150 кВт Криогенная синхронная машина с постоянными магнитами и ВТСП элементами (Московский авиационный институт)
2010, Tом 7, выпуск 1
Тематика: ВТСП устройства
К новому направлению развития синхронных двигателей (СД) с постоянными магнитами (ПМ) относятся криогенные двигатели с охлаждением жидким азотом или водородом и массивными или пленочными ВТСП элементами в роторе. По предварительным оценкам массоэнергетические показатели таких криогенных синхронных ВТСП двигателей могут быть заметно выше по сравнению с двигателями традиционного исполнения при тех же режимах охлаждения. Массивные ВТСП элементы в таких двигателях могут использоваться как высокоэнергетические криомагниты, а также как диамагнитные элементы композитного ротора с ПМ из редкоземельных магнитов (РЗМ).
Можно выделить следующие три перспективные конструктивные схемы роторов магнитоэлектрических ВТСП двигателей – с радиальной, радиально-тангенциальной и тангенциальной намагниченностью (рис.1, а, б, в). Каждая из них имеет свои особенности, преимущества и недостатки, в связи с чем проблема выбора конкретной схемы при проектировании машины становится весьма актуальной. На основе решения двухмерных электродинамических задач был проведён сравнительный анализ распределений магнитных полей в активной зоне таких ВТСП электрических машин и их энергетических характеристик. В результате этого анализа были определены области рационального использования для каждой конструкции (рис. 2). Так двигатели с радиальными постоянными магнитами эффективны в широком диапазоне полюсности при относительно тонких ПМ (рис.2 а). Использование двигателей с радиально-тангенциальными магнитами предпочтительно при среднем числе пар полюсов – p = 2-4 при относительно толстом слое ПМ (рис.2 б). Двигатели с тангенциальными магнитами имеют преимущество при большом числе пар полюсов – p >5 и относительно толстом слое магнитов (рис.2 в). На графиках (рис.2 а, б, в) показана зависимость пиковой мощности двигателя от числа пар полюсов p при различной относительной толщине магнитов в роторе (r1 и r2 – внутренний и внешний радиусы ПМ). В результате этих исследований для экспериментальной высокооборотной ВТСП машины был выбран вариант конструктивной схемы с радиально-тангенциальными постоянными магнитами.
Рис. 1 – Основные конструктивные схемы СД с ПМ и ВТСП (а – СД с радиальными магнитами;
б – СД с радиально-тангенциальными магнитами; в – СД с тангенциальными магнитами)
Рис. 2 –Результаты сопоставления СД по пиковой мощности при различной относительной толщине магнитов Δ (а – при Δ=0,2; б – при Δ=0,4; а – при Δ=0,6)
Рис. 3 –Конструкция ВТСП двигателя
В МАИ совместно с ВНИИЭМ (г. Истра) был спроектирован и изготовлен 150 кВт криогенный синхронный двигатель (ДС-150) с радиально-тангенциальными постоянными магнитами и ВТСП пластинами из иттриевой керамики в роторе. В соответствии с результатами теоретических исследований была выбрана оптимальная конструкция ротора СД с числом пар полюсов p = 3 и габаритными размерами (DxL =130x130 мм).
Конструкция криогенного синхронного ВТСП электродвигателя ДС-150. Общий вид конструкции проектируемого ВТСП электродвигателя показан на рис. 3а. ВТСП двигатель представляет собой бесконтактную синхронную машину с общим криостатом и ротором, содержащим постоянные магниты и пластины из ВТСП керамики. Поперечное сечение ротора показано на рис. 3б, где стрелками обозначено направление намагниченности постоянных магнитов.
Фото ВТСП двигателя ДС-150 показано на рис. 4, а, фото ротора – на рис. 4, б, в. Охлаждение статора и ротора двигателя осуществляется жидким азотом (T=77 K). Вход жидкого азота осуществляется через штуцер, расположенный в подшипниковом щите. Выброс паров азота производится через трубу на корпусе и систему гофрированных труб в атмосферу.
