автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Разработка синхронных электрических машин с композитными и объемными сверхпроводниками в роторе

На правах рукописи УДК 621.313

005018007

Пенкин Владимир Тимофеевич

РАЗРАБОТКА СИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН С КОМПОЗИТНЫМИ И ОБЪЕМНЫМИ СВЕРХПРОВОДНИКАМИ В РОТОРЕ

*)

Специальность 05.09.01 Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2012

1 9 ДПР 2012

005018007

Работа выполнена на кафедре «Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» МАИ.

Научный консультант: д.т.н., профессор Ковалев Лев Кузьмич. Официальные оппоненты:

Беспалов Виктор Яковлевич, д.т.н., профессор, кафедра «Электромеханика» НИУ МЭИ, профессор.

Высоцкий Виталий Сергеевич, д.т.н., профессор, ВНИИ кабельной промышленности, заведующий отделением, директор научного направления.

Сурин Михаил Израелевич, д.т.н., РНЦ «Курчатовский институт», ведущий научный сотрудник.

Ведущая организация: Научно-Производственное Предприятие ВНИИ Электромеханики с заводом им. А.Г. Иосифьяна ФГУП (ВНИИЭМ) г.Москва.

Защита диссертации состоится «4» мая 2012г. в 11 часов 00 мин. на

заседании диссертационного совета Д212.125.07 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» МАИ по адресу: 125993. г.Москва. Волоколамское шоссе, д.4. Главный административный корпус. Зал заседаний Ученого Совета, ауд. 302.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (национального исследовательского университета)

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: РФ, 125993, г.Москва, Волоколамское шоссе, д.4 на имя ученого секретаря диссертационного совета Д212.125.07; e-mail: dissov7f(aimai.ru: факс 8 (499) 158 45 67

Автореферат разослан « M^^ImQ 2012г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д210 1 п7

к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В настоящее время, несмотря на устойчивую тенденцию разработок и внедрения энергосберегающего оборудования, наблюдается значительный рост потребления электроэнергии, требующий совершенствования электроэнергетических систем с точки зрения эффективности, материалоемкости и экологической чистоты. Современные сверхпроводниковые технологии позволяют в наиболее полной мере удовлетворить этим требованиям, как в промышленных, так и в бортовых электроэнергетических комплексах, а также перейти к решению проблем водородной энергетики. Не умаляя значение низкотемпературных сверхпроводников, необходимо отметить, что перспективы развития промышленной и бортовой энергетики в настоящее время связаны с широким внедрением технологий на базе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП).

В этой связи в России и за рубежом активно разрабатываются электромеханические преобразователи на основе ВТСП как стационарного назначения, так для подвижных объектов. Основной объем этих исследований направлен на создание нового поколения электрических машин с обмотками из ВТСП проводов и системами их криостатирования в температурном диапазоне 20...50 К.

В последние годы прогресс в производстве объемных и листовых композитных ВТСП материалов позволяет также разработать и создать принципиально новые типы ВТСП электрических машин с охлаждением на уровне температуры жидкого азота (77 К). По сравнению с обычными электромеханическими преобразователями, электрические машины с объемными и композитными ВТСП элементами имеют в 2...5 раз большие значения выходной мощности и повышенный коэффициент мощности. Важно также отметить, что система криостатирования на таком температурном уровне существенно проще, чем у машин с ВТСП обмотками.

Несмотря на заметные успехи в исследовании электрических машин с объемными и композитными ВТСП элементами и ВТСП проводами второго поколения вопросы, касающиеся расчета и проектирования, в литературе не рассматриваются достаточно полно. В этой связи, данная работа, посвященная разработке методов расчета и проектирования СП электрических машин, а также экспериментальному исследованию опытных образцов, представляется актуальной и имеет несомненный практический интерес.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка и создание синхронных электрических машин с обмотками из композитных сверхпроводящих проводов, а также электродвигателей с ВТСП листовыми композитами и объемными сверхпроводящими элементами в роторе, обладающих улучшенными массогабаритными и энергетическими параметрами и работающих в среде жидкого азота при температуре 77 К.

Диссертационная работа направлена на повышение удельной мощности электрических машин и их энергетических параметров (коэффициент мощности, КПД) за счет использования:

-для бортовых синхронных генераторов - сверхпроводниковых и криопроводниковых обмоток, рациональной конструкции беззубцового статора, отсутствия ферромагнитопровода ротора;

-для электропривода - ВТСП объемных, композитных или наноструктурированных материалов в роторе и криогенного охлаждения обмотки статора.

Задачи работы. В работе поставлены и решены следующие основные задачи.

1. Разработка методик проектного и поверочного расчетов бортовых СПСГ с композитными НТСП обмотками.

2. Разработка методик проектного и поверочного расчетов гистерезисных и реактивных ВТСП электродвигателей, а также электродвигателей с постоянными магнитами и ВТСП элементами.

3. Разработка, создание и испытания макетных образцов новых типов ВТСП электрических машин с различными системами криостатирования (в том числе, при температуре жидкого азота 77К).

4. Определение рациональных областей применения бортовых электрических машин с различными типами СП токонесущих элементов различного уровня мощности, оценка их эффективности и рекомендации по их использованию в электроэнергетических комплексах различного назначения.

Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов. Сформулированные в диссертации научные положения, выводы и рекомендации обоснованы полученными в работе теоретическими решениями электродинамических задач и экспериментальными результатами, полученными на макетах СП машин. Теоретические разработки диссертации основаны на известных положениях электротехники, теории электромеханического преобразования энергии, теории поля, теории теплопроводности, электродинамики жестких сверхпроводников второго рода. Достоверность полученных результатов обоснована экспериментальными исследованиями опытных образцов различных типов ВТСП электрических машин мощностью 1... 100 кВт.

При разработке проектных методик использовались методы математической физики и теории поля, аналитические и численные методы решения уравнений электродинамики, прикладные методы расчета процессов в жестких сверхпроводниках второго рода, теория электромеханического преобразования энергии. При решении систем уравнений электродинамики использовалась вычислительная техника и пакеты: Borland Pascal 7.0, Borland Delphi 4.0, MathCAD 7.0, Maple 5.3, QuickField4.1 и MS Excel. Адекватность разработанных методик расчёта подтверждается многочисленными экспериментальными исследованиями на макетных образцах СП электрических машин различного конструктивного исполнения в диапазоне мощности 1 ...780кВА.

Связь темы диссертации с НИР. Диссертационная работа отражает результаты исследований, выполненных под руководством и при участии автора в рамках совместных Российско-Германских проектов BMFT Х.222.71 в 1995г. (ВТСП электродвигатель), BMBF 13N6854 в 1996-1998гг. (ВТСП электродвигатель мощностью 10 кВт), BMBF 13N6854A в 1999-2003гг. (ВТСП электродвигатель мощностью до 500 кВт), договору SfP#924241 между МАИ и Оксфордским университетом (Оксфорд, Великобритания) в 2000-2002гг. по созданию бесконтактных электродвигателей с высокотемпературным сверхпроводниковым ротором, а также грантов РФФИ 93-02-17436-а в 19931995гг., 05-08-01159-а в 2005-2007гг„ 07-08-12081-офи в 2007-2008гг., 09-08-07025-д в 2009-2010гг. Результаты исследований вошли в соответствующие отчеты по НИР и опубликованы в 56 научных статьях и двух монографиях. Научная новизна работы.

1. Разработаны новые конструктивные схемы СП электрических машин на основе различных типов ВТСП токонесущих элементов в роторе, защищенные патентами РФ.

2. Разработан комплекс методик проектного и поверочного расчетов электрических машин на основе НТСП проводов и объемных ВТСП элементов в роторе для электроэнергетических комплексов различного назначения.

3. Разработаны и созданы экспериментальные образцы электрических машин с ВТСП объемными элементами в роторе мощностью 1 ...100 кВт. Проведены их испытания при нормальной температуре кипения жидкого азота (77К), при пониженной (66К) и при температуре жидкого водорода (20К).

4. Разработан, создан и испытан экспериментальный бортовой криогенный синхронный генератор мощностью 780 кВА с НТСП рейстрековым индуктором из композитных проводов на основе Nb-Ti и криопроводниковым якорем из сверхчистого алюминия.

Практическая полезность работы. Разработанные в диссертации методы проектного и поверочного расчета различных типов СП электрических машин и результаты экспериментального исследования их макетных образцов имеют следующее практическое значение.

1. Создан комплекс алгоритмов и программ проектного и поверочного расчета новых типов СП электрических машин различного уровня мощности в диапазоне 1 ...780кВА.

2. Созданы и испытаны опытные образцы СП электрических машин и определены их массогабаритные и энергетические характеристики

3. Экспериментально и теоретически показано, что новые типы ВТСП электрических машин имеют в 2...3 раза большую удельную мощность по сравнению с аналогичными машинами традиционного исполнения.

4. Сформулированы рекомендации по применению разработанных ВТСП электрических машин в электроэнергетических комплексах различного назначения.

5. Созданы крионасосы с ВТСП криоэлектроприводом мощностью до 1,5 кВт, в том числе, для самолета с жидководородным топливом.

Реализация результатов работы. Научные результаты внедрены на ведущих предприятиях (организациях) отрасли: ОАО АКБ ЯКОРЬ (Москва) при разработке криогенного макета бортового синхронного генератора; НИИЭМ (г.Истра, Московская обл.) при разработке ВТСП электропривода криогенной топливной помпы.

Они использованы в учебном процессе по дисциплине «Криогенные и сверхпроводниковые устройства» в качестве пособий по курсовому и дипломному проектированию. Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались автором и обсуждались на следующих российских и международных конференциях и симпозиумах:

— международная конференция по магнитной технологии (МТ-17, Ленинград, СССР, 1991);

— на 3-х сторонних семинарах (Россия-Германия-Украина) по Прикладной Сверхпроводимости в 1992г. (Дубна, Россия) и в 2000 г. (Гармиш-Партен-Кирхен, Германия);

— на международной конференции по инженерному делу в криогенике (1СЕС-17, Борнмут, Великобритания, 1998г.);

— на симпозиумах «ЭЛЕКТГОТЕХНИКА-2010» в 1999 г., 2003 г. (Солнечногорск, Московская область, Россия);

— на Европейских Конференциях по Прикладной Сверхпроводимости (ЕиСАБ): ЕиСА8'99, Ситджес, Испания, 1999г.; ЕиСАБШ, Копенгаген, Дания, 2001г.; ЕиСАБ'ОЗ, Сорренто, Италия 2003г.; Е11СА8'05, Вена, Австрия, 2005г.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы и ее результатов полностью отражено в 65 научно-технических работах автора, включающих 2 монографии, 7 патентов, доклады на российских и международных конференциях, патенты и статьи в отечественных и зарубежных журналах, в частности, 15 статей в журналах, рекомендованных перечнем ВАК. Перечень основных публикаций автора приведен в диссертации в полном объеме, а в автореферате в сокращенном виде. х

Струю-ура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 310 страницах основного текста с 20 таблицами, иллюстрирована 121 рисунком, состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников из 176 наименований.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Системный анализ отечественных и зарубежных разработок синхронных СП электрических машин, их классификация, определение областей рационального применения машин на основе СП композитных проводов, объемных ВТСП элементов и листовых композитов в электроэнергетических комплексах различного назначения.

2. Методы проектного и поверочного расчета бортовых СПСГ различного конструктивного исполнения.

3. Методы расчета и проектирования криоэкранов ротора СП бортовых генераторов.

4. Конструктивные схемы новых типов ВТСП синхронных электрических машин с объемными ВТСП элементами и листовыми композитами, обладающие улучшенными энергетическими параметрами по сравнению с несверхпроводящими аналогами, защищенные 7-ю патентами.

5. Комплекс методик проектного и поверочного расчета магнитных полей и параметров электродвигателей с объемными ВТСП элементами (гистерезисных, реактивных и комбинированных с постоянными магнитами).

6. Макетные образцы различных типов синхронных СП электрических машин мощностью 1 ...780 кВА и результаты их экспериментальных исследований на криогенных стендах МАИ.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определен объект исследования, его признаки, область использования, сформулированы цель работы, направления исследований, актуальность, положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ тенденций развития современных технологий и параметров токонесущих СП элементов с обобщенными данными для электрических машин с точки зрения критических параметров и стоимостных показателей. Отмечается, что для электрических машин с НТСП обмотками постоянного тока на основе сплава Nb-Ti и соединения Nb3Sn необходимы системы криостатирования, обеспечивающие температуру индуктора на уровне жидкого гелия. Достигнутый уровень мощности НТСП синхронных генераторов составляет 70 МВА. Показано, что развитие этого направления работ для наземной энергетики сдерживается сложностью создания надёжных систем криостатирования вращающихся обмоток индуктора и высокими прогнозными значениями стоимостных показателей НТСП электрических машин. Отмечается, что НТСП синхронные машины могут найти применение в перспективных "разработках криогенных летательных аппаратов на жидком водороде.

Обзор литературных данных позволяет заключить, что в настоящее время синхронные электрические машины с ВТСП обмотками постоянного тока на основе композитных ВТСП проводов 1-ого поколения, активно разрабатываемые в ведущих научных зарубежных центрах, позволяют использовать более простые, по сравнению с НТСП, системы криостатирования, например, на основе жидкого неона (Т S ЗОК) или мощных криокулеров в температурном диапазоне (Т-40...50К). Диапазон мощности таких ВТСП электрических машин, находящихся в стадии разработки, составляет 5...37 МВА. В настоящее время основное направление практического применения ВТСП электрических машин связано с их использованием в составе мощных электроэнергетических комплексов систем электродвижения морских судов, ветро- и гидроэнергетике, в перспективной аэрокосмической технике и др. По оценкам специалистов применение в будущем (~2020г.) ВТСП электрических машин связано с перспективным снижением себестоимости ВТСП проводов 1-ого поколения.

Обмотки индукторов разрабатываемых СП электрических машин на основе композитных проводов из MgB2 рациональны в диапазоне температур 20...35К в системах криостатирования с жидким водородом, неоном или специальным криокулером. Ожидается, что существенно меньшая стоимость проводов из MgB2 при решении технологических проблем выпуска длинномерных проводов позволит существенно снизить затраты на создание СП электрических машин большой мощности различного назначения (системы водородных транспортных магистралей, промышленная энергетика, летательные аппараты с водородным топливом и т.д.).

Развитие технологий создания длинномерных композитных ВТСП проводов 2-ого поколения на основе иттриевых керамик позволяет создавать электрические машины с системами криостатирования на основе жидкого азота. Это существенно упрощает их конструкцию, а в дальнейшем снизит и стоимостные показатели. В настоящее время электрические машины с ВТСП проводами 2-ого поколения находятся в начальной стадии разработки.

Потери в композитных ВТСП токонесущих элементах 1-ого и 2-ого поколений в настоящее время определяют лишь направления для СП электрических машин с ВТСП обмотками переменного тока низкой частоты / < 20Гц (линейные ВТСП электрические машины, моментные двигатели).

К новому направлению в диапазоне мощности 1 ...500кВт относится разработка электрических машин с объёмными СП токонесущими элементами в роторе и системами криостатирования на основе жидкого азота (гистерезисные, реактивные, с постоянными магнитами и т.д.). Теоретические и экспериментальные исследования показали, что объёмные ВТСП токонесущие элементы из итгриевой керамики обладают высокими значениями плотности тока. Они не подвержены скачкам магнитного потока при температуре жидкого азота, что типично для объёмных НТСП элементов при температуре 4...10К. ВТСП электрические машины находят применение в качестве электроприводов мощных крионасосов в специальных промышленных приводах, в перспективных разработках электроэнергетических комплексов, транспортных и аэрокосмических систем.

Вторая глава посвящена анализу областей применения сверхпроводниковых электрических машин на борту летательных аппаратов с криогенным топливом. Изначально сверхпроводниковые машины разрабатывались как генераторы большой мощности для работы в промышленных электросетях. В ряде работ отмечался интерес к применению СПСГ в авиации и на морских судах. Вместе с тем, разработка высокотемпературных материалов, как в виде длинномерных проводов, так и объемных элементов, открывает новые области применения СП электрических машин в бортовых электроэнергетических установках.

