ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С КОЛЬЦЕВОЙ СВЕРХПРОВОДНИКОВОЙ ОБМОТКОЙ ЯКОРЯ

Полезная модель относится к электроэнергетике, а именно к синхронным электрическим машинам на основе высокотемпературных сверхпроводниковых материалов (ВТСП) и предназначена для использования в транспортном электроэнергетическом оборудовании, в том числе полностью электрифицированных самолетов (ПЭС).
Известны синхронные машины с кольцевыми сверхпроводниковыми обмотками (см. Stevens М.М., Kirtley J.L. Toroidal winding geometry for high voltage superconducting alternators //IEEE Trans. on PAS. 1974. Vol. 93, N 6. P. 1902-1908; Stevens M.M., Kirtley J.L. Rotating Electric Machine having a toroidal winding armature. Pat. No. 4087711, EPRI, USA. May 2, 1978; Oberly C.E., Schlicher R.L. Cryogenic wound rotor for lightweight high voltage generators. EPRI Pat. No. 4739200, USA, April 19, 1988; Luongo C.A., Masson P.J., Nam Т., Mavris D., Kim H.D., Brown G.V., Waters M., Hall D. Next Generation More-Electric Aircraft: A Potential Application for HTS Superconductors - IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2009, vol. 19, No. 3, pp. 1055-1068; D. Dezhin, R. Ilyasov, S. Kozub, K. Kovalev and L. Vezhbitsky, "Synchronous motor with HTS-2G wires", J. Phys. Conf. Ser., vol. 507, no. 3, p. 32011, May 2014).
Общий недостаток известных устройств состоит в низком значении, с точки зрения требований, предъявляемых к ПЭС, удельной мощности электрической машины.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели по использованию, технической сущности и достигаемому техническому результату является сверхпроводниковая синхронная электрическая машина, приведенная в работе Пенкина В.Т. Разработка синхронных электрических машин с композитными и объемными сверхпроводниками в роторе. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук /ГОУВПО «Московский авиационный институт (государственный технический университет)» Москва, 2012, стр. 137. Она и принята за прототип, содержащий корпус, в котором размещены магнитопровод статора, на котором расположена кольцевая m-фазная многополюсная сосредоточенная обмотка якоря из резистивного материала с бандажом, ферромагнитный экран, ротор с полюсами, на которых расположена многополюсная обмотка возбуждения, выполненная в виде рейстрековых катушек из сверхпроводникового материала.
Недостаток этой конструкции заключается в относительно невысоком значении удельной мощности машины.
Основная задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении энергетических и массогабаритных показателей синхронной электрической машины.
Техническим результатом использования заявляемой полезной модели является повышение удельной мощности и КПД электрической машины с кольцевой ВТСП обмоткой якоря.
Указанный технический результат достигается за счет того, что электрическая машина с кольцевой сверхпроводниковой обмоткой якоря содержит корпус, в котором расположены внешний экран, шихтованный составной кольцевой ферромагнитопровод статора, на котором размещена кольцевая m-фазная многополюсная сосредоточенная обмотка якоря с бандажом, магнитопровод ротора с полюсами, на которых расположена многополюсная обмотка возбуждения, выполненная в виде рейстрековых катушек из сверхпроводникового материала. Кольцевая m-фазная сосредоточенная обмотка якоря и обмотка возбуждения, выполненная в виде рейстрековых катушек, изготовлены из высокотемпературной сверхпроводящей ленты второго поколения (ВТСП-2) с возможностью осуществления их охлаждения криогенными жидкостями с температурой кипения не выше температуры кипения жидкого азота. Внешний экран выполнен комбинированным, составленным из электропроводящей и ферромагнитной оболочек. Обмотки якоря и возбуждения могут быть расположены в общем криостате (погружное охлаждение) либо кольцевая сверхпроводниковая обмотка якоря размещена в криостате, расположенном между внутренним бандажом и внешним экраном, а обмотка возбуждения - во вращающемся криостате ротора (раздельное криостатирование). При этом в магнитопроводе и полюсах ротора электрической машины выполнены каналы для охлаждения обмотки возбуждения.
2
2
Технический результат обеспечивается тем, что плотность тока в сверхпроводниковых материалах в десятки раз превышает плотность тока резистивных, например медных, проводников. Так допустимая плотность тока в обмотках традиционных электрических машин определяется способом охлаждения и лежит в пределах 5-20 А/мм. Плотность тока в ВТСП обмотках при охлаждении жидким азотом может достигать значения 150 А/мм и более, что ведет к увеличению КПД и удельной мощности.
