СВЕРХПРОВОДНИКОВАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 1994 года по МПК H02K55/02 

Изобретение относится к гистерезисным электрическим машинам с использованием высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП ГМ) и может найти применение в криогенных системах (в том числе, авиационно-космических).

Известны гистерезисные двигатели с различным конструктивным выполнением роторов. Общими для всех конструктивных схем положительными качествами являются большой пусковой момент и момент входа в синхронизм, незначительное изменение тока от пуска до холостого хода и от холостого хода до номинальной нагрузки, малое время разгона и т.д. К недостаткам их относятся низкий коэффициент мощности, не превосходящий 0,3-0,45 (большой намагничивающий ток, достигающий 90-95% от номинального). Кроме того, синхронные гистерезисные двигатели развивают невысокий механический момент на валу.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является синхронная электрическая машина, содержащая статор, имеющий сердечник с многофазной обмоткой, образующей магнитные полюса, ротор, имеющий вал и корпус, с жестко закрепленными на нем активными элементами. Активные элементы изготовлены из сверхпроводниковых диамагнитов, выполненных в виде отдельных цилиндрических сегментов, количество которых равно числу пар полюсов статора.

Недостатком данной конструкции является невозможность работы машины в асинхронном режиме при обеспечении постоянного момента на валу. Кроме того, конструкция прототипа не позволяет регулировать частоту вращения ротора (в режиме двигателя) и расширять диапазон генерируемой частоты (в режиме генератора) путем переключения числа пар полюсов обмотки статора без дополнительных конструктивных изменений на роторе. Невысокие значения коэффициента использования активного объема высокотемпературного сверхпроводникового (ВТСП) материала на роторе из-за наличия перемычек между сегментами снижает развиваемый момент на валу машины. Относительно высокие значения индуктивных сопротивлений прототипа обусловливают невысокие значения коэффициента мощности.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей, а также повышение удельного механического момента и коэффициента мощности.

Цель достигается тем, что в сверхпроводниковой 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 безобмоточный цилиндрический ротор с закрепленными на его поверхности активными элементами, выполненными из высокотемпературного сверхпроводникового материала, активные элементы на роторе равномерно распределены по его периферии. Кроме того, активные элементы могут быть выполнены в виде сплошного полого цилиндра; многослойной структуры, состоящей из чередующихся тонких слоев высокотемпературных сверхпроводниковых пленок и слоев диэлектрика; стержней, образующих беличью клетку, а ротор выполнен с пазами, в которых они размещены.

Таким образом, положительный эффект указанной совокупности отличительных признаков заключается в том, что при работе, например, в режиме двигателя изменение числа полюсов статора автоматически приводит к изменению числа полюсов ротора, обеспечивая возможность регулирования частоты вращения ротора. Кроме того, вследствие размагничивающего воздействия магнитного поля ротора на внешнее магнитное поле понижается индуктивное сопротивление двигателя, что ведет к повышению коэффициента мощности и удельного механического момента.

Изобретение поясняется фиг. 1-14.

Сверхпроводниковая электрическая машина (фиг. 1) содержит магнитопроводящий статор 1, выполненный шихтованным и имеющий пазы, распределенные по его внутренней поверхности, в которых размещена многофазная многополюсная обмотка 4, установленный на валу машины безобмоточный цилиндрический ротор 3 с закрепленными на его поверхности активными элементами 2, выполненными из высокотемпературного сверхпроводящего материала, например керамики YBa₂Cu₃O₇, работающей в криогенной среде при температуре жидкого азота (77,8 К). На фиг. 2, 3, 4 приведены конструктивные варианты активных элементов из ВТСП материала, которые могут быть выполнены в виде сплошного полого цилиндра 5; представлять собой многослойную структуру, состоящую из тонких слоев ВТСП пленок, нанесенных по определенной технологии на слои стеклопластика 6; изготовлены в виде стержней 7, образующих беличью клетку, размещенную в пазах ротора 3.

В качестве основного конструктивного варианта выбрана машина со сплошным полым цилиндрическим активным элементом.

Сверхпроводниковая электрическая машина с ВТСП активными элементами, работает, например, в режиме двигателя, следующим образом. При подаче напряжения на обмотку статора 4 создаваемое ею вращающееся магнитное поле проникает в ВТСП цилиндр и индуцирует в нем сложную систему токовых зон, обусловленных проникновением нитей Абрикосова в ВТСП элемент, движущихся синхронно с внешним магнитным полем статора (см. фиг. 5). На фиг. 5 приняты следующие обозначения: ω_c=ω/p - угловая частота вращения магнитного поля; р - число пар полюсов; ω - круговая частота тока в обмотках статора; I_с - плотность тока в обмотке статора. На фиг. 6 приведено распределение токов в обмотке статора, а на фиг. 7 - развертка полученной картины распределения индуцированных токов в ВТСП элементе, показанных на фиг. 5. Здесь n - число фаз статора; I_s - сверхпроводниковая составляющая плотности индуцированного критического тока в ВТСП элементе; r_s - граница раздела токовых зон в ВТСП элементе, х (r, ϕ) - функция распределения критических токов в ВТСП.

На фиг. 8-10 показана схема формирования токовых слоев в ВТСП цилиндрическом элементе, находящемся во вращающемся магнитном поле, представленных на фиг. 11 и 12 для двигательного и генераторного режимов соответственно.

