Синхронный электрический мотор-генератор для кинетического накопителя энергии

Изобретение относится к области электроэнергетики, а именно к синхронным электрическим машинам с высокотемпературными сверхпроводниковыми (ВТСП) обмотками, в том числе для кинетических накопителей энергии (КНЭ).

Известна сверхпроводниковая синхронная электрическая машина с обмотками якоря и возбуждением в неподвижном криостате (патент RU 2664716, МПК H02K 55/02, опубл. 22.08.2018), которая содержит магнитопроводящие щиты, магнитопроводящий корпус, статор, выполненный шихтованным, на зубцах которого размещена многофазная многополюсная обмотка якоря, выполненная из ВТСП-ленты 2-го поколения в виде рейстрековых катушек. Машина также содержит установленный на валу когтеобразный ротор, представляющий собой когтеобразные полюсные системы с радиально и тангенциально намагниченными постоянными магнитами. В межполюсном зазоре между краем полюса одной полярности и полюсной системой другой полярности размещены торцевые постоянные магниты. На статоре установлены кольцевые сверхпроводниковые обмотки возбуждения, выполненные из ВТСП. Сверхпроводниковые обмотки возбуждения и обмотка якоря размещены в общем неподвижном криостате на статоре.

Недостатками такого решения являются наличие повышенных потерь энергии на холостом ходу и низких параметров сохранения энергии КНЭ, а также неоптимальная топология магнитной системы для интегрирования генератора в КНЭ, что определяет его пониженные удельные энергетические показатели и малую эффективность применения его в КНЭ.

Известна сверхпроводниковая вращающаяся электрическая машина с неподвижными обмотками возбуждения (патент US 7489060 B2, МПК H02K 55/02, опубл. 10.02.2009), которая содержит ротор, из стальных секторов, неподвижный статор, имеющий концентрические внутренние и внешние обмотки статора. Неподвижная сверхпроводящая катушка возбуждения расположена между внутренними и внешними обмотками статора. Стационарная сверхпроводящая катушка возбуждения и выступающие полюса сконфигурированы относительно друг друга, так что, когда ротор вращается относительно статора, создается вращающееся магнитное поле с направлением потока вдоль оси вращения. Взаимодействие магнитного поля неподвижной сверхпроводящей катушки возбуждения с вращающимися полюсами ротора вызывает изменяющийся во времени магнитный поток, проходящий через обмотки статора.

Недостатками аналога являются низкие удельные энергетические показатели и КПД при его использовании в КНЭ.

Наиболее близким техническим решением является синхронный электрический мотор-генератор для кинетического накопителя энергии (Design of an Axial Flux Inductor Type Synchronous Motor With the Liquid Nitrogen Cooled Field and Armature HTS Windings IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2007, vol. 17, no. 2, pp. 1571-1574), который содержит ротор из стальных секторов, неподвижную кольцевую сверхпроводниковую катушку возбуждения и одну или несколько неподвижных сверхпроводниковых обмоток статора, криостат Катушка возбуждения и обмотки статора изготовлены из ВТСП-проводов. Для снижения потерь на переменном токе в обмотках статора они размещены на стальных сердечниках. Ротор выполнен из магнитного материала и имеет специальный профиль для создания синусоидального магнитного поля. Наличие стального сердечника у обмоток якоря, вызывает потери энергии на холостом ходу и снижает параметр сохранения энергии КНЭ. Принятое расположение катушек возбуждения вызывает повышенные потоки рассеяния, что снижает эффективность системы возбуждения.

Недостатками являются низкие эксплуатационные характеристики мотор-генератора.

Технической задачей является улучшение эксплуатационных характеристик мотор-генератора.

Технический результат, заключается в улучшении удельных энергетических характеристик мотор-генератора, а также в оптимизации топологии магнитной системы для работы совместно с КНЭ, улучшить массогабаритные показатели и эффективность.

