RU2726947C1

RU2726947C1 - Synchronous electric motor-generator for kinetic energy accumulator

Info

Publication number: RU2726947C1
Application number: RU2020103047A
Authority: RU
Inventors: Павел Андреевич Дергачев; Екатерина Павловна Курбатова; Олег Николаевич Молоканов; Павел Александрович Курбатов
Priority date: 2020-01-24
Filing date: 2020-01-24
Publication date: 2020-07-17

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: motor-generator for kinetic energy accumulator contains symmetrically located steel sectors (1) connected by external annular magnetic conductor (2), which together form rotor (3). In the central part of the rotor there are two fixed superconducting concentric excitation coils (4) and (5) forming the excitation unit. In the interval between concentric excitation coils (4) and (5) there are at least one fixed superconducting stator windings (6) arranged in a circle and forming one or multiphase system. Concentric excitation coils (4) and (5) and stator windings (6) are installed in cryostat (7). After cooling with liquid nitrogen in cryostat (7) of concentric excitation coils (4), (5) and stator windings (6) current in concentric excitation coils (4) and (5) is switched on. Main portion of the magnetic flux generated by the concentric excitation coils (4) and (5) is closed through rotor (3) and passes between the concentric excitation coils (4) and (5) through stator windings (6) in the zone of steel sectors (1).EFFECT: technical result consists in improvement of operational and specific characteristics of motor-generator, which improves its mass and dimensions and efficiency.1 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области электроэнергетики, а именно к синхронным электрическим машинам с высокотемпературными сверхпроводниковыми (ВТСП) обмотками, в том числе для кинетических накопителей энергии (КНЭ).The invention relates to the field of electric power, namely to synchronous electric machines with high-temperature superconducting (HTSC) windings, including for kinetic energy storage (KNE).

Известна сверхпроводниковая синхронная электрическая машина с обмотками якоря и возбуждением в неподвижном криостате (патент RU 2664716, МПК H02K 55/02, опубл. 22.08.2018), которая содержит магнитопроводящие щиты, магнитопроводящий корпус, статор, выполненный шихтованным, на зубцах которого размещена многофазная многополюсная обмотка якоря, выполненная из ВТСП-ленты 2-го поколения в виде рейстрековых катушек. Машина также содержит установленный на валу когтеобразный ротор, представляющий собой когтеобразные полюсные системы с радиально и тангенциально намагниченными постоянными магнитами. В межполюсном зазоре между краем полюса одной полярности и полюсной системой другой полярности размещены торцевые постоянные магниты. На статоре установлены кольцевые сверхпроводниковые обмотки возбуждения, выполненные из ВТСП. Сверхпроводниковые обмотки возбуждения и обмотка якоря размещены в общем неподвижном криостате на статоре.Known superconducting synchronous electric machine with armature windings and excitation in a stationary cryostat (patent RU 2664716, IPC H02K 55/02, publ. 08/22/2018), which contains magnetic conductive shields, a magnetic conductive housing, a stator made laminated, on the teeth of which there is a multiphase multipolar armature winding made of HTSC tape of the 2nd generation in the form of racetrack coils. The machine also contains a shaft-mounted claw rotor, which is a claw pole system with radially and tangentially magnetized permanent magnets. End permanent magnets are located in the pole gap between the edge of a pole of one polarity and a pole system of the other polarity. Ring superconducting excitation windings made of HTSC are installed on the stator. The superconducting excitation windings and the armature winding are placed in a common fixed cryostat on the stator.

Недостатками такого решения являются наличие повышенных потерь энергии на холостом ходу и низких параметров сохранения энергии КНЭ, а также неоптимальная топология магнитной системы для интегрирования генератора в КНЭ, что определяет его пониженные удельные энергетические показатели и малую эффективность применения его в КНЭ.The disadvantages of this solution are the presence of increased idle energy losses and low energy conservation parameters of the NEC, as well as the suboptimal topology of the magnetic system for integrating the generator into the NEC, which determines its low specific energy indicators and low efficiency of its application in the NEC.

