МНОГОПОЛЮСНАЯ СИНХРОННАЯ ВТСП ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА

Предлагаемая полезная модель относится к синхронным электрическим машинам с постоянными магнитами (ПМ) и высокотемпературными сверхпроводниковыми (ВТСП) элементами и предназначена для использования в автономных электроэнергетических установках перспективных авиационно-космических комплексов с полностью электрифицированным приводным оборудованием..
Известны синхронные машины 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. Т.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 близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели является синхронная машина с постоянными магнитами, приведенная в книге Д.А.Бута Основы электромеханики - М.: Изд-во МАИ, 1996 на стр.157, содержащая статор с шихтованным сердечником, в пазах которого размещена многофазная многополюсная обмотка, цилиндрический ротор, состоящий из массива чередующихся блоков постоянных магнитов с радиальной намагниченностью и немагнитных элементов, установленных на валу машины на втулке из магнитомягкого материала.
Техническим результатом использования данной полезной модели является повышение энергетических (мощности, механического момента, коэффициента мощности и КПД) показателей машины.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в многополюсной синхронной ВТСП электрической машине, содержащей 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 радиальной намагниченностью и немагнитных элементов, установленных на валу машины на втулке из магнитомягкого материала, немагнитные элементы ротора выполнены в виде объемных блоков из высокотемпературного сверхпроводникового (ВТСП) материала (например иттриевой керамики YBCO), размещенных между блоками постоянных магнитов, и на роторе установлены диамагнитные вставки, выполненные в виде тонких ВТСП пластин, размещенных вдоль оси полюсов ротора радиально на немагнитном валу машины.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в отличие от прототипа, представляющего собой синхронную многополюсную машину с ПМ на роторе, выполненными в виде массива чередующихся блоков постоянных магнитов с радиальной намагниченностью и блоков немагнитных элементов с относительной магнитной проницаемостью µ ~ 1 (например, алюминий или компаунд), в конструкции данной машины применены блоки из ВТСП керамики, а также вставки из ВТСП керамики, установленные вдоль оси полюсов ротора с относительной магнитной проницаемостью 0,1<µ<0,7.
Анализ работы синхронных ВТСП 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, создаваемый ПМ ротора. Таким образом, ВТСП элементы после захолаживания машины 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 синхронной машины. В результате этого изменяются индуктивные сопротивления реакции якоря по продольной и поперечной осям машины и улучшаются ее 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 Расчет энергетических параметров рассматриваемой конструкции показал, что в этом случае максимальная мощность, определяющая перегрузочную способность двигателя, возрастает на 20-25%. При этом в рабочем диапазоне углов θ=45° рост мощности составляет величину порядка 30%.
Поперечный разрез многополюсной синхронной ВТСП электрической машины показан на фиг.1.
Многополюсная синхронная ВТСП электрическая машина 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 и блоков из диамагнитной ВТСП керамики 5, установленных на втулке из магнитомягкого материала 6, диамагнитные ВТСП вставки 7, размещенные вдоль оси полюсов ротора радиально на немагнитном валу 8 машины, бандаж 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.
На основе данной полезной модели разработана конструкция четырехполюсного высокодинамичного электропривода с ПМ и ВТСП элементами мощностью ~ 500 кВт. Определены угловые характеристики рассматриваемого электродвигателя, которые приведены на фиг.2 как при наличии, так и при отсутствии объемных ВТСП элементов ротора. Видно, что использование объемных ВТСП элементов позволяет увеличить выходную мощность на ~ 30%.
Данный тип электрических двигателей может быть использован в приводах испытательных стендов автомобильной промышленности, так как он удовлетворяет специфическим требованиям - высокая мощность и высокий коэффициент динамичности при малой инерционности ротора. По мнению авторов, совокупность существенных признаков рассматриваемой полезной модели необходима и достаточна для достижения заявленного технического результата.
Литература
1. В.А.Балагуров, Ф.Ф.Галтеев. Электрические генераторы с постоянными магнитами - М.: Энергоатомиздат, 1998. -280 с.
2. Д.А.Бут. Основы электромеханики - М.: Изд-во МАИ, 1996
3. Специальные электрические машины. Под ред. Б.Л.Алиевского. М.: Энергоатомиздат, 1993. -230 с.
4. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. Т.1 и 2. - М: Издательский дом МЭИ, 2006,