Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

АНТОНОВ ЮРИЙ ФЕДОРОВИЧ

СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ФАЗОВЫМ РЕЗИСТИВНО-СВЕРХПРОВОДЯЩИМ КОММУТАТОРОМ

Специальность 05.09.01 Ц Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Санкт-Петербург

2010 г.

Работа выполнена в Учреждении Российской Академии Наук Ордена Трудового Красного Знамени Институте химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН,

г. Санкт-Петербург 

Официальные оппоненты:

  доктор технических наук, профессор

  Альтов Владимир Алексеевич

  доктор технических наук, профессор,

  Ковалев Константин Львович

  доктор технических наук, профессор

  Копылов Сергей Игоревич

Ведущая организация: ОАО Всероссийский научно-исследовательский институт кабельной промышленности (ВНИИКП)

 

Защита состоится 22 марта 2011 г. в 11 час. 00 мин.

на заседании диссертационного Совета  Д212.125.07

при Московском авиационном институте (государственном техническом университете), МАИ

по адресу: 125993, г. Москва, A-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4,

Ученый совет МАИ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (государственного технического университета)

Автореферат разослан ЕЕЕЕЕЕЕЕЕ 20Е  г.

Ученый секретарь

диссертационного совета  Д 212.125.07  А.Б. Кондратьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность темы.

Прикладная сверхпроводимость как инновационное направление в науке и технике своими истоками и последующим развитием связана с разработкой и промышленным освоением выпуска сверхпроводниковых обмоточных материалов с высокой токонесущей способностью в сильных магнитных полях.

В устройствах, использующих сверхпроводниковые материалы, рабочие токи достигают 100 кА. С увеличением мощности сверхпроводниковых электротехнических и электрофизических устройств к их надежности предъявляются более жесткие требования. Эксплуатационная надежность в значительной мере зависит от величины рабочего тока, способа его ввода и  метода гашения поля.

Актуальность темы определяется необходимостью решения проблемы ввода тока в сверхпроводниковые устройства посредством разработки и создания сверхпроводниковых топологических электрических машин, преобразователей и термодинамически оптимизированных токовводов. В современных крупномасштабных проектах с использованием низкотемпературных сверхпроводников, к числу которых относятся, прежде всего, Большой адронный суперколлайдер и Международный термоядерный реактор, существует потребность в источниках питания и термодинамически оптимизированных токовводах на токи до 75 кА. Перспективными областями применения топологических генераторов и преобразователей из высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) являются ЯМР томографы, электрические машины общепромышленного, транспортного и специального назначения, приборы и техника физического эксперимента, высокоградиентные очистители вод. Так, стабилизация тока и его прецизионное регулирование на уровне 1-2 мкА/с в ВТСП магнитной системе ЯМР томографа возможны с помощью топологического генератора или преобразователя. Бесщеточная система возбуждения ВТСП синхронных компенсаторов (~ 10 кА; 0,1 В) также может быть реализована на базе сверхпроводниковых источников постоянного тока.

Развитие научного направления, связанного с решением проблемы ввода тока в сверхпроводниковые устройства, шло в соответствии с Программой по решению научно-технической проблемы 0.14.02 Создать новые виды электротехнического оборудования с использованием явления сверхпроводимости, утвержденной постановлением ГКНТ СССР, Госплана СССР и АН СССР от 12.12.80 № 475/251/131. Работа выполнялась непосредственно по заданиям 07.Н6, 01.02.Н2, а также согласно Комплексному плану Е21 по темам Е21.1022, Е21.1044. Институт Физики Твердого Тела Болгарской Академии Наук и ВНИИэлектромаш в 1988-1990 гг. совместно выполнили НИР и ОКР Создание сверхпроводникового топологического генератора. В 1984-1991 гг., в наиболее активный период строительства по Постановлению Правительства Ускорительно-накопительного комплекса с энергией 3-5 ТэВ (УНК-3ТэВ) ВНИИэлектромаш и ИФВЭ разрабатывали Автоматизированную систему питания, диагностики и защиты сверхпроводниковых магнитооптических элементов каналов частиц УНК-3ТэВ. Данная масштабная работа завершилась созданием головного образца топологического генератора на ток 8 кА для автономного питания каждого из 200 отклоняющих сверхпроводниковых магнитов каналов частиц с запасенной единичной энергией 1 МДж. В рамках Конкурсной программы ГКНТ Генератор по высокотемпературным сверхпроводникам совместно с ЦНИИмаш в ОЭЭП РАН созданы топологические генераторы для ВТСП модели движителя (1997 г.). Исследования ВТСП материалов 2-го поколения ведутся по гранту РФФИ 09-08-01111-а (2009 - 2011 гг.) Процессы переноса во фрактальных средах и системах: свойства и размерности. По гранту РФФИ 09-08-07020-д (2009 г.) издана книга Сверхпроводниковые топологические электрические машины. ИХС РАН совместно с Харбинским Университетом науки и техники разрабатывает ВТСП ветрогенератор с топологическим возбудителем. В 2007-2009 гг. в ИХС РАН выполнены Исследования по обоснованию создания электромеханических преобразователей специального назначения нового поколения на основе применения материалов с новой структурой, полученных с помощью нанотехнологий, № Гос. Регистрации 0120.0 712510. С 2010 г. в ИХС РАН  ведутся исследования по синтезу ВТСП 2-го поколения для широкого круга задач электроэнергетики.

Цель работы.

Выполнение комплекса теоретических, конструкторских, технологических и экспериментальных исследований, направленных на решение проблемы ввода тока в сверхпроводниковые электротехнические и  электрофизические устройства путем разработки и создания сверхпроводниковых  топологических источников питания  и термодинамически оптимизированных токовводов с повышенными технико-экономическими показателями.

Для достижения поставленной цели решены конкретные задачи:

- исследование промежуточно-смешанного (лполумейсснеровского) состояния как фундаментального свойства одно- и многокомпонентных сверхпроводников;

- визуализация структуры и динамики промежуточно-смешанного  (лполумейсснеровского) состояния в технических жестких сверхпроводниках II рода;

- разработка и исследование электрических машин и трансформаторов постоянного тока, в которых используется эффект зацепления и течения квантованных нитей магнитного потока;

- создание на основе магниторезистивных свойств промежуточно-смешанного (лполумейсснеровского) состояния фазовых резистивно-сверхпроводящих коммутаторов для сверхпроводниковых топологических электрических машин и преобразователей;

- развитие теории, построение математических моделей, разработка аналитических и численных методов расчета и проектирования энергетически оптимальных сверхпроводниковых топологических электрических машин и пористых токовводов;

- экспериментальные исследования проникновения электромагнитного поля в текстурированные ленточные образцы сверхпроводниковых материалов и его распределения в резистивно-сверхпроводящих коммутаторах;

- анализ коммутационных процессов в сверхпроводниковых топологических генераторах и преобразователях криотронных, исследование рабочих характеристик, режимов и особенностей параллельной работы на сверхпроводниковую нагрузку;

- экспериментальные исследования добавочных электромагнитных моментов в штатных образцах сверхпроводниковых топологических генераторов и разработка на этой базе высокоэффективного герметичного привода и сверхпроводниковой электромагнитной муфты топологического типа;

- определение путей совершенствования конструкций и направлений практической реализации сверхпроводниковых топологических генераторов и пористых токовводов с созданием их типовых рядов многофункционального назначения;

- научно-техническое обоснование бесщеточной системы возбуждения сверхпроводниковых синхронных машин на базе вращающихся и статических топологических возбудителей.

Предмет и объект исследований.

Предмет исследований - ввод тока, защита и диагностика сверхпроводниковых электротехнических комплексов.

Объект исследований - сверхпроводниковые топологические источники питания и токовводы - устройства  прямого ввода тока в криостаты.

Методы исследований.

• Теоретические исследования сверхпроводниковых топологических электрических машин выполнены на основе обобщенных математических моделей, отражающих особенности преобразования магнитных потоков, изменения потокосцеплений в многосвязных сверхпроводящих цепях. При развитии теории сверхпроводниковых топологических электрических машин основное внимание уделено исследованию циклических процессов. Методы теоретических исследований носят преимущественно аналитический характер с привлечением современного математического аппарата теории множеств и функционального анализа. Полученные аналитическим путем соотношения способствуют более ясному пониманию физики процессов в сверхпроводниковых топологических электрических машинах, упрощают анализ рабочих характеристик и инженерные расчеты.
• Сочетание аналитического и численного методов имеет место в некорректной обратной задаче магнитостатики - синтезе сверхпроводниковой обмотки возбуждения, которая решена методом регуляризации А.Н. Тихонова. Наряду с аналитическим методом неопределенных множителей Лагранжа, примененным  для термодинамической оптимизации газоохлаждаемых пористых токовводов с регулируемым расходом, в методе исследования прямого способа ввода тока используется численное решение на ЭВМ нелинейных дифференциальных уравнений тепло- и массообмена в каналах токоввода с учетом изменения теплофизических и гидравлических свойств криоагента по длине токоввода.
• Особенностью экспериментальных методов является сочетание исследований специально разработанных лабораторных образцов и (преимущественно) сверхпроводниковых электрических машин и устройств, предназначенных для штатной эксплуатации.
• Визуализация промежуточно-смешанного (лполумейсснеровского) состояния посредством сканирующей, в том числе атомно-силовой, микроскопии.
• Оценка достоверности теоретических положений произведена путем сопоставления результатов расчета по выведенным формулам с экспериментальными данными,  полученными самостоятельно автором, а также зарубежными специалистами по материалам, опубликованным в научно-технических изданиях.

Научная новизна.

