автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Гистерезисные электродвигатели на основе объемных высокотемпературных сверхпроводников

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи УДК 621.313.17

МОДЕСТОВ КИРИЛЛ АНДРЕЕВИЧ

«ГИСТЕРЕЗИСНЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ НА ОСНОВЕ ОБЪЕМНЫХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ»

!

Специальность 05.09.01 -«Электромеханика и электрические аппараты»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2005

Диссертация выполнена на кафедре «Электроэнергетические и электромеханические системы» Московского Авиационного Института (государственного технического университета).

Научный руководитель: д.т.н., профессор Ковалев Л.К. Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Беспалов В.Я.

к т.н, главный конструктор ОАО "Аэроэлектромаш" Са-венко В.А.

Ведущая организация

НИИЭМ, г. Истра Московской области

Защита диссертации состоится «/7 » 2005г. ъ/3 часов на засе-

дании диссертационного совета ,0212.125.07 в Московском авиационном институте (Государственном техническом университете) по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4, ученый совет МАИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Авиационного института (Государственного технического университета).

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью учреждения, просим направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан /4 2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ДОП. 125.07 к.т.н., доцент

А.Б. Кондратьев

гъ & т?

3

Общая характеристика диссертационной работы Актуальность темы.

В современной электромеханике большое внимание уделяется "применению в электромеханических преобразователях высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Надо отметить, что получаемые с помощью ВТСП сильные магнитные поля и высокие значения токовой нагрузки позволяют улучшить ряд показателей электромеханических устройств, таких как удельная мощность, коэффициент мощности, КПД, при относительной простоте и дешевизне криогенного оборудования. В МАИ в последние 10-15 лет ведутся работы по применению объемных ВТСП элементов (цилиндров, дисков колец, сегментов колец, пластин) в криогенных электродвигателях с охлаждением жидким азотом

Одно из основных направлений этих исследований связано с использованием объемных ВТСП в гистерезисных электродвигателях (ВТСП ГД). Интерес к разработкам таких двигателей связан с тем, что материал ротора, выполненный из объемных керамических сверхпроводниковых материалов (керамики на основе иттрия. УВСО), изготовленных по уникальным технологиям, обладает существенно лучшими характеристиками, чем традиционные магнитные материалы из обычных магнитотвердых гистерезисных материалов (викалой, альнн, альнико и др ) При этом надо отметить, что уровень рабочих криогенных температур обеспечивается дешевым криоагентом — жидким азотом, что существенно упрощает системы криостатирования ВТСП двигателей.

Разработка ВТСП ГД требует исследования сложных взаимосвязанных электродинамических процессов в активной зоне ВТСП ГД которые в настоящее время в литературе рассмотрены недостаточно полно.

В этой связи данная работа, посвященная исследованию электромагнитных и гистерезисных процессов в активной зоне ВТСП ГД, является актуальной и представляет несомненный практический интерес, что подтверждается вниманием к данным исследованиям со стороны ведущих отечественных и зарубежных научных центров Разработанные в работе теоретические подходы и методы расчета ВТСП ГД используются на этапах проектирования ВТСП ГД для отработки технологии изготовления объемных ВТСП элементов.

В плане применения ВТСП ГД можно указать на их возможное использование в качестве приводов криогенных насосов, например, в новых типах самолетов "Крио-план" АО Туполев, а также в системах водородной энергетики для перекачки экологически чистого топлива — жидкого водорода. Программа по созданию таких самолетов была начата в АО "Туполев" в конце прошлого столетия и, несмотря на экономические трудности, продолжается в настоящее время. На каф. 310 МАИ были изготовлены лабораторные модели ВТСП ГД для учебных институтов зарубежных стран (ГРНТ, г. Йена, Германия и университет в г Лиссабон, Португалия и др )

Цель и задачи работы

Целью диссертационной работы является разработка новых типов гистерезисных ВТСП двигателей с объемными ВТСП элементами в роторе Для достижения этой цели в данной работе были поставлены и решены следующие задачи-

РОС .<>,*Г

Ь-' С .. РК

- выбор рациональных конструктивных схем ВТСП ГД;

- разработка аналитических методов расчета двумерных магнитных полей и индуктивных параметров ВТСП ГД цилиндрического и торцевого исполнения;

- создание опытных моделей ВТСП ГД и экспериментальное исследование их характеристик;

- создание специализированных стендов для комплексного исследования новых типов ВТСП электродвигателей;

- разработка рекомендаций по применению новых типов гистерезисных ВТСП двигателей.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач использовались методы математической физики, теория электромагнитного преобразования энергии, теория электрических машин. В основу метода расчета магнитных полей положены аналитические решения дифференциальных уравнений электродинамики при заданных граничных условиях на границах сопряжения сред. Учет свойств ВТСП элементов проводится на основе обобщенной модели Бина и Кима-Андерсона и др. для критических токов Учет магнитной цепи ВТСП ГД производился на основе теории магнитных цепей. Для решения систем уравнений использовалась вычислительная техника и программный продукт ТигЬоРаБса! 7.0 Для проверки адекватности выбранных математических моделей и методик расчета были проведены экспериментальные исследования серии ВТСП ГД различного конструктивного исполнения

Научная новизна.

Научная новизна полученных результатов сводится к следующему

- предложены новые схемы гистерезисных ВТСП двигателей, обладающие улучшенными удельными массогабаритными показателями по сравнению с ГД традиционного исполнения;

- получены аналитические решения задач, описывающие двумерные распределения электромагнитных полей в активной зоне ВТСП ГД с учетом магнитных характеристик структуры ВТСП материалов;

- разработаны теоретические методы расчета параметров и характеристик ВТСП ГД различного конструктивного исполнения;

- созданы модели ВТСП ГД различного конструктивного исполнения;

- получены экспериментальные данные, подтверждающие обоснованность выбранных теоретических моделей.

Практическая ценность работы

- разработаны конструкции гистерезисных ВТСП двигателей с цилиндрическим и дисковым ротором, позволяющие снизить в 1.2 ... 1.5 раза потери по сравнению с традиционными (несверхлроводниковыми) ГД,

- созданы математические модели, алгоритмы и программы расчета параметров и характеристик ВТСП ГД с цилиндрическим и торцевым ротором;

- изготовлены опытные образцы ВТСП ГД мощностью от 50 Вт до 4 кВт с высоким значением удельной мощности.

Перечисленные результаты были получены либо лично автором, либо при его активном участии.

Реализация результатов

Разработанные алгоритмы и программы расчета ВТСП ГД переданы научно-исследовательским институтам (НИИЭМ, АКБ "Якорь" и др.) для использования в проектных расчетах. Материалы диссертационной работы используются в МАИ на кафедре 310 в курсе "Сверхпроводниковые и криогенные устройства" и используются при курсовом проектировании. Результаты работы использовались в при проектировании и изготовлении различных ВТСП ГД в лаборатории кафедры 310 МАИ. Внедрение подтверждается актами о практическом использовании результатов работы

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технической конференции «Школа по сверхпроводимости» (Протвино, 21.05 -26 05.2000), на 7 Advanced Studies on Superconducting Engineering, 2-7 сентября 2001 г, (г. Балатон-Алмади, Венгрия), на конференциях молодых ученых в МАИ Результаты диссертационной работы рассматривалась на кафедре "Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы" в рамках объединенных российско-германских научных семинаров по проблемам ВТСП двигателей в 1999 г. и в 2001 г. '

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка используемых источников и четырех приложений. Основная часть диссертации содержит 82 страницы машинописного текста, 7 таблиц и 49 рисунков на 52 листах, 4 приложений на 38 страницах. Список использованных источников содержит 6 страниц машинописного текста и включает 72 наименования. Общий объем работы составляет 176 страниц.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность разработки и определена решаемая научно-техническая проблема. Сформулированы цель и задачи диссертационной работы, ее актуальность, новизна и практическая направленность.

