Индукторная электрическая машина на основе высокотемпературных сверхпроводников

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к индукторным электрическим машинам с комбинированным возбуждением на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) и может быть использовано в качестве генератора тока высокой частоты для криогенных потребителей наземного и космического назначения, а также в двигательном режиме в качестве привода компрессора или вакуумного турбомолекулярного насоса в составе различных пневмосистем на борту космического летательного аппарата.

Известны индукторная машина с комбинированным возбуждением (см.Бут Д. А. Бесконтактные электрические машины: Учеб. пособие для электромеханических и электроэнергетических спец. втузов. - М.: Высш. шк., 1985. - 255 с, стр. 129 рис. 4.12а и идентичная конструкция на стр. 99 рис. 3.18а), индукторный ВТСП-двигатель и ВТСП-двигатель с «вмороженным» магнитным полем (см. 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, стр. 24, рис. 1.10 а и е), электрическая дисковая машина (Патент №2256997, БИ №20 от 20.07.2005),.

Общий основной недостаток известных устройств - относительно невысокие значения массогабаритных показателей. Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является принятая за прототип электрическая машина, содержащая статор с обмоткой якоря, композитный ротор, содержащий элементы на основе высокотемпературных сверхпроводниковых материалов (ВТСП) (см. 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, стр. 24, рис. 1.10 е).

Задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение, заключаются в снижении массы и габаритов электрической машины, повышении надежности конструкции и упрощении технологии ее изготовления.

Указанные задачи решаются за счет того, что в индукторной электрической машине на основе высокотемпературных сверхпроводников, содержащей статор с обмоткой якоря, композитный ротор, содержащий элементы на основе высокотемпературных сверхпроводниковых материалов (ВТСП) статор и ротор выполнены в виде дисков (торцевая конструкция) из немагнитного материала. Дисковый композитный ротор расположен на немагнитном валу.

Обмотка якоря выполнена в виде катушек, равномерно распределенных по окружности на поверхности диска статора. На диске ротора расположены трапецеидальные отверстия, равномерно распределенные по окружности диска ротора, в которых установлены трапецеидальные элементы из ВТСП материала, которые создают зубчатую структуру ротора путем чередования участков с магнитной проницаемостью немагнитного материала диска ротора (μ~1) и участков с магнитной проницаемостью ВТСП трапецеидальных элементов (μ~0,1).

Снаружи диска ротора на боковой и торцевых поверхностях расположен бандаж, который выполняется из высокопрочного немагнитного материала с низкой плотностью по сравнению с электротехнической сталью, например титан, углепластик, углеволокно.

На статоре размещена обмотка возбуждения, выполненная из двух кольцевых осесимметричных катушек из токопроводящего материала, разделенных дистанционными прокладками.

В качестве токопроводящего материала обмоток возбуждения и якоря используются резистивные проводники (медь, алюминий), гиперпроводники, высокотемпературные сверхпроводники первого поколения и ВТСП ленты второго поколения, а также соединения на основе MgB₂.

Техническим результатом использования данного изобретения является повышение удельных массогабаритных и энергетических показателей, а также эксплуатационной надежности, обеспечение компактности и технологичности выполнения электрической машины.

Технический результат обеспечивается тем, что, в отличие от прототипа, представляющего собой индукторную электрическую машину с ВТСП на роторе в виде объемных ВТСП элементов, основным недостатком которой являются относительно невысокие значения массогабаритных и энергетических показателей, что обусловлено использованием в конструкции ферромагнитных материалов, в заявляемой конструкции решение задачи повышения массогабаритных показателей достигается путем применения в конструкции машины немагнитных высокопрочных материалов с низкой плотностью.

Кольцевая обмотка осевого возбуждения расположена на статоре и предназначена как для создания постоянного осевого магнитного потока с возможностью его регулирования, так и импульсного магнитного потока для намагничивания ВТСП элементов («вмораживания» магнитного потока) на роторе. Так как токовая нагрузка обмотки возбуждения при этом будет различна, последняя может быть выполнена на базе различных типов токопроводящих материалов, например с использованием традиционных резистивных проводников (медь, алюминий), гиперпроводников (сверхчистый алюминий), ВТСП лент первого и ВТСП лент второго поколения, а также ВТСП проводов на основе соединения MgB₂.

Для обеспечения равномерного рабочего зазора при сборке и при работе в сильных магнитных полях, имеющих место в импульсном режиме при намагничивании сверхпроводниковых элементов ротора, между катушками обмотки возбуждения установлены дистанционные прокладки.

Выполнение обмотки якоря в виде катушек трапецеидальной формы позволяет с максимальным коэффициентом заполнения разместить обмотку на диске статора, что повышает потокосцепление обмотки якоря с основным магнитным потоком машины и способствует, благодаря также и применению сверхпроводниковых материалов, повышению удельной мощности заявляемой конструкции машины.

Создание переменной составляющей магнитного потока в заявляемой конструкции электрической машины достигается за счет зубчатости ротора, обеспечиваемой разнородными по магнитным свойствам (магнитной проницаемости) участками ротора: ВТСП элементы между немагнитными зубцами.

С этой целью применены ВТСП элементы в виде стопок (набора) пластин из ВТСП лент второго поколения, пропаянных по периметру для придания монолитности, равномерно распределенных по окружности диска ротора и разделенных немагнитным высокопрочным материалом ротора, выполняющим также функцию бандажа ВТСП элементов, что повышает надежность конструкции.

