Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Пенкин Владимир Тимофеевич
РАЗРАБОТКА СИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН С КОМПОЗИТНЫМИ И ОБЪЕМНЫМИ СВЕРХПРОВОДНИКАМИ В РОТОРЕ
Специальность 05.09.01 Электромеханика и электрические аппараты
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Москва 2012
Работа выполнена на кафедре Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) МАИ.
Научный консультант: Доктор технических наук, профессор КОВАЛЕВ Лев Кузьмич
Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор БЕСПАЛОВ Виктор Яковлевич Доктор технических наук, профессор ВЫСОЦКИЙ Виталий Сергеевич Доктор технических наук, ведущий научный сотрудник СУРИН Михаил Израелевич
Ведущая организация: Научно-Производственное Предприятие Всероссийский Научно- Исследовательский Институт Электромеханики с заводом им.
Иосифьяна А.Г. ФГУП (ВНИИЭМ) г.Москва
Защита диссертации состоится л 4 мая 2012г. в 11 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.125.07 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) МАИ по адресу:
125993, г.Москва, Волоколамское шоссе, д.4, Главный административный корпус, Зал заседаний Ученого Совета, ауд. 302.
Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Российская Федерация, 125993, г.Москва, Волоколамское шоссе, д.4 на имя ученого секретаря диссертационного совета Д212.125.07; факс 8 (499) 158 45
Автореферат разослан л 25 января 2012г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д212.125.к.т.н., доцент А.Б. Кондратьев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. В настоящее время, несмотря на устойчивую тенденцию разработок и внедрения энергосберегающего оборудования, наблюдается значительный рост потребления электроэнергии, требующий совершенствования электроэнергетических систем с точки зрения эффективности, материалоемкости и экологической чистоты. Современные сверхпроводниковые технологии позволяют в наиболее полной мере удовлетворить этим требованиям, как в промышленных, так и в бортовых электроэнергетических комплексах, а также перейти к решению проблем водородной энергетики. Не умаляя значение низкотемпературных сверхпроводников, необходимо отметить, что перспективы развития промышленной и бортовой энергетики в настоящее время связаны с широким внедрением технологий на базе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП).
В этой связи в России и за рубежом активно разрабатываются электромеханические преобразователи на основе ВТСП как стационарного назначения, так для подвижных объектов. Основной объем этих исследований направлен на создание нового поколения электрических машин с обмотками из ВТСП проводов и системами их криостатирования в температурном диапазоне 20Е50 К.
В последние годы прогресс в производстве объемных и листовых композитных ВТСП материалов позволяет также разработать и создать принципиально новые типы ВТСП электрических машин с охлаждением на уровне температуры жидкого азота (77 К). По сравнению с обычными электромеханическими преобразователями, электрические машины с объемными и композитными ВТСП элементами имеют в 2Е5 раз большие значения выходной мощности и повышенный коэффициент мощности.
Важно также отметить, что система криостатирования на таком температурном уровне существенно проще, чем у машин с ВТСП обмотками.
Несмотря на заметные успехи в исследовании электрических машин с объемными и композитными ВТСП элементами и ВТСП проводами второго поколения вопросы, касающиеся расчета и проектирования в литературе, не рассматриваются достаточно полно. В этой связи, данная работа, посвященная разработке методов расчета и проектирования СП электрических машин, а также экспериментальному исследованию опытных образцов, представляется актуальной и имеет несомненный практический интерес.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка и создание синхронных электрических машин с обмотками из композитных сверхпроводящих проводов, а также электродвигателей с ВТСП листовыми композитами и объемными сверхпроводящими элементами в роторе, обладающих улучшенными массогабаритными и энергетическими параметрами и работающих в среде жидкого азота при температуре 77 К.
Диссертационная работа направлена на повышение удельной мощности электрических машин и их энергетических параметров (коэффициент мощности, КПД) за счет использования:
Цдля бортовых синхронных генераторов - сверхпроводниковых и криопроводниковых обмоток, рациональной конструкции беззубцового статора, отсутствия ферромагнитопровода ротора;
Ц для электропривода - ВТСП объемных, композитных или наноструктурированных материалов в роторе и криогенного охлаждения обмотки статора.
Задачи работы. В работе поставлены и решены следующие основные задачи.
1. Разработка методик проектного и поверочного расчетов бортовых СПСГ с композитными НТСП обмотками.
2. Разработка методик проектного и поверочного расчетов гистерезисных и реактивных ВТСП электродвигателей, а также электродвигателей с постоянными магнитами и ВТСП элементами.
3. Разработка, создание и испытания макетных образцов новых типов ВТСП электрических машин с различными системами криостатирования (в том числе, при температуре жидкого азота 77К).
4. Определение рациональных областей применения бортовых электрических машин с различными типами СП токонесущих элементов различного уровня мощности, оценка их эффективности и рекомендации по их использованию в электроэнергетических комплексах различного назначения.
Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов. Сформулированные в диссертации научные положения, выводы и рекомендации обоснованы полученными в работе теоретическими решениями электродинамических задач и экспериментальными результатами, полученными на макетах СП машин. Теоретические разработки диссертации основаны на известных положениях электротехники, теории электромеханического преобразования энергии, теории поля, теории теплопроводности, электродинамики жестких сверхпроводников второго рода. Достоверность полученных результатов обоснована экспериментальными исследованиями опытных образцов различных типов ВТСП электрических машин мощностью 1Е100 кВт.
При разработке проектных методик использовались методы математической физики и теории поля, аналитические и численные методы решения уравнений электродинамики, прикладные методы расчета процессов в жестких сверхпроводниках второго рода, теория электромеханического преобразования энергии. При решении систем уравнений электродинамики использовалась вычислительная техника и пакеты: Borland Pascal 7.0, Borland Delphi 4.0, MathCAD 7.0, Maple 5.3, QuickField 4.1 и MS Excel. Адекватность разработанных методик расчёта подтверждается многочисленными экспериментальными исследованиями на макетных образцах СП электрических машин различного конструктивного исполнения в диапазоне мощности 1Е780кВА.
Связь темы диссертации с НИР. Диссертационная работа отражает результаты исследований, выполненных под руководством и при участии автора в рамках совместных Российско-Германских проектов BMFT X.222.в 1995г. (ВТСП электродвигатель), BMBF 13N6854 в 1996-1998гг. (ВТСП электродвигатель мощностью 10 кВт), BMBF 13N6854А в 1999-2003гг.
(ВТСП электродвигатель мощностью до 500 кВт), договору SfP#9242между МАИ и Оксфордским университетом (Оксфорд, Великобритания) в 2000Ц2002гг. по созданию бесконтактных электродвигателей с высокотемпературным сверхпроводниковым ротором, а также грантов РФФИ 93-02-17436-а в 1993-1995гг., 05-08-01159-а в 2005-2007гг., 07-0812081-офи в 2007-2008гг., 09-08-07025-д в 2009-2010гг. Результаты исследований вошли в соответствующие отчеты по НИР и опубликованы в 56 научных статьях и двух монографиях.
Научная новизна работы.
1. Разработаны новые конструктивные схемы, защищенные патентами РФ, СП электрических машин на основе различных типов ВТСП токонесущих элементов в роторе.
2. Разработан комплекс методик проектного и поверочного расчетов электрических машин на основе НТСП проводов и объемных ВТСП элементов в роторе для электроэнергетических комплексов различного назначения.
3. Разработаны и созданы экспериментальные образцы электрических машин с ВТСП объемными элементами в роторе мощностью 1Е100 кВт.
Проведены их испытания как при нормальной температуре кипения жидкого азота (77К) и при пониженной (66К), так и при температуре жидкого водорода (20К).
4. Разработан, создан и испытан экспериментальный бортовой криогенный синхронный генератор мощностью 780 кВА с НТСП рейстрековым индуктором из композитных проводов на основе Nb-Ti и криопроводниковым якорем из сверхчистого алюминия.
Практическая полезность работы. Разработанные в диссертации методы проектного и поверочного расчета различных типов СП электрических машин и результаты экспериментального исследования их макетных образцов имеют следующее практическое значение.