• Установлено, что в сверхпроводниках I рода может возникать смешанное, в сверхпроводниках II рода - промежуточное и, наконец, в тех и других - промежуточно-смешанное (лполумейсснеровское) состояние.
• Доказано, что необходимым и достаточным условием  возникновения  топологического  эффекта  в резистивно-сверхпроводящем коммутаторе является образование резистивной зоны полумейсснеровского состояния,  более того, одной квантованной нити магнитного потока.
• Разработаны принципы конструирования коммутаторов нового класса - фазовых резистивно-сверхпроводящих  коммутаторов.
• Показано, что топологический  генератор  представляет собой электрическую машину постоянного тока с фазовым резистивно-сверхпроводящим коммутатором.
• Разработана аналитическая теория топологических генераторов и преобразователей криотронных. Выражения имеют  общий  характер  и  пригодны  для  расчета параметров  и  характеристик топологических электрических машин и аппаратов различного исполнения.
• Предложены типовые схемы и исследованы сверхпроводниковые электрические машины и трансформаторы постоянного тока, в которых используется эффект движения квантованных нитей магнитного потока.
• Теоретически и экспериментально исследованы  топологические преобразователи криотронные с несимметричными ветвями, что позволило сопоставить различные коммутационные режимы и обосновать условия, обеспечивающие оптимальное протекание коммутационного процесса.
• Созданы  универсальные автоматизированные системы питания и управления  топологических преобразователей криотронных, обеспечивающие  широкий  спектр  коммутационных  режимов  -  сопротивлением,  напряжением и смешанный.
• Экспериментально исследованы магнитные поля и добавочные моменты в топологических генераторах с широкой номенклатурой применяемых в них сверхпроводниковых материалов. Полученные результаты согласуются с данными экспериментального исследования механизма проникновения магнитного поля в тонколистовые образцы сверхпроводниковых материалов и подтверждают достоверность теоретически  обоснованных  условий  возникновения  топологического эффекта.
• Предложен метод термодинамической оптимизации механической передачи и разработана типовая конструкция герметичного электропривода. Впервые создана и исследована топологическая электромагнитная муфта. Для синтеза сверхпроводниковой обмотки возбуждения муфты впервые методом регуляризации решена некорректная обратная задача.
• Численно решена комплексная задача расчета геометрических и  теплофизических параметров и выбора режима охлаждения энергетически оптимальных шунтированных  сверхпроводником пористых токовводов.
• Разработано на уровне изобретений и патентов 28  сверхпроводниковых топологических  электрических  машин, устройств  и  токовводов, в конструкциях которых реализованы выводы и рекомендации теории по повышению КПД, надежности и совершенствованию технологии, а также требования технической эстетики.
• Разработаны принципы проектирования сверхпроводниковых  топологических электрических машин и токовводов с широким спектром номинальных параметров, на основе которых выпущена рабочая документация на типовые конструкции и технологическую оснастку для изготовления нестандартных узлов.
• Получила научное обоснование принципиальная возможность разработки топологических генераторов на базе использования  любых, прежде всего, жестких сверхпроводников 2-го рода, и созданы агрегаты с рекордными параметрами: ток 10 кА, напряжение 0,8 В, удельная токовая нагрузка 1 кА/кг.

Практическая ценность.

Сформулированные и обоснованные теоретически, подтвержденные в серии экспериментов и реализованные на этапах специальной и маршрутной технологии новые научные положения представляют собой решение формировавшейся с  начала 60-х годов и выделившейся в самостоятельную проблемы в области сильноточной криогенной электротехники - эффективный и безопасный ввод (вывод) тока в стационарные и вращающиеся криостаты, имеющей первостепенное значение при создании крупных электрофизических и электроэнергетических объектов с применением явления сверхпроводимости.

- Разработанные на базе теории инженерные методики расчета сверхпроводниковых топологических электрических машин обеспечивают с помощью ЭВМ, а также без использования сложной вычислительной техники определять основные параметры рассматриваемых машин и строить их рабочие характеристики.

- Разработанные оригинальные конструкции резистивно-сверхпроводящих коммутаторов на основе жестких сверхпроводников 2-го рода позволяют существенно  повысить номинальные параметры топологических генераторов - по току нагрузки  до 10 кА и удельной токовой нагрузке выше 1 кА/кг и упростить технологию их изготовления.

- Созданные на основе различных схемных решений  вращающиеся и статические топологические  генераторы открывают перспективное направление в развитии высокоиспользованных электрических машин.

- Созданные многофункциональные топологические генераторы позволяют (по расчетам ИФВЭ в Протвино) в несколько раз снизить капитальные и эксплуатационные затраты на обеспечение надежного функционирования систем питания, защиты и диагностики сверхпроводниковых устройств, по сравнению с использованием традиционных (лтеплых) источников постоянного тока.

- Разработанные и исследованные в различных криогенных средах топологические генераторы с использованием металлооксидных керамических и пленочных высокотемпературных сверхпроводников дают возможность создавать прецизионные источники питания для ЯМР-томографов, а также чувствительные диагностические устройства для исследования электромагнитных свойств ВТСП-материалов.

- Разработанные методы термодинамической оптимизации токовводов позволяют конструировать устойчивые к токовой перегрузке пористые токовводы с пониженным на 15% уровнем теплопритоков на холодном конце и пятикратным снижением  затрат энергии на компенсацию теплопритоков, поступающих в общий контур циркуляции криоагента.

- Разработанный в процессе решения некорректной задачи алгоритм расчета имеет универсальное применение, позволяя синтезировать осесимметричные магнитные системы различного назначения, создающие в рабочем объеме магнитное поле с заданной степенью неоднородности.

Реализация результатов работы.

Выполненные исследования позволили создать типовой ряд топологических генераторов, статические топологические преобразователи и пористые токовводы многофункционального использования в специальных и технологических  криостатах. Результаты работы внедрены, в том числе за рубежом.

- Во ВНИИэлектромаш создан бесконтактный сверхпроводниковый синхронный генератор вертикального исполнения со сверхпроводниковым топологическим возбудителем ТПГ-9 (Глава 10).

- Топологический генератор ТПГ-2 внедрен на предприятии М-5539 в системе регулирования тока в криогенных электромагнитных устройствах (Акт о внедрении от 18 ноября 1981 г.).

- Результаты работ по системе возбуждения и регулирования криотурбогенератора внедрены во ВНИИэлектромаше при проектировании криотурбогенератора КТГ-1200 МВт (Акт о внедрении от 22 сентября 1982 г.).

- Криотронный преобразователь типа ТПК-2 с автоматической системой управления различного схемного решения внедрен на экспериментальном стенде ЭНИН им. Г.М. Кржижановского в качестве источника питания сверхпроводящих индуктивных нагрузок (Акт о внедрении от 04 мая 1984 г.).

- Криотронный преобразователь типа ТПК-1 с блоками питания и автоматического управления внедрен в качестве источника питания сверхпроводниковых модулей бортовых магнитных систем в лаборатории ВСНТ Ереванского политехнического института (Акт о внедрении от 22 мая 1984 г.).

- Топологический генератор ТПГ-12 применен в ЛИЯФ на установке для поиска электрических дипольных моментов элементарных частиц с использованием пучков двухатомных молекул (Акт о внедрении от 24 мая 1984 г.).

- Топологический генератор ТПГ-12 внедрен на экспериментальной установке ИФТТ-БАН (Болгария) для запитки коротких образцов сверхпроводящих проводов (Акт о внедрении от 27 мая 1986 г.).

- Топологический генератор ТПГ-14М (модернизированный вариант), защищенный Свидетельством на промышленный образец № 4577 Машина электрическая сверхпроводящая, принят в промышленную эксплуатацию с 15.10.85 на стенде корпуса О ВНИИэлектромаша (Акт о внедрении от 11 мая 1985 г.).

- Оптимизированные газоохлаждаемые пористые токовводы на ток до 2 кА установлены на штатных местах в криотурбогенераторе КТГ-20 мощностью 20 МВА, обеспечивая всесторонние режимные испытания, в том числе с подключением криотурбогенератора КТГ-20 в систему Ленэнерго (Акт о внедрении от 02 марта 1988 г.).

- Пористые  газоохлаждаемые  токовводы используются для  испытаний  в технологическом криостате сверхпроводящей обмотки криомодуля для высокоскоростного наземного транспорта и в модели сверхпроводниковой униполярной электрической машины (Акт о внедрении от 02 марта 1988 г.).

- Топологический генератор ТПГ-6/1 внедрен в Криогенном центре Воронежского политехнического института (ныне: Воронежский государственный технический  университет)  при исследованиях сверхпроводниковых электромагнитных подвесов (Акт о внедрении от 28 апреля 1984 г.);

- Конструкция  топологического генератора  ТПГ-18  на  ток до 8 кА стала базовой для проектирования Автоматизированной системы питания, защиты и диагностики сверхпроводниковых отклоняющих  магнитов каналов частиц  УНК-3ТэВ в Протвино в активный период строительства ускорителя.

Апробация работы.

Основные положения диссертации доложены и получили одобрение на 1-й (Алушта, 1975 г.) и 2-й (Ленинград, 1983 г.) Всесоюзных конференциях по технической сверхпроводимости, 6-й Международной конференции по магнитной технологии (Братислава, 1977 г.), Конференции по прикладной сверхпроводимости (Питтсбург, 1979 г.), Межвузовской научно-технической конференции Сверхпроводники и гиперпроводники в электрических машинах и электроэнергетике (Москва, 1974 г.), Всесоюзной конференции Криоэлектротехника и энергетика (Киев, 1977 г.), заседаниях Научного Совета Сверхпроводимость в электротехнике АН СССР, 6-м трехстороннем германо-русско-украинском семинаре по высокотемпературной сверхпроводимости (Дубна, 1993), Открытой научно-практической конференции Оценка технического состояния электрооборудования энергосистем и определение перспектив надежной работы ЕЭС России (Москва, 1999), 18-й межвузовской научно-технической конференции Военная радиоэлектроника: опыт использования и проблемы, подготовка специалистов 03-04 апреля 2007 г., 20-й межвузовской научно-технической конференции Военная радиоэлектроника: опыт использования и проблемы, подготовка специалистов 07-08 апреля 2009 г., Всероссийской научно-технической конференции Прикладная сверхпроводимость-2010 23 марта 2010 г.

