RU2696090C2

RU2696090C2 - Superconducting inductor electric machine with combined excitation

Info

Publication number: RU2696090C2
Application number: RU2018102382A
Authority: RU
Inventors: Константин Львович Ковалев; Роман Ильдусович Ильясов; Дмитрий Сергеевич Дежин; Людмила Александровна Егошкина; Анатолий Евгеньевич Ларионов
Priority date: 2018-01-22
Filing date: 2018-01-22
Publication date: 2019-07-31
Also published as: RU2018102382A3; RU2018102382A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to non-contact superconducting synchronous electric machines with combined excitation. Superconductive inductor electric machine with combined excitation includes stator with laminated core, fixed ring excitation windings, multiphase multi-pole armature winding, ferromagnetic shaft, on which ferromagnetic steel core of rotor with rotary projections (teeth) is installed. Unidirectional radially magnetized permanent magnets are located between ferromagnetic rotor projections. Magnetic shunts (interceptors) are installed on both end faces of the ferromagnetic core of the rotor. Non-magnetic slots are made on ferromagnetic rotary ledges.

EFFECT: technical result is increase in specific power and reliability.

14 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно, к бесконтактным сверхпроводниковым синхронным электрическим машинам с комбинированным возбуждением и предназначено для использования в системах электроснабжения и системах электродвижения морских судов, наземных транспортных средств и перспективных летательных аппаратов, в том числе полностью электрифицированного самолета.The invention relates to the electric power industry, namely, to contactless superconducting synchronous electric machines with combined excitation and is intended for use in power supply systems and electric propulsion systems of ships, ground vehicles and advanced aircraft, including a fully electrified aircraft.

Известны бесконтактная синхронная электрическая машина с когтеобразными полюсами с внешнезамкнутым магнитным потоком и осевым возбуждением (см. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины: Учеб. пособие для электромеханических и электроэнергетических спец. втузов. - М.: Высш. шк., 1985. - 255 с. стр. 86, рис. 3.10); индукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением с постоянными магнитами (ПМ) и обмоткой осевого возбуждения (там же, стр. 129 рис. 4.12а и идентичные конструкции на стр. 99 рис. 3.18а и стр. 100 рис. 3.19); синхронная электрическая машина с когтеобразным ротором с постоянными магнитами и сверхпроводниковой обмоткой возбуждения (СПОВ) на статоре (Патент №163830 от 22.07.2016. БИ №22 от 10.08.2016 г.).Known non-contact synchronous electric machine with claw-shaped poles with an externally closed magnetic flux and axial excitation (see D. But. Non-contact electric machines: Textbook for electromechanical and electric power special technical colleges. - M .: Higher school., 1985. - 255 p. P. 86, fig. 3.10); induction electric machine with combined excitation with permanent magnets (PM) and an axial excitation winding (ibid., p. 129 Fig. 4.12a and identical designs on p. 99 Fig. 3.18a and p. 100 Fig. 3.19); synchronous electric machine with a claw-shaped rotor with permanent magnets and a superconducting field winding (SPW) on the stator (Patent No. 163830 dated 07.22.2016. BI No. 22 dated 08/10/2016).

Перечисленным устройствам свойственны в той или иной мере следующие недостатки: относительно невысокие значения удельной мощности, КПД, массогабаритных показателей, а также снижение надежности при повышении частоты вращения ротора.These devices are characterized in one way or another by the following disadvantages: relatively low values of specific power, efficiency, weight and size indicators, as well as a decrease in reliability with increasing rotor speed.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является индукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением с постоянными магнитами и обмоткой осевого возбуждения (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 идентичные конструкции на стр. 99 рис. 3.18а, стр. 100 рис. 3.19), содержащая, статор с шихтованным сердечником, в пазах которого размещена многофазная многополюсная обмотка якоря, ферромагнитный вал, на котором установлен ферромагнитный стальной сердечник ротора с роторными выступами (зубцами), неподвижные кольцевые обмотки возбуждения осевого магнитного потока, установленные с обеих сторон пакета якоря и сердечника ротора, однонаправленные радиально намагниченные постоянные магниты, расположенные между ферромагнитными роторными выступами.Closest to the technical nature of the present invention is an induction electric machine with combined excitation with permanent magnets and an axial field winding (see D. But. Non-contact electric machines: Textbook for electromechanical and electric power special technical universities. - M .: Higher shk., 1985. - 255 p., p. 129 fig. 4.12a and identical constructions on p. 99 fig. 3.18a, p. 100 fig. 3.19), containing, a stator with a lined core, in the grooves of which is multiphase multipolar armature winding, ferrom an agnitic shaft on which a ferromagnetic steel core of the rotor with rotor protrusions (teeth) is mounted, fixed annular axial magnetic flux field windings mounted on both sides of the armature package and the rotor core, unidirectional radially magnetized permanent magnets located between the ferromagnetic rotor protrusions.