1. Источники питания мощных бортовых потребителей. По прогнозным оценкам развития авиационно-космической электроэнергетики СП синхронные генераторы мощностью до 20 МВА импульсного и повторно-кратковременного режима работы могут использоваться для питания таких мощных бортовых потребителей, как авиационные комплексы дальнего

радиолокационного обнаружения, загоризонтные PJIC, систем радиопротиводействия, лазерные системы и системы электромагнитного разгона массы.

Анализ расчетных зависимостей удельной массы от мощности для синхронных генераторов различного исполнения (рис. 1) показал, что высокооборотные сверхпроводниковые синхронные генераторы (СПСГ) с НТСП обмотками возбуждения и характерной мощностью 10...50 МВА, позволяют добиться удельной массы 0,07...0,09 кг/кВА. Для полностью сверхпроводниковых генераторов с ВТСП обмотками ротора и статора прогнозные значения этого параметра составляют менее 0,02 кг/кВА.

т 1

0,1 0,01

I ю 100 1000 S

Рис. 1

Характерные расчетные зависимости массы СПСГ мощностью 20 МВА и относительного индуктивного синхронного сопротивления таких машин от числа пар полюсов при различной частоте вращения ротора приведены на рис. 2. Из анализа кривых следует, что перспективными являются высокооборотные четырех- или шестиполюсные генераторы. Это связано с тем, что двухполюсные машины создают сильное магнитное поле, для защиты внешнего пространства от которого необходим толстый и тяжелый стальной экран статора, а при числе пар полюсов р > 4 в силу отсутствия магнитопровода ротора слишком велико межполюсное рассеяние магнитного поля возбуждения.

Относительная величина индуктивного сопротивления Х3 СПСГ лежит в пределах 0,3...О,б, то есть в 2...3 раза меньше, чем в синхронных генераторах традиционного исполнения, что обеспечивает более жесткую внешнюю характеристику СПСГ и снижает требования к системе стабилизации выходного напряжения при изменении параметров нагрузки.

Изменение предельной мощности Рпр и удельной массы т СПСГ с конструктивным коэффициентом Ха=1 и относительным индуктивным

сопротивлением Х3 = 0,5 от частоты вращения ротора п при различном числе пар полюсов представлено на рис. 3. Реализуемый диапазон мощности АЭУ со СПСГ ограничен кривой предельной мощности газотурбинной установки привода. Так из рис. 3 следует, что при уровне мощности 20 МВт СПСГ должен иметьр=2...3 и частоту вращения ротора п~6000...9000 мин'1.

Прогнозные значения удельной массы перспективных приводов АЭУ со СПСГ, построенные путем обобщения опытных данных по отечественным и зарубежным авиационным двигательным установкам, позволяют заключить, что ожидаемые сухие удельные массы АЭУ мощностью 20 МВт находятся на уровне 0,1...0,15 кг/кВт для варианта, встроенного в маршевый двигатель ЛА и 0,05...0,1 кг/кВт для полностью автономной энергоустановки в подвесной гондоле атмосферного ЛА (рис. 4) с приводом от независимого газотурбинного двигателя.

Расход топлива и удельная масса авиационных ГТД в диапазоне 1...40 МВт изменяются слабо и составляют соответственно Ст = 0,24...0,27

кг/кВт-ч и т = 0,11 ...0,17 кг/кВт. Необходимо учитывать, что мощность ГТД сильно зависит от параметров атмосферы и на высоте 10км уменьшается практически в 2 раза.

Рис. 4.

Конфигурация и возможности СП электрической машины зависят от системы охлаждения, которая является неотъемлемой частью архитектуры ЛА,

и, главным образом, от имеющейся на борту криогенной мощности. С этой точки зрения рассматриваются J1A с топливом двух типов.

а) ЛА с углеводородным топливом н запасом криоагента на борту на время всего полёта, включая минимальный остаточный запас для исключения размораживания бортовых сосудов Дьюара, пополняемых после каждой посадки. Криоагент может храниться в легких дьюарах емкостью 200...220 л. Этого количества достаточно для поддержания в захоложенном состоянии генератора мощностью 20 МВА в течение 5...6 ч - расчетной продолжительности полета атмосферного JIA. Испаряемость криоагента в современных дьюарах не превышает нескольких процентов в сутки, а масса системы его хранения на борту составит менее 45 кг . Если в качестве криоагента применяется жидкий водород, он также может использоваться как топливо после охлаждения ВТСП устройств в соотношении 95% керосина - 5% Н2.

б) JIA с криогенным топливом. Жидкий водород в качестве горючего является наилучшим вариантом для агрегатирования СП электрической машины и газовой турбины (например, авиадвигатель НК-88). После охлаждения СП обмоток водород надо лишь подогреть до газообразного состояния перед сжиганием в турбине. Электрическая машина может иметь обмотку якоря из ВТСП провода с относительно невысокими требованиями к потерям на переменном токе, которые отводятся за счёт испарения жидкого водорода с его последующим сжиганием в турбине. Экологический аспект здесь характеризуется так называемым «нулевым выбросом», поскольку продукт сгорания - чистая вода.

Если горючим является сжиженный природный газ, то для охлаждения СП обмоток целесообразно использовать криокулеры - активные источники холода, работающие по замкнутому циклу со сбросом тепла в криогенное топливо.

2. Перспективные схемы JIA со СПСГ и электроприводом винтов.

Ожидаемое к 2020г. удвоение пассажиропотока и ежегодное увеличение грузовых авиаперевозок ставит вопрос о нанесении наименьшего вреда окружающей среде, повышении топливной экономичности J1A и снижении шума авиадвигателей. Уменьшение выброса оксидов азота и расхода топлива может быть основано на известных идеях применения компрессора с. промежуточным охлаждением и

использования рекуперации тепловой энергии выхлопа для подогрева воздуха перед камерой сгорания. Вместе с тем, перспективной является технология турбоэлектрического аэродвижения с применением СП генераторов и СП электродвигателей для привода

Рис. 5

малошумящих тяговых винтов (рис. 5), выдвинутая в МАИ с участием автора в 1993г. и интенсивно разрабатываемая в США в настоящее время. Применение схемы "турбина-электрогенератор-электродвигатель-движитель" вместо традиционной "двигатель-редуктор-движитель" обеспечивает снижение расхода топлива, выбросов оксида азота, уменьшение шума и

вибраций, гибкость компоновки. Большинство современных пассажирских лайнеров снабжено авиадвигателями с высокой степенью двухконтурности, характеризующей скорость выхлопных газов, уровень шума и расход топлива. Большая часть мощности, произведенной двигателем, расходуется на вращение вентилятора, создающего основную долю тяги. Момент и частота вращения в турбине жестко связаны между собой, поскольку вентилятор и турбина расположены на одном валу, что исключает выигрыш в эффективности при управлении за счет изменения частоты. Турбины обладают большей эффективностью и плотностью мощности при высоких оборотах. Ограничением по частоте вращения является линейная скорость кромок лопастей вентилятора. Она не должна превышать скорость звука за исключением предельных режимов, таких как взлёт. В концепции турбоэлектрического аэродвижения каждый ВТСП генератор механически связан с турбиной, тогда как движитель - пропеллер или вентилятор - соединен с генератором через ВТСП электродвигатель. Исключение жесткой связи между моментом и частотой вращения обеспечивает гибкость управления. Подобная архитектура совместима с концепцией распределённых движителей, когда тяга создается несколькими двигателями, встроенными в фюзеляж или крыло. Схема может быть реализована посредством удаленного подключения нескольких электродвигателей к одному мощному генератору. Эта концепция также удачно вписывается в структуру полностью электрифицированного самолета, где весь гидро- и пневмопривод должен быть заменен электроприводом.

3. Криогенный электропривод на базе ВТСП машин малой и средней мощности. Успехи в разработке объемных ВТСП материалов и композитов на их основе открывают возможности для применения СП машин не только мегаваттного класса, но двигателей малой и средней мощности в системах электропривода, что является абсолютно новым направлением их применения, предложенным автором. К ним относятся СП электродвигатели гистерезисного и реактивного типов и электродвигатели с постоянными магнитами и ВТСП элементами на роторе. Криогенное охлаждение статора с резистивной обмоткой и применение ВТСП материалов в роторе позволяет существенно увеличить предельную мощность машин (в 5...6 раз для гистерезисных и в 1,5...2 раза для реактивных машин и электродвигателей с постоянными магнитами и ВТСП элементами ротора при азотном охлаждении), а также энергетические параметры {КПД -0,9 и cos <р~0,9).

Третья глава посвящена проектным методам расчета синхронных машин с СП обмоткой возбуждения, которые характеризуются существенными отличиями в конструкции из-за наличия системы криостатирования, отсутствия магнитопровода индуктора и магнитных зубцов якоря, зачастую имеют

подшипники, расположенные в теплой зоне и т.д., что делает каждую СП электрическую машину индивидуальной.

В данной главе выдвинута концепция бортовой машины с рейстрековой СП обмоткой возбуждения, криоэкраном электромагнитной защиты обмотки от несинхронных полей якоря, беззубцовой кольцевой обмоткой статора на стальном сердечнике (рис. 6).

Рис. 6. Расчетная схема СПСГ

1 -СПОВ; 2 - демпферный экран индуктора; 3 - вакуумная изоляция ротора; 4 - криоэкран индуктора; 5 - крноагенг; 6-ферромагнитный сердечник статора; 7 - пассивная часть кольцевой обмотки статора; 8 - активная часть кольцевой обмотки статора; 9 - экранирующие оболочки пассивной части кольцевой обмотки

При решении важнейшего вопроса проектирования — определения главных размеров машины - предложено использовать модифицированное уравнение Арнольда, в котором вместо индукции Д? в воздушном зазоре и линейной нагрузки А якоря, определяющих магнитную и тепловую нагрузки обычной электрической машины, использованы более подходящие плотности тока в обмотках индуктора jf и якоря ja СП машины, как ограничивающие параметры.

рв,пл ' \jriM,

где ^-расчетная мощность машины, САТ и CASC -постоянные Арнольда традиционной и сверхпроводниковой машин соответственно, п - частота вращения ротора, А - конструктивный коэффициент машины.

В приближении токовых слоев обмоток при двумерной постановке задачи в полярной системе координат {г, <р\ соответствующей центральной части машины с применением метода гармонического анализа Фурье, разработаны методы проектного расчета индуктивных параметров рейстрекового СП индуктора. Так, в частности, собственная индуктивность СПОВ на единицу длины рассчитывается по известному выражению, которое с учетом введенных допущений имеет вид

2 prf г"г 2

Lf =——- \Af(r,<p)Jf(V)cos <pd<p = /j0wf Яг

'г о

где р — число пар полюсов; /у, І/, А{, ^ - соответственно средний радиус, ток, векторный потенциал магнитного поля и линейная плотность тока СПОВ; ! -число витков на полюс обмотки, Л./ = - магнитная проводимость

потока самоиндукции СПОВ. Для составляющих Я/о и которые

характеризуют соответственно магнитную проводимость без внешнего стального экрана и обусловленную влиянием экрана на обмотку, получены простые конечные аналитические выражения.

Взаимная индуктивность СПОВ и фазы якоря

2 р

я! р

1а1/ о

Здесь га, 1а, - соответственно средний радиус, ток и линейная плотность тока

обмотки якоря, ^ар- число витков обмотки якоря на полюс и фазу;

^•а/ — А?О + Ли - магнитная проводимость для потока взаимной индукции

СПОВ и фазы якоря. Смысл составляющих А) о и Ли аналогичен введенным проводимостям для потока самоиндукция СПОВ, а выражения для них также получены в аналитической форме.

Для тепловой и электромагнитной защиты СП индуктора от- несинхронных низкочастотных и высокочастотных полей якоря в нем предусмотрена система коаксиальных цилиндрических оболочек. Оболочки нагреваются при протекании вихревых токов, их физические свойства меняются, а распределение температуры в них имеет трехмерный характер. При импульсном режиме работы машины электромагнитный экран предложено размещать в зоне криостатирования СПОВ. Для этого случая решен комплекс сопряженных задач совместного расчета тепловых и электромагнитных процессов в таком криоэкране, охлаждаемом криоагентом, при стационарном и нестационарном воздействии внешнего магнитного поля и различных режимах охлаждения. Получены как аналитические решения для распределений температурных и токовых полей в криоэкране, так и исследовано его влияние на процесс форсированного возбуждения с применением интегро-дифференциальных уравнений, что позволило выявить солитонные волны температуры и плотности индукционного тока в экране, магнитное поле которого существенно размагничивает поле в зоне обмотки якоря, замедляя возбуждение машины (рис. 7).

д1 ' а(Т,В)

а(т,в) 2л ¡а ^^ л

Здесь г, (р, /-соответственно радиальная, угловая и временная координаты; а, Т- линейная плотность тока в экране, его удельная электропроводность и

Рис. 7

выходную мощность. В многочисленных работах, выполненных в РФ и за рубежом рассмотрены конструкции и методы расчеты беспазовых барабанных, спиральных, концентрических и др. обмоток якоря, но длина вылета лобовой части у них сопоставима с размерами линейной рабочей части обмотки. В этой связи предложена кольцевая обмотка якоря с дополнительными экранирующими оболочками (рис. 6) для снижения реактансов.

С использованием известных решений задачи для векторного магнитного

потенциала А(0,0,А-(г,(р)) токового слоя, расположенного в немагнитном зазоре между коаксиальными ферромагнитными и диамагнитными цилиндрами с /лг=соп5( получены аналитические соотношения для основной гармонической векторного потенциала линейных частей кольцевой обмотки, а на их основе найдены индуктивности активной Ьа и пассивной Ьр частей обмотки, расположенных на радиусах га и гр

Рис. 8

соответственно (рис. 8), по соотношению ^а(р) ~ ^а(р) I 'а

Потокосцепления

эй

активной та и пассивной 1 р -частей обмотки при двухмерном характере распределения магнитного поля определяются по соотношению

^„гы = К™. <{¿-(11 = кыА1

а(р) а а Т а а и з

температура; С((р, <р') -функция влияния; Аа— векторный потенциал магнитного поля, воздействующего на криоэкран; В¡, К„ Ят — соответственно критерии Био, Кирпичева и магнитное число Рейнольдса.

Генераторы со СП индуктором имеют обмотку якоря без стальных зубцов, насыщение которых в машинах обычной конструкции снижает

^ а> § 6

40 т а

2 а » х

Е—< (71

где Ао - амплитудное значение векторного потенциала при <р=к/2р, рассчитанное на радиусе га или гр цилиндрической поверхности, на которой распределен токовый слой; / -аксиальная длина линейной части обмотки.

Проведенная оценка реактансов пассивной части кольцевой обмотки и потерь в проводящих экранирующих оболочках в приближении токовых слоев в зависимости от толщины обмотки и числа пар полюсов (рис. 9) показала, что наименьшей индуктивностью и потерями в экранирующих оболочках обладает конструктивная схема с двойным электромагнитным экранированием пассивной части, для которых найдены аналитические выражения

Р = Р

1 (п,

( л^П-г

¿„ =

2 Р

г \ -р / \ 2 р

г I Гп \

1- 1- —

г 1 1

\ р /

[1-

2 Р

2яр

гР I

ч2 р

]2

[1-

Тр , где - "

Ктфм>а1акаУ

Здесь РК и Р„ - соответственно потери во внешней и внутренней оболочках, /г и а — толщина и электропроводность соответствующей оболочки, ка — обмоточный коэффициент.

1 - экраиирошлие внутренней 2 - ->кремирование внешне« оболочкой , Д - двойное лсриимроаание/

/

А • / / / < /

/ г -2

// ' / ' / / ' / / >

г Г / / у Л

и

/ А, --Р-2 - -р-3

0,1 0,2 0,3 0,4

0,1 0,2 0,3 0,4 Д

Рис.9

Сопоставительный расчет выходных характеристик генераторов с различными типами обмоток статора в приближении линейности магнитной цепи СП

машины позволил заключить, что кольцевая обмотка с двухсторонним электромагнитным экранированием обеспечивает характеристики, близкие к аналогичным для генератора с барабанной обмоткой якоря. При практически равной массе она на 30% короче барабанной за счет отсутствия лобовых частей. Также важно отметить ее технологичность и надежность при высоких выходных напряжениях генератора.

