Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина с обмотками якоря и возбуждения в неподвижном криостате
SUPERCONDUCTING SYNCHRONOUS ELECTRIC MACHINE WITH THE ARMATURE WINDINGS AND EXCITATION IN THE FIXED CRYOSTAT

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к новым типам сверхпроводниковых синхронных электрических машин с когтеобразными полюсами, сверхпроводниковыми обмоткой возбуждения и обмоткой якоря и постоянными магнитами на роторе, предназначенных для использования в качестве генераторов в системах электроснабжения перспективных систем электродвижения (например морских судов, наземного колесного и рельсового транспорта, летательных аппаратов (ЛА), в том числе в системах электроснабжения «полностью электрифицированного самолета»).
Известны бесконтактная синхронная электрическая машина с когтеобразным ротором с постоянными магнитами и сверхпроводниковой обмоткой возбуждения на статоре (Патент №163830 от 22.07.2016. БИ №22 от 10.08.2016 г. ), а также синхронная электрическая машина со сверхпроводниковыми обмотками возбуждения и якоря (Патент №169041 от 02 марта 2017 г., БИ №7 от 02.03.2017).
Общий недостаток известных устройств - относительно невысокие значения удельной мощности, КПД и массогабаритных показателей, а также увеличенные магнитные поля рассеяния. Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является сверхпроводниковая электрическая машина с аксиальным возбуждением и когтеобразным ротором с постоянными магнитами (Патент №163830 от 22.07.2016. БИ №22 от 10.08.2016 г. ), содержащая корпус и щиты, являющиеся внешним магнитопроводом, когтеобразный ротор, на полюсах которого расположены постоянные магниты, намагниченные радиально и тангенциально, и торцевые постоянные магниты, установленные в межполюсном зазоре между краем полюса одной полярности и полюсной системой другой полярности, статор с размещенной на нем многополюсной обмоткой якоря, неподвижные кольцевые обмотки возбуждения, выполненные из высокотемпературного сверхпроводникового материала и установленные на корпусе машины.
Основная задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении энергетических и массогабаритных показателей сверхпроводниковой синхронной электрической машины с когтеобразным ротором. Техническим результатом использования данного изобретения является повышение удельной мощности, КПД, надежности, обеспечение компактности и технологичности выполнения машины.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в сверхпроводниковой синхронной электрической машине с обмотками якоря и возбуждения в неподвижном криостате, содержащей корпус и щиты, являющиеся внешним магнитопроводом, когтеобразный ротор, на полюсах которого расположены постоянные магниты, намагниченные радиально и тангенциально, и торцевые постоянные магниты, установленные в межполюсном зазоре между краем полюса одной полярности и полюсной системой другой полярности, статор с размещенной на нем многофазной многополюсной обмоткой якоря, неподвижные кольцевые обмотки возбуждения, выполненные из высокотемпературного сверхпроводникового материала, обмотка якоря выполнена из высокотемпературного сверхпроводникового материала в виде рейстрековых катушек и расположена на зубцах шихтованного стального сердечника статора. При этом обмотки возбуждения и якоря размещены в общем неподвижном криостате на статоре. В качестве высокотемпературного сверхпроводникового материала обмоток якоря и возбуждения используется высокотемпературная сверхпроводниковая лента второго поколения (ВТСП-2). Между катушками обмотки якоря установлены диамагнитные вставки, выполненные из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала.
Технический результат обеспечивается тем, что в отличие от прототипа, представляющего собой сверхпроводниковую электрическую машину с когтеобразным ротором с постоянными магнитами, двумя неподвижными кольцевыми ВТСП обмотками возбуждения и обмоткой якоря, выполненной из обычного проводникового материала (например меди), в предлагаемой конструкции выполнение обмотки якоря сверхпроводниковой способствует увеличению линейной токовой нагрузки машины, что совместно с обеспечением высоких значений магнитодвижущей силы сверхпроводниковой обмоткой возбуждения способствует при заданной мощности уменьшению габаритов и массы машины.
