Сверхпроводниковая гистерезисная машина

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к гистерезисным электрическим машинам, и может быть использовано в криогенной энергетике и аэрокосмической технике. Сущность изобретения: машина содержит статор с шихтованным сердечником с многофазной многополюсной обмоткой, ротор с расположенными на его внешней поверхности активными элементами из высокотемпературного сверхпроводникового материала, выполненными в виде неявновыраженных полюсов на поверхности ротора. Статор и ротор представляют собой установленные соосно диски, активные элементы ротора размещены на плоской торцевой поверхности ротора и выполнены в виде диска или в виде распределенных пластин произвольной формы. При этом сердечник статора выполнен с равномерно распределенными по его рабочей торцевой поверхности пазами с размещенными в них плоскими или тороидальными катушками многофазной обмотки. Технический результат от использования данного изобретения состоит в том, что оно позволяет повысить энергетические (мощность, механический момент и КПД) и массогабаритные показатели машины. 3 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к гистерезисным электрическим машинам с использованием высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП ГМ) и может найти применение в криогенной энергетике и аэрокосмической технике.

Известны гистерезисные машины с различным конструктивным выполнением роторов [1-8]. Общими для всех конструктивных схем положительными качествами являются большой пусковой момент и момент входа в синхронизм, незначительные изменения тока от пуска до холостого хода и от холостого хода до номинальной нагрузки, малое время разгона и т.д. К недостаткам их относится низкий коэффициент мощности, не превосходящий 0,3-0,45. Кроме того, в цилиндрических гистерезисных двигателях величина механического момента на валу двигателя ограничена вследствие низкого коэффициента использования магнитных материалов в активной зоне машины.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является сверхпроводниковая машина [9], содержащая статор с шихтованным сердечником, в пазах которого размещена многофазная, многополюсная обмотка, безобмоточный цилиндрический ротор с закрепленными на его внешней поверхности 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, размещенных в пазах ротора.

Недостатком данной конструкции является невозможность улучшения энергетических параметров (выходной мощности и механического момента на валу) в том же объеме машины, так как увеличение количества размещенного в активной зоне ВТСП материала ведет к увеличению воздушного зазора и, следовательно, к ухудшению массогабаритных показателей. Кроме того, конструкция прототипа, где используется цилиндрическая (барабанная) обмотка статора, характеризуется относительно высоким индуктивным сопротивлением, что снижает энергетические показатели.

Целью изобретения является повышение энергетических (мощности, механического момента и КПД) и массогабаритных показателей машины.

Цель достигается тем, что в рассматриваемой торцевой сверхпроводниковой электрической машине, содержащей статор с шихтованным сердечником, в пазах которого размещена многофазная многополюсная обмотка, и безобмоточный ротор с расположенными на его внешней поверхности активными элементами из высокотемпературного сверхпроводникового материала, выполненными в виде неявновыраженных полюсов на поверхности ротора, статор выполнен в виде одного или ряда дисковых сердечников (торцевых или тороидальных), имеющих пазы, с расположенной в них обмоткой барабанного типа или тороидальной обмоткой, а ротор выполнен в виде дисков, размещенных между соседними сердечниками статоров и на торцах машины и имеющих активные элементы на плоских торцевых поверхностях. Кроме того, активные элементы ротора могут быть выполнены в виде сплошного диска из ВТСП материала или представлять собой несколько распределенных по поверхности ротора ВТСП пластин произвольной формы со стальной межслойной пластиной или без нее.