Экспериментальное определение индуктивных параметров генератора с рейстрековым индуктором и кольцевым якорем, выполненное на «теплом» макете, показало хорошее совпадение расчетных и опытных данных (в пределах 20%) в рамках проведенного эксперимента и допущений, принятых при построении расчетной математической модели.

По программе исследований, связанных с разработкой СП генератора для АЭУ атмосферного ЛА на водородном топливе в АКБ «Якорь» совместно с кафедрой 310 МАИ был разработан и изготовлен макет генератора "Аргон-1" мощностью 780 кВА с криопроводниковым якорем из А199д, охлаждаемым жидким водородом, и СП индуктором из №>-Т1 провода, охлаждаемым жидким гелием. Испытания СП генератора на редукторном стенде кафедры 310 МАИ с участием автора показали, что его параметры, полученные по проектным методикам и опытным путем, совпадают в пределах 15%: обмотка якоря симметрична; форма •о 5 ш 15 20 25 и а ЭДС практически синусоидальна;

Риг4 10

характеристика XX линейная (рис. 10); величина ЭДС XX, приведенная к номинальным значениям частоты вращения и тока возбуждения, составляет заданную величину 4,5 кВ.

На основе проведенных расчетно-теоретических и полученных экспериментальных данных выполнены проектные разработки бортового СПСГ повышенной мощности 20 МВА и напряжения ~ 20 кВ с использованием кольцевой обмотки якоря с рейстрековой СПОВ.

Четвертая глава посвящена проектным методам расчета ВТСП гистерезисных электродвигателей (ГЭД). В 1986г. в соединениях лантана была открыта высокотемпературная сверхпроводимость с критической температурой перехода ~30 А", а в 1987г. было установлено, что в купратах иттрия критическая температура составляет 92...94 К, что позволяет использовать для охлаждения ВТСП элементов жидкий азот с температурой кипения 77 К.

Первые ВТСП представляли собой объемные керамические

поликристаллические элементы, из которых нельзя намотать катушку с нулевым сопротивлением. Для генерирования механического момента в МАИ автором впервые было предложено использовать их гистерезисные свойства, т.е. способность перемагничиваться в переменном магнитном поле. Создать такой электродвигатель на базе объемных НТСП практически невозможно из-за низкой теплоты парообразования жидкого гелия и его испарения в результате потерь, выделяющихся в СП роторе при асинхронном разгоне.

Поперечное сечение цилиндрической ВТСП гистерезисной машины показано на рис. 11. Активные элементы из ВТСП керамики могут быть выполнены в виде тонкостенных цилиндров, блоков или пленочных покрытий, имеющих поликристаллическую или монодоменную структуру.

Устройство ВТСП ГЭД Структура ВТСП ротора

Рис. 11

Вращающееся магнитное поле статора, проникая в ВТСП элемент, индуцирует в нем пространственно распределенные межгранульные и внутригранульные токи, которые определяют гистерезисные явления в ВТСП материале. В характерном диапазоне индукции магнитного поля (В=0,3...0,8 Тл), типичном для электрических машин индукционного типа, выбор модели, описывающей гистерезисные процессы, определяется относительной токонесущей способностью ВТСП керамики <?=./,Д/(/5а). Здесь,/, и Js - соответственно плотности межгранульного и внутригранульного токов; Д и а — характерные размеры ВТСП элемента и СП гранулы соответственно. К ВТСП материалам с <£»1 относятся монодоменные иттриевые керамики и соединение MgB2, а ВТСП поликристаллические иттриевые или висмутовые керамики характеризуются параметром ¿¡<<1, причем ротор гистерезисного электродвигателя может быть реализован с объемным ВТСП материалом, как первого, так и второго типа. Механический момент прямо пропорционален гистерезисным потерям в ВТСП материале на один цикл перемагничивания,

которые в свою очередь определяются площадью петли гистерезиса, зависящей от структуры материала и температуры.

При полном проникновении магнитного поля в ротор основное расчетное уравнение ВТСП. ГЭД в зависимости от структуры ВТСП керамики может быть получено в виде:

монодоменный ротор (5>>1) Ds=2^bP¡AK^n)J]Sl,

поликристаллический ротор (£,« 1) Ds = ijp/nA^Xk^jS.a1^ . Здесь Ds — диаметр расточки статора, Р — расчетная мощность электродвигателя, п - частота вращения ротора, ks - коэффициент заполнения СП гранулами активного объема ротора.

Проектные' методики расчета параметров ВТСП ГЭД построены на основе распределений магнитной индукции в рабочей зоне машины и плотности тока в роторе. Эти распределения, а также значения удельных гистерезисных потерь на один цикл перемагничивания в объемных ВТСП элементах определены на основе решения уравнения Лапласа для векторного магнитного потенциала (области без токов) и уравнения Пуассона (токовая зона) с обычными условиями сопряжения на границах раздела сред с различными магнитными проницаемостями. В частности, решение для векторного потенциала эквивалентного токового слоя обмотки статора в воздушном зазоре для первой гармоники можно записать как

2 1LI

где а и с - константы интегрирования, определяемые из последующей сшивки с решениями для А в роторе; 1\-1ттф^а^а1п - множитель для первой гармоники линейной токовой нагрузки; 1т - амплитудное значение тока статора. Решения для зоны ротора и сердечника статора с конечными аналитическими выражениями для констант интегрирования приведены в тексте диссертации.

По распределению магнитного поля в активной зоне ВТСП ГЭД электромагнитные энергия W и момент М электродвигателя определены по соотношениям:

W = \\J ^dv = i L, Д, У sin cpA¿_K dcp = Мо {тфіпм>аКа Jl,R, j-,

2л-

M = RS¡J- Brdv = LSR]J0 Jsin (pB^ dcp = ^L^KaJ^R, ~.

o n

Здесь Ja - п\фІmwaKQ¡KR, - токовая нагрузка статора; Ls- длина машины.

Через энергию и момент по известным соотношениям определяются индуктивные параметры двигателя, механический момент М, гистерезисные потери Qv и мощность на валу.

На основе разработанных теоретических подходов в МАИ разработана, изготовлена и испытана серия гистерезисных двигателей с различными типами

г +

r.

r.

sin^+c

г + -

R

cosp>

ВТСП роторов, работающих при температуре жидкого азота. Первые ВТСП роторы были изготовлены из спеченной керамики УВа2Си30, (УВСО), полученной по методу порошковой технологии, с неориентированными гранулами размером от 3 мкм до Змм и критической плотностью тока в гранулах 20 ... 50 А/мм2. По мере совершенствования технологии изготовления УВСО материалов из расплава на последующих этапах экспериментальных исследований использовались цилиндрические монодоменные ВТСП блоки с радиальной ориентацией оси "с" кристаллитов относительно оси ротора. Экспериментально установлено (рис. 12), что механический момент двигателя не имеет частотной зависимости, тем самым, подтверждая свою гистерезисную природу.

о 20 40 60 ВО 0 10 20 30 40

Рис. 12 Рис. 13

Установлено, что измерения мощности от гистерезисных потерь Р на основе физических методов по петле гистерезиса и измерения по величине механического момента хорошо соответствуют друг другу (рис. 13). Также выявлено самоцентрирование диамагнитного ВТСП ротора, что позволяет делать машину с левитирующим ротором без подшипников.

Для измерения парциальных составляющих гистерезисного вращающего момента от межгранульных и внутригранульных токов в

поликристаллической керамике автором предложен метод на основе сравнения генерируемых моментов двумя роторами -сплошным ВТСП цилиндром и набранным из тонких, электрически изолированных ВТСП колец, изготовленных за один технологический цикл. В первом случае > 0.4 о.« 0.8 1.0 гистерезисный момент создается как

Ток обмотки статора, o.e.

Рис. 14

внутригранульными, так и межгранульными токами. В роторе из отдельных колец момент формируется, главным образом, внутригранульными токами, что позволяет выявить вклад от межгранульных токов (рис. 14). При увеличении амплитуды вращающегося магнитного поля статора, определяемой током обмотки, до точки полного проникновения в ВТСП ротор зависимость гистерезисных потерь (и момента на валу) имеет кубический характер, а затем переходит в линейную зависимость. Предельные значения выходной мощности и cos (р соответствуют плотности критического тока ~25 А/мм2 в монодоменной керамике, характеризующей полное проникновение магнитного поля в ВТСП элемент. При этом коэффициент мощности ВТСП ГЭД лежит в пределах cos <р=0,2...0,3.

Накопленный опыт при создании серии гистерезисных ВТСП электродвигателей мощностью до 100 Вт позволил перейти к разработке машин большей мощности с роторами из монодоменной ориентированной иттриевой керамики (до 4 кВт), листового композита из висмутовой керамики (до 1 кВт) с напряжением питания промышленной и бортовой частоты. Одно из возможных применений таких машин - электропривод погружных криогенных насосов. В частности, на базе двигателя мощностью 500 Вт разработана, изготовлена и испытана криогенная помпа для перекачки жидкого азота. С понижением температуры критический ток в ВТСП существенно увеличивается, а петля гистерезиса расширяется, что приводит к увеличению предельной мощности гистерезисных ВТСП двигателей. Установлено, что выходная мощность исследуемых двигателей при снижении температуры с 77 К до 66 К возрастает примерно на 50%. Таким образом, применение более низкокипящих криоагентов (водород, неон) перспективно для ВТСП электродвигателей погружной конструкции с точки зрения увеличения удельной мощности при условии промагничивания ротора, поскольку критические параметры СП материала увеличиваются с понижением температуры, а гистерезисные машины характеризуются высокой реактивной составляющей тока статора, и, соответственно низким значением коэффициента мощности, не превышающим 0,3.

Пятая глава посвящена разработке проектных методик расчета ВТСП реактивных электродвигателей (ГОД), предложенных с участием автора в МАИ с целью улучшения энергетических показателей обычных реактивных электромоторов, обладающих более высоким коэффициентом мощности по сравнению с гистерезисными машинами. Момент на валу РЭД определяется отношением реактансов X¡¡ и Хч по продольной d и поперечной q осям машины

i-i

где Шф - число фаз обмотки статора, U - приложенное к ней напряжение, О -угловая частота вращения ротора, в — рабочий угол машины.

Реактансы в свою очередь определяются магнитными проницаемостями вдоль этих осей. Их различие в традиционных РЭД достигается за счет

i í л mJJ1

2qxd

sin 20

использования в композитном роторе чередующихся магнитных и немагнитных материалов. Замена последних на диамагнитные ВТСП элементы позволяет реализовать существенно большие отношения магнитных проводимостей по осям (¡иди улучшить энергетические параметры машины.

Основные схемы двух- и четырехполюсных ВТСП ГОД со слоистым композитным ротором представлены на рис. 15. Вдоль стальных пластин реализуются ферромагнитные свойства ротора с относительной магнитной проницаемостью ¡л^ »1, а вдоль поперечной оси - диамагнитные с цч < 1.

Построение проектных методик основано на решении двумерных электродинамических задач о распределении магнитного поля в активной зоне, поскольку, несмотря на наличие ферромагнитных элементов ротора, ВТСП диамагнитный материал вносит существенные искажения в полевую структуру.

спинка стато обмотка ВТСП сталь

Рис. 15

б)

Распределение магнитных полей в, значения индуктивных коэффициентов и механического момента ВТСП ГОД различных конструктивных схем в двумерной постановке задачи определяются на основе решения системы уравнений Максвелла, которая, в частности, для зоны анизотропного ротора в декартовой системе координат {х,у}, может быть сведена к нелинейному

эллиптическому уравнению относительно векторного потенциала А(0,0, Аа).

д_ дх

дх

ду

Мя ду

= 0

Его аналитическое решение получено в виде

А* =

МоА

тсоэ2 х + /шп2 у -/]зіп^ + (т- л)зіп2усо8^}5

4

где АД = —2—--; т, п, I - определяющие параметры задачи, у - угол между

яй,

вектором тока и его составляющей по оси с1. Аналитические решения задачи

для двигателей с поликристаллическими и монодоменными ВТСП пластинами в роторе в активной зоне машины и полученные на их основе соотношения для определения индуктивных параметров приведены в тексте диссертации и позволяют производить проектный расчет и построение основных рабочих характеристик электродвигателя.

Основные расчетные уравнения для РЭД с различным типом ВТСП керамики имеют вид:

- двигатель с монодоменными пластинами ротора D, = з

- двигатель с поликристаплическими пластинами ротора

2 txj> f1+M

к-XfB; 1 J

D. =

2

Таблица 1.

Параметры экспериментальных ВТСП РЭД

ПараметрФазмер расточки статора 042x145 062x80 062x160 0 130x75 0130x325

Номинальная мощность кВт 2 5 10 25 100

Число фаз (т^ 3 3 3 3 3

Частота питания (і) Гц 50 50 50 50 50

Фазное напряжение питания (Ui) В 220 220 220 220 220

Число пар полюсов (р) 1 1 1 1 1

Рабочий зазор (3) мм 0,75 1,1 1,1 1,5 1,5

Число пазов статора Ы 18 24 24 36 36

Диаметр расточки статора СД) мм 42 62,7 62,7 130 130

Внешний радиус статора (RJ мм 42,3 59 59 122,5 122,5

Активная длина статора (1J ми 145 80 160 75 325

Число витков ф азы м 270 264 132 144 36

Коэффициент мощности (cos р) 0,783 0,887 0,917 0,7 0,85

Коэффициент полезного действия (*) 0,912 0,979 0,985 0,95 0,92

Полная масса двигателя (14) кг 7 9,75 15,3 25 78

Удельная масса кг/ кВт 3,5 1,95 1,53 1 0,78

Результаты численных расчетов ВТСП РЭД в пакете прикладных программ QUICK FIELD для частичной оптимизации активной зоны

реактивных ВТСП электродвигателей с различной степенью ламинированное™ ротора показали, что расположение в роторе более 6 керамических пластин нецелесообразно. Их увеличение снижает толщину, и, соответственно, механическую прочность, а дальнейшее снижение магнитной проводимости по оси q практически не происходит.

На основе созданных теоретических моделей и расчетных программ спроектирована, изготовлена и испытана серия экспериментальных ВТСП реактивных электродвигателей мощностью 1...100 кВт, основные параметры которых приведены в таблице 1.

ВТСП электродвигатели мощностью до 10 кВт имеют погружную конструкцию и вертикальное расположение вала, роторы содержат 4 или 6 пластин монодоменной иттриевой керамики. Установлено, что при охлаждении жидким азотом предельная плотность тока для обмотки статора составляет -40 А/мм и ограничена её допустимым перегревом. Выходная мощность РЭД увеличивается с ростом напряжения питания, а коэффициенты мощности и полезного действия падают, что обусловлено увеличением тока обмотки, а значит электрических потерь в ней и потерь на перемагничивание в магнитопроводе статора. Использование в композитном роторе ВТСП элементов позволяет повысить предельную мощность РЭД в 1,5... 1,7 раза. Значения коэффициентов мощности и полезного действия двигателя при одинаковом напряжении питания с установленными ВТСП элементами в роторе выше, чем при их отсутствии. Установлено, что понижение температуры с уровня 77 К на 11 К позволяет поднять выходную мощность 5-ти киловаттного двигателя в 2 раза и повысить его коэффициент мощности и КПД. При этом расхождение опытных и расчетных данных не превышает 10%.

ВТСП электродвигатель мощностью 25 кВт имеет горизонтальное расположение вала, прокачное охлаждение жидким азотом. Он представляет собой единичный модуль для формирования на его базе машины мощностью 100 кВт (рис. 16).

а)

Рис. 16

б)

Его сердечник статора содержит четыре секции магнитопровода (рис. 16а) с

осевыми зазорами 9 мм между ними для улучшения охлаждения статорной обмотки, имеющей большую относительную длину (конструктивный коэффициент Я=і/Д=2,5) для снижения вклада индуктивных сопротивлений рассеяния за счет лобовых частей машины.

