Электрическая машина с постоянными магнитами и обмотками из высокотемпературного сверхпроводникового материала

Электрическая машина с постоянными магнитами и обмотками из высокотемпературного сверхпроводникового материала

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к синхронным электрическим машинам с высокоэнергетическими постоянными магнитами (ПМ) и высокотемпературными сверхпроводниковыми (ВТСП) элементами, и предназначена для использования в перспективных разработках аэрокосмической техники, в частности более электрифицированный самолет (БЭС) и полностью электрифицированный самолет (ПЭС).

Известны синхронные электрические машины, содержащие массивы блоков постоянных магнитов, намагниченных в радиальном, тангенциальном направлениях и в виде чередующихся постоянных магнитов с радиальной и тангенциальной намагниченностями - система Хальбаха (см. P. Tixador, F. Simon, H. Daffix. 150-kW Experimental Superconducting Permanent-Magnet Motor. IEEE Transactions on applied superconductivity, vol. 9, No. 2, June, 1999; Электрические машины и устройства на основе массивных высокотемпературных сверхпроводников, под редакцией Л.К. Ковалева, К.Л. Ковалева и С.М-А. Конеева, М., Физматлит, 2010, 396 с.; Л.Г. Вержбицкий, Л.К. Ковалев, К.Л. Ковалев, В.Н. Полтавец, Д.В. Голованов, Д.С. Дежин. Высокоэффективные синхронные двигатели на основе наноструктурированных высокотемпературных сверхпроводников и постоянных магнитов. Сверхпроводимость: исследования и разработки. Международный журнал ISSN 0868-8885, №15, 2011; Патент №123264 от 20 декабря 2012 г. Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина с постоянными магнитами; Dmitry Golovanov, Michael Galea, Chris Gerada. High Specific Torque Motor for Propulsion System of Aircraft. In: ESARS Itec 2016, 2-4 Nov 2016, Toulouse, France); Патент №169041 от 02 марта 2017 г. Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина. Общий недостаток известных устройств - относительно невысокие значения удельной мощности и энергетических характеристик.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является сверхпроводниковая синхронная электрическая машина с постоянными магнитами (Патент РФ №123264. Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина с постоянными магнитами), содержащая корпус, в котором размещены статор с расположенной на нем многофазной многополюсной обмоткой, ротор, состоящий из массива блоков постоянных магнитов, содержащий чередующиеся постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностями, установленные в пазах немагнитного пакета ротора, и диамагнитные пластины из массивного ВТСП материала, размещенные в середине полюсов ротора.

Основная задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении массоэнергетических характеристик синхронных электрических машин с постоянными магнитами на роторе. Техническим результатом использования данного изобретения является повышение удельной мощности и кпд электрической машины.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в электрической машине с постоянными магнитами и обмотками из высокотемпературного сверхпроводникового материала, содержащей статор с размещенной на нем многофазной многополюсной обмоткой, ротор, состоящий из массива блоков постоянных магнитов, содержащий чередующиеся постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностями, установленные в пазах немагнитного пакета ротора, и диамагнитные пластины из массивного ВТСП материала, размещенные в середине полюсов ротора, обмотка статора выполнена из ВТСП материала в виде рейстрековых катушек и расположена на зубцах, установленных на внешнем защитном экране, который может быть выполнен ферромагнитным, диамагнитным или комбинированным, составленным из двух концентрических оболочек: внутренней - ферромагнитной и внешней - диамагнитной. Между катушками обмотки статора установлены диамагнитные вставки, выполненные из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала в виде пластин либо в виде клинообразных вставок с возможностью охлаждения ВТСП обмотки статора. На внешней поверхности ротора расположена тонкостенная оболочка из ВТСП пленочного материала. В качестве ВТСП материала обмотки статора используется ВТСП лента второго поколения (ВТСП-2). (Фиг. 1).

Технический результат обеспечивается тем, что в отличие от прототипа, где обмотки статора выполнены из обычного проводникового материала и расположены в пазах шихтованного пакета из листов электротехнической стали, в предлагаемом изобретении обмотки статора выполнены из высокотемпературной сверхпроводниковой ленты второго поколения (ВТСП-2) с существенно более высокой токонесущей способностью при температуре жидкого азота (77,8 К), что снижает электрические потери и повышает допустимую токовую нагрузку. Кроме того, отсутствие зубцового слоя позволяет увеличить магнитную индукцию в воздушном зазоре машины. Диамагнитные вставки между катушками обмотки статора из массивного высокотемпературного СП материала способствуют повышению концентрации основного магнитного потока в рабочей зоне машины. Внешний защитный экран, на котором установлены зубцы с расположенной на них обмоткой статора, служит также для защиты внешних устройств от действия переменного магнитного поля. Кроме того, при наличии ферромагнитной оболочки в составе экрана в рабочей зоне может быть повышена магнитная индукция. Указанные факторы способствуют увеличению удельной мощности и кпд машины.

На внешней поверхности ротора заявляемой конструкции расположена тонкостенная оболочка на основе тонкопленочного ВТСП материала, применение которой в качестве диамагнитного экрана позволит существенно снизить главные индуктивные сопротивления электрической машины, что приводит к увеличению пиковой выходной мощности. Суть этого явления заключается в том, что при понижении температуры ниже критической (T<T_к, где T_к - температура перехода ВТСП материала в нормальное состояние) магнитное поле ПМ ротора «вмораживается» в ВТСП экран, а сам он приобретает ярко выраженные диамагнитные свойства. Это позволяет экранировать ротор от переменных магнитных полей, создаваемых обмотками якоря, и тем самым снижать величину индуктивных сопротивлений и увеличивать электромагнитную мощность машины.