Основные научные результаты и положения, представляемые к защите:

- визуализация промежуточно-смешанного (лполумейсснеровского) состояния посредством сканирующей, в том числе атомно-силовой, микроскопии с получением изображений, повторяющих пропорции и детали картины проникновения магнитного потока в исследуемый образец сверхпроводникового материала;

- основанное на теории множеств описание топологического эффекта в низкотемпературных и высокотемпературных сверхпроводниках;

- новая концепция  принципа действия  топологических  электрических машин и обусловленная  этим  возможность  применения  в  резистивно-сверхпроводящих коммутаторах любых сверхпроводников;

-  новый класс фазовых коммутаторов электрических машин;

- общая теория топологических генераторов и преобразователей криотронных;

- аналитический аппарат для исследования коммутационных процессов в топологических генераторах и преобразователях криотронных, позволяющий оптимизировать их коммутационные параметры на основе минимизации потерь в резистивно-сверхпроводящих коммутаторах;

- основы теории сверхпроводниковых электрических машин и трансформаторов постоянного тора, работающих на принципе движения квантованных нитей магнитного потока;

- принципы конструирования высокоиспользованных топологических электрических машин;

-  созданный  на  базе  технических  жестких  сверхпроводников 2-го  рода  типовой ряд сверхпроводниковых топологических генераторов  многофункционального использования с получением  рекордных  значений номинальных параметров в единичном агрегате:  ток ~  10 кА,  удельная токовая  нагрузка  > 1 кА/кг;

-  аналитический  и  численный методы  расчета  тепловых  параметров  и разработанный на их основе типовой ряд термодинамически оптимизированных пористых токовводов на токи в диапазоне 1-10 кА;

- доказательство принципиальной возможности создания бесщеточной системы возбуждения сверхпроводниковых  синхронных  машин  и создание опытного образца  бесконтактного  сверхпроводникового  синхронного генератора  с  топологическим возбудителем;

- разработанные сверхпроводниковые топологические преобразователи криотронные с автоматическими системами питания и управления,  реализующими полный спектр режимов коммутации - сопротивлением, напряжением и смешанный;

- комплексное  решение  проблемы  ввода  (вывода) тока  в статические и вращающиеся криостаты  на базе  использования топологических генераторов и преобразователей криотронных вместе с термодинамически  оптимизированными пористыми токовводами.

Объем и структура диссертации.

Диссертация  состоит  из  введения,  трех разделов, содержащих в совокупности 10 глав,  заключения,  списка  литературы (511 наименований); иллюстрации  включают 165 графических и тоновых рисунков; 19 таблиц; общий объем  диссертации 419 с.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Введение.

Обоснована актуальность темы, дана характеристика научной проблемы, сформулированы цель и  конкретные задачи работы, ее научная новизна, определена предметная область исследований и перечислены выдвигаемые на защиту положения.

Работы в данном направлении начаты в 1962 г., когда был  изложен принцип действия и создан первый демонстрационный образец сверхпроводникового топологического генератора  (ТПГ). Они велись в ведущих научных центрах Европы и США: АНЛ, МНЛ МТИ, ОНЛ, Дженерал Электрик, Вестингауз, Сименс и др. Однако до сего времени нет достаточно ясного понимания физики явлений, лежащих в основе его работы. В этом состоит главная причина того, почему так медленно шло развитие этих уникальных по своим свойствам электрических машин, возможности которых не были раскрыты даже в малой степени. После первых успехов в создании ТПГ все дальнейшие попытки зарубежных специалистов добиться существенного повышения тока в единичном агрегате, в рамках общепринятых теоретических обоснований, оказались безрезультатными.

Фундаментально-прикладные исследования, проводившиеся во ВНИИ электромаше, а затем в ОЭЭП РАН и ИХС РАН, представленные в настоящей работе, позволили кардинально продвинуться в понимании физики процессов, протекающих в ТПГ, разработать их общую теорию и основные принципы проектирования.

У истоков работы стоял Е.Я. Казовский. По его предложению и под его научным руководством на эту тему автором написана кандидатская диссертация.

Значительный вклад в разработку и содействие развитию ТПГ и статических топологических преобразователей (ТПК) внесли отечественные ученые  И.А. Глебов, Я.Б. Данилевич, В.Н. Шахтарин, В.П. Карцев,  (ВНИИэлектромаш), Ю.П. Коськин  (ЛЭТИ),  В.Б. Зенкевич, В.В. Сычев (ИВТ АН СССР), А.С. Дронов, В.Е. Игнатов, Ю.В. Скобарихин (ЭНИН),  Ю.А. Бауров, Ю.Н. Макушенко (ЦНИИмаш), В.В. Васильев, Б.А. Серебряков (ИФВЭ), Ю.А. Башкиров (ОКБ Горизонт), В.А. Глухих, А.И. Костенко (НИИЭФА), Н.В. Марковский (Украина), Л.Н. Федотов (ИПС ЦНИИчермет), А.С. Веселовский, Г.Г. Свалов (ВНИИ КП), а также зарубежные ученые J. Volger, Ten Kate H.H.J., Van der Klundert L.J.M. (Голландия), T.F. Buhhold, H. Voight (Германия), M.S. Lubell, O.K. Mawardi, S.L. Wipf (США), R. Fasel (Швейцария), D.L. Atherton (Канада).

Диссертация основана на результатах долгосрочной работы, выполнявшейся автором  в рамках вышеупомянутых фундаментально-прикладных исследований. В основу исследований положена концепция, согласно которой сверхпроводниковая топологическая машина рассматривается как традиционная электрическая машина постоянного тока с новым типом фазового коммутатора, для изготовления которого можно применять любые сверхпроводниковые материалы, прежде всего серийно производимые фольги и ленты из жестких сверхпроводников 2-го рода. Созданные на основе современных взглядов и технологий ТПГ из низкотемпературных и высокотемпературных сверхпроводников являются конкурентно способными в системах питания сверхпроводниковых ускорителей заряженных частиц, термоядерных реакторов, электрофизической аппаратуры, высокоградиентных сепараторах и очистителях вод, ЯМР-томографов, а также для бесконтактного возбуждения сверхпроводниковых электрических машин.

Глава 1. Разработка и исследование эектрических машин и трансформаторов постоянного тока, работающих на принципе движения квантованных нитей магнитного потока.

Показано, что электромагнитные эффекты, возникающие в результате образования промежуточного и смешанного состояния сверхпроводников и движения квантованных нитей магнитного потока, можно использовать для создания нового типа сверхпроводниковых электродвигателей и генераторов, электромагнитных муфт и трансформаторов постоянного тока. Механизм взаимодействия транспортного тока с квантованными нитями, обеспечивающий их вязкостное течение, лежит в основе работы электродвигателей. Возникновение ЭДС вследствие направленного движения квантованных нитей - эффект, позволяющий создавать генераторы и трансформаторы постоянного тока. Зацепление квантованных нитей на центрах пиннинга можно использовать для разработки электромагнитных муфт. Захват магнитного потока в многосвязном сверхпроводящем контуре позволяет на базе асинхронного двигателя с беличьей клеткой создать сверхпроводниковый синхронный двигатель.

При разработке основ теории течение квантованных нитей исследуется с позиций магнитной гидродинамики с введением величин вязкости сверхпроводникового конденсата и лэффективного электрического сопротивления.

Описывается принцип действия и конструкция единственной в мире, защищенной авторским свидетельством, сверхпроводниковой топологической электромагнитной муфты, в которой обмотка возбуждения и активные элементы ведущего и ведомого валов выполнены из сверхпроводников (рис. 1). В основу работы муфты положены три  эффекта: захват  магнитного потока многосвязным сверхпроводником, пиннинг магнитного потока в метрически односвязных сверхпроводниках, и вязкостное течение квантованных нитей магнитного  потока.

Результаты испытаний показали, что для повышения надежности пуска муфты при обеспечении требуемой статической добротности km необходимо иметь в рабочем объеме достаточно однородное магнитное поле. В этой связи поставлена и численно решена задача синтеза обмотки возбуждения электромагнитной муфты, создающей в рабочем объеме магнитное поле с заданной степенью неоднородности. Обратная  задача  магнитостатики, являющаяся существенно некорректной, сведена  к  линейному интегральному уравнению Фредгольма 1-го рода и решена методом регуляризации нулевого порядка гладкости. Сглаживающий параметрический функционал:

Fδ[J(s),H(z)] = Ф[J(s),H(z)] + δΛ[J(s)], где Ф[J(s),H(z)] =

, где

- регуляризующий функционал (стабилизатор), 0 <δ ≤ 1 - числовой  параметр регуляризации (аналогия - множитель  Лагранжа  в  гл.  7).

При подготовке задачи к численному счету cглаживающий параметрический функционал приведен к виду:

Из условия минимума квадратичного функционала получена система уравнений, которая решена численно методом итераций.

Новые научные результаты: - изложены физические основы новых типов сверхпроводниковых устройств, в которых используется эффект движения квантованных нитей магнитного потока; - предложены соотношения, позволяющие рассчитывать основные параметры этих устройств; - разработан новый способ  передачи  момента к механизмам, вращающимся в среде жидкого гелия, посредством сверхпроводниковой топологической электромагнитной муфты; - поставлена и решена  задача  синтеза  сверхпроводниковой  обмотки возбуждения, создающей требуемое магнитное поле; - разработанный  алгоритм  расчета  позволяет по заданному распределению вектор-функции напряженности магнитного поля в рабочем объеме синтезировать осесимметричные магнитные системы из набора катушек с переменными и постоянными радиусами.

Глава 2. Общая теория топологических генераторов и преобразователей криотронных.

Рассмотрена работа топологического генератора и преобразователя криотронного на простейшей схеме (рис. 2). Для наглядности она дана в проволочном (а) и пластинчатом (б) вариантах. На рис. 2а все провода выполнены из сверхпроводника. Вектор магнитной индукции поля, создаваемого магнитом В, направлен от наблюдателя перпендикулярно плоскости рисунка.

Для того чтобы завести ток в сверхпроводниковую нагрузку индуктивностью LH, необходимо магнит В перемещать по контуру, показанному штриховой линией. Перед тем, как пересечь наружную ветвь, ее надо разомкнуть, например, с помощью резистивно-сверхпроводящего коммутатора РСК-1. Работа РСК основана на управляемых фазовых переходах. В сверхпроводящем состоянии РСК замкнут, в нормальном - разомкнут. Когда магнит займет положение а, наружная ветвь замыкается коммутатором РСК-1. Затем с помощью РСК-2 размыкается внутренняя ветвь. Магнит занимает положение б. РСК-2 переводится в замкнутое состояние. В результате с контуром нагрузки оказывается сцепленным магнитный поток, создаваемый магнитом В. При выводе магнита за пределы контура нагрузки в точке с в нагрузочной цепи наводится ток IH, чтобы обеспечить неизменным потокосцепление в цепи нагрузки.