Рис. 4 – Двигатель ДС-150 (а – фото двигателя; б – вал ротора с напрессованным пакетом до установки магнитов; в – ротор с установленными постоянными магнитами и ВТСП пластинами; г – двигатель ДС-150 во время испытаний)
Ротор двигателя состоит из шихтованного пакета, набранного из листов нержавеющей стали 12Х18Н10Т толщиной 1 мм, склеенных компаундом ЭКД-14. Пакет ротора напрессован на вал из стали 12Х18Н10Т. Пакет ротора имеет 12 вырезанных лазером пазов, для постоянных магнитов и ВТСП керамики (рис. 4, б). В пазы шихтованного пакета ротора установлены постоянные магниты НПМ-38. В шести пазах прямоугольной формы установлено по одному тангенциальному магниту, в других шести пазах – по два радиальных магнита, разделенных ВТСП пластиной из иттриевой керамики (рис. 4, в). На рис. 4, г показан двигатель ДС-150 и нагрузочная машина.
На основе анализа критических параметров, токонесущей способности и механических свойств современных ВТСП элементов было показано, что при охлаждении жидким азотом (Т = 77 К) наилучшими параметрами обладают объемные ВТСП элементы на основе иттриевой керамики YBCO. В этой связи были изготовлены объемные блоки из ВТСП керамики YBCO для ротора экспериментального электродвигателя с ПМ.
Основные проектные параметры макетного образца криогенной электрической машины с ВТСП и ПМ в роторе приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Проектные параметры ВТСП двигателя ДС-150
Были проведены экспериментальные исследования ВТСП синхронной машины в генераторном и двигательном режимах работы.
В генераторном режиме работы ВТСП электрической синхронной машины ДС-150 определялись следующие характеристики:
- Характеристики холостого хода (зависимость напряжения ДС-150 от частоты вращения ротора).
- Внешняя характеристика ДС-150 при номинальной частоте вращения 6000 мин-1 и пониженной – 3000 мин-1.
На рис. 5а показана характеристика холостого хода ДС-150. Видно, что при повышении частоты от нуля до 300 Гц линейно возрастает значение фазного напряжения от нуля до величины ~200 В. На рис. 5б представлена внешняя характеристика ДС-150 в генераторном режиме. Испытания проводились при частоте f =150 Гц и f =300 Гц. Из графика видно, что при числе оборотов 6000 мин-1 (f=300 Гц) и 3000 мин-1 (f=150 Гц) при повышении нагрузки происходит плавное падение фазного напряжения практически по линейному закону. Результаты испытаний ДС-150 в двигательных режимах показаны на рис. 6а, б.
Рис. 5 – Экспериментальные характеристики ВТСП машины ДС-150 в генераторном режиме
(а – характеристика холостого хода; б – внешняя характеристика)
Рис. 6 – Экспериментальные характеристики ВТСП машины ДС-150 в двигательном режиме
(а – мощностные характеристики при различных частотах и амплитудах питающего напряжения;
б – нагрузочные характеристики при номинальной частоте и амплитуде питающего напряжения)
Сопоставительные характеристики при различной частоте вращения и амплитуде питающего напряжения в двигательном режиме работы показаны на рис. 6, а б. При всех исследованных режимах значение величины cosφ при мощности близкой к номинальной (150 кВт) близко к единице.
С целью определения эффективности применения массивных ВТСП элементов в роторе двигателя ДС-150 с радиально-тангенциальными магнитами были проведены испытания при криогенных температурах выше критических для ВТСП керамики (). Испытания проводились при кратковременном отключении подачи жидкого азота и фиксированной нагрузки на валу. Сопоставление измерений мощности при частично отогретом роторе машины, когда иттриевая керамика теряет свои сверхпроводящие свойства с мощностью ВТСП двигателя в номинальном режиме (при T = 77 К) показало, что применение в составе ротора массивных ВТСП элементов позволяет увеличить мощность на 20% (рис. 6, б).
Расчётная пиковая мощность спроектированного СД составила 400 кВт, при этом плотность тока в обмотке якоря достигает значения 70 А/мм2. Таким образом, запас по перегрузочной способности составляет 2,6.
Заключение и выводы:
1. Экспериментальные исследования 150 кВт синхронной ВТСП машины с радиально-тангенциальными магнитами и массивными ВТСП элементами в роторе показало, что такие ВТСП электрические машины обладают высокими массоэнергетическими показателями по сравнению с обычными машинами с постоянными магнитами при одинаковых режимах охлаждения на уровне жидкого азота (77 К).
2. ВТСП синхронные машины могут найти практическое применение в перспективных разработках аэрокосмической техники и системах криостатирования в качестве приводов высокоэффективных крионасосов.