Помимо этого, обмотка якоря выполнена из высокотемпературной ленты второго поколения (ВТСП-2) с существенно более высокой токонесущей способностью, по сравнению с высокотемпературными сверхпроводниками первого поколения. Использование в качестве материала обмоток якоря и возбуждения высокотемпературного сверхпроводникового материала на основе ВТСП-2 лент позволяет существенно повысить конструктивную плотность тока в обмотках возбуждения и якоря и является важным фактором, влияющим на повышение удельной мощности машины. Между катушками обмотки якоря размещены диамагнитные вставки, выполненные из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала, например на основе YBCO. Это способствует повышению концентрации основного магнитного потока в рабочей зоне машины, что также повышает ее удельную мощность.
В отличие от прототипа выполнение неподвижным общего для обмоток якоря и возбуждения криостата на статоре благодаря отсутствию скользящего контакта делает предлагаемую конструкцию машины более простой (например проще организовать теплоизоляцию) и надежной. Это также упрощает процесс заполнения криостата хладагентом, что улучшает эксплуатационные характеристики машины.
Выполнение криостата неподвижным позволяет избежать или существенно ослабить деформации, связанные с влиянием центробежных сил и термических напряжений, а также внутреннего давления газов в криостате и неравномерности распределения хладагента. Опыт работы с вращающимися криостатами показывает, что отмеченные факторы значительно усложняют нормальную эксплуатацию устройства и приводят к дополнительному снижению надежности конструкции. Кроме того, выполнение неподвижного криостата пластмассовым дополнительно облегчает конструкцию электрической машины.
Применение в предлагаемой конструкции в отличие от прототипа наиболее технологичных рейстрековых катушек из ВТСП-2 ленты для формирования обмотки якоря способствует повышению как электромагнитных нагрузок, так и технологичности изготовления электрической машины в целом. Рейстрековая катушка может быть изготовлена на отдельном шаблоне с последующей установкой на зубцах статора, что существенно упрощает технологический процесс.
В отличие от аналога (Патент №169041), где рейстрековые катушки расположены на немагнитных зубцах, в рассматриваемой конструкции они расположены на стальных зубцах, что в сочетании с когтеобразным ротором и предлагаемой системой создания магнитного потока возбуждения повышает эффективность машины за счет концентрации основного магнитного потока в активной зоне и снижения потоков рассеяния.
На фиг. 1 показан продольный разрез сверхпроводниковой синхронной электрической машины с обмотками якоря и возбуждения в неподвижном криостате.
На фиг. 2 показан поперечный разрез сверхпроводниковой синхронной электрической машины с обмотками якоря и возбуждения в неподвижном криостате.
Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина с обмотками якоря и возбуждения в неподвижном криостате содержит: магнитопроводящие щиты 1 и 2, магнитопроводящий корпус 3, статор 4, выполненный шихтованным, на зубцах которого, размещена многофазная многополюсная обмотка якоря 5, выполненная из высокотемпературной сверхпроводниковой ленты 2-го поколения ВТСП-2 в виде рейстрековых катушек, 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 статоре установлены кольцевые сверхпроводниковые обмотки возбуждения (СПОВ) 11 и 12, выполненные из ВТСП-2 ленты. Между катушками обмотки якоря размещены диамагнитные вставки 14 из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала. Сверхпроводниковые обмотки возбуждения и обмотка якоря размещены в общем неподвижном криостате 13 на статоре.
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. Это позволяет улучшить выходные параметры машины, регулируя величину магнитного потока ротора. При вращении ротора с полюсными системами относительно статора в обмотке якоря наводятся ЭДС.
По мнению авторов, предлагаемое изобретение может быть использовано в системах электроснабжения, например морских судов, наземного транспорта, летательных аппаратов, а совокупность его существенных признаков необходима и достаточна для достижения заявляемого технического результата.