Электрическая машина с модульными зубцами статора и обмотками из сверхпроводникового материала
ELECTRIC MACHINE WITH MODULAR STATOR TEETH AND SUPERCONDUCTING WINDINGS

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в электрических машинах с обмотками из сверхпроводникового материала.
Известен синхронный высокотемпературный сверхпроводниковый электродвигатель с постоянными магнитами [патент РФ №132642 U1, МПК H02K 55/02, опубликовано 20.09.2013 г.], содержащий статор с шихтованным сердечником, размещенную в его пазах многофазную многополюсную обмотку, цилиндрический ротор, состоящий из массива чередующихся блоков постоянных магнитов с тангенциальной намагниченностью и секторов из магнитомягкого материала, установленных на валу машины на втулке из немагнитного материала, отличающийся тем, что в середине секторов из магнитомягкого материала между постоянными магнитами радиально на немагнитной втулке ротора установлены вставки, выполненные в виде тонких диамагнитных пластин из высокотемпературного сверхпроводникового материала.
Недостатком ближайшего аналога является невысокое значение удельной мощности, так как обмотки данной электрической машины выполнены не из высокотемпературного сверхпроводникового материала, и величина плотности тока будет ограничена габаритами паза и системой охлаждения.
Известна сверхпроводниковая индукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением [патент РФ №2696090 С2, МПК H02K 55/02, H02K 1/22, опубликовано 31.07.2019 г.], содержащая статор с шихтованным сердечником, неподвижные кольцевые обмотки возбуждения, многофазную многополюсную обмотку якоря, ферромагнитный вал, на котором установлен ферромагнитный стальной сердечник ротора с роторными выступами (зубцами). Однонаправленные радиально намагниченные постоянные магниты расположены между ферромагнитными роторными выступами. Магнитные шунты (интерцепторы) установлены с обеих торцевых сторон ферромагнитного сердечника ротора. На ферромагнитных роторных выступах выполнены немагнитные пазы.
Недостатки аналога заключаются в высоких массогабаритных показателях, а также сложном исполнении магнитной системы ротора, из-за наличия нескольких чередующихся ферромагнитных полюсов (роторных выступов), наряду с полюсами постоянных магнитов, а также магнитных шунтов (интерцепторов).
Известен сверхпроводниковый электродвигатель и генератор [патент РФ №2692760 C2, МПК H02K 1/14, H02K 1/17, H02K 9/19, H02K 55/00, H02K 23/02, H02K 11/00, опубликовано 27.06.2019 г.], содержащий вращающийся якорь, статор с постоянными магнитами и защитную втулку. Защитная втулка двигателя представляет собой полый цилиндр, который помещается между якорем и статором и выполнен с возможностью охлаждать множество высокотемпературных сверхпроводников внутри него до температуры ниже их критических температур. Множество сверхпроводниковых пластин расположены между внутренней стенкой и внешней стенкой защитной втулки и ориентированы вокруг якоря. Нетрадиционная топология сверхпроводниковой машины увеличивает магнитную индукцию в воздушном зазоре за счет уменьшения потока рассеяния и концентрации линий потока в воздушном зазоре.
Недостатки аналога заключаются в высоких массогабаритных показателях из-за наличия полой защитной втулки, расположенной между якорем и статором.
Известна сверхпроводниковая электрическая машина с композитным слоистым ротором [патент РФ №134370 U1, МПК H02K 55/00, H02K 1/27, опубликовано 10.11.2013 г.], содержащая статор с шихтованным сердечником с многофазной многополюсной обмоткой, цилиндрический ротор, состоящий из чередующихся слоев ферромагнитных элементов и немагнитных промежутков. Слой ферромагнитных элементов ротора выполнен в виде композита из пластин постоянных магнитов на основе редкоземельных материалов и пластин из магнитомягких материалов. Немагнитные промежутки ротора заполнены диамагнитным высокотемпературным сверхпроводниковым материалом.
Недостатки аналога заключаются в высоких массогабаритных показателях из-за большой длины вылета лобовых частей обмотки статора.
Известен высокотемпературный сверхпроводниковый электромагнитный индукционный двигатель с радиальным зазором [патент РФ №2631673 С1, МПК H02K 55/02, H02K 55/04, H02K 23/54, опубликовано 26.09.2017 г.], содержащий статор, расположенный с воздушным зазором в радиальном направлении статора так, чтобы противостоять друг другу, множество элементов возбуждения в виде обмоток возбуждения, расположенных на трансформаторных болтах, где сверху с наружной стороны намотана первичная медная обмотка (обмотка возбуждения) на материал с высокой магнитной проницаемостью (пермендюр); с внутренней нижней стороны, которые закручиваются в статор, - высокотемпературные сверхпроводниковые катушки. Множество высокотемпературных сверхпроводниковых пластин, расположенных на роторе вокруг оси вращения и закрепленных на конце ротора в радиальном направлении к статору. Все вторичные сверхпроводниковые обмотки и сверхпроводниковые пластины сформированы из высокотемпературного сверхпроводникового материала.
Недостатки аналога заключаются в низком ресурсе работы, низком диапазоне регулировок по частоте вращения из-за исполнения конструкции индукционного типа в сравнении с электрической машиной вентильного типа.