Следует отметить, что ВТСП элементы ротора в виде стопок пластин по сравнению с объемными ВТСП, используемыми в прототипе, обладают рядом существенных преимуществ: более высокой токонесущей способностью, большей величиной «вмораживаемого» магнитного поля при температуре жидкого азота (77К), более высокой технологичностью, которая обусловлена возможностью изготовления ВТСП элементов различной формы, а также значительно меньшим временем захолаживания.

Торцевая конструкция заявляемого изобретения предполагает следующие преимущества:

- создание осевого магнитного потока предпочтительней радиальному из-за отсутствия перемагничивания ВТСП материалов;

- возможность регулирования величины рабочего зазора для изменения напряжения на зажимах генератора;

- повышение технологичности выполнения электрической машины благодаря простоте изготовления композитного ротора и кольцевой катушки статора.

Как было отмечено, отличительными особенностями заявляемой конструкции являются отсутствие ферромагнитных материалов в активной зоне машины и расположение всех обмоток на статоре. Отсутствие насыщения позволяет линейно регулировать магнитный поток в зависимости от силы тока в обмотке возбуждения, а отсутствие подвижных электрических контактов существенно повышает надежность работы машины и расширяет область ее применения.

Одним из путей повышения удельной мощности и улучшения массогабаритных показателей заявляемого типа электрической машины является выполнение машины торцевой многодисковой с рядом чередующихся дисковых статоров и роторов. При этом в режиме генератора мощность, генерируемая одной парой дисковых статоров и роторов, суммируется с мощностями других пар дисковых статоров и роторов.

Конструкция электрической машины предполагает также двигательный режим работы. Причем пусковой режим возможен без использования частотного преобразователя, поскольку на ротор будет действовать гистерезисный момент, обусловленный гистерезисными явлениями в ВТСП элементах и разгоняющий ротор до синхронной скорости вращения.

На фиг. 1 показан продольный разрез индукторной электрической машины на основе высокотемпературных сверхпроводников.

На фиг. 2 показано поперечное сечение А-А индукторной электрической машины на основе высокотемпературных сверхпроводников.

На фиг. 3 показан дисковый ротор с ВТСП элементами.

Индукторная электрическая машина на основе высокотемпературных сверхпроводников содержит: статор 1 с обмоткой якоря 3, выполненной из катушек в форме трапеций, равномерно распределенных по окружности на поверхности диска статора, дисковый ротор 4 с трапецеидальными отверстиями, в которых установлены трапецеидальные стопки пластин 5 из ВТСП лент второго поколения, расположенные на статоре катушки обмотки возбуждения 2, разделенные дистанционными прокладками 6, бандаж 7 на цилиндрической боковой и плоских торцевых поверхностях диска ротора, немагнитный вал 8, фланец 9, в котором, как и на боковой поверхности статора 1, выполнены отверстия для прохождения хладагента (не показаны).

Особенностью заявляемого изобретения является то, что электрическая машина может работать в трех режимах: индукторном, с «вмороженным» магнитным потоком и индукторном с комбинированным возбуждением:

1. Индукторный режим. Немагнитный диск с установленными на нем ВТСП элементами вращается в магнитном поле, создаваемом кольцевыми катушками обмотки возбуждения на статоре. При этом в обмотке якоря наводится ЭДС за счет зубчатости ротора, обеспечиваемой различием в магнитной проницаемости чередующихся участков с диамагнитными (ВТСП с μ~0,1) и немагнитными (μ~1) материалами ротора.

2. Режим с «вмороженным» магнитным потоком. После охлаждения ВТСП до температуры жидкого азота (77К) производится импульсное намагничивание ВТСП с помощью предназначенных для импульсного намагничивания катушек обмотки возбуждения. ВТСП элементы на роторе, «захватывая» магнитный поток, становятся криомагнитами. Катушки, индуцировавшие импульсное магнитное поле, обесточиваются и машина работает как магнитоэлектрическая.

3. Индукторный с комбинированным возбуждением. В этом режиме рабочий магнитный поток создается за счет одновременного действия обмотки возбуждения из 2-х кольцеобразных катушек на статоре и ВТСП элементов с «вмороженным» (согласно п. 2) магнитным потоком на роторе.

Следует также отметить, что выполнение вала и бандажа ротора из немагнитного материала имеет наиболее важное значение при работе машины в 2-х режимах: с «вмороженным» магнитным потоком и индукторном с комбинированным возбуждением, так как снижение при этом магнитных полей рассеяния способствует концентрации магнитного поля в зоне ВТСП элементов в процессе «вмораживания» магнитного поля в ВТСП стопки при импульсном намагничивании. Использование ранее указанных немагнитных материалов с низкой плотностью для изготовления вала и бандажа ротора способствует также снижению массы машины.

Проведены компьютерное моделирование заявляемой конструкции электрической машины, а также экспериментальные исследования на физической модели индукторной электрической машины на основе высокотемпературных сверхпроводников в режиме генератора. Получены фактические параметры модели генератора в среде жидкого азота и выработаны рекомендации к проектированию полномасштабного образца генератора, а также подтверждена возможность реализации такой конструкции при указанных выше 3-х режимах работы.