Испытания двигателя на горизонтальном стенде проводились в динамических режимах при вращении ротора машины под нагрузкой, а также в квазистатических режимах с неподвижным ротором. Результаты испытаний в квазистатическом режиме представлены на рис. 17. Сравнение угловых зависимостей мощности двигателя с ВТСП ротором (рис. 17 а) и ротором обычного исполнения (рис. 17 б) показывает, что использование ВТСП объемных элементов практически удваивает выходную мощность реактивного

140000

Р. Вт

120000 -

юоооа

60000

40000

50 100 '.50 200 250 I. А

Г)

Рис. 17

электродвигателя. Рис. 17 в,г иллюстрируют зависимости мощности Р, cosq> и КПД от тока статора, полученные при динамических испытаниях и численными методами при различных значениях фазных напряжений. Сплошные линии соответствуют расчетным значениям, точки - опытным данным. Сопоставление теоретических и опытных параметров ВТСП двигателя мощностью 100 кВт показало их хорошее соответствие.

Известно, что при температуре жидкого азота Т=77 К наилучшими токонесущими свойствами обладают ВТСП керамики на основе соединений иттрия. Однако при переходе к водородному уровню с Т=20 К могут оказаться

140000

Р. Bl

120000

1QC00D

есооо

6С000

4COOD

2(5000

ПН

0.80,60.40.20 -

перспективными по технологическим и стоимостным показателям другие объемные и композитные ВТСП материалы, в частности, висмутовые керамики и диборид магния.

В связи с этим автором предложен и проведен цикл экспериментальных исследований криогенных РЭД с ВТСП роторами из соединений , У123 и композита В12223/А§ с целью изучения влияния различных СП материалов на выходные параметры криогенной электрической машины в температурных диапазонах Т=77 К и Т=15...20К(рис. 18).

ruoiuср*мN2 при7? К MgB2 romBL Sr. Са^Си 0„„

2 2 2 3 10

Испытания при Т=77К: Р2тах р1а51=200Вт, P2maxYi 23=500 Вт, Р2тахвт2з=350Вт Результаты испытаний при Т=15...20К

Ротор с Y123 Ротор с Bi2223/Ag Ротор с MgB2

♦ - КПД г}, * - мощность Р, - коэффициент мощности cos (р

Рис. 18

статора

Проведенный цикл показал, что переход на водородный уровень позволяет вдвое улучшить удельные энергетические параметры РЭД по сравнению с азотным уровнем, что перспективно для развития водородной энергетики и аэрокосмической техники. При этом М§В2 является самым привлекательным по стоимости (в три раза дешевле иттриевой керамики) и времени синтеза (несколько часов, а не неделя, как для У123), а листовой ВТСП

композит ЕИ2223/А£ - самым технологичным. Его свойство деформироваться без потери токонесущих свойств позволяет разрабатывать 4-х полюсные РЭД.

Наиболее целесообразно применять СП электрические машины там, где низкие температуры формируют окружающую среду, то есть в криогенной технике. Одним из возможных их применений является электропривод топливных насосов на летательных аппаратах с криогенным топливом. В связи с этим в рамках договора 5/Р 974241 для топливной помпы криоплана ТУ-]55 в МАИ по инициативе автора и при его непосредственном участии был разработан 4-х полюсный ВТСП РЭД с листовыми композитами В$ССО/А% в роторе. На рис. 19 приведены внешний вид ВТСП ротора, помпы и результаты экспериментальных исследований.

■ Р , кг/с»^ гидр

V п-3000 + П=8000 мин-1 □ п=9000 мин-1 і о п= 10600 мин~* ▲ п= 12000 МИН"4

I <2 , л/мин

О 20 40 60

Рис. 19

6000 9000 12000

Замена штатного асинхронного двигателя на ВТСП реактивный электромотор позволила снизить как осевые размеры изделия, так и массу, что существенно для аэрокосмического оборудования.

Шестая глава посвящена разработке проектных методик синхронных ВТСП электрических машин с постоянными магнитами (ПМ). Среди электромеханических преобразователей традиционного исполнения синхронные машины с ПМ обладают наилучшими массоэнергетическими показателями из-за отсутствия затрат энергии на возбуждение. Дальнейшее улучшение этих показателей возможно путем применения криогенного охлаждения статора и объемных или пленочных ВТСП элементов в роторе, которые могут использоваться как высокоэнергетические криомагниты, а также как диамагнитные элементы композитного ротора.

ВТСП

р

1.5 1.0 0.5

20

Л

2п

б)

Влияние ВТСП элементов в роторе электромагнитной мощности

на угловую зависимость

2Х,

X.,

-1

вт 26

' э м эо "г •* эд

для явнополюсной (рис. 20а) и неявнополюсной (рис. 206) синхронных машин характеризуется двумя факторами.

Индуктивные сопротивления машины по осям <1 существенно зависят от структуры ротора, и использование в его составе диамагнитных массивных

N(1

ВТСП

- сВТСП

--без ВТСП

ВТСП элементов позволяет заметно менять их соотношение. При понижении температуры ниже критической (Г <ТК) поле магнитов ротора «вмораживается» в керамический ВТСП элемент, а сам элемент приобретает диамагнитные свойства. Это позволяет экранировать ротор от магнитных полей якоря, снизить величину Xd и увеличить мощность Я, неявнополюсной машины. В явнополюсной машине ВТСП элементы при Т<ТК существенно уменьшают магнитный поток якоря вдоль оси q, что также приводит к увеличению вращающего момента.

Ввиду наличия в составе ротора ВТСП элементов необходимо более корректно задавать значение индукции в зазоре, что требует решения соответствующих электродинамических задач.

Расчет магнитных полей в активной зоне комбинированного ВТСП СД и его электромагнитных характеристик проводится на основе решения двухмерных электродинамических задач, описываемых системой уравнений Максвелла. При этом общее решение задачи сводится к решению соответствующих эллиптических уравнений Лапласа (или Пуассона) для векторного потенциала А (ОДЛ) в каждой зоне СД с последующей сшивкой решений на границах зон с различными магнитными проницаемостями.

В расчетной схеме поперечного сечения активной зоны явнополюсного ВТСП СД намагниченная оболочка из ПМ или ВТСП моделируется вектором намагниченности М{0, Му}, направленным вдоль оси у и постоянным во всем объеме. При расчете магнитного поля в активной зоне СД выделяются три области с различными магнитными свойствами: композитный ротор с анизотропной магнитной проницаемостью ^ir[fixr,fiyr)\ оболочка из ПМ и

воздушный зазор. На рис. 21 приведены основные уравнения и энергетические соотношения ВТСП СД с ПМ.

Рис. 22 иллюстрирует расчетные угловые характеристики трехфазного явнополюсного ВТСП СД с ПМ в роторе мощностью ~ 5кВт, полученные на основе разработанных проектных методов. Магнитный момент оболочки комбинированного ротора задавался равным М = 0,51 (f А/м, что соответствует современным РЗМ магнитам и криомагнитам на основе монодоменных иттриевых керамик при температуре 77 К. При принятых исходных данных обеспечивается недовозбужденный режим работы двигателя с ео=0,48. Расчеты проведены при различных значениях относительной магнитной проницаемости (ps~0, /xs-0,5 и Hs=l) иттриевой керамики ВТСП пластин в слоистом сердечнике ротора.

Видно, что использование в роторе ВТСП керамики с высокими диамагнитными свойствами (—> 0) позволяет существенно увеличить электромагнитную мощность комбинированного ВТСП СД по сравнению с двигателем, композитный ротор которого имеет наряду с ферромагнитными имеет слои из немагнитного материала. Так, например, при максимальных значениях коэффициента мощности cos<p ~ 0,8 мощность ВТСП СД с ц$=0 в 1,6 раза превышает мощность двигателя с

II Основные уравнении

rot К = Ist(r - Rs)sin ф div я - о B = fiT + M

Л"- магнитный момент ротора

<■-(?;) М=(Мг;0) Граничные условия

[Яг]>0 [Вг] = 0 ГЄЯ, М-h [Brh° г-ъ

Распределение магнитного поля в роторе

4s =сгу + с2х

= f(MF,,№Mo.Ps.Ks)

III Основные энергетические соотношения

fo

■ ІРх - w (m-n)-im(l/)

Pa A

'S —+ 6-arctg\-

I2

і» . . . Д(якв-іь) + XjsinB

cas-q>=car -+e~arctg —Ц-—i-

'2 [ X„(case-sa)-Rsine

_ fi-x + l w_ A- + '

_PS ~ 1

Ірх + І

Ps-j; "SC ^

I Конструктивная схема ВТСП двигателя

Структура зоны ротора

Рис. 21

Рис. 22

На основе разработанных методов проектного расчета параметров и выходных характеристик машины рассчитан, спроектирован и изготовлен экспериментальный образец комбинированного ВТСП СД номинальной мощностью 5кВт с сегментами из РЗМ на роторе. Его внешний вид, расчетные угловые характеристики КПД, коэффициента мощности, тока статора, индукции в зазоре и выходной мощности на валу, а также сопоставление расчетных и экспериментальных токовых характеристик показаны на рис. 23. Их хорошее совпадение с расчетными зависимостями свидетельствует о достаточно высокой точности разработанных проектных методов расчета.

Угловые а) и токовые б) характеристики при 0220В, Е, /11=0,62

Двигатель в сборе

Л

А

X

о.о -1 о -

о за ьо Л

а)

б)

Рис. 23

Заключение

Основные результаты диссертационной работы

1. В работе выполнен системный анализ отечественных и зарубежных синхронных сверхпроводящих электрических машин, создана классификация типов существующих конструктивных решений по виду применяемых сверхпроводников (провода, объемные элементы или листовые композиты).

2. Созданы и защищены авторскими свидетельствами новые конструкции криогенных электрических машин с объемными ВТСП элементами, работающие при температуре жидкого азота с использованием гистерезисных и диамагнитных свойств сверхпроводников, а не нулевого сопротивления, как в традиционных СП электрических машинах со сверхпроводящей обмоткой возбуждения.

3. Разработаны методики проектного и поверочного расчета бортовых синхронных генераторов с НТСП индуктором, гистерезисных ВТСП электрических машин, ВТСП реактивных электродвигателей и ВТСП синхронных электромоторов с постоянными магнитами.

4. Выполнены исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию макетных образцов:

- бортового синхронного генератора мощностью 780кВА, частотой вращения 12000 мин1, с НТСП индуктором и криопроводниковым якорем;

- гистерезисных ВТСП электродвигателей в диапазоне мощности 100...4 ООО Вт с частотой питающей сети 50 Гц и 400 Гц с объемными элементами из УВСО и листовыми композитами из ВБССОМ^;

- ВТСП реактивных электродвигателей в диапазоне мощности 1 ...100 кВт с частотой питающей сети 50 Гц и 400 Гц с объемными элементами из УВСО, листовыми композитами из BSCCO/Ag и объемными элементами из 1У^В2; -ВТСП электромотора с постоянными магнитами и объемными элементами из УВСО мощностью 5 кВт с частотой питающей сети 50 Гц. Перечисленные

типы ВТСП электрических машин надежно работают в среде жидкого азота с температурой кипения 77к.

5. Полученные результаты по разработанным методикам проектного и поверочного расчетов бортовых синхронных генераторов с НТСП индуктором и новых типов ВТСП электрических машин согласуются с экспериментальными данными в пределах 11 ...15%.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Ковалев Л.К., Ковалев K.JL, Конеев С.М.-А., Пенкин В.Т., Полтавец В.Н. Электромеханические преобразователи на основе массивных высокотемпературных сверхпроводников. - М.: МАИ, 2008. -440с.

2. Ковалев JI.K., Ковалев K.JL, Конеев С.М.-А., Пенкин В.Т., Полтавец В.Н., Ильясов Р.И., Дежин Д.С. Электрические машины и устройства на основе массивных высокотемпературных сверхпроводников.-М.: ФизМатЛит, 2010 -396с.

Статьи в изданиях по перечню ВАК:

3. Ковалёв Л.К., Пенкин В.Т. Расчёт характеристик теплового экрана синхронного генератора с низкотемпературным охлаждением ротора // Авиационная промышленность.-1987- № 4. - С.25-28.

4. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T. Cryoturbogenerator toroidal armature // IEEE Trans, on Magnetics - 1992-Vol.28.-No.l, P.299-302.

5. Ковалев Л.К., Илюшин K.B., Пенкин B.T., Ковалев К.Л. Гистерезисные электрические машины с ротором из высокотемпературных сверхпроводников // Электричество-1994. - № 6. - С.31-44.

6. Ковалев Л.К., Пенкин В.Т., Ковалев К.Л., Полтавец В.Н., Егошкина Л.А., Семенихин B.C., Модестов К.А., Вильданов К.Я., Александров В.В., Гавалек В. Многодисковый гистерезисный электродвигатель на основе высокотемпературных сверхпроводников // Электричество-1998. - N° 9-10. -С.4-15.

7. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T., Poltavets V.N., Kovalev K.L., Semenikhin V.S., Larionoff A.E., Gawalek W., Oswald В., Habisreuther T. Hysteresis Electrical Motors with Bulk melt-textured YBCO // Material Science & Engineering. - 1998. - Vol. B-53. - P. 216-219.

8. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Koneev S.M.-A., Penkin V.T., Kovalev K.L., Poltavets V.N., Gawalek W„ Habisreuther Т., Oswald В., Best K.-J. Hysteresis and Reluctance Electric Machines with the Bulk HTS Rotor Elements. Recent Results and Future Development // IEEE Trans, on Applied Superconductivity. - 1999. -Vol.9. - No.2. - P. 1261 - 1263.

9. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T., Kovalev K.L., Koneyev S.M.-A., Modestov K.A., Larionov S.A., Gawalek W., Oswald B. Electric Machines on the Basis of the Bulk HTS Elements. State of the Art and Future Progress // Supraleitung und Tieftemperaturtechnik Tagungsband zum 7 Statusseminar. -

2000. - P. 603-608. - 14-15 December, Garmisch-Parten-Kirchen, Deutschland.

10. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T., KovalevK.L., Koneyev S.M.-A, Modestov K.A., Larionov S.A., Gawalek W., Oswald B. HTS electrical machines with Bi-Ag composed plate-shaped rotor elements // Supraleitung und TieftemperaturtechnikTagungsband zum 7 Statusseminar- 2000. -P. 498-503. -14-15 December, Garmisch-Parten-Kirchen, Deutschland.l

11. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T., KovalevK.L., Koneyev S.M.-A., Modestov K.A., Larionov S.A., Gawalek W., Oswald B. Hysteresis and reluctance electric machines with bulk HTS elements. Recent results and future development // Superconducting Science and Technology - 2000. - Vol.13. - P. 498-502.

12. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T., KovalevK.L., Koneyev S.M.-A., Modestov K.A., Larionov S.A., Gawalek W., Oswald B. HTS electrical machines with YBCO bulk and Ag-BSCCO plate-shape HTS elements: recent results and future development // Physica C. - 2001. - Vol.354. - P. 34-39.

13. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T., Kovalev K.L. Koneyev S.M.-A., Modestov K.A. Larionov S.A., Gawalek W., Oswald B. Electrical machines with bulk HTS elements. The achieved results and future development // Physica C. - 2001. -Vol.357-360. - P.860-865.

14. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T., KovalevK.L., Koneyev S.M.-A., Modestov K.A., Larionov S.A., Akimov I.I., Dew-Hughes D. HTS electrical machines with BSCCO/Ag composite plate-shaped rotor elements // Physica C. -2002. - Vol.372-376. - P. 1524-1527.

15. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Kovalev K.L., Penkin V.T., Koneyev S.M.-A., Poltavets V.N., Akimov I.I., Gawalek W., Oswald В., Krabbes G. High output power electric motors with bulk HTS elements // Physica C. - 2003. - Vol.386. - P. 419423.

16. Penkin V.T., Kovalev L.K., Ilushin K.V., Kovalev K.L., PoltavetsV.N., Akimov I.I., Logviniouk V.P., Verzhbitsky L.G., Trifonov Ye.Ye., Dew-Hughes D. A development of the Pump for Liquid Cryogen with HTS Electrical Drive // Superconductor Science and Technology. - Vol. 17- Issue 5. - 2004- S460 -S464.

17. Penkin V.T., Kovalev L.K., Ilushin K.V., Kovalev K.L., Poltavets V.N., Koneyev S.M.-A. Modestov K.A., Gawalek W., Prikhna T.A. and Akimov I.I. An experimental investigation of the reluctance electrical drive with the bulk superconducting elements in the rotor at temperature below 20 К // Journal of Physics: Conference Series. -Vol.43- 2006- P.792-795.

