RU126535U1

RU126535U1 - MULTI-POLE SYNCHRONOUS HTSC ELECTRIC MACHINE

Info

Publication number: RU126535U1
Application number: RU2012142205/07U
Authority: RU
Inventors: Лев Кузьмич Ковалев; Константин Львович Ковалев; Владимир Николаевич Полтавец; Дмитрий Сергеевич Дежин; Роман Ильдусович Ильясов; Людмила Александровна Егошкина; Екатерина Евгеньевна Тулинова
Priority date: 2012-10-04
Filing date: 2012-10-04
Publication date: 2013-03-27

Abstract

Многополюсная синхронная ВТСП электрическая машина, содержащая статор с шихтованным сердечником, размещенную в его пазах многофазную многополюсную обмотку, цилиндрический ротор, состоящий из массива чередующихся блоков постоянных магнитов с радиальной намагниченностью и немагнитных элементов, установленных на валу машины на втулке из магнитомягкого материала, отличающаяся тем, что немагнитные элементы выполнены в виде объемных блоков из высокотемпературного сверхпроводникового (ВТСП) материала, размещенных между блоками постоянных магнитов, и вдоль оси полюсов ротора радиально на немагнитном валу установлены вставки, выполненные в виде тонких ВТСП пластин.Multi-pole synchronous HTSC electric machine containing a stator with a laminated core, a multi-phase multi-pole winding placed in its slots, a cylindrical rotor consisting of an array of alternating blocks of permanent magnets with radial magnetization and non-magnetic elements mounted on the machine shaft on a bushing made of a soft magnetic material, which is different that the non-magnetic elements are made in the form of bulk blocks of high-temperature superconducting (HTSC) material, placed between the blocks of permanent magnets, and along the axis of the rotor poles radially on the non-magnetic shaft there are inserts made in the form of thin HTSC plates.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к синхронным электрическим машинам с постоянными магнитами (ПМ) и высокотемпературными сверхпроводниковыми (ВТСП) элементами и предназначена для использования в автономных электроэнергетических установках перспективных авиационно-космических комплексов с полностью электрифицированным приводным оборудованием..The proposed utility model relates to synchronous electric machines with permanent magnets (PM) and high-temperature superconducting (HTSC) elements and is intended for use in stand-alone power plants of advanced aerospace complexes with fully electrified drive equipment ..

Известны синхронные машины с ПМ с различным конструктивным выполнением роторов: ротор типа «звездочка», роторы, содержащие массив блоков призматических постоянных магнитов, намагниченных либо в радиальном, либо в тангенциальном направлениях, когтеобразные роторы и т.д. (см. книги В.А.Балагуров, Ф.Ф.Галтеев. Электрические генераторы с постоянными магнитами -М.: Энергоатомиздат, 1998. - 280 с; Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. Т.1 и 2. - М: Издательский дом МЭИ, 2006; Д.А.Бут. Основы электромеханики - М.: Изд-во МАИ, 1996; Специальные электрические машины. Под ред. Б.Л.Алиевского. - М.: Энергоатомиздат, 1993. -230 с). Общий недостаток известных устройств - относительно невысокие значения мощности, механического момента, КПД и коэффициента мощности (cosφ). Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели является синхронная машина с постоянными магнитами, приведенная в книге Д.А.Бута Основы электромеханики - М.: Изд-во МАИ, 1996 на стр.157, содержащая статор с шихтованным сердечником, в пазах которого размещена многофазная многополюсная обмотка, цилиндрический ротор, состоящий из массива чередующихся блоков постоянных магнитов с радиальной намагниченностью и немагнитных элементов, установленных на валу машины на втулке из магнитомягкого материала.Synchronous machines with PM with various constructive designs of rotors are known: an asterisk-type rotor, rotors containing an array of blocks of prismatic permanent magnets magnetized either in the radial or tangential directions, claw-shaped rotors, etc. (see books by V.A. Balagurov, F.F.Galteev. Electric generators with permanent magnets - M .: Energoatomizdat, 1998. - 280 s; Ivanov-Smolensky A.V. Electric machines. T.1 and 2. - M: Publishing House MPEI, 2006; D.A. But. Fundamentals of Electromechanics - M .: Publishing House of the Moscow Aviation Institute, 1996; Special Electric Machines. Edited by B. L. Alievsky. - M.: Energoatomizdat, 1993. -230 from). A common disadvantage of the known devices is the relatively low values of power, mechanical moment, efficiency and power factor (cosφ). The closest in technical essence to the proposed utility model is a synchronous machine with permanent magnets, given in the book by D. Buta, Fundamentals of Electromechanics - M .: MAI Publishing House, 1996 on page 157, containing a stator with a lined core in the grooves of which a multiphase multipolar winding, a cylindrical rotor, consisting of an array of alternating blocks of permanent magnets with radial magnetization and non-magnetic elements mounted on the shaft of the machine on a sleeve of soft magnetic material are placed.