Известна сверхпроводниковая вращающаяся электрическая машина с неподвижными обмотками возбуждения (патент US 7489060 B2, МПК H02K 55/02, опубл. 10.02.2009), которая содержит ротор, из стальных секторов, неподвижный статор, имеющий концентрические внутренние и внешние обмотки статора. Неподвижная сверхпроводящая катушка возбуждения расположена между внутренними и внешними обмотками статора. Стационарная сверхпроводящая катушка возбуждения и выступающие полюса сконфигурированы относительно друг друга, так что, когда ротор вращается относительно статора, создается вращающееся магнитное поле с направлением потока вдоль оси вращения. Взаимодействие магнитного поля неподвижной сверхпроводящей катушки возбуждения с вращающимися полюсами ротора вызывает изменяющийся во времени магнитный поток, проходящий через обмотки статора.Known superconducting rotating electrical machine with fixed excitation windings (patent US 7489060 B2, IPC H02K 55/02, publ. 10.02.2009), which contains a rotor made of steel sectors, a fixed stator having concentric inner and outer stator windings. A stationary superconducting field coil is located between the inner and outer stator windings. The stationary superconducting field coil and the protruding poles are configured relative to each other so that when the rotor rotates relative to the stator, a rotating magnetic field is generated with flow along the rotational axis. The interaction of the magnetic field of the stationary superconducting field coil with the rotating rotor poles causes a time-varying magnetic flux through the stator windings.

Недостатками аналога являются низкие удельные энергетические показатели и КПД при его использовании в КНЭ.The disadvantages of the analogue are low specific energy indicators and efficiency when used in NEC.

Наиболее близким техническим решением является синхронный электрический мотор-генератор для кинетического накопителя энергии (Design of an Axial Flux Inductor Type Synchronous Motor With the Liquid Nitrogen Cooled Field and Armature HTS Windings IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2007, vol. 17, no. 2, pp. 1571-1574), который содержит ротор из стальных секторов, неподвижную кольцевую сверхпроводниковую катушку возбуждения и одну или несколько неподвижных сверхпроводниковых обмоток статора, криостат Катушка возбуждения и обмотки статора изготовлены из ВТСП-проводов. Для снижения потерь на переменном токе в обмотках статора они размещены на стальных сердечниках. Ротор выполнен из магнитного материала и имеет специальный профиль для создания синусоидального магнитного поля. Наличие стального сердечника у обмоток якоря, вызывает потери энергии на холостом ходу и снижает параметр сохранения энергии КНЭ. Принятое расположение катушек возбуждения вызывает повышенные потоки рассеяния, что снижает эффективность системы возбуждения.The closest technical solution is a synchronous electric motor-generator for kinetic energy storage (Design of an Axial Flux Inductor Type Synchronous Motor With the Liquid Nitrogen Cooled Field and Armature HTS Windings IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2007, vol. 17, no. 2, pp. 1571-1574), which contains a rotor made of steel sectors, a stationary annular superconducting excitation coil and one or more stationary superconducting stator windings, a cryostat The excitation coil and stator windings are made of HTSC wires. To reduce AC losses in the stator windings, they are placed on steel cores. The rotor is made of magnetic material and has a special profile to create a sinusoidal magnetic field. The presence of a steel core at the armature windings causes energy losses at idle and reduces the NEC energy conservation parameter. The adopted arrangement of the excitation coils causes increased leakage fluxes, which reduces the efficiency of the excitation system.

Недостатками являются низкие эксплуатационные характеристики мотор-генератора.The disadvantages are the low performance of the motor generator.

Технической задачей является улучшение эксплуатационных характеристик мотор-генератора.The technical challenge is to improve the performance of the motor generator.

Технический результат, заключается в улучшении удельных энергетических характеристик мотор-генератора, а также в оптимизации топологии магнитной системы для работы совместно с КНЭ, улучшить массогабаритные показатели и эффективность.The technical result consists in improving the specific energy characteristics of the motor-generator, as well as in optimizing the topology of the magnetic system to work in conjunction with the NEC, to improve the weight and dimensions and efficiency.

