СИНХРОННАЯ РЕАКТИВНАЯ МАШИНА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2000 года по МПК H02K55/02 H02K19/14 H02K21/46 

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 cos ϕ ), 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 то, что использование широких немагнитных промежутков, заполненных слоем меди, алюминия и т.д., снижает коэффициент заполнения ротора активным ферромагнитным материалом, что может приводить к ограничению предельных параметров машины из-за насыщения ротора. Кроме того, большие значения толщин слоев ферромагнитных элементов и немагнитных промежутков в роторе приводят к увеличению эффективного воздушного зазора, что в целом снижает энергетические параметры машины.

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 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 либо ленточным высокотемпературным сверхпроводниковым композитом с высокой токонесущей способностью, либо диамагнитным высокотемпературным сверхпроводниковым материалом в виде пленок, нанесенных на подложку, и выполнены в виде чередующихся с ферромагнитными элементами слоев.

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 μ₀(0<μ_s<μ₀) Это позволяет реализовать различные магнитные свойства по разным направлениям: ферромагнитные свойства по оси d ротора и уникальные диамагнитные свойства по оси q. При этом коэффициент, характеризующий степень явнополюсности ротора K=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. Благодаря тому, что используемые ВТСП материалы обладают высокой токонесущей способностью, размеры немагнитных промежутков в роторе могут быть существенно снижены по сравнению с известными конструкциями реактивных электрических машин, повышается коэффициент заполнения ротора активным ферромагнитным материалом (до k₃ = 0,5), что позволяет снизить опасность насыщения ротора, улучшить характеристики по продольной оси d и повысить выходные характеристики рассматриваемых машин. Использование тонких слоев ферромагнитных элементов и немагнитных промежутков позволяет существенно снизить отрицательное влияние конечного секционирования ротора на величину эффективного воздушного зазора, что повышает энергетические параметры машины. Немагнитные промежутки могут быть выполнены в двух вариантах. Первый вариант (фиг. 1) - немагнитные промежутки заполнены ленточным высокотемпературным сверхпроводниковым композитом с высокой токонесущей способностью, изготавливаемым по известной технологии "порошок в трубе" [6], с последующей прокаткой, обеспечивающей протекание незатухающих сверхпроводящих короткозамкнутых токов по сечению ленты. Ленточный ВТСП композит имеет толщину ~ 0,55 мм и представляет собой размещенную в серебряной матрице ВТСП керамику (например, висмутовая керамика Bi-Sr-Ca-Cu-O), имеющую критические токи j_кр~ 130 А/мм² и более в жидком азоте при температуре Т ~77 К. В жидком водороде (Т ~ 20 К) величина критического тока повышается до ~ 1500 А/мм². Второй вариант (фиг. 2) - немагнитные промежутки заполнены диамагнитным высокотемпературным сверхпроводниковым материалом в виде ВТСП пленок толщиной от 40 мкм до 0,5 мм, нанесенных на подложку различными способами, например, путем ионного или магнетронного распыления, электронно-лучевого или лазерного испарения [7] . Материал подложки MgO, сапфир. Si, SrTiO₃ и др.

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

На фиг. 1 и 2 показаны варианты конструктивной схемы 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 либо ленточным высокотемпературным сверхпроводниковым композитом (фиг. 1), представляющим собой ВТСП керамику 7, размещенную в серебряной матрице 6, либо диамагнитным высокотемпературным сверхпроводниковым материалом (фиг. 2) в виде ВТСП пленок 8 на подложке 9. Для асинхронного запуска на роторе размещена короткозамкнутая обмотка 10 (фиг. 1, 2).

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.

Авторами разработаны основы теории и проектирования таких электрических машин, разработаны и изготовлены первые опытные образцы.

Предлагаемое 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, B.C. 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, C1. 310-261, 31.05.60.

6. Гуревич А.В., Минц Р.Г., Рахманов Л.Л. Физика композитных сверхпроводников. - М.: Наука, 1987.

7. Лабунов В.А., Борисенко В.Е., Воеводов Ю.Э., Грибковский В.В. Получение, свойства, применение тонких пленок керамических высокотемпературных сверхпроводников. ЦНИИ "Электроника", 1989, 57 с.

Использование: в синхронных реактивных электрических машинах, с применением высокотемпературных сверхпроводников в криогенной, аэрокосмической и медицинской технике, в приводе перспективных транспортных систем. 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 либо ленточным высокотемпературным сверхпроводниковым композитом с высокой тонконесущей способностью, либо диамагнитным высокотемпературным сверхпроводниковым материалом в виде пленок, нанесенных на подложку. Ферромагнитные элементы и немагнитные промежутки ротора выполнены в виде чередующихся слоев. Технический результат заключается в повышении энергетических (мощность, КПД, cos α) и массогабаритных показателей машины. 2 с.п. ф-лы, 2 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 ленточным высокотемпературным сверхпроводниковым композитом с высокой токонесущей способностью и выполнены в виде чередующихся с ферромагнитными элементами слоев. 2. 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 в виде пленок, нанесенных на подложку, и выполнены в виде чередующихся с ферромагнитными элементами слоев.