Патент на изобретение №2178942

(54) СВЕРХПРОВОДНИКОВАЯ ВЕНТИЛЬНАЯ ИНДУКТОРНАЯ МАШИНА

(57) Реферат:

Изобретение относится к вентильным индукторным электрическим машинам с использованием высокотемпературных сверхпроводников. Технический результат, заключающийся в улучшении энергетических и массогабаритных показателей, достигается путем того, что сверхпроводниковая вентильная индукторная машина снабжена вторым статором с шихтованным сердечником, на полюсных выступах которого расположена многофазная катушечная обмотка, и вторым ротором, расположенным на одном валу с первым ротором, на валу между двумя роторами размещена цилиндрическая вставка из высокотемпературного сверхпроводникового материала с “вмороженным” магнитным потоком, представляющая собой криомагнит, намагниченный в осевом направлении и обеспечивающий однополярность полюсных выступов первого и второго роторов, на статоре установлен соленоид, охватывающий вышеуказанную цилиндрическую вставку, для “вмораживания” в нее магнитного потока, статоры соединены цилиндрическим магнитопроводом, а их многофазные катушечные обмотки снабжены коммутатором, обеспечивающим однополярность намагничивания полюсов каждого статора. 6 з. п. ф-лы, 6 ил.

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

Известны вентильные индукторные машины различного конструктивного выполнения /1-4/. Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является вентильная индукторная машина /1/, содержащая статор с шихтованным сердечником, размещенную на его полюсных выступах многофазную катушечную обмотку, цилиндрический ротор, содержащий шихтованный сердечник с полюсными выступами.

К недостаткам данной конструкции относятся низкие массогабаритные и энергетические показатели. Это обусловлено, во-первых, небольшой величиной коэффициента эффективности электромеханического преобразования энергии, равного отношению преобразованной энергии к энергии, потребленной от источника, и, во-вторых, увеличенными габаритами катушек статора и системы коммутации вследствие необходимости создания значительных импульсных магнитных полей.

Целью изобретения является улучшение массогабаритных и повышение энергетических показателей.

Цель достигается тем, что сверхпроводниковая вентильная индукторная машина, содержащая статор с шихтованным сердечником, размещенную на его полюсных выступах многофазную катушечную обмотку, цилиндрический ротор, содержащий шихтованный сердечник с полюсными выступами, снабжена вторым статором с шихтованным сердечником, на полюсных выступах которого расположена многофазная катушечная обмотка, и вторым ротором, расположенным на одном валу с первым ротором, на валу между двумя роторами размещена цилиндрическая вставка из высокотемпературного сверхпроводникового материала с “вмороженным” магнитным потоком /5/, представляющая собой криомагнит, намагниченный в осевом направлении и обеспечивающий однополярность полюсных выступов первого и второго роторов, на статоре установлен соленоид, охватывающий вышеуказанную цилиндрическую вставку, для “вмораживания” в нее магнитного поля, статоры соединены цилиндрическим магнитопроводом, а их многофазные катушечные обмотки снабжены коммутатором, обеспечивающим однополярность намагничивания полюсов каждого статора, разнополярность полюсов первого и второго статоров, совпадение направления магнитного потока в полюсах статоров с направлением магнитного потока вышеуказанной вставки, а также поочередность включения катушечных обмоток каждой фазы в заданной последовательности. Цилиндрическая вставка из высокотемпературного сверхпроводникового материала с “вмороженным” потоком может быть выполнена в виде сплошного цилиндра, набрана из ряда дисков или ряда колец из массивной ВТСП керамики или композитных ВТСП материалов, набранных слоями. Кроме того, ротор снабжен немагнитной втулкой, охватывающей вышеуказанную цилиндрическую вставку.

Положительный эффект указанной совокупности отличительных признаков заключается в том, что в отличие от прототипа, представляющего собой вентильную индукторную машину, имеющую один статор и один ротор, предлагаемая конструкция сверхпроводниковой вентильной индукторной машины, снабженная вторыми статором и ротором, а также содержащая цилиндрическую ВТСП вставку с “вмороженным” магнитным потоком на валу между двумя роторами, позволяет создать в воздушном зазоре машины значительные величины индукции магнитного поля, что ведет к увеличению КПД и улучшению массогабаритных показателей машины. Однополярность полюсных выступов статоров и роторов также позволяет повысить КПД, а в сочетании с цилиндрической ВТСП вставкой – уменьшить габариты фазных катушек статора. При этом коэффициент эффективности электромеханического преобразования энергии машины возрастает, что также способствует улучшению массогабаритных показателей. Кроме того, в этом случае уменьшаются габариты коммутатора, обеспечивающего создание импульсного магнитного поля.

