Электрическая машина с постоянными магнитами и обмотками из высокотемпературного сверхпроводникового материала
ELECTRIC MACHINE WITH PERMANENT MAGNETS AND WINDINGS FROM HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR MATERIAL

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к синхронным электрическим машинам с высокоэнергетическими постоянными магнитами (ПМ) и высокотемпературными сверхпроводниковыми (ВТСП) элементами, и предназначена для использования в перспективных разработках аэрокосмической техники, в частности более электрифицированный самолет (БЭС) и полностью электрифицированный самолет (ПЭС).
Известны синхронные электрические машины, содержащие массивы блоков постоянных магнитов, намагниченных в радиальном, тангенциальном направлениях и в виде чередующихся постоянных магнитов с радиальной и тангенциальной намагниченностями - система Хальбаха (см. P. Tixador, F. Simon, H. Daffix. 150-kW Experimental Superconducting Permanent-Magnet Motor. IEEE Transactions on applied superconductivity, vol. 9, No. 2, June, 1999; Электрические машины и устройства на основе массивных высокотемпературных сверхпроводников, под редакцией Л.К. Ковалева, К.Л. Ковалева и С.М-А. Конеева, М., Физматлит, 2010, 396 с.; Л.Г. Вержбицкий, Л.К. Ковалев, К.Л. Ковалев, В.Н. Полтавец, Д.В. Голованов, Д.С. Дежин. Высокоэффективные синхронные двигатели на основе наноструктурированных высокотемпературных сверхпроводников и постоянных магнитов. Сверхпроводимость: исследования и разработки. Международный журнал ISSN 0868-8885, №15, 2011; Патент №123264 от 20 декабря 2012 г. Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина с постоянными магнитами; Dmitry Golovanov, Michael Galea, Chris Gerada. High Specific Torque Motor for Propulsion System of Aircraft. In: ESARS Itec 2016, 2-4 Nov 2016, Toulouse, France); Патент №169041 от 02 марта 2017 г. Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина. Общий недостаток известных устройств - относительно невысокие значения удельной мощности и энергетических характеристик.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является сверхпроводниковая синхронная электрическая машина с постоянными магнитами (Патент РФ №123264. Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина с постоянными магнитами), содержащая корпус, в котором размещены статор с расположенной на нем многофазной многополюсной обмоткой, ротор, состоящий из массива блоков постоянных магнитов, содержащий чередующиеся постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностями, установленные в пазах немагнитного пакета ротора, и диамагнитные пластины из массивного ВТСП материала, размещенные в середине полюсов ротора.
Основная задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении массоэнергетических характеристик синхронных электрических машин с постоянными магнитами на роторе. Техническим результатом использования данного изобретения является повышение удельной мощности и кпд электрической машины.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в электрической машине с постоянными магнитами и обмотками из высокотемпературного сверхпроводникового материала, содержащей статор с размещенной на нем многофазной многополюсной обмоткой, ротор, состоящий из массива блоков постоянных магнитов, содержащий чередующиеся постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностями, установленные в пазах немагнитного пакета ротора, и диамагнитные пластины из массивного ВТСП материала, размещенные в середине полюсов ротора, обмотка статора выполнена из ВТСП материала в виде рейстрековых катушек и расположена на зубцах, установленных на внешнем защитном экране, который может быть выполнен ферромагнитным, диамагнитным или комбинированным, составленным из двух концентрических оболочек: внутренней - ферромагнитной и внешней - диамагнитной. Между катушками обмотки статора установлены диамагнитные вставки, выполненные из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала в виде пластин либо в виде клинообразных вставок с возможностью охлаждения ВТСП обмотки статора. На внешней поверхности ротора расположена тонкостенная оболочка из ВТСП пленочного материала. В качестве ВТСП материала обмотки статора используется ВТСП лента второго поколения (ВТСП-2). (Фиг. 1).
Технический результат обеспечивается тем, что в отличие от прототипа, где обмотки статора выполнены из обычного проводникового материала и расположены в пазах шихтованного пакета из листов электротехнической стали, в предлагаемом изобретении обмотки статора выполнены из высокотемпературной сверхпроводниковой ленты второго поколения (ВТСП-2) с существенно более высокой токонесущей способностью при температуре жидкого азота (77,8 К), что снижает электрические потери и повышает допустимую токовую нагрузку. Кроме того, отсутствие зубцового слоя позволяет увеличить магнитную индукцию в воздушном зазоре машины. Диамагнитные вставки между катушками обмотки статора из массивного высокотемпературного СП материала способствуют повышению концентрации основного магнитного потока в рабочей зоне машины. Внешний защитный экран, на котором установлены зубцы с расположенной на них обмоткой статора, служит также для защиты внешних устройств от действия переменного магнитного поля. Кроме того, при наличии ферромагнитной оболочки в составе экрана в рабочей зоне может быть повышена магнитная индукция. Указанные факторы способствуют увеличению удельной мощности и кпд машины.
