Электрическая машина с постоянными магнитами и обмотками из высокотемпературного сверхпроводникового материала

Изобретение относится к электроэнергетике и предназначено для использования в разработках аэрокосмической техники. Технический результат – повышение массоэнергетических характеристик электрической машины. Электрическая машина с постоянными магнитами и ВТСП обмотками содержит корпус, в котором размещен статор, содержащий рейстрековые ВТСП катушки, намотанные ВТСП-2 лентами и расположенные на зубцах из стеклотекстолита. Между катушками статора установлены диамагнитные вставки из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала. Катушки, расположенные на зубцах, установлены на внешнем защитном экране, запрессованном в корпус. Установленный на немагнитном валу машины цилиндрический ротор представляет собой немагнитный пакет, в пазах которого размещены чередующиеся постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностью. В середине магнитных полюсов ротора установлены пластины из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала. На поверхности ротора расположена тонкостенная оболочка из пленочного ВТСП материала. 2 ил.

 

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к синхронным электрическим машинам с высокоэнергетическими постоянными магнитами (ПМ) и высокотемпературными сверхпроводниковыми (ВТСП) элементами, и предназначена для использования в перспективных разработках аэрокосмической техники, в частности более электрифицированный самолет (БЭС) и полностью электрифицированный самолет (ПЭС).

Известны синхронные электрические машины, содержащие массивы блоков постоянных магнитов, намагниченных в радиальном, тангенциальном направлениях и в виде чередующихся постоянных магнитов с радиальной и тангенциальной намагниченностями - система Хальбаха (см. P. Tixador, F. Simon, H. Daffix. 150-kW Experimental Superconducting Permanent-Magnet Motor. IEEE Transactions on applied superconductivity, vol. 9, No. 2, June, 1999; Электрические машины и устройства на основе массивных высокотемпературных сверхпроводников, под редакцией Л.К. Ковалева, К.Л. Ковалева и С.М-А. Конеева, М., Физматлит, 2010, 396 с.; Л.Г. Вержбицкий, Л.К. Ковалев, К.Л. Ковалев, В.Н. Полтавец, Д.В. Голованов, Д.С. Дежин. Высокоэффективные синхронные двигатели на основе наноструктурированных высокотемпературных сверхпроводников и постоянных магнитов. Сверхпроводимость: исследования и разработки. Международный журнал ISSN 0868-8885, №15, 2011; Патент №123264 от 20 декабря 2012 г. Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина с постоянными магнитами; Dmitry Golovanov, Michael Galea, Chris Gerada. High Specific Torque Motor for Propulsion System of Aircraft. In: ESARS Itec 2016, 2-4 Nov 2016, Toulouse, France); Патент №169041 от 02 марта 2017 г. Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина. Общий недостаток известных устройств - относительно невысокие значения удельной мощности и энергетических характеристик.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является сверхпроводниковая синхронная электрическая машина с постоянными магнитами (Патент РФ №123264. Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина с постоянными магнитами), содержащая корпус, в котором размещены статор с расположенной на нем многофазной многополюсной обмоткой, ротор, состоящий из массива блоков постоянных магнитов, содержащий чередующиеся постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностями, установленные в пазах немагнитного пакета ротора, и диамагнитные пластины из массивного ВТСП материала, размещенные в середине полюсов ротора.

Основная задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении массоэнергетических характеристик синхронных электрических машин с постоянными магнитами на роторе. Техническим результатом использования данного изобретения является повышение удельной мощности и кпд электрической машины.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в электрической машине с постоянными магнитами и обмотками из высокотемпературного сверхпроводникового материала, содержащей статор с размещенной на нем многофазной многополюсной обмоткой, ротор, состоящий из массива блоков постоянных магнитов, содержащий чередующиеся постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностями, установленные в пазах немагнитного пакета ротора, и диамагнитные пластины из массивного ВТСП материала, размещенные в середине полюсов ротора, обмотка статора выполнена из ВТСП материала в виде рейстрековых катушек и расположена на зубцах, установленных на внешнем защитном экране, который может быть выполнен ферромагнитным, диамагнитным или комбинированным, составленным из двух концентрических оболочек: внутренней - ферромагнитной и внешней - диамагнитной. Между катушками обмотки статора установлены диамагнитные вставки, выполненные из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала в виде пластин либо в виде клинообразных вставок с возможностью охлаждения ВТСП обмотки статора. На внешней поверхности ротора расположена тонкостенная оболочка из ВТСП пленочного материала. В качестве ВТСП материала обмотки статора используется ВТСП лента второго поколения (ВТСП-2). (Фиг. 1).

