СВЕРХПРОВОДНИКОВАЯ СИНХРОННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

Предлагаемая полезная модель относится к синхронным электрическим машинам с постоянными магнитами (ПМ) и высокотемпературными сверхпроводниковыми (ВТСП) элементами и может найти применение в криогенной и аэрокосмической технике, в электроприводе транспортных систем.
Синхронные машины с постоянными магнитами имеют относительно простую конструкцию, отличаются высокой надежностью и длительным сохранением первоначальных магнитных характеристик (до 5-10 лет). Кроме того, такие машины просты в эксплуатации, обладают высоким КПД из-за отсутствия потерь на возбуждение и в скользящем контакте, что особенно важно для их применения в ряде областей современной науки и техники.
Известны синхронные машины с ПМ с различным конструктивным выполнением роторов: ротор типа «звездочка», роторы, содержащие массив блоков призматических постоянных магнитов, намагниченных либо в радиальном, либо в тангенциальном направлениях, когтеобразные роторы и т.д. (см. книги В.А.Балагуров, Ф.Ф.Галтеев. Электрические генераторы с постоянными магнитами -М.: Энергоатомиздат, 1998. -280 с.; Д.А.Бут. Основы электромеханики - М.: Изд-во МАИ, 1996; Специальные электрические машины. Под ред. Б.Л.Алиевского. -М.: Энергоатомиздат, 1993. -230 с.). Общий недостаток известных устройств - относительно невысокие значения мощности, механического момента, КПД и коэффициента мощности (cosφ). Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемой полезной модели являются синхронные машины с постоянными магнитами, приведенные в книге Д.А.Бута Основы электромеханики - М.: Изд-во МАИ, 1996 на стр.157, содержащие статор с шихтованным сердечником, в пазах которого размещена многофазная многополюсная обмотка, цилиндрический ротор, состоящий из массива блоков постоянных магнитов.
Техническим результатом использования данной полезной модели является повышение энергетических (мощности, механического момента, коэффициента мощности и КПД) и массогабаритных показателей машины.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в сверхпроводниковой синхронной электрической машине с постоянными магнитами, 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 массива блоков постоянных магнитов, массив блоков постоянных магнитов, установленных в пазах немагнитного пакета ротора, выполнен в виде чередующихся постоянных магнитов из редкоземельных материалов (РЗМ) с радиальной и тангенциальной намагниченностью и содержит диамагнитные пластины из объемного высокотемпературного сверхпроводникового материала, размещенные в середине полюсов ротора.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в отличие от прототипа, представляющего собой синхронную машину с ПМ на роторе, выполненными в виде массива блоков радиальных или тангенциальных магнитов в конструкции данной машины магнитное поле создается чередующимися радиальными и тангенциальными магнитами одновременно. Использование массива чередующихся высокоэнергетических ПМ из редкоземельных материалов и размещенных в середине полюсов ротора диамагнитных пластин из объемного высокотемпературного сверхпроводникового материала позволяет существенно улучшить ее мощностные характеристики, что следует из известной угловой зависимости электромагнитной мощности синхронной машины с возбуждением от постоянных магнитов [4]:
d
q
ф
0
d
d
q
Здесь x и x - полные индуктивные сопротивления по продольной и поперечной осям ротора; m - число фаз; θ - угол между направлениями векторов ЭДС E ротора и напряжением питания U. Составляющая  определяется возбуждением машины от ПМ в роторе и индуктивным сопротивлением х вдоль оси d. Величина  связана с взаимодействием явнополюсного ротора с токами якоря и существенно зависит от анизотропии магнитных свойств ротора и от соотношения индуктивных сопротивлений вдоль осей d и q (х и x).