В отличие от прототипа, обмотка якоря которого выполнена из резистивного материала, а обмотка возбуждения из низкотемпературного сверхпроводникового материала на основе NbTi, в заявляемой полезной модели как кольцевая обмотка якоря, так и обмотка возбуждения выполнены из высокотемпературной сверхпроводящей ленты второго поколения ВТСП-2. До последнего времени сверхпроводниковые обмотки, запитываемые постоянным током, использовались лишь в качестве обмоток возбуждения индукторов электрических машин. Якорь же выполнялся из резистивного проводникового материала (Cu, Al). Это было связано с высоким уровнем потерь в ВТСП материалах при работе на переменном токе. Однако современные ВТСП-2 ленты обладают существенно более низкими потерями при частотах до 800 Гц и охлаждении криогенными жидкостями с температурой кипения не выше температуры кипения жидкого азота (77 К). Это позволяет существенно снизить энергетические потери и повысить электромагнитные нагрузки машины, что улучшает массоэнергетические показатели. Кроме того, кольцевая обмотка якоря выполнена в виде отдельных сосредоточенных обмоток, плоскость каждой из которых расположена в радиальном направлении относительно оси вращения ротора. Такая обмотка позволяет существенно снизить линейные размеры машины за счет уменьшения величины лобовых частей, а, следовательно, и массу машины.
Использование электропроводящего защитного экрана позволяет снизить индуктивность пассивной части обмотки якоря по сравнению с ферромагнитным экранированием. Однако же комбинированный экран, составленный из электропроводящей и ферромагнитной оболочек, позволяет почти вдвое уменьшить индуктивность кольцевой обмотки якоря. При этом суммарные потери в двух оболочках экрана в два раза меньше, чем при использовании одной оболочки. Это позволяет существенно улучшить энергетические (КПД, cos ϕ), а также массогабаритные показатели машины.
На фиг. 1 показан поперечный разрез электрической машины с кольцевой сверхпроводниковой обмоткой якоря - вариант конструктивного выполнения с погружным охлаждением.
Электрическая машина с кольцевой сверхпроводниковой обмоткой якоря содержит корпус 1, в котором расположены внешний комбинированный экран, составленный из электропроводящей 3 и ферромагнитной 2 оболочек, шихтованный ферромагнитопровод статора 4, на котором размещена кольцевая m-фазная обмотка якоря 5 из высокотемпературной сверхпроводящей ленты второго поколения (ВТСП-2), внутренний немагнитный бандаж обмотки якоря 6, магнитопровод ротора 8, на полюсах 7 которого расположена многополюсная обмотка возбуждения 9 в виде рейстрековых катушек из ВТСП-2 ленты. Между катушками обмотки возбуждения расположены клинообразные немагнитные распорки 11 с каналами охлаждения для удержания катушек от возможных перемещений. В магнитопроводе 8 и полюсах 7 ротора электрической машины выполнены каналы 12 для охлаждения обмотки возбуждения. В случае раздельного криостатирования оболочка 10 выполняется в виде многослойного цилиндра для обеспечения криостатирования обмотки возбуждения.
Машина в режиме генератора работает следующим образом. За счет вращения магнитного поля ротора, возникающего при протекании по катушкам возбуждения постоянного тока, относительно обмоток якоря в последних индуцируется m-фазная ЭДС. При этом сверхпроводящее состояние обмоток якоря и возбуждения может поддерживаться либо размещением их в общем криостате с хладагентом, например жидким азотом, либо путем раздельного криостатирования - размещением кольцевой сверхпроводниковой обмотки якоря в криостате, расположенном между внутренним бандажом и внешним экраном, а обмотки возбуждения во вращающемся криостате ротора.
Таким образом, особенностями заявляемой полезной модели являются применение кольцевой обмотки якоря, снижающей габариты машины, использование ВТСП-2 проводников в кольцевой обмотке якоря и рейстрековой обмотке возбуждения, применение комбинированного составного внешнего экрана, уменьшающее индуктивное сопротивление рассеяния, а также предлагаемые рациональные варианты охлаждения сверхпроводниковых обмоток якоря и возбуждения.
Результаты поверочных электромагнитных расчетов параметров данной полезной модели и исследований на моделях показали, что данный тип электрических машин перспективен для применения в системах электроснабжения транспортных средств нового поколения включая летательные аппараты. По мнению авторов, совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели необходима и достаточна для достижения заявляемого технического результата.