Положительный эффект указанной совокупности отличительных признаков заключается в том, что в отличие от прототипа, представляющего собой гистерезисный двигатель с цилиндрическим ВТСП ротором, в торцевых машинах с дисковым ВТСП ротором большая часть керамики работает в зоне с повышенной напряженностью магнитного поля, что обеспечивает повышение коэффициента использования керамики, увеличение момента на валу и выходной мощности при тех же габаритах машины. Использование тороидальной обмотки статора позволяет снизить длину лобовых частей обмотки, что дает возможность улучшить использование активного объема машины и обмоточной меди, а следовательно, увеличить эффективность машины, коэффициент мощности, КПД и удельный механический момент. Размещение между слоями активных ВТСП элементов ротора пластины из ферромагнитного материала позволяет уменьшить рабочий воздушный зазор в машине, что дополнительно будет способствовать увеличению коэффициента мощности, КПД и удельного механического момента. Предлагаемая конструкция позволяет путем увеличения числа дисковых статоров и роторов повысить энергетические показатели машины. При этом дополнительное увеличение мощности связано с тем, что магнитное поле каждого статора участвует в формировании системы токов, обусловливающих появление механического момента, не в одном, а в двух роторах. А в случае ротора с ферромагнитной пластиной она выполняется тоньше, так как магнитные потоки соседних статоров складываются в ней с обратными знаками, что улучшает массогабаритные показатели.

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

На фиг. 1 показана конструктивная схема торцевой многодисковой сверхпроводниковой электрической машины, которая содержит статор 1, выполненный в виде одного или ряда шихтованных дисковых сердечников и имеющих пазы, в которых размещена многофазная многополюсная обмотка 2 ( фиг. 2), установленный на валу машины безобмоточный ротор 3 в виде дисков, размещенных между каждыми двумя статорами с закрепленными на их поверхности активными элементами 5, выполненными из высокотемпературного сверхпроводящего материала, например YBCO керамики, работающей в криогенной среде при температуре жидкого азота (77,8 К). На фиг. 3,4 приведены конструктивные варианты статоров, которые могут быть торцевыми дисковыми 1 с обмоткой барабанного типа 3 в пазах (фиг. 3) или тороидальными 1 с тороидальной обмоткой 2 в пазах (фиг. 4). На фиг. 5, 6, 7, 8 приведены конструктивные варианты роторов, которые могут быть выполнены со сплошным дисковым ВТСП элементом 5 со стальной межслойной пластиной или без нее (фиг. 5, 7), или изготовлены с ВТСП активными элементами в виде ряда пластин произвольной формы 5 со стальной межслойной пластиной или без нее (фиг. 6, 8).

В качестве основного конструктивного варианта выбрана машина с тороидальным статором и тороидальной обмоткой в пазах и ротором со сплошным дисковым ВТСП элементом без стальной межслойной пластины.

Предлагаемая машина работает следующим образом. Bращающееся магнитное поле, создаваемое обмотками статоров 2, формирует в ВТСП роторах сложную систему токов, которые, взаимодействуя с полем статора, обусловливают появление механического момента двигателя. Развиваемый одним диском момент суммируется с моментами других дисков. Возникновение вращающего момента связано с явлением гистерезиса при перемагничивании ВТСП материала.

В качестве активных материалов дискового ротора машины могут использоваться как объемные ВТСП элементы с высокой токонесущей способностью (например, элементы, выполненные на основе монокристаллов из YBCO керамик или висмутовых керамик), так и объемные поликристаллические ВТСП элементы с низкой токонесущей способностью (например, текстурированные YBCO керамики с большими размерами кристаллитов). Относительная величина токонесущей способности объемных ВТСП керамических элементов определяется параметром ζ = (J_stΔ)/(J_sga). 3десь J_st и J_sg - величины плотностей транспортного (межгранульного) и внутригранульного токов соответственно; Δ и а - характерные размеры ВТСП элемента и СП-кристаллита соответственно [1].

На фиг. 9, 10 дано распределение магнитных полей, токов и границ токовых зон z_s и z_p для дискового ВТСП ротора с высокой токонесущей способностью (ζ ≫ 1) без стали в активной зоне многодисковой ВТСП машины [3]. На фиг. 9 дано азимутальное распределение магнитных и токовых полей при β^*= 1. Здесь β^*= B^*/B_p - параметр проникновения; В^* - амплитудное значение поля на внутренней границе диска, B_p - поле полного проникновения; A_o - векторный потенциал магнитного поля; γ - фазовый угол. Верхняя эпюра токовых полей в ВТСП роторе соответствует случаю J_c=const, нижняя J_c=J_o(B^*/B)⁴, где J_c - критический ток, J_o, B^* - параметр аппроксимации зависимости J от В.

