RU2023341C1 - Superconductor electric machine - Google Patents
Superconductor electric machine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2023341C1 RU2023341C1 SU5055455/07A SU5055455A RU2023341C1 RU 2023341 C1 RU2023341 C1 RU 2023341C1 SU 5055455/07 A SU5055455/07 A SU 5055455/07A SU 5055455 A SU5055455 A SU 5055455A RU 2023341 C1 RU2023341 C1 RU 2023341C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotor
- active elements
- htsc
- stator
- electric machine
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
- Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment
Landscapes
- Superconductive Dynamoelectric Machines (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к гистерезисным электрическим машинам с использованием высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП ГМ) и может найти применение в криогенных системах (в том числе, авиационно-космических). The invention relates to hysteretic electric machines using high-temperature superconductors (HTSC GM) and can find application in cryogenic systems (including aerospace).
Известны гистерезисные двигатели с различным конструктивным выполнением роторов. Общими для всех конструктивных схем положительными качествами являются большой пусковой момент и момент входа в синхронизм, незначительное изменение тока от пуска до холостого хода и от холостого хода до номинальной нагрузки, малое время разгона и т.д. К недостаткам их относятся низкий коэффициент мощности, не превосходящий 0,3-0,45 (большой намагничивающий ток, достигающий 90-95% от номинального). Кроме того, синхронные гистерезисные двигатели развивают невысокий механический момент на валу. Known hysteresis engines with various designs of rotors. The positive qualities common to all structural schemes are the large starting torque and the moment of entry into synchronism, a slight change in current from starting to idling and from idling to rated load, short acceleration time, etc. Their disadvantages include a low power factor, not exceeding 0.3-0.45 (a large magnetizing current, reaching 90-95% of the nominal). In addition, synchronous hysteresis motors develop a low mechanical moment on the shaft.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является синхронная электрическая машина, содержащая статор, имеющий сердечник с многофазной обмоткой, образующей магнитные полюса, ротор, имеющий вал и корпус, с жестко закрепленными на нем активными элементами. Активные элементы изготовлены из сверхпроводниковых диамагнитов, выполненных в виде отдельных цилиндрических сегментов, количество которых равно числу пар полюсов статора. Closest to the technical nature of the present invention is a synchronous electric machine containing a stator having a core with a multiphase winding forming magnetic poles, a rotor having a shaft and a housing with active elements rigidly fixed to it. Active elements are made of superconducting diamagnets made in the form of separate cylindrical segments, the number of which is equal to the number of pairs of stator poles.
Недостатком данной конструкции является невозможность работы машины в асинхронном режиме при обеспечении постоянного момента на валу. Кроме того, конструкция прототипа не позволяет регулировать частоту вращения ротора (в режиме двигателя) и расширять диапазон генерируемой частоты (в режиме генератора) путем переключения числа пар полюсов обмотки статора без дополнительных конструктивных изменений на роторе. Невысокие значения коэффициента использования активного объема высокотемпературного сверхпроводникового (ВТСП) материала на роторе из-за наличия перемычек между сегментами снижает развиваемый момент на валу машины. Относительно высокие значения индуктивных сопротивлений прототипа обусловливают невысокие значения коэффициента мощности. The disadvantage of this design is the inability to operate the machine in asynchronous mode while providing a constant torque on the shaft. In addition, the design of the prototype does not allow you to adjust the rotor speed (in engine mode) and to expand the range of the generated frequency (in generator mode) by switching the number of pairs of poles of the stator winding without additional design changes on the rotor. Low values of the coefficient of use of the active volume of high-temperature superconducting (HTSC) material on the rotor due to the presence of jumpers between the segments reduces the developed moment on the shaft of the machine. The relatively high values of the inductive resistances of the prototype determine the low values of the power factor.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей, а также повышение удельного механического момента и коэффициента мощности. The aim of the invention is the expansion of functionality, as well as increasing the specific mechanical moment and power factor.
