Двухпакетная индукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением (варианты)
TWO-PACK INDUCTOR ELECTRIC MACHINE WITH COMBINED EXCITATION (VERSIONS)

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно, к бесконтактным 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, а также на электростанциях в качестве высокоэффективных электромашинных преобразователей (синхронных компенсаторов, стабилизаторов напряжения, синхронизаторов, электромашинных трансформаторов) с высокими удельными массогабаритными показателями.
Известны индукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением с постоянными магнитами (ПМ) 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 идентичная конструкция на стр. 99 рис. 3.18б); 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.); сверхпроводниковая синхронная электрическая машина с обмотками якоря и возбуждения на статоре в неподвижном криостате (Патент №2664716 от 22.08.2018 г.); D S Dezhin, R I Ilyasov and К L Kovalev HTS inductor electric machine with combined excitation IOP Conference Series: Earth and Environmental Science 194(2018) 052007 IOP Publishing doi:10.1088/1755-1315/194/5/052007.
Приведенным известным устройствам присущ ряд недостатков: невысокие значения удельной мощности, КПД, массогабаритных показателей.
Наиболее близкой по технической сущности к заявленному 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 идентичная конструкция на стр. 99 рис. 3.18б), содержащая статоры с шихтованными сердечниками, с размещенными на них обмотками якоря, ферромагнитный вал, на котором установлены ферромагнитные стальные сердечники ротора с роторными выступами (зубцами), неподвижную кольцевую обмотку возбуждения осевого магнитного потока, однонаправленные радиально намагниченные постоянные магниты, расположенные между ферромагнитными роторными выступами.
Заявляемое изобретение направлено на решение следующих задач: повышение массоэнергетических и эксплуатационных показателей электрической машины.
Поставленные задачи решаются за счет того, что в двухпакетной индукторной электрической машине с комбинированным возбуждением, содержащей два пакета, в каждом из которых статоры содержат шихтованные сердечники с размещенными на них трехфазными обмотками якоря, ферромагнитный вал, на котором установлены два ферромагнитных стальных сердечника ротора с роторными выступами, радиально намагниченные постоянные магниты (ПМ) с одинаковой полярностью, расположенные между ферромагнитными роторными выступами, неподвижную кольцевую обмотку возбуждения осевого магнитного потока, установленную на внутренней стороне ферромагнитного подшипникового щита, статоры с трехфазными независимыми сосредоточенными обмотками якоря выполнены со сдвигом равным 30 электрическим градусам, а ферромагнитные стальные сердечники ротора с роторными выступами повернуты друг относительно друга на 90 электрических градусов. Обмотки якоря и обмотка возбуждения выполнены либо из сверхпроводникового материала сосредоточенными в виде кольцевых или рейстрековых катушек, либо из резистивных проводников.
В качестве сверхпроводникового материала обмоток якоря и обмотки возбуждения могут быть использованы высокотемпературные сверхпроводники второго поколения (ВТСП-2) или диборид магния.
На роторе между пакетами и между пакетом и подшипниковым щитом могут быть дополнительно размещены аксиально намагниченные постоянные магниты кольцевого или сегментного вида.
Сердечники статоров одного или обоих пакетов могут дополнительно содержать витки обмотки якоря возбудителя.
3
Техническим результатом осуществления заявленного изобретения является повышение удельной массовой (кВт/кг) и удельной объемной (кВт/дм) мощностей; КПД; надежности; обеспечение технологичности выполнения электрической машины; увеличение сроков регламентного обслуживания и ресурса; обеспечение бесконтактности, автономности, возможности регулирования; уменьшение пульсации выходного напряжения при работе на выпрямительную нагрузку в генераторном режиме, повышение плавности хода в двигательном режиме.
Совокупность существенных признаков первого и второго вариантов заявляемого изобретения обеспечивает достижение одного и того же технического результата.
Технический результат в части повышения удельной мощности в первом варианте заявляемой конструкции (обмотки якоря и обмотка возбуждения - сверхпроводниковые) достигается применением стационарной кольцевой обмотки осевого возбуждения на основе высокотемпературных сверхпроводников, двух комплектов независимых трехфазных сосредоточенных сверхпроводниковых обмоток якоря и высококоэрцитивных постоянных магнитов в обоймах пакетов ферромагнитного ротора. Для обеспечения чередования полярностей ферромагнитных полюсов и полюсов постоянных магнитов и во избежание размагничивания постоянных магнитов осевым потоком, роторы соседних пакетов повернуты друг относительно друга на 90 электрических градусов (на одно полюсное деление). Статоры с трехфазными сосредоточенными сверхпроводниковыми обмотками дополнительно повернуты еще на 30 электрических градусов.