Тот же эффект имеет место, если заменить прямоугольную проволочную петлю тонкой сверхпроводниковой пластиной, фольгой или лентой (рис. 2б). Предположим, магнит способен создать в пластине нормальную зону. Нормальная зона названа так потому, что под воздействием магнитного поля в этой зоне подавлена сверхпроводимость. Через нормальную зону проходит магнитный поток от магнита В. В тех частях пластины, где нет нормальной зоны, поле магнита экранируется токами Мейсснера.

Траектория движения магнита прежняя. При перемещении магнита вместе с ним движется нормальная зона с потоком. Так магнитный поток попадает в контур, образованный пластиной и нагрузкой. При выводе магнита за пределы контура сверхпроводимость контура нигде не нарушается и в замкнутой цепи наводится ток, который обеспечивает неизменность потокосцепления.

Многократное повторение этой операцию позволяет порциями увеличивать ток в цепи нагрузки. При этом ранее заведенный в нагрузку ток не затухает, потому что всегда имеется сверхпроводящий путь, по которому ток может течь без сопротивления. В проволочной схеме (рис. 2а) - это внешняя или внутренняя ветви. В случае пластины (рис. 2б) - ее сверхпроводящие участки перед нормальной зоной и позади нее.

Если остановить этот циклический процесс, то заведенный в сверхпроводящий контур ток будет циркулировать в нем без затухания.

Вывод тока из замкнутой сверхпроводящей цепи осуществляется таким же способом. Для этого достаточно изменить направление движения магнита или его полярность.

Изложен новый взгляд на физическую природу фазовых коммутаторов. Показано, что ТПГ представляет собой электрическую машину постоянного тока с фазовым резистивно-сверхпроводящим коммутатором (РСК). На основании  того, что обратимый фазовый переход свойственен  всем сверхпроводникам, сделано заключение о  том,  что с точки зрения физики сверхпроводимости, нет принципиальных ограничений на использование в ТПГ любых сверхпроводников. Этот  нетривиальный  вывод стал отправной точкой в проведении исследований процесса проникновения магнитного поля в тонколистовые сверхпроводниковые материалы в рамках программы создания типового ряда ТПГ (см. гл. 10).

РСК с  математической  точки  зрения  рассмотрен как топологическое пространство X,  на котором задана сверхпроводящая фаза. Множество X одновременно открытое и замкнутое. Если в X (т.е. в объеме сверхпроводника) нет других множеств, одновременно открытых и замкнутых, то топологическое пространство X является связным. Если обеспечивается полный эффект Мейсснера, мы  имеем  односвязное  топологическое  пространство. Любое локальное нарушение сверхпроводимости, например, в связи с проникновением в пластину магнитного поля (даже в виде отдельных квантов магнитного потока), изменяет топологию пространства, т.е. его связность. Целенаправленно изменяя топологию РСК, обеспечиваем требуемый режим коммутации токов в нем и наведение постоянной ЭДС.  Выбрав в плоской модели ТПГ (рис. 3) кусочно-гладкий замкнутый путь с носителем γ (Θ) ≡ ODABCO, где Θ∈[a,b]⊂R  - множество вещественных чисел, определим индекс точки a относительно контура γ , когда  она занимает множество положений{ γ (k T ) } k = 0, 1, 2, ..., где T - период одного цикла вращения магнита: 

(1)

При  t ∈ [T, 2T)  контур γ может быть деформирован  в  контур εn , носитель которого есть окружность единичного радиуса 1 > r/r1 (рис. 3, справа), причем  ; Θ1 ∈ [0,2π]. Тогда индекс точки a относительно контура γ при  t ∈[nT, (n+1)T] 

. 

Пусть Φ0  - магнитный поток, содержащийся в зоне проникновения. Тогда .  (2)

Таким образом,  после первого  цикла потокосцепление с контуром,  включающим нагрузку, составляет |ψ | = |- Φ 0|.  При  t =  2 T  |ψ | = |- 2Φ0  |,  и т.д.  Из  этого следует,  что  средняя  ЭДС,  наводимая  в  электрической  цепи с нагрузкой,  равна  e = - f Φ0, где f - частота циклов. Направление индуцированного тока противоположно направлению обхода носителя пути γ.

С другой стороны,  пусть  на  носителе кусочно-гладкого пути рассматриваемого контура γ задана непрерывная вектор-функция (x) - напряженность электрического поля. Тогда для любой точки z, принадлежащей области проникновения магнитного поля, используя интегральную формулу Коши, можно записать соотношение . (3)

Так как интересующая нас точка  a  при  t ∈  [n T, (n + 1) T)  всегда  лежит  во внутренней компоненте связности, то

Учитывая  j (a, γ)  =  n ,(Θ 1)  =  const , имеем (a) = (Θ 1) = . В этом проявляется органичная связь двух формул для определения ЭДС индукции:

  (4)

Итак, применительно к описанию принципа действия ТПГ топологическое представление дает ответ,  почему  в  случае  сверхпроводникового коммутатора постоянная  ЭДС наводится. В случае же изготовления коммутатора из обыкновенного, например, медного проводника топология такого коммутатора не меняется, и он не выполняет своих функций.

Сверхпроводниковые топологические электрические машины в широком понимании этого термина, относящегося к вращающимся и статическим вариантам, объединяет общий признак, лежащий в основе их принципа действия, - наличие  коммутационных  ветвей  в  цепи  нагрузки.  Благодаря этому  для всех типов таких машин и аппаратов предложена общая теория.

В  основе теории  лежит анализ поэтапного преобразования магнитных потоков в коммутационных ветвях. Суммарное приращение потокосцепления в цепи с нагрузкой  LH  за  (ν+1)-й  цикл:

  (5)

Формулы упрощаются с введением безразмерных коэффициентов , (6)

Тогда  .  (7)

Циклическая зависимость тока Iν  в нагрузке и его предельное значение  IПР

, где . (8)

Предельный ток IПР в нагрузке не зависит от частоты  f и  сопротивления РСК.

Напряжение на зажимах машины зависит от номера  цикла работы:

(9)

Среднее напряжение за период между циклами νm и νn 

Полезная мощность, отдаваемая в цепь нагрузки в (ν + 1)-м цикле,    (10)

Её среднее значение за период между циклами νm и νn  . (11)

Потери запасённой в нагрузке электромагнитной энергии в (ν+1)-м цикле

  (12)

Их среднее значение  за период между циклами νm  и νn

    (13)

Без учёта потерь на вихревые токи зависимость КПД от числа ν  циклов

(14)

КПД, усреднённый за период между циклами νm  и νn

(15)

 

Расчетные данные удовлетворительно согласуются с результатами экспериментальных исследований (рис. 4).

Новые научные результаты: - обоснована принципиальная возможность создания сверхпроводниковых топологических генераторов и преобразователей криотронных на базе использования любых сверхпроводников; - новое научное заключение имеет важное значение, особенно с практической точки зрения, - применение в конструкциях топологических электрических машин жестких сверхпроводников 2-го рода, обладающих  высокими критическими параметрами по току, магнитному полю и температуре, открывает путь значительного повышения номинальных параметров рассматриваемых машин и преобразователей; - создана общая теория топологических  машин; - аналитические выражения пригодны для  расчета параметров и  характеристик топологических машин различного схемного и конструктивного решения; - обоснованы пути  повышения КПД.

 

Глава 3. Коммутация в топологических генераторах и преобразователях криотронных. В РСК происходит коммутация тока из одной параллельной сверхпроводящей ветви в другую с изменением значения тока, но без изменения его направления. В коммутации участвуют ток нагрузки, экранирующие токи Мейсснера и наведенный в движущейся резистивной зоне ток. На коммутацию оказывают  влияние  реакция  якоря  и  дополнительные эффекты, обусловленные зависимостью индуктивности коммутируемых ветвей от протекающих в них токов, диффузией магнитного потока в сверхпроводнике, тепловым состоянием коммутируемых участков цепи. Характер коммутационного процесса зависит от структуры и критических параметров сверхпроводникового материала РСК, его конструкции и условий охлаждения, скорости движения резистивной зоны, параметров нагрузки и т.д.        

Показано, что неудовлетворительное протекание процесса коммутации является главной причиной снижения КПД топологического генератора и сужения зоны его устойчивой работы. Рассмотрено три типа коммутации: сопротивлением, напряжением и смешанная. Установлено, что экранирующие токи Мейсснера, участвуя в коммутации, являются, с одной стороны, дополнительным источником потерь, с другой стороны, улучшают режим коммутации, способствуя усилению роли коммутации напряжением. Влияние экранирующих токов на противодействующий электромагнитный момент соизмеримо с влиянием нагрузочного тока. Несмотря на то, что экранирующие токи уменьшают циклическое приращение тока в нагрузке, предельный ток не зависит от них, а, значит, от выбора сверхпроводникового материала для РСК.

Коммутация в топологическом преобразователе криотронном исследована в наиболее распространенной схеме двухполупериодного однофазного выпрямителя-инвертора с нулевым выводом. Предложенная математическая модель учитывает несимметрию параметров вторичных контуров преобразователя и позволяет получить аналитические обобщенные выражения для расчета токов в коммутируемых цепях и нагрузке. Циклическое изменение тока в коммутируемых цепях  и  нагрузке  LH  диктует необходимость составления четырех систем дифференциальных уравнений для контурных токов, описывающих каждый из чередующихся элементарных этапов, два из которых являются коммутационными и два накопительными. Решение:

(16) 

Из (16) можно определить изменение токов по этапам, не исследуя переходные процессы.

Для сравнения на рис. 5 даны кривые переходных токов, рассчитанные при  значении коммутируемого тока  IHν = 300 А для трех режимов коммутации ТПК с параметрами:

L1 = 0,16  Гн, L = 0,65⋅10-6 Гн,  М =10-4  Гн,  MAB = 0,  LН = 0,18⋅10-3  Гн, R1 = 1  Ом , R = 0,24⋅10-3  Ом , I1 = 2,5  А.

Рис. 5. Переходные токи для различных режимов коммутации. Сплошные линии  - коммутация сопротивлением, штриховые линии - коммутация напряжением, штрихпунктирные линии - смешанная коммутация

Наиболее точные измерения потерь на коммутацию получены на однофазном однополупериодном асимметричном преобразователе. Измеренные токи в ветвях преобразователя хорошо согласуются с расчетными.  Близки по  значенниям экспериментальные и расчетные значения  компенсирующих  токов. В экспериментах подтвержден теоретически установленный факт: мощность топологического преобразовантеля и его предельный ток не зависят от режима коммутации. Режим коммутации  влияет  только  на  коммутационные  потери.  При  точной  компенсации тока в размыкаемой  ветви потери на коммутацию полностью отсутствуют.