Технический результат обеспечивается тем, что в отличие от прототипа, где обмотки статора выполнены из обычного проводникового материала и расположены в пазах шихтованного пакета из листов электротехнической стали, в предлагаемом изобретении обмотки статора выполнены из высокотемпературной сверхпроводниковой ленты второго поколения (ВТСП-2) с существенно более высокой токонесущей способностью при температуре жидкого азота (77,8 К), что снижает электрические потери и повышает допустимую токовую нагрузку. Кроме того, отсутствие зубцового слоя позволяет увеличить магнитную индукцию в воздушном зазоре машины. Диамагнитные вставки между катушками обмотки статора из массивного высокотемпературного СП материала способствуют повышению концентрации основного магнитного потока в рабочей зоне машины. Внешний защитный экран, на котором установлены зубцы с расположенной на них обмоткой статора, служит также для защиты внешних устройств от действия переменного магнитного поля. Кроме того, при наличии ферромагнитной оболочки в составе экрана в рабочей зоне может быть повышена магнитная индукция. Указанные факторы способствуют увеличению удельной мощности и кпд машины.

На внешней поверхности ротора заявляемой конструкции расположена тонкостенная оболочка на основе тонкопленочного ВТСП материала, применение которой в качестве диамагнитного экрана позволит существенно снизить главные индуктивные сопротивления электрической машины, что приводит к увеличению пиковой выходной мощности. Суть этого явления заключается в том, что при понижении температуры ниже критической (T<Tк, где Tк - температура перехода ВТСП материала в нормальное состояние) магнитное поле ПМ ротора «вмораживается» в ВТСП экран, а сам он приобретает ярко выраженные диамагнитные свойства. Это позволяет экранировать ротор от переменных магнитных полей, создаваемых обмотками якоря, и тем самым снижать величину индуктивных сопротивлений и увеличивать электромагнитную мощность машины.

Сравнительный анализ различных конструктивных схем синхронных машин с ПМ и ВТСП пленкой на поверхности ротора по пиковой мощности для различной относительной толщины ПМ-Δ=r2-r1/r2, где r1, r2 - внешний и внутренний радиусы цилиндра Хальбаха с постоянными магнитами на основе редкоземельных материалов (РЗМ) показал, что наибольший выигрыш для синхронной машины с ПМ радиально-тангенциальной намагниченности реализуется при средних значениях полюсности (2≤p≤4, где p - число пар полюсов) при относительной толщине магнитов 0,4≤Δ≤0,5 (см. Сверхпроводимость: исследования и разработки. Международный журнал ISSN 0868-8885, №15, 2011, стр. 54).

Для подтверждения результатов теоретического анализа разработана и испытана экспериментальная модель синхронной машины с постоянными магнитами радиально-тангенциальной намагниченности на роторе и ВТСП элементами. На фиг.2 приведены зависимости выходной мощности от угла нагрузки 9. Предварительные оценки показывают, что наличие ВТСП пластин в полюсе синхронной машины приводит к анизотропии магнитных свойств ротора, появлению добавочной мощности и снижению значения критического угла θ (θ<90°). При этом выигрыш по мощности составил примерно 15…20% по сравнению с синхронной машиной без ВТСП пластин на роторе. При наличии оболочки на основе ВТСП пленки, расположенной на поверхности ротора и выполняющей роль диамагнитного экрана (экранирование магнитных полей от токов якоря), существенно снижаются индуктивные сопротивления по осям d и q машины, что приводит к увеличению максимальной мощности примерно в 1,5 раза по сравнению с синхронной машиной без ВТСП оболочки.

Следует отметить также, что отсутствие ферромагнитного материала во внутренней области ротора синхронной машины с постоянными магнитами радиально-тангенциальной намагниченности способствует улучшению ее выходных характеристик вследствие существенного снижения индуктивных сопротивлений, а также позволяет снизить ее массу.

Таким образом, совокупность указанных признаков обеспечивает достижение технического результата.

На фиг. 1 представлен поперечный разрез электрической машины с постоянными магнитами и ВТСП обмотками.

Электрическая машина с постоянными магнитами и ВТСП обмотками содержит корпус 5 с теплоизоляцией 1, в котором размещен статор, содержащий рейстрековые ВТСП катушки 2, намотанные ВТСП-2 лентами и расположенные на зубцах 3 из стеклотекстолита. Между катушками статора установлены диамагнитные вставки 11 из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала. Катушки 2, расположенные на зубцах 3, установлены на внешнем защитном экране 4, запрессованном в корпус 5. Установленный на немагнитном валу 10 машины цилиндрический ротор 6 представляет собой немагнитный пакет, в пазах которого размещены чередующиеся постоянные магниты с радиальной 7 и тангенциальной 8 намагниченностью. В середине магнитных полюсов ротора установлены пластины из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала 9, например YBCO керамики, работающей в критической фазе при температуре жидкого азота (77,8 К). На поверхности ротора расположена тонкостенная оболочка из пленочного ВТСП материала 12.

Предлагаемое устройство в режиме генератора работает следующим образом. При вращении ротора магнитное поле постоянных магнитов индуцирует в обмотке статора m-фазную эдс. Результаты проектных расчетов позволяют заключить, что рассматриваемая конструкция обеспечивает повышение энергетических и улучшение массогабаритных показателей по сравнению с прототипом.

По мнению авторов, предлагаемое изобретение может быть использовано в авиационно-космической технике по назначению, а совокупность его существенных признаков необходима и достаточна для достижения заявленного технического результата.

