Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам, и может быть использовано в электроэнергетических установках и системах электропривода. Машина содержит статор, на котором размещены распределенная якорная обмотка с лобовыми частями, закрепленная на несущем изоляционном цилиндре, наружный цилиндрический ферромагнитный экран, защищающий внешнее пространство от магнитного поля машины, боковые магнитнонепроницаемые дискообразные экраны, внешний корпус и ротор, который установлен на валу, закрепленном в подшипниках, и состоит из однополярных относительно якорной обмотки магнитных полюсов на основе сверхпроводников, отделенных от якоря рабочим зазором, друг от друга - немагнитными межполюсными промежутками и от боковых экранов - аксиальными зазорами. Полюсы закреплены на втулке и охвачены цилиндром, выполняющим функции прочностного бандажа и демпферной обмотки, размещены в криостате и имеют ширину, равную ширине межполюсных промежутков, при этом значения магнитной индукции над полюсами и в наружной части межполюсных промежутков будут одинаковыми по модулю, но противоположными по направлению, т.е. магнитное поле - биполярное. Технический результат - увеличение электромагнитного момента и частоты тока в якорной обмотке за счет увеличения числа полюсов. 2 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам, и может быть использовано в электроэнергетических установках и системах электропривода.

Известны машины со сверхпроводниковыми обмотками, обеспечивающие уменьшение удельной массы (кг/кВА) в десятки раз по сравнению с обычными машинами [1].

Наиболее близким к данному изобретению является сверхпроводниковая синхронная электрическая машина, содержащая статор с якорной обмоткой и наружным цилиндрическим ферромагнитным экраном и ротор с магнитными полюсами, отделенными от якорной обмотки рабочим зазором и друг от друга - немагнитными межполюсными промежутками, [2] - прототип.

В отличие от заявляемого изобретения у прототипа полюсы ротора, обращенные к якорной обмотке, выполнены с разной полярностью, последовательно чередующейся от полюса к полюсу. Прототип имеет высокую удельную массу, низкие значения электромагнитного момента и частоты тока в якорной обмотке, что приводит к большому объему машины и связанного с ней оборудования, а также к ограничению функциональных возможностей машины - в плане регулирования, быстродействия и т.п. Причиной перечисленных недостатков прототипа является наличие немагнитных межполюсных промежутков, разделяющих магнитные полюсы разной полярности. В этих промежутках, во-первых, практически не используются проводники якорной обмотки, так как создаваемые в них ЭДС и электромагнитные силы малы вследствие малой магнитной индукции; во-вторых, в промежутках замыкаются неиспользуемые магнитные потоки рассеяния. Кроме того, значительные потоки рассеяния замыкаются в наружных торцевых зонах индуктора между разнополярными полюсами, примыкающих к межполюсным промежуткам. Таким образом, наличие межполюсных промежутков вызывает неполное использование проводников якорной обмотки и магнитного потока, что и приводит к повышенной массе машины.

Кроме того, наличие межполюсных промежутков уменьшает допустимое число полюсов в заданном объеме индуктора и, соответственно, частоты тока в якорной обмотке. Количественно роль межполюсных промежутков характеризуется коэффициентом полюсного перекрытия α=bП/τ, где bП - тангенциальная ширина полюса, τ - полюсное деление. В известных синхронных машинах α≈0,5-0,7. Коэффициент α входит в расчетные соотношения типа уравнения Арнольда для всех электрических машин и непосредственно определяет объем и массу машины [2].

Целью изобретения является снижение массы машины, увеличение электромагнитного момента и частоты тока в якорной обмотке за счет увеличения числа полюсов. Последнее обеспечивает расширение функциональных возможностей машины (регулирования, быстродействия и т.п.), а также снижает массу активных элементов не только машины, но и связанного с ней оборудования - трансформаторов, регуляторов, фильтров, коммутаторов и др.

Цель достигается тем, что в сверхпроводниковой синхронной электрической машине, содержащей статор с якорной обмоткой и наружным цилиндрическим ферромагнитным экраном и ротор с магнитными полюсами, отделенными от якорной обмотки рабочим зазором и друг от друга - немагнитными межполюсными промежутками, магнитные полюсы, обращенные к якорной обмотке, выполнены с одинаковой полярностью, при этом машина снабжена магнитно непроницаемыми дискообразными экранами, размещенными напротив торцов полюсов и отделенными от них аксиальными зазорами.

На фиг.1 показан продольный разрез сверхпроводниковой синхронной машины, на фиг.2 - ее поперечное сечение.