18. Альтов B.A., Дежин Д.С., Кавун Ю.Ю., Ковалев К.Л., Ковалев J1.K., Пенкин В.Т. Сверхпроводниковые технологии в электромеханических преобразователях энергии // Электричество. - 2009. №5. - С.27-37.

Другие печатные работы:

19. Пенкин В.Т., Илюшин К.В. Индуктивные параметры кольцевой обмотки якоря синхронного генератора. — Сборник трудов МАИ - 1989.

20. Ковалев JI.K., Егошкина Л.А., Пенкин В.Т. Гистерезисные машины с

керамическим ротором // Сб. трудов МАИ: Электромеханические и электромагнитные устройства генерирования и преобразования электроэнергии. М.: МАИ. - 1992. - С.45-54.

21. Kovalev L.K, Ilushin K.V., Penkin V.T., Kovalev K.L., Shikov A.K., Kazakov E.G., Vargin V.A., Kostukevich V.A. HTS Hysteresis Electric Machines with High Temperature Superconducting Rotor // Proceeding of the 1993 MAI/BUAA International Symposium on Automatic Control.-M.: MAI.-Yaropolets.- 1993 - Part 2.-P. 201-204.

22. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T. High temperature superconductors implication for electromachinary // Proc. of 7-th Int. Workshop on critical currents in superconductors. Jan.24-27. -1994, Alpbach, Tirol, Austria.

23. Илюшин K.B., Ковалев JI.K., Пенкин B.T. Применение объемных высокотемпературных сверхпроводников в электромеханических преобразователях // Международный журнал «Сверхпроводимость: исследования и разработки», 1995. - № 5-6. - С.

24. Kovalev L., Ilushin К., Penkin V., Kovalev К. The Present Day State of the HTS Hysteresis Machines Research // Proceeding of the Third MAI/BUAA International Symposium on Automatic Control.-Beijing.-China.-Nov.l-2 - 1995.-P. 201-204.

25. Kovalev L.K., Ilushin K., Penkin V.T., Kovalev K.L., Semenikhin V.S., Larionoff A.E. Series of Hysteresis Motors with the Rotors Containing the Bulk HTS elements // Proceedings of European Ceramic Society Fourth Conference (RICCIONE), Riccione, Italy, 1995.-Vol.7-P. 203-210.

26. Ковалев JI.K., Пенкин B.T. Исследование электромагнитных и тепловых полей в криоэкране индуктора сверхпроводникового синхронного генератора // Международный журнал "Сверхпроводимость: исследования и разработки". 1996.-№7-8.-С. 13-23.

27. Kovalev L.K., Ilushin К.V., Penkin V.T., Kovalev К.Е,., Semenikhin V.S., Poltavets V.N., Larionoff A.E., Gawalek W., Habisreuther Т., Strasser, Shikov A.K., Kazakov E.G., Alexandrov V.V. Hysteresis Electrical Motors with Bulk Melt Textured YBCO // Inst. Phys. Conf. Ser. 140-156.-EUCAS'97.-The Netherlands.-30 June-3 July.-1997.-P. 1515-1518.

28. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T., Kovalev K.V., Modestov K.A., Gawalek W. HTS Motors Design. Recent Results and Future Development // Int. Journal "Superconductivity: research & development". - 1998. - No 9, 10. - P. 6977.

29. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T., Koneev S.M.-A., Kovalev K.L., Poltavets V.N., Gawalek W., Habisreuther Т., Oswald В., Best K.-J. Hysteresis and Reluctance Electric Machines with Bulk HTS Elements. Recent Results and Future Development // Proceedings of EUCAS'99. - Inst. Phys. Conf. Ser. - 1999. - No. 167.-Vol.1-P.1037-1042.

30. Ковалев JI.K., Пенкин B.T., Ларионов C.A., Модестов K.A. Гистерезисные и реактивные электрические машины с объемными ВТСП элементами. Новые результаты и перспективы развития: В сб. докл. V симпозиума «Электротехника 2010 год», Моск. обл., 19-22 октября 1999. - т. II.

31. Ковалев JI.K., Пенкин В.Т., Илюшин К.В., Ковалев K.JL, Егошкина JI.A.

Новые типы сверхпроводниковых электрических машин // Международный журнал "Сверхпроводимость: исследования и разработки". 2002. - №11. - С. 22-34.

32. Kovalev L.K., Ilushin K.V., KovalevK.L., Poltavets V.N., AkimovI.I., Logviniouk V.P., Verzhbitsky L.G., Trifonov E.E., Dew-Hughes D. The Pump for Liquid Cryogen with HTS Electrical Drive //- Proceedings of EUCAS'03. - P.887-890. -Sorrento. - Italy. - 14-18 Sept. - 2003.

33. Kovalev L.K., Penkin V.T., Ilushin K.V., Kovalev K.L., Poltavets V.N., Koneyev S.-M.A., Modestov K.A. Superconducting Machines and Devices on the Base of Bulk HTS. Advanced Studies on Superconducting Engineering. Proceedings of ASSE-2004. Budapest, Hungary 2004. - P. 274-308.

34. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T., Kovalev K.L., Koneev S.M., Poltavets V.N. Electrical Machines with Bulk HTS Elements II Proceedings of the 6-th Int. Symposium Nikola Tesla. -Belgrade, Seitoia. - October 18-20. - 2006. - P.49-52.

35. Ковалев Л.К., Пенкин B.T., Ковалев К. JI., Дежин Д.С. Перспективы использования сверхпроводниковых технологий в электромеханических преобразователях энергии // Известия Академии электротехнических наук РФ. — 2008. — №1. — С.45-63.

Патенты:

36. Патент № 2023341 Российской Федерации. Сверхпроводниковая электрическая машина / Егошкина Л.А., Илюшин К.В., Ковалев Л.К., Пенкин В.Т., Семенихин B.C. // БИ. - 15.11.1994.

37. Патент № 2129329 Российской Федерации. Синхронная реактивная машина / Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Полтавец В.Н., Пенкин В.Т., Егошкина Л.А., Конеев С.М.-А. и др.//БИ. - 20.04.1999.

38. Патент № 2134478 Российской Федерации. Сверхпроводниковая гистерезисная машина / Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Полтавец В.Н., Семенихин B.C., Пенкин В.Т., Ковалев К.Л., Егошкина Л.А. // БИ. - 10.08.1999.

39. Патент № 2159496 Российской Федерации. Синхронная реактивная машина (варианты) / Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Полтавец В.Н., Семенихин B.C., Пенкин В.Т., Ковалев К.Л., Егошкина Л.А., Ларионов А.Е., Конеев С.М.-А., Модестов К.А., Ларионов С.А. // БИ. -20.11.2000.

40. Патент № 2178942 Российской Федерации. Сверхпроводниковая вентильная индукторная машина / Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Полтавец В.Н., Семенихин B.C., Пенкин В.Т., Ковалев К.Л., Егошкина Л.А., Ларионов А.Е., Конеев С.М.-А., Модестов К.А., Ларионов С.А. // БИ. - 27.01.2002.

41. Патент № 2180156 Российской Федерации. Сверхпроводниковая синхронная машина / Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Пенкин В.Т., Полтавец В.Н. и др. // БИ. №6,- 27.02.2002.

42. Патент JV® 41928 Российской Федерации. Сверхпроводниковая синхронная реактивная машина / Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Полтавец В.Н., Семенихин B.C., Пенкин В .Т., Ковалев К.Л., Егошкина Л.А., Ларионов А.Е., Конеев С.М.-А., Модестов К.А., Ильясов Р.И. // БИ. - 10.11.2004.

Личный вклад автора. Основные научные результаты, включенные в диссертацию, опубликованы в работах [3, 4, 7-17, 22, 23, 26, 28, 31], написанных лично автором, в работах [5, 6, 19-21], где автору принадлежат: постановка задачи, результаты разработок технических решений и построения математических моделей. В работах [1, 2] автору принадлежат методики, обобщения и выводы, в работах [24, 25, 27, 29 - 31] результаты анализа и экспериментальная часть, в работах [33, 34] обобщения результатов исследований, в работах [18, 34, 36-42] новые направления в разработке технических решений и их варианты.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д212.125.07

при ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт» (национальный исследовательский университет) (протокол №1 от 16.01.2012)

Множительный центр МАИ (НИУ) Заказ от /5. оъ 2012 г. Тираж(00 экз.

/

Введение.

Глава 1. Сверхпроводящие токонесущие элементы криогенных электрических машин.

Введение.

1.1. Композитные провода на основе низкотемпературных сверхпроводниковых материалов.

1.2. Композитные провода на основе высокотемпературных сверхпроводниковых материалов

1.2.1. Композитные провода 1-ого поколения.

1.2.2. Композитные провода 2-ого поколения.

1.2.3. Композитные провода переменного тока

1.2.4. Композитные провода на основе диборида магния.

1.3. Объемные высокотемпературные сверхпроводники

1.3.1. Объемные ВТСП элементы из иттриевых керамик.

1.3.2. Объемные ВТСП элементы из висмутовых керамик.

1.3.3. Объемные ВТСП элементы из диборида магния.

1.4. Листовые СП композиты.

Выводы.

Глава 2. Перспективные бортовые электроэнергетические комплексы со сверхпроводниковыми электрическими машинами.

2.1. Состояние разработок сверхпроводниковых электрических машин для летательных аппаратов.

2.2. Характеристика бортовых потребителей высокой мощности.

2.3. Структурные схемы бортовых АЭУ с СПСГ.

2.3.1. Основные параметры привода установок с синхронными генераторами.

2.3.2. Анализ удельных характеристик СПСГ и АЭУ в целом.

2.3.3. Компоновочная схема АЭУ.

2.3.4. Особенности работы СПСГ в АЭУ ЛА.

2.3.5. Возможные схемы криостатирования бортовых

СПСГ.

2.4. Перспективные схемы ЛА с СПСГ.

2.4.1. Преимущества электрического аэродвижения.

2.4.2. Особенности внедрения технологии аэроэлектродвижения.

2.5. Криогенный электропривод на базе ВТСП машин малой и средней мощности.

Выводы.

Глава 3. Бортовые синхронные электрические машины с композитными

НТСП обмотками ротора.

Введение.

3.1. Перспективные конструктивные схемы бортовых и промышленных СПСГ большой мощности.

3.2. Построение методики проектного расчета СПСГ.

3.3. Методика проектного расчета электромагнитного криоэкрана СПОВ.

3.3.1. Постановка задачи расчета криоэкрана СПОВ.

3.3.2. Аналитические решения сопряженной задачи расчета тепловых и электромагнитных процессов в криоэкране.

3.3.3. Результаты численного расчета криоэкрана СПОВ на основе интегральных уравнений.

3.4. Проектные методы расчета параметров кольцевой обмотки якоря и рейстрековой СПОВ бортовых СПСГ.

3.4.1. Общая постановка задачи.

3.4.2. Аналитические зависимости для расчета индуктивных параметров СПСГ.

3.4.3. Оценка потерь в проводящих экранирующих оболочках.

3.4.4. Индуктивные параметры СПСГ с рейстрековым индуктором.

3.4.5. Сопоставление характеристик и параметров СПСГ с различными типами обмоток якоря.

3.4.6. Экспериментальное определение индуктивных параметров макета якоря с кольцевой обмоткой и рейстрековым индуктором.

3.5. Конструкция авиационного СПСГ и экспериментальное определение его характеристик.

Выводы.

Глава 4. Гистерезисные электродвигатели с объемными ВТСП элементами.

Введение.

4.1. Методики расчета и проектирования гистерезисных электродвигателей с монодоменными ВТСП элементами

4.1.1. Конструктивные схемы и общая постановка задачи.

4.1.2. Двухмерные распределения магнитных полей в

ВТСП электродвигателях.

4.1.3. Энергетические и индуктивные параметры электродвигателя.

4.1.4. Результаты расчета параметров ВТСП электродвигателя.

4.2. Методы расчета и проектирования гистерезисных электродвигателей с поликристаллическими ВТСП элементами.

4.2.1. Распределения двухмерных магнитных полей в

ВТСП электродвигателях.

4.2.2. Энергетические и индуктивные параметры электродвигателя.

4.2.3. Результаты расчетов параметров ВТСП ГЭД с поликристаллическим ротором.

4.3. Экспериментальные исследования гистерезисных ВТСП электродвигателей.

4.3.1. ВТСП ГЭД мощностью до 100 Вт.

4.3.2. ВТСП ГЭД мощностью 500.1000 Вт.

4.3.3. Экспериментальные исследования гистерезисного ВТСП двигателя с ротором из листового композита Bi2Sr2Ca2Cu3O10.s.

4.3.4. Экспериментальные исследования гистерезисного ВТСП двигателя повышенной частоты.

4.3.5. Характеристики гистерезисных ВТСП электродвигателей при пониженных температурах.:.

Выводы.

Глава 5. Реактивные электродвигатели с ВТСП объемными элементами и листовыми композитами.

Введение.

5.1. Методы проектного расчета ВТСПРЭД.

5.1.1. Конструктивные схемы ВТСП РЭД и общая постановка задачи.

5.1.2. РЭД с поликристаллическими ВТСП пластинами.

5.1.3. РЭД с монодоменными ВТСП пластинами.

5.1.4. Индуктивные параметры и энергетические характеристики ВТСП РЭД.

5.1.5. Проектный расчет характеристик ВТСП РЭД с композитным ротором.

5.1.6. Методы проектирования ВТСП РЭД с объёмными ВТСП элементами на магнитомягком сердечнике ротора.

5.2. Численные методы поверочного расчета параметров ВТСП

5.2.1. Этапы подготовки расчётных алгоритмов.

5.2.2. Результаты численных расчетов ВТСП РЭД.

5.3. Экспериментальные исследования ВТСП РЭД.

5.3.1. Стенды для экспериментальных исследований криогенных электродвигателей.

5.3.2. Экспериментальные ВТСП РЭД.

5.3.3. Результаты экспериментальных исследований.

Выводы.

Глава 6. Синхронные электрические машины с объемными ВТСП элементами и постоянными магнитами.

Введение.

6.1. Двухполюсные ВТСП СД с радиальными магнитами.

6.1.1. Конструктивные схемы двухполюсных ВТСП СД и общая постановка аналитических задач.

6.1.2. Магнитные поля двухполюсного ВТСП СД в приближении токового слоя.

6.1.3. Векторная диаграмма ВТСП электродвигателя.

6.1.4. Расчетные характеристики, параметры ВТСП " двигателей с радиальными магнитами и их экспериментальные исследования.

6.2. Численные методы поверочного расчета параметров синхронных ВТСП двигателей.

6.2.1. Конструктивные схемы четырехполюсных ВТСП двигателей.

6.2.2. Особенности численного расчета магнитных полей и выходных параметров синхронных ВТСП двигателей.

6.2.3. Результаты численных расчетов комбинированных ВТСП двигателей с радиальными и тангенциальными магнитами.

Выводы.

Объект исследования, его признаки, область использования, актуальность

Объектом исследования являются синхронные электрические машины со сверхпроводящими (СП) обмотками из композитных проводов, с объемными СП элементами, а также листовыми СП композитами в роторе. Исследования и разработки сверхпроводящих устройств различного типа для электроэнергетики активно ведутся в ведущих научных центрах мира. Электрические машины со сверхпроводящими обмотками в качестве электродвигателей и генераторов уже находят применение в промышленности развитых стран (США, ФРГ, Япония, Франция). Так известны разработки сверхпроводящих двигателей для привода гребных винтов морских судов, двигатели для электромобилей, турбо- и гидрогенераторы, устройства для перемешивания металла в металлургии, экструдеры для протяжки металлических труб [58, 141] и т.д. СП электрические машины обладают целым спектром достоинств по сравнению с машинами традиционного исполнения: улучшенные массогабаритные параметры (минимум в 2 раза); более высокий КПД; меньшие величины индуктивных параметров; меньший уровень шума; лучшая стабильность при работе в электросетях.

Применение сверхпроводящих материалов снижает материалоемкость изделий, способствует повышению коммерческой нагрузки для применения на транспортных установках и улучшает ТТД устройств специального назначения.