Цель достигается тем, что в сверхпроводниковой 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 безобмоточный цилиндрический ротор с закрепленными на его поверхности активными элементами, выполненными из высокотемпературного сверхпроводникового материала, активные элементы на роторе равномерно распределены по его периферии. Кроме того, активные элементы могут быть выполнены в виде сплошного полого цилиндра; многослойной структуры, состоящей из чередующихся тонких слоев высокотемпературных сверхпроводниковых пленок и слоев диэлектрика; стержней, образующих беличью клетку, а ротор выполнен с пазами, в которых они размещены. The goal is achieved in that in a superconducting electric machine containing a magnetically conductive stator, made lined, and having grooves distributed along its inner surface, a multiphase multipolar winding located in these grooves and a winding cylindrical rotor mounted on the shaft of the machine with active elements fixed to its surface, made of high-temperature superconducting material, the active elements on the rotor are evenly distributed around its periphery. In addition, the active elements can be made in the form of a continuous hollow cylinder; a multilayer structure consisting of alternating thin layers of high-temperature superconducting films and dielectric layers; rods forming a squirrel cage, and the rotor is made with grooves in which they are placed.
Таким образом, положительный эффект указанной совокупности отличительных признаков заключается в том, что при работе, например, в режиме двигателя изменение числа полюсов статора автоматически приводит к изменению числа полюсов ротора, обеспечивая возможность регулирования частоты вращения ротора. Кроме того, вследствие размагничивающего воздействия магнитного поля ротора на внешнее магнитное поле понижается индуктивное сопротивление двигателя, что ведет к повышению коэффициента мощности и удельного механического момента. Thus, the positive effect of this set of distinctive features is that when operating, for example, in motor mode, changing the number of stator poles automatically leads to a change in the number of rotor poles, making it possible to control the rotor speed. In addition, due to the demagnetizing effect of the magnetic field of the rotor on the external magnetic field, the inductive resistance of the motor decreases, which leads to an increase in power factor and specific mechanical moment.
Изобретение поясняется фиг. 1-14. The invention is illustrated in FIG. 1-14.
Сверхпроводниковая электрическая машина (фиг. 1) содержит магнитопроводящий статор 1, выполненный шихтованным и имеющий пазы, распределенные по его внутренней поверхности, в которых размещена многофазная многополюсная обмотка 4, установленный на валу машины безобмоточный цилиндрический ротор 3 с закрепленными на его поверхности активными элементами 2, выполненными из высокотемпературного сверхпроводящего материала, например керамики YBa2Cu3O7, работающей в криогенной среде при температуре жидкого азота (77,8 К). На фиг. 2, 3, 4 приведены конструктивные варианты активных элементов из ВТСП материала, которые могут быть выполнены в виде сплошного полого цилиндра 5; представлять собой многослойную структуру, состоящую из тонких слоев ВТСП пленок, нанесенных по определенной технологии на слои стеклопластика 6; изготовлены в виде стержней 7, образующих беличью клетку, размещенную в пазах ротора 3.A superconducting electric machine (Fig. 1) contains a magnetically
В качестве основного конструктивного варианта выбрана машина со сплошным полым цилиндрическим активным элементом. As the main constructive option, a machine with a continuous hollow cylindrical active element was selected.
Сверхпроводниковая электрическая машина с ВТСП активными элементами, работает, например, в режиме двигателя, следующим образом. При подаче напряжения на обмотку статора 4 создаваемое ею вращающееся магнитное поле проникает в ВТСП цилиндр и индуцирует в нем сложную систему токовых зон, обусловленных проникновением нитей Абрикосова в ВТСП элемент, движущихся синхронно с внешним магнитным полем статора (см. фиг. 5). На фиг. 5 приняты следующие обозначения: ωc=ω/p - угловая частота вращения магнитного поля; р - число пар полюсов; ω - круговая частота тока в обмотках статора; Iс - плотность тока в обмотке статора. На фиг. 6 приведено распределение токов в обмотке статора, а на фиг. 7 - развертка полученной картины распределения индуцированных токов в ВТСП элементе, показанных на фиг. 5. Здесь n - число фаз статора; Is - сверхпроводниковая составляющая плотности индуцированного критического тока в ВТСП элементе; rs - граница раздела токовых зон в ВТСП элементе, х (r, φ) - функция распределения критических токов в ВТСП.A superconducting electric machine with HTSC active elements operates, for example, in engine mode, as follows. When voltage is applied to the stator winding 4, the rotating magnetic field created by it penetrates the HTSC cylinder and induces a complex system of current zones due to the penetration of Abrikosov filaments into the HTSC element moving synchronously with the external magnetic field of the stator (see Fig. 5). In FIG. 5, the following notation is accepted: ω c = ω / p is the angular frequency of rotation of the magnetic field; p is the number of pole pairs; ω is the circular frequency of the current in the stator windings; I c - current density in the stator winding. In FIG. 6 shows the distribution of currents in the stator winding, and FIG. 7 is a scan of the obtained pattern of the distribution of induced currents in the HTSC element shown in FIG. 5. Here n is the number of phases of the stator; I s is the superconducting component of the density of the induced critical current in the HTSC element; r s is the interface between the current zones in the HTSC element, x (r, φ) is the distribution function of the critical currents in the HTSC.