1. Создан комплекс алгоритмов и программ проектного и поверочного расчета новых типов ВТСП электрических машин различного уровня мощности в диапазоне 1Е780кВА.
2. Созданы и испытаны опытные образцы СП электрических машин и определены их массогабаритные и энергетические характеристики 3. Экспериментально и теоретически показано, что новые типы ВТСП электрических машин имеют в 2Е3 раза большую удельную мощность по сравнению с аналогичными машинами традиционного исполнения.
4. Сформулированы рекомендации по применению разработанных ВТСП электрических машин в электроэнергетических комплексах различного назначения.
5. Созданы крионасосы с ВТСП криоэлектроприводом мощностью до 1,кВт, в том числе, для самолета с жидководородным топливом.
Реализация результатов работы. Научные результаты внедрены на ведущих предприятиях (организациях) отрасли: ОАО АКБ ЯКОРЬ (Москва) при разработке криогенного макета бортового синхронного генератора; НИИЭМ (г.Истра, Московская обл.) при разработке ВТСП электропривода криогенной топливной помпы.
Они использованы в учебном процессе по дисциплине Криогенные и сверхпроводниковые устройства в качестве пособий по курсовому и дипломному проектированию.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались автором и обсуждались на следующих российских и международных конференциях и симпозиумах:
Ц международная конференция по магнитной технологии (МТ-17, Ленинград, СССР, 1991);
Ц на 3-х сторонних семинарах (Россия-Германия-Украина) по Прикладной Сверхпроводимости в 1992г. (Дубна, Россия) и в 2000 г. (Гармиш-ПартенКирхен, Германия);
Ц на международной конференции по инженерному делу в криогенике (ICEC17, Борнмут, Великобритания, 1998г.);
Ц на симпозиумах ЭЛЕКТРОТЕХНИКА-2010 в 1999 г., 2003 г.
(Солнечногорск, Московская область, Россия);
Ц на Европейских Конференциях по Прикладной Сверхпроводимости (EUCAS): EUCAS'99, Ситджес, Испания, 1999г.; EUCAS'01, Копенгаген, Дания, 2001г.; EUCAS'03, Сорренто, Италия 2003г.; EUCAS'05, Вена, Австрия, 2005г.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы и ее результатов полностью отражено в 65 научно-технических работах автора, включающих 2 монографии, 7 патентов, доклады на российских и международных конференциях, патенты и статьи в отечественных и зарубежных журналах, в частности, 15 статей в журналах, рекомендованных перечнем ВАК. Перечень основных публикаций автора приведен в диссертации в полном объеме, а в автореферате в сокращенном виде.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 3страницах основного текста с 20 таблицами, иллюстрирована 121 рисунком, состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников из 176 наименований.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Системный анализ отечественных и зарубежных разработок синхронных СП электрических машин, их классификация, определение областей рационального применения машин на основе СП композитных проводов, объемных ВТСП элементов и листовых композитов в электроэнергетических комплексах различного назначения.
2. Методы проектного и поверочного расчета бортовых СПСГ различного конструктивного исполнения.
3. Методы расчета и проектирования криоэкранов ротора СП бортовых генераторов.
4. Конструктивные схемы новых типов ВТСП синхронных электрических машин с объемными ВТСП элементами и листовыми композитами, обладающие улучшенными энергетическими параметрами по сравнению с несверхпроводящими аналогами и защищенные 7-ю патентами.
5. Комплекс методик проектного и поверочного расчета магнитных полей и параметров электродвигателей с объемными ВТСП элементами (гистерезисных, реактивных и комбинированных с постоянными магнитами).
6. Макетные образцы различных типов синхронных СП электрических машин мощностью 1Е780 кВА и результаты их экспериментальных исследований на криогенных стендах МАИ.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении определен объект исследования, его признаки, область использования, сформулированы цель работы, направления исследований, актуальность, положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен анализ тенденций развития современных технологий и параметров токонесущих СП элементов с обобщенными данными для электрических машин c точки зрения критических параметров и стоимостных показателей. Отмечается, что для электрических машин с НТСП обмотками постоянного тока на основе сплава Nb-Ti и соединения Nb3Sn необходимы системы криостатирования, обеспечивающие температуру индуктора на уровне жидкого гелия. Достигнутый уровень мощности НТСП синхронных генераторов составляет 70 МВА. Показано, что развитие этого направления работ для наземной энергетики сдерживается сложностью создания надёжных систем криостатирования вращающихся обмоток индуктора и высокими прогнозными значениями стоимостных показателей НТСП электрических машин. Отмечается, что НТСП синхронные машины могут найти применение в перспективных разработках криогенных летательных аппаратов на жидком водороде.
Обзор литературных данных позволяет заключить, что в настоящее время синхронные электрические машины с ВТСП обмотками постоянного тока на основе композитных ВТСП проводов 1-ого поколения, активно разрабатываемые в ведущих научных зарубежных центрах, позволяют использовать более простые, по сравнению с НТСП, системы T 30K криостатирования, например, на основе жидкого неона ( ) или мощных криокулеров в температурном диапазоне (Т~40Е50К). Диапазон мощности таких ВТСП электрических машин, находящихся в стадии разработки, составляет 5Е37 МВА. В настоящее время основное направление практического применения ВТСП электрических машин связано с их использованием в составе мощных электроэнергетических комплексов систем электродвижения морских судов, ветро- и гидроэнергетике, в перспективной аэрокосмической технике и др. По оценкам специалистов применение в будущем (~2020г.) ВТСП электрических машин связано с перспективным снижением себестоимости ВТСП проводов 1-ого поколения.
Обмотки индукторов разрабатываемых СП электрических машин на основе композитных проводов из MgB2 рациональны в диапазоне температур 20Е35К в системах криостатирования с жидким водородом, неоном или специальным криокулером. Ожидается, что существенно меньшая стоимость проводов из MgB2 при решении технологических проблем выпуска длинномерных проводов позволит существенно снизить затраты на создание СП электрических машин большой мощности различного назначения (системы водородных транспортных магистралей, промышленная энергетика, летательные аппараты с водородным топливом и т.д.).
Развитие технологий создания длинномерных композитных ВТСП проводов 2-ого поколения на основе иттриевых керамик позволяет создавать электрические машины с системами криостатирования на основе жидкого азота. Это существенно упрощает их конструкцию, а в дальнейшем снизит и стоимостные показатели. В настоящее время электрические машины с ВТСП проводами 2-ого поколения находятся в начальной стадии разработки.
Потери в композитных ВТСП токонесущих элементах 1-ого и 2-ого поколений в настоящее время определяют лишь направления для СП электрических машин с ВТСП обмотками переменного тока низкой частоты f 20Гц (линейные ВТСП электрические машины, моментные двигатели).
К новому направлению в диапазоне мощности 1Е500кВт относится разработка электрических машин с объёмными СП токонесущими элементами в роторе и системами криостатирования на основе жидкого азота (гистерезисные, реактивные, с постоянными магнитами и т.д.).
Теоретические и экспериментальные исследования показали, что объёмные ВТСП токонесущие элементы из иттриевой керамики обладают высокими значениями плотности тока. Они не подвержены скачкам магнитного потока при температуре жидкого азота, что типично для объёмных НТСП элементов при температуре 4Е10К. ВТСП электрические машины находят применение в качестве электроприводов мощных крионасосов в специальных промышленных приводах, в перспективных разработках электроэнергетических комплексов, транспортных и аэрокосмических систем.
Вторая глава посвящена анализу областей применения сверхпроводниковых электрических машин на борту летательных аппаратов с криогенным топливом. Изначально сверхпроводниковые машины разрабатывались как генераторы большой мощности для работы в промышленных электросетях. В ряде работ отмечался интерес к применению СПСГ в авиации и на морских судах. Вместе с тем, разработка высокотемпературных материалов, как в виде длинномерных проводов, так и объемных элементов, открывает новые области применения СП электрических машин в бортовых электроэнергетических установках.