В первой главе на основе обзора литературных источников дан анализ различных электромеханических преобразователей с применением ВТСП материалов. Показано, что из всего многообразия направлений по сильноточному применению сверхпроводимости значительный интерес представляет исследования ВТСП устройств на основе объемных материалов, таких как ВТСП ГД с объемными YBCO элементами, а также с композитными пластинами на основе висмутовых керамик. Отмечается, что различные конструкции таких ВТСП ГД выходной мощностью 100- 1000 Вт разра-

ботаны в МАИ и успешно испытаны Показано, что уже сейчас ВТСП ГД с объемными ВТСП материалами работающие при температуре жидкого азота, имеют удельную выходную мощность и энергетические параметры в 3 - 4 раза выше по сравнению с электрическими двигателями традиционной конструкции Последнее обстоятельство важно для будущего практического применения этой группы ВТСП двигателей

Рассмотрены конструктивные схемы, предложенные в качестве возможной реализации модели ВТСП ГД Проведен анализ текущего состояния разработок ВТСП блоков, необходимых для создания ВТСП ГД Дан обзор феноменологических подходов к расчету электромагнитных и гистерезисных процессов в монодоменных и поликристаллических объемных ВТСП элементах Отмечается, что выбор моделей для расчета полей в активной зоне машины определяется параметром £, = ./,Д/(Лл), где ./, и Л — соответственно плотности транспортного и внутригранульного критических токов, а Д и а — характерные размеры всего ВТСП образца и ВТСП гранулы

Современные ВТСП материалы могут иметь как монодоменную (!; > 1). так и поликристаллическую структуру < 1) Это различие продиктовало необходимость создания двух независимых моделей расчета ВТСП ГД Исследованию модели ВТСП ГД с монодоменной керамикой посвящена вторая глава, с поликристаллической -третья глава В четвертой главе изложено исследование модели ВТСП ГД торцевого исполнения. В пятой главе дано описание экспериментальных исследований ВТСП ГД и созданного криогенного стенда для испытания таких двигателей

Во второй главе рассмотрен новый класс ВТСП ГД с монодоменнными ВТСП элементами на роторе Предложена двумерная математическая модель электромагнитных и гистерезисных процессов в ВТСП ГД с цилиндрическим монодоменным ротором Принималось, что процессы, происходящие в длинном ВТСП ГД (А. > 3 - 4. X = 1Ю, I - длина активной зоны двигателя, I) - диаметр расточки статора) носят двумерный характер Вращающееся круговое магнитное поле, создаваемое обмоткой статора, наводит в объеме ротора распределенные токи. В соответствии с моделью Бина эти токи формируются в зоне проникновения магнитного поля Принималось, что значения плотности этих токов равны критическому значению J = ./»,,(7 »,„ Н,р) В главе содержится описание аналитических решений двумерных задач, описывающих распределения магнитных полей в активной зоне ВТСП ГД На основе полученного распределения магнитного поля определены основные индуктивные и энергетические параметры двигателя

Схема двухполюсного двигателя, представленная на рис 1, содержит следующие основные элементы, трехфазный статор с шихтованным пакетом, элемент ротора из ВТСП, шихтованный сердечник ротора

3 Сердечник ротора

Токовый слой

Рис 1

При расчете магнитного поля в активной зоне ГД обмотка статора замещалась эквивалентным токовым слоем, размещенным на поверхности расточки Д, При этом распределение тока по окружности радиуса /?г считается синусоидальным

При расчете магнитного поля в активной зоне ВТСП ГД можно выделить следующие области, отличающиеся друг от друга электрическими и магнитными свойствами: Л, £ г ^ Л1С - область воздушного зазора с = 10"7 Гн/м, К1С>г>К0 - токовая зона ВТСП элемента с = Я0>г>Яг - зона ВТСП элемента без токов с ц5 = Но; Л, £ г > 0 - область ферромагнитного сердечника с ^ » 1.

Уравнение Пуассона д ля векторного потенциала А г в воздушном зазоре имеет

вид.

гдг{ дг ) г2

Э<р2

= -ц„/р5 (г-Я,).

Здесь 1р = ./А - поверхностный ток статора, J и А - плотность тока и толщина токового слоя, 6 - дельта-функция, Ля - радиус расточки статора.

Граничные условия можно записать в виде равенства векторного потенциала и

1 ЗА. 1 дА_

его нормальных производных на границах раздела сред А+=А и--- =--

Ц+ дг дг

Общее решение уравнения ищется в виде'

>2'

5 2

а + -

а - -

.Я/1 ф + с

со.\ ф

Уравнение Пуассона для векторного потенциала в области токовой зоны ВТСП -цилиндра записывается как:

Щг™* /-аД дг

¿4 .¿V)

[ -1 при Н0 <г < )

Здесь р(ф0) - неизвестная граница раздела токовых зон с различной ориента-"

цией вектора J,, которая определяется в процессе решения задачи. Решение этого уравнения имеет вид:

А/ = А/о + Ам

Здесь Ajo - общее решение однородного уравнения Лапласа' Аю + - jcasqi.

Частное решение Ам определяется из соотношения:

Я«

AjM -

Í-5ш(ф + ф„)эф+ f -5/и(ф + ф„))ф J г г Jp

Неизвестная граница раздела токовых зон р(фо) находится в первом приближении из следующих соображений Можно показать, что при малых глубинах проник-

А Н — Н

новения магнитного поля в ВТСП цилиндр Д (— = —-- « 1) распределение азимутальной компоненты магнитного поля на границе цилиндра близко к синусоидальному. Это позволяет свести задачу определения границы раздела токовых зон к задаче на плоскости, описываемой системой соответствующих одномерных уравнений и записать зависимость р(ф0) в следующем виде.

р(ф'о) = 0 + + У Я ™е / =

Л

Здесь I - относительная глубина проникновения, определяемая из максимального значения Нчтах на границе цилиндра; у - угол смещения оси координат ротора относительно оси координат статора, связанный с поперечной реакцией якоря

Уравнение Лапласа для векторного потенциала Аи в ВТСП-цилиндре вне зоны проникновения имеет вид

д(дАк

гдг\' дг )+ г2

д А,

= 0.

Зф2

Общее решение которого записывается как: Ак = ^С, г+С2 - j sin ф++ С4 - j cos ф.

Уравнение Лапласа для векторного потенциала Аг в области ферромагнитного сердечника имеет такой же вид, а его решение записывается в виде'

АТ -d^rsmф + d2rcosф

Компоненты индукции магнитного поля в цилиндрической системе координат определяются в каждой области из соотношения В =-rot Aiz Неизвестные коэффици-

енты вычислялись из системы алгебраических уравнений, составленных из соотношений для граничных условий.

Полученные решения полевой задачи используются для отыскания магнитной энергии и электромагнитного момента, что позволяет рассчитывать основные параметры ВТСП ГД' механическую мощность и индуктивное сопротивление в линейной зоне:

W = IJ J ■ Idv = i/Л/ЛЛбЦя/ф = ~ ,

2*

М = R, J J ■ Bdv = I,R2,J„ <ftp = JV, -

V о ' u

При построении приведенных выше аналитических решений принимается, что магнитная проницаемость статора велика Для учета магнитного сопротивления статора в условиях его насыщения используется схема замещения магнитной цепи машины. В результате решения уравнений для магнитной цепи находится поправка для тока фазы статора Дпозволяющая проводить корректировку основных энергетических параметров машины. С использованием схемы замещения строится упрощенная векторная диаграмма, позволяющая рассчитывать КПД, коэффициент мощности, построить зависимость U(I)

На основе изложенного подхода разработаны алгоритм и программа расчета параметров и выходных характеристик ВТСП ГД с монодоменными блоками на роторе программа реализована на языке PASCAL 7.0. Расчеты, проведенные по программе, показали, что использование ВТСП элементов в качестве активного материала ротора позволяет увеличить выходную мощность ВТСП ГД в 1.5 ... 2 раза. На рис 2 в качестве примера приведены результаты расчета двигателя мощностью 500 Вт. 600

500

400

300

200 100 0

пп ?п 40 60 8п юг Рис. 2.