Помимо устройств общепромышленного назначения синхронные сверхпроводниковые машины имеют устойчивый интерес у военных специалистов, в первую очередь в качестве генераторов большой мощности (1.10 МБ А) для подвижных объектов, тогда как мощность штатного авиационного синхронного генератора не превышает 300 кВА.

Прогресс в разработке сверхпроводящих материалов, связанный с обнаружением в 1986г. высокотемпературной сверхпроводимости в купратах лантана с температурой критического перехода около 30 К, и интерес к криогенному топливу, как альтернативе традиционному углеводородному, открыли возможность разработки новых типов электрических машин. Они работают с использованием таких свойств сверхпроводников, как гистерезис при перемагничивании и диамагнетизм, которым ранее, применительно к электромеханике, не уделялось внимания.

Вместе с тем, концепция развития общепромышленной энергетики и аэрокосмической техники требует дальнейшего совершенствования существующего и создания принципиально нового электроэнергетического оборудования с улучшенными массогабаритными и энергетическими показателями. При этом повышение эффективности электрооборудования должно осуществляться с учетом возрастающих требований к энергосбережению, экологии и экономии материальных затрат. Решить указанные задачи возможно лишь при использовании новых материалов и технологий, а также интенсивных систем охлаждения. Оба эти направления связаны с применением сверхпроводниковых технологий на борту атмосферных и космических летательных аппаратов. После открытия высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) с температурой перехода выше ЗОК в ведущих отечественных и зарубежных научных центрах резко возрос объем разработок нового электротехнического оборудования на основе ВТСП материалов для применения, как в стационарных установках, так и на подвижных объектах [58, 91, 151]. Основные направления применения этих материалов в силовом энергетическом оборудовании следующие (рис. В1): - электромеханические преобразователи энергии (генераторы, двигатели, компенсаторы);

Токоограничите]

Системы левитации

Силовые кабели

Млгиитные системы

Кинетические накопители

Индуктивные накопители

Трансформаторы

Топологические электрические машины

МашиньГ"^-переменного тока ^

Машины-постоянного тока

Асинхронные устройства

Коллекторные

Униполярные

Машины малой мощности

Машины большой мощности

Машины средней мощности

С вмороженным ^Н потоком ^^

- системы электромагнитного подвеса (бесфрикционные подшипники, кинетические накопители энергии, системы высокоскоростного транспорта с магнитным ВТСП подвесом);

- силовые кабели;

- токоограничители в мощных энергетических сетях;

- трансформаторы;

- индуктивные накопители энергии.

СП провода

Объемные элементы и листовые композиты

Рис. В1. ВТСП в энергетике и в электромеханике

Перспективы использования современных сверхпроводников в электромеханических преобразователях связывают со следующими физическими свойствами:

- отсутствие сопротивления протекающему электрическому постоянному току;

- диамагнетизм (эффект Мейсснера-Оксенфельда);

- способность захватывать магнитный поток при переходе в магнитном поле из резистивного состояния в сверхпроводящее, позволяющая формировать криомагниты, аналогичные постоянным магнитам, с индукцией 3.12 Тл;

- гистерезисные потери при перемагничивании.

Динамика исследований сверхпроводниковых материалов и современные направления в разработке СП электрических машин и устройств. В след за открытием в 1911г. сверхпроводимости в ртути при 4,154 К Камерлинг-Оннесом в Лейденской лаборатории (Нидерланды), возникли надежды на создание мощных электромагнитов, производство и передачу электроэнергии без потерь. Однако сверхпроводимость полностью исчезала при пропускании по проводнику тока всего в несколько ампер и в магнитном поле в несколько гаусс. В 1930-е годы были обнаружен: эффект Мейсснера-Оксенфельда, позволивший использовать методы равновесной термодинамики для определения свойств сверхпроводников (работы Гортера и Казимира). Разработанная братьями Лондонами макроскопическая теория сверхпроводников I рода (СП-1) позволила лучше понять структуру токовых слоев в них (внутренняя электродинамика СП-1).

Позже были открыты сверхпроводники II рода (сплавы и интерметаллические соединения), кардинально отличающиеся от открытых ранее сверхпроводников I рода (чистых металлов). Объяснение наличия смешанного состояния (Шубниковская фаза) в СП-П нашло отражение в термодинамических подходах к СП состоянию, развитых в теории Гинзбурга, Ландау и работах Абрикосова и Горькова, что позволило начать систематические поиски новых типов СП с более высокими значениями критических температур. Полная микроскопическая теория СП состояния для низкотемпературных сверхпроводников была развита в работах Бардина, Шриффера и Купера (теория БКШ) в 1957г. [10].

Новый этап в развитии сверхпроводниковых материалов связан с открытием явления высокотемпературной сверхпроводимости в 1986г., который продолжается до настоящего времени. На рис. В2 приведены даты открытия сверхпроводящих материалов по мере роста предельных значений критической температуры Тс СП перехода [72].

Критическая температура» К 140

120 -100 80 60 40 20

Под давлением -164 К Н$ВаСаСиОр

ТхВаСаОЮ г В1&|СаСиО

ВаСиО Г

Металлические сверхпроводники мев.

РЬ мьс

ЬаЗтСиО 1лВаСиО£

ММД 2

02.2001 О

ВШТ-ТТР 0

1900 1920 1940 1960 1980\ 2000

Годы Органические сверхпроводники

Рис.В2. Хронология открытия сверхпроводящих материалов

Систематические исследования сверхпроводниковых электрических машин начались в середине 1960-х годов после появления жестких сверхпроводников II рода и создания одножильных, а затем и композитных проводов и разработки методов тепловой и внутренней их стабилизации. Для этих целей применялись сплавы Nb-Ti, Nb-Zr, а также интерметаллическое соединение Nb3Sn, относящиеся к классу низкотемпературных сверхпроводников (НТСП). Обмотки из композитных проводов на основе этих материалов обладают высокой токонесущей способностью при охлаждении жидким гелием и способны создавать постоянное магнитное поле с индукцией в 5.8 Тл. Из-за высокого уровня потерь на перемагничивание в переменных магнитных полях эти обмотки применялись в начале лишь в качестве индукторов синхронных и униполярных машин. Высокая токонесущая способность и механические свойства проводов способствовали развитию направлений работ по созданию мощных электрических машин [13, 21, 36, 37, 59, 60, 98].

Синхронные сверхпроводниковые машины стали разрабатываться изначально, как генераторы. Первый сверхпроводниковый синхронный генератор (СПСГ) с СП индуктором был создан Стекли в США в 1964г. непосредственно после разработки полностью стабилизированного СП провода. В настоящее время СПСГ можно разделить на два класса:

- генераторы со сверхпроводящим индуктором и резистивным якорем;

- полностью сверхпроводниковые машины.

К недостаткам первой схемы относится необходимость термоизоляции СП индуктора от «тёплого» якоря. Это достигается использованием сложной системы криостатирования, что приводит к увеличению немагнитного зазора между обмотками ротора и статора. Тем не менее, именно эта схема стала успешно разрабатываться в середине 1960-х в США (Avco-Everett, MTI, Westinghouse, General Electric и др.), Японии (Mitsubishi, Fuji, Hitachi), в СССР, а затем в России (РНЦ Курчатовский институт, ВНИИ электромашиностроения, ФТИНТ, ВНИИЭМ, МАИ). К началу 1970-х мощность этих экспериментальных машин составляла от 10.50 кВт.

Второй класс характеризуется охлаждением жидким криоагентом всего агрегата. При использовании этой конструкции появляются дополнительные требования к сверхпроводнику, составляющему обмотку якоря, так как потери на переменном токе промышленной частоты и выше весьма существенны. Одна из первых попыток в этой области — полностью сверхпроводниковый генератор мощностью 50 кВт с гелиевым охлаждением, изготовленный и протестированный в 1967г. фирмой Dynatech (США). Развитие этого направления работ позволило создать в 1983г. композитные провода с жилами из Nb-Ti субмикронного диаметра, имеющими малые потери на токах промышленной частоты {50 Гц). Ожидается, что полностью сверхпроводниковый тип генераторов будет обладать повышенной мощностью при меньших размерах и массе. В начале 1990-х полностью сверхпроводниковые генераторы мощностью 18. 100 кВт были продемонстрированы во Франции (GEC ALSTHOM) и в Японии [73, 83, 84, 124].

Наиболее мощные бортовые генераторы на основе НТСП проводов были созданы именно по схеме с резистивным якорем. Охлаждаемый гелием сверхпроводящий ротор для генератора мощностью 5 МВА был разработан в начале 1971г. фирмой Westinghouse по заказу ВВС США и успешно испытан при частоте вращении 12000 мин1. В 1974г. был создан СП генератор мощностью 20 МВА промышленной частоты в США (General Electric), а в 1976г. высокооборотный генератор такой же мощности авиационного назначения с частотой вращения 5520.6000 мин1 [15, 62, 128, 129]. Генератор работал на трёхфазный выпрямитель при выходном напряжении постоянного тока 40 кВ. В это же время началась разработка бортового авиационного генератора в АКБ «Якорь» (Москва, СССР) совместно с МАИ. Генератор мощностью 780 кВА с номинальной частотой вращения 12000 мин1 имел сверхпроводящий индуктор из провода Nb-Ti при охлаждении жидким гелием и криопроводниковый якорь из сверхчистого алюминия, охлаждаемый жидким водородом. В 1985г. он был успешно испытан на стенде МАИ [54].

Уникальный опыт разработки общепромышленных СП генераторов был накоплен во ВНИИ электромашиностроения (Ленинград, СССР) под руководством академика И.А. Глебова. Там был разработан СП генератор (КТГ-20) мощностью 20 МВА с масляным охлаждением якоря, эксплуатировавшийся в электросети Ленэнерго в период 1980-1992 гг. Другим центром являлся физико-технический институт низких температур (ФТИНТ, Харьков, СССР), известный разработкой генератора мощностью 2 МВА с воздушным охлаждением якоря [13, 36, 37, 59, 62, 73].

В период 1970-1990гг. в РФ (Электросила) и США (General Electric) велись также работы по созданию СПСГ мощностью 300 МВА.

Совместными усилиями фирмы Fuji и Mitsubishi (Япония) в 1978г. испытали генератор мощностью 6,25 МВА, который должен был стать прототипом синхронного компенсатора мощностью 30 МВА [98]. Эти работы позволили правительству Японии выдвинуть национальную программу, ориентированную на создание сверхпроводниковых турбогенераторов класса 200 МВА.

Открытие ВТСП в 1986г. оказало сильное влияние на развитие этой области. Многие работы по созданию машин на НТСП были приостановлены. Высокий темп исследований остался только в Японии. Многолетний проект Super-GM стартовал в 1987г. году и финансировался NEDO, Министерством внешней торговли и промышленности (MITI) и крупными японскими фирмами (Hitachi, Mitsubishi, Toshiba). Над проектом работал коллектив из 250 человек, а объём финансирования превысил 250 млн. долл. В 2000г. проект увенчался созданием НТСП генератора с рекордной выходной мощностью в 70 МВА [152]. В ходе проекта была разработана структура Nb-Ti кабеля для решения одной из самых важных задач в области силовых применений сверхпроводников: снижения потерь на переменном токе.

Дальнейшие исследования, как в России, так и за рубежом были связаны с высокотемпературными сверхпроводящими (ВТСП) материалами.

Инициатива создания электрических машин на основе объемных ВТСП элементов в России принадлежит коллективу ученых МАИ, работающих под руководством профессора Л.К. Ковалева. Разработки, начатые в 1988г., привели к созданию новых типов синхронных ВТСП электрических машин: гистерезисных; реактивных; с вмороженным потрком; с композитным ротором, содержащим постоянные магниты и объемные ВТСП элементы. Первоначально с открытием ВТСП и возможностью получать объемные керамические элементы появилась проблема применения таких материалов в электромеханике, поскольку все предыдущие разработки касались мощных генераторов с НТСП обмотками постоянного тока. Решение проблемы вылилось в разработку класса гистерезисных машин с криопроводниковой многофазной обмоткой статора и ВТСП ротором [24, 25, 27, 28]. Обладая рядом достоинств, таких как отсутствие одностороннего тяжения ротора, постоянный момент вращения на валу независимо от нагрузки, этот класс двигателей характеризуется низким значением коэффициента мощности. Эта проблема была решена разработкой реактивных электродвигателей с композитным ротором [29, 31, 32, 53]. Благодаря чередующимся стальным и ВТСП пластинам такой ротор имеет ферромагнитные свойства в одном направлении, и диамагнитные в ортогональном.

Дальнейшие исследования были направлены на увеличение удельной мощности электродвигателей с ВТСП ротором, что нашло в отражение в разработке машин с постоянными магнитами и ВТСП элементами в роторе [4, 30]. Работы МАИ обусловили интерес к указанным классам электрических машин с объемными ВТСП элементами в ведущих зарубежных исследовательских центрах в ФРГ, Великобритании, США, Японии, Испании [78, 80, 90, 96, 123, 125, 126, 131, 132, 146, 148]. Наиболее известные текущие и завершенные проекты по разработке ВТСП электрических машин представлены в табл. В1 [141].

Таблица В1

Текущие и завершённые проекты ВТСП электрических машин в период 2001 - 2012гг.

Фирма Страна Год завершения Тип изделия Мощность, МВА Частота вращения, мин"1 Масса, т КПД, % ВТСП материал

AMSC США 2001 Электромотор 3,8 1800 6,8 BSCCO провод

МАИ РФ 2002 Электропривод топливной помпы КРИОПЛАНА 0,0015 12000 Листовой BSCCO

МАИ РФ 2002 Электромотор 0,1 3000 Объемные YBCO

МАИ РФ 2006 Привод помпы 0,06 6000 Объемные YBCO

OSWALD ФРГ 2002 Электромотор 0,2 3000 Объемные YBCO

SIEMENS ФРГ 2002 Генератор 0,4 1500 96,8 BSCCO провод

AMSC США 2003 Судовой электродвигатель 5 230 BSCCO провод

SIEMENS ФРГ 2005 Генератор 4 3600 7 98,7 BSCCO провод

KERI/DOOSAN Корея 2007 Электромотор 0,08 BSCCO провод

SUMITOMO Япония 2007 Судовой электродвигатель 0,365 250 4,4 BSCCO провод

- AMSC США 2007 Судовой электродвигатель 36,5 - 120 BSCCO провод

SIEMENS ФРГ 2008 Судовой электродвигатель 4 120 <75 BSCCO провод

KERI/DOOSAN Корея 2011 Электродвигатель 5 BSCCO провод

CONVERTEAM/ ZENERGY/ EON ФРГ 2009 Гидрогенератор 1,25 214 >98 BSCCO провод

CONVERTEAM/ ZENERGY ФРГ 2010 Ветрогенератор 8 12 BSCCO провод

DTU/ VESTAS Дания 2010 Ветрогенератор BSCCO провод

AMSC/TECO WESTINGHOUSE США 2012 Ветрогенератор 10 11 120 Не решено

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является разработка синхронных электрических машин с обмотками из композитных НТСП проводов с гелиевым охлаждением, а также ВТСП электродвигателей с листовыми композитами и объемными сверхпроводящими элементами в роторе, обладающих улучшенными массогабаритными и энергетическими параметрами и работающих при охлаждении жидким азотом.

Диссертационная работа направлена на повышение удельной мощности электрических машин и их энергетических параметров (коэффициент мощности, КПД) за счет использования:

-для бортовых синхронных генераторов - сверхпроводниковых и криопроводниковых обмоток, рациональной конструкции беззубцового статора, отсутствия ферромагнитопровода ротора;

- для электропривода - ВТСП объемных, композитных или наноструктурированных материалов в роторе и криопроводниковой обмотки статора с азотным охлаждением.

В диссертационной работе изложены научно обоснованные методы расчета и проектирования таких СП электрических машин, а также технические решения, касающиеся применения сверхпроводников в электромеханических преобразователях для летательных аппаратов с криогенным топливом, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие страны.

Направления исследований

1. Определение областей применения бортовых СП электрических машин широкого диапазона мощности с оценкой их эффективности и рекомендации по их использованию на летательных аппаратах.

2. Разработка методик проектного и поверочного расчетов бортовых СПСГ с композитными НТСП обмотками.

