СИНХРОННАЯ РЕАКТИВНАЯ МАШИНА Российский патент 1999 года по МПК H02K55/02 H02K19/06 H02K1/22 

Предлагаемое изобретение относится к синхронным реактивным электрическим машинам с использованием высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) и может найти применение в криогенной, аэрокосмической и медицинской технике, в электроприводе транспортных систем.

Известны синхронные реактивные машины с различным конструктивным выполнением роторов [2-5]. Общими для всех конструктивных схем положительными качествами являются простота конструкции, высокая эксплуатационная надежность, связанная с отсутствием скользящих контактов, строго синхронная скорость вращения ротора. К недостаткам их относятся невысокие значения энергетических показателей (КПД и cosϕ), а также намного меньшие значения мощности и развиваемого момента по сравнению с мощностью и моментом асинхронного двигателя и синхронного двигателя с обмоткой возбуждения на роторе при одинаковых габаритах.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является синхронная реактивная машина [2], содержащая статор с шихтованным сердечником, в пазах которого размещена многофазная многополюсная обмотка, цилиндрический ротор с короткозамкнутой обмоткой, состоящий из ферромагнитных элементов и немагнитных промежутков, заполненных материалами с относительной магнитной проницаемостью μ ~ 1 (алюминий, медь и т.д.). В данной конструкции ротора, использующей разнородные по магнитным свойствам материалы, имеют место различные магнитные проводимости по продольной d и поперечной q осям. Здесь по обеим осям реализуются только ферромагнитные свойства материалов при относительной магнитной проницаемости μ ≫ 1.
Недостатком данной конструкции является относительно низкое значение отношения х_d/х_q (где х_d, х_q - индуктивные сопротивления по осям d и q), определяемое различием в магнитной проводимости по продольной и поперечной осям машины. Это ведет к невысоким значениям мощности, механического момента. КПД и cosϕ. Увеличение отношения х_d/х_q ограничено магнитными свойствами используемых традиционных материалов. Кроме того, существенное рассеяние в зубцовой зоне статора ухудшает индуктивные параметры машины и снижает выходную мощность.

Целью изобретения является повышение энергетических (мощности, механического момента, коэффициента мощности и КПД) и массогабаритных показателей машины.

Цель достигается тем, что в синхронной реактивной 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 ферромагнитных элементов и немагнитных промежутков и размещенной на нем короткозамкнутой обмотки, немагнитные промежутки ротора заполнены диамагнитным высокотемпературным сверхпроводниковым материалом. Кроме того, ротор может быть выполнен композитным в виде чередующихся слоев из ферромагнитных элементов и немагнитных промежутков, заполненных диамагнитным высокотемпературным сверхпроводниковым материалом, либо в виде массивного ферромагнитного сердечника и диамагнитных массивных блоков из высокотемпературного сверхпроводникового материала, либо представлять собой сочетание композитного варианта или варианта с ферромагнитным сердечником и диамагнитными ВТСП блоками и цилиндрического экрана из высокотемпературного сверхпроводникового материала, закрепленного на внешней поверхности ротора. По радиальным границам пазов статора могут быть размещены диамагнитные вставки из высокотемпературного сверхпроводникового материала. Ротор может быть выполнен многополюсным.

Положительный эффект указанной совокупности отличительных признаков заключается в том, что в отличие от прототипа, представляющего собой синхронный реактивный двигатель с ротором, выполненным из двух разнородных по магнитным свойствам материалов (стали и алюминия, меди или пластмассы), в сверхпроводниковой синхронной реактивной электрической машине немагнитные промежутки заполнены ВТСП керамикой, величина магнитной проницаемости которой μ_s лежит в диапазоне от нуля (идеальный диамагнетик) до величины магнитной проницаемости воздуха μ_o(0 < μ_s < μ_o). Это позволяет реализовать различные магнитные свойства по разным направлениям: ферромагнитные свойства по оси d ротора где K_Fe - коэффициент заполнения ротора железом; относительное значение магнитной проницаемости железа; относительная проницаемость ротора по продольной оси d; μ_o - магнитная проницаемость воздуха) и уникальные диамагнитные свойства по оси q где относительная магнитная проницаемость ротора по поперечной оси q). При этом коэффициент, характеризующий степень явнополюсности ротора К = x_d/x_q, которому пропорционален максимум мощности реактивной машины, существенно возрастает по сравнению с традиционным ротором с немагнитными промежутками из алюминия, меди, пластмассы, у которого x_d/x_q≈5. В варианте с композитным ротором или ротором с диамагнитными ВТСП блоками и цилиндрическим ВТСП экраном дополнительное увеличение мощности получается за счет того, что ВТСП керамика цилиндрической оболочки, помещенная в постоянное магнитное поле, при охлаждении до криогенной температуры "захватывает" магнитный поток и работает в режиме "вмороженного потока" эквивалентно постоянному магниту. При этом уровень магнитных полей в ВТСП материале существенно выше (1-2 Тл при температуре жидкого азота - 77 К и 7 Тл при температуре жидкого водорода 20,4 К) значений, достигаемых существующими постоянными магнитами. Диамагнитые ВТСП вставки по радиальным границам пазов статора уменьшают магнитные потоки рассеяния в зубцовой зоне, улучшая тем самым индуктивные параметры и энергетические характеристики машины.

