RU2648677C1 - Электрическая машина с постоянными магнитами и обмотками из высокотемпературного сверхпроводникового материала - Google Patents
Электрическая машина с постоянными магнитами и обмотками из высокотемпературного сверхпроводникового материала Download PDFInfo
- Publication number
- RU2648677C1 RU2648677C1 RU2017123810A RU2017123810A RU2648677C1 RU 2648677 C1 RU2648677 C1 RU 2648677C1 RU 2017123810 A RU2017123810 A RU 2017123810A RU 2017123810 A RU2017123810 A RU 2017123810A RU 2648677 C1 RU2648677 C1 RU 2648677C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- htsc
- rotor
- permanent magnets
- diamagnetic
- stator
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K1/00—Details of the magnetic circuit
- H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
- H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
- H02K1/14—Stator cores with salient poles
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K1/00—Details of the magnetic circuit
- H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
- H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
- H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K55/00—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures
- H02K55/02—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type
-
- 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
Abstract
Изобретение относится к электроэнергетике и предназначено для использования в разработках аэрокосмической техники. Технический результат – повышение массоэнергетических характеристик электрической машины. Электрическая машина с постоянными магнитами и ВТСП обмотками содержит корпус, в котором размещен статор, содержащий рейстрековые ВТСП катушки, намотанные ВТСП-2 лентами и расположенные на зубцах из стеклотекстолита. Между катушками статора установлены диамагнитные вставки из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала. Катушки, расположенные на зубцах, установлены на внешнем защитном экране, запрессованном в корпус. Установленный на немагнитном валу машины цилиндрический ротор представляет собой немагнитный пакет, в пазах которого размещены чередующиеся постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностью. В середине магнитных полюсов ротора установлены пластины из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала. На поверхности ротора расположена тонкостенная оболочка из пленочного ВТСП материала. 2 ил.
Description
Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к синхронным электрическим машинам с высокоэнергетическими постоянными магнитами (ПМ) и высокотемпературными сверхпроводниковыми (ВТСП) элементами, и предназначена для использования в перспективных разработках аэрокосмической техники, в частности более электрифицированный самолет (БЭС) и полностью электрифицированный самолет (ПЭС).
Известны синхронные электрические машины, содержащие массивы блоков постоянных магнитов, намагниченных в радиальном, тангенциальном направлениях и в виде чередующихся постоянных магнитов с радиальной и тангенциальной намагниченностями - система Хальбаха (см. P. Tixador, F. Simon, H. Daffix. 150-kW Experimental Superconducting Permanent-Magnet Motor. IEEE Transactions on applied superconductivity, vol. 9, No. 2, June, 1999; 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.; Л.Г. Вержбицкий, Л.К. Ковалев, К.Л. Ковалев, В.Н. Полтавец, Д.В. Голованов, Д.С. Дежин. Высокоэффективные синхронные двигатели на основе наноструктурированных высокотемпературных сверхпроводников и постоянных магнитов. Сверхпроводимость: исследования и разработки. Международный журнал ISSN 0868-8885, №15, 2011; Патент №123264 от 20 декабря 2012 г. Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина с постоянными магнитами; Dmitry Golovanov, Michael Galea, Chris Gerada. High Specific Torque Motor for Propulsion System of Aircraft. In: ESARS Itec 2016, 2-4 Nov 2016, Toulouse, France); Патент №169041 от 02 марта 2017 г. Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина. Общий недостаток известных устройств - относительно невысокие значения удельной мощности и энергетических характеристик.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является сверхпроводниковая синхронная электрическая машина с постоянными магнитами (Патент РФ №123264. Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина с постоянными магнитами), содержащая корпус, в котором размещены статор с расположенной на нем многофазной многополюсной обмоткой, ротор, состоящий из массива блоков постоянных магнитов, содержащий чередующиеся постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностями, установленные в пазах немагнитного пакета ротора, и диамагнитные пластины из массивного ВТСП материала, размещенные в середине полюсов ротора.