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

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен продольный разрез сверхпроводниковой вентильной индукторной машины, на фиг. 2 – поперечный разрез сверхпроводниковой вентильной индукторной машины, на фиг. 3 – конструктивный вариант выполнения цилиндрической ВТСП вставки в виде сплошного цилиндра, на фиг. 4 – конструктивный вариант выполнения цилиндрической ВТСП вставки в виде ряда дисков, на фиг. 5 – конструктивный вариант выполнения цилиндрической ВТСП вставки в виде ряда колец, на фиг. 6 – схема подключения к источнику питания обмоток статоров.

На фиг. 1 и 2 показана конструктивная схема сверхпроводниковой вентильной индукторной машины, которая содержит сердечники первого 1 и второго 2 статоров, набранные из листов стали и имеющие полюсные выступы 3, на которых размещены многофазные катушечные обмотки 4, статоры соединены цилиндрическим магнитопроводом 5 из магнитомягкой стали и расположены в одном цилиндрическом корпусе 6 из немагнитного материала, и роторы с шихтованными сердечниками 7 и 8 и полюсными выступами 9, которые размещены на одном валу 10 из магнитомягкого материала, между двумя роторами охватываемая немагнитной втулкой 11 расположена цилиндрическая вставка 12 из высокотемпературного сверхпроводникового материала, на статоре также установлен соленоид 13, охватывающий вышеуказанную цилиндрическую вставку для “вмораживания” в нее магнитного потока. Ротор закреплен в подшипниковых щитах 14 и 15, выполненных из немагнитного материала. На фиг. 3, 4 и 5 представлены варианты выполнения цилиндрической вставки 12 из высокотемпературного сверхпроводникового материала в виде сплошного цилиндра 16, из ряда дисков 17 и из ряда колец 18. Нa фиг. 6 представлена схема подключения к источнику питания обмоток 4 статоров 1 и 2 через коммутатор 19 на примере двух полюсных выступов, принадлежащих первому 1 и второму 2 статорам. Коммутатор включает в себя управляемые вентили 20 и диоды 21.

В качестве основного конструктивного варианта выбрана машина с цилиндрической вставкой из высокотемпературного сверхпроводникового материала с “вмороженным” потоком, выполненной в виде сплошного цилиндра.

В основу работы машины положено использование криомагнита, роль которого выполняет объемный ВТСП элемент с “вмороженным” магнитным потоком (в частности, в предлагаемой машине – цилиндрическая ВТСП вставка). Процесс “вмораживания” магнитного поля в цилиндрическую ВТСП вставку осуществляется с помощью соленоида, представляющего собой цилиндрическую катушку, находящуюся в среде жидкого азота. В перспективе, учитывая прогресс в области создания ВТСП проводов с высокими критическими параметрами, указанный соленоид может быть выполнен на основе высокотемпературных сверхпроводников с высокой критической плотностью тока. При этом ожидается, что массогабаритные показатели соленоида и машины в целом заметно улучшатся. Цилиндрическая ВТСП вставка охлаждается до температуры ниже критической для высокотемпературного сверхпроводника (Т<Т_кр). Соленоид запитывается импульсами тока от постороннего источника, что приводит к возникновению импульсов внешнего магнитного поля, которые проникают в ВТСП цилиндрическую вставку, тем самым намагничивая ее. После отключения соленоида от источника питания ВТСП цилиндрическая вставка остается намагниченной до величины поля проникновения В_р высокотемпературного сверхпроводника при условии, что максимальное внешнее поле при намагничивании будет не менее удвоенного значения поля проникновения /6/. Величина “вмороженного” поля В_р определяется критической плотностью тока J_c ВТСП материала и радиусом ВТСП цилиндра r(B_p = ₀j_cr). Цилиндрическая ВТСП вставка приобретает свойства постоянного магнита, которые сохраняет до тех пор, пока температура ВТСП будет ниже критической.

Предлагаемая машина работает следующим образом. Катушки статоров поочередно в заданной последовательности через коммутатор запитываются импульсным током с целью создания на статоре однополярных полюсов. Причем импульсы тока в катушках первого и второго статоров обеспечивают однополярное и противоположное намагничивание полюсов обоих статоров так, что направление силовой линии магнитного поля каждой катушки совпадает с направлением силовой линии магнитного поля, создаваемого цилиндрической ВТСП вставкой в полюсных выступах обоих статоров. Требуемая полярность намагничивания полюсов каждого статора обеспечивается соответствующим подключением одноименных зажимов катушек (звездочки на фиг. 6) к источнику питания посредством управляемых вентилей. Коммутатор может быть выполнен на любом управляемом вентиле (например, транзисторе). После закрытия очередного транзистора диоды обеспечивают рекуперацию в сеть энергии, накопленной в индуктивностях катушек.

