СИНХРОННЫЙ ВТСП ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

Предлагаемая полезная модель относится к электроэнергетике, в частности к синхронным электрическим машинам с высокоэнергетическими постоянными магнитами (ПМ) на основе редкоземельных материалов (РЗМ) и высокотемпературными сверхпроводниковыми (ВТСП) элементами и предназначена для использования в автономных электроэнергетических установках перспективных авиационно-космических комплексов с полностью электрифицированным приводным оборудованием (см. книгу А.В.Левин, И.И.Алексеев, Л.К.Ковалев, С.А.Харитонов. Электрический самолет: от идеи до реализации. М.: Машиностроение, 2010. - 288 с.).
Известны синхронные двигатели 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.; Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. T.1 и 2. - М: Издательский дом МЭИ, 2006; 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 близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является синхронный электродвигатель с тангенциальными постоянными магнитами, (которые, как показывают исследования, являются более предпочтительными в электрических машинах с числом пар полюсов больше 2-3), приведенный в книге Д.А.Бута Основы электромеханики - М.: Изд-во МАИ, 1996 на стр.157, содержащий статор с шихтованным сердечником, в пазах которого размещена многофазная многополюсная обмотка, цилиндрический ротор, состоящий из массива чередующихся блоков постоянных магнитов с тангенциальной намагниченностью и секторов из магнитомягких материалов, установленных на валу машины на втулке из немагнитного материала.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении энергетических и массогабаритных показателей электродвигателя. Техническим результатом использования данной полезной модели является повышение удельных мощности и механического момента, а также повышение коэффициента мощности и КПД электродвигателя.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в синхронном ВТСП электродвигателе с постоянными магнитами, содержащем 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 чередующихся блоков постоянных магнитов с тангенциальной намагниченностью и секторов из магнитомягкого материала, установленных на валу двигателя на втулке из немагнитного материала, и в середине секторов из магнитомягкого материала между постоянными магнитами радиально на немагнитной втулке ротора установлены диамагнитные вставки, выполненные в виде тонких ВТСП пластин из высокотемпературного сверхпроводникового материала (например иттриевой керамики YBCO).
S
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в отличие от прототипа, представляющего собой синхронный ВТСП электродвигатель с ПМ на роторе, выполненными в виде массива чередующихся блоков постоянных магнитов с тангенциальной намагниченностью и секторов из магнитомягкого материала, выполняющих роль полюсов по отношению к якорю на статоре, в конструкции данного двигателя применены вставки из ВТСП керамики с относительной магнитной проницаемостью 0,2<µ<0,5., установленные в середине секторов из магнитомягкого материала между постоянными магнитами радиально на немагнитной втулке ротора. Магнитные потоки соседних ПМ концентрируются в магнитомягких полюсах между ПМ, что позволяет достигать высоких значений магнитной индукции в рабочем зазоре двигателя.
Предварительный анализ работы таких криогенных ВТСП электрических машин с постоянными магнитами и объемными ВТСП элементами в роторе показал, что при захолаживании машины жидким азотом ВТСП элементы переходят в сверхпроводящее состояние в магнитном поле, создаваемом ПМ ротора, тем самым как бы захватывая основной магнитный поток возбуждения (field cooling process - fc-process), создаваемый ПМ ротора. Таким образом, ВТСП элементы после захолаживания двигателя и перехода в сверхпроводящее состояние не оказывают в принципе влияния на основной магнитный поток возбуждения, определяемый системой ПМ машины. Однако по отношению к любым возмущениям магнитного потока, возникающим после перехода ВТСП керамики в сверхпроводящее состояние, ВТСП элемент представляет собой диамагнетик, экранирующий возмущения магнитного поля. В первую очередь это относится к магнитным полям, обусловленным реакцией якоря ВТСП синхронного двигателя. В результате этого изменяются индуктивные сопротивления реакции якоря по продольной и поперечной осям двигателя и улучшаются его энергетические и выходные характеристики.
q
Так, в предлагаемой полезной модели в условиях охлаждения жидким азотом ВТСП вставки, расположенные радиально вдоль продольной оси ротора d, являются диамагнетиком по отношению к магнитному потоку поперечной реакции якоря. Это позволяет существенно увеличить анизотропию магнитных свойств ротора машины, уменьшить индуктивное сопротивление по поперечной оси - x.
Поперечный разрез синхронного ВТСП электродвигателя с тангенциальными постоянными магнитами показан на фиг.1.