Наиболее близкой к предлагаемой является электрическая машина с постоянными магнитами и обмотками из сверхпроводникового материала [патент РФ №2648677 С1, МПК H02K 1/14, H02K 1/27, H02K 55/02, опубликовано 28.03.2018 г.], содержащая статор с расположенной на нем обмоткой, ротор с постоянными магнитами, отличающаяся тем, что обмотка статора выполнена из сверхпроводникового 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.
Недостатки аналога заключаются в высоких массогабаритных показателях из-за сложного конструктивного исполнения статора с рейстрековыми катушками, между которыми установлены диамагнитные вставки.
Задача изобретения - уменьшение массы магнитопровода статора за счет того, что зубцы статора изготовлены из аморфного железа.
Техническим результатом является повышение энергетических характеристик и улучшение эксплуатационных показателей электрической машины с зубцами статора в виде отдельных модулей и обмотками из сверхпроводникового материала за счет снижения массы магнитопровода статора, а также значительного снижения тепловых потерь в зубцах статора.
Поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что в электрической машине, содержащей статор с расположенной на нем обмоткой, и ротор с постоянными магнитами, согласно изобретению, ротор выполнен внешним, обмотка статора выполнена из сверхпроводникового материала, зубцы статора выполнены в виде отдельных модулей с возможностью крепления к спинке статора, изготовленной из электротехнической стали, при этом зубцы статора изготовлены из аморфного железа.
Существо изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен поперечный разрез электрической машины с зубцами статора в виде отдельных модулей и обмотками из сверхпроводникового материала;
на фиг. 2 - лист статора с зубцами в виде отдельных модулей.
Электрическая машина с зубцами статора в виде отдельных модулей и обмотками из сверхпроводникового материала (фиг. 1, фиг.2) содержит статор 1 со сверхпроводниковой обмоткой 2, включающий спинку 3, выполненную из электротехнической стали и зубцы в виде отдельных модулей 4, выполненные из аморфной стали, постоянные магниты 5, расположенные на внешнем роторе 6.
По сравнению с традиционной электротехнической сталью, например, марки 2421, в аморфных сплавах, например, марки АМЕТ-9КСР, отсутствует периодичность в расположении атомов, они имеют микроструктуру жидкости, что позволяет металлам обладать гораздо большей прочностью, износостойкостью, упругими свойствами, коррозионной стойкостью, меньшим весом, уникальными магнитными и акустическими свойствами, значительно меньшими удельными магнитными потерями. Особенностью магнитомягких аморфных сплавов является большое (около 20%) содержание немагнитных элементов, таких как бор, кремний, углерод, фосфор, необходимых для сохранения аморфной структуры. Наличие этих элементов снижает максимальные значения индукции насыщения в аморфных сплавах и увеличивает температурный коэффициент магнитных свойств. Эти же элементы увеличивают электросопротивление, повышают твердость и прочность аморфных сплавов, а также их коррозионную стойкость. Поэтому, благодаря исполнению зубцов статора из аморфной стали с минимально допустимой толщиной при условии соблюдения механической прочности паза, обеспечивается прохождение магнитного потока и минимизация потерь в случае перенасыщения зубцов по сравнению с электротехнической сталью.
Предложенная электрическая машина с зубцами статора в виде отдельных модулей и обмотками из сверхпроводникового материала (фиг.1, фиг.2) работает следующим образом: при подаче на обмотку 2 статора 1 напряжения, по нему начинает протекать ток, который создает вращающийся магнитный поток. Постоянные магниты 5, установленные на внешнем роторе 6, образуют постоянное магнитное поле. Магнитное поле ротора при взаимодействии с переменным током обмоток 2 статора 1, создает крутящий момент, который приводит во вращение ротор 6.
Зубцы 4 статора 1 (фиг 1, фиг.2) выполнены небольшой ширины с минимально допустимой толщиной, вследствие чего в состоянии насыщения магнитная индукция в зубцах достигает высоких значений и, благодаря применению зубцов из аморфной стали снижаются омические потери в сравнении с электротехнической сталью.
Зубцы 4 статора 1 (фиг 1, фиг.2), выполненные из аморфной стали с минимально допустимой толщиной, обеспечивающей механическую прочность паза, отдельно крепятся к спинке 3 статора 1, выполненной из электротехнической стали.
Итак, заявляемая конструкция электрической машины с зубцами статора в виде отдельных модулей и обмотками из сверхпроводникового материала позволяет повысить энергетические характеристики и улучшить эксплуатационные показатели за счет снижения массы магнитопровода статора, а также значительного снижения тепловых потерь в зубцах статора.
Кроме того, заявляемая конструкция электрической машины с зубцами статора в виде отдельных модулей и обмотками из сверхпроводникового материала позволяет улучшить эксплуатационные характеристики благодаря внутренней конструкции статора, что обеспечивает достаточно места для системы охлаждения без увеличения габаритных размеров. Помимо этого, электрическая машина с внешним ротором обладает высокой продолжительной производительностью и плавной работой, что обеспечивает очень низкий уровень шума. Поскольку почти вся электрическая машина находится внутри рабочего колеса и, как правило, интенсивно обдувается воздушным потоком, то это позволяет перегружать электрическую машину иногда до 30% при номинальных частоте и напряжении.