ad
aq
Так как индуктивные сопротивления машины по осям d и q существенно зависят от структуры ротора, то использование в его составе диамагнитных массивных ВТСП элементов позволяет заметно менять их значения. Расположение ВТСП пластин в середине полюсов позволяет существенно изменить соотношение индуктивных сопротивлений X, X, что ведет к улучшению выходных энергетических характеристик двигателя. Анализ физических процессов в ВТСП элементах показывает, что при комнатных температурах керамические элементы не имеют диамагнитных свойств и магнитные поля от ПМ ротора не экранируются. При их охлаждении ниже критической температуры (Т≤90К) они переходят в сверхпроводящее состояние и магнитное поле постоянных магнитов оказывается «вмороженным» в ВТСП элементы. При этом распределение магнитного поля постоянных магнитов не меняется. В то же время ВТСП элементы обладают ярко выраженными диамагнитными свойствами, экранирующими магнитное поле статорных обмоток, что снижает индуктивное сопротивление машины и увеличивает ее мощность. Выбор оптимальной толщины ВТСП пластин в роторе проводится на основе оценки глубины проникновения магнитного поля в объем ВТСП при этом учитывалась возможная работа двигателя в режиме перегрузки, когда возрастает значение тока статора и величина приложенного к ВТСП пластине внешнего магнитного поля, что приводит к увеличению глубины проникновения поля в объем ВТСП.
Следует отметить, что отсутствие ферромагнитных материалов во внутренней области ротора двигателя с постоянными магнитами радиально-тангенциальной намагниченности оказывает положительное влияние на его выходные характеристики вследствие существенного снижения индуктивных сопротивлений.
Расчет параметров рассматриваемой конструкции показал, что чередующиеся РЗМ постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностью, установленные в пазах немагнитного пакета ротора и диамагнитные пластины из объемного высокотемпературного сверхпроводникового материала, размещенные в середине полюсов ротора улучшают по сравнению с прототипом выходные характеристики машины. Так наличие ВТСП пластин в роторах синхронных двигателей с ПМ благодаря своим диамагнитным свойствам создает магнитную анизотропию и приводит к повышению реактивной составляющей мощности, при этом выигрыш в мощности по предварительным оценкам составляет ~20% по сравнению с синхронным двигателем без ВТСП пластин в роторе.
Поперечный разрез сверхпроводниковой синхронной электрической машины с постоянными магнитами и ВТСП элементами показан на фиг.1.
Основной элемент магнитной системы синхронной машины с радиально-тангенциальными магнитами представляет собой цилиндр, составленный из массива ПМ с чередующейся радиальной и тангенциальной намагниченностью. Такое расположение ПМ позволяет концентрировать магнитный поток во внешней активной области ротора.
Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина с постоянными магнитами и ВТСП элементами 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 немагнитный пакет, в пазах которого размещены чередующиеся постоянные магниты с радиальной 4 и тангенциальной 5 намагниченностью, пластины из объемного высокотемпературного сверхпроводникового материала 6, например, YBCO керамики, работающей в криогенной среде при температуре жидкого азота (77,8К), установленные в середине полюсов ротора, немагнитный вал 7.
Предлагаемое устройство 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) э.д.с., наведенной в обмотке статора магнитным потоком ПМ из редкоземельных материалов вращающегося ротора. Другая - существенной анизотропией магнитных свойств ротора по продольной d и поперечной q осям машины. В прототипе вторая составляющая момента отсутствует. Суммарный момент в предлагаемой полезной модели будет выше по сравнению с прототипом.
Отсутствие электротехнических сталей внутри ротора машины позволяет также снизить его массу, что особенно важно для электромашиностроения авиационно-космической отрасли и высокодинамичных промышленных приводов.
Данная полезная модель положена в основу разработки сверхпроводникового синхронного двигателя с ПМ и ВТСП элементами мощностью 150 кВт. Результаты проектных расчетов позволяют заключить, что данная конструкция обеспечивает повышение энергетических и улучшение массогабаритных показателей по сравнению с прототипом.
По мнению авторов, предлагаемая модель может быть использована в промышленности по назначению, а совокупность ее существенных признаков необходима и достаточна для достижения заявленного технического результата.
Литература
1. В.А.Балагуров, Ф.Ф.Галтеев. Электрические генераторы с постоянными магнитами - М.: Энергоатомиздат, 1998. -280 с.
2. Д.А.Бут. Основы электромеханики - М.: Изд-во МАИ, 1996
3. Специальные электрические машины. Под ред. Б.Л.Алиевского. -М.: Энергоатомиздат, 1993. -230 с.
4. Электрические машины и устройства на основе массивных высокотемпературных сверхпроводников /Под редакцией Л.К.Ковалева, К.Л.Ковалева, С.М.-А.Конеева. - М.: Изд-во ФИЗМАТЛИТ, 2010. 396 с.