На графике изображена зависимость выходной мощности N от тока фазы I статора Видно, что характеристики имеют два характерных участка' линейный, соответ-

ствующий режиму полного проникновения магнитного поля в ВТСП цилиндр и кубический, соответствующий режиму неполного проникновения.

В третьей главе рассмотрена конструкция ВТСП ГД с поликристаллическими ВТСП блоками на роторе. Построена двумерная математическая модель электромагнитных процессов в активной зоне двигателя. Расчет, как и в предыдущих главах, сводится к решению эллиптических уравнений в заданных областях. При определении параметров поликристаллических ВТСП элементов ротора за основу была взята феноменологическая "среднесферическая" модель среды, в которой СП-гранулы заменяются сфероидами Взаимное влияние отдельных гранул учитывалось в приближении Лоренца При расчете магнитного поля в активной зоне электродвигателя можно выделить следующие области, отличающиеся друг от друга электрическими и магнитными свойствами.

Рис. 3

Исследуются три области. 0<г<Яг - область ферромагнитного вала с р. = Кг <г <- область ВТСП оболочки с ц = ц,; Ях <г - область воздушного зазора с ц = ро = 4л-10"7 В области ферромагнитного сердечника решение уравнения Лапласа с магнитной проницаемостью цРс проводится в декартовой системе координат'

аЧ», , з2Аго, _0

дх1 ду2

где Л го, - векторного потенциал ферромагнитного материала ротора

Положение системы координат ротора у к} относительно системы координат статора у,} определяется углом у - а + <р - ^ Здесь а, <р- углы, отсчитываемые от оси хн ротора и х, статора соответственно (см. рис. 3) Решение этого уравнения запишется в виде: х + 02 у,

где О; и Дг - константы интегрирования.

В области керамического ВТСП цилиндра магнитные процессы в ВТСП оболочке из поликристаллических УВСО керамик определяются при следующих основных допущениях:

личине и направлению (М0 = const, у = const) Величина М, обусловленная значением внутригранульных СП токов и относительной глубиной проникновения поля б , находится из модели гистерезисных явлений в поликристаллических ВТСП средах в сред-несферическом приближении Можно показать, что такие допущения точно выполняются для сплошного ВТСП цилиндра в активной зоне машины

-Значение угла поворота вектора М относительно магнитных полюсов статора определяется из условия равенства магнитной индукции, определяемой из модели поликристаллической среды, В = 5(5) (здесь 5 - относительная глубина проникновения поля в гранулу) и соотношений для В, определяемых из решения внешней электродинамической задачи

-Значение глубины проникновения б в поликристаллических ВТСП средах находится из условия равенства механических моментов, определяемых из модели ВТСП среды в среднесферическом приближении и из решения внешней электродинамической задачи.

С учетом этих допущений решение уравнения Пуассона ДАоЬЫ = -iotM сводится к решению уравнения Лапласа для векторного потенциала А (О,О, A J (поскольку, в этом случае, rolM = 0). Общее решение для А-_ в области ВТСП оболочки запишется в виде:

Так как вектор намагничивания М в координатах ротора сонаправлен с осью Уг М=[0, М},], то намагниченность ВТСП оболочки учитывалась в граничных условиях задачи вида

где А0ьо! - векторный потенциал в зоне ВТСП оболочки

В области воздушного зазора решение уравнения Пуассона имеет тот же вид, что и во второй главе.

После определения констант из граничных условий задачи, при заданных значениях М, можно определить распределение магнитных полей в активной зоне машины Так, например, распределение магнитной индукции в зоне ВТСП оболочки в системе координат ротора запишется как:

- Магнитный момент My)=M{M0cos(y),Mosin{y)} считается постоянным по ве-

\

/

Из решения электродинамических задач при заданных значениях можно определить мощность и механический момент по соотношениям, приведенным в главе 2

Как отмечалось выше, определение величины М в полученных решениях проводилось в поликристаллической ВТСП оболочке в рамках модели среды в средне-сферическом приближении В модели степень промагничивания гранул определялась по параметру ре = В/Вр где Ве - величина магнитного поля в ВТСП оболочке, Вр = (2/3)-цоJsRgr - магнитная индукция, при которой происходит полное проникновение поля в СП гранулу радиусом Rgr и критическим током Js = const В зависимости от величины Рс можно рассчитать основные характеристики керамической ВТСП оболочки Соотношения для определения магнитного момента М, удельного механического момента тмсх и относительной величины удельных гистерезисных потерь q в поликристаллических ВТСП средах в "среднесферическом" приближении имеют вид

Ш = \ 5-Вр ре при р, < 1 иМ = 1.5 BpFl(l) при$с >1

W)=l-4.5.cx|3e+0 8 pi-f-apj; a = ^

I о j2

q Bp

К ,Ka

"" 2 я 2 ц0

Где Кь - коэффициент заполнения объема керамической оболочки ВТСП гранулами, - коэффициент, учитывающий ориентацию гранул, ц -относительные удельные гистерезисные потери

Относительные удельные гистерезисные потери в ВТСП оболочке определяются как:

4 = при$е<\

<7 = 18 a

4 8 -10.5 • a

при Ре > Г

где F2=18 a-4.8-Pe+4 5 aP;

12а

Выражение для мощности гистерезисного двигателя запишется в виде:

В1

= « V, тж=ы V, ~

2-71 2-|10

Усредненная индукция магнитного поля в керамической оболочке также определяется величиной ре'

2

н!р=нр-кр нр = з'-7.'^

64 256.

где Нр - напряженность магнитного поля проникновения.

Сопоставив выражение, "определяющие мощность двигателя при двух различных подходах, можно получить следующие необходимые условия для определения у и М, замыкающие задачу.

siny =---г-,

тф1ГаМ(т + \УтКа

sin у =

R:

т

4pJ «Pi

p,=Rs/Rr,plc=Rlc/Rr

Развитый подход позволяет проводить расчет параметров ВТСП ГД по известным значениям параметров поликристаллической ВТСП оболочки (размер СП гранулы, ориентация кристаллической плоскости а-Ь, значения критического тока в СП грануле)

Подход к определению основных параметров ВТСП ГД с поликристаллическим ротором и к учету влияния насыщения статора на выходные характеристики является таким же, как и во второй главе.

На основе полученных решений был разработан алгоритм расчета параметров и характеристик ВТСП ГД с объемными элементами из поликристаллической керамики На рис. 4 в качестве примера приведены результаты расчета мощности N. коэффициента мощности со.?(ф) и тока фазы I ВТСП ГД с размерами 0 х Ь = 40 х 70 с поликристаллической оболочкой от величины токовой нагрузки СП гранулы Рис 4 а соответствует случаю ориентированных гранул, рис 4 б — разориентированных Расчеты показали, что зависимость выходной мощности от величины токовой нагрузки в ВТСП грануле имеет ярко выраженный максимум, который соответствует полному проникновению магнитного поля в керамику В работе показано, что ВТСП ГД механическая мощность определяется как: N = <о(1 - Ук и качественно повторяет зави-

2%

симость q-q(J) .Анализ результатов расчета показывает, что при больших значениях Ja величина относительных удельных гистерезисных потерь ц определяется как'

<7 = 4 — (напряженность магнитного поля, определяющаяся фазными токами стато-

ра, мало меняется, и ее можно считать константой ) При малых значениях Ja , что соответствует полному проникновению магнитного поля, магнитное поле охватывает весь объем ВТСП керамики, и зависимость приобретает вид' q = const Н p.0Ja Отклонение от линейного закона обусловлено тем, что с уменьшением плотности критического тока в СП грануле существенно снижается величина фазного тока статора, что приводит к уменьшению Н

3 \iuJa

рЫЛ МГВтЪ Г4

Р *о—«

I г*; ч ¿-1 * N Ч>

1» - N + I. «Я

V

т

1

0- |Л/мм]

ЭМО «ООО

(а)

(б)

Рис 4.