1. Электрическая машина с постоянными магнитами и обмотками из высокотемпературного сверхпроводникового материала, содержащая корпус, в котором размещены статор с расположенной на нем многофазной многополюсной обмоткой, ротор, состоящий из массива блоков постоянных магнитов, содержащий чередующиеся постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностями, установленные в пазах немагнитного пакета ротора, и диамагнитные пластины из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала (ВТСП), размещенные в середине полюсов ротора, отличающаяся тем, что обмотка статора выполнена из ВТСП материала в виде рейстрековых катушек и расположена на зубцах, установленных на внешнем защитном экране, между катушками обмотки статора установлены диамагнитные вставки, на внешней поверхности ротора расположена тонкостенная оболочка.

2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что диамагнитные вставки выполнены из массивного ВТСП материала в виде пластин либо клинообразных вставок с возможностью охлаждения ВТСП обмотки статора.

3. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что тонкостенная диамагнитная оболочка выполнена из ВТСП пленочного материала.

4. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве ВТСП материала обмоток статора используется высокотемпературная сверхпроводящая лента второго поколения (ВТСП-2).

5. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что внешний защитный экран может быть выполнен ферромагнитным, диамагнитным или комбинированным, составленным из двух концентрических оболочек: внутренней - ферромагнитной и внешней - диамагнитной.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электродвигателях со сверхпроводящей обмоткой и радиальным зазором между ротором и статором, точнее высокомоментных электродвигателей, которые используются, например, в качестве привода автомобилей, судов и другой техники.

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.

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.

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

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 вентильным индукторным электрическим машинам с использованием высокотемпературных сверхпроводников. .

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

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при изготовлении электродвигателей с постоянными магнитами на роторе. Статор электродвигателя содержит катушечный узел, выполненный из одной или нескольких включенных параллельно катушек индуктивности цилиндрического типа намотки, и цилиндрический магнитопровод с полюсами, расположенными на верхнем и нижнем торцах катушечного узла и выполненными отгибанием навстречу друг другу с обеспечением чередования их полярности.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрических двигателях. Техническим результатом является предотвращение электрической коррозии подшипников в отсутствие проводящего элемента, соединяющего вместе вращающийся вал и корпус.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – улучшение конструкции ротора.

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к ветроэлектрогенераторам с преимущественно тихоходными колесами. Технический результат - повышение эффективности использования магнитопровода.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройству роторов электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов. Технический результат – повышение энергетических характеристик.

Изобретение относится к индукторным сегментным генераторам. Генератор индукторный содержит роторные элементы с валом, статор, элементы крепления и подшипники.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в обеспечении реализации получения импульса силы, действующей в заданном направлении, и может быть использовано на борту космического аппарата с помощью электрической энергии, вырабатываемой, например, солнечными батареями.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к многофазным синхронным реактивным электродвигателям, и может быть использовано для привода различных малонагруженных механизмов, работающих на высокой частоте вращения в течение длительного времени.

Изобретение относится к насосостроению, а именно к погружным скважинным электрическим насосам, и может быть использовано при производстве электродвигателей к ним.

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в электромеханических преобразователях энергии автономных объектов. Техническим результатом является повышение надежности, механической прочности, энергоэффективности и минимизация тепловыделений электромеханических преобразователей энергии, повышение КПД электромеханических преобразователей энергии на 1-2%, а также повышенная линейная токовая нагрузка электромеханических преобразователей энергии с внешним жидкостным охлаждением поверхности статора.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – улучшение охлаждения полюсных башмаков. Двигатель с аксиальным потоком содержит один или более вращающихся дисков и статор, включающий полость, выполненную между стенками, и содержащий в ней более одного узла электромагнитных катушек. Каждый узел электромагнитных катушек содержит более одного полюсного элемента, каждый из которых имеет аксиально продолжающийся стержневой участок, первый и второй радиально продолжающиеся концевые башмаки и одну или более соответствующих катушек. Каждая из указанных катушек намотана вокруг стержневого участка. Внешняя поверхность упомянутых концевых башмаков присоединена к одной или другой упомянутым стенкам. Указанные башмаки дополнительно содержат теплообменную поверхность, обращенную к катушке, намотанной вокруг стержня. 13 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к электроэнергетике и предназначено для использования в разработках аэрокосмической техники. Технический результат – повышение массоэнергетических характеристик электрической машины. Электрическая машина с постоянными магнитами и ВТСП обмотками содержит корпус, в котором размещен статор, содержащий рейстрековые ВТСП катушки, намотанные ВТСП-2 лентами и расположенные на зубцах из стеклотекстолита. Между катушками статора установлены диамагнитные вставки из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала. Катушки, расположенные на зубцах, установлены на внешнем защитном экране, запрессованном в корпус. Установленный на немагнитном валу машины цилиндрический ротор представляет собой немагнитный пакет, в пазах которого размещены чередующиеся постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностью. В середине магнитных полюсов ротора установлены пластины из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала. На поверхности ротора расположена тонкостенная оболочка из пленочного ВТСП материала. 2 ил.

Наверх