Заявляемое изобретение направлено на решение следующих задач: повышение энергетических, массогабаритных и эксплуатационных показателей электрической машины, а также технологичности конструкции.The claimed invention is aimed at solving the following problems: improving energy, weight and size and performance indicators of an electric machine, as well as manufacturability of the design.

Поставленные задачи решаются за счет того, что в сверхпроводниковой индукторной электрической машине с комбинированным возбуждением, содержащей статор с шихтованным сердечником, в пазах которого размещена многофазная многополюсная обмотка якоря, ферромагнитный вал, на котором установлен ферромагнитный стальной сердечник ротора с роторными выступами (зубцами), неподвижные кольцевые обмотки возбуждения осевого магнитного потока с встречным направлением тока, установленные с обеих сторон от пакета якоря и сердечника ротора, однонаправленные радиально намагниченные постоянные магниты, расположенные между ферромагнитными роторными выступами, с обеих торцевых сторон ферромагнитного сердечника ротора установлены магнитные шунты (интерцепторы) для перераспределения осевого магнитного потока возбуждения и обмотка якоря выполнена из сверхпроводникового материала.The tasks are solved due to the fact that in a superconducting induction electric machine with combined excitation, containing a stator with a charged core, in the grooves of which there is a multiphase multipolar winding of the armature, a ferromagnetic shaft on which a ferromagnetic steel core of the rotor with rotor protrusions (teeth) is mounted, motionless ring windings of axial magnetic flux excitation with opposite current direction, installed on both sides of the armature package and rotor core, one-way radially magnetized permanent magnets located between the ferromagnetic rotor protrusions, magnetic shunts (interceptors) are installed on both ends of the ferromagnetic core of the rotor to redistribute the axial magnetic flux of the excitation and the armature winding is made of superconducting material.

Магнитные шунты могут быть выполнены в виде ферромагнитных дисков с отсеченными сегментами.Magnetic shunts can be made in the form of ferromagnetic disks with clipped segments.

Машина может содержать несколько пакетов якоря и ротора с выступами и ПМ между ними, повернутых друг относительно друга на одно полюсное деление, при этом магнитными шунтами являются ферромагнитные полюсы ротора.The machine may contain several packages of anchor and rotor with protrusions and PM between them, rotated relative to each other by one pole division, while the magnetic shunts are the ferromagnetic poles of the rotor.

Многофазная многополюсная обмотка якоря может быть выполнена кольцевой сосредоточенной из сверхпроводникового материала.Multiphase multipolar armature winding can be made ring concentrated of superconducting material.

Многофазная многополюсная обмотка якоря может быть выполнена сосредоточенной в виде рейстрековых катушек из сверхпроводникового материала.Multiphase multipolar winding of the armature can be made concentrated in the form of raster track coils of superconducting material.

В качестве сверхпроводникового материала может быть использован провод на основе высокотемпературных сверхпроводников первого или второго поколения (ВТСП-2), либо диборида магния.As a superconducting material, a wire based on high-temperature superconductors of the first or second generation (HTSC-2) or magnesium diboride can be used.

Обмотка возбуждения осевого магнитного потока может быть выполнена из проводов на основе резистивных проводников.The axial magnetic flux excitation winding can be made of wires based on resistive conductors.