Это достигается тем, что известный синхронный электрический мотор-генератор для кинетического накопителя энергии, содержащий ротор из стальных секторов, неподвижную кольцевую сверхпроводниковую катушку возбуждения и неподвижную сверхпроводниковую обмотку статора, криостат, дополнительно снабжен узлом возбуждения, выполненным из двух неподвижных сверхпроводниковых концентрических катушек возбуждения, расположенных так, что обмотки статора находятся между ними, внешним кольцевым магнитопровод, расположенным на периферии стальных секторов ротора.This is achieved by the fact that the known synchronous electric motor-generator for a kinetic energy storage containing a rotor made of steel sectors, a stationary annular superconducting excitation coil and a stationary superconducting stator winding, a cryostat, is additionally equipped with an excitation unit made of two stationary superconducting concentric excitation coils located so that the stator windings are located between them, by an external annular magnetic circuit located on the periphery of the steel sectors of the rotor.

Сущность изобретения пояснена чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид синхронного электрического мотор-генератора с двумя парами полюсов для КНЭ с неподвижными высокотемпературными сверхпроводниковыми обмотками, на фиг. 2 показан поперечный разрез синхронного электрического мотор-генератора с двумя парами полюсов для КНЭ, на фиг. 3 приведена зависимость магнитного потока в одной из обмоток статора от угла поворота ротора на холостом ходу.The essence of the invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a general view of a synchronous electric motor-generator with two pairs of poles for NEC with fixed high-temperature superconducting windings, Fig. 2 shows a cross-section of a synchronous electric motor-generator with two pairs of poles for NEC, FIG. 3 shows the dependence of the magnetic flux in one of the stator windings on the angle of rotation of the rotor at idle.

Синхронный электрический мотор-генератор для кинетического накопителя энергии содержит симметрично расположенные стальные секторы 1, соединенные внешним кольцевым магнитопроводом 2, которые совместно образуют ротор 3, в центральной части которого помещены две неподвижные сверхпроводниковые концентрические катушки возбуждения 4 и 5, образующие узел возбуждения. В промежутке между концентрическими катушками возбуждения 4 и 5 установлено не менее одной неподвижных сверхпроводниковых обмоток статора 6, размещенных по кругу и образующих одно или многофазную систему. Концентрические катушки возбуждения 4 и 5 и обмотки статора 6 установлены в криостате 7.A synchronous electric motor-generator for a kinetic energy storage device contains symmetrically located steel sectors 1 connected by an external annular magnetic circuit 2, which together form a rotor 3, in the central part of which there are two stationary superconducting concentric excitation coils 4 and 5, forming an excitation unit. In the interval between the concentric field coils 4 and 5, at least one stationary superconducting stator windings 6 are installed, arranged in a circle and forming a single or multiphase system. Concentric excitation coils 4 and 5 and stator windings 6 are installed in cryostat 7.

Синхронный электрический мотор-генератор для кинетического накопителя энергии работает следующим образом.Synchronous electric motor generator for kinetic energy storage works as follows.