Основная задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении массоэнергетических характеристик синхронных электрических машин с постоянными магнитами на роторе. Техническим результатом использования данного изобретения является повышение удельной мощности и кпд электрической машины.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в электрической машине с постоянными магнитами и обмотками из высокотемпературного сверхпроводникового материала, содержащей статор с размещенной на нем многофазной многополюсной обмоткой, ротор, состоящий из массива блоков постоянных магнитов, содержащий чередующиеся постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностями, установленные в пазах немагнитного пакета ротора, и диамагнитные пластины из массивного ВТСП материала, размещенные в середине полюсов ротора, обмотка статора выполнена из ВТСП материала в виде рейстрековых катушек и расположена на зубцах, установленных на внешнем защитном экране, который может быть выполнен ферромагнитным, диамагнитным или комбинированным, составленным из двух концентрических оболочек: внутренней - ферромагнитной и внешней - диамагнитной. Между катушками обмотки статора установлены диамагнитные вставки, выполненные из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала в виде пластин либо в виде клинообразных вставок с возможностью охлаждения ВТСП обмотки статора. На внешней поверхности ротора расположена тонкостенная оболочка из ВТСП пленочного материала. В качестве ВТСП материала обмотки статора используется ВТСП лента второго поколения (ВТСП-2). (Фиг. 1).
Технический результат обеспечивается тем, что в отличие от прототипа, где обмотки статора выполнены из обычного проводникового материала и расположены в пазах шихтованного пакета из листов электротехнической стали, в предлагаемом изобретении обмотки статора выполнены из высокотемпературной сверхпроводниковой ленты второго поколения (ВТСП-2) с существенно более высокой токонесущей способностью при температуре жидкого азота (77,8 К), что снижает электрические потери и повышает допустимую токовую нагрузку. Кроме того, отсутствие зубцового слоя позволяет увеличить магнитную индукцию в воздушном зазоре машины. Диамагнитные вставки между катушками обмотки статора из массивного высокотемпературного СП материала способствуют повышению концентрации основного магнитного потока в рабочей зоне машины. Внешний защитный экран, на котором установлены зубцы с расположенной на них обмоткой статора, служит также для защиты внешних устройств от действия переменного магнитного поля. Кроме того, при наличии ферромагнитной оболочки в составе экрана в рабочей зоне может быть повышена магнитная индукция. Указанные факторы способствуют увеличению удельной мощности и кпд машины.
На внешней поверхности ротора заявляемой конструкции расположена тонкостенная оболочка на основе тонкопленочного ВТСП материала, применение которой в качестве диамагнитного экрана позволит существенно снизить главные индуктивные сопротивления электрической машины, что приводит к увеличению пиковой выходной мощности. Суть этого явления заключается в том, что при понижении температуры ниже критической (T<Tк, где Tк - температура перехода ВТСП материала в нормальное состояние) магнитное поле ПМ ротора «вмораживается» в ВТСП экран, а сам он приобретает ярко выраженные диамагнитные свойства. Это позволяет экранировать ротор от переменных магнитных полей, создаваемых обмотками якоря, и тем самым снижать величину индуктивных сопротивлений и увеличивать электромагнитную мощность машины.
Сравнительный анализ различных конструктивных схем синхронных машин с ПМ и ВТСП пленкой на поверхности ротора по пиковой мощности для различной относительной толщины ПМ-Δ=r2-r1/r2, где r1, r2 - внешний и внутренний радиусы цилиндра Хальбаха с постоянными магнитами на основе редкоземельных материалов (РЗМ) показал, что наибольший выигрыш для синхронной машины с ПМ радиально-тангенциальной намагниченности реализуется при средних значениях полюсности (2≤p≤4, где p - число пар полюсов) при относительной толщине магнитов 0,4≤Δ≤0,5 (см. Сверхпроводимость: исследования и разработки. Международный журнал ISSN 0868-8885, №15, 2011, стр. 54).
Для подтверждения результатов теоретического анализа разработана и испытана экспериментальная модель синхронной машины с постоянными магнитами радиально-тангенциальной намагниченности на роторе и ВТСП элементами. На фиг.2 приведены зависимости выходной мощности от угла нагрузки 9. Предварительные оценки показывают, что наличие ВТСП пластин в полюсе синхронной машины приводит к анизотропии магнитных свойств ротора, появлению добавочной мощности и снижению значения критического угла θ (θ<90°). При этом выигрыш по мощности составил примерно 15…20% по сравнению с синхронной машиной без ВТСП пластин на роторе. При наличии оболочки на основе ВТСП пленки, расположенной на поверхности ротора и выполняющей роль диамагнитного экрана (экранирование магнитных полей от токов якоря), существенно снижаются индуктивные сопротивления по осям d и q машины, что приводит к увеличению максимальной мощности примерно в 1,5 раза по сравнению с синхронной машиной без ВТСП оболочки.