Обмотка возбуждения осевого магнитного потока может быть выполнена из высокотемпературного сверхпроводникового материала второго поколения ВТСП-2.The axial magnetic flux excitation winding can be made of high-temperature superconducting material of the second generation HTSC-2.

На внешней стороне ярма статора может быть установлена кольцевая подмагничивающая обмотка.An annular magnetizing winding can be installed on the outside of the stator yoke.

На ферромагнитных роторных выступах могут быть выполнены немагнитные пазы.Non-magnetic grooves may be made on the ferromagnetic rotor protrusions.

Постоянные магниты ротора могут иметь трапецеидальную форму.Permanent rotor magnets can be trapezoidal.

Между сердечником ротора с выступами и ПМ и магнитными шунтами могут быть установлены кольцевые аксиально намагниченные постоянные магниты.Between the core of the rotor with protrusions and PM and magnetic shunts can be installed ring axially magnetized permanent magnets.

Роторные выступы и магнитные шунты могут иметь равнопрочный профиль для увеличения максимально-допустимой частоты вращения.Rotor protrusions and magnetic shunts can have an equal strength profile to increase the maximum allowable speed.

Между ферромагнитными выступами ротора над или под ПМ, или над и под ПМ размещены объемные ВТСП элементы для увеличения магнитной анизотропии ротора и для вмороженного магнитного потока.Between the ferromagnetic protrusions of the rotor above or below the PM, or above and below the PM, bulk HTSC elements are placed to increase the magnetic anisotropy of the rotor and for frozen magnetic flux.

Техническим результатом использования заявленного изобретения является повышение удельной мощности, надежности, обеспечение компактности и технологичности выполнения электрической машины, а также увеличение сроков регламентного обслуживания и ресурса.The technical result of using the claimed invention is to increase the specific power, reliability, ensuring compactness and manufacturability of the electric machine, as well as increasing the time of scheduled maintenance and resource.

Технический результат обеспечивается тем, что в отличие от прототипа, представляющего собой индукторную электрическую машину с комбинированным возбуждением, главным недостатком которой является размагничивание (ухудшение магнитных свойств постоянных магнитов и ослабление основного магнитного потока встречно направленным к нему потоком осевого возбуждения), в заявляемом изобретении наличие с обеих торцевых сторон ферромагнитного сердечника ротора магнитных шунтов (интерцепторов) в виде ферромагнитных дисков с отсеченными сегментами, перехватывающих (накоротко замыкающих через себя) половину осевого потока возбуждения от каждой из катушеквозбуждения, препятствует размагничиванию ПМ, что, в свою очередь, способствует сохранению чередования полярностей полюсов ротора и увеличению основного магнитного потока электрической машины. Надо отметить, что использование сверхпроводящих катушек осевого возбуждения может существенно размагнитить даже высококоэрцитивные постоянные магниты из редкоземельных материалов. Поэтому задача защиты ПМ сердечника ротора от размагничивания представляется весьма важной с точки зрения улучшения массогабаритных и энергетических показателей.The technical result is ensured by the fact that, in contrast to the prototype, which is an induction electric machine with combined excitation, the main disadvantage of which is demagnetization (deterioration of the magnetic properties of permanent magnets and the weakening of the main magnetic flux counter-directed axial excitation flux), in the claimed invention, the presence of both ends of the ferromagnetic core of the rotor of magnetic shunts (interceptors) in the form of ferromagnetic disks with a cut off segment E intercepting (NO circuited through itself) half of the axial flow from each of the excitation katushekvozbuzhdeniya prevents demagnetization PM, which in turn contributes to maintaining interlace polarities of the rotor poles and increase the primary magnetic flux of the electrical machine. It should be noted that the use of superconducting axial excitation coils can significantly demagnetize even highly coercive permanent magnets from rare earth materials. Therefore, the task of protecting the PM of the rotor core from demagnetization is very important from the point of view of improving weight and size and energy indicators.