к
к
На внешней поверхности ротора заявляемой конструкции расположена тонкостенная оболочка на основе тонкопленочного ВТСП материала, применение которой в качестве диамагнитного экрана позволит существенно снизить главные индуктивные сопротивления электрической машины, что приводит к увеличению пиковой выходной мощности. Суть этого явления заключается в том, что при понижении температуры ниже критической (T<T, где T - температура перехода ВТСП материала в нормальное состояние) магнитное поле ПМ ротора «вмораживается» в ВТСП экран, а сам он приобретает ярко выраженные диамагнитные свойства. Это позволяет экранировать ротор от переменных магнитных полей, создаваемых обмотками якоря, и тем самым снижать величину индуктивных сопротивлений и увеличивать электромагнитную мощность машины.
2
1
2
1
2
Сравнительный анализ различных конструктивных схем синхронных машин с ПМ и ВТСП пленкой на поверхности ротора по пиковой мощности для различной относительной толщины ПМ-Δ=r-r/r, где r, r - внешний и внутренний радиусы цилиндра Хальбаха с постоянными магнитами на основе редкоземельных материалов (РЗМ) показал, что наибольший выигрыш для синхронной машины с ПМ радиально-тангенциальной намагниченности реализуется при средних значениях полюсности (2≤p≤4, где p - число пар полюсов) при относительной толщине магнитов 0,4≤Δ≤0,5 (см. Сверхпроводимость: исследования и разработки. Международный журнал ISSN 0868-8885, №15, 2011, стр. 54).
Для подтверждения результатов теоретического анализа разработана и испытана экспериментальная модель синхронной машины с постоянными магнитами радиально-тангенциальной намагниченности на роторе и ВТСП элементами. На фиг.2 приведены зависимости выходной мощности от угла нагрузки 9. Предварительные оценки показывают, что наличие ВТСП пластин в полюсе синхронной машины приводит к анизотропии магнитных свойств ротора, появлению добавочной мощности и снижению значения критического угла θ (θ<90°). При этом выигрыш по мощности составил примерно 15…20% по сравнению с синхронной машиной без ВТСП пластин на роторе. При наличии оболочки на основе ВТСП пленки, расположенной на поверхности ротора и выполняющей роль диамагнитного экрана (экранирование магнитных полей от токов якоря), существенно снижаются индуктивные сопротивления по осям d и q машины, что приводит к увеличению максимальной мощности примерно в 1,5 раза по сравнению с синхронной машиной без ВТСП оболочки.
Следует отметить также, что отсутствие ферромагнитного материала во внутренней области ротора синхронной машины с постоянными магнитами радиально-тангенциальной намагниченности способствует улучшению ее выходных характеристик вследствие существенного снижения индуктивных сопротивлений, а также позволяет снизить ее массу.
Таким образом, совокупность указанных признаков обеспечивает достижение технического результата.
На фиг. 1 представлен поперечный разрез электрической машины с постоянными магнитами и ВТСП обмотками.
Электрическая машина с постоянными магнитами и ВТСП обмотками содержит корпус 5 с теплоизоляцией 1, в котором размещен статор, содержащий рейстрековые ВТСП катушки 2, намотанные ВТСП-2 лентами и расположенные на зубцах 3 из стеклотекстолита. Между катушками статора установлены диамагнитные вставки 11 из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала. Катушки 2, расположенные на зубцах 3, установлены на внешнем защитном экране 4, запрессованном в корпус 5. Установленный на немагнитном валу 10 машины цилиндрический ротор 6 представляет собой немагнитный пакет, в пазах которого размещены чередующиеся постоянные магниты с радиальной 7 и тангенциальной 8 намагниченностью. В середине магнитных полюсов ротора установлены пластины из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала 9, например YBCO керамики, работающей в критической фазе при температуре жидкого азота (77,8 К). На поверхности ротора расположена тонкостенная оболочка из пленочного ВТСП материала 12.
Предлагаемое устройство в режиме генератора работает следующим образом. При вращении ротора магнитное поле постоянных магнитов индуцирует в обмотке статора m-фазную эдс. Результаты проектных расчетов позволяют заключить, что рассматриваемая конструкция обеспечивает повышение энергетических и улучшение массогабаритных показателей по сравнению с прототипом.
По мнению авторов, предлагаемое изобретение может быть использовано в авиационно-космической технике по назначению, а совокупность его существенных признаков необходима и достаточна для достижения заявленного технического результата.