Использование указанной совокупности признаков для реализации поставленных целей в других технических решениях авторам неизвестно.

На фиг. 1 показана конструктивная схема сверхпроводниковой синхронной реактивной электрической машины, которая содержит статор 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 сочетание ферромагнитных элементов 4 (стальных) и немагнитных промежутков 5, заполненных диамагнитным ВТСП материалом, например, YBCO керамикой, работающей в криогенной среде при температуре жидкого азота (77,8 К). На фиг. 1-4 приведены конструктивные варианты роторов, которые могут быть композитными в виде чередующихся слоев ферромагнитного 4 и диамагнитного ВТСП 5 материалов (фиг. 1) или представлять собой массивный ферромагнитный сердечник 8 с диамагнитными массивными ВТСП блоками 9 в немагнитных промежутках (фиг. 2). На фиг 3, 4 приведены конструктивные варианты роторов с цилиндрическим экраном 10 из ВТСП материала, закрепленным на внешней поверхности ротора. В пазах статора по радиальным границам могут быть размещены диамагнитные вставки 6 из ВТСП материала (фиг. 1-8). Ротор может быть выполнен с числом полюсов равным двум и более (фиг. 5-8). Для асинхронного запуска на роторе размещена короткозамкнутая обмотка 7 (фиг. 1-8).

В качестве основного конструктивного варианта выбрана машина, в которой ферромагнитные элементы и немагнитные промежутки ротора, заполненные диамагнитным ВТСП материалом, выполнены в виде чередующихся слоев (фиг. 1).

Предлагаемая машина работает следующим образом. При электромагнитном взаимодействии полюсов вращающегося магнитного поля статора и невозбужденных полюсов ротора возникает момент, который будет вращать ротор с синхронной частотой. Возникновение вращающего момента связано с существенной анизотропией магнитных свойств ротора (ВТСП + ферромагнетик). Благодаря тому, что отношение магнитных проводимостей по осям d и q в рассматриваемых машинах существенно выше (λ_d/λ_q ~ 15), чем максимально достижимые значения в традиционных синхронных реактивных машинах, где λ_d/λ_q ~ 4÷5, развиваемый вращающий момент и мощность синхронных реактивных машин с использованием ВТСП элементов в 2-3 раза больше чем у традиционных синхронных реактивных машин.

Следует отметить особенности работы конструктивных вариантов на фиг 3, 4, 7 и 8. В общем случае эти машины аналогичны явнополюсной синхронной машине с возбужденными полюсами ротора, в частности, явнополюсной синхронной машине с возбуждением от постоянных магнитов, размещенных на роторе. Развиваемый электромагнитный момент здесь имеет две составляющие: основную, зависящую от напряжения сети и ЭДС, наведенной магнитным потоком вращающегося ротора в обмотке статора, и реактивную, независящую от магнитного потока полюсов ротора, а определяемую только соотношением x_d и x_q. Однако, если в традиционных явнополюсных синхронных машинах основная составляющая магнитного момента является определяющей в величине результирующего момента и доля реактивной составляющей в результирующем моменте невелика, в рассматриваемых синхронных реактивных машинах с ВТСП элементами (фиг. 3, 4, 7 и 8) определяющей в результирующем моменте является реактивная составляющая. Это объясняется относительно большой величиной рабочего воздушного зазора δ, где размещается цилиндрический ВТСП экран.

ВТСП материалы, применяемые в роторах рассматриваемых синхронных реактивных сверхпроводниковых машин, могут представлять собой как объемные ВТСП элементы с высокой токонесущей способностью (например, элементы, выполненные на основе монокристаллов из YВСО керамик или висмутовых керамик), так и объемные поликристаллические ВТСП элементы с низкой токонесущей способностью (например, текстурированные YBCO керамики с большими размерами кристаллитов). Относительная величина токонесущей способности объемных ВТСП керамических элементов определяется параметром ξ = (J_stΔ)/(J_sqa). Здесь J_st и J_sq - величины плотностей транспортного (межгранульного) и внутригранульного токов соответственно; Δ и a - характерные размеры ВТСП элемента и СП-кристаллита соответственно [1].