3. Разработка методик проектного и поверочного расчетов гистерезисных и реактивных ВТСП электродвигателей, а также электродвигателей с постоянными магнитами и ВТСП элементами.

4. Разработка, создание и испытания макетных образцов новых типов ВТСП электрических машин.

На защиту выносятся

1. Системный анализ отечественных и зарубежных разработок СП электрических машин и классификация машин синхронного типа на основе СП композитных проводов, объемных ВТСП элементов и листовых композитов.

2. Методы проектного и поверочного расчета бортовых СПСГ различного конструктивного исполнения.

3. Математические модели для расчета распределений двухмерных тепловых и электромагнитных процессов в криоэкране ротора СПСГ.

4. Конструктивные схемы новых типов ВТСП синхронных электрических машин с объемными ВТСП элементами и листовыми композитами, обладающих улучшенными энергетическими параметрами по сравнению с несверхпроводящими аналогами, защищенные 7-ю патентами.

5. Комплекс методик проектного и поверочного расчета магнитных полей и параметров электродвигателей с объемными ВТСП элементами (гистерезисных, реактивных и комбинированных с постоянными магнитами).

6. Макетные образцы различных типов синхронных СП электрических машин мощностью 1 .780 кВА и результаты их экспериментальных исследований на криогенных стендах.

Аннотация диссертационной работы

В первой главе диссертационной работы приведен обзор современных НТСП и ВТСП материалов и токонесущих элементов на их основе, как гелиевого уровня температур, так и высокотемпературных. Проведен анализ технологии их изготовления и критических параметров в различных температурных диапазонах. Выявлены перспективные типы электрических машин на основе композитных СП проводов, объемных ВТСП элементов и листовых ВТСП композитов.

Вторая глава посвящена анализу областей применения на борту СП электрических машин. Помимо использования автономных энергоустановок с бортовыми СПСГ высокой мощности для импульсного питания мощных спецпотребителей рассмотрены перспективные системы электродвижения дозвуковых самолетов и СП электропривод на ЛА с криогенным топливом.

В третьей главе изложены методы расчета и проектирования бортовых авиационных синхронных генераторов со СП индуктором и криопроводниковым якорем из сверхчистого алюминия с водородным охлаждением. Разработанная конструкция содержит рейстрековую СП обмотку ротора с криоэкраном ее электромагнитной защиты, стальной внешний экран и два варианта якорных обмоток: классическую барабанную с вынесенными лобовыми частями и кольцевую с экранированием нерабочих частей для снижения индуктивных параметров. Получены аналитические соотношения для проектного расчета индуктивных параметров кольцевой обмотки статора и потерь в экранирующих оболочках. Разработаны аналитические методы совместного расчета электромагнитных и температурных полей в криоэкране ротора в стационарном режиме и при возбуждении генератора. Разработана конструктивная схема бортового СПСГ. Приведены результаты совместных испытаний натурной модели генератора мощностью 780 кВА на редукторном стенде кафедры 310 МАИ.

Четвертая глава посвящена исследованию нового типа гистерезисных электродвигателей (ГЭД) с ротором на основе объемных ВТСП материалов. Построена методика проектирования таких машин на основе аналитических соотношений для индуктивных параметров и векторных диаграмм. Разработана серия электрических машин в диапазоне мощности 0,001.4 кВт как промышленной частоты питающего напряжения, так и частоты бортовой сети. Приведены сопоставительные результаты теоретических и экспериментальных данных в среде жидкого азота, а также результаты, полученные при пониженных температурах.

В пятой главе рассмотрены ВТСП реактивные электродвигатели (РЭД). Разработаны методики проектного и численного поверочного расчета этих машин с различной конструкцией ротора, обладающего анизотропией магнитных свойств в различных направлениях. Определены конструктивные схемы ВТСП РЭД, обеспечивающие наилучшие массогабаритные и энергетические параметры. На основе решения электродинамических задач получены аналитические соотношения для индуктивных параметров и векторных диаграмм. Разработана серия РЭД в диапазоне мощности 0,5.100 кВт с роторами на основе иттриевой ВТСП керамики, слоистых композитов из висмутовой ВТСП керамики, а также диборида магния. Приведены сопоставительные результаты теоретических и экспериментальных данных в среде жидкого азота и при температуре -20 К.

В шестой главе рассмотрены синхронные электродвигатели с постоянными магнитами в роторе и объемными ВТСП элементами. Изложены методы проектного и поверочного (численного) расчета таких машин различного конструктивного исполнения. Разработан, создан и успешно испытан в среде жидкого азота синхронный электродвигатель с постоянными магнитами и ВТСП элементами ротора мощностью 5кВт.

Автор выражает искреннюю благодарность заслуженному деятелю науки, проф., д.т.н., зав. кафедрой 310 МАИ JI.K. Ковалеву, а также сотрудникам лаборатории сверхпроводниковых электрических машин кафедры 310 МАИ Илюшину К.В., Полтавцу В.Н., Конееву С.М.-А., Семенихину B.C., Егошкиной J1.A., Ковалеву K.JL,, Модестову К.А.

В разработке конструкции и проведении экспериментальных исследований авиационного сверхпроводникового генератора неоценимый вклад привнесен сотрудниками АКБ «Якорь» (Москва, РФ) Гавриловым P.A., Сухановым А.Б., Пановым В.А.

Плодотворное сотрудничество при создании новых электрических ВТСП машин проводилось совместно с Вержбицким Л.Г., Джатдоевым А.О., Кондратюком И.К. из НИИЭМ (Истра, Московская область), Oswald В. из "Oswald Elektromotoren GmbH"(Miltenberg, Germany).

Разработка новых типов ВТСП электрических машин бала бы невозможна без материаловедческих исследований и изготовления объемных СП элементов из иттриевой керамики и диборида магния, а также листовых композитов из BSCCO/Ag. В этом ключе плодотворное сотрудничество осуществлялось с коллегами из ВНИИНМ им.А.А.Бочвара (Москва, РФ) д.т.н. TIТиковым А.К., к.т.н. Акимовым И.И., Казаковым Э.Г.; ВЭИ им. В.И.Ленина (Москва, РФ) д.ф.-м.н. Фишером Л.М., к.ф.-м.н. Волошиным И.Ф., Александровым В.В.; IPHT (Jena, Germany) проф. Gawalek W.; Oxford University (Oxford, UK) проф. Dew-Huges D.; ИСМ (Киев, Украина) д.т.н. Прихна Т. А. ,

Отдельная благодарность уважаемым оппонентам д.т.н., проф. Беспалову В.Я., д.т.н. Высоцкому B.C., д.т.н., в.н.с. Сурину М.И. за глубокий и подробный анализ диссертации.

Результаты работы также обсуждались и докладывались на рабочих семинарах по совместным Российско-Германским проектам BMFT X.222.71 в 1995г. (HTS electric motor), BMBF 13N6854 в 1996-1998гг. (10 kW HTS motor), BMBF 13N6854A в 1999-2003гг. (HTS motor <500 kW) и договору между МАИ и Оксфордским университетом (Оксфорд, Великобритания) SfP#924241 в 2000-2002гг. по созданию бесконтактных электродвигателей с высокотемпературным сверхпроводниковым ротором.

По теме диссертации автором в соавторстве опубликовано более 50 статей в отечественных и зарубежных научных журналах, 2 книги, получено 7 патентов.

Разработки по ВТСП электрическим машинам с участием автора удостоены дипломов выставок EUREKA-2000 (Брюссель, Бельгия) и LEPINE-2001 (Париж, Франция).

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований изложены научно обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие страны.

Заключение

1. Автономные электроэнергетические установки большой мощности на базе синхронных и МГД-генераторов со сверхпроводниковыми магнитными системами: Отчет о НИР (заключительный) / МАИ; рук. Ковалев Л.К.- 310-93-11 Москва. - 1993. - 71 с.

2. Акимов И.И., Воробьева А.Е., Панцырный В.И., Шиков А.К. Сверхпроводящие материалы на основе ВТСП: технология, свойства, перспективы применения // Международный журнал: «Сверхпроводимость: исследования и разработки». 2002. №11. - С. 25.

3. Альтов В.А., Глебов И.А., Черноплеков H.A. Сверхпроводниковые технологии — новый этап в развитии электротехники и электроэнергетики // Международный журнал: «Сверхпроводимость: исследования и разработки». 2002. №11. - С. 5.

4. Альтов В.А., Дежин Д.С., Кавун Ю.Ю., Ковалев К.Л., Ковалев Л.К., Пенкин В.Т. Сверхпроводниковые технологии в электромеханических преобразователях энергии // Электричество. 2009. №5. - С.27-37.

5. Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока. -М.: Высшая школа, 1982.

6. Богданов К. Загоризонтные РЛС в капиталистических странах // Зарубежное военное обозрение 1987. - № 5. - С. 38 - 44

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

8. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: Наука, 1980. - 976с.

9. Брынский Е.А., Данилевич Я.Б., Яковлев В.И. Электромагнитные поля в электрических: машинах. Л.: Энергия, 1979. - 176с.

10. Буккель В. Сверхпроводимость. М.: Мир, 1975. - 366с.

11. Велихов Е.П., Сагдеев Р.З., Кокошин A.A. Космическое оружие: дилемма безопасности. -М.: Мир, 1986. 182с.

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

13. Данилевич Я.Б., Ганжинов И.С., Гурьев М.Л., Иванов С.А. Нестационарное температурное поле оболочек ротора сверхпроводникового турбогенератора. В кн.: Электротехнические устройства с использованием сверхпроводимости. Л., 1986. - С. 43 - 53

14. Дмитриев B.C., Смольская Н.К. Сверхпроводниковые генераторы с высокой удельной мощностью за рубежом. Информэлектро, 1982. -26с.

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

16. Иванов-Смоленский A.B. Электрические машины. М.: МЭИ, 2004. -Т1-Т2.

17. Илюшин К.В., Ковалев Л.К., Пенкин В.Т. Применение объемных высокотемпературных сверхпроводников в электромеханических преобразователях // Международный журнал «Сверхпроводимость: исследования и разработки», 1995. № 5-6. - С.

18. Исследование перспектив создания самолета с электроэнергетическим оборудованием на основе высокотемпературной сверхпроводимости:

19. Отчет о НИР (заключительный) / МАИ; рук. Ковалев J1.K. 59460-25000 -Москва. -1993.-90 с.

20. Казовский Е.Я., Карцев В.П., Шахтарин В.Н. Сверхпроводящие магнитные системы. Л.: Наука, 1967. - 323с.

21. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. М.: Наука, 1972. - 576с.

22. Ковалёв JI.K., Пенкин В.Т. Расчёт характеристик теплового экрана синхронного генератора с низкотемпературным охлаждением ротора // Авиационная промышленность, 1987-№ 4. -С.25-28.

23. Ковалев JI.K., Егошкина JI.A., Пенкин В.Т. Гистерезисные машины с керамическим ротором // Сб. трудов МАИ: Электромеханические и электромагнитные устройства генерирования и преобразования электроэнергии. М.: МАИ. 1992. - С.45-54.

24. Ковалев JI.K., Илюшин К.В., Пенкин В.Т., Ковалев K.JI. Гистерезисные электрические машины с ротором из высокотемпературных сверхпроводников // Электричество. 1994. - № 6. - С.31^44.

25. Ковалев JI.K., Пенкин В.Т. Исследование электромагнитных и тепловых полей в криоэкране индуктора сверхпроводникового синхронного генератора // Международный журнал "Сверхпроводимость: исследования и разработки". 1996. №7-8. - С. 13-23.

26. Ковалев JI.K., Пенкин В.Т., Илюшин К.В., Ковалев К. Л., Егошкина Л.А. Новые типы сверхпроводниковых электрических машин // Международный журнал "Сверхпроводимость: исследования и разработки". 2002. №11. - С. 22-34.

27. Ковалев Л.К., Пенкин В.Т., Ковалев К. Л., Дежин Д.С. Перспективы использования сверхпроводниковых технологий в электромеханических преобразователях энергии // Известия Академии электротехнических наук РФ. 2008. - №1. - С.45-63.

28. Ковалев Л.К., Пенкин В.Т., Ковалев К. Л., Конев С.М.-А., Полтавец В.Н. Электромеханические преобразователи на основе массивных высокотемпературных сверхпроводников. М.: МАИ, 2008. 440с.

29. Ковалев Л.К., Пенкин В.Т., Ковалев К. Л., Конев С.М.-А., Полтавец В.Н., Ильясов Р.И., Дежин Д.С. Электрические машины и устройства на основе массивных высокотемпературных сверхпроводников. М.: ФизМатЛит. 2010. 396с.

30. Конаков П.К. Теория подобия. М.: Госэнергоиздат, 1958. 235с.

31. Кононенко Е.В. Синхронные реактивные машины. М.: Энергия, 1970.

32. Копылов И.П., Клоков Б.К., Морозкин В.П., Токарев Б.Ф. Проектирование электрических машин / Под ред. Копылова И.П. М.: Энергоатомиздат, 1993.-Т. 1-2.

33. Коськин Ю.П., Цейтлин Л.А. Синхронные машины с немагнитным ротором. Л.: Энергоатомиздат, 1990.

34. Криогенные электрические машины / Под ред. Шереметьевского H.H. -М.: Энергоатомиздат, 1985, 168с.

35. Курант Р., Гильберт Д. Методы математической физики- М.Л: ГТТИ, 1951.-Т. 2.-541с.

36. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Методы теории функций комплексного переменного. — Издание 5-е, исправленное. — М.: Наука. -1987. — 688 с.

37. Ломов А., Аринин Т. Электромагнитные ускорители в военном деле.

38. Зарубежное военное обозрение. № 5. - 1986. - С. 19 - 22.

39. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.: Высшая Школа. - 1967 — 599с.

40. Мигдал А.Б. Качественные методы в квантовой теории. М.: Наука-1975.-336с.

41. Моделирование двумерных полей методом конечных элементов; ELCUT 4.2. Производственный кооператив ТОР, С.-Пб.http ://www.tor.ru/elcut/demo/Manual.pdf

42. Найфе А. Введение в методы возмущений. М.: Мир, 1984. - 534с.

43. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. -Л.: Энергоиздат. 1981. - Т. 1-2.

44. Олейников Б. Разработка в США загоризонтной РЛС системы 414. -Зарубежное военное обозрение. № 2, - 1985. -С.56 - 60.

45. Патент РФ № 2023341 от 15.11.1994 г. Сверхпроводниковая электрическая машина / Егошкина Л.А., Илюшин К.В., Ковалев Л.К., Пенкин В.Т., Семенихин B.C. Опубликовано в БИ. - 1994.

46. Патент РФ № 2129329 от 20.04.1999. Синхронная реактивная машина / Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Полтавец В.Н., Пенкин В.Т., Егошкина Л.А., Конеев С.М.-А. и др. Опубликовано в БИ. - 1999.

47. Патент РФ № 2134478 от 10.08.1999 г. «Сверхпроводниковая гистерезисная машина» / Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Полтавец В.Н., Семенихин B.C., Пенкин В.Т., Ковалев К.Л., Егошкина Л.А. -Опубликовано в БИ. 1999.

48. Патент РФ № 2159496 от 20.11.2000 г. Синхронная реактивная машина (варианты) /Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Полтавец В.Н., Семенихин

49. B.C., Пенкин В.Т., Ковалев К.Л., Егошкина Л.А., Ларионов А.Е., Конеев

50. C.М.-А., Модестов К.А., Ларионов С.А. Опубликовано в БИ. - 2000.

51. Патент РФ № 2178942 от 27.01.2002 г. Сверхпроводниковая вентильная индукторная машина / Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Полтавец В.Н., Семенихин B.C., Пенкин В.Т., Ковалев К.Л., Егошкина Л.А., Ларионов

52. А.Е., Конеев С.М.-А., Модестов К.А., Ларионов С.А. Опубликовано в БИ. - 2002.

53. Патент РФ № 2180156 от 27.02.2002 г. Сверхпроводниковая синхронная машина / Ковалев JI.K., Илюшин К.В., Пенкин В.Т., Полтавец В.Н. и др.- Опубликовано в БИ. 2002. №6.