Из сопоставления результатов расчета на рис 4 а и 4 б следует, что разориен-тация плоскости а-Ь СП гранул приводит к заметному снижению мощности ВТСП ГД, что необходимо учитывать при технологических процессах изготовления ВТСП элементов

В четвертой главе рассмотрен ВТСП ГД многодискового исполнения Общий вид такого двигателя показан на рис 8 Дисковые роторы расположены между статорами, имеющими обмотку кольцевого типа В работе предложена математическая модель объемных электромагнитных процессов в поперечном сечении двигателя (рис. 5).

У

В общем случае распределение индукции магнитного поля В в активной зоне машины можно найти из решения системы уравнений Максвелла, которую в рассматриваемом случае можно записать как:

го! В-

ц„/с5ш[(<оГ-р(ф-срс))]б(2-|б|); - в статоре; О -в зазоре;

И<Лх[г,(г,ср-ф,,г)] -в роторе.

¿IV В = 0;

где /с - ток статора, - плотность тока ВТСП, г, - граница раздела токовых зон в ВТСП элементе, подлежащая определению в процессе решения задачи; хМ^.Ф.2)] ~~ ступенчатая функция (х = 1 при положительных направлениях токов в ВТСП элементе; х = -1 при отрицательных токах); г, ср, г - текущие координаты, 5* - дельта функция, со - круговая частота; р - число пар полюсов; срс - начальная фаза бегущего магнитного поля статора; ф, - начальная фаза бегущего поля, обусловленного критическими токами ВТСП ротора.

Путем введения векторного потенциала (В = го1А) систему можно преобразовать к виду:

54

дг2

1 д2Лг д2Аг

дг г2 Э2ф дг1 г2

ц0/сл«[й>Г-ф]б(г-|5|),-0;

МдМГ.Ф.*)}

Решение уравнения проводилось при следующих граничных условиях: непрерывности нормальной составляющей индукции магнитного поля на границах зон В„+ - В„. = 0 и разрыву тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля НТ - Нт = I (\г\ = Д; |г| = 5 и \z\~d) при наличии токовых слоев на поверхности статора и ротора. Здесь 2Д - толщина ВТСП диска, 23 - расстояние между статорами, 2с1 - расстояние между осями двух соседних статоров. При решении электродинамической задачи ток статора 1С считается заданным, а значение эквивалентного тока в

д

ВТСП роторе 1, находится из выражения /, = ^ после определения глу-

гг

бины полного проникновения поля гр, границы раздела токовых зон г, в ВТСП роторе

Можно показать, что при Ыг « 1 (где 2Д - толщина ВТСП диска, г - текущий радиус диска) процессы в дисковом ВТСП роторе эквивалентны процессам в тонкой ВТСП пластине в бегущем магнитном поле. Это позволяет свести исходную задачу к двум взаимосвязанным задачам - внутренней и внешней. Внутренняя задача сводится к определению процессов внутри дискового ВТСП ротора при заданном внешнем магнитном поле В0 (г, Ш-ру) на торцевых границах ротора. Из решения внешней задачи находится распределение магнитного поля в рабочем зазоре и торцевом статоре машины, а также функции магнитного потока Аг при заданной плотности токовых слоев в ВТСП диске 1,(г,у,г) (см. рис. 5) Функции 5„(г,<р,2), /,(г,<р,г), Д, и гистере-

зисный угол у находятся методом сшивки полученных решений для внутренней и внешней задач. Такая постановка позволяет построить объемные распределения магнитных полей в активной зоне машины.

Решение внутренней задачи Процессы в ВТСП диске можно описать одномерной системой уравнений Максвелла:

• дЕ / dz = -дВ / dt; J = J0(B/B,f.

Здесь Jo, Ва- параметры аппроксимации зависимости критических токов J от В, ось z в выражении совпадает с направлением нормали к поверхности диска. Координаты г и ф входят в систему уравнений как параметры задачи

При принятой аппроксимации зависимости критических токов J = Ja(B/B*)a выполнение интегрального закона непрерывности полного тока в ВТСП диске обеспечивается выбором формы границ токовых зон zp(r) и zs(r).

Для решения системы принимаются следующие граничные условия задачи.

В = В0(г,а>1 - /чр) (при | z | = Д); В^ = В^ Ег = О (при | z | = z,); Bv = 0 (при 0 < I z | < гД где В„ - локальное значение азимутального магнитного поля на поверхности ВТСП диска; В+ и В. - значения индукции по разным сторонам границы zs.

При заданной величине Ва решение системы для В при Р < 1 имеет вид в, = (йГ>/- ф)- + 1)Л'/(а+1)) + z, <\z\< А

Из интегрального условия неразрьганости токов в ВТСП диске

А

| J„х(г, rp )rdz = consl(а/ - pq>) можно найти при Р, < 1 следующее выражение для от-

■р

носительного значения границы раздела токовых зон z, и глубины проникновения поля zp в ВТСП диск.

и =г1/Д = 5(ф)=^р.а+,(1-с0>+,>((В/-Рф))^ <а*1>■ 'zp=zp/k=x-^/'г,

где р. = — <1 - параметр проникновения при г = г0. Где г0 - внутренний радиус вр

ВТСП оболочки.

Соотношения для zs и zp позволяют построить поверхность раздела токовых слоев от г, ф. Из этих же соотношений можно получить явный вид выражения для эквивалентного токового слоя Js и значения осевой координаты токового слоя Д, в ВТСП элементе. Для частного случая Js = const и p. < 1, реализуемого для ряда ВТСП керамик, выражение для ls и Д, имеет вид.

1, = J, Др. лл[а>Г - рч?]/г Д, = Д^^А j

На рис 6 е качестве примера показано распределение токовых слоев и магнитного поля в азимутальном сечении дискового ВТСП элемента для первой гармоники бегущего магнитного поля при Js = const.

Активная зона Реликтовая зона

Видно, что границы раздела описываются кусочно-непрерывной функцией Анализ показывает, что зона с одним направлением тока может быть условно разделена на две подобласти- реликтовую зону, где отсутствует движение магнитного потока (В, = 0иЕ = 0)и активную зону, где наблюдается движение магнитного потока (Вг * 0 и Е * 0) и формируются объемные силы = (У х 5)ф, обеспечивающие механический момент на валу двигателя.

Решение внешней задачи. Распределение поля в рабочем зазоре и магнито-проводе статора строится в предположении (¡'г « 1 (26 - расстояние между осями симметрии статора, г - текущий радиус ротора) В этом случае, с точностью до членов о(с!/г) уравнение сводится к виду:

д2Аг/дг.2 = 0

В силу симметрии задачи решение ищется в области 0 <г<с1, соответствующей верхней части статора (рис. 5). При этом при р. < 1 используются граничные условия, которые в терминах Аг записываются как:

Аг = 0 при г = 0 и 1 = ¡1.