Техническим результатом использования данной полезной модели является повышение энергетических (мощности, механического момента, коэффициента мощности и КПД) показателей машины.The technical result of using this utility model is to increase the energy (power, mechanical moment, power factor and efficiency) performance of the machine.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в многополюсной синхронной ВТСП электрической машине, содержащей магнитопроводящий статор, выполненный шихтованным, и имеющий пазы, распределенные по его внутренней поверхности, размещенную в этих пазах многофазную многополюсную обмотку и установленный на валу машины цилиндрический ротор, состоящий из массива чередующихся блоков постоянных магнитов с радиальной намагниченностью и немагнитных элементов, установленных на валу машины на втулке из магнитомягкого материала, немагнитные элементы ротора выполнены в виде объемных блоков из высокотемпературного сверхпроводникового (ВТСП) материала (например иттриевой керамики YBCO), размещенных между блоками постоянных магнитов, и на роторе установлены диамагнитные вставки, выполненные в виде тонких ВТСП пластин, размещенных вдоль оси полюсов ротора радиально на немагнитном валу машины.The specified technical result is achieved due to the fact that in a multi-pole synchronous HTSC electric machine containing a magnetically conductive stator, made laden, and having grooves distributed along its inner surface, a multiphase multipolar winding located in these grooves and a cylindrical rotor mounted on the machine shaft, consisting of an array of alternating blocks of permanent magnets with radial magnetization and non-magnetic elements mounted on the shaft of the machine on a sleeve of soft magnetic material, non-magnetic rotor elements are made in the form of volumetric blocks of high-temperature superconducting (HTSC) material (for example, YBCO yttrium ceramics) placed between permanent magnet blocks, and diamagnetic inserts are installed on the rotor, made in the form of thin HTSC plates placed radially on the non-magnetic axis of the rotor poles the shaft of the machine.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в отличие от прототипа, представляющего собой синхронную многополюсную машину с ПМ на роторе, выполненными в виде массива чередующихся блоков постоянных магнитов с радиальной намагниченностью и блоков немагнитных элементов с относительной магнитной проницаемостью µ ~ 1 (например, алюминий или компаунд), в конструкции данной машины применены блоки из ВТСП керамики, а также вставки из ВТСП керамики, установленные вдоль оси полюсов ротора с относительной магнитной проницаемостью 0,1<µ<0,7.The specified technical result is ensured by the fact that, in contrast to the prototype, which is a synchronous multipolar machine with PM on the rotor, made in the form of an array of alternating blocks of permanent magnets with radial magnetization and blocks of non-magnetic elements with relative magnetic permeability μ ~ 1 (for example, aluminum or compound ), the design of this machine used blocks of HTSC ceramics, as well as inserts of HTSC ceramics installed along the axis of the poles of the rotor with a relative magnetic permeability of 0.1 <µ <0.7.

