СВЕРХПРОВОДНИКОВАЯ СИНХРОННАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА

Полезная модель относится к электроэнергетике, а именно к синхронным электрическим машинам на основе высокотемпературных сверхпроводниковых материалов (ВТСП), и предназначена для более электрифицированного самолета (БЭС) и полностью электрифицированного самолета (ПЭС) в качестве одной из компонент электроэнергетического комплекса летательного аппарата.
Известны сверхпроводниковые синхронные электрические машины для электрических бортовых энергетических систем (см. Gamble B.B., Keim I.A. High power density superconducting generator. - Proc. 16-th Intersoc. Energy Conv. Eng. Conf. Centuccy, Seattle, Wash. 1980; Oberly C.E. Air forces application of lightweight superconducting machinery. - IEEE Trans. Magn., 1977, v. Mag-13, No. 1, p. 260-268; Oberly C.E., Schlicher R.L. Cryogenic wound rotor for lightweight high voltage generators. EPRI Pat. No. 4739200, USA, April 19, 1988; Oberly C.E., Kozlowski G., Fingers R.T. Implications of high temperature superconductors for power generator - Advances in Cryogenic Engineering (Materials), 1992, 38A - 479, p. 72; 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). 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 статор без ферромагнитопровода, на котором расположена m-фазная многополюсная сосредоточенная обмотка, ферромагнитный экран, ротор с явно выраженными полюсами, на которых расположена многополюсная обмотка возбуждения с числом пар полюсов р, выполненная в виде рейстрековых катушек из сверхпроводникового материала.
Недостаток этой конструкции заключается в относительно невысоком значении удельной мощности машины.
Основной задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является улучшение массогабаритных характеристик электрической машины.
Техническим результатом использования заявляемой полезной модели является увеличение значения удельной мощности электрической машины, повышение ее технологичности.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в сверхпроводниковой синхронной электрической машине, содержащей корпус, в котором размещены статор без ферромагнитопровода, на котором расположена m-фазная многополюсная сосредоточенная обмотка, ферромагнитный экран, ротор с явно выраженными полюсами, на которых расположена многополюсная обмотка возбуждения с числом пар полюсов p, выполненная в виде рейстрековых катушек из сверхпроводникового материала, обмотка статора, выполнена из высокотемпературного сверхпроводникового материала в виде рейстрековых катушек и расположена на зубцах, установленных на ферромагнитном экране, с числом пазов на полюс и фазу q≤1, обмотка ротора изготовлена из высокотемпературного сверхпроводникового материала. Обмотки ротора и статора выполнены с возможностью осуществления их охлаждения. В качестве высокотемпературного сверхпроводникового материала обмоток ротора и статора используется высокотемпературная сверхпроводящая лента второго поколения (ВТСП-2). Между катушками обмотки статора установлены диамагнитные вставки, выполненные из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала. В качестве системы охлаждения обмоток статора и ротора используется полостное охлаждение в виде каналов для хладагента в конструктивных узлах машины.
Технический результат обеспечивается тем, что обмотка возбуждения предлагаемой полезной модели в отличие от прототипа, где рейстрековые катушки сверхпроводниковой обмотки возбуждения намотаны низкотемпературным сверхпроводящим проводом (НТСП) на основе Nb-Ti, выполнена из высокотемпературной ленты второго поколения (ВТСП-2) с существенно более высокой токонесущей способностью. Использование в качестве материала обмоток статора и ротора высокотемпературного сверхпроводникового материала на основе ВТСП-2 лент позволяет существенно повысить конструктивную плотность тока в обмотках индуктора и якоря и является важным фактором, влияющим на повышение удельной мощности машины.
Число пазов на полюс и фазу якорной обмотки q выбирается меньшим или равным единице. С одной стороны, этот выбор обусловлен особенностью изготовления наиболее технологичных рейстрековых катушек из ВТСП-2 ленты, заключающейся в ограничении диаметра изгиба лобовой части обмотки (допускаемый минимальный диаметр изгиба современной ВТСП-2 ленты составляет 20 мм), что приводит к сокращению числа катушек якорной обмотки, размещенных на статоре. Это, в свою очередь, ведет к снижению числа пазов на полюс и фазу до значений, меньших единицы. С другой стороны, этот выбор способствует повышению удельной мощности машины, что объясняется возникновением в спектральном составе магнитного поля машины высших гармонических, наибольшими из которых являются 2-я и 3-я, что ведет к повышению величины основного магнитного потока электрической машины на 30-40%.
В отличие от прототипа между катушками статора 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 мощность.
На фиг. 1 приведен поперечный разрез сверхпроводниковой синхронной электрической машины.
Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина содержит корпус 1, выполненный для облегчения конструкции из титана, в котором размещен статор, содержащий рейстрековые ВТСП катушки 2, расположенные на зубцах 3 из стеклотекстолита. Катушки намотаны несколькими ВТСП - 2 лентами в параллель. Между катушками статора установлены диамагнитные вставки 4 из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала. Ротор представляет собой сердечник 5, выполненный в виде шестигранника из титана. На нем установлены и закреплены сердечники полюсов 6 со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения 7, а также полюсные наконечники 8. Сердечники 6 и полюсные наконечники 8 изготовлены из титана. Между полюсными наконечниками установлены клинья из стеклотекстолита 9. Для обеспечения теплоизоляции на несущей оболочке ротора расположен тепловой экран 10, представляющий собой два цилиндра, выполненных из нержавеющей стали, между которыми проложена изоляция. По внутренней поверхности сердечника ротора также уложена теплоизоляция 12. Катушки 2, расположенные на зубцах 3, установлены на ферромагнитном экране 11, запрессованном в корпус 1
Предлагаемое устройство в режиме генератора работает следующим образом.
За счет вращения магнитного поля ротора, возникающего при протекании по катушкам ротора постоянного тока, относительно обмоток статора в последних индуцируется m-фазная ЭДС. Сверхпроводящее состояние обмоток статора и ротора поддерживается путем прокачки через полостные каналы машины хладагента, например, жидкого водорода или азота. Теплоизоляция 11 предназначена для эффективного захолаживания обмоток ротора и статора.
Совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата в виде увеличения значения удельной мощности электрической машины и повышения ее технологичности за счет использования наиболее технологичных рейстрековых обмоток.