Недокомпенсация тока, как и его перекомпенсация приводят к потерям. Точная компенсация коммутируенмого тока на практике достигается с помощью автонматических устройств управления работой топологического преобразователя криотронного с использованием обратной связи по току, измеряемому в коммутируемой ветви. Функциональная схема управления выбирается в занвисимости от способа коммутации. Созданы две системы управления  и  контроля,  обеспечивающие все рассмотренные режимы коммутации.

Новые научные результаты. Впервые разработана теория коммутации с учетом общности и специфики протекания процессов в ТПГ и ТПК. Полученные  результаты в теоретическом отношении дополняют изложенную в главе 2 общую теорию, а  в  практическом - позволяют уточнить рабочие характеристики конкретных устройств, дать рекомендации по выбору коммутирующих узлов для повышения КПД.

Глава 4. Проникновение и распределение магнитного поля в резистивно-сверхпроводящем коммутаторе. Определяющим фактором эффективной работы ТПГ является обеспечение требуемого распределения магнитного поля в области расположения РСК. Исследование магнитного поля в указанной области затруднено из-за отсутствия подходящих физических моделей, описывающих квазистатический и динамический процессы проникновения магнитного поля в коммутатор, зависимости распределения поля от стехиометрии, технологии изготовления, формы и размеров материала РСК, наличия в нем динамических резистивных участков, специфики дифнфузии магнитного потока, экранирующего действия сверхпроводникового материала, влияния на распределение магнитного понля остаточной положительной намагниченности сверхпроводникового материала, особенности реакции якоря.

В главе дается систематическое изложение методологии и результатов экспериментального исследования магнитного поля в рабочем зазоре ТПГ различного исполнения в условиях их реальной эксплуатации. Выполненные измерения разделены на две основные серии: (а) при фиксированном положении полюса-зубца и (б) повороте вала. Исследованы наиболее употребляемые для изготовления РСК сверхпроводниковые материалы, поставляемые в виде лент: технически чистый ниобий (Nb), слаболегированные сплавы марок НЦ-1,5 (Nb+1,5%Zr), БТЦБ и БТ - (Nb+0,5%Zr+0,05%Ti), а также 65 БТ (Nb-10%Zr-25%Ti), НТ-50 (Nb+50%Ti) и интерметаллическое соединение ниобий-олово Nb3Sn. Ленты - отожженные и не отожженные, с медным покрытием и без него, толщиной от 20 до 80 мкм. Эксперименты показали следующее.

а)        В отсутствие РСК  картина распределения магнитного поля незначительно отличается от той, которая получена при фиксированном полюсе-зубце и наличии коммутатора. Между значениями нормальной составляющей магнитной индукции и тока возбуждения iв имеется прямая пропорциональная зависимость.

б)        В  случае  фиксированного  полюса-зубца  поле  проникает  с его торцевой части. Максимальное значение магнитной  индукции приходится на кромку торцевой части полюса-зубца. Разница значений на кромке и в центральной части полюса-зубца составляет 5-30%, в зависимости от критических параметров сверхпроводникового материала. 

в)        При  повороте  вала  поле проникает в РСК одновременно по всему фронту полюса-зубца. Существует пороговый ток возбуждения, при котором начинается проникновение поля в коммутатор. Пороговое значение тока возбуждения зависит от критических параметров сверхпроводникового материала. Чем выше второе критическое поле сверхпроводникового материала, тем ниже пороговый ток возбуждения. Так, для  ленты из сплава марки НЦ-1,5 (Nb+1,5%Zr) как для отожженной, так и не отожженной, он составляет около 1 А, а у ниобиево-оловянной  ленты (Nb3Sn) - 0,78 А. Для одинаковых по стехиометрическому составу отожженных и не отожженных сверхпроводниковых материалов пороговый ток возбуждения выше у вторых на ~ 0,08 А.

г)        Ток  возбуждения,  обеспечивающий проникновение магнитного поля в РСК, превышает пороговое значение для всех исследованных сверхпроводниковых материалов на ~10%.

д)        Во всем диапазоне токов возбуждения, независимо от критических параметров сверхпроводникового  материала, отсутствует  прямая  пропорциональная  зависимость  между значениями нормальной составляющей магнитной индукции и тока возбуждения. Например, для  ленты  из  сплава  марки  НЦ-1,5 (Nb+1,5%Zr)  это  соотношение  изменяется с  ростом  тока  возбуждения  от  0,1 Тл/А  (iв = 1,5 А)  до  0,08 Тл/А  (iв = 2,5 А).

е)        При  снижении  тока  возбуждения  iв  наблюдается  магнитный  гистерезис сверхпроводникового материала, который в большей степени выражен для холоднокатаных не отожженных сверхпроводниковых материалов.

ж)        Магнитная  предыстория  сверхпроводникового материала  практически не влияет на изменение порогового значения тока возбуждения.

з)        Характер  проникновения магнитного  поля  одинаков  для всех сверхпроводниковых материалов.

и)        Распределение поля в межзубцовой зоне практически не зависит от ширины и глунбины ее открытия.

Рис. 6. Распределение Br и Bt составляющих магнитной индукции в коммутаторе ТПГ-10/2 при токах в якоре Iя = 0; 150; 300; 450 А. Ток возбуждения iв = 3,5 А. Материал коммутатора Ц  лента из сплава БТ - (Nb+0,5%Zr+0,05%Ti. Сплошные линии - Br , штриховые линии - Bt 

Особенностью картин проникновения магнитного поля, снятых в прямом и обратном направлении поворота вала, является систематинческое запаздывание и практически зеркальнное изображение. Ширина зоны проникнонвения поля составляет примерно три ширины полюса-зубца. Ярко выраженная концентрация магнитного потока под полюсом-зубцом обусловлена заметным вкладом экранирующих токов Мейсснера, которые протекают по сверхпроводящим участкам коммутатора. Экранирующие токи Мейсснера уменьшают амплитуду магнитной индукции в рабочем  зазоре (в эксперименте  на ~70%). Наличие в материале коммутатора  центров пиннинга,  на  которых  стопорятся пучки квантованных нитей, приводит к ступенчатой диффузии магнитного потока, движущегося вслед  за полюсом-зубцом. Об этом свидетельствуют  изломы на кривых распределения индукции. Магнитные потоки, пропорциональные площади фигур, образованных прямым и обратным графиками изменения Вr , с осью абсцисс, примерно равны между собой. Это показывают и примерно равные значения напряжения холостого хода при вращении вала по часовой стрелке и против нее. В то время как графики распределения нормальной составляющей Br индукции имеют плоские  или остроконечные вершины, графики распределения тангенциальной составляющей Bt имеют плавную конфигурацию. Точки подъема и спада кривых Br  и Bt совпадают, определяя границы резистивной зоны.

Причиной асимметрии служат, с одной стороны, экранирующие токи, с другой стороны, захват магнитного потока в РСК после прохождения через него резистивной зоны с магнитным потоком. Экранирующие токи оказывают на основной магнитный поток подмагничивающее действие у передней границы резистивной зоны и размагничивающее действие у задней. Благодаря  этому  передний  фронт  графиков круче, чем  задний. Захват магнитного потока отражается  на  амплитудных значениях. Графики тангенциальной составляющей  Bt  магнитной  индукции  имеют симметричную форму. Экспериментально исследовано влияние реакции  якоря  на  распределение магнитного поля в РСК (рис. 6). Ток нагрузки мало влияет на радиальную Br составляющую индукции и несколько больше на тангенциальную Bt. С приближением к предельному току реакция якоря оказывает определяющее размагничивающее действие на основной поток. С целью расчета магнитного поля в движущейся резистивной зоне сформулирована краевая задача Дирихле для  неоднородного эллиптического уравнения. Полученное вариационным методом обобщенное решение задачи позволяет  определить  компоненты  вектора магнитной индукции и интегрированием - магнитный поток, пронизывающий  резистивную  область.

Новые научные результаты: - экспериментально исследовано проникновение и  распределение магнитного поля в РСК из тонколистовых материалов на базе жестких сверхпроводников 2-го рода. Установлено: - использование в РСК  сверхпроводниковых материалов с высокими критическими значениями существенно отражается на паранметрах магнитной цепи ТПГ; - экранирующие токи, концентрируя основной магнитный поток в зоне проникновения, увеличивают амплитудное значение магнитной индукции, вследствие чего магнитное сопротивление прохождению основного магнитного потока через рабончий зазор растет, что требует создания дополнинтельной МДС.

Глава 5. Добавочные электромагнитные моменты и потери. В ТПГ наряду с основным  электромагнитным моментом существуют добавочные электромагнитные моменты различной физической природы. В совокупности они нередко превышают основной электромагнитный момент, приводя к поломке механической системы привода. Являясь главным источником  потерь в криогенной зоне, они существенно сужают зону устойчивой работы. В отличие от обычных электрических машин, где причиной добавочных потерь являются высшие гармонические составляющие магнитной индукции, в ТПГ добавочные потери возникают от пиннинга, крипа и вязкостного течения магнитного потока в РСК, магнитного гистерезиса сверхпроводникового материала, вихревых токов в резистивной зоне.

Расчет добавочных моментов затруднен из-за их сложной физической природы. Поэтому при их изучении важное место отводится совместным экспериментальным исследованиям магнитных полей в зоне  расположения  РСК, статического, динамического моментов на валу и качественному объяснению их природы.

В главе описана экспериментальная установка, методика и результаты измерения добавочных моментов. Штатный  нагрузочный режим дублируется  косвенным нагрузочным режимом, реализуемым путем подведения к  РСК транспортного тока.

Рис. 7. Зависимости от угла  Θ  поворота вала

топологического  генератора  при разных  токах возбуждения iв добавочного  момента M на валу и нормальной составляющей Br индукции в коммутаторе из ниобий-титановой (Nb+50%Ti) ленты толщиной 20 мкм, с двусторонним медным покрытием. Сплошные линии - M, штриховые линии - Br.