Анализ работы синхронных ВТСП машин с постоянными магнитами и объемными ВТСП элементами в роторе показал, что при захолаживании машины жидким азотом ВТСП элементы переходят в сверхпроводящее состояние в магнитном поле, создаваемом ПМ ротора, тем самым как бы захватывая основной магнитный поток возбуждения, создаваемый ПМ ротора. Таким образом, ВТСП элементы после захолаживания машины и перехода в сверхпроводящее состояние не оказывают в принципе влияния на основной магнитный поток возбуждения, определяемый системой ПМ машины. Однако по отношению к любым возмущениям магнитного потока, возникающим после перехода ВТСП керамики в сверхпроводящее состояние, ВТСП элемент представляет собой диамагнетик, экранирующий возмущения магнитного поля. В первую очередь это относится к магнитным полям, обусловленным реакцией якоря ВТСП синхронной машины. В результате этого изменяются индуктивные сопротивления реакции якоря по продольной и поперечной осям машины и улучшаются ее энергетические и выходные характеристики.An analysis of the operation of synchronous HTSC machines with permanent magnets and volume HTSC elements in the rotor showed that when the machine is cooled with liquid nitrogen, the HTSC elements transition to the superconducting state in the magnetic field created by the PM of the rotor, thereby capturing the main magnetic flux of excitation created by the PM of the rotor. Thus, HTSC elements after cooling the machine and transitioning to the superconducting state do not in principle affect the main magnetic flux of excitation, which is determined by the PM system of the machine. However, with respect to any perturbations of the magnetic flux arising after the transition of HTSC ceramics to the superconducting state, the HTSC element is a diamagnet that shields perturbations of the magnetic field. This primarily relates to magnetic fields due to the reaction of the HTSC armature of a synchronous machine. As a result of this, the inductive resistance of the armature reaction along the longitudinal and transverse axes of the machine changes and its energy and output characteristics improve.

Так, в предлагаемой полезной модели в условиях охлаждения жидким азотом ВТСП вставки, расположенные радиально вдоль продольной оси ротора d, являются диамагнетиком по отношению к магнитному потоку поперечной реакции якоря. Это позволяет существенно увеличить анизотропию магнитных свойств ротора машины, уменьшить индуктивное сопротивление по поперечной оси - x_q Расчет энергетических параметров рассматриваемой конструкции показал, что в этом случае максимальная мощность, определяющая перегрузочную способность двигателя, возрастает на 20-25%. При этом в рабочем диапазоне углов θ=45° рост мощности составляет величину порядка 30%.So, in the proposed utility model, under the conditions of HTSC cooling with liquid nitrogen, the inserts located radially along the longitudinal axis of the rotor d are a diamagnet with respect to the magnetic flux of the transverse reaction of the armature. This allows you to significantly increase the anisotropy of the magnetic properties of the rotor of the machine, to reduce the inductive resistance along the transverse axis - x _q Calculation of the energy parameters of the structure under consideration showed that in this case the maximum power determining the overload capacity of the engine increases by 20-25%. Moreover, in the working range of angles θ = 45 °, the increase in power is about 30%.

Поперечный разрез многополюсной синхронной ВТСП электрической машины показан на фиг.1.A cross-sectional view of a multi-pole synchronous HTSC electric machine is shown in FIG.

Многополюсная синхронная ВТСП электрическая машина содержит сердечник статора 1, выполненный шихтованным и имеющий пазы, распределенные по его внутренней поверхности, в которых размещена многофазная многополюсная обмотка 2, установленный на валу машины цилиндрический ротор 3, представляющий собой массив чередующихся блоков ПМ 4 и блоков из диамагнитной ВТСП керамики 5, установленных на втулке из магнитомягкого материала 6, диамагнитные ВТСП вставки 7, размещенные вдоль оси полюсов ротора радиально на немагнитном валу 8 машины, бандаж 9.A multi-pole synchronous HTSC electric machine contains a stator core 1 lined and having grooves distributed over its inner surface, in which a multiphase multi-pole winding 2 is placed, a cylindrical rotor 3 mounted on the machine shaft, which is an array of alternating PM 4 blocks and blocks of diamagnetic HTSC ceramics 5 mounted on a sleeve of soft magnetic material 6, diamagnetic HTSC inserts 7 placed along the axis of the poles of the rotor radially on the non-magnetic shaft 8 of the machine, the bandage 9.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.