1. Источники питания мощных бортовых потребителей. По прогнозным оценкам развития авиационно-космической электроэнергетики СП синхронные генераторы мощностью до 20 МВА импульсного и повторно-кратковременного режима работы могут использоваться для питания таких мощных бортовых потребителей, как авиационные комплексы дальнего радиолокационного обнаружения, загоризонтные РЛС, систем радиопротиводействия, лазерные системы и системы электромагнитного разгона массы.
Анализ расчетных зависимостей удельной массы от мощности (рис. 1) для синхронных генераторов различного исполнениях показал, что высокооборотные сверхпроводниковые синхронные генераторы (СПСГ) с НТСП обмотками возбуждения и характерной мощностью 10Е50 МВА, позволяют добиться удельной массы 0,07Е0,09 кг/кВА. Для полностью сверхпроводниковых генераторов с ВТСП обмотками ротора и статора прогнозные значения этого параметра составляют менее 0,02 кг/кВА.
Рис. Характерные расчетные зависимости массы СПСГ мощностью 20 МВА и относительного индуктивного синхронного сопротивления таких машин от числа пар полюсов при различной частоте вращения ротора приведены на рис.
2. Из анализа кривых следует, что перспективными являются высокооборотные четырех- или шестиполюсные генераторы. Это связано с тем, что двухполюсные машины создают сильное магнитное поле, для защиты внешнего пространства от которого необходим толстый и тяжелый стальной p экран статора, а при числе пар полюсов в силу отсутствия магнитопровода ротора слишком велико межполюсное рассеяние магнитного * поля возбуждения. Относительная величина индуктивного сопротивления X S СПСГ лежит в пределах 0,3Е0,6, то есть в 2Е3 раза меньше, чем в синхронных генераторах традиционного исполнения, что обеспечивает более жесткую внешнюю характеристику СПСГ и снижает требования к системе стабилизации выходного напряжения при изменении параметров нагрузки.
Рис. 2. Рис. 3.
* Изменение предельной мощности Рпр и удельной массы m СПСГ с конструктивным коэффициентом a=1 и относительным индуктивным * сопротивлением X 0,5 от частоты вращения ротора n при различном S числе пар полюсов представлено на рис. 3. Реализуемый диапазон мощности АЭУ со СПСГ ограничен кривой предельной мощности газотурбинной установки привода. Так из рис. 3 следует, что при уровне мощности 20 МВт СПСГ должен иметь р=2ЕЗ и частоту вращения ротора n~6000Е90мин-1.
Прогнозные значения удельной массы перспективных приводов АЭУ со СПСГ, построенные путем обобщения опытных данных по отечественным и зарубежным авиационным двигательным установкам, позволяют заключить, что ожидаемые сухие удельные массы АЭУ мощностью 20 МВт находятся на уровне 0,1Е0,15 кг/кВт для варианта, встроенного в маршевый двигатель ЛА и 0,05Е0,1 кг/кВт для полностью автономной энергоустановки в подвесной гондоле атмосферного ЛА (рис. 4) с приводом от независимого газотурбинного двигателя.
Расход топлива и удельная масса авиационных ГТД в диапазоне 1Е40 МВт изменяются слабо и составляют соответственно Gт = * 0,24...0,27 кг/кВт-ч и m = 0,11...0,17 кг/кВт. Необходимо учитывать, что мощность ГТД сильно зависит от параметров атмосферы и на высоте 10км уменьшается практически в 2 раза.
Рис. 4.
Конфигурация и возможности СП электрической машины зависят от системы охлаждения, которая является неотъемлемой частью архитектуры ЛА, и, главным образом, от имеющейся на борту криогенной мощности. С этой точки зрения рассматриваются ЛА с топливом двух типов.
а) ЛА с углеводородным топливом и запасом криоагента на борту на время всего полёта, включая минимальный остаточный запас для исключения размораживания бортовых сосудов Дьюара, пополняемых после каждой посадки. Криоагент может храниться в легких дьюарах емкостью 200Е220 л. Этого количества достаточно для поддержания в захоложенном состоянии генератора мощностью 20 MBА в течение 5Е6 ч - расчетной продолжительности полета атмосферного ЛА. Испаряемость криоагента в современных дьюарах не превышает нескольких процентов в сутки, а масса системы его хранения на борту составит менее 45 кг. Если в качестве криоагента применяется жидкий водород, он также может использоваться как топливо после охлаждения ВТСП устройств в соотношении 95% керосина - 5% H2.
б) ЛА с криогенным топливом. Жидкий водород в качестве горючего является наилучшим вариантом для агрегатирования СП электрической машины и газовой турбины (например, авиадвигатель НК-88). После охлаждения СП обмоток водород надо лишь подогреть до газообразного состояния перед сжиганием в турбине. Электрическая машина может иметь обмотку якоря из ВТСП провода с относительно невысокими требованиями к потерям на переменном токе, которые отводятся за счёт испарения жидкого водорода с его последующим сжиганием в турбине. Экологический аспект здесь характеризуется так называемым нулевым выбросом, поскольку продукт сгорания - чистая вода.
Если горючим является сжиженный природный газ, то для охлаждения СП обмоток целесообразно использовать криокулеры - активные источники холода, работающие по замкнутому циклу со сбросом тепла в криогенное топливо.
2. Перспективные схемы ЛА со СПСГ и электроприводом винтов.
Ожидаемое к 2020 г. удвоение пассажиропотока и ежегодное увеличение грузовых авиаперевозок ставит вопрос о нанесении наименьшего вреда окружающей среде, повышении топливной экономичности ЛА и снижении шума авиадвигателей.
Уменьшение выброса оскидов азота и расхода топлива может быть основано на известных идеях применения компрессора с промежуточным охлаждением и использования рекуперации тепловой энергии выхлопа для подогрева воздуха перед камерой сгорания. Вместе с тем, перспективной является технология турбоэлектрического аэродвижения с применением СП генераторов и СП электродвигателей для привода малошумящих тяговых винтов (рис. 5), выдвинутая в МАИ с участием автора в 1993г. и интенсивно разрабатываемая в США в настоящее время.
Применение схемы Утурбина-электрогенератор-электродвигательдвижительФ вместо традиционной Удвигатель-редуктор-движительФ обеспечивает снижение расхода топлива, выбросов оксида азота, уменьшение шума и вибраций, гибкость компоновки. Большинство современных пассажирских лайнеров снабжено авиадвигателями с высокой степенью двухконтурности, характеризующей скорость выхлопных газов, уровень шума и расход топлива. Бльшая часть мощности, произведенной двигателем, расходуется на вращение вентилятора, создающего основную долю тяги. Момент и частота вращения в турбине жестко связаны между собой, поскольку вентилятор и турбина расположены на одном валу, что исключает выигрыш в эффективности при управлении за счет изменения частоты. Турбины обладают большей эффективностью и плотностью мощности при высоких оборотах. Ограничением по частоте вращения является линейная скорость кромок лопастей вентилятора. Она не должна превышать скорость звука за исключением предельных режимов, таких как взлёт. В концепции турбоэлектрического аэродвижения каждый ВТСП генератор механически связан с турбиной, тогда как движитель - пропеллер или вентилятор - соединен с генератором через ВТСП электродвигатель.
Исключение жесткой связи между моментом и частотой вращения обеспечивает гибкость управления. Подобная архитектура совместима с концепцией распределённых движителей, когда тяга создается несколькими двигателями, встроенными в фюзеляж или крыло. Схема может быть реализована посредством удаленного подключения нескольких электродвигателей к одному мощному генератору. Эта концепция также удачно вписывается в структуру полностью электрифицированного самолета, где весь гидро- и пневмопривод должен быть заменен электроприводом.
3. Криогенный электропривод на базе ВТСП машин малой и средней мощности. Успехи в разработке объемных ВТСП материалов и композитов на их основе открывают возможности для применения СП машин не только мегаваттного класса, но двигателей малой и средней мощности в системах электропривода, что является абсолютно новым направлением их применения, предложенным автором. К ним относятся СП электродвигатели гистерезисного и реактивного типов и электродвигатели с постоянными магнитами и ВТСП элементами на роторе. Криогенное охлаждение статора с резистивной обмоткой и применение ВТСП материалов в роторе позволяет существенно увеличить предельную мощность машин (в 5Е6 раз для гистерезисных и в 1,5Е2 раза для реактивных машин и электродвигателей с постоянными магнитами и ВТСП элементами ротора при азотном охлаждении), а также энергетические параметры (КПД ~0,9 и cos ~0,9).