На вал действует практически не зависящий от угла поворота постоянный тормозной момент, создаваемый силами пиннинга, крипом и вязкостным течением квантованных нитей. Переменная составляющая есть следствие градиента магнитной индукции в тангенциальном направлении.

Установлено, что составляющая момента, связанная с потерями на вихревые токи в резистивной зоне, постоянна и мала по сравнению с потерями на пиннинг и вязкостное движение квантованных нитей. На графиках имеется периодическая составляющая момента диамагнитно-реактивного свойства.

Несмотря на различие свойств сверхпроводниковых материалов, применяемых в РСК, графики добавочных моментов при повороте вала ТПГ имеют качественное сходство, что свидетельствует об одной и той же  природе добавочных моментов. Графические зависимости, в том числе представленные на рис. 7, имеют одинаковую структуру. На фоне постоянной составляющей статического  момента существует периодическая составляющая, которая  растет по мере увеличения тока возбуждения. 

Новые научные результаты. Впервые исследованы электромагнитные моменты в ТПГ. Установлено: - добавочный момент является основным фактором, влияющим на эффективную и безаварийную работу ТПГ; - добавочный момент возникает после проникновения поля в РСК; - он  имеет две главные составляющие - активную и  реактивную; - активная составляющая есть следствие диссипативных процессов, обусловленных вязкостным движением квантованных нитей; - она знакопостоянная, не зависит от угла поворота вала, увеличивается вместе с ростом тока возбуждения, пропорциональна площади под кривой магнитной индукции; - реактивная составляющая возникает в результате захвата  магнитного потока  центрами пиннинга; - она знакопеременная, не имеет прямой пропорциональной зависимости от тока возбуждения; - остаточный реактивный момент, обусловленный положительной намагниченностью сверхпроводникового материала, в 1,5-2 раза меньше реактивного момента, создаваемого током возбуждения; - знакопеременный реактивный момент не приводит к потерям, однако существенно нагружает моментопередающий механизм.

Глава 6. Рабочие характеристики и режимы работы ТПГ. Области применения. Известные из теории электрических машин характеристики применительно к ТПГ недостаточно полно описывают их работу. В главе обосновывается введение требуемого спектра характеристик ТПГ и на конкретных примерах дается их анализ. 

1. Характеристика холостого хода UХ.Х  =  U ( iВ )  при IН  = 0,  f = var (ступенями).

2. Характеристика напряжения холостого хода UХ.Х = U (f)  при IН  = 0, iВ =  var (ступенями).

3.        Характеристика накачки и откачки  IН = I  (ν)  при iВ  = const,  f  = const.

4.        Внешняя характеристика UН = U (IН)  при  iВ  = const, f  =  var (ступенями).

5.        Зоны устойчивой работы UН = U (f) при  iВ ,  IН =  var (ступенями).

6.        Нагрузочная характеристика UН = U (iВ)  при  IН  , f  =  var (ступенями).

7.        Регулировочная характеристика iВ  = i (IН )  при  UН = const, f  =  var.

8.        Характеристика затухания тока в цепи нагрузки IН  = I (t) при  iВ = 0,  f = 0.

9.        Характеристика прецизионного регулирования IН = I(U) при iВ = var,  f = var.

Важнейшей является характеристика накачки и откачки, представляющая собой временную циклическую зависимость тока в сверхпроводниковой нагрузке, питаемой от ТПГ. Установление границ устойчивой работы может быть выполнено только экспериментальным путем (рис. 8). Исследованы  условия  включения ТПГ в

Рис. 8. Зоны устойчивой работы  ТПГ-3

параллельную работу. В отличие от обычных машин, мощность ТПГ изменяется от цикла к циклу.  Поэтому понятие  лодинаковой мощности двух  ТПГ требует уточнений в конкретном режиме работы. Параллельная работа ТПГ должна предусматривать их нахождение в собственной зоне устойчивости.

Новые научные результаты. Впервые предложен полный спектр рабочих характеристик ТПГ. Установлено: - характеристики ТПГ зависят не только от параметров ТПГ, но и нагрузки, а также  требуемого режимного регулирования; - параллельная работа ТПГ имеет особенности из-за весьма малых индуктивностей сверхпроводниковых якорных обмоток и РСК.

Глава 7. Тепловые мосты в криогенную зону. Методы термодинамической оптимизации механической передачи и токовводов. В главе излагаются результаты оптимизации механической передачи по критерию минимума энергетических затрат на ее охлаждение, а также обосновывается применение сверхпроводниковой электромагнитной муфты. Задача решена аналитическим методом неопределенных множителей Лагранжа. Для сравнительного оптимизационного анализа исследованы три тепловых состояния механической передачи: отсутствие охлаждения, идеальный и реальный теплообмены. Установлены оптимальные размеры механической передачи. При геометрический комплекс l/Ax  изменяется  по  закону  логарифмической  функции  от  температуры  теплого конца, а  тепловой  поток вдоль длины механической передачи - по линейному закону: 

;  . 

  Рис. 9. Стенд для исследования ТПГ

  и токовводов, сверхпроводниковой

  электромагнитной муфты

Чем массивнее механическая передача,  тем выше задаваемое значение варьируемого множителя Лагранжа. Рекомендуется δ = 10-3÷10-1. При проектировании наиболее мощной механической передачи и узла подвески топологического генератора ТПГ-17 (рис. 9) использованы данные оптимизационного теплового и механического расчетов.

Теплоприток в криогенную зону можно снизить за счет полного исключения или временного прерывания механического контакта между приводом и нагрузкой посредством сверхпроводниковой электромагнитной муфты (рис. 1).

Новые научные результаты: - разработан метод термодинамической оптимизации механической передачи и узла подвески, позволяющий проектировать системы электропривода сверхпроводниковых топологических генераторов с обеспечением их эффективного охлаждения, дан пример практической реализации; -  метод термодинамической оптимизации пригоден для анализа тепло- и массообмена при расчете тепловых мостов криогенных электротехнических устройств; -

Пористые токовводы являются неотъемлемым узлом системы ввода тока в сверхпроводниковые электротехнические устройства, осуществляемой на базе сверхпроводниковых топологических генераторов. Будучи  неотъемлемой составляющей системы электропитания, диагностики и защиты сверхпроводниковых электротехнических устройств,  пористые  токовводы  внесены  в  реестр поставленных в диссертации задач как важнейший объект научного исследования, чему посвящена настоящая глава. 

По рис. 10 составлена математическая  модель, наиболее полно описывающая протекающие в токовводе процессы. Она состоит из системы нелинейных дифференциальных уравнений  тепло- и массообмена и  уравнений  гидродинамики.  В  главе дан анализ физических вели- Рис. 10. Расчетная схема

чин и обоснование граничных условий. токоввода

 

Оптимизация параметров токоввода является вариационной задачей на нахождение условного экстремума. На практике чаще всего накладываются ограничения на габариты токоввода, что дает возможность решать вариационную задачу на безусловный  экстремум.

Для нахождения оптимального распределения тепловых  потоков  qx  по длине токоввода используется вариационный метод множителей Лагранжа. Обобщенной координатой взят тепловой поток qx .

На базе соотношений и табулированных зависимостей  ρ(T), λ(T) для различных проводниковых материалов, применяемых в токоведущих кернах, построены серии графиков оптимальных геометрических размеров токоввода, тепловых потоков и требуемого массового расхода  криоагента по длине токоввода. Множитель Лагранжа δ , связывая формулы, позволяет для любого значения тока I устанавливать соответствие между оптимальными геометрическими размерами токоввода и распределением тепловых потоков по длине токоввода.

Графики в относительных единицах  сводятся  к  универсальной  кривой (рис. 11), справедливой  для  любых токов и значений множителя Лагранжа . По ней можно  заключить, что  в  термодинамически

Рис. 11. Распределение приведенной температуры Tx/T0 оптимизированном токовводе

и удельных  тепловых потоков qx/I по длине x/l токоввода необходим малый  градиент температур на 

большей части его длины - 80%.

В отличие от токовводов, которыми оснащаются технологические криостаты с малым уровнем фоновых  теплопритоков, в крупных сверхпроводниковых электротехнических объектах, в частности в криотурбогенераторах, применяются токовводы с регулируемым расходом криоагента без промежуточного отбора. В таких объектах отсутствует связь между теплопритоками в криостат и расходом криоагента по каналу токоввода, а теплофизические и гидравлические свойства потока криоагента существенно изменяются по длине токоввода. Рассмотрена одномерная нелинейная задача расчета неидеально охлаждаемого шунтированного сверхпроводником токоввода неизменного поперечного сечения. Критерий оптимальности - минимум энергозатрат. Результаты  расчетов представлены в серии графиков. Оптимальные длины  lP* резистивного участка токоввода в функции расхода m  криоагента растут линейно. Наоборот, оптимальные длины lC*  сверхпроводящих участков изменяются нелинейно. По инженерным методикам,

основанным на теории, рассчитаны, сконструированы и исследованы токовводы на токи до 10 кА. 

В главе описана конструкция и приведены данные испытаний модели и штатного образца токовводов критотурбогенератора типа КТГ-20 мощностью 20 МВт. На всех этапах исследований КТГ-20 токовводы, спроектированные согласно теории, работали эффективно и безаварийно (рис. 12).

Рис.12. Монтаж токовводов

криотурбогенератора типа КТГ-20

Новые научные результаты: - на  базе  вариационного  метода  неопределенных  множителей  Лагранжа создана аналитическая теория энергетически  оптимальных  и безопасных  в эксплуатации пористых  токовводов;  - показано, что токовводы, спроектированные по критерию минимума энергозатрат  на охлаждение, оптимальны и по минимуму теплопритока на холодном конце, а также могут работать без охлаждения в течение времени, необходимого для вывода запасенной электромагнитной энергии из криостата и (или) восстановления охлаждения; - экспериментально установлено, что шунтированные  сверхпроводником  пористые токовводы с многократной (более 5 раз) фильтрацией криоагента устойчивы к токовой перегрузке, которая может составлять более 2 номиналов; - выполненные исследования пористых токовводов решают составную задачу общей проблемы ввода тока в стационарные и вращающиеся криостаты.

Глава 8. Исследование топологических генераторов из высокотемпературных сверхпроводников 1-го и 2-го поколений.