Синхронный ВТСП электродвигатель с постоянными магнитами 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 массив чередующихся блоков ПМ 4 с тангенциальным намагничиванием и секторов из магнитомягкого материала 5, установленных на втулке из немагнитного материала 6. В середине секторов из магнитомягкого материала установлены достаточно тонкие диамагнитные пластины из ВТСП керамики 7, размещенные вдоль оси полюсов ротора радиально на немагнитном валу 8 двигателя. Снаружи крепление ПМ осуществляется с помощью бандажа 9.
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. Суммарный момент в предлагаемой полезной модели будет выше по сравнению с прототипом благодаря использованию диамагнитных ВТСП элементов, существенно увеличивающих магнитную анизотропию ротора.
Проведены проектные расчеты параметров трехфазного четырехполюсного ВТСП синхронного электродвигателя с объемными ВТСП элементами и тангенциальными постоянными магнитами, разработанного на основе данной полезной модели.
Расчеты показывают, что в синхронном ВТСП электродвигателе с тангенциальными ПМ обеспечивается также перевозбужденный режим работы двигателя (ε=E/U>1 - степень перевозбуждения электрической машины, Е - ЭДС, создаваемая магнитным потоком ПМ ротора, U - напряжение питания на якорной обмотке статора), что позволяет их использовать в режимах компенсатора.
S
S
На фиг.2 приведены соответствующие зависимости энергетических параметров от рабочего угла Θ в ВТСП синхронном двигателе с тангенциальными магнитами при следующих вариантах конструктивного выполнения ротора: кривые 1 - секторы между ПМ выполнены из магнитомягкого ферромагнитного материала с высокой относительной магнитной проницаемостью (например, из стали 30ХГСА) (традиционная схема ротора синхронного двигателя с тангенциальными ПМ - прототип), кривые 2 - в секторах между ПМ имеются массивные вставки из немагнитного материала с µ=1, кривые 3 - вставки из идеальной диамагнитной ВТСП керамики с µ=0. Видно, что использование диамагнитных ВТСП вставок приводит к значительному увеличению мощности ВТСП синхронного двигателя в номинальном режиме (Θ≈45°) примерно на 50%, что связано с соответствующим изменением индуктивных сопротивлений. При этом максимум мощности смещается в сторону меньших (номинальных) значений рабочего угла Θ.
Следует отметить, что масса исследуемого расчетного образца ВТСП синхронного двигателя порядка 12,6 кг, при этом его удельная масса (при номинальной мощности порядка 25 кВт) равна 0,5 кг/кВт. Это на 40-50% меньше, чем удельная масса традиционных синхронных двигателей с постоянными магнитами при тех же режимах охлаждения (жидким азотом) электродвигателя.
Результаты расчетного исследования показали, что использование в конструкции роторов синхронных двигателей с объемными ВТСП элементами на роторе и возбуждением от тангенциальных высокоэнергетичных постоянных магнитов ВТСП элементов позволит на 40-50% увеличить их выходную мощность, и тем самым, улучшить их удельные массовые показатели.
S
Следует отметить, что в последнее время имеется существенный прогресс в области создания достаточно тонких (порядка 0.3-0,5 мм) ВТСП элементов с высокими диамагнитными характеристиками (µ<0,2) [6]. Их использование в качестве ВТСП вставок в роторе позволит существенно увеличить выходные энергетические характеристики ВТСП синхронных двигателей.
Данный тип электрических двигателей, разработанный на основе предлагаемой полезной модели, предназначен для использования в электроприводах перспективных авиационно-космических комплексов, так как он удовлетворяет специфическим требованиям - высокая мощность и малые значения удельной массы единичного агрегата. По мнению авторов, совокупность существенных признаков рассматриваемой полезной модели необходима и достаточна для достижения заявленного технического результата.
Литература
1. А.В.Левин, И.И.Алексеев, Л.К.Ковалев, С.А.Харитонов. Электрический самолет: от идеи до реализации. М.: Машиностроение, 2010. - 288 с.
2. В.А.Балагуров, Ф.Ф.Галтеев. Электрические генераторы с постоянными магнитами - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 280 с.
3. Д.А.Бут. Основы электромеханики - М.: Изд-во МАИ, 1996
4. Специальные электрические машины. Под ред. Б.Л.Алиевского. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 230 с.
5. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. T.1 и 2. - М: Издательский дом МЭИ, 2006.
6. Iijima Y., Kakimoto К. et al. Development of long Y-123 coated conductors by IBAD and PLD method. Proceedings of the 6-th European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS-2003), September 2003, Sorrento, Italy.