Схема замыкания размагничивающих магниты потоков через магнитные шунты (интерцепторы) 2 и 4, на примере четырехполюсного ротора машины с комбинированным возбуждением, показана на фиг. 1. Сердечник ротора состоит из чередующихся ферромагнитных полюсов (роторных выступов) 3 и полюсов постоянных магнитов 7. Осевые катушки возбуждения на статоре 1 и 5 (встречно включенные) создают два осевых потока: поток Ф_ind, проходящий через выступ сердечника ротора 3, и шунтируемый магнитными шунтами (интерцепторами) 2 и 4 поток Ф_int. Постоянные магниты 7 создают два потока: традиционным образом замыкающийся по ферромагнитным полюсам сердечника ротора через ярмо статора в радиальной плоскости Ф_PMr и поток Ф_PMa, замыкающийся по полюсам магнитных шунтов (и тем самым не дающий вклада в насыщение полюсов сердечника ротора). Оба этих потока сцеплены с обмоткой якоря и участвуют в наведении ЭДС.The closure circuit of the demagnetizing fluxes through magnetic shunts (interceptors) 2 and 4, using the four-pole rotor of a combined excitation machine as an example, is shown in FIG. 1. The core of the rotor consists of alternating ferromagnetic poles (rotor protrusions) 3 and poles of permanent magnets 7. The axial excitation coils on the stator 1 and 5 (counter-connected) create two axial flows: the flux Ф _ind passing through the protrusion of the rotor core 3, and shunted magnetic shunts (interceptors) 2 and 4 flux f _int . Permanent magnets 7 create two fluxes: traditionally closed along the ferromagnetic poles of the rotor core through the stator yoke in the radial plane Ф _PMr and flux Ф _PMa that closes along the poles of magnetic shunts (and thus not contributing to the saturation of the poles of the rotor core). Both of these streams are linked to the armature winding and are involved in induction of the EMF.

Наличие магнитных шунтов (интерцепторов), помимо сохранения знакопеременности магнитного потока в рабочем зазоре и предотвращения размагничивания постоянных магнитов, позволяет снизить степень насыщения магнитной цепи ярма якоря и полюсов сердечника ротора, что ведет к уменьшению потерь в ярме якоря и толщина ярма может быть снижена.The presence of magnetic shunts (interceptors), in addition to maintaining the alternating magnetic flux in the working gap and preventing the demagnetization of permanent magnets, reduces the degree of saturation of the magnetic circuit of the yoke of the armature and the poles of the rotor core, which leads to a decrease in losses in the yoke of the armature and the thickness of the yoke can be reduced.

В случае конструктивного выполнения машины, при котором она содержит несколько пакетов якоря и ротора с выступами и ПМ между ними, повернутых друг относительно друга на одно полюсное деление, защита от размагничивания осуществляется с помощью ферромагнитных полюсов ротора, которые в этом случае выполняют роль магнитных шунтов (интерцепторов). ПМ крайних пакетов защищаются от размагничивающего действия осевых магнитных потоков обмоток возбуждения ферромагнитными полюсами центрального пакета сердечника ротора. На фиг. 2 показан трехпакетный вариант. В этом случае величина наводимой в обмотках якоря ЭДС может быть увеличена в 2-3 раза (в зависимости от активной длины пакетов магнитных шунтов (интерцепторов)), а, соответственно, и мощность машины при тех же габаритах.In the case of constructive execution of the machine, in which it contains several packages of the armature and rotor with protrusions and PM between them, rotated relative to each other by one pole division, protection against demagnetization is carried out using the ferromagnetic poles of the rotor, which in this case act as magnetic shunts ( interceptors). The PM of the outermost packages are protected from the demagnetizing effect of the axial magnetic fluxes of the field windings by the ferromagnetic poles of the central package of the rotor core. In FIG. 2 shows a three-pack version. In this case, the magnitude of the EMF induced in the windings of the armature can be increased by 2–3 times (depending on the active length of the packages of magnetic shunts (interceptors)), and, accordingly, the power of the machine with the same dimensions.

Повышение удельной мощности электрической машины может быть получено за счет увеличения индукции в воздушном зазоре и линейной нагрузки статора.An increase in the specific power of an electric machine can be obtained by increasing the induction in the air gap and the linear load of the stator.