В отличие от прототипа, представляющего собой индукторную электрическую машину с комбинированным возбуждением, недостатком которой является уменьшение потока от постоянных магнитов ротора встречно направленным к нему осевым потоком возбуждения (размагничивание), даже несмотря на слабые парамагнитные свойства магнита (относительная магнитная проницаемость ~1,05-1,6) по отношению к размагничивающему потоку, в заявленном изобретении проблема размагничивания ПМ решается путем применения двухпакетного соосного варианта конструкции машины, ферромагнитные полюсы сердечников ротора в которой, смещенные на одно полюсное деление друг относительно друга, перехватывают размагничивающую ПМ часть магнитного потока и накоротко замыкают ее на себя, выполняя при этом роль магнитных шунтов.
Следует отметить, что использование сверхпроводящих катушек осевого возбуждения, имеющих более высокую МДС, чем резистивные катушки, может привести к значительному размагничиванию даже высококоэрцитивных постоянных магнитов из редкоземельных материалов. Вследствие этого задача защиты ПМ ротора от размагничивания представляется весьма важной с точки зрения улучшения массогабаритных и энергетических показателей.
В случае возможного размещения на роторе между пакетами и между пакетом и подшипниковым щитом дополнительных аксиально намагниченных постоянных магнитов кольцевого или сегментного вида достигается дополнительное увеличение значения основного магнитного потока, что обеспечивает повышение удельных мощностных показателей.
int
ind
PMr
РМа
РMi
РМа
РMi
Схема замыкания магнитных потоков, на примере четырехполюсного двухпакетного ротора, показана на фиг. 1. Сверхпроводниковая катушка осевого возбуждения 1, включена встречно к радиальным постоянным магнитам 5 на роторе обоих пакетов и располагается на статоре для обеспечения бесконтактности. Сердечники на роторе состоят из чередующихся ферромагнитных полюсов 3 и полюсов постоянных магнитов 5. Катушка осевого возбуждения 1 создает два типа осевых потоков: поток Ф, проходящий через ферромагнитные полюсы сердечника ротора ближайшего к ней пакета 2 и поток Ф, проходящий через ферромагнитные полюсы 3 сердечника ротора дальнего от обмотки осевого возбуждения пакета. Постоянные магниты 5 создают традиционные потоки возбуждения, замыкающиеся по ферромагнитным полюсам сердечников роторов через ярмо статора в радиальной плоскости Ф, и потоки Ф, Ф, замыкающиеся по ферромагнитным полюсам соседних пакетов в аксиальной плоскости (сравнительно малы из-за поперечного направления шихтовки пакетов статоров), где Ф направлен навстречу осевому потоку возбуждения, а Фдействует в противоположном направлении. Оба этих потока сцеплены с обмотками якорей и участвуют в наведении ЭДС.
В заявляемом изобретении сверхпроводниковые обмотки якоря из ВТСП ленты второго поколения выполняются в виде системы сосредоточенных кольцевых или рейстрековых катушек (в силу ограничений на величину минимального изгиба ВТСП ленты, понижающих ее токонесущие свойства). При этом неизбежность укорочения обмоток якоря и незначительное (при соответствующем подборе коэффициента укорочения) снижение наводимой полюсами ЭДС компенсируется примерно в 5,5 раз большей токонесущей способностью ВТСП ленты второго поколения (при температуре 77 К, в собственном магнитном поле), которая, в целом, позволяет получить преимущество в приращении мощности электрической машины при значительном снижении джоулевых потерь, по сравнению с традиционными резистивными обмотками, что повышает КПД заявляемой электрической машины. Поскольку две трехфазные независимые обмотки якоря, выполненные в виде сосредоточенных катушек, невозможно разместить на одном пакете со сдвигом в 30 электрических градусов, целесообразным конструктивным решением является применение двухпакетной машины. Выполнение сверхпроводниковых обмоток якоря сосредоточенными, повышает, как известно, технологичность процесса изготовления катушек и сборки электрической машины.