Третья глава посвящена проектным методам расчета синхронных машин с СП обмоткой возбуждения, которые характеризуются существенными отличиями в конструкции из-за наличия системы криостатирования, отсутствия магнитопровода индуктора и магнитных зубцов якоря, зачастую имеют подшипники, расположенные в теплой зоне и т.д., что делает каждую СП электрическую машину индивидуальной.
В данной главе выдвинута концепция бортовой машины с рейстрековой СП обмоткой возбуждения, криоэкраном электромагнитной защиты обмотки от несинхронных полей якоря, беззубцовой кольцевой обмоткой статора на стальном сердечнике (рис. 6).
Рис. 6. Расчетная схема СПСГ 1 - СПОВ; 2 - демпферный экран индуктора; 3 - вакуумная изоляция ротора; 4 - криоэкран индуктора; 5 - криоагент;
6 - ферромагнитный сердечник статора; 7 - пассивная часть кольцевой обмотки статора; 8 - активная часть кольцевой обмотки статора; 9 - экранирующие оболочки пассивной части кольцевой обмотки При решении важнейшего вопроса проектирования - определения главных размеров машины - предложено использовать модифицированное уравнение Арнольда, в котором вместо индукции B в воздушном зазоре и линейной нагрузки A якоря, определяющих магнитную и тепловую нагрузки обычной электрической машины, использованы более подходящие плотности тока в обмотках индуктора jf и якоря ja СП машины, как ограничивающие параметры.
CAS CAS p p Da 3 Df 5, AB n j jan f f где SpЦрасчетная мощность машины, САЦпостоянная Арнольда, n - частота вращения ротора, - конструктивный коэффициент машины.
В приближении токовых слоев обмоток при двумерной постановке задачи, соответствующей центральной части машины с применением метода гармонического анализа Фурье, разработаны методы проектного расчета индуктивных параметров рейстрекового СП индуктора.
Для его тепловой и электромагнитной защиты от несинхронных низкочастотных и высокочастотных полей якоря в индукторе предусмотрена система коаксиальных цилиндрических оболочек. Оболочки нагреваются при протекании вихревых токов, их физические свойства меняются, а распределение температуры в них имеет трехмерный характер. При импульсном режиме работы машины электромагнитный экран предложено размещать в зоне криостатирования СПОВ. Для этого случая решен комплекс сопряженных задач совместного расчета тепловых и электромагнитных процессов в таком криоэкране, охлаждаемом криоагентом, при стационарном и нестационарном воздействии внешнего магнитного поля и различных режимах охлаждения.
Получены как аналитические решения для распределений температурных и токовых полей в криоэкране, так и исследовано его влияние на процесс форсированного возбуждения с применением интегро-дифференциальных уравнений, что позволило выявить солитонные волны температуры и плотности индукционного тока в экране, магнитное поле которого существенно размагничивает поле в зоне обмотки якоря, замедляя возбуждение машины (рис. 7).
T J (,t) Bi (T THe ) Ki s ;
t (T, B) 2 s J Rm J Aars,,t s d .
B 2 0 t G, T, t Здесь r, , tЦсоответственно радиальная, угловая и временная координаты; Js, , TЦ линейная плотность тока в экране, его удельная электропроводность и температура; G(, Т) Цфункция влияния; Aa - векторный потенциал магнитного поля, воздействующего на криоэкран; Bi, Ki, Rm - соответственно критерии Био, Кирпичева и магнитное число Рейнольдса.
Генераторы со СП индуктором имеют обмотку якоря без стальных зубцов, насыщение которых в машинах обычной конструкции снижает Рис. выходную мощность. В многочисленных работах, выполненных в РФ и за рубежом рассмотрены конструкции и методы расчеты беспазовых барабанных, спиральных, концентрических и др. обмоток якоря, но длина вылета лобовой части у них сопоставима с размерами линейной рабочей части обмотки. В этой связи предложена кольцевая обмотка якоря с дополнительными экранирующими оболочками (рис. 6) для снижения реактансов.
С использованием известных решений задачи для векторного магнитного потенциала А(0,0,Аz(r,)) токового слоя, расположенного в немагнитном зазоре между коаксиальными ферромагнитными и диамагнитными цилиндрами с r=const получены аналитические соотношения для основной гармонической векторного потенциала линейных частей кольцевой обмотки, а на их основе найдены ее индуктивные параметры. Проведенная оценка реактансов пассивной части кольцевой обмотки и потерь в проводящих экранирующих оболочках в приближении токовых слоев в зависимости от толщины обмотки и числа пар полюсов показала, что наименьшей индуктивностью и потерями в экранирующих оболочках обладает конструктивная схема с двойным электромагнитным экранированием пассивной части (рис. 8).
Сопоставительный расчет выходных характеристик генераторов с различными типами обмоток статора в приближении линейности магнитной цепи СП машины позволил заключить, что кольцевая обмотка с двухсторонним электромагнитным экранированием обеспечивает характеристики, близкие к аналогичным для генератора с барабанной обмоткой якоря. При практически равной массе она на 30% короче барабанной за счет отсутствия лобовых частей, более технологична и надежна при высоких выходных напряжениях генератора.
Рис. Экспериментальное определение индуктивных параметров генератора с рейстрековым индуктором и кольцевым якорем, выполненное на теплом макете, показало хорошее совпадение расчетных и опытных данных (в пределах 20%) в рамках проведенного эксперимента и допущений, принятых при построении расчетной математической модели.
По программе исследований, связанных с разработкой СП генератора для АЭУ атмосферного ЛА на водородном топливе в АКБ Якорь совместно с кафедрой 3МАИ был разработан и изготовлен макет генератора "Аргон-1" мощностью 780 кВА с криопроводниковым якорем из Al999, охлаждаемым жидким водородом, и СП индуктором из Nb-Ti провода, охлаждаемым жидким гелием. Испытания СП генератора на редукторном стенде кафедры 310 МАИ с участием автора показали, что его параметры, полученные по проектным методикам и опытным путем, совпадают в пределах 15%:
обмотка якоря симметрична;
форма ЭДС практически синусоидальна; характеристика ХХ линейная (рис. 9); величина ЭДС XX, приведенная к номинальным значениям частоты вращения и тока возбуждения, составляет заданную величину 4,5 кВ.
На основе проведенных расчетно-теоретических и полученных экспериментальных данных выполнены проектные разработки бортового СПСГ повышенной мощности 20 МВА и напряжения ~ 20 кВ с использованием кольцевой обмотки якоря с рейстрековой СПОВ.
Четвертая глава посвящена проектным методам расчета ВТСП гистерезисных электродвигателей (ГЭД). В 1986г. в соединениях лантана была открыта высокотемпературная сверхпроводимость с критической температурой перехода ~30 К, а в 1987г. было установлено, что в купратах иттрия критическая температура составляет 92...94 К, что позволяет использовать для охлаждения ВТСП элементов жидкий азот с температурой кипения 77 К. Первые ВТСП представляли собой объемные керамические поликристаллические элементы, из которых нельзя намотать катушку с нулевым сопротивлением. Для генерирования механического момента в МАИ автором впервые было предложено использовать их гистерезисные свойства, т.е. способность перемагничиваться в переменном магнитном поле.
Создать такой электродвигатель на базе объемных НТСП практически невозможно из-за низкой теплоты парообразования жидкого гелия и его испарения в результате потерь, выделяющихся в СП роторе при асинхронном разгоне.
Поперечное сечение цилиндрической ВТСП гистерезисной машины показано на рис. 10. Активные элементы из ВТСП керамики могут быть выполнены в виде тонкостенных цилиндров, блоков или пленочных покрытий, имеющих поликристаллическую или монодоменную структуру.