54. Пенкин В.Т. Сверхпроводниковый синхронный генератор для автономной энергетической установки летательного аппарата. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.- Москва. 1990. - 233с.

55. Пенкин В.Т., Илюшин К.В. Индуктивные параметры кольцевой обмотки якоря синхронного генератора. Сборник трудов МАИ - 1989.

56. Романов В.Б. Разработка лазерного оружия в США // Зарубежное военное обозрение. -№5. 1979. -С.35 - 39.

57. Ружинский Л.Н. Расчет характеристик однослойных и многослойных цилиндрических экранов беззубцовых синхронных генераторов // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. -№ 3. 1979. - С.64 - 74.

58. Сверхпроводники для электроэнергетики // Информационный бюллетень. http://perst.isssph.kiae.ru/supercond

59. Сверхпроводниковые электрические машины и магнитные системы / Под ред. Алиевского Б.Л. М.: МАИ, 1993- 340 с.

60. Сверхпроводящие машины и устройства / Под ред. С. Фонера и Б. Шварца. -М.: Мир, 1977.- 760с.

61. Смирнов В.И. Курс высшей математики.-М.: ФизМатЛит, 1970 Т. 1-2.

62. Специальные электрические машины (в 2-х кн.) / Под ред. Алиевского Б.Л. -М.: Энергоатомиздат, 1993.

63. Справочник по физико-техническим основам криогеники. Под ред. Малкова М.П. М.: Энергия. - 1973. - 392с.

64. Тамм И.Е. Основы теории электричества. М.: Наука, 1966. - 622с.

65. Тихонов А.Н., Самарский A.A. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1977.-735с.

66. Токонесущие ленты второго поколения на основе высокотемпературных сверхпроводников/Под ред. А. Гояла; Ред. пер. А.Р. Кауль- М.: Издательство ЛЕСИ, 2009. 32с.

67. Уилсон М. Сверхпроводящие магниты. М.: Мир, 1985. - 387с.

68. Фастовский В.Г., Петровский Ю.В., Ровинский А.Е. Криогенная техника. М.: Энергия, 1967. 416с.

69. Физические свойства высокотемпературных сверхпроводников / Под ред. Гинзберга Д.М. М.: Мир, 1990. - 543с.

70. Хуторецкий Г.М., Варшавский В.Д., Кизимович Ю.П., Цукерман И.А. Моделирование на ЭВМ и анализ электромагнитных процессов при проектировании турбогенераторов с немагнитным ротором // Электротехника, 1987. № 10. - С. 46 - 50.

71. Черноплеков Н. А. Сверхпроводниковые технологии: современное состояние и перспективы практического применения // Вестник Российской Академии Наук.- Том 71.- №4.- 2001.- С. 303-319.

72. Чубраева Л.И. Генераторы нетрадиционного исполнения. Л.: Наука, 1991.-246с.

73. Щукин В.К. Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил. М.: Машиностроение, 1970. 211с.

74. Яворский Б.М, Детлаф A.A. Справочник по физике. М.: Наука, 1974.942c.

75. Aized D., B.B.Gamble, A.Sidi-Yekhlef, J.P.Voccio etc. Status of the 1000 hp HTS Motor Development // IEEE Trans, on Appl. Superconductivity. 1999. - Vol.9, No.2. - P. 1197-1200.

76. Al-Mosawi M.K., Beduz C., Goddard K., Sykulski J.K., Yang Y., Xu B., Ship K.S., Stoll R., Stephen N.G. Design of a 100 kVA high temperature superconducting demonstration synchronous generator // Physica C. Vol. 372-376-2002.-P. 1539-1542.

77. Alvarez A., Suarez P., Caceres D., Granados X., Obradors X., Bosch R., Cordero E., Perez B., Caballero A., Blanco J.A. Superconducting armature for induction motor of axial flux based on YBCO bulks // Physica C. Vol. 372-376-2002.-P. 1517-1519.

78. Anderson A.F., Bumby I.R., Hassall B.I. Analysis of helical armature winding with particular reference to superconducting a.c. generator // IEE Proc., 1980. -V.127.-P. 129-144.

79. Barnes G., McCulloch M., Dew-Hughes D. Computer modeling of type II superconductors in applications.//Superconductor Science and Technology. -Vol.12. 1999.-P. 518-522.

80. Berezhansky V., Chubraeva L. Slotless synchronous generators: test results and possible applications // Stockholm Power Tech. Sweden, 18-22 June 1995. Paper SPT EM-02-020192. P. 45-50.

81. Berndt H., Doll R., Jahn U., Wiedemann W. Low Loss Liquid Helium Transfer System, Using a High Performance Centrifugal Pump and Cold Gas Exchange. //Advances in Cryogenic Engineering. Vol.33. - 1988. - P.l 1471152.

82. Brunei T., Tixador P., Nithart H. Cryogenic conception for full superconducting generators: realization of superconducting armature and cryostat// Cryogenics. Vol.28-1988. -P.751-755.

83. Brunet T., Tixador P., Vedrine P. Experimental results of an experimental three-phase AC superconducting armature and cryostat// EEEE Trans, on Mag.- Vol.25-1989. P. 1811-1814.

84. Chubraeva L.I. Investigation of Superconducting Turbogenerator Operation in the Network // ICEC 16/ ICMC '96.

85. Flick C. New armature winding concept for EHV and CFCT application of superconducting turbine generator // IEEE Trans. PAS, 1979. V.PAS-98. -No.6. -P.2190-2198.

86. Gamble B.B., Keim I.A. High power density superconducting generator // Proceedings of 16-th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference. Kentucky. - Seattle. - Washington. - 1980.

87. Gawalek W., Habisreuter T., Gornet P., Kovalev L. Characterisation on Melt Textured YBCO for Cryomagnetic Applications // 8th German-Russian-Ukrainian Seminar on HTS. Lviv, Ukraine, September 1995.

88. Gawalek W., Habisreuter T., Strasser T., Wu M., Kovalev L. Bulk Melt Textured YBCO for Cryogenic Electromotor // Proc. of IX Trilateral German-Russian-Ukrainian HTS Seminar. Germany, 22 — 25 Sept. 1996.

89. Granados X., Pallares J., Sena S., Blanco J.A., Lopez I., Bosch R., Obradors X. Ironless armature for high speed HTS disk shaped rotor in self levitating configuration // Physica C. Vol. 372-376- 2002. -P. 1520-1523.

90. Gubser D.U. US Navy's Superconductivity Programs. Scientific Curiosity to Fleet Utility // IEEE/CSC & ESAS European Superconductivity News Forum (ESNF).-October 2010,-No. 14.-P. 1-6.

91. Habisreuther T., Litzkendorf D., Strasser T., Wu M., Zeisberger M., Gawalek W. Melt-Textured YBCO for 10 kW Electromotors at 77 K // Proceedings of Applied Superconductivity Conference, 13-18 September 1998, Palm Desert California, USA.

92. Hayashi K. Development of HTS Motor Present Status and Future Prospect // International Workshop on Coated Conductors for Applications. - Houston. -USA. - December 4- 6. - 2008. - Presentation 1 A.07.

93. Hefner R.A. The age of energy gases // International Journal of Hydrogen Energy. -Vol. 27-2002. P. 1-9.

94. Hughes A., Miller T. Analysis of fields and inductances in air-cored Synchronous machines // Proc. Inst. Elec. Eng. 1977. -Vol. 124. - No 2. -P. 121 - 126.

95. Itoh Y., Yanaci Y., Yoshikawa M., Oka T., Harada S., Sakakibara I., Yamada Y., Mizutani U. High-Temperature Superconducting Motor Using YBaCuO Bulk Magnets // Journ. Appl. Phys. 1995. - No 10. Part 1. - Vol. 34. - P. 5574-5578.

96. Iwamoto M., Ogino O., Nomura T., Fujino H., Ishihara H., Yonerawa E. A 6250 kVA superconducting generator // IEEE Power Eng. Soc. Text "A"Pap. Winter Meeting. N.Y. - 1979. - P. 1-6.

97. Kajikawa K., Nakamura T. Proposal of a Fully Superconducting Motor for Liquid Hydrogen Pump with MgB2 Wire. // Applied Superconductivity Conference. Chicago, Illinois, USA, August 17 22. - 2008. Presentation 2LPV06.

98. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T. Cryoturbogenerator toroidal armature // IEEE Trans, on Magnetics 1992 - Vol.28.-No. 1,

99. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T. High temperature superconductors implication for electromachinary // Proc. of 7-th Int. Workshop on critical currents in superconductors. Jan.24-27. 1994, Alpbach, Tirol, Austria.

100. Kovalev L., Ilushin K., Penkin V., Kovalev K. The Present Day State of the HTS Hysteresis Machines Research // Proceeding of the Third MAI/BUAA1.ternational Symposium on Automatic Control.-Beijing.-China.-Nov.l-2.-1995.-P. 201-204.

101. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T., Kovalev K.V., Modestov K.A., Gawalek W. HTS Motors Design. Recent Results and Future Development // Int. Journal "Superconductivity: research & development". 1998. - No 9, 10.-P. 69-77.

102. Kovalev K., Oswald B., Krone M., Soll M., Strasser T., Oswald J., Best K.-J., Gawalek W. Superconducting Reluctance Motors with YBCO Bulk Materials // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, June 1999. Vol. 9. -No 2. - Part 1. - P. 1201-1204.

103. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T., Koneev S.M.-A., Kovalev K.L., Poltavets V.N., Gawalek W., Habisreuther T., Oswald B., Best K.-J.

104. Hysteresis and Reluctance Electric Machines with Bulk HTS Elements. Recent Results and Future Development // Proceedings of EUCAS'99. Inst. Phys. Conf. Ser. - 1999. - No. 167, - Vol.1 - P. 1037 - 1042.

105. Kovalev L.K, Ilushin K.V, Penkin V.T, KovalevK.L. Koneyev S.M.-A, Modestov K.A. Larionov S.A, Gawalek W, Oswald B. Electrical machines with bulk HTS elements. The achieved results and future development // Physica C. 2001. - Vol.357-360. - P860-865.

106. Kovalev L.K, Ilushin K.V, Penkin V.T, KovalevK.L, Koneyev S.M.-A, Modestov K.A, Larionov S.A, Akimov I.I, Dew-Hughes D. HTS electrical machines with BSCCO/Ag composite plate-shaped rotor elements // Physica

107. C. 2002. - Vol.372-376. - P. 1524-1527.

108. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Kovalev K.L., Penkin V.T., Koneyev S.M.-A., Poltavets V.N., Akimov I.I., Gawalek W., Oswald B., Krabbes G. High output power electric motors with bulk HTS elements // Physica C. 2003. -Vol.386. - P. 419^423.

109. Kovalev L.K, Ilushin K.V., Penkin V.T., Kovalev K.L., Koneev S.M., Poltavets V.N. Electrical Machines with Bulk HTS Elements // Proceedings of the 6-th Int. Symposium Nikola Tesla. -Belgrade, Serbia. October 18-20. - 2006. -P.49-52.

110. Masson P.J., Soban D.S., Brown G.V. and Luongo C.A. HTS Machines as enabling Technology for All-Electric Airborne Vehicles // Superconductor Science and Technology. -2007. -Vol.20-No.8-P. 748-756.

111. McCulloch M.D., Dew-Hughes D. Brushless AC Machines with High Temperature Superconducting Rotors // Material Sci. Eng. 1998. - Vol. B-53, P. 211-215.

112. Muta I., Tsukuji H., Tsutsui Y et al. Fully superconducting AC generator with brushless excitation system // Int. Conf. on Magnetic Technology (MT-11). Tsukuba, Japan, 1989. Report ND-05, 6p.

113. Muta I., Jung HJ., Nakamura T., Hoshino T. Performance of axial type motor with Bi-2223 HTS bulk rotor // Physica C. - Vol. 372-376- 2002. -P. 1531-1534.

114. Nakamura T., Jung H.J., Muta I., Hoshino T. Steady State Characteristics of Axial-type Sm-123 Bulk Motor under Different Synchronous Speed // 6-th European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS'03), Sorrento, Italy, Sept. 14-18, 2003.

115. Oberly C.E. Air Force Application of Lightweight Superconducting Machinery // IEEE Transaction on Magnetics. -Vol.l3-No.2-1977-P. 260268.

116. Oberly C.E., Kozlowski G., Fingers R.T. Implications of high temperature superconductors for power generator // Advances in Cryogenic Engineering (Materials). -38A 479. -1992. - P.72.

117. Oberly C.E. Lightweight Superconducting Generator for Mobile Military Platform. //Proceedings of the PAS Meeting.-Montreal-Quebec-June 2006.

118. Oswald B., Soll M., Gawalek W., Kovalev L., Gutt H.J., Fuchs W. Electric Motors with HTSC Bulk Materials // Proceedings of ICEC-17. 13-17 July, 1998. P. 547-550. Bournemouth, UK.

119. Oswald B., Krone M., Strasser T., Best K.-J., Soll M., Gawalek W., Gutt H.J., Kovalev L., Fischer L., Fuchs G., Krabbes G., Freyhardt H.C. Design of HTS reluctance motors up to several hundred kW // Physica C. 2002. -Vol. 372-376.-P. 1513-1516.

120. Parten-Kirchen, Deutschland, 14-15 December, 2000, P.498-503.

121. Pinol S., Pnig T., Martinez B., Obradors X. Melt Growth and Superconducting Properties of Textured Ag-YBa2Cu307 Conductors // JAP. -1998.-P. 1483.

122. Pohl H.-W., Malyshev V.V. Hydrogen in future civil aviation / Proceedings of the 10-th World Hydrogen Energy Conference. Cocoa Beach, Florida, USA, 20-24 June 1994, P.1969-1978.

123. Prikhna T., Gawalek W., Habisreuther T., Krabbes G. High pressure synthesis of MgB2 with and without additions. Physica C. 2002. - Vol. 372-376. - P. 1543-1545.

124. Prusseit W. Supraleiterindustrie in Deutschland status und perspektiven //

125. Seminar "Zukunft und Innovation in der Energietechnik mit HochtemperaturSupraleitern".- 20-21 Februar. 2008. Wasserwerk, Bonn, Deutschland.

126. Shikov A., Akimov I. et al. HTS materials development: Research & activity in ARSRIIM // Materials of Supraleitung und Tieftemperaturtechnik: Tagungsband zum 7. Statusseminar 14 und 15 Dezember 2000 in Garmisch-Partenkirchen. P.579.

127. Singh S.K., Scherbarth D.V, Ortoli E.S., Repp J.R., Christianson O.R., Parker J.H., Carr J.W., Gamble B.B. Conceptual Design of a High Temperature Superconducting Generator // EEE Trans, on Appl. Superconductivity. -1999. Vol.9. - No.2. - P.1237-1240.

128. Status of Development and Field Test Experience with High Temperature Superconducting Equipment. //CIGRE SCD1 Working Group WG.15. -"Superconducting and Insulating Materials for HTS Power Application". — 2008.

129. Tabuchi H., Chiba M., Nitta T. Basic Consideration on a Synchronous Generator with a Rotor of HTC bulk // Proceedings of the 6-th European Conference on Applied Superconductivity, Sorrento, Italy, 14-18 September, 2003, P.907-913.

130. Tera Analysis QuickField™ Finite Element Analysis System Version 5.0 User's Guide; http://www.quickfield.com/demo/manual.pdf

131. Tixador P., Tempe A., Gautier-Picard P., Chand X., Beaugnon E. Electrical Motor with Bulk Y-Ba-Cu-O Pellets // IEEE Trans, on Appl. Superconductivity. 1997. -Vol.7. - No 2.

132. Tixador P., Simon F., Daffix H., Deleglise M. 150-kW Experimental Superconducting Permanent-Magnet Motor // IEEE Trans, on Appl. Superconductivity. -1999. Vol.9. - No 2. - P. 1205 - 1208.

133. Ukuta H., Mase A., Yanagi Y., Yoshikama M., Itoh Y., Oka T. Melt-processed Sm-Ba-Cu-0 Superconductors Trapping Strong Magnetic Field // Supercond. Sci. Technol. 1998. - No 11. - P. 1345-1347.

134. Wolsky A. HTS Rotating Machines-Challenges and Perspective Applications. // International Energy Agency. USA. - December 15, 2006. 243p.