Это достигается тем, что известный синхронный электрический мотор-генератор для кинетического накопителя энергии, содержащий ротор из стальных секторов, неподвижную кольцевую сверхпроводниковую катушку возбуждения и неподвижную сверхпроводниковую обмотку статора, криостат, дополнительно снабжен узлом возбуждения, выполненным из двух неподвижных сверхпроводниковых концентрических катушек возбуждения, расположенных так, что обмотки статора находятся между ними, внешним кольцевым магнитопровод, расположенным на периферии стальных секторов ротора.

Сущность изобретения пояснена чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид синхронного электрического мотор-генератора с двумя парами полюсов для КНЭ с неподвижными высокотемпературными сверхпроводниковыми обмотками, на фиг. 2 показан поперечный разрез синхронного электрического мотор-генератора с двумя парами полюсов для КНЭ, на фиг. 3 приведена зависимость магнитного потока в одной из обмоток статора от угла поворота ротора на холостом ходу.

Синхронный электрический мотор-генератор для кинетического накопителя энергии содержит симметрично расположенные стальные секторы 1, соединенные внешним кольцевым магнитопроводом 2, которые совместно образуют ротор 3, в центральной части которого помещены две неподвижные сверхпроводниковые концентрические катушки возбуждения 4 и 5, образующие узел возбуждения. В промежутке между концентрическими катушками возбуждения 4 и 5 установлено не менее одной неподвижных сверхпроводниковых обмоток статора 6, размещенных по кругу и образующих одно или многофазную систему. Концентрические катушки возбуждения 4 и 5 и обмотки статора 6 установлены в криостате 7.

Синхронный электрический мотор-генератор для кинетического накопителя энергии работает следующим образом.

После охлаждения жидким азотом в криостате 7 концентрических катушек возбуждения 4, 5 и обмоток статора 6 включается ток в концентрических катушках возбуждения 4 и 5. Основная часть магнитного потока, создаваемого концентрическими катушками возбуждения 4 и 5, замыкается через ротор 3 и проходит между концентрическими катушками возбуждения 4 и 5 через обмотки статора 6 в зоне стальных секторов 1. Меньшая часть магнитного потока проходит через оставшиеся обмотки статора 6 вне стальных секторов 1. При вращении ротора 3 возникает переменное потокосцепление в обмотках статора 6, и индуцируется ЭДС. При включении обмоток статора 6 на электрическую нагрузку в них протекает ток, возникает электромагнитный момент и мотор-генератор работает в генераторном режиме. При включении обмоток статора 6 на многофазную систему напряжений или токов возникает вращающееся магнитное поле и электромагнитный момент, который вызывает вращение ротора 3 синхронно с вращением магнитного поля, создаваемого обмотками статора 6 и мотор-генератор работает в двигательном режиме.

Расположение обмоток статора 6 между концентрическими катушками возбуждения 4, 5 и использование стальных секторов 1 совместно с внешним кольцевым магнитопроводом 2 формирует магнитное поле с высокой однородностью, а также уменьшает радиальные компоненты магнитной индукции в обмотках статора бив концентрических катушках возбуждения 4, 5, что позволяет пропускать большие значения токов по сверхпроводниковому материалу, так как критические значения плотности тока снижаются в ортогональных к току магнитных полях.

Расположение концентрических катушках возбуждения 4, 5 и обмоток статора 6 обеспечивает эффективную концентрацию магнитного потока в зоне обмоток статора 6, уменьшает паразитные магнитные потоки рассеяния, увеличивает магнитный поток возбуждения и соответственно повышает удельные энергетические характеристики мотор-генератора. Топология магнитной системы ротора позволяет эффективно интегрировать его в КНЭ, что улучшает эксплуатационные характеристики.

Пример выполненных оценочных расчетов мотор-генератора с номинальной мощностью 1 МВт и двумя парами полюсов при скорости вращения 10000 об/мин представлен в таблице 1 и на фиг.3. Полюса ротора в приведенном примере имеют вид секторов с углом раскрытия 90° и плоской внутренней поверхностью.

Использование изобретения позволяет улучшить эксплуатационные и энергетические характеристики мотор-генератора и при этом улучшить его массогабаритные показатели и эффективность.