В заявляемом изобретении многофазная многополюсная обмотка якоря может быть выполнена кольцевой сосредоточенной в виде рейстрековых катушек из сверхпроводникового материала. Причем в качестве сверхпроводникового материала используются провода с высокой токонесущей способностью на основе высокотемпературных сверхпроводников первого или второго поколения (ВТСП-2), либо диборида магния, что позволяет существенно повысить линейную нагрузку якорной обмотки.In the claimed invention, a multiphase multipolar armature winding can be made ring concentrated in the form of raster reels of superconducting material. Moreover, wires with a high current carrying capacity based on high-temperature superconductors of the first or second generation (HTSC-2) or magnesium diboride are used as superconducting material, which can significantly increase the linear load of the armature winding.

Обмотки возбуждения осевого магнитного потока заявляемой машины могут быть выполнены из проводов на основе криопроводников или резистивных проводников с возможностью охлаждения до криогенных температур, либо из высокотемпературного сверхпроводникового материала второго поколения ВТСП-2, что позволит существенно повысить индукцию в воздушном зазоре.The axial magnetic flux excitation windings of the claimed machine can be made of wires based on cryoconductors or resistive conductors with the possibility of cooling to cryogenic temperatures, or from high-temperature superconducting material of the second generation of HTSC-2, which will significantly increase the induction in the air gap.

Выполнение якорной обмотки в виде рейстрековых сосредоточенных катушек повышает технологичность процесса изготовления машины. Технологичность применения обмоток на основе лент из высокотемпературных сверхпроводников первого или второго поколения достигается способом намотки рядовых кольцевых катушек или двойных галет. Достоинством рядовой намотки является отсутствие необходимости сложного намоточного оборудования, достоинством двойной галеты является близкое расположение выводов ее концов.The implementation of the anchor winding in the form of raster track concentrated coils increases the manufacturability of the machine manufacturing process. The manufacturability of using windings based on tapes of high-temperature superconductors of the first or second generation is achieved by winding ordinary ring coils or double biscuits. The advantage of ordinary winding is the lack of need for complex winding equipment, the advantage of a double biscuit is the close location of the terminals of its ends.

На внешней стороне ярма статора может быть установлена кольцевая подмагничивающая обмотка, позволяющая осуществлять регулирование выходного напряжения электрической машины в режиме генератора путем изменения степени насыщения магнитопровода статора без воздействия на сверхпроводниковые обмотки возбуждения. Это повышает эксплуатационные возможности машины.On the outside of the stator yoke, an annular magnetizing winding can be installed, which allows controlling the output voltage of the electric machine in the generator mode by changing the degree of saturation of the stator magnetic circuit without affecting the superconducting excitation windings. This increases the operational capabilities of the machine.

На ферромагнитных роторных выступах (полюсах) выполнены немагнитные пазы с целью повышения перегрузочной способности электрической машины за счет уменьшения поперечного индуктивного сопротивления (повышения анизотропии). При этом дополнительно снижается масса машины.Non-magnetic grooves are made on the ferromagnetic rotor protrusions (poles) in order to increase the overload capacity of the electric machine by reducing the transverse inductive resistance (increasing anisotropy). This further reduces the weight of the machine.

Использование в заявляемом изобретении постоянных магнитов сердечника ротора трапецеидальной формы в отличие от прототипа, где они имеют призматическую форму, увеличивает объем ПМ в пазах между роторными выступами, что повышает создаваемый ПМ магнитный поток и, в конечном счете, мощность электрической машины.The use in the claimed invention of permanent magnets of the core of the rotor of a trapezoidal shape, unlike the prototype, where they have a prismatic shape, increases the volume of PM in the grooves between the rotor protrusions, which increases the magnetic flux generated by the PM and, ultimately, the power of the electric machine.

Между сердечником ротора с выступами и ПМ и магнитными шунтами могут быть установлены кольцевые аксиально намагниченные постоянные магниты. Это позволяет, не изменяя габариты, дополнительно повысить величину магнитного потока, а следовательно, и мощность машины.Between the core of the rotor with protrusions and PM and magnetic shunts can be installed ring axially magnetized permanent magnets. This allows, without changing the dimensions, to further increase the magnitude of the magnetic flux, and therefore the power of the machine.