Здесь I = !„с — .™(а>/-ф); I, =/0, — яи(ш/-ср-у) - значения токов на границах г г

воздушного зазора. В диссертации было показано, что в бегущем магнитном поле, вследствие сложной структуры границ раздела токовых зон, внутри этих зон происходит разворот вектора Аг на гистерезисный угол у (у « 1). В этой связи, при постановке условия на Аг в ВТСП вне зоны проникновения (г < Д - Д,) принимается

/, =/0, — 5/и(ш/-ф); индекс «+» соответствует погао в осевом воздушном зазоре маг

шины, а «-»- в зоне ферромагнитного сердечника и в зоне ВТСП диска

С учетом граничных условий задачи можно определить неизвестные константы А. С„ Р,( 1 = 1, 2) и записать решения для Аг в следующем виде:

Где 4с, ¡и - константы, определяющиеся как-

Полученные решения позволяют построить распределения магнитных и токовых полей в активной зоне многодискового ВТСП двигателя На рис 7 а) дано азимутальное распределение магнитного поля при Р = 1 Верхняя эпюра магнитных и токовых полей в ВТСП роторе соответствует случаю Jc = const, нижняя -Jc = J0(B/B*)4

Активная эона

Релистовая зона

J=const

4-Г

Zp

-rtrfrftl

Т

' _

p =1

B*0

li^B^O

-Ttw,

0 J-J(H)

bf.

Zp

Ш

3./2

2»

P >1

B*0

,B=0

a)

6)

Рис. 7. Эпюры магнитного поля

Видно, что учет зависимости J = J(H) приводит к существенной деформации границ токовых зон, что необходимо учитывать в расчетах ВТСП ГД. На рис. 7 б) приведено радиальное распределение магнитного поля при р = 1 и Р > 1. Видно, что граница, занимаемая токами в дисковом ВТСП роторе, нелинейна и меняется при J = const по закону (z^ ~ Иг).

Угол сдвига у между фазовыми углами ротора ф, и статора фс можно определить из следующих соотношений.

|М,х Лф|« — M,BV sin у = ; где у = arcsm

2к

v-oQ,

2

Здесь (), и тм - удельные гистерезисные потери и механический момент в дисковом ВТСП роторе; М, - намагниченность ВТСП ротора; В = ц(Я + М1),ВЧ - амплитудное значение индукции на среднем радиусе машины.

В работе также приведено решение задачи для второго приближения, в рамках которого можно учесть краевые эффекты на цилиндрических поверхностях ВТСП ГД

В

пятой главе представлены результаты экспериментальных исследовании

ВТСП ГД различных диапазонов мощностей и различного конструктивного исполнения Основными задачами этих исследований являлись, определение требований к параметрам ВТСП керамики, проверка работоспособности, определение характеристик двигателей, соответствие экспериментальных характеристик теоретическим, определение области возможного применения ВТСП ГД В ходе выполнения экспериментальной части работы была изготовлена серия ВТСП ГД для ряда исследований, описанных ниже Фотографии этих двигателей приведены на рис 8

ВТСП двигатель ЮОВг и обычные гистерезисные двигатели 50 и 12 Вт

Двигатель мощностью 1 кВт (50 Гц)

Сборочные единицы двигателя мощностью 1 кВт

Двигатель 0.5 кВт (50 Гц)

Двигатель 4 кВт (400 Гц)

Многодесковый двигзтел> 1 кВт (50 Гц)

Рис. 8 Опытная серия ВТСП ГД

На первом этапе экспериментальных исследований использовались объемные ВТСП элементы из текстурированной керамики YBCO с неориентированными гранулами с размерами от 0,1 до 5 — 10 мм и критическими плотностями тока в гранулах 20 — 40 А/мм2 На заключительных этапах экспериментальных исследований использовались цилиндрические монодоменные ВТСП блоки с радиальной ориентацией оси "с" кристаллитов относительно оси ротора Характеристики экспериментальных гис-терезисных ВТСП двигателей мощностью до 200 Вт приведены в таблице

Было установлено, что измерения гистерезисных потерь на основе известных физических методов по петле гистерезиса и измерения гистерезисных потерь в двигателе по величине механического момента хорошо соответствуют друг другу Это позволило рекомендовать методы измерения сил левитации и измерения петель гистере-

зиса в качестве основных для контроля качества объемных ВТСП блоков для разрабатываемых гистерезисных двигателей.

__Таблица

Параметры ЦГД-1-5 ЦГД-1-10 ЦГД-1-20 ЦГД-1-80 ЦГД-1-100 ЦГД-1-200 ДГД-1-20

Тип ротора двигателя Цилиндрический Цилиндрический Цилиндрический Цилиндрический Цилиндрический Цилиндрический Дисковый

Диаметр расточки, мм 25 25 25 25 25 25 70

Длина ротора, мм 40 40 40 40 40 40 03

Число фаз 3 3 3 3 3 3 2

Максимальный ток, А 0 1 0.6 1 6 1.8 1.3 2.1 1.5

Максимальное напряжение, В 55 220 220 120 250 250 60

Частота тока, Гц 50... 100 50 50 50 400 50 50

Максимальная мощность, Вт 5 10 60 80 100 200 20

На рис 9 приведены результаты сопоставления экспериментальных и теоретических характеристик Видно, что при расчете характеристик достигается точность ~ 10% (точки экспериментальные данные, кривые - расчетные).

ВТСП двигатель мощностью 50 Вт

ВТСП двигатель мощностью 100 Вт

tat

RT

т ■ г, w

№Unn /^

р. А

у

Hi 1Л

• и •» 1.И I» 1.00 г» "» >•» 1ч 10 400

а) б)

Рис. 9. Сравнение экспериментальных и теоретических зависимостей

Накопленный опыт проектирования и изготовления ВТСП двигателей малой мощности позволил перейти к следующему этапу экспериментальных исследований ВТСП двигателей большей мощности (500 — 1000 Вт). Проведенные испытания этих двигателей показали, что достигнутый уровень мощности ВТСП ГД позволяет перейти к поиску возможностей их практического применения. В диссертации приведены экспериментальные характеристики двигателей ВТСП - 500 и ВТСП - 1000, макси-

мальная мощность которых достигала 500 и 1000 Вт соответственно На базе двигателя ВТСП - 500 был сконструирован высокоскоростной двигатель мощностью 4 кВт Статические и динамические испытания показали работоспособность машины. Были исследованы также двигатели торцевого исполнения, представляющих собой интерес для ряда специальных применений Двигатель ВТСП - 500 был испытан при более низкой температуре (Т = 65 К) в среде жидкого азота при пониженном давлении. Мощность двигателя возросла примерно на 20 - 25%

В диссертации описан специальный криогенный стенд, созданный в лаборатории кафедры 310 МАИ, позволяющий проводить испытания ВТСП ГД на основе персонального компьютера и системы сбора данных от измерительных элементов Схема рабочего участка для исследования электромеханических устройств представлена на рисунке 10 Схема включает в себя установку, состоящую из испытуемого двигателя и нагрузочной машины, измерительные каналы, блока усилителей сигнала, ЭВМ с платой сбора данных, вакуумного ресивера, заправочных емкостей с жидким азотом, пульт управления питания двигателя Стенд позволяет проводить испытания криогенных двигателей в среде жидкого азота Система измерений изображает на экране ПК в реальном времени измеряемые параметры, регистрирует, обрабатывает, хранит полученную информацию и осуществляет ее импорт в файл данных

Насос ■]—1

Вакуумный

ресивер

Рис. 10. Стендовое оборудование

В ходе выполненной экспериментальной программы было выявлено, что'

механический момент ВТСП ГД не зависит от частоты вращения вала, что подтверждает гистерезисный характер формирования момента. Указанная закономерность наблюдалась у всех без исключений двигателей. При этом зависимость вы-

ходной мощности от тока статора имеет кубическую зависимость при неполном проникновении поля в ВТСП ротор и линейную зависимость при полном проникновении, что подтверждает построенные теоретические модели.

- максимальный коэффициент мощности и КПД ВТСП гистерезисного двигателя соответствует точке полного проникновения магнитного поля в ВТСП ротор, что также согласуется с теоретической моделью.