Устройство ВТСП ГЭД Структура ВТСП ротора Рис. Вращающееся магнитное поле статора, проникая в ВТСП элемент, индуцирует в нем пространственно распределенные межгранульные и внутригранульные токи, которые определяют гистерезисные явления в ВТСП материале. В характерном диапазоне индукции магнитного поля (В=0,3Е0,8 Тл), типичном для электрических машин индукционного типа, выбор модели, описывающей гистерезисные процессы определяется относительной токонесущей способностью ВТСП керамики =Jt/(Jsa). Здесь Jt и Js - соответственно плотности межгранульного и внутригранульного токов; и а Ч характерные размеры ВТСП элемента и СП гранулы соответственно. К ВТСП материалам с >>1 относятся монодоменные иттриевые керамики и соединение MgB2, а ВТСП поликристаллические иттриевые или висмутовые керамики характеризуются параметром <1, причем ротор гистерезисного электродвигателя может быть реализован с объемным ВТСП материалом, как первого, так и второго типа.
Механический момент прямо пропорционален гистерезисным потерям в ВТСП материале на один цикл перемагничивания, которые в свою очередь определяются площадью петли гистерезиса, зависящей от его структуры материала и температуры.
Проектные методики расчета параметров ВТСП ГЭД построены на основе распределений магнитной индукции в рабочей зоне машины и плотности тока в роторе. Эти распределения, а также значения удельных гистерезисных потерь на один цикл перемагничивания в объемных ВТСП элементах определены на основе решения уравнения Лапласа для векторного магнитного потенциала (области без токов) и уравнения Пуассона (токовая зона) с обычными условиями сопряжения на границах раздела сред с различными магнитными проницаемостями.
На основе разработанных теоретических подходов в МАИ разработана, изготовлена и испытана серия гистерезисных двигателей с различными типами ВТСП роторов, работающих при температуре жидкого азота.
Первые ВТСП роторы были изготовлены из спеченной керамики YB2C3Oх, полученной по методу порошковой технологии, с неориентированными гранулами размером от 3 мкм до 3 мм и критической плотностью тока в гранулах 20 Е 50 А/мм2. По мере совершенствования технологии изготовления YB2C3Oх материалов из расплава на последующих этапах экспериментальных исследований использовались цилиндрические монодоменные ВТСП блоки с радиальной ориентацией оси "с" кристаллитов относительно оси ротора. Экспериментально установлено (рис. 12), что механический момент двигателя не имеет частотной зависимости, тем Рис. 12 Рис. самым, подтверждая свою гистерезисную природу. Установлено, что измерения мощности от гистерезисных потерь P на основе физических методов по петле гистерезиса и измерения по величине механического момента хорошо соответствуют друг другу (рис. 13). Также выявлено самоцентрирование диамагнитного ВТСП ротора, что позволяет делать машину с левитирующим ротором без подшипников.
Для измерения парциальных составляющих гистерезисного вращающего момента от межгранульных и внутригранульных токов в поликристаллической керамике автором предложен метод на основе сравнения генерируемых моментов двумя роторами - сплошным ВТСП цилиндром и набранным из тонких, электрически изолированных ВТСП колец, изготовленных за один технологический цикл. В первом случае гистерезисный момент создается как внутригранульными, так и межгранульными токами. В роторе из отдельных колец момент формируется, главным образом, внутригранульными токами, что позволяет выявить вклад от межгранульных токов (рис. 14).
При увеличении амплитуды вращающегося магнитного поля статора, определяемой током обмотки, до точки полного проникновения в ВТСП ротор зависимость гистерезисных потерь (и момента на валу) имеет кубический характер, а затем переходит в линейную зависимость. Предельные значения выходной мощности и cos соответствуют плотности критического тока~25 А/мм2 в монодоменной керамике, характеризующей полное проникновение магнитного поля в ВТСП элемент. При этом коэффициент мощности ВТСП ГЭД лежит в пределах cos =0,2Е0,3.
Накопленный опыт при создании серии гистерезисных ВТСП электродвигателей мощностью до 100 Вт позволил перейти к разработке машин большей мощности с роторами из монодоменной ориентированной иттриевой керамики (до 4 кВт), листового композита из висмутовой керамики (до 1 кВт) с напряжением питания промышленной и бортовой частоты. Одно из возможных применений таких машин - электропривод погружных криогенных насосов. В частности, на базе двигателя мощностью 500 Вт разработана, изготовлена и испытана криогенная помпа для перекачки жидкого азота. С понижением температуры критический ток в ВТСП существенно увеличивается, а петля гистерезиса расширяется, что приводит к увеличению предельной мощности гистерезисных ВТСП двигателей. Установлено, что выходная мощность исследуемых двигателей при снижении температуры с 77 К до 66 К возрастает примерно на 50%.
Таким образом, применение более низкокипящих криоагентов (водород, неон) перспективно для ВТСП электродвигателей погружной конструкции с точки зрения увеличения удельной мощности при условии промагничивания ротора, поскольку критические параметры СП материала увеличиваются с понижением температуры, а гистерезисные машины характеризуются высокой реактивной составляющей тока статора, и, соответственно низким значением коэффициента мощности, не превышающим 0,3.
Пятая глава посвящена разработке проектных методик ВТСП реактивных электродвигателей (РЭД), предложенных с участием автора в МАИ с целью улучшения энергетических показателей обычных реактивных электромоторов, обладающих более высоким коэффициентом мощности по сравнению с гистерезисными машинами. Момент на валу РЭД определяется отношением магнитных проводимостей по продольной и поперечной осям композитного ротора за счет использования в нем чередующихся магнитных и немагнитных материалов. Замена последних на диамагнитные ВТСП элементы, позволяет реализовать существенно бльшие отношения магнитных проводимостей по осям d и q и улучшить энергетические параметры машины.
Основные схемы двухЦ и четырехполюсных ВТСП РЭД со слоистым композитным ротором представлены на рис. 15. Вдоль стальных пластин реализуются ферромагнитные свойства ротора с относительной магнитной q проницаемостью d 1, а вдоль поперечной оси диамагнитные с.
Построение проектных методик основано на решении двумерных электродинамических задач о распределении магнитного поля в активной зоне, поскольку, несмотря на наличие ферромагнитных элементов ротора, ВТСП диамагнитный материал вносит существенные искажения в полевую структуру.
а) б) Рис. Распределение магнитных полей B, значения индуктивных коэффициентов и механического момента ВТСП РЭД различных конструктивных схем в двумерной постановке задачи определяются на основе решения уравнений Максвелла.
Аналитические решения задачи о распределении магнитного поля в активной зоне ВТСП РЭД и полученные на их основе соотношения для определения индуктивных параметров ВТСП РЭД позволяют производить проектный расчет и построение основных рабочих характеристик электродвигателя.
Результаты численных расчетов ВТСП РЭД в пакете прикладных программ QUICK FIELD для частичной оптимизации активной зоны реактивных ВТСП электродвигателей с различной степенью ламинированности ротора показали, расположение в роторе более 6 пластин нецелесообразно. Увеличение числа керамических пластин снижает их толщину, а значит механическую прочность. При этом дальнейшее снижение магнитной проводимости по оси q практически не происходит.
На основе созданных теоретических моделей и расчетных программ спроектирована, изготовлена и испытана серия экспериментальных ВТСП реактивных электродвигателей мощностью 1Е100 кВт, основные параметры которых приведены в таблице 1.
ВТСП электродвигатели мощностью до 10 кВт имеют погружную конструкцию и вертикальное расположение вала, роторы содержат 4 или пластин монодоменной иттриевой керамики. Установлено, что при охлаждении жидким азотом предельная плотность тока для обмотки статора составляет ~40 А/мм2 и ограничена её допустимым перегревом. Выходная мощность РЭД увеличивается с ростом напряжения питания, а коэффициенты мощности и полезного действия падают, что обусловлено увеличением тока обмотки, а значит электрических потерь в ней и потерь на перемагничивание Таблица 1.
в магнитопроводе статора. Использование в композитном роторе ВТСП элементов позволяет повысить предельную мощность РЭД в 1,5Е1,7 раза.