Следует отметить также, что отсутствие ферромагнитного материала во внутренней области ротора синхронной машины с постоянными магнитами радиально-тангенциальной намагниченности способствует улучшению ее выходных характеристик вследствие существенного снижения индуктивных сопротивлений, а также позволяет снизить ее массу.
Таким образом, совокупность указанных признаков обеспечивает достижение технического результата.
На фиг. 1 представлен поперечный разрез электрической машины с постоянными магнитами и ВТСП обмотками.
Электрическая машина с постоянными магнитами и ВТСП обмотками содержит корпус 5 с теплоизоляцией 1, в котором размещен статор, содержащий рейстрековые ВТСП катушки 2, намотанные ВТСП-2 лентами и расположенные на зубцах 3 из стеклотекстолита. Между катушками статора установлены диамагнитные вставки 11 из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала. Катушки 2, расположенные на зубцах 3, установлены на внешнем защитном экране 4, запрессованном в корпус 5. Установленный на немагнитном валу 10 машины цилиндрический ротор 6 представляет собой немагнитный пакет, в пазах которого размещены чередующиеся постоянные магниты с радиальной 7 и тангенциальной 8 намагниченностью. В середине магнитных полюсов ротора установлены пластины из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала 9, например YBCO керамики, работающей в критической фазе при температуре жидкого азота (77,8 К). На поверхности ротора расположена тонкостенная оболочка из пленочного ВТСП материала 12.
Предлагаемое устройство в режиме генератора работает следующим образом. При вращении ротора магнитное поле постоянных магнитов индуцирует в обмотке статора m-фазную эдс. Результаты проектных расчетов позволяют заключить, что рассматриваемая конструкция обеспечивает повышение энергетических и улучшение массогабаритных показателей по сравнению с прототипом.
По мнению авторов, предлагаемое изобретение может быть использовано в авиационно-космической технике по назначению, а совокупность его существенных признаков необходима и достаточна для достижения заявленного технического результата.
Claims (5)
1. Электрическая машина с постоянными магнитами и обмотками из высокотемпературного сверхпроводникового материала, содержащая корпус, в котором размещены статор с расположенной на нем многофазной многополюсной обмоткой, ротор, состоящий из массива блоков постоянных магнитов, содержащий чередующиеся постоянные магниты с радиальной и тангенциальной намагниченностями, установленные в пазах немагнитного пакета ротора, и диамагнитные пластины из массивного высокотемпературного сверхпроводникового материала (ВТСП), размещенные в середине полюсов ротора, отличающаяся тем, что обмотка статора выполнена из ВТСП материала в виде рейстрековых катушек и расположена на зубцах, установленных на внешнем защитном экране, между катушками обмотки статора установлены диамагнитные вставки, на внешней поверхности ротора расположена тонкостенная оболочка.
2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что диамагнитные вставки выполнены из массивного ВТСП материала в виде пластин либо клинообразных вставок с возможностью охлаждения ВТСП обмотки статора.
3. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что тонкостенная диамагнитная оболочка выполнена из ВТСП пленочного материала.
4. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве ВТСП материала обмоток статора используется высокотемпературная сверхпроводящая лента второго поколения (ВТСП-2).
5. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что внешний защитный экран может быть выполнен ферромагнитным, диамагнитным или комбинированным, составленным из двух концентрических оболочек: внутренней - ферромагнитной и внешней - диамагнитной.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017123810A RU2648677C1 (ru) | 2017-07-06 | 2017-07-06 | Электрическая машина с постоянными магнитами и обмотками из высокотемпературного сверхпроводникового материала |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017123810A RU2648677C1 (ru) | 2017-07-06 | 2017-07-06 | Электрическая машина с постоянными магнитами и обмотками из высокотемпературного сверхпроводникового материала |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2648677C1 true RU2648677C1 (ru) | 2018-03-28 |
Family
ID=61866961
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017123810A RU2648677C1 (ru) | 2017-07-06 | 2017-07-06 | Электрическая машина с постоянными магнитами и обмотками из высокотемпературного сверхпроводникового материала |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2648677C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU200923U1 (ru) * | 2019-12-06 | 2020-11-19 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Электрическая машина из композитных материалов |
| RU2747884C1 (ru) * | 2020-11-17 | 2021-05-17 | Общество с ограниченной ответственностью «ЭТК» | Электрическая машина с модульными зубцами статора и обмотками из сверхпроводникового материала |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2086067C1 (ru) * | 1990-11-26 | 1997-07-27 | Харьковский политехнический институт им.В.И.Ленина | Синхронная электрическая машина со сверхпроводниковыми обмотками |
| WO2003021763A1 (en) * | 2001-09-05 | 2003-03-13 | The Regents Of The University Of California | Halbach array generator/motor having an automatically regulated output voltage and mechanical power output |
| RU123264U1 (ru) * | 2012-07-10 | 2012-12-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" (МАИ) | Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина с постоянными магнитами |
| RU2579432C1 (ru) * | 2015-01-19 | 2016-04-10 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дальневосточный Федеральный Университет" (Двфу) | Электромашина |
| RU169041U1 (ru) * | 2016-09-09 | 2017-03-02 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина |
-
2017
- 2017-07-06 RU RU2017123810A patent/RU2648677C1/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2086067C1 (ru) * | 1990-11-26 | 1997-07-27 | Харьковский политехнический институт им.В.И.Ленина | Синхронная электрическая машина со сверхпроводниковыми обмотками |
| WO2003021763A1 (en) * | 2001-09-05 | 2003-03-13 | The Regents Of The University Of California | Halbach array generator/motor having an automatically regulated output voltage and mechanical power output |
| RU123264U1 (ru) * | 2012-07-10 | 2012-12-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" (МАИ) | Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина с постоянными магнитами |
| RU2579432C1 (ru) * | 2015-01-19 | 2016-04-10 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дальневосточный Федеральный Университет" (Двфу) | Электромашина |
| RU169041U1 (ru) * | 2016-09-09 | 2017-03-02 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU200923U1 (ru) * | 2019-12-06 | 2020-11-19 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Электрическая машина из композитных материалов |
| RU2747884C1 (ru) * | 2020-11-17 | 2021-05-17 | Общество с ограниченной ответственностью «ЭТК» | Электрическая машина с модульными зубцами статора и обмотками из сверхпроводникового материала |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Terao et al. | Electromagnetic design of 10 MW class fully superconducting wind turbine generators | |
| US7489060B2 (en) | Superconducting rotating machines with stationary field coils | |
| JP6461385B2 (ja) | 超電導モータ及び発電機 | |
| US6603231B2 (en) | Hybrid superconducting motor/generator | |
| Huang et al. | Winding configuration and performance investigations of a tubular superconducting flux-switching linear generator | |
| RU2664716C1 (ru) | Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина с обмотками якоря и возбуждения в неподвижном криостате | |
| RU123264U1 (ru) | Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина с постоянными магнитами | |
| Ma et al. | Rotating permanent magnets based flux pump for HTS no-insulation coil | |
| Kovalev et al. | Hysteresis and reluctance electric machines with bulk HTS rotor elements | |
| US20040232792A1 (en) | Generator | |
| Gao et al. | Design, fabrication, and testing of a YBCO racetrack coil for an HTS synchronous motor with HTS flux pump | |
| JP2017518730A (ja) | 電磁デバイス | |
| Li et al. | A superconducting vernier motor for electric ship propulsion | |
| Severson et al. | Outer-rotor ac homopolar motors for flywheel energy storage | |
| Dezhin et al. | HTS inductor electric machine with combined excitation | |
| RU2648677C1 (ru) | Электрическая машина с постоянными магнитами и обмотками из высокотемпературного сверхпроводникового материала | |
| CN103259383A (zh) | 一种单低温保持器的全超直线电机 | |
| Yu et al. | Analysis of a novel excitation compensated homopolar inductor alternator used for capacitor charge power supply | |
| Ainslie et al. | Recent advances in superconducting rotating machines: an introduction to the'Focus on Superconducting Rotating Machines' | |
| RU132642U1 (ru) | Синхронный втсп электродвигатель с постоянными магнитами | |
| RU169041U1 (ru) | Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина | |
| Wang et al. | A HTS stator-excited axial-flux magnetic gear with static seal | |
| Cheng et al. | A novel HTS wind generator having permanent magnets between the rotor pole-tips | |
| WO2022160514A1 (zh) | 无换向装置超导直流电机 | |
| RU116714U1 (ru) | Магнитоэлектрическая дисковая машина |