Патент на изобретение №2180156
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) СВЕРХПРОВОДНИКОВАЯ СИНХРОННАЯ МАШИНА
(57) Реферат: 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 соs  и массогабаритных показателей машины. 2 з.п.ф-лы, 11 ил.
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 cos . 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 соs. 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 cos.
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>Ткр). В зоне ВТСП создается постоянное магнитное поле с индукцией В. Обмотка ротора охлаждается и при температуре Т<Ткр 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 Ткр. 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 информации1. 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. Формула изобретения
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