Видно, что границы раздела описываются кусочно-непрерывной функцией. Зона с одним направлением тока может быть условно разделена на две подобласти: пассивную (реликтовую) зону, где отсутствует движение магнитного потока (В_z= 0), и активную зону, где наблюдается движение магнитного потока (B_z≠0 и E_r≠0), формируются гистерезисные потери и возникают азимутальные силы обусловливающие механический момент на валу двигателя. Здесь B_z - осевая составляющая индукции магнитного поля; E_r - радиальная составляющая напряженности электрического поля.

Учет зависимости J= J(H) приводит к существенной деформации границ токовых зон, что необходимо учитывать в расчетах ВТСП машины (нижняя эпюра, фиг.9).

На фиг. 10 приведено радиальное распределение магнитного поля при β^*= 1 и β^*> 1. Видно, что глубина проникновения z_p, занимаемая токами в дисковом ВТСП роторе, нелинейна и меняется при J=const по закону z_p≈1/r.

Распределение магнитного поля для случая высокотемпературных материалов с низкой токонесущей способностью (ζ ≪ 1), например, для текстурированных YBCO керамик, состоящих из отдельных гранул, представлено на фиг. 11. Видно, что появление механического момента в двигателе с данным типом материала деления магнитного толя реализуется, когда скорость вращения дискового ротора меньше синхронной скорости (ω_рот= (1-s)ω_синхр< ω_синхр). Авторами разработана теория рабочих процессов и методики расчета параметров и характеристик торцевых многодисковых гистерезисных машин с ротором на базе ВТСП элементов различного конструктивного выполнения. Разработаны, изготовлены и испытаны опытные образцы рассматриваемых электрических машин мощностью 0,3 и 1 кВт.

Предлагаемое изобретение может быть использовано в качестве гистерезисного двигателя или асинхронного гистерезисного генератора переменного тока. Варианты применения ВТСП гистерезисного двигателя - привод топливных помп летательных аппаратов с криогенным топливом, криогироскопы, привод компрессора ожижителя природных газов.

Источники информации 1.Бертинов А.И. и др. Сверхпроводниковые электрические машины и магнитные системы. Учеб. пособие для вузов по спец. "Электромеханика"/ Под ред. Б. Л.Алиевского.- М.: Изд-во МАИ, 1993.

2. Ковалев Л. К.и др. Гистерезисный двигатель с дисковым составным ротором из текстурированной ВТСП керамики. Электричество. -1996, N 10, с. 20-23.

3. Ковалев Л. К. и др. Многодисковый гистерезисный электродвигатель на основе объемных высокотемпературных сверхпроводников. Электричество.- 1998, N З.

4. Юферов Ф. М. Электрические машины автоматических устройств.- М.: Высшая школа, 1988.

5. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. Учебник для вузов. - М.: Энергия, 1980.

6. Авторское свидетельство СССР N 1538856, H 02 К 55/02, 1988.

7. Бертинов А.И. Электрические машины малой мощности. - Оборонгиз, 1961.

8. Мастяев Н. З. , Орлов И.Н. Гистерезисные электродвигатели. Ч. 1,2.- МЭИ, 1963.

9. Патент РФ N 2023341, H 02 К 55/02, 1994.

Формула изобретения

1. Сверхпроводниковая гистерезисная машина, содержащая статор с шихтованным сердечником, в пазах которого размещена многофазная многополюсная обмотка, безобмоточный ротор с расположенными на его внешней поверхности активными элементами из высокотемпературного сверхпроводникового материала, выполненными в виде неявновыраженных полюсов на поверхности ротора, отличающаяся тем, что статор и ротор выполнены в виде соосно установленных дисков, на рабочей торцевой поверхности сердечника статора выполнены равномерно распределенные пазы с размещенными в них плоскими или тороидальными катушками многофазной многополюсной обмотки, при этом активные элементы ротора размещены на его плоской торцевой поверхности и выполнены в виде диска или в виде распределенных пластин произвольной формы.

2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена в виде набора из расположенных в ряд нескольких статоров и роторов.

3. Машина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что диск выполнен сплошным.

4. Машина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что активные элементы ротора выполнены в виде слоев, между которыми размещена стальная пластина.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11