После охлаждения жидким азотом в криостате 7 концентрических катушек возбуждения 4, 5 и обмоток статора 6 включается ток в концентрических катушках возбуждения 4 и 5. Основная часть магнитного потока, создаваемого концентрическими катушками возбуждения 4 и 5, замыкается через ротор 3 и проходит между концентрическими катушками возбуждения 4 и 5 через обмотки статора 6 в зоне стальных секторов 1. Меньшая часть магнитного потока проходит через оставшиеся обмотки статора 6 вне стальных секторов 1. При вращении ротора 3 возникает переменное потокосцепление в обмотках статора 6, и индуцируется ЭДС. При включении обмоток статора 6 на электрическую нагрузку в них протекает ток, возникает электромагнитный момент и мотор-генератор работает в генераторном режиме. При включении обмоток статора 6 на многофазную систему напряжений или токов возникает вращающееся магнитное поле и электромагнитный момент, который вызывает вращение ротора 3 синхронно с вращением магнитного поля, создаваемого обмотками статора 6 и мотор-генератор работает в двигательном режиме.After cooling with liquid nitrogen in the cryostat 7 concentric excitation coils 4, 5 and stator windings 6, the current is switched on in concentric excitation coils 4 and 5. The main part of the magnetic flux created by concentric excitation coils 4 and 5 is closed through the rotor 3 and passes between the concentric excitation coils 4 and 5 through the stator windings 6 in the area of the steel sectors 1. A smaller part of the magnetic flux passes through the remaining stator windings 6 outside the steel sectors 1. When the rotor 3 rotates, a variable flux linkage occurs in the stator windings 6, and an EMF is induced. When the stator windings 6 are turned on to an electrical load, a current flows in them, an electromagnetic moment occurs and the motor-generator operates in a generator mode. When the stator windings 6 are switched on to a multiphase system of voltages or currents, a rotating magnetic field and an electromagnetic moment arise, which causes the rotor 3 to rotate synchronously with the rotation of the magnetic field created by the stator windings 6 and the motor-generator operates in a motor mode.

Расположение обмоток статора 6 между концентрическими катушками возбуждения 4, 5 и использование стальных секторов 1 совместно с внешним кольцевым магнитопроводом 2 формирует магнитное поле с высокой однородностью, а также уменьшает радиальные компоненты магнитной индукции в обмотках статора бив концентрических катушках возбуждения 4, 5, что позволяет пропускать большие значения токов по сверхпроводниковому материалу, так как критические значения плотности тока снижаются в ортогональных к току магнитных полях.The location of the stator windings 6 between the concentric excitation coils 4, 5 and the use of steel sectors 1 together with an external annular magnetic circuit 2 forms a magnetic field with high uniformity, and also reduces the radial components of the magnetic induction in the stator windings biv concentric excitation coils 4, 5, which allows large values of currents in a superconducting material, since the critical values of the current density decrease in magnetic fields orthogonal to the current.

Расположение концентрических катушках возбуждения 4, 5 и обмоток статора 6 обеспечивает эффективную концентрацию магнитного потока в зоне обмоток статора 6, уменьшает паразитные магнитные потоки рассеяния, увеличивает магнитный поток возбуждения и соответственно повышает удельные энергетические характеристики мотор-генератора. Топология магнитной системы ротора позволяет эффективно интегрировать его в КНЭ, что улучшает эксплуатационные характеристики.The arrangement of concentric field coils 4, 5 and stator windings 6 provides an effective concentration of magnetic flux in the zone of stator windings 6, reduces stray magnetic flux leakage, increases the magnetic field flux and, accordingly, increases the specific energy characteristics of the motor generator. The topology of the rotor magnetic system allows it to be effectively integrated into the NEC, which improves performance.

Пример выполненных оценочных расчетов мотор-генератора с номинальной мощностью 1 МВт и двумя парами полюсов при скорости вращения 10000 об/мин представлен в таблице 1 и на фиг.3. Полюса ротора в приведенном примере имеют вид секторов с углом раскрытия 90° и плоской внутренней поверхностью.An example of the estimated calculations of a motor generator with a rated power of 1 MW and two pole pairs at a rotation speed of 10,000 rpm is presented in Table 1 and in Fig. 3. The rotor poles in the example shown are in the form of sectors with an opening angle of 90 ° and a flat inner surface.

Использование изобретения позволяет улучшить эксплуатационные и энергетические характеристики мотор-генератора и при этом улучшить его массогабаритные показатели и эффективность.The use of the invention makes it possible to improve the operational and energy characteristics of the motor generator and, at the same time, to improve its weight and dimensions and efficiency.

Claims

A synchronous electric motor-generator for a kinetic energy storage containing a rotor made of steel sectors, a stationary annular superconducting excitation coil and a stationary superconducting stator winding, a cryostat, characterized in that it is equipped with an excitation unit made of two stationary superconducting concentric excitation coils arranged so that the stator windings are located between them, an external annular magnetic circuit located on the periphery of the steel sectors of the rotor.