На фиг. 8-10 показана схема формирования токовых слоев в ВТСП цилиндрическом элементе, находящемся во вращающемся магнитном поле, представленных на фиг. 11 и 12 для двигательного и генераторного режимов соответственно. In FIG. 8-10 shows a diagram of the formation of current layers in a HTSC cylindrical element located in a rotating magnetic field, shown in FIG. 11 and 12 for motor and generator modes, respectively.
На фиг. 8 и 9 показано типичное распределение индукции магнитного поля Вr и критического тока Is в плоской пластине и круглом образце из ВТСП, находящихся в однофазном внешнем магнитном поле (0, Вy, 0). На фиг. 10 приведено распределение критического тока Is в круглом ВТСП образце, находящемся в поперечном магнитном поле Вy=const(By< Bp) при появлении нарастающей во времени t компоненты индукции поля Вх=Вх(t). Эти распределения качественно соответствуют начальному этапу формирования токовых слоев в цилиндрическом ВТСП во вращающемся с частотой ωc внешнем магнитном поле Bx= Bx(t) ≃ Bt. При дальнейшем развитии токовых слоев для стационарного режима вращения поля ωc=const картина распределения Вs и Is в ВТСП становится симметричной (см. фиг. 11 и 12). Она характеризуется некоторой глубиной проникновения поля δ в ВТСП и неподвижной стационарной относительно поля В границей раздела rs= r s( φ) токовых слоев с различной ориентацией Is. На фиг. 11 распределение Вs и Is соответствует случаю работы ГМ в режиме двигателя - 1>s=(ωc-ωp)/ωc>0, где ωp - круговая частота вращения ротора; s - скольжение; ωc = - угловая частота вращения магнитного поля в р-полюсной машине; ω- круговая частота тока в обмотках статора; на фиг. 12 - работе ГМ в режиме генератора - s>1. Эпюра распределения тангенциальной составляющей суммарного поля BΣφ внутри ВТСП элемента при Ic<I*, где Iс - ток возбуждения (статора); I* - ток статора, при котором происходит полное проникновение критических токов в керамический ВТСП элемент, описывается кусочно-ломаной функцией и представляет собой волну, движущуюся синхронно с внешним магнитным полем статора ГМ. Токовая зона в ВТСП элемента при Ic< I* с точностью до членов 0 (δ2) может быть представлена в виде двух областей: реликтовой зоны 1, где напряженность электрического поля E = -∂A
В активной зоне 2 взаимодействие токов Is в ВТСП элементе с радиальной компонентой индукции BΣr приводит к возникновению тангенциальной силы fφ, которая создает момент, действующий на ротор.In the
Из фиг. 11 и 12 следует, что реакция магнитного поля по продольной оси ВТСП активного элемента на внешнее магнитное поле статора будет размагничивающей. Следовательно, индуктивные сопротивления в предлагаемом двигателе будут подавлены, угол φ уменьшится и коэффициент мощности возрастет. From FIG. 11 and 12 it follows that the reaction of the magnetic field along the longitudinal axis of the HTSC of the active element to the external magnetic field of the stator will be demagnetizing. Therefore, the inductive resistances in the proposed engine will be suppressed, the angle φ will decrease and the power factor will increase.