Сравнительный анализ различных конструктивных схем синхронных машин с ПМ и ВТСП пленкой на поверхности ротора по пиковой мощности для различной относительной толщины ПМ-Δ=r₂-r₁/r₂, где r₁, r₂ - внешний и внутренний радиусы цилиндра Хальбаха с постоянными магнитами на основе редкоземельных материалов (РЗМ) показал, что наибольший выигрыш для синхронной машины с ПМ радиально-тангенциальной намагниченности реализуется при средних значениях полюсности (2≤p≤4, где p - число пар полюсов) при относительной толщине магнитов 0,4≤Δ≤0,5 (см. Сверхпроводимость: исследования и разработки. Международный журнал ISSN 0868-8885, №15, 2011, стр. 54).

Для подтверждения результатов теоретического анализа разработана и испытана экспериментальная модель синхронной машины с постоянными магнитами радиально-тангенциальной намагниченности на роторе и ВТСП элементами. На фиг.2 приведены зависимости выходной мощности от угла нагрузки 9. Предварительные оценки показывают, что наличие ВТСП пластин в полюсе синхронной машины приводит к анизотропии магнитных свойств ротора, появлению добавочной мощности и снижению значения критического угла θ (θ<90°). При этом выигрыш по мощности составил примерно 15…20% по сравнению с синхронной машиной без ВТСП пластин на роторе. При наличии оболочки на основе ВТСП пленки, расположенной на поверхности ротора и выполняющей роль диамагнитного экрана (экранирование магнитных полей от токов якоря), существенно снижаются индуктивные сопротивления по осям d и q машины, что приводит к увеличению максимальной мощности примерно в 1,5 раза по сравнению с синхронной машиной без ВТСП оболочки.

Следует отметить также, что отсутствие ферромагнитного материала во внутренней области ротора синхронной машины с постоянными магнитами радиально-тангенциальной намагниченности способствует улучшению ее выходных характеристик вследствие существенного снижения индуктивных сопротивлений, а также позволяет снизить ее массу.

Таким образом, совокупность указанных признаков обеспечивает достижение технического результата.

На фиг. 1 представлен поперечный разрез электрической машины с постоянными магнитами и ВТСП обмотками.

Электрическая машина с постоянными магнитами и ВТСП обмотками содержит корпус 5 с теплоизоляцией 1, в котором размещен статор, содержащий рейстрековые ВТСП катушки 2, намотанные ВТСП-2 лентами и расположенные на зубцах 3 из стеклотекстолита. Между катушками статора установлены диамагнитные вставки 11 из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала. Катушки 2, расположенные на зубцах 3, установлены на внешнем защитном экране 4, запрессованном в корпус 5. Установленный на немагнитном валу 10 машины цилиндрический ротор 6 представляет собой немагнитный пакет, в пазах которого размещены чередующиеся постоянные магниты с радиальной 7 и тангенциальной 8 намагниченностью. В середине магнитных полюсов ротора установлены пластины из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала 9, например YBCO керамики, работающей в критической фазе при температуре жидкого азота (77,8 К). На поверхности ротора расположена тонкостенная оболочка из пленочного ВТСП материала 12.

Предлагаемое устройство в режиме генератора работает следующим образом. При вращении ротора магнитное поле постоянных магнитов индуцирует в обмотке статора m-фазную эдс. Результаты проектных расчетов позволяют заключить, что рассматриваемая конструкция обеспечивает повышение энергетических и улучшение массогабаритных показателей по сравнению с прототипом.

По мнению авторов, предлагаемое изобретение может быть использовано в авиационно-космической технике по назначению, а совокупность его существенных признаков необходима и достаточна для достижения заявленного технического результата.

1. Электрическая машина с постоянными магнитами и обмотками из высокотемпературного сверхпроводникового материала, содержащая корпус, в котором размещены статор с расположенной на нем многофазной многополюсной обмоткой, ротор, состоящий из массива блоков постоянных магнитов, содержащий чередующиеся постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностями, установленные в пазах немагнитного пакета ротора, и диамагнитные пластины из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала (ВТСП), размещенные в середине полюсов ротора, отличающаяся тем, что обмотка статора выполнена из ВТСП материала в виде рейстрековых катушек и расположена на зубцах, установленных на внешнем защитном экране, между катушками обмотки статора установлены диамагнитные вставки, на внешней поверхности ротора расположена тонкостенная оболочка.

2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что диамагнитные вставки выполнены из массивного ВТСП материала в виде пластин либо клинообразных вставок с возможностью охлаждения ВТСП обмотки статора.

3. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что тонкостенная диамагнитная оболочка выполнена из ВТСП пленочного материала.

4. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве ВТСП материала обмоток статора используется высокотемпературная сверхпроводящая лента второго поколения (ВТСП-2).

5. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что внешний защитный экран может быть выполнен ферромагнитным, диамагнитным или комбинированным, составленным из двух концентрических оболочек: внутренней - ферромагнитной и внешней - диамагнитной.