Момент в предлагаемой машине создается за счет взаимодействия в воздушном зазоре однополярных магнитных полей фазных катушек статоров, возникающих при импульсном поочередном запитывании их, и магнитного поля, создаваемого ВТСП цилиндрической вставкой с “вмороженным” магнитным потоком. При этом обеспечивается вращение ротора в направлении, противоположном направлению вращения полей фазных обмоток статора. В машине может быть предусмотрен относительный сдвиг полюсов первого и второго роторов на угол ~/2p для снижения пульсаций осевого магнитного поля в зоне цилиндрической ВТСП вставки.

Современные объемные BТСП материалы способны к “вмораживанию” высоких значений магнитного поля (1-3 Тл при температуре жидкого азота – 77К и ~ 16 Тл при температуре жидкого водорода и гелия – 4-20К). Эти величины существенно выше, чем достигнутые к настоящему времени значения создаваемых магнитных полей высокоэнергетическими постоянными магнитами на основе РЗМ. Проведенные расчеты показывают, что вентильные индукторные машины с использованием постоянных магнитов на основе ВТСП материалов с “вмороженным” магнитным потоком (криомагнитов) превосходят по массогабаритным показателям электрические машины традиционного выполнения в 3-4 раза и более, что позволяет существенно увеличить мощность единичного агрегата и снизить металлоемкость машины.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Miller T. J. E. Switched Reluctance Motors and Their Control. – Oxford: Magna Physics Publishing and Clarendon Press, 1993.

2. Lawrenson P. e. a. Variable-Speed Switched Reluctance Motors. – IEEE Proc. , Vol. 127, . 4, July, 1980.

3. Бут Д. А. Модификации вентильно-индукторных двигателей и особенности их расчетных моделей. – Электричество, 2000, 7.

4. Ильинский Н. Ф. Перспективы применения вентильно-индукторного привода в современных технологиях. – Электротехника, 1997, 2.

5. 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. : Изд-во МАИ, 1993.

6. Глебов И. Л. , Лаверик Ч. , Шахтарин В. Н. Электрофизические проблемы использования сверхпроводимости. – Л. : Наука, 1980.

Формула изобретения

1. Сверхпроводниковая вентильная индукторная машина, содержащая статор с шихтованным сердечником, размещенную на его полюсных выступах многофазную катушечную обмотку, цилиндрический ротор, содержащий шихтованный сердечник с полюсными выступами, отличающаяся тем, что она снабжена вторым статором с шихтованным сердечником, на полюсных выступах которого расположена многофазная катушечная обмотка, и вторым ротором, расположенным на одном валу с первым ротором, на валу между двумя роторами размещена цилиндрическая вставка из высокотемпературного сверхпроводникового (ВТСП) материала с “вмороженным” магнитным потоком, представляющая собой криомагнит, намагниченный в осевом направлении и обеспечивающий однополярность полюсных выступов первого и второго роторов, на статорах установлен соленоид, охватывающий вышеуказанную цилиндрическую вставку, для “вмораживания” в нее магнитного потока, статоры соединены цилиндрическим магнитопроводом, а их многофазные катушечные обмотки снабжены коммутатором, обеспечивающим однополярность намагничивания полюсов каждого статора, разнополярность полюсов первого и второго статоров, совпадение направления магнитного потока в полюсах статоров с направлением магнитного потока вышеуказанной вставки, а также поочередность включения катушечных обмоток каждой фазы в заданной последовательности.

2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что цилиндрическая вставка из высокотемпературного сверхпроводникового материала с “вмороженным” магнитным потоком выполнена в виде сплошного цилиндра.

3. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что цилиндрическая вставка из высокотемпературного сверхпроводникового материала с “вмороженным” магнитным потоком набрана из ряда дисков.

4. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что цилиндрическая вставка из высокотемпературного сверхпроводникового материала с “вмороженным” магнитным потоком набрана из ряда колец.

5. Машина по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что цилиндрическая вставка из высокотемпературного сверхпроводникового ВТСП материала с “вмороженным” магнитным потоком выполнена из массивной ВТСП керамики.

6. Машина по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что цилиндрическая вставка из высокотемпературного сверхпроводникового материала с “вмороженным” магнитным потоком выполнена из композитных ВТСП материалов, набранных слоями.

7. Машина по любому из пп. 1-6, отличающаяся тем, что снабжена немагнитной втулкой, охватывающей вышеуказанную цилиндрическую вставку.

РИСУНКИ