Значения коэффициентов мощности и полезного действия двигателя при одинаковом напряжении питания с установленными ВТСП элементами в роторе выше, чем при их отсутствии. Установлено, что понижение температуры с уровня 77 К на 11 К позволяет поднять выходную мощность 5ти киловаттного двигателя в 2 раза и повысить его коэффициент мощности и КПД. При этом расхождение опытных и расчетных данных не превышает 10%.
ВТСП электродвигатель мощностью 25 кВт имеет горизонтальное расположение вала, прокачное охлаждение жидким азотом. Он представляет собой единичный модуль для формирования на его базе машины мощностью 100 кВт (рис. 16).
а) б) Рис. Его сердечник статора содержит четыре секции магнитопровода (рис. 16а) с осевыми зазорами 9 мм между ними для улучшения охлаждения статорной обмотки, имеющей большую относительную длину (конструктивный коэффициент =Ls/Ds=2,5) для снижения вклада индуктивных сопротивлений рассеяния за счет лобовых частей машины.
Рис. Испытания двигателя на горизонтальном стенде проводились в динамических режимах при вращении ротора машины под нагрузкой, а также в квазистатических режимах с неподвижным ротором. Результаты испытаний в квазистатическом режиме представлены на рис. 17. Сравнение угловых зависимостей мощности двигателя с ВТСП ротором (рис. 17а)и ротором обычного исполнения (рис. 17б) показывает, что использование ВТСП объемных элементов практически удваивает выходную мощность реактивного электродвигателя. Рис. 17в,г иллюстрирует зависимости мощности P, cos и КПД от тока статора, полученные при динамических испытаниях и численными методами при различных значениях фазных напряжений. Сплошные линии соответствуют расчетным значениям, точки - опытным данным. Сопоставление теоретических и опытных параметров ВТСП двигателя мощностью 100 кВт показало их хорошее соответствие.
Испытания при Т=77К: P2max plast=200Вт, P2max Y123=500Вт, P2max Bi2223=350Вт Результаты испытаний при Т=15Е20К Ротор с Y123 Ротор с Bi2223/Ag Ротор с MgB - КПД , - мощность P, - коэффициент мощности cos Рис. Известно, что при температуре жидкого азота Т=77 К наилучшими токонесущими свойствами обладают ВТСП керамики на основе соединений иттрия. Однако при переходе к водородному уровню с Т=20 К могут оказаться перспективными по технологическим и стоимостным показателям другие объемные и композитные ВТСП материалы, в частности, висмутовые керамики и диборид магния.
В связи с этим автором предложен и проведен цикл экспериментальных исследований криогенных РЭД с ВТСП роторами из соединений MgB2, Y1и композита Bi2223/Ag c целью изучения влияния различных СП материалов на выходные параметры криогенной электрической машины в температурных диапазонах Т=77 К и Т=15Е20 К (рис. 18).
Рис. Проведенный цикл показал, что переход на водородный уровень позволяет вдвое улучшить удельные энергетические параметры РЭД по сравнению с азотным уровнем, что перспективно для развития водородной энергетики и аэрокосмической техники. При этом MgB2 является самым привлекательным по стоимости (в три раза дешевле иттриевой керамики) и времени синтеза (несколько часов, а не неделя, как для Y123), а листовой ВТСП композит Bi2223/Ag - самым технологичным. Его свойство деформироваться без потери токонесущих свойств позволяет разрабатывать 4-х полюсные РЭД.
Наиболее целесообразно применять СП электрические машины там, где низкие температуры формируют окружающую среду, то есть в криогенной технике. Одним из возможных их применений является электропривод топливных насосов на летательных аппаратах с криогенным топливом. В связи с этим в рамках договора SfP 974241 для топливной помпы криоплана ТУ-155 в МАИ по инициативе автора и при его непосредственном участии был разработан 4-х полюсный ВТСП РЭД с листовыми композитами BSCCO/Ag в роторе. На рис. 19 приведены внешний вид ВТСП ротора, помпы и результаты экспериментальных исследований.
Замена штатного асинхронного двигателя на ВТСП реактивный электромотор позволила снизить как осевые размеры изделия, так и массу, что существенно для аэрокосмического оборудования.
Шестая глава посвящена разработке проектных методик синхронных ВТСП электрических машин с постоянными магнитами (ПМ). Среди электромеханических преобразователей традиционного исполнения синхронные машины с ПМ обладают наилучшими массоэнергетическими показателями из-за отсутствия затрат энергии на возбуждение. Дальнейшее улучшение этих показателей возможно путем применения криогенного а) б) Рис. охлаждения статора и объемных или пленочных ВТСП элементов в роторе, которые могут использоваться как высокоэнергетические криомагниты, а также как диамагнитные элементы композитного ротора.
Влияние ВТСП элементов в роторе на угловую зависимость электромагнитной мощности:
для явнополюсной (рис. 20а) и неявнополюсной (рис. 20б) синхронных машин характеризуется двумя факторами.
Индуктивные сопротивления машины по осям d и q существенно зависят от структуры ротора, и использование в его составе диамагнитных массивных ВТСП элементов позволяет заметно менять их соотношение. При понижении температуры ниже критической (T Tк ) поле магнитов ротора вмораживается в керамический ВТСП элемент, а сам элемент приобретает диамагнитные свойства. Это позволяет экранировать ротор от магнитных полей якоря, снизить величину X и увеличить мощность Pd неявнополюсной машины. В явнополюсной машине ВТСП элементы при T Tк существенно уменьшают магнитный поток якоря вдоль оси q, что также приводит к увеличению вращающего момента.
Ввиду наличия в составе ротора ВТСП элементов необходимо более корректно задавать значение индукции в зазоре, что требует решения соответствующих электродинамических задач.
Расчет магнитных полей в активной зоне комбинированного ВТСП СД и его электромагнитных характеристик проводится на основе решения двухмерных электродинамических задач, описываемых системой уравнений Максвелла. При этом общее решение задачи сводится к решению соответствующих эллиптических уравнений Лапласа (или Пуассона) для векторного потенциала А(0,0,А) в каждой зоне СД с последующей сшивкой решений на границах зон с различными магнитными проницаемостями.
В расчетной схеме поперечного сечения активной зоны явнополюсного ВТСП СД намагниченная оболочка из ПМ или ВТСП моделируется вектором намагниченности М{0, Мy}, направленным вдоль оси у и постоянным во всем объеме. При расчете магнитного поля в активной зоне СД выделяются три области с различными магнитными свойствами: композитный ротор с анизотропной магнитной проницаемостью rxr, yr; оболочка из ПМ и воздушный зазор. На рис. 21 приведены основные уравнения и энергетические соотношения ВТСП СД с ПМ.
Рис. 22 иллюстрирует расчетные угловые характеристики трехфазного явнополюсного ВТСП СД с ПМ в роторе мощностью ~ 5кВт, полученные на основе разработанных проектных методов. Магнитный момент оболочки комбинированного ротора задавался равным M = 0,5106 А/м, что соответствует современным РЗМ магнитам и Рис. криомагнитам на основе монодоменных иттриевых керамик при температуре 77 К. При принятых исходных данных обеспечивается недовозбужденный режим работы двигателя с 0=0,48. Расчеты проведены при различных значениях относительной магнитной проницаемости (S=0, S=0,5 и S=1) иттриевой керамики ВТСП пластин в слоистом сердечнике ротора.
Рис. Видно, что использование в роторе ВТСП керамики с высокими диамагнитными свойствами ( s 0) позволяет существенно увеличить электромагнитную мощность комбинированного ВТСП СД по сравнению с двигателем, композитный ротор которого имеет наряду с ферромагнитными имеет слои из немагнитного материала. Так, например, при максимальных значениях коэффициента мощности cos ~ 0,8 мощность ВТСП СД с S=0 в 1,6 раза превышает мощность двигателя с S=1.
На основе разработанных методов проектного расчета параметров и выходных характеристик машины рассчитан, спроектирован и изготовлен экспериментальный образец комбинированного ВТСП СД номинальной мощностью 5кВт с сегментами из РЗМ на роторе. Его внешний вид, расчетные угловые характеристики КПД, коэффициента мощности, тока статора, индукции в зазоре и выходной мощности на валу, а также сопоставление расчетных и экспериментальных токовых характеристик показаны на рис. 23. Их хорошее совпадение с расчетными зависимостями свидетельствует о достаточно высокой точности разработанных проектных методов расчета.