После открытия высокотемпературной сверхпроводимости долгое время уровень технологии изготовления высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) не позволял разрабатывать силовые электротехнические и электрофизические устройства, подобные тем, которые созданы на базе низкотемпературных сверхпроводниковых материалов. В главе показано, что ТПГ оказался одним из немногих силовых электротехнических устройств, в котором стало возможным применение нетехнологичных ВТСП-материалов, причем с созданием короткозамкнутых высокотемпературных сверхпроводящих цепей. В подтверждение теоретических положений главы 1 в данной главе излагаются результаты практической реализации принципиальной концепции создания ТПГ с использованием ВТСП-материалов. В основе исследований лежат преимущественно экспериментальные методы.

Показано, что топологический метод генерации тока обеспечивает бесконтактное измерение критической температуры ВТСП, определение зависимости от температуры объема сверхпроводящей фазы образца, снятие вольтамперной характеристики без предъявления особых требований к качеству контактов измерительной и токовой цепей, оценку объемной силы пиннинга. Экспериментально снятые рабочие характеристики ТПГ использованы при отработке технологии нанесения контактных покрытий и изготовления соединений.

Созданы три экспериментальные установки, которые обеспечивали проведение измерений в трех средах - на воздухе, в жидком азоте и жидком гелии, а также моделирование условий штатной эксплуатации ТПГ (рис. 13, 14).

 

Рис. 13.  Характеристики х.х. (штриховая) и  Рис. 14.  Характеристики напряжения х.х

  напряжения х.х. для  разных сред для разных материалов и сред

Технологический прорыв в промышленном производстве обмоточных материалов из 2G ВТСП (2-го поколения) позволил создать экспериментальный образец ТПГ с фазовым коммутатором из 2G ВТСП. По результатам стендовых испытаний сделан вывод о перспективности применения ТПГ-2G ВТСП для прецизионного питания ЯМР томографов и разработки бесщеточных систем возбуждения сверхпроводниковых электрических машин.

Новые научные результаты:  - впервые  созданы и  испытаны  в  различных криогенных средах ТПГ из ВТСП; - в силовой ВТСП-цепи достигнут ток ~ 100 А; - на основании обнаружения в опытах эффекта топологической ЭДС в ВТСП-образцах при температурах выше критической (установленной по вольтамперной характеристике) показано,  что  ТПГ  может  служить  в  качестве чувствительного диагностического устройства для обнаружения появления сверхпроводящей фазы в ВТСП-образцах и оценки ее объемного содержания; - сравнительные экспериментальные исследования ТПГ с различными типами коммутаторов в разных криогенных средах доказали общность электромагнитных процессов, протекающих в них, для всех типов коммутаторов и криогенных сред.

Глава 10. Разработка топологических генераторов многофункционального использования и результаты их испытания в штатных режимах работы. В создании типового ряда ТПГ особое значение придавалось экспериментальному  исследованию потерь и поиску средств их снижения. В  главе приведены  методология и результаты  измерения потерь в механическом ТПГ-1/2  и статическом СТПГ-7.

Экспериментально подтверждено, что главные составляющие потерь - коммутационные и на вихревые токи (рис. 15). В ТПГ, где реализуется режим коммутации сопротивлением, КПД можно повысить в основном за счет снижения потерь на вихревые токи, применяя в РСК материалы с высоким удельным электрическим сопротивлением. Для снижения потерь на коммутацию требуется применять предложенные в главе 1.2 схемно-конструктивные решения. В экспериментах выявлен значительный, не пропорциональный току нагрузки рост момента на валу.

Установленные в экспериментах факты  потребовали в корне пересмотреть концепцию проектирования ТПГ, ориентированную на применение в РСК сверхпроводников с относительно низким значением Bк2. Одновременно возникла необходимость в детальном исследовании физических процессов, обусловливающих появление неадекватных току нагрузки моментов. Без решения этих  задач достижение токов в нагрузке на уровне 5÷10 кА оставалось проблематичным.

В сводной таблице представлены практически все типы топологических генераторов отечественного производства, изготовленных и испытанных в период с 1971 по 1985 год (первый этап). Последующие образцы создавались на основе новой научной концепции - использования в РСК материалов из технических жестких сверхпроводников 2-го рода, а также высокотемпературных сверхпроводников. Каждый образец ТПГ имеет технические особенности  и создавался, с одной стороны, как  научно-исследовательский объект, с другой стороны, как штатный образец целевого назначения.

Топологический  генератор ТПГ-2: многослойный  РСК, последовательное соединение токонесущих элементов. Цель создания: повышение номинальных параметров, отработка технологии сварных соединений разнородных сверхпроводниковых материалов - лент, круглых проводов, пучков жил, разработка и испытание специальных несмазываемых  шариковых подшипников, например, марки АФ123Т с фторопластовым сепаратором, получение химическим путем антикоррозионных покрытий ферромагнитных узлов и их исследование в криогенной среде и на воздухе, проверка электрической и  механической стойкости электрической изоляции в криогенных средах, техническое обеспечение замкнутого цикла охлаждения за счет размещения приводного электродвигателя в герментичном корпусе, установленном на капке криостата.

Топологические генераторы ТПГ-4/3, ТПГ-4/4, ТПГ-10/2, ТПГ-15/1, ТПГ-15/2, ТПГ-18 и ТПГ-19: резистивно-сверхпроводящие коммутаторы и якорные обмотки барабанного типа. Цель создания: отработка конструкции резистивно-сверхпроводящего коммутатора и якорной обмотки, выполненных из разнородных обмоточных материалов, повышение напряжения. 

Топологические генераторы ТПГ-15/1 и ТПГ-15/2: большие массо-габариты. Цель разработки: повышение линейной токовой нагрузки, исследование конструкции ферромагнитного сердечника индуктора со скошенными полюсами-зубцами.

В экспериментах отработан простой и эффективный исследовательский способ косвенного определения номинальных параметров. Так, в псевдонагрузочном режиме ТПГ испытывается на токонесущую способность, устанавливающую верхний предел по току нагрузки. Для этого к РСК и якорной обмотке ТПГ, работающего на холостом ходу, через силовые токовводы подводится транспортный ток. Как показали сопоставительные опыты, значения напряжения на зажимах ТПГ, достигаемого в нагрузке тока, а также области устойчивой работы практически совпадают для косвенного, псевдонагрузочного и нагрузочного режимов. В частности, для штатного режима ток нагрузки ТПГ-15/1 составляет 6,8 кА, линейная токовая нагрузка ~10 кА/м, что на 3% ниже максимального значения, установленного в псевдонагрузочном режиме.

Топологический генератор ТПГ-14/2, ТПГ-16: резистивно-сверхпроводящий коммутатор и якорная обмотка кольцевого типа. Цель создания: доказать возможностьи эффективность катушечно-модульного исполнения якорной обмотки и резистивно-сверхпроводящего коммутатора как одно целое (рис. 16), а также спиральной  (одно)  двухзаходной  обмотки  из широкой  cверхпроводниковой ленты.

 

  а  б в

Рис. 15. Мгновенные и средние значения мощностей  (а), потерь на коммутацию (б и КПД (в с учетом и без учета (с индексом  *) потерь на вихревые токи топологического генератора ТПГ- 1/2 в функции числа циклов работы. Сплошные линии - индуктивность резистивно-сверхпроводящего коммутатора  L2К1 = 1,1510-7 Гн, штриховые  - 0,5710-7 Гн.

Результаты испытаний ТПГ-16: максимальная  ЭДС Ц  80 мВ,  устойчивая  ЭДС Ц  50 мВ.

Топологический генератор ТПГ-17. Цель создания: применение замоноличенных компаундом модульных катушек РСК и якорной обмотки.

Топологический генератор ТПГ-18: набранный из листовой электротехнической стали сердечник якоря, оптимальная форма ферромагнитных  узлов,  РСК -  цилиндр двухслойный из спаянных внахлёст ниобиево-оловянных лент, катушки возбуждения - компаундированные и бескаркасные, межзубцовое пространство заполнено пенопластом.

Цель разработки:  создание головного  образца малогабаритного ТПГ многофункционального  назначения  на базе использования в РСК технических жестких сверхпроводников 2-го рода. 

Рис. 16. ТПГ-16 перед 

погружением в криостат -

диаметр гелиевого сосуда 300 мм

Рис. 17. ТПГ-18:

(а) - продольный  разрез;

(б) - перед испытанием на

нагрузку (внизу)

а б

 

 

Первые испытания  ТПГ-18 показали его эффективность не  только  по  достигнутым  значениям тока нагрузки и напряжения, но и в механике: малый

Рис. 18. Характеристика заведения 1, 2 и 3

  в сверхпроводниковую нагрузку и

  напряжение 4 на зажимах ТПГ-18 

момент на валу, пониженный уровень вибраций и потерь. ЭДС 4 мВ. Ток 6 кА (рис. 18) в нагрузке  нарастает  практически по линейному закону. Об этом свидетельствует  и  постоянство  напряжения на зажимах топологического генератора.  При достижении  в  нагрузке критического тока происходит ее переход из сверхпроводящего в нормальное состояние. При этом запасенная электромагнитная энергия выделяется в объеме нагрузки. Ток в цепи нагрузки падает  до нуля и снова  начинает  расти  в ней  по  линейному закону (кривые 2 и 3). Искусственно вызванное возмущение (пик на кривой 1) не  приводит к  срыву  процесса заведения  тока. После реконструкции  коммутатора  с использованием в нем ниобиево-оловянной ленты более высокого качества при испытании короткого образца сверхпроводниковой  плетенки  20х1 мм2  (рис. 17, б) с  помощью  ТПГ-18  получен ток  8,6 кА, что является  рекордным значением, достигнутым с помощью единичного агрегата.

Топологические генераторы ТПГ-20, ТПГ-21: специальное назначение. Цель создания: разработка миниатюрных ТПГ для питания сверхпроводниковых магнитных систем при проведении многосуточных экспериментов в ядерной физике. ТПГ этой серии имеют одинаковые габариты: наружный диаметр 60 мм, длина 80 мм. Отличаются материалами и конструкцией РСК. С помощью ТПГ-20/1 запитан сверхпроводниковый соленоид СС-89 током Iн = 172 А, создающий магнитное поле B0 = 8,2 Тл. В ТПГ-21 (рис. 19) применен ферромагнитный сердечник индуктора со скошенными полюсами-зубцами. РСК представляет собой кольцевую трехслойную катушку из иобиево-оловянной ленты. Витки намотаны под углом, противоположным скосу полюсов-зубцов. Благодаря этому достигнут ток 1,6 кА, напряжение 4,2 мВ, точность установки поля порядка 10-5.