Использование в заявляемой двухпакетной конструкции двух электрически независимых обмоток якоря на статоре и высокоэнергетических постоянных магнитов на роторе позволяет повысить надежность электрической машины (сохранить ее частичную работоспособность на пониженной мощности) в случаях:
- нарушения работоспособности (например, обрыва одной из якорных обмоток и др.);
- аварийного отказа системы электропитания и регулирования тока обмотки возбуждения;
- нарушения работы системы криообеспечения сверхпроводниковых обмоток якоря и возбуждения.
Расположение сверхпроводниковых обмотки возбуждения и обмоток якоря на статоре позволяет обеспечить бесконтактность заявляемой электрической машины благодаря отсутствию системы подвижных электрических контактов, а также отказаться от вращающегося криостата и скользящих уплотнений, что дополнительно повышает надежность, а также способствует увеличению сроков регламентного обслуживания и ресурса.
С целью удовлетворения повышенных требований к качеству электроэнергии, в частности к уровню пульсаций выпрямленного напряжения генератора, в заявляемой конструкции электрически независимые трехфазные обмотки якоря размещаются на двух пакетах со сдвигом в 30 электрических градусов, что обеспечивает снижение пульсаций и дает к тому же некоторое повышение выходного напряжения и мощности электрической машины в генераторном режиме, а также позволяет повысить плавность хода в двигательном режиме.
Возможность регулирования выходного напряжения является важной эксплуатационной характеристикой и особо актуальна для электрических машин с нестабильной частотой вращения ротора и широким диапазоном величин подключаемой нагрузки. Регулирование с этой целью суммарного магнитного потока в рабочем зазоре обеспечивается за счет изменения величины и направления тока в обмотке осевого возбуждения. Таким образом можно поддерживать неизменными значения параметров выходных характеристик во всем рабочем диапазоне частот вращения.
Расчеты показали, что глубина регулирования по току возбуждения выходного напряжения заявляемой электрической машины, разработанной по критерию максимальной удельной мощности (при использовании ПМ с максимальной остаточной индукцией порядка 1,5 Тл) для варианта изменения тока в обмотке возбуждения от нуля до максимального значения составляет примерно 1,50, а с учетом возможности изменения тока в обмотке возбуждения и по направлению - примерно 2,0. Для большей глубины регулирования необходимо изменить вклад в суммарную усредненную индукцию обмотки возбуждения и ПМ в пользу обмотки возбуждения, например, путем применения ПМ меньших размеров или с меньшей остаточной индукцией.
С целью обеспечения автономности работы заявляемой электрической машины в генераторном режиме, сердечники статоров одного или обоих пакетов могут дополнительно содержать витки обмотки якоря возбудителя. Наведение ЭДС в обмотке якоря возбудителя для машины с комбинированным возбуждением осуществляется расположенными на роторе постоянными магнитами, а для варианта чисто индукторной машины - остаточной намагниченностью ферромагнитных полюсов сердечников ротора. После выпрямления и регулирования величины тока возбудителя с помощью статического преобразователя, расположенного на статоре, возможно обеспечить независимое от внешних источников питание обмоток осевого возбуждения (режим самовозбуждения). Данное конструктивное решение позволит успешно конкурировать с традиционными бесконтактными и автономными трехкаскадными генераторами.
Во втором варианте заявляемой конструкции при использовании обмотки осевого возбуждения на основе резистивных (например, медных) проводников, при тех же размерах катушки можно достичь средних значений индукции в зазоре до 1,1 Тл при воздушном охлаждении, и 1,2 Тл при жидкостном охлаждении. Дальнейшее увеличение средней индукции в рабочих зазорах при тех же размерах обмотки возбуждения, а также уменьшение до нуля джоулевых потерь в ней, возможно только с применением сверхпроводниковых материалов. Обмотки якоря также могут быть выполнены из резистивных материалов. В этом случае отпадает необходимость применения исключительно сосредоточенных обмоток с сильным укорочением, так как резистивные проводники не столь чувствительны к минимальному радиусу сгибов и обмотки якоря могут быть выполнены распределенными.