- характеристики двигателей существенно зависят от структуры ВТСП материала, так для поликристаллической керамики в формирование гистерезисного момента участвуют в основном токовая нагрузка гранулы, для монодоменной керамики, напротив, гистерезисный момент определяется транспортным током

- экспериментально показано, что гистерезисные ВТСП электродвигатели, работающие при пониженных температурах (Т = 65К) обладают на 20% - 25% большей мощностью по сравнению с двигателями при температуре 77 К

В заключении работы приведены основные результаты и выводы, полученные

автором в процессе исследований.

В приложениях приведены, сведенные в таблицу, решения полевой задачи в

разных частях ВТСП ГД, коэффициенты интегрирования, а так же тексты программ

Основные выводы и результаты.

По работе могут быть сформулированы следующие основные выводы и результаты'

1 На основе аналитических решений нелинейных двухмерных электродинамических задач, учитывающих особенности физических процессов в массивных ВТСП элементах ротора машины с монодоменной (4 » 1) и поликристаллической структурой (I; « 1), построены математические модели для определения двумерных распределений магнитных полей и энергетических характеристик гистерезисных ВТСП двигателей различного конструктивного исполнения (цилиндрических и торцевых)

2 Результаты численных исследований показали, что зависимость мощности гистерезисных ВТСП двигателей N от тока фазы двигателя 1Ф носит кубический характер (Л' ~ 1ф), и линейный (М ~ /,) - в случае полного проникновения.

3 Экспериментально показано, что механический момент М не зависит от скольжения й, что подтверждает гистерезисный характер формирования момента При этом зависимость выходной мощности от тока фазы статора имеет кубическую зависимость при неполном проникновении поля в ВТСП ротор и линейную зависимость при полном проникновении, что подтверждает построенные теоретические модели.

4 При заданном напряжении питания и выбранной конструктивной схеме гистерезисного ВТСП двигателя максимум мощности реализуется при плотностях критических токов ,1Р в ВТСП элементах ротора машины, соответствующий полному проникновению магнитного поля в ВТСП элемент При меньших значениях критической плотности тока (./ < ,}р в ВТСП элементе) характер зависимости мощности N от тока фазы ./ близок к линейному (/V ~ 3, режим полного проникновения

поля в ВТСП элемент). При плотностях критических токов больших Jp, что соответствует режиму неполного проникновения магнитного поля в ВТСП элемент, характер зависимости мощности N от тока фазы J носит гиперболический характер (N~ 1/J).

5. На базе разработанных математических моделей были выполнены проектные расчеты экспериментальных гистерезисных ВТСП двигателей с цилиндрическими и многодисковыми роторами мощностью от 100 Вт до 1000 Вт. Сопоставление результатов численных расчетов энергетических характеристик гистерезисных ВТСП двигателей с опытными данными, полученными экспериментальным путем на серии образцов гистерезисных ВТСП двигателей мощностью от 100 Вт до 1 кВт показало, что при соответствующем выборе критических токов в ВТСП керамике, теоретические кривые согласуются с экспериментом в пределах 5 - 7%

6. Анализ полученных теоретических и экспериментальных данных показал, что гис-терезисные ВТСП двигатели с охлаждением активной зоны жидким азотом (77 К) обладают более высокими энергетическими характеристиками (в 3 - 4 раза) по сравнению с гистерезисными двигателями традиционного исполнения. При снижении температуры в активной зоне ВТСП двигателя до 65 К их удельные энергетические показатели возрастают в 1,5-2 раза по сравнению с показателями при уровне температур кипения жидкого азота (77 К) при нормальном давлении.

7. Предложены новые типы гистерезисных электродвигателей с массивными ВТСП элементами на роторе. Показано, что предложенные двигатели могут успешно работать при их охлаждении жидким азотом (а не гелием или неоном, как для других классов ВТСП электрических машин), что существенно упрощает конструкцию и систему криостатирования данных типов ВТСП электрических машин

8. Как показали результаты теоретических и экспериментальных исследований, новые типы гистерезисных ВТСП электродвигателей при температуре жидкого азота (77 К) обладают существенно лучшими (в 3 - 4 раза) массоэнергетическими показателями по сравнению с гистерезисными и реактивными двигателями традиционного исполнения.

9. Системный анализ полученных результатов показал, что новое поколение электрических машин с массивными ВТСП элементами найдет широкое применение в перспективных технических разработках XXI века (в аэрокосмической технике, в силовых установках морских судов, в системах высокоскоростного наземного транспорта, в программах развития водородной энергетики и в промышленности и

др)

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Ковалев К.Л., Конеев С.М.-А., Ларионов С.А., Модестов К.А., Пенкин В.Т., Gawalek W., Oswald В. Гистерезисные и реактивные электрические машины с объемным^ ВТСП элементами. Новые результаты и перспективы развития. V Симпозиум «Электротехника 2010 год», том II, Моск. обл., 22 октября 1999.

2. Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Ковалев К.Л., Конеев С.М.-А., Ларионов С.А., Модестов К.А., Пенкин В.Т., Cardwell D.A., Dew-Hughes D., Мс. Culloch М., Wai Lo. Ге-

2UU7-4

— 3339

нераторы переменного тока на базе сверхпроводящих обмоток и м___,__________

основе YBCO. V Симпозиум «Электротехника 2010 год», том И, Моск. обл., 22 октября 1999.

3. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T., Kovalev K.L., Modestov К.A., Gawalek K.A. HTS Motors Design, Recent Results and Future Development - Superconductivity: Research and Development, 1998, No. 9,10, p. 69 - 77

4. Kovalev L., Ilushin K., Penkin V., Kovalev K., Koneev S., Modestov K., Larionoff S., Gawalek W., Habisreuther Т., D. Litzkendorf, Oswald В., К.-J. Best, T. Strasser. New types of electric machines on the basis of the bulk HTS elements. Recent results and future development. Proc. of M2S-HTSC-VI, 20-25 February, Houston, USA.

5. Kovalev L., Ilushin K., Penkin V., Kovalev K., Larionoff A., Koneev S., Modestov K., Larionoff S., Poltavets V., Akimov I., Fisher L, V. V. Alexandrov, Gawalek W., Oswald В., G. Krabbes. Electric Machines on the Basis of the Bulk HTS Elements. State of Art and Future Progress. 7. Statusseminar "Supraleitung und Tieftemperaturtechnik", Germany, Garnisch-Pattern-Kirchen, December 2000.

6. 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 В . Electrical machines with bulk HTS elements. The achieved results and future development. Physica C, 357-360, 860865 (2001).

Зак. 0il5.O2.2MbT. Тир.5(9

экз.

Введение.

I Состояние разработок в области электрических машин на основе ВТСП.

1.1. Основные направления применения высокотемпературных сверхпроводников в сильноточной электромеханике.

1.2. Классификация и общая характеристика сверхпроводниковых электрических машин.

1.2.1. Электрические машины с композитными ВТСП проводами на роторе.

1.2.2. Электрические машины с композитными ВТСП проводами на статоре.

1.2.3. Электромеханические преобразователи с объемными композитными листовыми элементами.

1.3. Конструктивные схемы и характеристика гистерезисных ВТСП двигателей.

1.4. Объемные YBCO-элементы, применяемые в гистерезисных ВТСП двигателях.

Выводы.

II Теоретические методы расчета гистерезисных ВТСП двигателей с цилиндрическим монодоменным YBCO ротором.

Введение.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Решение уравнения для векторного потенциала в активной зоне машины.

2.2.1. Область воздушного зазора.

2.2.2. Область токовой зоны ВТСП-цилиндра.

2.2.3. Область ВТСП-цилиндра без токов.

2.2.4. Область ферромагнитного сердечника.

2.3. Схема замещения, векторная диаграмма и основные энергетические параметры ВТСП ГД.

2.4. Приближенный учет влияния статора.

2.5. Структура программы и результаты расчета параметров ВТСП ГД.

Выводы.

III Теоретические методы расчета гистерезисных ВТСП двигателей с цилиндрическим поликристаллическим YBCO ротором.