Индукторные машины, как правило, выполняются высокоскоростными, что существенно повышает требования к вопросам прочности. При этом наибольшая концентрация механических напряжений возникает в зоне посадки ротора на вал. Одним из возможных путей снижения уровня механических напряжений в указанной зоне и повышения максимально допустимой частоты вращения является применение равнопрочного профиля в конструкции роторных выступов (полюсов) и магнитных шунтов (см. Накопители энергии: Учеб. пособие для вузов / Д.А. Бут, Б.Л. Алиевский, С.Р. Мизюрин, П.В. Васюкевич; Под. Ред. Д.А. Бута. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 400 с., стр. 274 и стр. 250 рис. 4.6 е).Induction machines, as a rule, are high-speed, which significantly increases the requirements for strength issues. In this case, the highest concentration of mechanical stress occurs in the area of landing of the rotor on the shaft. One of the possible ways to reduce the level of mechanical stresses in the specified zone and increase the maximum permissible rotation frequency is to use an equal strength profile in the design of rotor protrusions (poles) and magnetic shunts (see Energy storage: Textbook for universities / D.A. .L. Alievsky, S.R. Mizyurin, P.V. Vasyukevich; Edited by D.A. Bout. - M .: Energoatomizdat, 1991. - 400 p., P. 274 and p. 250 fig. 4.6 e).

Между ферромагнитными выступами ротора над или под ПМ, или над и под ПМ для увеличения магнитной анизотропии ротора могут быть размещены объемные ВТСП элементы, обладающие существенно более низкой магнитной проницаемостью (μ~0,4) по сравнению с ПМ, что, как уже указывалось, ведет к увеличению мощности машины. Кроме того, при «вмораживании» магнитного потока в ВТСП элементы они, как известно, могут создавать более сильные магнитные поля по сравнению с ПМ, что дополнительно увеличивает основной магнитный поток в рабочей зоне машины. Это такназываемые ВТСП криомагниты с высокими значениями «вмороженных» магнитных полей (~2-3 Тл при Т ~77К и ~10 Тл при Т~20К см. Электромеханические преобразователи на основе массивных высокотемпературных сверхпроводников / Л.К. Ковалев, К.Л. Ковалев, С.М. - А. Конеев, В.Т. Пенкин, В.Н. Полтавец. - М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ 2008, - 440 с., стр. 375).Between the ferromagnetic protrusions of the rotor above or below the PM, or above and below the PM, to increase the magnetic anisotropy of the rotor, bulk HTSC elements can be placed that have a significantly lower magnetic permeability (μ ~ 0.4) compared to PM, which, as already mentioned, leads to an increase in machine power. In addition, when “freezing” the magnetic flux in HTSC elements, they are known to be able to create stronger magnetic fields compared to PM, which further increases the main magnetic flux in the working area of the machine. These are the so-called HTSC cryomagnets with high values of “frozen” magnetic fields (~ 2-3 T at T ~ 77K and ~ 10 T at T ~ 20K cm. Electromechanical converters based on massive high-temperature superconductors / L.K. Kovalev, K.L. Kovalev, S.M. - A. Koneev, V.T. Penkin, V.N. Poltavets. - M .: Publishing House MAI-PRINT 2008, - 440 p., P. 375).

В заявляемом техническом решении повышение надежности электрической машины обеспечивается следующими факторами.In the claimed technical solution, improving the reliability of an electric machine is provided by the following factors.

Неподвижный криостат расположенной на статоре сверхпроводящей обмотки не требует герметичных скользящих уплотнений, не является конструктивным силовым элементом и не ограничивает предельную частоту вращения ротора.The fixed cryostat located on the stator of the superconducting winding does not require hermetic sliding seals, is not a structural force element and does not limit the maximum rotational speed of the rotor.