Рис. Заключение Основные результаты диссертационной работы 1. В работе выполнен системный анализ отечественных и зарубежных синхронных сверхпроводящих электрических машин, создана классификация типов существующих конструктивных решений по виду применяемых сверхпроводников (провода, объемные элементы или листовые композиты).
2. Созданы и защищены авторскими свидетельствами новые конструкции криогенных электрических машин с объемными ВТСП элементами, работающие при температуре жидкого азота с использованием гистерезисных и диамагнитных свойств сверхпроводников, а не нулевого сопротивления, как в традиционных СП электрических машинах со сверхпроводящей обмоткой возбуждения.
3. Разработаны методики проектного и поверочного расчета бортовых синхронных генераторов с НТСП индуктором, гистерезисных ВТСП электрических машин, ВТСП реактивных электродвигателей и ВТСП синхронных электромоторов с постоянными магнитами.
4. Выполнены исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию макетных образцов:
Ц бортового синхронного генератора мощностью 780кВА, частотой вращения 12000 мин-1, с НТСП индуктором и криопроводниковым якорем;
- гистерезисных ВТСП электродвигателей в диапазоне мощности 100Е4 0Вт с частотой питающей сети 50 Гц и 400 Гц с объемными элементами из YBCO и листовыми композитами из BSCCO/Ag;
Ц ВТСП реактивных электродвигателей в диапазоне мощности 1Е100 кВт с частотой питающей сети 50 Гц и 400 Гц с объемными элементами из YBCO, листовыми композитами из BSCCO/Ag и объемными элементами из MgB2;
ЦВТСП электромотора с постоянными магнитами и объемными элементами из YBCO мощностью 5 кВт с частотой питающей сети 50 Гц. Перечисленные типы ВТСП электрических машин надежно работают в среде жидкого азота с температурой кипения 77К.
5. Полученные результаты по разработанным методикам проектного и поверочного расчетов бортовых синхронных генераторов с НТСП индуктором и новых типов ВТСП электрических машин согласуются с экспериментальными данными в пределах 11Е15%.
Основные положения диссертации опубликованы в работах:
1. Ковалев Л.К., Пенкин В.Т., Ковалев К. Л., Конев С.М.-А., Полтавец В.Н.
Электромеханические преобразователи на основе массивных высокотемпературных сверхпроводников. - М.: МАИ, 2008. - 440с.
2. Ковалев Л.К., Пенкин В.Т., Ковалев К. Л., Конев С.М.-А., Полтавец В.Н., Ильясов Р.И., Дежин Д.С. Электрические машины и устройства на основе массивных высокотемпературных сверхпроводников.ЦМ.: ФизМатЛит, 2010.
Ц 396с.
Статьи в изданиях по перечню ВАК:
3. Ковалёв Л.К., Пенкин В.Т. Расчёт характеристик теплового экрана синхронного генератора с низкотемпературным охлаждением ротора // Авиационная промышленность.Ц1987.Ц № 4. - C.25Ц28.
4. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T. Cryoturbogenerator toroidal armature // IEEE Trans. on Magnetics.Ц 1992.Ц Vol.28.Ц No.1, P.299-302.
5. Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Пенкин В.Т., Ковалев К.Л. Гистерезисные электрические машины с ротором из высокотемпературных сверхпроводников // Электричество.Ц1994. - № 6. - С.31Ц44.
6. Ковалев Л.К., Пенкин В.Т., Ковалев К.Л., Полтавец В.Н., Егошкина Л.А., Семенихин В.С., Модестов К.А., Вильданов К.Я., Александров В.В., Гавалек В. Многодисковый гистерезисный электродвигатель на основе высокотемпературных сверхпроводников // Электричество.Ц1998. - № 9Ц10.
Ц С.4Ц15.
7. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T., Poltavets V.N., Kovalev K.L., Semenikhin V.S., Larionoff A.E., Gawalek W., Oswald B., Habisreuther T.
Hysteresis Electrical Motors with Bulk melt-textured YBCO // Material Science & Engineering. - 1998. - Vol. BЦ53. - P. 216Ц219.
8. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Koneev S.M.-A., Penkin V.T., Kovalev K.L., Poltavets V.N., Gawalek W., Habisreuther T., Oswald B., Best K.-J. Hysteresis and Reluctance Electric Machines with the Bulk HTS Rotor Elements. Recent Results and Future Development // IEEE Trans. on Applied Superconductivity. - 1999.
Ц Vol.9. - No.2. - P. 1261 1263.
9. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T., Kovalev K.L., Koneyev S.M.-A., Modestov K.A., Larionov S.A., Gawalek W., Oswald B. Electric Machines on the Basis of the Bulk HTS Elements. State of the Art and Future Progress // Supraleitung und Tieftemperaturtechnik Tagungsband zum 7 Statusseminar.
Ц 2000. - P. 603Ц608. - 14-15 December, Garmisch-Parten-Kirchen, Deutschland.
10. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T., Kovalev K.L., Koneyev S.M.-A., Modestov K.A., Larionov S.A., Gawalek W., Oswald B. HTS electrical machines with Bi-Ag composed plate-shaped rotor elements // Supraleitung und Tieftemperaturtechnik Tagungsband zum 7 Statusseminar.Ц 2000. ЦP. 498Ц 503. - 14-15 December, Garmisch-Parten-Kirchen, Deutschland.
10. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T., Kovalev K.L., Koneyev S.M.-A., Modestov K.A., Larionov S.A., Gawalek W., Oswald B. Hysteresis and reluctance electric machines with bulk HTS elements. Recent results and future development // Superconducting Science and Technology.Ц 2000. - Vol.13. - P. 498Ц502.
11. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T., Kovalev K.L., Koneyev S.M.-A., Modestov K.A., Larionov S.A., Gawalek W., Oswald B. HTS electrical machines with YBCO bulk and Ag-BSCCO plate-shape HTS elements: recent results and future development // Physica C. - 2001. - Vol.354. - P. 34Ц39.
12. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T., Kovalev K.L. Koneyev S.M.-A., Modestov K.A. Larionov S.A., Gawalek W., Oswald B. Electrical machines with bulk HTS elements. The achieved results and future development // Physica C. - 2001. - Vol.357Ц360. - P.860Ц865.
13. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T., Kovalev K.L., Koneyev S.M.-A., Modestov K.A., Larionov S.A., Akimov I.I., Dew-Hughes D. HTS electrical machines with BSCCO/Ag composite plate-shaped rotor elements // Physica C. - 2002. - Vol.372Ц376. - P. 1524Ц1527.
14. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Kovalev K.L., Penkin V.T., Koneyev S.M.-A., Poltavets V.N., Akimov I.I., Gawalek W., Oswald B., Krabbes G. High output power electric motors with bulk HTS elements // Physica C. - 2003. - Vol.386. - P. 419Ц423.
16. Penkin V.T., Kovalev L.K., Ilushin K.V., Kovalev K.L., PoltavetsV.N., Akimov I.I., Logviniouk V.P., Verzhbitsky L.G., Trifonov Ye.Ye., Dew-Hughes D.
A development of the Pump for Liquid Cryogen with HTS Electrical Drive // Superconductor Science and Technology. - Vol. 17Ц Issue 5. - 2004Ц S460 - S464.
17. Penkin V.T., Kovalev L.K., Ilushin K.V., Kovalev K.L., Poltavets V.N., Koneyev S.M.-A. Modestov K.A., Gawalek W., Prikhna T.A. and Akimov I.I. An experimental investigation of the reluctance electrical drive with the bulk superconducting elements in the rotor at temperature below 20 K // Journal of Physics: Conference Series. ЦVol.43Ц 2006Ц P.792Ц795.
18. Альтов В.А., Дежин Д.С., Кавун Ю.Ю., Ковалев К.Л., Ковалев Л.К., Пенкин В.Т. Сверхпроводниковые технологии в электромеханических преобразователях энергии // Электричество. - 2009. №5. - С.27Ц37.