Введение.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Решение уравнения для векторного потенциала в активной зоне машины.

3.2.1. Область ферромагнитного сердечника.

3.2.2. Область керамического ВТСП-цилиндра.

-33.2.3. Область воздушного зазора.

3.3. Схема замещения, векторная диаграмма и основные энергетические параметры ВТСП ГД.

3.4. Приближенный учет влияния статора.

3.5. Структура программы и результаты расчета параметров ВТСП ГД.

Выводы.

IV Теоретические методы расчета торцевых многодисковых ВТСП двигателей.76 Введение.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Решение внутренней электродинамической задачи.

4.3. Решение внешней электродинамической задачи.

4.4. Основные соотношения для определения выходных параметров ВТСП ГД.

1.5. Принципы построения уточненных решений задачи.

Выводы.

V Экспериментальные исследования гистер езисных ВТСП двигателей с объемными YBCO элементами.

Введение.

5.1. Криогенно-вакуумное оборудование и стенды для экспериментального исследования ВТСП двигателей.

1.2. Экспериментальные исследования ВТСП ГД.

1.1.1. Экспериментальные исследования гистерезисных ВТСП двигателей мощностью до 100 Вт.

1.1.2. Экспериментальные исследования гистерезисных ВТСП двигателей мощностью 500 - 1000 Вт.

1.1.3. Экспериментальные исследования торцевых гистерезисных ВТСП двигателей.

1.1.4. Экспериментальные исследования гистерезисных ВТСП двигателей при пониженных температурах.

Выводы.

Важное место в современных электрических системах занимают гистерезисные электроприводы. Они применяются в робототехнике, в медицинском оборудовании, в ряде систем специального назначения.

Открытие в 1986 году высокотемпературной сверхпроводимости позволило приступить к исследованиям, разработки и созданию электрических машин на ее основе. За прошедшие годы материаловедение, конструкторские разработки, изучение физики сверхпроводников развивались параллельными шагами. Если первые высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) на основе соединений лантана имели температуру второго перехода Т^ приблизительно 30 - 40 К, то в настоящее время активно применяются ВТСП с Ткр2 = 80 - 90 К (керамические соединения на основе висмута, иттрия и неодима), получены первые материалы обладающими Ткр2 более 120 . 130 К (соединения на основе ртути). Настоящая работа посвящена одному из наиболее перспективных классов электрических ВТСП машин - гистерезисным двигателям с роторами на основе объемных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП ГД).

Целью диссертации является создание новых типов гистерезисных электродвигателей с объемными высокотемпературными сверхпроводниковыми элементами.

В ходе выполнения работы были поставлены и решены следующие основные задачи:

- разработка аналитических методов расчета двумерных электромагнитных процессов и выходных характеристик ВТСП ГД с цилиндрическим монодоменным ротором;

- разработка аналитических методов расчета двумерных электромагнитных процессов и выходных характеристик ВТСП ГД с цилиндрическим поликристаллическим ротором;

- разработка аналитических методов расчета электромагнитных процессов и выходных параметров торцевого ВТСП ГД с многодисковым монодоменным ротором;

- проведение численных исследований предельных выходных параметров и расчет магнитных полей ВТСП ГД различных конструкций с охлаждением жидким азотом;

- создание модели ВТСП ГД и проведение экспериментальных исследований их характеристик, а также сопоставление опытных и расчетных данных.

Методы исследования. В основу метода расчета магнитных полей положено аналитические методы решений дифференциальных уравнений электродинамики при заданных условиях сопряжения на границах. Учет свойств ВТСП элементов проводится на основе обобщенной модели критического состояния Бина. Учет насыщения магнитной цепи производился на основе теории магнитных цепей.

Научная новизна.

- предложены новые схемы ВТСП ГД, обладающие в 2 - 3 раз лучшими удельными массогабаритными показателями;

- получены аналитические решения задач, описаны двумерные магнитные поля в активной зоне ВТСП ГД с учетом характеристик ВТСП материалов;

- разработаны математические модели, алгоритмы и программы расчета электрических параметров и выходных характеристик ВТСП ГД различного конструктивного исполнения;

- получены экспериментальные данные, подтверждающие основные положения разработанных теоретических моделей.

Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты позволяют создавать ВТСП ГД с улучшенными (в 2 - 3 раза) массогабаритными и энергетическими характеристиками по сравнению с гистерезисными двигателями традиционного исполнения.

Реализация результатов работы. Результаты работы использовались в при проектировании и изготовлении различных ВТСП ГД в МАИ, НИИИЭМ г. Истра и фирме "Oswald" (Германия). Внедрение подтверждается актами о практическом использовании результатов работы.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технической конференции "Школа по сверхпроводимости" (Протвино, 21.05 - 26.05.2000). 7th Advanced Studies on Superconducting Engineering, V симпозиум "Электротехника 2010 г." 2 - 7 сентября 2001 г, г. Балатон-Алмади, Венгрия; конференциях молодых ученых в МАИ.

По теме диссертации опубликовано пять печатных работ. 1. Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Ковалев К.Л., Конеев С.М.-А., Ларионов С.А., Модестов К.А., Пенкин В.Т., Gawalek W., Oswald В. Гистерезисные и реактивные электрические машины с объемными ВТСП элементами. Новые результаты и перспективы развития. V Симпозиум "Электротехника 2010 год", том II, Моск. обл., 22 октября 1999.

2. Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Ковалев К.Л., Конеев С.М.-А., Ларионов С.А., Модестов К.А., Пенкин В.Т., Cardwell D.A., Dew-Hughes D., Мс. Culloch М., Wai Lo. Генераторы переменного тока на базе сверхпроводящих обмоток и материалов на основе YBCO. V Симпозиум "Электротехника 2010 год", том II, Моск. обл., 22 октября 1999.

3. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T., Kovalev K.L., Modestov K.A., Gawalek K.A. HTS Motors Design, Recent Results and Future Development. - Superconductivity: Research and Development, 1998, No. 9, 10, p. 69 - 77

4. Kovalev L., Ilushin K., Penkin V., Kovalev K., Koneev S., Modestov K., Larionoff S., Gawalek W., Habisreuther Т., D. Litzkendorf, Oswald В., K.-J. Best, T. Strasser. New types of electric machines on the basis of the bulk HTS elements. Recent results and future development. Proc. of M2S-HTSC-VI, 20-25 February, Houston, USA.

5. Kovalev L., Ilushin K., Penkin V., Kovalev K., Larionoff A., Koneev S., Modestov K., Larionoff S., Poltavets V., Akimov I., Fisher L., V.V. Alexandrov, Gawalek W., Oswald В., G. Krabbes. Electric Machines on the Basis of the Bulk HTS Elements. State of Art and Future Progress. 7. Statusseminar "Supraleitung und Tieftemperaturtechnik", Germany, Garnisch-Pattern-Kirchen, December 2000.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемых источников и четырех приложений. Основная часть диссертации содержит 82 страницы машинописного текста, 7 таблиц и 49 рисунков на 52 листах, 4 приложений на 38 страницах. Список использованных источников содержит 6 страниц машинописного текста и включает 72 наименования. Общий объем работы составляет 176 страниц.

Выводы

1. Разработаны, сконструированы и испытаны новые типы цилиндрических гистерезисных двигателей с объемными ВТСП элементами на основе иттриевой керамики (соединение 1-2-3), устойчиво работающие в среде жидкого азота.

2. Показано, что мощностные характеристики ВТСП двигателей в 3 - 4 раза лучше, чем характеристики обычных гистерезисных двигателей с теми же массогабарит-ными параметрами.

3. Механический момент не зависит от частоты вращения вала, что подтверждает гистерезисный характер формирования момента. При этом зависимость выходной мощности от тока статора имеет кубическую зависимость при неполном проникновении поля в ВТСП ротор и линейную зависимость при полном проникновении, что подтверждает построенные теоретические модели.