Надо отметить, что сравнение удельной массовой мощности заявляемой электрической машины (с резистивными обмотками) с традиционным неуправляемым магнитоэлектрическим генератором (МЭГ) показывает, что система генерирования на основе заявляемой машины может оказаться легче и обладать более высоким суммарным КПД.
На фиг. 1 показана схема замыкания магнитных потоков на примере четырехполюсного двухпакетного ротора индукторной электрической машины с комбинированным возбуждением.
На фиг. 2 показано поперечное сечение активной зоны четырехполюсной двухпакетной индукторной электрической машины с комбинированным возбуждением.
На фиг. 3 показан трехмерный эскиз двухпакетной индукторной электрической машины с комбинированным возбуждением.
Двухпакетная индукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением содержит: пакеты статора с ярмами 7 и зубцами 8, на которых установлены катушки обмоток 6 якорей, кольцевую обмотку возбуждения 1, расположенную на статоре и закрепленную на внутренней стороне ферромагнитного подшипникового щита 12, ферромагнитные сердечники ротора, установленные на ферромагнитном валу 4, с ферромагнитными зубцами, выполняющими роль полюсов 2 и 3, сегментные высококоэрцитивные радиально намагниченные постоянные магниты 5 с одинаковой полярностью, бандажи 9, выполненные из той же заготовки ферромагнитного материала, что и сердечники ротора с полюсами 2 и 3, межпакетное осевое ярмо 10, навитое из ленты электротехнической стали с целью уменьшения вихревых токов из-за изменения однополярного осевого магнитного потока в них, осевое ярмо 11, которое может быть частью подшипникового щита 12, поскольку изменение осевого магнитного потока в нем незначительно, подшипниковый щит 12 из ферромагнитного материала, утолщенный для обеспечения прохождения магнитного потока, радиальный рабочий зазор между валом и щитом 13, осевой зазор 14 между валом и щитом. Для облегчения заявляемой конструкции торец подшипникового щита 12 может иметь форму усеченного конуса, поскольку внешние части у цилиндрического щита имеют большую площадь для радиального магнитного потока и не насыщаются.
Второй щит может быть выполнен не из ферромагнитных материалов, а из легких (например алюминиевых) сплавов, масса и толщина которых зависит от массы ротора.
Машина может быть выполнена без второго щита (фиг. 3) в случае генератора прямого привода, так как крепится непосредственно к щиту турбины, а в случае двигателя - к приводимому в действие механизму.
ind
int
Электрическая машина в режиме генератора работает следующим образом. При подаче тока в обмотку возбуждения 1 в машине возникает осевой магнитный поток. Части потока, замыкаясь через ферромагнитные полюсы роторных сердечников первого Ф и второго Ф пакетов южной полярности, сцеплены с обмотками якоря, расположенными на статоре (на схеме не показаны). Полюсы радиальных постоянных магнитов 5 создают магнитные потоки северной полярности, сцепленные с обмотками якорей обоих статоров. Ферромагнитные полюсы роторных сердечников, перехватывают часть осевого потока обмотки возбуждения, которая встречно направлена по отношению к потокам постоянных магнитов, предотвращая тем самым их размагничивание. При вращении ротора ферромагнитные полюсы южной полярности чередуются относительно витков обмоток якоря с северными полюсами постоянных магнитов, что приводит к наведению в обмотках якоря знакопеременной ЭДС (в традиционных индукторных машинах наводится вдвое меньшая по абсолютной величине ЭДС, так как в ее наведении участвует не весь поток, а только его переменная составляющая).
Наличие двух независимых пакетов позволяет обеспечить работу заявляемой машины не только в традиционных режимах генератора, двигателя или синхронного компенсатора, но и в смешанном режиме, когда один пакет работает в режиме двигателя, а второй - в режиме генератора. Эта особенность позволяет использовать машину в управляемых (с помощью изменения тока в обмотке возбуждения) режимах электромашинного стабилизатора напряжения, синхронизатора (при наличии поворотного устройства одного из пакетов статора с обмоткой якоря), умножителя частоты (в случае разного числа полюсов пакетов) или электромашинного трансформатора. С использованием сверхпроводниковых обмоток КПД заявляемой машины может быть существенно выше КПД традиционных статических стабилизаторов с полупроводниковыми элементами, синхронизаторов и трансформаторов с резистивными обмотками.