На фиг. 8 и 9 показано типичное распределение индукции магнитного поля В_r и критического тока I_s в плоской пластине и круглом образце из ВТСП, находящихся в однофазном внешнем магнитном поле (0, Вy, 0). На фиг. 10 приведено распределение критического тока I_s в круглом ВТСП образце, находящемся в поперечном магнитном поле В_y=const(B_y< B_p) при появлении нарастающей во времени t компоненты индукции поля В_х=В_х(t). Эти распределения качественно соответствуют начальному этапу формирования токовых слоев в цилиндрическом ВТСП во вращающемся с частотой ω_c внешнем магнитном поле B_x= B_x(t) ≃ Bt. При дальнейшем развитии токовых слоев для стационарного режима вращения поля ω_c=const картина распределения В_s и I_s в ВТСП становится симметричной (см. фиг. 11 и 12). Она характеризуется некоторой глубиной проникновения поля δ в ВТСП и неподвижной стационарной относительно поля В границей раздела r_s= r _s( ϕ) токовых слоев с различной ориентацией Is. На фиг. 11 распределение В_s и I_s соответствует случаю работы ГМ в режиме двигателя - 1>s=(ω_c-ω_p)/ω_c>0, где ω_p - круговая частота вращения ротора; s - скольжение; ω_c = - угловая частота вращения магнитного поля в р-полюсной машине; ω- круговая частота тока в обмотках статора; на фиг. 12 - работе ГМ в режиме генератора - s>1. Эпюра распределения тангенциальной составляющей суммарного поля B_Σϕ внутри ВТСП элемента при I_c<I_*, где I_с - ток возбуждения (статора); I_* - ток статора, при котором происходит полное проникновение критических токов в керамический ВТСП элемент, описывается кусочно-ломаной функцией и представляет собой волну, движущуюся синхронно с внешним магнитным полем статора ГМ. Токовая зона в ВТСП элемента при I_c< I_* с точностью до членов 0 (δ²) может быть представлена в виде двух областей: реликтовой зоны 1, где напряженность электрического поля E = -∂A°Σ

В активной зоне 2 взаимодействие токов I_s в ВТСП элементе с радиальной компонентой индукции B_Σr приводит к возникновению тангенциальной силы f_ϕ, которая создает момент, действующий на ротор.

Из фиг. 11 и 12 следует, что реакция магнитного поля по продольной оси ВТСП активного элемента на внешнее магнитное поле статора будет размагничивающей. Следовательно, индуктивные сопротивления в предлагаемом двигателе будут подавлены, угол ϕ уменьшится и коэффициент мощности возрастет.

Авторами разработана общая теория рабочих процессов и методики расчета характеристик ВТСП гистерезисных машин различного конструктивного выполнения. По полученным аналитическим соотношениям проведены расчеты удельных значений потерь q и механических моментов m предлагаемой машины. На фиг. 14 приведены полученные результаты, а также сопоставление их с аналогичными параметрами других типов электрических двигателей: асинхронных (АД) с короткозамнутым ротором и гистерезисных с магнитотвердым ротором (ГД с МТР). Видно, для перспективных ВТСП материалов с I_s=1-50 А/мм² ВТСП ГМ имеют одинаковые характеристики с АД и с ГД МТР. При I_s≥100 А/мм² удельные параметры ВТСП ГМ оказываются выше удельных параметров современных образцов указанных типов машин.

Предлагаемое изобретение может быть использовано в качестве гистерезисного двигателя или асинхронного гистерезисного генератора переменного тока. Одним из возможных вариантов применения ВТСП ГД является использование его в качестве погружного двигателя для работы в криогенной среде для перекачки сжиженных природных газов, а также криогенных компонентов топлива на борту летательного аппарата.

Использование: многофазные гистерезисные электродвигатели с применением высокотемпературных сверхпроводников, используемые в криогенных системах. Сущность изобретения: электродвигатель содержит статор с шихтованным сердечником и многофазной, многополюсной обмоткой, ротор, на внешней поверхности которого расположены активные элементы из высокотемпературного сверхпроводникового материала, выполненные в виде неявновыраженных полюсов на цилиндрической поверхности ротора, в форме сплошного полого цилиндра или многослойной структуры из тонких слоев сверхпроводниковых пленок и слоев диэлектрика, или стержней короткозамкнутой клетки, что повышает удельный вращающий момент и коэффициент мощности. 3 з.п.ф-лы, 14 ил.

1. СВЕРХПРОВОДНИКОВАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА, содержащая статор с шихтованным сердечником, в пазах которого размещена многофазная многополюсная обмотка, безобмоточный цилиндрический ротор с расположенными на его внешней поверхности активными элементами из высокотемпературного сверхпроводникового материала, отличающаяся тем, что активные элементы выполнены в виде неявновыраженных полюсов на цилиндрической поверхности ротора. 2.Машина по п.1, отличающаяся тем, что активные элементы ротора выполнены в виде сплошного полого цилиндра. 3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что активные элементы ротора выполнены в виде чередующихся тонких слоев высокотемпературных сверхпроводниковых пленок и слоев диэлектрика. 4. Машина по п.1, отличающаяся тем, что активные элементы ротора выполнены в виде стержней, образующих короткозамкнутую клетку, размещенных в пазах ротора.