Авторами разработана теория рабочих процессов и методики расчета параметров и характеристик синхронных реактивных машин с ротором на базе ВТСП элементов различного конструктивного выполнения. Разработаны, изготовлены и испытаны опытные образцы реактивных ВТСП моторов мощностью порядка 1 - 2,5 кВт.

На фиг. 9 - 11 приведены результаты теоретических исследований параметров реактивного ВТСП двигателя: зависимости выходной мощности N, момента М, тока статора 1, индукции в зазоре B_a и коэффициента мощности cosϕ от рабочего угла γ (все параметры приведены в системе СИ). Расчеты показали, что при постоянных значениях напряжения питания U, воздушного зазора L_a, магнитной проницаемости железа μ_Fe и коэффициента, характеризующего степень ориентации гранул в ВТСП керамике K_sp, при переходе от традиционных немагнитных материалов с относительной магнитной проницаемостью μ ~ 1 к ВТСП керамике с малыми значениями μ ~ 0,1 максимальное значение выходной мощности двигателя возрастает примерно в 3 - 4 раза, cosϕ увеличивается примерно на 20%, а КПД возрастает на 40% для машин малой мощности и на 10% для машин мощностью порядка 100 кВт по сравнению с традиционными синхронными реактивными машинами.

Предлагамое изобретение может быть использовано в качестве синхронного реактивного двигателя в приводе насосов для перекачки криогенных жидкостей, в системах электроснабжения летательных аппаратов, в частности, самолета "Криоплан" АНТК им. Туполева, в системах криообеспечения нового медицинского оборудования, в частности томографов, в высокоскоростном наземном транспорте, в физических приборах и оборудовании.

Источники информации
1. Сверхпроводниковые электрические машины и магнитные системы: Учеб. пособие для вузов по спец. "Электромеханика"/А.И.Бертинов, Б.Л.Алиевский, К. В. Илюшин, Л.К.Ковалев, В.С.Семенихин. Под ред. Б.Л.Алиевского. - М.: Изд-во МАИ, 1993.

2. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. Учебник для вузов. - М.: Энергия, 1980.

3. Голдовский Е. М. Реактивные двигатели для звукового кино. - Кинофотоиздат, 1935.

4. Ермолин Н.П. Электрические машины малой мощности. - М.: Высшая школа, 1962.

5. Williford J. W. Electric motor. United States Patent 2.939.025, Cl. 310-261, 31.05.60.

Использование: в криогенной, аэрокосмической и медицинской технике, в приводе перспективных транспортных систем. Сущность изобретения: машина содержит статор с шихтованным сердечником с многофазной многополюсной обмоткой, цилиндрический ротор, состоящий из ферромагнитных элементов и немагнитных промежутков и размещенной на нем короткозамкнутой обмотки. Немагнитные промежутки ротора заполнены диамагнитным высокотемпературным сверхпроводниковым материалом. Ферромагнитные элементы и немагнитные промежутки ротора могут быть выполнены в виде чередующихся слоев, в виде массивного ферромагнитного сердечника и диамагнитных массивных блоков из высокотемпературного сверхпроводникового материала. На внешней поверхности ротора может быть закреплен цилиндрический экран из высокотемпературного сверхпроводникового материала. По радиальным границам пазов статора размещены диамагнитные вставки из высокотемпературного сверхпроводникового материала. Изобретение позволяет повысить энергетические (мощность, КПД, cosϕ) и массогабаритные показатели машины. 5 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Синхронная реактивная машина, содержащая статор с шихтованным сердечником, размещенную в его пазах многофазную многополюсную обмотку, цилиндрический ротор, состоящий из ферромагнитных элементов и немагнитных промежутков и размещенной на нем короткозамкнутой обмотки, отличающаяся тем, что немагнитные промежутки ротора заполнены диамагнитным высокотемпературным сверхпроводниковым материалом. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что ферромагнитные элементы и немагнитные промежутки ротора, заполненные диамагнитным высокотемпературным сверхпроводниковым материалом, выполнены в виде чередующихся слоев. 3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что ферромагнитные элементы и немагнитные промежутки ротора выполнены соответственно в виде массивного ферромагнитного сердечника и диамагнитных массивных блоков из высокотемпературного сверхпроводникового материала. 4. Машина по любому по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что ротор снабжен цилиндрическим экраном из высокотемпературного сверхпроводникового материала, закрепленным на внешней поверхности. 5. Машина по любому по пп.1 - 4, отличающаяся тем, что по радиальным границам пазов статора размещены диамагнитные вставки из высокотемпературного сверхпроводникового материала. 6. Машина по любому по пп.1 - 5, отличающаяся тем, что ротор выполнен многополюсным.