СВЕРХПРОВОДНИКОВАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С АКСИАЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ И КОГТЕОБРАЗНЫМ РОТОРОМ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

Полезная модель относится к электроэнергетике, а именно к бесконтактным синхронным электрическим машинам с аксиальным возбуждением и с высокотемпературными сверхпроводниковыми (ВТСП) элементами и может быть использована в транспортных электроэнергетических установках.
Известны бесконтактные синхронные электрические машины с когтеобразным ротором, возбуждение которых осуществляется с помощью неподвижных обмоток возбуждения (ОВ) (см. Апсит В.В. Синхронные машины с когтеобразными полюсами. Рига: Изд-во АН Латвийской ССР, 1959 г., с. 7, рис. 2).
Известна бесконтактная синхронная электрическая машина с когтеобразным ротором, обмотка возбуждения которой выполнена из высокотемпературного сверхпроводника (E. Watanabe, K. Kikukawa, Y. Satoh, S. Torii. Development of superconducting claw-pole motor. Physica С 468 (2008) 2087-2090).
Известен когтеобразный ротор синхронной машины, имеющий тангенциально намагниченные постоянные магниты, расположенные между когтеобразными полюсами ротора (см. Специальные электрические машины: (источники и преобразователи энергии). Учеб. пособие для вузов / А.И. Бертинов, Д.А. Бут, С.Р. Мизюрин и др.; под ред. А.И. Бертинова. - М., Энергоиздат, 1982 г., глава 7, §7.5, п. 7.5.3 «Когтеобразный ротор», рис. 7.21).
Общий недостаток известных устройств - относительно невысокие значения мощности единичных агрегатов, КПД и массогабаритных показателей. Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели является бесконтактная сверхпроводниковая электрическая машина с когтеобразным ротором, приведенная в статье E. Watanabe, K. Kikukawa, Y. Satoh, S. Torii. Development of superconducting claw-pole motor. Physica C. 468 (2008) 2087-2090, содержащая щиты и корпус, являющиеся внешним магнитопроводом, когтеобразный ротор, статор с шихтованным сердечником, в пазах которого размещена многофазная многополюсная обмотка, неподвижные кольцевые обмотки возбуждения, выполненные из высокотемпературного сверхпроводникового (ВТСП) материала и установленные на корпусе машины.
Основная задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении энергетических и массогабаритных показателей сверхпроводниковой электрической машины с когтеобразным ротором. Техническим результатом использования данной полезной модели является повышение удельной мощности, КПД, а также обеспечение работы электрической машины при аварийном отключении подачи хладагента в СПОВ.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в сверхпроводниковой электрической машине с аксиальным возбуждением и когтеобразным ротором с постоянными магнитами, содержащей магнитопроводящие щиты и корпус, когтеобразный ротор, статор с шихтованным сердечником, в пазах которого размещена многофазная многополюсная обмотка, неподвижные кольцевые обмотки возбуждения, выполненные из высокотемпературного сверхпроводникового (ВТСП) материала и установленные на корпусе машины, на полюсах когтеобразного ротора расположены постоянные магниты (ПМ), намагниченные радиально и тангенциально, и торцевые постоянные магниты, установленные в межполюсном зазоре между краем полюса одной полярности и полюсной системой другой полярности.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в отличие от прототипа, представляющего собой сверхпроводниковую электрическую машину с когтеобразным ротором и 2-мя неподвижными кольцевыми ВТСП обмотками возбуждения, в конструкции данной машины дополнительно применена комбинация постоянных магнитов, намагниченных радиально и тангенциально, и установленных на полюсах когтеобразного ротора, и торцевых постоянных магнитов, размещенных в межполюсном зазоре между краем полюса одной полярности и полюсной системой другой полярности. При этом основной магнитный поток в машине создается благодаря совместному действию сверхпроводниковой неподвижной кольцевой обмотки возбуждения и постоянных магнитов на роторе, что позволяет увеличить индукцию магнитного поля в рабочем зазоре, а также уменьшить величину магнитного потока в магнитопроводящих корпусе и щитах. Это дает возможность уменьшить их толщину, улучшая при этом массогабаритные показатели электрической машины.
На фиг. 1 показан продольный разрез сверхпроводниковой электрической машины с когтеобразным ротором и постоянными магнитами.
На фиг. 2 показан поперечный разрез сверхпроводниковой электрической машины с когтеобразным ротором и постоянными магнитами.
Сверхпроводниковая электрическая машина с аксиальным возбуждением и когтеобразным ротором с постоянными магнитами содержит: магнитопроводящие щиты 1 и 2, магнитопроводящий корпус 3, статор 4, выполненный шихтованным, и имеющий пазы, распределенные по его внутренней поверхности, размещенную в этих пазах многофазную многополюсную обмотку 5, установленный на валу машины когтеобразный ротор, представляющий собой когтеобразные полюсные системы 6 и 7 с радиально 8 и тангенциально 9 намагниченными постоянными магнитами. В межполюсном зазоре между краем полюса одной полярности и полюсной системой другой полярности размещены торцевые постоянные магниты 10. На корпусе установлены кольцевые сверхпроводниковые обмотки возбуждения (СПОВ) 11 и 12, выполненные из высокотемпературной сверхпроводниковой (ВТСП) ленты 2-го поколения.
Машина работает следующим образом. Постоянные магниты 8, 9, 10 намагничивают ротор так, что полюсная система 6 приобретает северную полярность, а полюсная система 7 - южную. При подаче тока в СПОВ в машине возникает аксиальный магнитный поток, который либо усиливает намагниченность полюсных систем ротора (подмагничивающий режим), либо ослабляет его (размагничивающий режим) в зависимости от направления тока в СПОВ. В генераторном режиме работы машины ротор является индуктором, а статор - якорем. При вращении ротора с полюсными системами относительно статора в обмотке якоря наводятся ЭДС.
В области когтеобразных полюсов магнитные потоки от ПМ суммируются с магнитным потоком СПОВ, что увеличивает максимальную выходную мощность генератора. Кроме того, наличие ПМ в роторе обеспечивает работу электрической машины при аварийном отключении подачи хладагента в СПОВ.
Особенностью машины является то, что магнитный поток рассеяния постоянных магнитов, проходящий через щиты 1 и 2 и корпус 3 машины, в подмагничивающем режиме работы СПОВ направлен встречно магнитному потоку СПОВ, проходящему через щиты 1 и 2 и корпус 3, в результате чего снижается результирующий магнитный поток в указанных частях машины. Это позволяет, если не требуется работа СПОВ в размагничивающем режиме, уменьшить их толщину.
Применение комбинации ПМ в данной машине позволяет совместить достоинства машин с ПМ и с когтеобразными полюсами и проводить регулирование ЭДС машины.
Результаты поверочных электромагнитных расчетов параметров данной полезной модели и экспериментальных исследований на моделях показали, что данный тип электрических машин перспективен для применения в системах электроснабжения транспортных средств нового поколения. По мнению авторов совокупность существенных признаков рассматриваемой полезной модели необходима и достаточна для достижения заявляемого технического результата.