При электромагнитном взаимодействии полюсов вращающегося магнитного поля статора и возбужденных полюсов ротора возникает момент, который будет вращать ротор с синхронной частотой. Возникающий вращающий момент складывается из двух составляющих. Одна составляющая определяется (как в прототипе) э.д.с, наведенной в обмотке статора магнитным потоком ПМ из редкоземельных материалов вращающегося ротора. Другая - существенной анизотропией магнитных свойств ротора по продольной d и поперечной q осям машины. Суммарный момент в предлагаемой полезной модели будет выше по сравнению с прототипом благодаря использованию диамагнитных ВТСП элементов, существенно увеличивающих магнитную анизотропию ротора.With the electromagnetic interaction of the poles of the rotating magnetic field of the stator and the excited poles of the rotor, a moment arises that will rotate the rotor with a synchronous frequency. The resulting torque consists of two components. One component is determined (as in the prototype) by the emf induced in the stator winding by a magnetic flux PM from rare-earth materials of a rotating rotor. The other is a significant anisotropy of the magnetic properties of the rotor along the longitudinal d and transverse q axes of the machine. The total moment in the proposed utility model will be higher compared to the prototype due to the use of diamagnetic HTSC elements that significantly increase the magnetic anisotropy of the rotor.

На основе данной полезной модели разработана конструкция четырехполюсного высокодинамичного электропривода с ПМ и ВТСП элементами мощностью ~ 500 кВт. Определены угловые характеристики рассматриваемого электродвигателя, которые приведены на фиг.2 как при наличии, так и при отсутствии объемных ВТСП элементов ротора. Видно, что использование объемных ВТСП элементов позволяет увеличить выходную мощность на ~ 30%.Based on this utility model, the design of a four-pole highly dynamic electric drive with PM and HTSC elements with a power of ~ 500 kW was developed. The angular characteristics of the electric motor under consideration are determined, which are shown in Fig. 2 both in the presence and in the absence of volume HTSC rotor elements. It is seen that the use of bulk HTSC elements can increase the output power by ~ 30%.

Данный тип электрических двигателей может быть использован в приводах испытательных стендов автомобильной промышленности, так как он удовлетворяет специфическим требованиям - высокая мощность и высокий коэффициент динамичности при малой инерционности ротора. По мнению авторов, совокупность существенных признаков рассматриваемой полезной модели необходима и достаточна для достижения заявленного технического результата.This type of electric motors can be used in drives of test stands of the automotive industry, as it meets specific requirements - high power and high dynamic coefficient with low inertia of the rotor. According to the authors, the set of essential features of the utility model under consideration is necessary and sufficient to achieve the claimed technical result.

ЛитератураLiterature

1. В.А.Балагуров, Ф.Ф.Галтеев. Электрические генераторы с постоянными магнитами - М.: Энергоатомиздат, 1998. -280 с.1. V.A. Balagurov, F.F.Galteev. Permanent Magnet Electric Generators - M .: Energoatomizdat, 1998.280 s.

2. Д.А.Бут. Основы электромеханики - М.: Изд-во МАИ, 19962. D.A. But. Fundamentals of Electromechanics - Moscow: Publishing House of the Moscow Aviation Institute, 1996

3. Специальные электрические машины. Под ред. Б.Л.Алиевского. М.: Энергоатомиздат, 1993. -230 с.3. Special electric cars. Ed. B.L. Alievsky. M .: Energoatomizdat, 1993.230 s.

4. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. Т.1 и 2. - М: Издательский дом МЭИ, 2006,4. Ivanov-Smolensky A.V. Electric cars. T.1 and 2. - M: Publishing house MPEI, 2006,

Claims

A multi-pole synchronous HTSC electric machine containing a stator with a charged core, a multiphase multi-pole winding placed in its grooves, a cylindrical rotor, consisting of an array of alternating blocks of permanent magnets with radial magnetization and non-magnetic elements mounted on the shaft of the machine on a sleeve of magnetically soft material, characterized in that non-magnetic elements are made in the form of volumetric blocks of high-temperature superconducting (HTSC) material placed between the blocks constantly x magnets and along the axis of rotor poles radially mounted shaft nonmagnetic insert, made in the form of thin plates HTS.