Авторами разработана общая теория рабочих процессов и методики расчета характеристик ВТСП гистерезисных машин различного конструктивного выполнения. По полученным аналитическим соотношениям проведены расчеты удельных значений потерь q и механических моментов m предлагаемой машины. На фиг. 14 приведены полученные результаты, а также сопоставление их с аналогичными параметрами других типов электрических двигателей: асинхронных (АД) с короткозамнутым ротором и гистерезисных с магнитотвердым ротором (ГД с МТР). Видно, для перспективных ВТСП материалов с Is=1-50 А/мм2 ВТСП ГМ имеют одинаковые характеристики с АД и с ГД МТР. При Is≥100 А/мм2 удельные параметры ВТСП ГМ оказываются выше удельных параметров современных образцов указанных типов машин.The authors have developed a general theory of work processes and methods for calculating the characteristics of HTSC hysteresis machines of various structural designs. Based on the obtained analytical relations, the specific values of the losses q and the mechanical moments m of the proposed machine were calculated. In FIG. Figure 14 shows the results obtained, as well as their comparison with similar parameters of other types of electric motors: asynchronous (HELL) with a squirrel-cage rotor and hysteresis with a magnetically hard rotor (DG with MTR). It can be seen that for promising HTSC materials with I s = 1-50 A / mm 2 HTSC GM have the same characteristics with HELL and with HD MTR. At I s ≥100 A / mm 2, the specific parameters of the HTSC GM are higher than the specific parameters of modern samples of these types of machines.
Предлагаемое изобретение может быть использовано в качестве гистерезисного двигателя или асинхронного гистерезисного генератора переменного тока. Одним из возможных вариантов применения ВТСП ГД является использование его в качестве погружного двигателя для работы в криогенной среде для перекачки сжиженных природных газов, а также криогенных компонентов топлива на борту летательного аппарата. The present invention can be used as a hysteresis motor or asynchronous hysteresis alternator. One of the possible applications of HTSC DG is to use it as a submersible engine for operation in a cryogenic environment for pumping liquefied natural gases, as well as cryogenic fuel components on board an aircraft.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5055455/07A RU2023341C1 (en) | 1992-07-20 | 1992-07-20 | Superconductor electric machine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5055455/07A RU2023341C1 (en) | 1992-07-20 | 1992-07-20 | Superconductor electric machine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2023341C1 true RU2023341C1 (en) | 1994-11-15 |
Family
ID=21609958
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU5055455/07A RU2023341C1 (en) | 1992-07-20 | 1992-07-20 | Superconductor electric machine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2023341C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2611067C2 (en) * | 2011-07-25 | 2017-02-21 | Сименс Акциенгезелльшафт | Electric machine |
-
1992
- 1992-07-20 RU SU5055455/07A patent/RU2023341C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
Авторское свидетельство СССР N 1538856, кл. H 02K 55/02, 1988. * |
Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины, м.: Энергия, 1980, с.692. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2611067C2 (en) * | 2011-07-25 | 2017-02-21 | Сименс Акциенгезелльшафт | Electric machine |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1240702B1 (en) | Thermally protected electric machine | |
Broadway | Cageless induction machine | |
US3898490A (en) | Superconductive AC dynamoelectric machines having two rotors | |
EP1203437B1 (en) | Superconducting electric motor | |
CA1281065C (en) | Parallel resonant single phase motor | |
Kovalev et al. | Hysteresis and reluctance electric machines with bulk HTS rotor elements | |
EP0580854A1 (en) | Trapped-field, superconducting, induction-synchronous motor/generator having improved startup torque | |
Lin et al. | Line-start Vernier permanent magnet machines | |
Chong et al. | Comparison of concentrated and distributed windings in an IPM machine for field weakening applications | |
RU2023341C1 (en) | Superconductor electric machine | |
US3916229A (en) | Induction motor for superconducting synchronous/asynchronous motor | |
RU2134478C1 (en) | Superconductor hysteresis machine | |
Ai et al. | Behaviors of axial and radial electromagnetic force for cryogenic disk motor | |
Richter et al. | Jet Engine Integrated Generator | |
RU2180156C1 (en) | Superconductor synchronous machine | |
Waltman et al. | High-temperature superconducting magnet motor demonstration | |
Kovalev et al. | HTS electrical machines with BSCCO/Ag composite plate-shaped rotor elements | |
RU2079949C1 (en) | Electrical machine | |
RU2129329C1 (en) | Reaction-type synchronous machine | |
SU796998A1 (en) | Induction electric motor | |
SU1577037A1 (en) | Three-phase induction resistor | |
RU2076431C1 (en) | Alternating current electric motor | |
Rodrigues | New electric reluctance motor with bulk superconducting materials on the rotor | |
Afjei et al. | A novel two phase configuration for Switched reluctance motor with high starting torque | |
RU2031516C1 (en) | Asynchronous adjustable electric motor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20040721 |