Новые научные результаты: - впервые в отечественной и мировой  практике  создан  типовой  ряд ТПГ

многофункционального использования на  токи до  10 кА;

Рис.  19. Малогабаритный разработана конструкторская  документация  ТПГ с 

ТПГ-21(вверху) и нагрузка  различными массогабаритными показателями и

электромагнитными параметрами; - выполнено макетирование, отработана технология изготовления основных узлов ТПГ и их экспериментальное исследование; - достигнуты рекордные параметры: в  крупногабаритных ТПГ, предназначенных для полного режимного питания сверхпроводниковых нагрузок с запасенной энергией свыше 1 МДж, например, отклоняющих магнитов каналов частиц УНК-3ТэВ, ЭДС - 80 мВ, ток - 6,8 кА; - в малогабаритных ТПГ, предназначенных для питания сверхпроводниковых нагрузок с запасенной  энергией  до  1 МДж,  ЭДС - 4 мВ, ток нагрузки - 8,6 кА; -  ТПГ-2, ТПГ-15, ТПГ-16, ТПГ-17 и ТПГ-18  изготовлены с учетом технической эстетики; - разработан  герметичный высокомоментный привод на базе серийных двигателей.

Глава 11. Создание бесщеточных систем возбуждения сверхпроводниковых электрических машин с топологическим возбудителем. В главе показана техническая возможность создания бесщеточной системы возбуждения сверхпроводниковых синхронных машин на базе вращающихся и статических топологических возбудителей. Работы в этом направлении велись одновременно и в США. На первом этапе созданы вращающаяся ТПГ-5 (ток 1,75 кА), статическая СТПГ-11 (ток 10 кА) и обращенная СТПГ-23 модели сверхпроводникового топологического возбудителя.

На втором этапе изготовлен бесконтактный сверхпроводниковый синхронный генератор вертикального исполнения мощностью 18 кВт с топологическим возбудителем ТПГ-9/2. Испытания узлов ротора бесконтактного синхронного генератора (рис.  20), включая комплексные испытания возбудителя ТПГ-9/2, проводились поэтапно: в технологическом криостате - внутренняя часть ротора (рис. 21) и ротор в сборе - на вакуумном стенде. Стендовые испытания сверхпроводникового синхронного генератора завершились снятием его характеристик  в косвенных режимах с выходом на расчетные параметры.

Рис. 21. Начинка ротора

Рис. 20. Узлы бесконтактного сверхпроводникового

синхронного генератора с топологическим возбудителем ТПГ-9/2

Топологический возбудитель обеспечивает номинальный ток возбуждения 262 А, работает устойчиво и надежно независимо от условий охлаждения. Исследование нагрузочного режима ограничилось работой на активную нагрузку. Как показали исследования, использование топологического возбудителя позвонляет исключить из цепи возбуждения синхронной машины силовой контактный аппарат либо существенно ограничить  функции резистивных токовводов, используя их только для форсировки возбуждения и экстренного вывода электромагнитной энергии из обмотки возбуждения.

Заключение. В диссертации решена проблема ввода (и вывода) тока в сверхпроводниковые устройства на основе комплексного использования сверхпроводниковых источников постоянного тока и токовводов, включая создание общей теории и разработку типового ряда топологических генераторов - с механическим приводом и статических, топологических преобразователей криотронных, топологических электромагнитных муфт и пористых токовводов с высокими номинальными параметрами, их экспериментальные исследования, оптимизацию электромагнитных и теплофизических параметров с использованием современного математического аппарата.

Новые результаты:

Анализ сторонних и авторских данных визуального исследования структуры магнитного поля в сверхпроводниках с широким спектром значений параметра Гинзбурга-Ландау позволил сделать заключение о наличии: (а) смешанного состояния в сверхпроводниках I рода, (б) промежуточного состояния в сверхпроводниках II рода и (в) сосуществования промежуточного и смешанного состояний в сверхпроводниках I и II рода.

На основании п. 1 сделан важный в научном и практическом отношении вывод о том, что промежуточно-смешанное состояние представляет собой новое фазовое полумейсснеровское состояние, которое можно классифицировать как фундаментальное свойство сверхпроводников.

В развитие научных представлений о структуре и динамике полумейсснеровского состояния дано строгое математическое обоснование топологического эффекта в низкотемпературных и высокотемпературных сверхпроводниках.

Введен в научный оборот новый тип фазовых резистивно-сверхпроводящих коммутаторов.

На основе новых физических представлений сформулирован принцип действия сверхпроводникового топологического генератора, предусматривающий использование в резистивно-сверхпроводящем коммутаторе любых сверхпроводников, прежде всего тех, которые обладают высокими критическими параметрами.

Разработана аналитическая теория топологических генераторов и преобразователей криотронных. Полученные на основе метода преобразования магнитных потоков выражения имеют общий характер и пригодны для расчета параметров и характеристик топологических электрических машин различного схемного и конструктивного исполнения. Предложенные приближенные формулы и оценки погрешностей вычисления по ним являются основой для составления методик расчета топологических электрических машин, особенно на этапе их эскизного проектирования. Аналитические соотношения позволяют проще и глубже понять физическую природу исследуемых явлений, анализировать рабочие режимы, оценивать и прогнозировать номинальные параметры.

На основании полученных соотношений, подтвержденных экспериментально, установлена циклическая зависимость тока, напряжения, мощности, потерь и КПД топологической электрической машины и обоснована принципиальная возможность достижения близкого к единице КПД. Разработанные в рамках предложенной теории общие рекомендации о методах повышения КПД могут служить практическим руководством в поисках схемных и конструктивных решений, направленных на улучшение энергетических показателей топологических электрических машин.

Разработана  теория коммутации  в  топологических  генераторах и преобразователях криотронных на основе общности рассмотрения процессов и при учете специфики их работы. Установлено, что в общем случае коммутация имеет смешанный характер. Выполненный сопоставительный анализ режимов коммутации - сопротивлением, напряжением и смешанной позволяет на стадии проектирования и во время эксплуатации выбрать подходящие схемное решение и оперативное управление для обеспечения требуемого режима коммутации. Показано, что потери на коммутацию являются главной составляющей суммарных потерь.

Физическая природа высокотемпературной сверхпроводимости существенно отличается от той, которую имеют низкотемпературные сверхпроводники, поэтому полученный в высокотемпературных сверхпроводниках топологический эффект имеет фундаментальное значение.

Экспериментальное исследование механизма проникновения магнитного поля в резистивно-сверхпроводящие коммутаторы с широкой номенклатурой применяемых в них сверхпроводниковых материалов позволило обосновать принципы конструирования топологических генераторов и создать на базе жестких сверхпроводников II рода машины с высокими номинальными параметрами.

В топологических генераторах установлено наличие добавочных моментов различной физической природы, не имеющих аналога в электрических машинах обычного исполнения, действующих на холостом ходу и в режиме нагрузки, которые могут превышать основной электромагнитный момент и приводить к поломке механической передачи. 

Созданы топологические генераторы многофункционального использования с номинальным током до 10 кА и удельной токовой нагрузкой более 1 кА/кг на основе низкотемпературных жестких сверхпроводников II рода, а также высокотемпературных сверхпроводников. Большое разнообразие исследованных и успешно функционирующих топологических электрических машин доказывает состоятельность научных выводов и оценок перспективности использования новых источников питания.

Разработаны физические основы передачи механического  момента за счет захвата магнитного потока, пиннинга и вязкостного движения квантованных нитей магнитного потока. Предложен новый способ передачи момента к механизмам, вращающимся в криогенной среде, посредством сверхпроводниковой топологической электромагнитной муфты, в которой обмотка возбуждения и активные элементы ведущего и ведомого валов выполнены из сверхпроводников.

На  базе  вариационного  метода  неопределенных  множителей  Лагранжа  создана новая аналитическая теория энергетически оптимальных и безопасных в эксплуатации пористых токовводов. Показано, что токовводы, спроектированные по критерию минимума энергозатрат на охлаждение, оптимальны и по минимуму теплопритока на холодном конце, а также могут работать без охлаждения в течение времени, необходимого для вывода запасенной электромагнитной энергии из криостата и  восстановления охлаждения. На основе разработанной аналитической теории спроектирован типовой ряд пористых токовводов со сменными шунтированными  сверхпроводником медным удлинителями на токи 110 кА для многофункционального использования в технологических, экспериментальных и штатных целях.

Данный метод также применим для расчета тепловых мостов в криогенную зону - механической передачи и узла подвески.

С использованием расчетно-теоретических и экспериментальных данных разработаны и испытаны основные типы сверхпроводниковых топологических возбудителей и бесконтактный сверхпроводниковый синхронный генератор. Опытно-конструкторские работы по созданию бесщеточной системы возбуждения сверхпроводниковых синхронных машин доказали техническую возможность использования в этих системах топологических возбудителей - вращающихся и статических.

Изложенные в диссертации новые научные результаты имеют фундаментальное значение и в совокупности решают крупную научную проблему народно-хозяйственного значения.

Публикации. Основной материал диссертации опубликован в 78 работах, среди которых 2 монографии, 37 статей, 11 тезисов докладов, 26 авторских свидетельств и 2 зарубежных патента.

Монографии

1. Глебов И.А., Шахтарин В.Н., Антонов Ю.Ф. Проблема ввода тока в сверхпроводниковые устройства. Л.: Наука. Ч 1985. Ч 208 с.

2. Антонов Ю.Ф., Данилевич Я.Б. Сверхпроводниковые топологические электрические машины. М.: Физматлит.  Ч 2009. Ч 368 с.

Журналы, входящие в перечень ВАК

3.        Антонов Ю.Ф. Решение задач синтеза в магнитостатике методом регуляризации//  Электричество. Ч 2009. Ч № 1. Ч С. 40Ч45.

4. Антонов Ю.Ф. О сосуществовании промежуточного и смешанного состояний в сверхпроводниках//  Исследовано в России. Электронный научный журнал. 707 Ч 2009. 

5.  Антонов Ю.Ф. Топологический генератор с фазовым коммутатором из 2G ВТСП// Труды МАИ. Электронный научный журнал. Выпуск № 35   Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям