СВЕРХПРОВОДНИКОВАЯ СИНХРОННАЯ МАШИНА Российский патент 2002 года по МПК H02K55/02 

Изобретение относится к сверхпроводниковым синхронным электрическим машинам с использованием объемных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), работающих в режиме "вмороженного" магнитного потока, и может найти применение в криоэнергетике и аэрокосмической технике.

Известны сверхпроводниковые электрические машины (гистерезисные, реактивные, с "вмороженным" магнитным потоком) [1-7], где в качестве активных элементов на роторе используются объемные ВТСП материалы (в частности, иттриевая керамика YBCO). Электрические машины этого класса имеют преимущества по массогабаритным (в ~3-4 раза) и энергетическим показателям по сравнению с традиционными электрическими машинами. Если говорить о сверхпроводниковых электрических машинах с "вмороженным" магнитным потоком [1,2,4-6], то эти преимущества объясняются, в частности, способностью объемных ВТСП материалов к "вмораживанию" высоких значений магнитного поля (1-2 Тл при температуре жидкого азота - 77 К и более 6 Тл при температуре жидкого водорода и гелия - 4-20 К). Эти величины существенно выше, чем у современных высокоэнергетических постоянных магнитов на основе редкоземельных материалов (например, Nd-Fe-B, которые создают магнитные поля величиной ~1 Тл при комнатной температуре). Такие машины работают как в двигательном, так и в генераторном режимах [5]. К недостаткам их относится сложность конструкции статора с аксиальным воздушным зазором и дополнительными цилиндрическими катушками для "вмораживания" магнитного поля в YBCO блоки, а также относительно сложный процесс "вмораживания" магнитного поля, требующий реализации сложной циклограммы запитывания обмотки, согласованной по времени с захолаживанием ее и переходом в сверхпроводящее состояние ВТСП материала ротора.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является сверхпроводниковая гистерезисная электрическая машина [7], содержащая статор с шихтованным сердечником, в пазах которого размещена многофазная многополюсная обмотка, цилиндрический ротор с закрепленными на его внешней поверхности в виде неявно выраженных полюсов активными элементами, которые изготовлены из высокотемпературного сверхпроводникового материала и выполнены в виде сплошного полого цилиндра, чередующихся тонких слоев высокотемпературных сверхпроводниковых пленок и слоев диэлектрика или стержней, образующих короткозамкнутую клетку, размещенную в пазах ротора.

Недостатком данной конструкции являются невысокие значения коэффициента мощности и КПД вследствие повышенных токов намагничивания, обусловленных большим воздушным зазором. По этой же причине массогабаритные показатели прототипа относительно невысоки.

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

Цель достигается тем, что в сверхпроводниковой синхронной электрической машине, содержащей магнитопроводящий статор, выполненный шихтованным и имеющий пазы, распределенные по его внутренней поверхности, размещенную в этих пазах многофазную многополюсную обмотку и цилиндрический ротор, установленный на валу машины, ротор выполнен в виде явнополюсного ферромагнитного сердечника с расположенными на полюсах катушками, состоящими из короткозамкнутых неизолированных витков из высокотемпературного сверхпроводникового материала, образующих монолитную конструкцию. Короткозамкнутые витки могут быть выполнены в виде плоских рамок из материала, такого как высокотемпературный сверхпроводниковый многослойный пластинчатый композит на основе висмутовой керамики в серебряной матрице (Bi-Ag) или объемного высокотемпературного сверхпроводникового материала на основе монодоменной иттриевой керамики (YBCO). Кроме того, короткозамкнутые витки могут быть выполнены из высокотемпературных сверхпроводниковых композитных проводов на основе висмутовой и иттриевой керамик ленточного типа, круглого либо прямоугольного сечения.

Положительный эффект указанной совокупности отличительных признаков заключается в том, что в отличие от прототипа, представляющего собой машину с неявно выраженными полюсами на роторе, в сверхпроводниковой синхронной электрической машине с "вмороженным" в короткозамкнутые элементы магнитнымпотоком явнополюсная конструкция ротора позволяет уменьшить воздушный зазор, что способствует увеличению магнитной связи ротора и статора, повышению КПД и cosϕ. Благодаря тому, что "вмороженные" магнитные поля значительно выше, чем у современных высокоэнергетических постоянных магнитов, величина индукции магнитного поля в воздушном зазоре таких машин будет существенно больше, чем у ВТСП гистерезисных машин. Следовательно, в сравнении с ними при тех же габаритах выходная мощность в предлагаемой электрической машине существенно повышается. Кроме того, более низкие значения намагничивающего тока дополнительно обусловливают повышение КПД и соsϕ. Высокие значения индукции в воздушном зазоре позволяют также для создания той же величины момента на валу снизить плотность тока статорной обмотки, что ведет к уменьшению электрических потерь и повышению КПД. Если величина созданной в зазоре индукции превышает индукцию насыщения стали зубцов статора, можно отказаться от зубцовой зоны; при этом будут отсутствовать потери в зубцах. Если освободившееся пространство заполнить обмоткой статора, то ток статора дополнительно можно снизить примерно в 2 раза, что также будет способствовать улучшению массогабаритных показателей и повышению КПД и cosϕ.

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

На фиг. 1 и 4 показаны поперечные разрезы сверхпроводниковой синхронной машины с "вмороженным" магнитным потоком с роторными катушками, короткозамкнутые витки которых выполнены в виде плоских рамок из ВТСП композитного пластинчатого материала на основе висмутовой керамики или объемного ВТСП материала на основе иттриевой керамики с числом пар полюсов р=1 (фиг.1) и р=2 (фиг.4).

На фиг. 2 и 5 показаны поперечные разрезы сверхпроводниковой синхронной машины с "вмороженным" магнитным потоком с роторными катушками, короткозамкнутые витки которых выполнены из ВТСП композитных проводов ленточного типа на основе висмутовой или иттриевой керамики с числом пар полюсов р=1 (фиг.2) и р=2 (фиг.5).

На фиг. 3 и 6 показаны поперечные разрезы сверхпроводниковой синхронной машины с "вмороженным" магнитным потоком с роторными катушками, короткозамкнутые витки которых выполнены из ВТСП композитных проводов круглого сечения на основе висмутовой или иттриевой керамики с числом пар полюсов р=1 (фиг.3) и р=2 (фиг.6).

На фиг.7 представлено фото плоских прямоугольных рамок из ВТСП композитного пластинчатого материала на основе висмутовой керамики в серебряной матрице-Bi-Ag.

На фиг.8 - фото ВТСП ротора в сборе.

На фиг.9 - схема включения статорной обмотки при "вмораживании" магнитного поля в ВТСП.

На фиг.10 - схема включения статорной обмотки в рабочем режиме.

На фиг. 11 приведены результаты испытаний ВТСП электрической машины в генераторном режиме на холостом ходу.

На фиг. 1-6 показаны варианты конструктивной схемы сверхпроводниковой синхронной машины с "вмороженным" магнитным потоком, которая содержит статор 1, выполненный шихтованным и имеющий пазы, распределенные по его внутренней поверхности, в которых размещена многофазная многополюсная обмотка 2, установленный на валу цилиндрический ротор 3, представляющий собой явнополюсный ферромагнитный сердечник 4 с катушками 5 на полюсах, состоящими из короткозамкнутых неизолированных витков из ВТСП материала, которые замкнуты между собой, образуя монолитную конструкцию; между полюсными катушками в конструктивном варианте с числом пар полюсов р=1 расположены конструкционные неметаллические вставки 6 (фиг.1-3), в четырехполюсной конструктивной схеме (фиг.5) между катушками соседних полюсов расположены конструкционные неметаллические вставки 7. Полюсные катушки могут быть выполнены путем набора плоских рамок 8 (фиг.7) из ВТСП композитного пластинчатого материала на основе висмутовой керамики в серебряной матрице - Bi-Ag, или из объемного ВТСП материала на основе иттриевой керамики YBCO (фиг.1, 4), а также из короткозамкнутых витков ВТСП композитных проводов на основе Bi или YBCO керамик ленточного типа (фиг.2, 5), круглого (фиг.3, 6) либо прямоугольного сечения.

В качестве основного конструктивного варианта выбрана машина с полюсными катушками, состоящими из короткозамкнутых неизолированных витков в виде плоских рамок из высокотемпературного сверхпроводникового материала.

Предлагаемая машина работает следующим образом. Для осуществления "вмораживания" магнитного поля в ВТСП короткозамкнутые элементы ротора обмотка статора соединяется по схеме фиг.9 и запитывается постоянным током при температуре большей критической температуры высокотемпературного сверхпроводника (Т>Т_кр). В зоне ВТСП создается постоянное магнитное поле с индукцией В. Обмотка ротора охлаждается и при температуре Т<Т_кр высокотемпературного сверхпроводника обмотка статора отключается. В короткозамкнутых ВТСП витках ротора наводятся токи и полюса ротора приобретают свойства постоянных магнитов, которые сохраняются до тех пор, пока температура ВТСП будет ниже Т_кр. Схему соединения обмотки статора переключают на работу на переменном токе (фиг.10) и далее электрическая машина, например в режиме двигателя, работает как обычная явнополюсная синхронная машина с возбужденными полюсами, в частности, с возбуждением от постоянных магнитов, размещенных на роторе. При электромагнитном взаимодействии полюсов вращающегося магнитного поля статора и возбужденных полюсов ротора (квазипостоянных ВТСП магнитов) возникает момент, который будет вращать ротор с синхронной частотой.

Авторами разработаны основы теории и проектирования таких электрических машин, разработаны, изготовлены и испытаны первые опытные образцы. Фото ВТСП ротора в сборе опытного образца с композитными пластинчатыми Bi-Ag элементами приведено на фиг.8. Из графиков фиг.11 видно, что полученные на основе проведенных испытаний синхронного двигателя с "вмороженным" в короткозамкнутые ВТСП элементы на роторе магнитным потоком действующие значения напряжения составляют примерно 135 В при токе, равном 2 А, а величина индукции магнитного поля в зоне ВТСП ~0,8 Тл. Как было показано, предложенная конструкция ВТСП двигателя с "вмороженным" магнитным потоком с использованием объемных ВТСП элементов на основе YBCO керамик, композитных пластинчатых Bi-Ag элементов, а также ВТСП композитных проводов на основе висмутовой и иттриевой керамики обладают более высокими энергетическими и массогабаритными (в 3-4 раза) показателями и, следовательно, меньшей металлоемкостью при их производстве по сравнению с двигателями традиционного исполнения. В этой связи предлагаемое изобретение отвечает современным требованиям к экологии и энергосберегающим технологиям при производстве его и последующей эксплуатации.

Источники информации
1. Itoh Y. et al. High-Temperature Superconducting Motor Using Y-Ba-Cu-О Bulk Magnets.-Jpn. Appl. Phys., v. 34, p. 5574-5578, part l, N 10, 1995.

2. Kovalev L. K. et al. New Types of Electric Mashines on the Basis of the Bulk HTS Elements: Recent Results and Future Development. - Proc, of ICEC-18, Mumbai, India, 2000.

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

4. Crapo A.D., Lloyd J.D. Homopolar DC Motor Trapped Flux Brushless DC Motor Using High Temperature Superconductor Materials. IEEE Trans. Magn., v. 27, N 2, 1991.

5. Weinstein R., Sawh R., Crapo A. An Experimental Generator Using High Temperature Superconducting Quasi-Permanent Magnets.

6. Патент США N 5177054, Н 02 К 1/22, опубл. 1993.

7. Патент РФ N 2023341, Н 02 К 55/02, опубл. 1994.

Использование: в сверхпроводниковых синхронных электрических машинах с использованием объемных высокотемпературных сверхпроводников, работающих в режиме "вмороженного" магнитного потока в криоэнергетике и аэрокосмической технике. Машина содержит статор с шихтованным сердечником с многофазной многополюсной обмоткой. Цилиндрический ротор выполнен в виде явнополюсного ферромагнитного сердечника с расположенными на полюсах катушками. Катушки состоят из короткозамкнутых неизолированных витков из высокотемпературного сверхпроводникового материала, образующих монолитную конструкцию. Короткозамкнутые витки могут быть выполнены в виде плоских рамок из высокотемпературного сверхпроводникового многослойного пластинчатого композита на основе висмутовой керамики в серебряной матрице (Bi-Ag) или объемного высокотемпературного сверхпроводникового материала на основе монодоменной иттриевой керамики (YBCO). Кроме того, короткозамкнутые витки могут быть выполнены из высокотемпературных сверхпроводниковых композитных проводов на основе висмутовой и иттриевой керамик ленточного типа, круглого либо прямоугольного сечения. Технический результат заключается в повышении мощности, КПД и соsϕ и массогабаритных показателей машины. 2 з.п.ф-лы, 11 ил.

1. Сверхпроводниковая синхронная машина, содержащая статор с шихтованным сердечником, размещенную в его пазах многофазную многополюсную обмотку, цилиндрический ротор, отличающаяся тем, что ротор выполнен в виде явнополюсного ферромагнитного сердечника с расположенными на полюсах катушками, состоящими из короткозамкнутых неизолированных витков из высокотемпературного сверхпроводникового материала, образующих монолитную конструкцию. 2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что короткозамкнутые витки выполнены в виде плоских рамок из высокотемпературного сверхпроводникового композитного пластинчатого материала на основе висмутовой керамики или объемного высокотемпературного сверхпроводникового материала на основе иттриевой керамики. 3. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что короткозамкнутые витки выполнены из высокотемпературных сверхпроводниковых композитных проводов на основе висмутовой или иттриевой керамик ленточного типа, круглого либо прямоугольного сечения.