Машина содержит неподвижную часть - статор 1 и вращающуюся часть - ротор 2. Ротор 2 устанавливается внутри статора 1 соосно с ним. На статоре 1 размещены распределенная якорная обмотка 3 с лобовыми частями 4, закрепленная на несущем изоляционном цилиндре 5; наружный цилиндрический ферромагнитный экран 6, охватывающий статор и защищающий внешнее пространство от магнитного поля машины; боковые магнитно непроницаемые дискообразные экраны 7 и 8; внешний корпус 9. Ротор 2 содержит однополярные относительно якорной обмотки 3 магнитные полюсы 10 на основе сверхпроводников, отделенные от якоря рабочим зазором 11, друг от друга - немагнитными межполюсными промежутками 12 и от боковых экранов 7 и 8, размещенных напротив торцов полюсов 10 - аксиальными зазорами 13 и 14. Внутренние объемы полюсов 10 на фиг.1 и 2 условно обозначены точечным покрытием, которое соответствует объемным керамическим сверхпроводниковым модулям (криомагнитам) или сверхпроводниковым катушкам.

При использовании высокотемпературных сверхпроводников криомагниты выполняются на основе керамик типа Y-Cu-Ba-0 [3] и их наружные поверхности, обращенные к якорной обмотке 3, имеют одинаковую полярность. При использовании низкотемпературных сверхпроводников полюсы 10 содержат сверхпроводниковые катушки с одинаковым направлением намотки на всех полюсах для обеспечения их одинаковой полярности. Полюсы 10 закреплены на втулке 15 и охвачены цилиндром 16, выполняющим функции прочностного бандажа и демпферной обмотки, повышающей устойчивость работы синхронной машины.

Ротор 2 установлен на валу 17, закрепленном в подшипниках и боковых щитах (на фиг.1 и 2 не показаны) и имеет возможность вращаться, сохраняя соосное положение по отношению к статору 1. Полюсы 10 размещены в криостате, конструкция которого зависит от уровня рабочей температуры. При использовании низкотемпературных сверхпроводников гелиевый криостат размещен на роторе (на фиг.1 и 2 не показан) [2]. При использовании высокотемпературных сверхпроводников отдельный криостат на роторе не требуется и вся внутренняя полость машины заполняется хладагентом [3] (например, жидким азотом).

Магнитно непроницаемые боковые дискообразные экраны 7 и 8 могут быть диамагнитными или электродинамическими. Диамагнитные экраны с нулевой магнитной проницаемостью изготавливаются из сверхпроводников 1-го или 2-го рода [4] и могут закрепляться как на статоре 1, так и на роторе 2. Электродинамические экраны изготавливаются из обычных проводников (Си, А1 и др.) и закрепляются на статоре 1. При относительном движении статора 1 и ротора 2 с полюсами 10 в экране 7 и 8 наводятся вихревые токи, препятствующие проникновению магнитного поля. Толщина экрана должна превышать расчетное значение глубины скин-слоя [2]. При выполнении машины с большим отношением рабочей длины к диаметру активной зоны (λ=l/D≥2) боковые дискообразные экраны 7 и 8 могут отсутствовать.

Машина может быть выполнена как в цилиндрическом (вращающемся) исполнении, так и в линейном и торцевом исполнениях. Возможна обращенная конструкция с обмоткой якоря 3 на роторе 2 и магнитными полюсами 10 на статоре 1.

Принципы работы машины такие же, как у синхронных машин традиционного исполнения. В генераторном режиме за счет вращения ротора 2 внешним приводом и движения магнитных полюсов 10 наводится рабочая ЭДС в неподвижной якорной обмотке 3, которая создает переменный ток в электрических нагрузках, подключенных к генератору. В двигательном режиме переменный ток подводится из сети (или от автономного источника) к трехфазной или многофазной якорной обмотке 3, благодаря чему создается вращающееся магнитное поле. Его полюсы притягивают противоположные полюсы 10 ротора 2, что создает вращающий момент, приводящий в движение ротор с механической нагрузкой.

Положительный эффект указанной совокупности отличительных признаков заявляемого изобретения заключается в том, что по сравнению с прототипом в предложенной машине отсутствуют неиспользуемые межполюсные промежутки, так как в пространстве между конструктивно выраженными однополярными полюсами 10 возникает магнитное поле обратного направления благодаря неразрывности линий магнитной индукции согласно уравнению Максвелла div Все магнитные линии, исходящие из наружных частей полюсов, возвращаются обратно на их внутренние части по единственному пути - через межполюсные промежутки 12, как показано пунктирными контурами 18 на фиг.2. Боковые ответвления поля на торцах полюсов 10 не пропускаются магнитно непроницаемыми дискообразными экранами 7 и 8. Если ширина межполюсных промежутков 12 равна ширине полюсов 10, то из условия сохранения магнитного потока значения магнитной индукции над полюсами 10 и в наружной части межполюсных промежутков 12 будут одинаковыми по модулю, но противоположными по направлению. Таким образом, в машине имеются конструктивные полюсы одной полярности 10 и идентичные им “воздушные” полюсы противоположной полярности (межполюсные промежутки 12), не обладающие массой, причем конструктивные и воздушные полюсы непосредственно граничат между собой и неиспользуемые зоны между ними (как в аналогах и прототипе) отсутствуют. Машина имеет однополярные полюсы, но биполярное магнитное поле такое же, как в обычной синхронной машине.