Наличие высококоэрцитивных постоянных магнитов, расположенных между ферромагнитными роторными выступами, позволит сохранить частичную работоспособность машины в случае аварийного отказа внешней системы электропитания или системы охлаждения обмоток возбуждения.The presence of highly coercive permanent magnets located between the ferromagnetic rotor protrusions will help to maintain the partial operability of the machine in the event of an emergency failure of the external power supply system or the cooling system of the field windings.

Простота конструкции ротора, в котором постоянные магниты удерживаются массивными ферромагнитными (стальными) полюсами и наличие ферромагнитного вала увеличенной площади поперечного сечения (для пропускания потока осевого возбуждения), позволят улучшить прочностные параметры и механическую перегрузочную способность электрической машины (предельную частоту вращения и критический момент нагрузки).The simplicity of the design of the rotor, in which the permanent magnets are held by massive ferromagnetic (steel) poles and the presence of a ferromagnetic shaft with an increased cross-sectional area (for transmitting axial excitation flux), will improve the strength parameters and mechanical overload capacity of an electric machine (limiting rotation frequency and critical load moment) .

На фиг. 1 показана схема замыкания магнитных потоков на примере четырехполюсного ротора сверхпроводниковой индукторнаой электрической машины с комбинированным возбуждением.In FIG. 1 shows a circuit for locking magnetic fluxes using an example of a four-pole rotor of a superconducting induction electric machine with combined excitation.

На фиг. 2 показана схема замыкания магнитных потоков на примере четырехполюсного ротора трехпакетной сверхпроводниковой индукторной машины с комбинированным возбуждением.In FIG. 2 shows a magnetic flux closure circuit using the four-pole rotor of a three-pack superconducting inductor machine with combined excitation as an example.

На фиг. 3 показано поперечное сечение активной зоны шестиполюсного ротора сверхпроводниковой индукторной электрической машины с комбинированным возбуждением.In FIG. 3 shows a cross section of the active zone of a six-pole rotor of a superconducting inductor electric machine with combined excitation.

На фиг. 4 показан сектор расчетной геометрии (правая половина 3D модели).In FIG. 4 shows the sector of the calculated geometry (the right half of the 3D model).

На фиг. 5 показан сектор расчетной геометрии (поперечное сечение активной зоны с полюсом магнитного шунта (интерцептора) на заднем плане)In FIG. 5 shows the sector of the calculated geometry (the cross section of the core with the pole of the magnetic shunt (interceptor) in the background)

Сверхпроводниковая индукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением содержит: неподвижные кольцевые обмотки возбуждения 1, 5, статор с шихтованным сердечником 9, многофазную многополюсную обмотку якоря 8, ферромагнитный вал 6, на котором установлен ферромагнитный стальной сердечник ротора с роторными выступами (зубцами) 3, однонаправленные радиально намагниченные постоянные магниты 7, магнитные шунты (интерцепторы) 2, 4, на ферромагнитных роторных выступах выполнены немагнитные пазы 10.A superconducting induction electric machine with combined excitation contains: stationary ring field windings 1, 5, a stator with a burnt core 9, a multiphase multipolar winding of the armature 8, a ferromagnetic shaft 6, on which a ferromagnetic steel core of the rotor with rotor protrusions (teeth) 3 is mounted, unidirectionally magnetized permanent magnets 7, magnetic shunts (interceptors) 2, 4, non-magnetic grooves 10 are made on the ferromagnetic rotor protrusions.

Индукторная электрическая машина с комбинированным возбуждением в режиме генератора работает следующим образом.Induction electric machine with combined excitation in the generator mode operates as follows.

