что между ферромагнитными выступами ротора над или под ПМ, или над и под ПМ размещены объемные ВТСП элементы.