Как показало физическое моделирование поля на макете магнитной системы, коэффициент α в предложенной машине увеличивается до 0,9-0,95, соответственно на 30-40% уменьшаются расчетные значения объема и массы машины.

В предложенной машине благодаря наличию обратного поля в межполюсных промежутках 12 удваивается эффективное число полюсов по сравнению с числом конструктивных полюсов 10. Использование наряду с конструктивными полюсами 10 одной полярности воздушных полюсов противоположной полярности, обеспечивает уменьшение удельной массы на 30-40%. За счет большего числа полюсов, при прочих равных условиях, увеличивается электромагнитный момент на валу на 20% и частота тока в якорной обмотке по сравнению с прототипом, что приводит к расширению функциональных возможностей машины, а также дополнительному снижению массы машины и связанных с ней электротехнических устройств - трансформаторов, регуляторов, фильтров, коммутаторов на 30-50%, поскольку с ростом частоты увеличиваются рабочие ЭДС при том же магнитном потоке, во всех активных элементах.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Сверхпроводящие машины и устройства / Под ред. С.Фонера и В.Шварца. Пер. с англ. под ред. Е.Ю.Клименко. - М., М. пр., 1977.

2. Специальные электрические машины. Источники и преобразователи энергии / А.И.Бертинов, Д.А.Бут, Б.Л.Алиевский и др. Под ред. Б.Л.Алиевского. - М.: Энергоатомиздат, 1993, т.2.

3. Сверхпроводниковые электрические машины и магнитные системы / А.И.Бертинов, Б.Л.Алиевский, К.В.Илюшин и др. - М.: Изд-во МАИ, 1993.

4. Глебов И.А., Лаверик И., Шахтарин В.Н. Электрофизические проблемы использования сверхпроводимости. - Л.: Наука, 1980.

Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина, содержащая статор с якорной обмоткой и наружным цилиндрическим ферромагнитным экраном и ротор с магнитными полюсами, отделенными от якорной обмотки рабочим зазором и друг от друга - немагнитными межполюсными промежутками, отличающаяся тем, что магнитные полюсы, обращенные к якорной обмотке, выполнены с одинаковой полярностью, при этом машина снабжена магнитно непроницаемыми боковыми дискообразными экранами, размещенными напротив торцов полюсов и отделенными от них аксиальными зазорами.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электроэнергетики и может найти применение в двигателях и других машинах, используемых в различных областях хозяйственной деятельности человека.

Изобретение относится к вентильным индукторным электрическим машинам с использованием высокотемпературных сверхпроводников. .

Изобретение относится к вентильным индукторным электрическим машинам с использованием высокотемпературных сверхпроводников. .

Изобретение относится к сверхпроводящему вращающемуся устройству типа сверхпроводящих генераторов, в которых по крайней мере обмотка ротора выполнена сверхпроводящей.

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к синхронным генераторам со сверхпроводниковыми обмотками. .

Изобретение относится к электрическим машинам, в частности к индукторам криогенной электрической машины с гиперпроводниковой обмоткой возбуждения. .

Изобретение относится к области электротехники, а именно к синхронным электрическим машинам с системой вентиляции, включающей поток текучей среды для охлаждения статора электрической машины

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, и касается выполнения электродвигателей со сверхпроводящей обмоткой и с аксиальным зазором, точнее высокомоментных электродвигателей, которые используются, например, в качестве привода автомобилей и судов

Изобретение относится к электротехнике, к синхронным машинам индукторного типа со сверхпроводящей катушкой

Изобретение относится к области электротехники и касается особенностей конструктивного выполнения и эксплуатации сверхпроводящих электрических машин, в частности сборок передачи крутящего момента в сверхпроводящих вращающихся машинах