При подаче тока во встречно включенные обмотки возбуждения 1 и 5 в машине возникают осевые магнитные потоки, создаваемые каждой из обмоток. Часть этих потоков, замыкаясь через ферромагнитные полюсы сердечника ротора одной полярности 3, сцеплена с обмоткой якоря 8, расположенной на статоре, и наводит в ней ЭДС. Радиальные постоянные магниты 7 сердечника ротора создают магнитные потоки другой полярности, сцепленные с обмоткой якоря и также наводящие в ней ЭДС. Магнитные шунты (интерцепторы) 2 и 4, расположенные на роторе с обеих торцевых сторон сердечника ротора на расстоянии вылета лобовых частей обмотки якоря, перехватывают часть осевого потока обмоток возбуждения, предотвращая тем самым размагничивание постоянных магнитов 7. Это приводит к уменьшению насыщения ярма статора, и его толщина может быть снижена, что способствует уменьшению массы машины.When current is supplied to the on-turn field windings 1 and 5, axial magnetic fluxes appear in the machine, which are generated by each of the windings. Some of these flows, closing through the ferromagnetic poles of the rotor core of one polarity 3, are coupled to the winding of the armature 8 located on the stator, and induces an emf in it. The radial permanent magnets 7 of the rotor core create magnetic fluxes of a different polarity, coupled to the armature winding and also inducing an emf in it. Magnetic shunts (interceptors) 2 and 4, located on the rotor from both end sides of the rotor core at a distance of the frontal parts of the armature winding take off, intercept part of the axial flow of the field windings, thereby preventing demagnetization of permanent magnets 7. This reduces the saturation of the stator yoke, and its thickness can be reduced, which helps to reduce the weight of the machine.

По мнению авторов, предлагаемое изобретение может быть использовано в системах электроснабжения и электродвижения, например морских судов, наземного транспорта, летательных аппаратов, а совокупность его существенных признаков необходима и достаточна для достижения заявляемого технического результата.According to the authors, the present invention can be used in power supply and electric propulsion systems, for example, marine vessels, land vehicles, aircraft, and the combination of its essential features is necessary and sufficient to achieve the claimed technical result.

Claims

1. A superconducting induction electric machine with combined excitation, comprising a stator with a lined core, in the slots of which there is a multiphase multipolar armature winding, a ferromagnetic shaft on which a ferromagnetic steel core of the rotor with rotor protrusions is mounted, fixed ring windings of axial magnetic flux excitation installed from both sides of the anchor package and the rotor core, unidirectional radially magnetized permanent magnets (PM) located between the ferromagnet rotor protrusions, characterized in that magnetic shunts are installed on both ends of the ferromagnetic core of the rotor to redistribute the axial magnetic flux of the excitation, the armature winding is made of superconducting material.

2. The machine according to claim 1, characterized in that the magnetic shunts are made in the form of ferromagnetic disks with cut off segments.

3. The machine according to claim 1, characterized in that it contains several packages of the anchor and rotor with protrusions and PM between them, rotated relative to each other by one pole division, while the magnetic shunts are the ferromagnetic poles of the rotor.

4. The machine according to claim 1, characterized in that the multiphase multipolar superconductor armature winding is made ring concentrated.

5. The machine according to claim 1, characterized in that the multiphase multipolar superconducting winding of the armature is made concentrated in the form of raster coils.

6. The machine according to claim 1, characterized in that wires based on high-temperature superconductors of the first or second generation (HTSC-2) or magnesium diboride are used as the superconducting material of the armature winding.

7. The machine according to claim 1, characterized in that the excitation winding of the axial magnetic flux is made of wires based on cryoconductors or resistive conductors with the possibility of cooling to cryogenic temperatures.

8. The machine according to claim 1, characterized in that the excitation winding of the axial magnetic flux is made of high-temperature superconducting material of the second generation of HTSC-2.

9. The machine according to p. 1, characterized in that on the outer side of the yoke of the stator an annular magnetizing winding is installed.

10. The machine according to claim 1, characterized in that non-magnetic grooves are made on the ferromagnetic rotor protrusions.

11. The machine according to claim 1, characterized in that the permanent magnets of the rotor are trapezoidal in shape.

12. The machine according to p. 1, characterized in that between the core of the rotor with the protrusions and the PM and the magnetic shunts are installed ring axially magnetized permanent magnets.

13. The machine according to claim 1, characterized in that the rotor protrusions and magnetic shunts have an equal strength profile.

14. The machine according to claim 1, characterized in that between the ferromagnetic protrusions of the rotor above or below the PM, or above and below the PM, bulk HTSC elements are placed.