4. Максимальный коэффициент мощности и КПД ВТСП гистерезисного двигателя соответствует точке полного проникновения магнитного поля в ВТСП ротор, что также согласуется с теоретической моделью.

5. Характеристики двигателей существенно зависят от структуры ВТСП материала, так для поликристаллической керамики в формирование гистерезисного момента участвуют в основном токовая нагрузка гранулы, для монодоменной керамики, напротив, гистерезисный момент определяется транспортным током.

6. Экспериментально показано, что гистерезисные ВТСП электродвигатели, работающие при пониженных температурах (Т = 65К) обладают на 20% - 30% большей мощностью по сравнению с двигателями при температуре 77К.

7. Экспериментальные характеристики гистерезисных ВТСП в целом согласуются с теоретическими моделями при соответствующем выборе критических параметров (токов и размеров кристаллов) массивных ВТСП элементов ротора машины.

- 130-ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Открытие в 1986 году явления высокотемпературной сверхпроводимости дало новый импульс в развитии теоретических и экспериментальных исследований электрических машин на основе новых НТСП и ВТСП материалов. В настоящее время в ведущих научных центрах эти исследования ведутся по следующим трем основным направлениям: электрические машины с СП обмотками постоянного тока, СП машины с СП обмотками переменного тока и интенсивно разрабатываемые в последние 10 лет новые типы СП машин с объемными ВТСП элементами. Несмотря на актуальность и практическую значимость, в литературе отсутствует системное изложение теоретических методов и математических моделей расчета электродинамических процессов и рабочих характеристик новых типов электрических машин с массивными ВТСП элементами, в требуемом объеме учитывающих как характер физических процессов в современных объемных ВТСП элементах электрических машин, так и структурные и конструктивные особенности активной зоны ВТСП двигателей. В этой связи в данной работе рассматривался комплекс математических моделей, основанный на полученных автором аналитических решениях сложных электродинамических задач с применением современных численных методов.

По работе могут быть сформулированы следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. На основе аналитических решений нелинейных двухмерных электродинамических задач, учитывающих особенности физических процессов в массивных ВТСП элементах ротора машины с монодоменной » 1) и поликристаллической структурой « 1), построены математические модели для определения двумерных распределений магнитных полей и энергетических характеристик гистерезисных ВТСП двигателей различного конструктивного исполнения (цилиндрических и торцевых).

2. Результаты численных исследований показали, что зависимость мощности гистерезисных ВТСП двигателей N от тока фазы двигателя 1ф носит кубический характер (N ~ 1ф), и линейный (N~IS) - в случае полного проникновения.

3. Экспериментально показано, что механический момент М не зависит от скольжения s, что подтверждает гистерезисный характер формирования момента.

При этом зависимость выходной мощности от тока фазы статора имеет кубическую зависимость при неполном проникновении поля в ВТСП ротор и линейную зависимость при полном проникновении, что подтверждает построенные теоретические модели.

4. При заданном напряжении питания и выбранной конструктивной схеме гистерезисного ВТСП двигателя максимум мощности реализуется при плотностях критических токов Jp в ВТСП элементах ротора машины, соответствующий полному проникновению магнитного поля в ВТСП элемент. При меньших значениях критической плотности тока (J<JP в ВТСП элементе) характер зависимости мощности N от тока фазы J близок к линейному (N ~ J, режим полного проникновения поля в ВТСП элемент). При плотностях критических токов больших Jp, что соответствует режиму неполного проникновения магнитного поля в ВТСП элемент, характер зависимости мощности N от тока фазы J носит гиперболический характер^- 1IJ).

9. На базе разработанных математических моделей были выполнены проектные расчеты экспериментальных гистерезисных ВТСП двигателей с цилиндрическими и многодисковыми роторами мощностью от 100 Вт до 1000 Вт. Сопоставление результатов численных расчетов энергетических характеристик гистерезисных ВТСП двигателей с опытными данными, полученными экспериментальным путем на серии образцов гистерезисных ВТСП двигателей мощностью от 100 Вт до 1 кВт показало, что при соответствующем выборе критических токов в ВТСП керамике, теоретические кривые согласуются с экспериментом в пределах 5 - 7%.

10. Анализ полученных теоретических и экспериментальных данных показал, что гистерезисные ВТСП двигатели с охлаждением активной зоны жидким азотом (77 К) обладают более высокими энергетическими характеристиками (в 3 - 4 раза) по сравнению с гистерезисными двигателями традиционного исполнения. При снижении температуры в активной зоне ВТСП двигателя до 65 К их удельные энергетические показатели возрастают в 1,5-2 раза по сравнению с показателями при уровне температур кипения жидкого азота (77 К) при нормальном давлении.

11. Предложены новые типы гистерезисных электродвигателей с массивными ВТСП элементами на роторе. Показано, что предложенные двигатели могут успешно работать при их охлаждении жидким азотом (а не гелием или неоном, как для других классов ВТСП электрических машин), что существенно упрощает конструкцию и систему криостатирования данных типов ВТСП электрических машин.

12. Как показали результаты теоретических и экспериментальных исследований, новые типы гистерезисных ВТСП электродвигателей при температуре жидкого азота (77 К) обладают существенно лучшими (в 3 - 4 раза) массоэнергетическими показателями по сравнению с гистерезисными и реактивными двигателями традиционного исполнения.

13. Системный анализ полученных результатов показал, что новое поколение электрических машин с массивными ВТСП элементами найдет широкое применение в перспективных технических разработках XXI века (в аэрокосмической технике, в силовых установках морских судов, в системах высокоскоростного наземного транспорта, в программах развития водородной энергетики и в промышленности и др)

1. Акимов И.И., Воробьева А.Е., Панцьфиый В.И., Шиков А.К. Сверхпроводящие материалы на основе ВТСП: технология, свойства, перспективы применения // Сверхпроводимость: исследования и разработки. Межд. ж. 2002. №11. - С. 25.

2. Алиевский Б.Л., Шерстюк А.Г., Октябрьский A.M. и др. Сверхпроводниковая униполярная машина мощностью 480 кВт с высокоскоростным жидкометалли-ческим токосъёмом // Сверхпроводимость: исследования и разработки. Межд. ж.- 1994. №3.- С. 4.

3. Альтов В.А., Глебов И.А., Черноплеков Н.А. Сверхпроводниковые технологии -новый этап в развитии электротехники и электроэнергетики // Сверхпроводимость: исследования и разработки. Межд. ж. 2002. №11. - С. 5.

4. Брехна Г. Сверхпроводящие магнитные системы. М.: Мир, 1976. - 704с.

5. Вольдек А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1978. - 830с.

6. Глебов И.А., Лаверик Ч., Шахтарин В.Н. Электрофизические проблемы использования сверхпроводимости. Л.: Наука, 1980. - 250с.

7. Глебов И.А., Я.Б.Данилевич, В.Н.Шахтарин. Турбогенераторы с использованием сверхпроводимости.- Л.: Наука, 1981. 230 с.

8. Говорков В.А. Электрические и магнитные поля. М.: Энергия, 1968. - 486с.

9. Гуревич А.В., Минц Р.Г., Рахманов А.Л. Физика композитных сверхпроводников.- М.: Наука, 1987. 240с.

10. Домбровский В.В. Справочное пособие по расчету электромагнитного поля в электрических машинах. Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 254с.

11. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. М.: Энергия, 1980.

12. Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Пенкин В.Т. Электрические машины на основе высокотемпературных сверхпроводников. Состояние разработок и перспективы развития // Наука производству. 2000. № 10.

13. Гавалек В., Ковалев Л.К., Пенкин В.Т., Модестов К.А. Синхронные ВТСП электродвигатели с композитными YBCO роторами: Тез. докл. 32 Всероссийского15