Изобретение относится к электротехнике, к вращающимся машинам со сверхпроводящей обмоткой ротора. Сверхпроводящая вращающаяся машина имеет охладитель для сверхпроводящей обмотки ротора и состоит из ротора 1 со сверхпроводящей обмоткой 3, контактирующей с охлаждающей оправой 4 статора 2, окружающего ротор 1 и отделенного от него на заданный зазор. На корпусе 5, изолирующем сверхпроводящую вращающуюся машину от внешней среды, закреплен неподвижный криогенный охладитель 10, отделенный от ротора также на заданный зазор А. Передача тепла от сверхпроводящей обмотки 3 ротора к неподвижному криогенному охладителю 10 осуществляется в разреженной среде (вакууме) путем теплового электромагнитного излучения в соответствии с законом Стефана-Больцмана о теплообмене излучением между двумя телами, разделенными прозрачной средой. Технический результат состоит в упрощении конструкции за счет замены конвективного теплообмена на теплообмен излучением, позволивший исключить криогенный хладагент из конструкции охлаждения ротора и исключить элементы, обеспечивающие его циркуляцию и герметизацию от его утечек. 8 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение касается устройства для охлаждения сверхпроводящих машин, включающего в себя закрытую термосифонную систему, которая может наполняться жидким охлаждающим средством и которая снабжена испарителем для испарения жидкого охлаждающего средства. Технический результат заключается в улучшении охлаждающих способностей устройства. Устройство для охлаждения сверхпроводящих машин включает в себя закрытую термосифонную систему, которая может наполняться жидким охлаждающим средством и которая снабжена испарителем для испарения жидкого охлаждающего средства. При этом предусмотрены средства, предназначенные для увеличения орошаемой жидким охлаждающим средством поверхности испарителя, которые выполнены в виде по меньшей мере одного вытесняющего элемента для вытеснения жидкого охлаждающего средства. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к электродвижущим машинам, а более конкретно к устройствам, выполненным с возможностью поддержки и термической изоляции сверхпроводящих обмоток ротора. Технический результат - создание конструкции, обеспечивающей надёжную поддержку и термоизоляции сверхпроводящей обмотки. Устройство поддержки обмотки сверхпроводника на разделяющем расстоянии от сердечника ротора машины содержит удлиненный контур, выполненный с возможностью обеспечения радиальной опоры для обмотки, аксиально проходящую основную сборку (84), выполненную с возможностью крепления упомянутого контура относительно сердечника ротора на ближнем конце удлиненного контура относительно оси ротора, и сборку кронштейна, выполненную с возможностью задания внутреннего углубления для приема участка обмотки сверхпроводника и поддержания удлиненного контура на его удаленном конце относительно оси ротора. Удлиненный контур содержит материал, стойкий к тепловому потоку. Аксиально проходящая основная сборка содержит модульную сборку, содержащую, основной модуль, расположенный в полости сердечника ротора. 9 з.п. ф-лы, 16 ил.

Изобретение относится к ротору для электрической машины. Технический результат - повышение эффективности охлаждения ротора. Ротор (301) для электрической машины (201) содержит полюсный сердечник (303), который имеет охлаждаемый, намагничиваемый роторный участок (313) из сверхпроводящего материала. При этом роторный участок (313) имеет ротационно-симметричную геометрию. Полюсный сердечник (303) выполнен в виде цилиндра, а роторный участок (313) расположен в окружном направлении на наружной поверхности (309) цилиндра. При этом цилиндр выполнен в виде полого цилиндра (305) для ввода охлаждающей текучей среды во внутреннее пространство (307) полого цилиндра (305). 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к устройству для производства электромеханической работы, в частности к электромагнитным турбинам. Технический результат - осуществление турбины, выполненной с возможностью функционирования в условиях относительно сильных магнитных полей. Турбина содержит по меньшей мере одну пару разнесенных в продольном направлении магнитных компонентов; барабанный узел, размещенный между магнитными компонентами и содержащий по меньшей мере один проводящий компонент; токопередающее устройство, сопряженное с указанным по меньшей мере одним проводящим компонентом. Указанная по меньшей мере одна пара разнесенных в продольном направлении магнитных компонентов расположена с возможностью обеспечения области рабочего магнитного поля и определения области нулевого магнитного поля в пространстве между указанной по меньшей мере одной парой разнесенных магнитных компонентов. Области нулевого магнитного поля расположены вне области рабочего магнитного поля. Пропускание тока через указанный по меньшей мере один проводящий компонент посредством указанного токопередающего устройства вызывает вращение барабана. 14 з.п. ф-лы, 52 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрической трансмиссии со сверхпроводящими обмотками. Сверхпроводниковая трансмиссия включает: входной вал и входной электромеханический преобразователь, содержащий статор с многофазными обмотками и ротор, установленный на входном валу, по меньшей мере один выходной вал и по меньшей мере один выходной электромеханический преобразователь, содержащий статор с многофазными обмотками и ротор, установленный на выходном валу; термоизолированный контейнер, обеспечивающий температурный режим сверхпроводящего состояния размещенных в нем обмоток статоров входного и выходного электромеханических преобразователей и кабеля, выполненных из сверхпроводящего материала и соединенных в единый электрический контур. Техническим результатом изобретения является повышение КПД и снижение массогабаритных параметров трансмиссии за счет уменьшения электрических потерь в проводниках. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам, и может быть использовано в электроэнергетических установках и системах электропривода

Наверх