Другие печатные работы:
19. Пенкин В.Т., Илюшин К.В. Индуктивные параметры кольцевой обмотки якоря синхронного генератора. - Сборник трудов МАИ - 1989.
20. Ковалев Л.К., Егошкина Л.А., Пенкин В.Т. Гистерезисные машины с керамическим ротором // Сб. трудов МАИ: Электромеханические и электромагнитные устройства генерирования и преобразования электроэнергии. М.: МАИ. - 1992. - С.45Ц54.
21. Kovalev L.K, Ilushin K.V., Penkin V.T., Kovalev K.L., Shikov A.K., Kazakov E.G., Vargin V.A., Kostukevich V.A. HTS Hysteresis Electric Machines with High Temperature Superconducting Rotor // Proceeding of the 1993 MAI/BUAA International Symposium on Automatic Control.ЦM.: MAI.ЦYaropolets.Ц 1993.Ц Part 2.ЦP. 201Ц204.
22. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T. High temperature superconductors implication for electromachinary // Proc. of 7-th Int. Workshop on critical currents in superconductors. Jan.24-27. - 1994, Alpbach, Tirol, Austria.
23. Илюшин К.В., Ковалев Л.К., Пенкин В.Т. Применение объемных высокотемпературных сверхпроводников в электромеханических преобразователях // Международный журнал Сверхпроводимость:
исследования и разработки, 1995. - № 5-6. - С.
24. Kovalev L., Ilushin K., Penkin V., Kovalev K. The Present Day State of the HTS Hysteresis Machines Research // Proceeding of the Third MAI/BUAA International Symposium on Automatic Control.ЦBeijing.ЦChina.ЦNov.1Ц2.Ц 1995.ЦP. 201Ц204.
25. Kovalev L.K., Ilushin K., Penkin V.T., Kovalev K.L., Semenikhin V.S., Larionoff A.E. Series of Hysteresis Motors with the Rotors Containing the Bulk HTS elements // Proceedings of European Ceramic Society Fourth Conference (RICCIONE), Riccione, Italy, 1995.ЦVol.7.ЦP. 203Ц210.
26. Ковалев Л.К., Пенкин В.Т. Исследование электромагнитных и тепловых полей в криоэкране индуктора сверхпроводникового синхронного генератора // Международный журнал УСверхпроводимость: исследования и разработкиФ. 1996. - №7Ц8. - С. 13Ц23.
27. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T., Kovalev K.L., Semenikhin V.S., Poltavets V.N., Larionoff A.E., Gawalek W., Habisreuther T., Strasser, Shikov A.K., Kazakov E.G., Alexandrov V.V. Hysteresis Electrical Motors with Bulk Melt Textured YBCO // Inst. Phys. Conf. Ser. 140-156.ЦEUCASТ97.ЦThe Netherlands.Ц30 June-3 July.Ц1997.ЦP. 1515Ц1518.
28. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T., Kovalev K.V., Modestov K.A., Gawalek W. HTS Motors Design. Recent Results and Future Development // Int.
Journal УSuperconductivity: research & developmentФ. - 1998. - No 9, 10. - P.
69Ц77.
29. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T., Koneev S.M.-A., Kovalev K.L., Poltavets V.N., Gawalek W., Habisreuther T., Oswald B., Best K.-J. Hysteresis and Reluctance Electric Machines with Bulk HTS Elements. Recent Results and Future Development // Proceedings of EUCASТ99. - Inst. Phys. Conf. Ser. - 1999. - No.
167. - Vol.1 - P.1037 1042.
30. Ковалев Л.К., Пенкин В.Т., Ларионов С.А., Модестов К.А. Гистерезисные и реактивные электрические машины с объемными ВТСП элементами.
Новые результаты и перспективы развития: В сб. докл. V симпозиума Электротехника 2010 год, Моск. обл., 19 - 22 октября 1999. - т. II.
31. Ковалев Л.К., Пенкин В.Т., Илюшин К.В., Ковалев К.Л., Егошкина Л.А.
Новые типы сверхпроводниковых электрических машин // Международный журнал УСверхпроводимость: исследования и разработкиФ. 2002. - №11. - С.
22Ц34.
32. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Kovalev K.L., Poltavets V.N., Akimov I.I., Logviniouk V.P., Verzhbitsky L.G., Trifonov E.E., Dew-Hughes D. The Pump for Liquid Cryogen with HTS Electrical Drive //Ц Proceedings of EUCASТ03. - P.887-890. ЦSorrento. - Italy. - 14-18 Sept. - 2003.
33. Kovalev L.K., Penkin V.T., Ilushin K.V., Kovalev K.L., Poltavets V.N., Koneyev S.-M.A., Modestov K.A. Superconducting Machines and Devices on the Base of Bulk HTS. Advanced Studies on Superconducting Engineering.
Proceedings of ASSE-2004. Budapest, Hungary 2004. - P. 274-308.
34. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T., Kovalev K.L., Koneev S.M., Poltavets V.N. Electrical Machines with Bulk HTS Elements // Proceedings of the 6-th Int.
Symposium Nikola Tesla. ЦBelgrade, Serbia. - October 18-20. - 2006. - P.49Ц52.
35. Ковалев Л.К., Пенкин В.Т., Ковалев К. Л., Дежин Д.С. Перспективы использования сверхпроводниковых технологий в электромеханических преобразователях энергии // Известия Академии электротехнических наук РФ. - 2008. - №1. - С.45Ц63.
Патенты:
36. Патент № 2023341 Российской Федерации. Сверхпроводниковая электрическая машина / Егошкина Л.А., Илюшин К.В., Ковалев Л.К., Пенкин В.Т., Семенихин В.С. // БИ. - 15.11.1994.
37. Патент № 2129329 Российской Федерации. Синхронная реактивная машина / Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Полтавец В.Н., Пенкин В.Т., Егошкина Л.А., Конеев С.М.-А. и др.//БИ. - 20.04.1999.
38. Патент № 2134478 Российской Федерации. Сверхпроводниковая гистерезисная машина / Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Полтавец В.Н., Семенихин В.С., Пенкин В.Т., Ковалев К.Л., Егошкина Л.А. // БИ. - 10.08.1999.
39. Патент № 2159496 Российской Федерации. Синхронная реактивная машина (варианты) / Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Полтавец В.Н., Семенихин В.С., Пенкин В.Т., Ковалев К.Л., Егошкина Л.А., Ларионов А.Е., Конеев С.М.-А., Модестов К.А., Ларионов С.А. // БИ. - 20.11.2000.
40. Патент № 2178942 Российской Федерации. Сверхпроводниковая вентильная индукторная машина / Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Полтавец В.Н., Семенихин В.С., Пенкин В.Т., Ковалев К.Л., Егошкина Л.А., Ларионов А.Е., Конеев С.М.-А., Модестов К.А., Ларионов С.А. // БИ. - 27.01.2002.
41. Патент № 2180156 Российской Федерации. Сверхпроводниковая синхронная машина / Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Пенкин В.Т., Полтавец В.Н. и др. // БИ. №6.Ц 27.02.2002.
42. Патент № 41928 Российской Федерации. Сверхпроводниковая синхронная реактивная машина / Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Полтавец В.Н., Семенихин В.С., Пенкин В.Т., Ковалев К.Л., Егошкина Л.А., Ларионов А.Е., Конеев С.М.-А., Модестов К.А., Ильясов Р.И. // БИ. - 10.11.2004.
ичный вклад автора. Основные научные результаты, включенные в диссертацию, опубликованы в работах [3, 4, 7-17, 22, 23, 26, 28, 31], написанных лично автором, в работах [5, 6, 19-21], где автору принадлежат:
постановка задачи, результаты разработок технических решений и построения математических моделей. В работах [1, 2] автору принадлежат методики, обобщения и выводы, в работах [24, 25, 27, 29 - 31] результаты анализа и экспериментальная часть, в работах [33, 34] обобщения результатов исследований, в работах [18, 34, 36-42] новые направления в разработке технических решений и их варианты.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям