автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Реактивные электродвигатели с объёмными высокотемпературными сверхпроводниковыми элементами в роторе

На правах рукописи УДК 621.3.002.5:621.373.826

Ларионов Сергей Анатольевич

«РЕАКТИВНЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ С ОБЪЁМНЫМИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫМИ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ В РОТОРЕ»

Специальность 05.09.01 -«Электромеханика и электрические аппараты»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва-2004

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

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор Ковалев Л.К.

доктор технических наук, профессор Беспалов ВЛ.

кандидат технических наук, главный конструктор ОАО «Аэроэлектромаш» Савенко В.А.

НИИЭМ, г. Истра Московской области

Защита диссертации состоится «_»_2004г. в_часов

на заседании диссертационного совета Д212.125.07 в Московском авиационном институте (Государственном техническом университете) по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4, учёный совет МАИ.

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

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по указанному адресу.

31,03

Автореферат разослан

2004г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д212.125.07 к.т.н., доцент

А.Б. Кондратьев

Общая характеристика работы

Актуальность темы

В последние годы в России и за рубежом активно разрабатываются электромеханические преобразователи на базе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). В США проводится широкий круг исследований, направленных на создание нового поколения СП синхронных машин на основе ВТСП проводов. В России в последние 20 лет,активно ведутся работы по созданию СП генераторов для общепромышленной энергетики и авиации. Изготовлен, испытан и прошел опытную эксплуатацию в энергосистеме в режиме синхронного компенсатора сверхпроводниковый турбогенератор мощностью 20 МВ-А (ВНИИЭлектромаш). Сейчас в ВНИИЭлектромаш разрабатывается конструкция 20 МВ-А синхронного генератора с ВТСП обмоткой возбуждения (в габаритах низкотемпературного аналога данной машины) и криокулером Гиффорда-МакМагона на роторе, якорь - усовершенствованной конструкции. В предыдущие годы в ВНИИЭлектромаш и объединении «Электросила» была разработана также концепция конструкции НТСП турбогенератора большой мощности (порядка 1200 МВт).

Интерес к экспериментальным исследованиям реактивных двигателей с объёмными ВТСП элементами (ВТСП РД) основан, с одной стороны, на теоретических оценках их предельных характеристик, а с другой - на прогрессе в развитии технологии изготовления ВТСП материалов с высокими критическими параметрами. Важно отметить, что реактивные ВТСП электродвигатели на основе итгриевых керамик способны работать при температурах жидкого азота, что позволяет существенно упростить и удешевить криооборудо-вание. В связи с этим в ведущих отечественных и зарубежных центрах (США, Япония, Германия и др.) заметно возрос объём работ по созданию и практическому применению ВТСП электрических машин нового поколения. В последние годы в МАИ был накоплен достаточно большой опыт по расчёту, проектированию, изготовлению и экспериментальному исследованию различных типов ВТСП двигателей с объёмными ВТСП элементами. ВТСП РД как один из наиболее перспективных типов ВТСП двигателей, показали хорошие результаты в ходе проведённых испытаний.

Одним из наиболее перспективных направлений в настоящее время является разработка реактивных ВТСП электродвигателей. Следует отметить, что, несмотря на заметные успехи в исследовании реактивных электрических машин, касающиеся расчётов и проектирования реактивных двигателей, в литературе практически не рассматриваются ни рабочие процессы в сверхпроводниковых реактивных машинах, ни методы их проектирования и расчёта. В связи с этим данная диссертационная работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию рабочих процессов в реактивных двигателях (РД) с объёмными ВТСП элементами |в ДОЗРРЯИМсшсдаишйшетодов расчёта ВТСП РД различных модификаций.

! отжщ

Известно, что принцип действия и характеристики реактивных электромеханических преобразователей определяются анизотропией магнитных свойств материала роторов. Использование объёмных ВТСП элементов позволяет существенно повысить магнитную анизотропию ротора и, соответственно, увеличить удельные энергетические показатели ВТСП РД. Кроме того, величина токовой нагрузки ВТСП РД может быть существенно повышена за счет охлаждения обмотки статора жидким азотом. Эти обстоятельства создают предпосылки для реализации на практике нового класса ВТСП РД, превосходящих по своим удельным массогабаритным параметрам в 2...2.5 раза реактивные двигатели традиционного исполнения.

Важно также отметить, что ВТСП РД могут найти применение в ряде областей науки и техники: при создании криогенных самолётов типа «Крио-план» АО «Туполев» в качестве приводов топливных насосов; в перспективных разработках космической техники; в качестве зысокодинамических приводов испытательных стендов в автомобильной промышленности; в качестве приводов насосов в наземной криогенной технике; в системах высокоскоростного транспорта на магнитном подвесе и др.

Цельизадачиработы

Целью работы является разработка новых типов ВТСП РД с объёмными ВТСП элементами в роторе, методов их расчёта, а также рекомендаций по применению новых типов ВТСП РД.

Задачи работы:

- Выбор и разработка рациональных конструктивных схем ВТСП РД;

- Разработка аналитических методов расчёта двумерных магнитных полей и индуктивных параметров ВТСП РД с различными конструкциями роторов: со слоистым композитным ВТСП - магнитомягким ротором и с массивным ротором с объёмными ВТСП блоками;

- Разработка численных методов поверочного расчёта параметров ВТСП РД различной конфигурации;

- Исследование новых типов ВТСП РД на экспериментальных стендах каф. 310 с целью подтверждения основных положений разработанных теорий.

Методы исследования

Для решения поставленных задач использовались теория электромеханического преобразования энергии, теория синхронных машин, методы математической физики для решения эллиптических уравнений электродинамики и численные методы решения этих уравнений. Для решения систем уравнений использовалась вычислительная техника и пакеты математического моделирования MathCAD 7.0 и Maple V Release 5. Для решения задач методом конечных-элементов использовались пакеты QuickField 4.1 и MS Excel из

состава MS Office 97. Для проверки адекватности разработанных математических моделей и методик расчёта проведены экспериментальные исследования на образцах ВТСП РД различного конструктивного исполнения.

Научная новизна

В диссертационной работе получены следующие новые результаты:

- предложены новые схемы ВТСП РД, обладающие в 2...2.5 раз лучшими удельными массогабаритными показателями;

- получены аналитические решения задач, описаны двумерные магнитные поля в активной зоне ВТСП РД с учётом магнитных характеристик ВТСП и ферромагнитных материалов, геометрии активной зоны машины;

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

- проведён сравнительный анализ различных конструктивных схем ВТСП

РД;

- получены экспериментальные данные, подтверждающие основные положения теории.

Практическая ценность работы

- предложены новые конструктивные схемы ВТСП РД, позволяющие снизить в 2...2.5 раза массоэнергетические показатели двигателей по сравнению с РД традиционного исполнения;

- разработаны расчётные алгоритмы и методики, позволяющие рассчитывать выходные характеристики и массоэнергетические показатели новых ВТСП РД с ферромагнитным и композитным ротором;

- созданы опытные образцы ВТСП РД мощностью от 1 до 10 кВт с высокими массоэнергетическими показателями.

Перечисленные результаты получены лично автором или при его непосредственном участии.

Реализация результатов

Разработанные автором алгоритмы и программы расчёта ВТСП РД переданы промышленным предприятиям и используются при проектных расчётах нового перспективного класса электродвигателей.

Результаты диссертационной работы внедрены в НИР по 5 темам научно-технических программ Минобразования РФ и международного проекта «10 kW HTS motor» в виде разработанных методик расчёта рабочих процессов, алгоритмов проектирования и программ расчёта новых модификаций ВТСП РД для привода крионасосов.

Материалы диссертации используются в курсе лекций по дисциплинам «Электромеханика», «Физико-технические основы работы электрооборудования» и «Сверхпроводниковые и криогенные устройства», а также вошли в методические пособия по курсовому и дипломному проектированию, предназначенные для студентов электромеханических и энергетических специальностей. .

Внедрение результатов подтверждается актами о практическом использовании результатов диссертационной работы.

Апробацияработы

Результаты докладывались и обсуждались: на Школе по сверхпроводи-мости-2000, 22-29 мая 2000п, Протвино, Россия; 7th Advanced Studies on Superconducting Engineering, 2-7 сентября 2001 г, Балатон-Алмади, Венгрия; конференциях молодых учёных в МАИ, на Международных школах по прикладной сверхпроводимости в г. Москве в 2000 и 2001гг. Диссертационная работа в полном объёме рассматривалась на кафедре ««Электроэнергетические и электромеханические системы» Московского Авиационного Института (2002г.).

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка используемых источников. Объём работы составляет 154 печатные страницы, включая 57 рисунков и 1 таблицу. Библиография содержит 111 наименований.

Краткое содержание работы

Во введении приводится обзор публикаций, посвященных выбранной теме диссертации. Показана новизна и перспективность направления, даны примеры двигателей, созданных в процессе разработок. Сформулированы цель и задачи работы.

В первой главе дан анализ состояния разработок и исследований в области электромеханических преобразователей, содержащих сверхпроводниковые материалы, применительно к их использованию на энергосиловых транспортных установках и для аэрокосмической техники. Показано, что одним из наиболее интересных направлений применения объемных ВТСП материалов является их использование в реактивных электрических двигателях. Проведенный анализ литературных данных показал, что расчёт двумерных электромагнитных полей и выходных характеристик таких двигателей рассмотрен недостаточно полно.

Во второй главе рассматривается новый класс ВТСП РД со слоистым композитным ротором на основе ВТСП материалов. Проводится описание основных конструктивных схем таких двигателей. Изложены теоретические методы решения двухмерных аналитических задач расчета магнитных полей,

индуктивных параметров и выходных характеристик различных типов ВТСП РД с учетом свойств используемых ВТСП элементов ротора. Приведены основные расчётные соотношения и результаты расчета параметров ВТСП РД.

Известно, что максимальная мощность и энергетические показатели реактивных двигателей в основном определяются отношением магнитных проводимостей по продольной (й) и поперечной (д) осям композитного ротора. В обычных РД это достигается путем использования в композитном роторе магнитных и немагнитных материалов. В ВТСП РД немагнитные материалы заменяются ВТСП элементами, обладающими ярко выраженными диамагнитными свойствами. Это позволяет реализовать существенно большие отношения магнитных проводимостей по осям й и д и, соответственно, улучшить значения их энергетических параметров двигателей.

Характеристики слоистых композитных роторов реактивных ВТСП двигателей определяются как диамагнитными свойствами ВТСП керамических элементов, так и ферромагнитными свойствами используемых электротехнических сталей. Для решения электродинамических задач со слоистым композитным ВТСП ротором в дальнейшем используются модели среды с анизотропной магнитной проницаемостью, в которых ось й совпадает с координатной осью х, а ось д - с координатной осью у:

Ох <4

,0 НУ)

м =

В = ¡хН

мости

Здесь ¿¡х и /¿у - соответственно, относительные магнитные проницаемее.

вдоль

осей

у,

Мх =

- значения магнитной индукции и напряженности поля, усредненные по площади сечения слоистого ротора, КГе - концентрация ферромагнитных материалов в слоистом роторе.

Пластины из современных объемных ВТСП на основе текстурирован-ных иттриевых керамик (УБСО) могут иметь различную структуру (поликристаллическую, блочную или монодоменную). Было показано, что характер электромагнитных явлений в ВТСП блоках, изготовленных по различным технологиям, определяется относительным параметром l;=Jtt\(Jsa, определяющим относительную токонесущую способность ВТСП элементов (здесь А и а - характерные размеры ВТСП образца и ВТСП домена, Ж, Л - плотности транспортных и внутригранульных токов). Для ВТСП с электромаг-

нитные процессы достаточно хорошо могут описываться на основе модифицированных моделей Бина - Лондона. В случае поликрнсталлических тексту-рированных ВТСП образцов с электромагнитные процессы достаточно

хорошо описываются моделями среды из электрически слабо связанных ВТСП гранул.

На рис. 1 .а приведена основная конструктивная схема ВТСП РД с композитным ротором.

Различная внутренняя структура ВТСП керамических элементов зависит от метода их изготовления. На сегодняшний день ВТСП блоки изготавливают поликристаллическими и монодоменными. Разработанная теория позволяет учитывать свойства обоих основных классов материалов._

Рис. 1. Схемы ВТСП РД с ВТСП роторами; (а) - с композитным ротором, (б) — с объёмными элементами в роторе. 1 — спинка статора, 2 - обмотка фазы, 3 - воздушный зазор, 4 - стальная пластина, 5 -ВТСП нластина, 6 - магнитомягкий сердечник, 7 - объёмный ВТСП _элемент_

Решение аналитических задач для базовой схемы двигателя строится для произвольной зависимости анизотропной магнитной проницаемости

слоистого композитного ротора [л\рх{н\ /^(Я)} в следующей постановке. Обмотки статора двигателя заменяются поверхностным токовым слоем, расположенным на цилиндрической ферромагнитной поверхности с /Ufe = «>. Расчетная схема модели ВТСП РД в такой постановке содержит две расчетные зоны: воздушный зазор и слоистый композитный ВТСП ротор.

Расчетные методики на основе этой постановки позволяют быстро проводить проектные расчеты параметров двигателя, а также анализ его выходных характеристик в зависимости от свойств используемых ВТСП материалов. Важно также отметить, что полученные решения двухмерной задачи для р = 1 допускают обобщения для случая многополюсных {р^2) реактивных ВТСП двигателей со слоистым композитным ротором {ц$= const и fipe »1). При определённых ограничениях это достигается

путем использования метода конформного отображения Рассмотрен-

ная выше постановка двухмерной задачи с //г{цх(Я);/Уу(#)} позволяют также

достаточно строго исследовать нелинейные процессы с учетом насыщения статора и диамагнитных характеристик в ВТСП керамических элементах и

(а)

(б)

ферромагнитных пластинах композитного слоистого ротора. Учет влияния лобовых частей обмотки статора, индуктивных коэффициентов рассеяния зубцовой зоны, а также потерь в стали и обмотках статора, проводился по известным зависимостям с использованием построенных векторных диаграмм и схем замещения ВТСП РД.

В двумерной постановке система уравнений для области воздушного зазора машины сводится путем введения векторного потенциала А с компонентами (О, О, А), (В=го1А, <ЫВ=0) к решению уравнения Пуассона, которое в цилиндрической системе координат имеет вид:

д2А

1 дЛ ■—— +

82А г23ср2

= -¡101р-б{г-Лх).

Здесь Д — поверхностный ток для задач, в которых обмотки статора заменяются токовым слоем, - плотность тока и толшина токового

слоя соответственно, 8 -дельта-функция, -радиус расточки статора,

-линейная токовая нагрузка статора;

обмоточный коэффициент для и-ой гармоники; р - число пар полюсов; тф — число фаз; - число витков фазы.

В качестве граничных условий на границах сопряжения сред с различными магнитными проницаемостями используются следующие соотношения: Яг+-Яг_=0; 5Я+-ВЛ_=0. Здесь индексы «+» и «-» относятся к параметрам по разные стороны границы.

Структура решения уравнения Пуассона, описывающего распределение магнитного поля в воздушном зазоре реактивного ВТСП электродвигателя для первой гармоники векторного потенциала имеет вид:

Структура решения уравнения Пуассона в анизотропном роторе проводится в декартовой системе координат, вдоль осей {х, у) которой относительные магнитные проницаемости равны соответственно /4 и В этом случае решение уравнения Максвелла в роторе ДА—О записывается как

Здесь - константы интегрирования. После сшивки решений

уравнений для воздушного зазора и композитного ротора можно получить эти константы в явном виде:

т-п

1-ш2у]; С2=-^^-(1 + л|)[ш-/]созГ

где т =

Му

+ /

цх+1 . Л2-1 п - —-——; / =

/Г+ 1

Я = —, Л, —радиус расточки стато-Лг

цу1 +1 цх\ +1

ра, /?г - внешний радиус ротора.

По распределению магнитного поля в активной зоне ВТСП РД можно найти электромагнитную энергию двигателя. Зная энергию, легко вывести соотношения для главных индуктивных сопротивлений Х^ и Хщ, а также для механического момента и мощности ВТСП РД.

Здесь ¿5 -длина машины; гпф -число фаз; 1т-амплитудное значение фазного тока; 1У„-число витков фазы; Ка -обмоточный коэффициент; СО— частота вращения.

Полученные выше аналитические решения задачи о распределении магнитного поля в активной зоне ВТСП РД и определения индуктивных параметров ВТСП РД относятся к линейной части машины. Приближённый учёт влияния объёмных эффектов, связанных с наличием лобовых частей и пазового рассеяния на индуктивные параметры ВТСП РД проведен на этапе построения векторной диаграммы и схемы замещения двигателя.

Приближенный учет параметров магнитной цепи статора производится методами теории магнитных цепей с использованием соответствующей схемы замещения для модельной геометрии статора. В рассматриваемом подходе статор рассматривается в виде двух основных зон: спинка статора (с внешним радиусом и магнитной проницаемостью в которой магнитный поток считается распределённым по сечению спинки по закону косинуса от азимутального угла <р и зубцовая зона (с радиусом К и магнитной проницае-

мостью в

радиальном направлении распределение

поля

по углу в которой задано по закону синуса.

Магнитное сопротивление ротора и воздушного зазора может быть найдено из полученного ранее решения двумерной задачи для функции магнитного потока А, в котором значение тока фазы \ следует заменить на величину /(1 - <Х), где <5? учитывает падение магнитного потенциала в магнитной цепи статора.

Принимая во внимание сделанные замечания, после несложных преобразований можно определить величину

Значения индуктивных сопротивлений Xj, Хд с учетом магнитной цепи статора могут быть выражены в следующем виде: Xj q '(l -<5?)

Проведено исследование влияния промагничивания ВТСП пластин ротора на выходные параметры ВТСП РД. Показано, что промагничивание ВТСП пластин не влияет на выходные характеристики вплоть до полного проникновения поля (с периферии до центра).

На основе изложенной выше расчётной теории были разработаны алгоритм и программа вычисления энергетических параметров ВТСП РД с композитным ротором. Программа реализована на языке PASCAL 7.0 и позволяет проводить расчёт и построение графиков, а также запись результатов в файл и вывод их на экран.

Расчёты, проведенные по этой программе, показали, что:

1. Использование ВТСП материалов позволяет повысить выходную мощность ВТСП РД в 2...2.5 раза, КПД достигает 95% a coscp возрастает до 0.83...0.90;

2. На рис.2 приведены результаты расчёта параметров ВТСП РД (0x1 = 62.7x83 мм2, напряжение сети 220В) с композитным ВТСП ротором. Как видно из графиков, улучшение качества ВТСП керамических элементов (увеличение критической плотности тока ВТСП керамики с 30 Л/мм2 до 100 А/мм2) позволит повысить выходную мощность ВТСП РД в 1.5 раза (см. рис. 2). Дальнейшее повышение критической плотности тока до 200 А/мм2 улучшает выходные параметры электродвигателя незначительно. Расчёты показывают, что при J, > 200 А/мм2 в композитном ВТСП роторе происходит полное промагничивание ВТСП пластин и даль_нейший рост мощности ВТСП РД ослабевает. _

В третьей главе изложены приближенные аналитические методы расчёта двумерных магнитных полей в реактивном двигателе с объемными ВТСП элементами, приводятся результаты исследований ВТСП РД, предка-

значенного для применения в современной криоэнергетике и аэрокосмической технике.

Одним из вариантов выполнения ВТСП РД является двигатель с массивным ферромагнитным ротором и ВТСП объёмными элементами (см. рис. 1.6). Такие двигатели более технологичны, имеют хорошие пусковые характеристики, однако, обладают более низкими значениями эффективности и коэффициента мощности по сравнению с ВТСП РД с композитным слоистым ротором. В данных схемах ВТСП блоки выполняют роль концентраторов магнитного потока вдоль продольной оси d.

Расчет параметров таких ВТСП РД связан с известными трудностями, так как решение соответствующих электродинамических задач даже в двумерной постановке сводится к нелинейным интегро-дифференциальным уравнениям. Так, например, в простейшем случае, когда часть ротора занимает идеальный диамагнитный сектор, а часть - идеальный ферромагнитный сектор, решение задачи может быть в общем случае построено численными методами с использованием формул Келдыша - Седова для кольцевой зоны. В связи с этим вопросы построения аналитических решений для расчёта параметров реактивных машин с объемными ВТСП элементами в массивном ферромагнитном роторе представляют несомненный научный и практический интерес.

В двумерной постановке система уравнений для области воздушного зазора машины зыглядит таким же образом, как и в первой главе.

Решение уравнения Пуассона для базовой схемы двигателя с р=1 (см. рис. 1.6) строится для заданных кусочно-постоянных зависимостей магнитных проницаемостей ротора при следующих допущениях: обмотки статора двухполюсного двигателя заменяются поверхностным токовым слоем на радиусе расточки статора Д,; относительная магнитная проницаемость ферромагнитных сегментов ротора принимается (1ре»\, а диамагнитных ВТСП вставок влияние конечных размеров ярма статора и зубцо-вой зоны в данной постановке приближенно учитывается с помощью эквивалентной схемы замещения магнитной цепи статора.

При решении задачи Пуассона композитный ВТСП ротор из ферромагнитных и ВТСП сегментов можно заменить эквивалентным распределённым токовым слоем 1г=1,(в). В общем случае распределение токов в поверхностном слое можно найти из интегральных уравнений Фредгольма, численное решение которых связано с известными математическими трудностями, так как ядра соответствующих интегральных уравнений имеют слабую особенность. Можно, однако, показать, что при малой относительной величине толщины воздушного зазора (ВЗ) (отношении толщины зазора к радиусу расточки статора «1) в качестве первого приближения для определения распределения поверхностных токов можно воспользоваться следующим подходом. Распределение токов на диамагнитных ВТСП вставках оп-

ределяется из решения дополнительной задачи о распределении поля в воздушном зазоре от токов на поверхности диамагнитного ротора. Распределение токов на ферромагнитных вставках можно определить из решения задачи о распределении поля в воздушном зазоре с идеальным ферромагнитным сердечником ССуммарное распределение поля находится путем суперпозиции соответствующих токовых слоев на сегментах, соответствующих ВТСП и ферромагнитным областям.

Для построения аналитического решения необходимо найти значения эквивалентных токовых слоев 1я(<р) =./-А на поверхности ротора Щг. Для этого ротор с объемными ВТСП и ферромагнитными элементами заменяется ротором с эквивалентным кусочно-непрерывным распределением токового слоя. При этом учитывалось, что поверхностный ток на роторе сонаправлен с током статора на ферромагнитных поверхностях и разнонаправлен на ВТСП поверхностях. На рис. 3 показана развертка токов ротора и статора. Суммар-

ное

распределение тока 1К на роторе можно представить в виде: Г /„ «„л рЛ/гОМ^Сф), <ре(Ге)

где

Н/йгО^ЯиЧф), ф е (НТБ)

ния тока в ВТСП и в ферромагнитной областях.

. —амплитуды распределе-

Поскольку для определения основных параметров ВТСП РД в дальнейшем используется только первая гармоническая составляющая магнитного поля, определим первую гармонику разрывной функции распределения то-

кового слоя

ротора:

I рот = «1п(ф)+ Ь[ сск(ф),

где

—

коэффициенты ряда Фурье.

Амплитуды токов на ферро- и диамагнитных сегментах ротора можно найти из решения двух дополнительных задач:

- о распределении векторного потенциала в воздушном зазоре машины с однородным ротором с магнитной проницаемостью GrlD const;

- о распределении векторного потенциала в воздушном зазоре с токовым слоем на поверхности ротора с распределением /i=./zlsin(<p)=7/,()/,,sin(9):

Приравнивая решения этих двух задач, можно найти выражения для амплитудных значений токовых слоев на поверхности сегментов ротора как функций относительных магнитных проницаемостей соответствующих диамагнитным и ферромагнитным участкам. При этом можно получить значения коэффициентов <3/ И Ь/ в общем виде:

Вид решения задачи о распределении векторного потенциала в воздушном зазоре с массивным ротором и объёмными ВТСП элементами такой же, как и во второй главе.

После сшивки - решений уравнений. для. воздушного зазора и ротора можно получить константы решения в явном виде:

Полученные соотношения для А и констант а и с позволяют рассчитывать по первой гармонике магнитные поля, индуктивные параметры и характеристики ВТСП РД:

Так как схема замещения и векторная диаграмма ВТСП РД с массивным ферромагнитным ротором аналогичны соответствующим характеристикам ВТСП РД со слоистым композитным ротором,.то основные расчётные соотношения для рассматриваемой схемы ВТСП РД в общем виде полностью совпадают с приведёнными выше формулами для РД с композитным ротором.

Учёт влияния насыщения статора на выходные характеристики ВТСП РД производился таким же образом, как и в главе 2

На основе изложенной выше расчётной теории были разработаны алгоритм и программа расчета энергетических параметров ВТСП РД с объёмными ВТСП элементами в роторе. Программа реализована на языке MathCAD 7.0 и позволяет проводить расчёт и построение графиков, а также запись результатов расчетов в файл и вывод их на экран. На рис. 4 представлены результаты расчётов максимальной выходной мощности и максимального коэффициеита мощности от угла раскрытия ß при различных величинах магнитной проницаемости ВТСП блоков ротора ВТСП РД с j0<£=62.7x83 мм2, числом витков фазы и напряжении сети питания U=170 В. Видно, что

наличие ВТСП блоков в роторе позволяет достичь удвоения максимальной выходной мощности;

В четвёртой главе изложены численные методы.расчета параметров ВТСПРД.

Электромагнитные поля в активной зоне электрических машин и их параметры определяются, как правило, на основе решения двухмерных электродинамических задач. Для наиболее точного учета магнитных свойств материалов и геометрических параметров электродвигателя можно использовать численные расчеты электромагнитных полей методом конечных элементов (МКЭ). Обычно расчет параметров электрических машин при использовании пакета прикладных программ (ППП) МКЭ можно провести лишь при заданной системе токов. В реальных же условиях электродвигатели работают от сети постоянного напряжения и ток статора изменяется в зависимости от нагрузки двигателя. В связи с этим в четвёртой главе изложен доработанный автором вариант ППП МКЭ «ршскНеЫ V. 4.1», позволяющий проводить детальные расчеты рабочих процессов и выходных параметров реактивных ВТСП двигателей при заданном напряжении сети.

111111 типа «ОшскЫб» представляет собой интегрированную диалоговую систему программ, позволяющую решать широкий класс плоских и осе-симметричных задач математической физики. Для решения задач диссертации используется формулировка задачи магнитостатики относительно векторного потенциала магнитного поля. В ходе расчетов могут быть найдены локальные значения индукции и напряженности магнитного поля, электромагнитные силы и моменты.

Этап 1: подготовка расчетной модели. До начала расчета необходимо знать геометрию двигателя, его электротехнические параметры и магнитные характеристики ферромагнитных и ВТСП материалов ротора и статора. По данным геометрии необходимо выполнить чертеж поперечного сечения электродвигателя. На основе полученного поперечного сечения в программе «ршскйеШ формируется расчетная модель электродвигателя. Каждому элементу двигателя присваивается оригинальное имя. Элементы характеризуются следующими свойствами: магнитной проницаемостью (которая может быть постоянной, нелинейной и тензорной), плотностью тока и коэрцитивной силой магнита. На внешней поверхности электродвигателя задается граничное условие А=0. Построение расчетной сетки конечных элементов осуществляется автоматически. На подготовительном этапе задаются нелинейные кривые намагничивания материалов электродвигателя из библиотеки данных.

Этап 2: определение главных индуктивных сопротивлений. Для определения главных индуктивных параметров Хй и X необходимо подготовить две геометрических расчетных модели электродвигателя. В первой модели положение ротора соответствует нулевому углу между полем статора и осью d ротора (^=0), то есть режиму холостого хода. В этом случае, согласно векторной диаграмме ВТСП РД, ток статора может быть определен как '5^хх = • Вторая модель соответствует перпендикулярному положению ротора , В этом случае . Далее следует задать напряжение питания фазы, и начать итеративный процесс расчета. Задаются плотности тока в пазах электродвигателя и проводится серия расчетов моде-

лей таким образом, чтобы удовлетворить соотношениям для /„ и ¡„¡¡х- Индуктивные сопротивления Xj, Xq определяются по результатам расчетов как Xad,aq = ^ = ^O^a^s10/"-^]^^ ^^ » здесь ay=2nf- частота вращения двигателя, L - индуктивность, -магнитный поток через композитный ротор, fVe-число витков в фазе, Ха~длина электродвигателя, /-действующее значение тока в фазе. Важно отметить, что в определенных таким образом Xaj и Ход учитывается пазовое сопротивление рассеяния.

Этап 3: расчет рабочей* характеристики - электродвигателя. Зная главные индуктивные сопротивления Ха</ и Ха<1 и используя соотношение для определения тока в зависимости от положения ротора (угла нагрузки у) можно задать плотности тока в пазах статора при любом положении ротора. Далее в программе проводится расчет для различных точек у=0...я/2. Область интегрирования задается в виде замкнутого кольцевого контура, охватывающего ротор. Механическая мощность реактивного электродвигателя вычисляется по определенному механическому моменту М как_

'P2=MaL,.z

ЛГ</=71.7П; Хд=5.0П

Xd = 54.2Q; Xq = 3.4 £2

Xj = 77.8 Q; Xq = 5.2 fl

Xd =

Xn =

72.1П; 3.0 П

Рис. 5. Сравнение конструкций композитных ВТСП роторов.

Разработанная методика расчета использовалась для поиска рациональной геометрии активной зоны ВТСП РД. В качестве базового был выбран электродвигатель с размером расточки ^£=62.7x83 мм , числом витков фазы Ж,,=264. На рис. 5 приведены результаты расчёта параметров ВТСП РД с различными роторами и их рабочие характеристики при напряжении сети питания U=170 В. Видно, что ротор, состоящий из очень тонких чередующихся ВТСП и ферромагнитных пластин (№ 4) обеспечивает максимальную выходную мощность. Однако такую конструкцию ротора трудно реализовать на

практике. Конструкция ротора с широкой центральной стальной пластиной и гонкими чередующимися ВТСП и ферромагнитными пластинами по обе стороны от неё (№3) обеспечивает меньшую выходную мощность. Двигатель с ротором, содержащим 4 ВТСП пластины, обладает несколько большей выходной мощностью, чем с 6-ю пластинами.

В пятой главе приводится описание работы криогенного стендового оборудования для испытании ВТСП РД. Описана конструкция серии ВТСП РД мощностью 1-10 кВт, созданных в МАИ на кафедре 310. На рис. 6 даны фотографии этой серии. Приводятся результаты испытаний ВТСП РД и анализ их экспериментальных характеристик (мощности, КПД. коэффициента мощности). Приведены результаты сопоставления опытных данных с теоретическими зависимостями, полученными на основе развитых в предыдущих главах моделей рабочих процессов в ВТСП РД.

Рис. 6. Фотографии серии ВТСП РД.

Для экспериментальных исследований нового класса ВТСП РД необходимо использовать специализированные стенды, в которых требуется обеспечить криогенное охлаждение машин (в частности, жидким азотом при нормальном или при пониженном давлении). В связи с этим, на кафедре 310 МАИ с участием автора был модернизирован специализированный стенд для испьпаний и экспериментальных исследований ВТСП РД мощностью 5 10 кВт. Также на каф. 310 МЛН была создана и оглажена методика экспериментальных исследований ВТСП РД. Процесс проведения эксперимента состоит из нескольких основных этапов:

- Приведение экспериментальной установки в состояние готовности. Этот этап включает в себя включение основных источников питания, преобразователей напряжения и т.д.. запуск автоматизированной сисчемы измерения:

- Подготовка ВТСП РД к проведению испытаний. Этот этап включает в себя захолаживание ВТСП РД с помощью криоагента. При этом в танке с жидким азотом создаётся избыточное давление, криоагеит следует по магистралям в криостат с двигателем. Среднее время захолаживания двигателя составляет около 20 - 30 мин.

- Испытание ВТСП РД. Поскольку пусковой момент синхронной машины равен нулю, то для ввода машины в синхронизм необходимо либо разгонять её до синхронной скорости пусковым двигателем с последующим переключением питания с пускового двигателя на испытуемый, либо использовать плавный разгон машины с помощью статического преобразователя частоты. После запуска машины-можно проводить испытания ненагру-женной машины (режим холостого хода). Нагрузка машины производилась с помощью двигателя постоянного тока. Постепенным ростом нагрузки испытуемый двигатель доводился до кипмомента. Эксперименты для каждого двигателя проводились для серии напряжений питания. На основе измеренных данных — тока, напряжения, частоты вращения вала -рассчитывались дополнительные данные - мощность, коэффициенты мощности и полезного действия.

На рис. 7 приведено сравнение результатов экспериментального исследования опытных образцов ВТСП РД с различными типами роторов: с композитным ВТСП ротором с 6-ю и 4-мя ВТСП пластинами и ротором с объёмными ВТСП блоками. Видно, что двигатель с ротором с объёмными блоками имеет меньшую выходную мощность (в 2...2.5 раза) и коэффициент мощности (от 0.52 до 0.78) по сравнению с двигателем с композитным ротором_

Рис. 7. Сравнение различных типов роторов

На рис. 8 приведена серия графиков, иллюстрирующих зависимости основных выходных параметров ВТСП РД (выходной мощности, коэффициентов мощности и полезного действия) от силы фазного тока. Эксперименты проводились для различного значения напряжения сети питания при температуре жидкого азота. Верхний ряд зависимостей был измерен с пластиковыми пластинами в роторе, нижний ряд - с ВТСП пластинами. Сравнение верх-

него и нижнего рядов позволяет провести анализ улучшения выходных параметров ВТСП РД при наличии ВТСП элементов. Также из графиков видно, что выходная мощность ВТСП РД в 1.5-2 раза выше, чем у РД с пластиковыми пластинами. Значения коэффициентов мощности и полезного действия при одинаковом напряжении питания больше в присутствии ВТСП элементов, чем при их отсутствии.

и=170В

11=250В'

без ВТСП

кпд

С05ф 08

0.60402-

12 |,А 16

КПД

СОЭф 0.8-

сВ'

СП

кгад!"1

СХЗЗД 0 8-

О-1

Р, Вт У

1

Ц=170В

* С0Б9 —«—кпд

® I -Г" |

КПД*1

СОЭф 0.8-

06-

0.4-

02-

12 |.А 16

12 |,А 18

Рис. 8. Экспериментальные исследования 5 кВт ВТСП РД = 62.7 х 83 мм с композитным ротором с 6-ю ВТСП пластинами

Основные выводы поработе.

1. Предложены новые схемы реактивных электрических машин различного конструкционного исполнения (со слоистым композитным ВТСП ротором и с массивным мапштомягким ротором с объемными ВТСП блоками) с охлаждением жидким азотом, обладающие высокими массо-энергетическими показателями.

2. Показано, что применение в слоистом композитном роторе объёмных сверхпроводниковых материалов и электротехнических сталей позволяет существенно увеличить магнитную анизотропию ротора реактивного электродвигателя. Такие роторы имеют ярко выраженные диамагнитные свойства в направлении оси д и ферромагнитные свойства в направлении оси dt что даёт возможность реализовать на практике электродвигатели с высокими энергетическими показателями.

3. На основе решения нелинейных электродинамических задач разработаны аналитические методы расчета двухмерных магнитных полей и выходных параметров реактивных ВТСП двигателей с композитным слоистым ротором, учитывающие как структуру используемых поликристаллических и монодоменных ВТСП блоков, так и магнитные свойства электротехнических сталей.

4. Построены аналитические зависимости для расчета распределения двухмерных магнитных полей и параметров реактивных ВТСП двигателей с магнитомягким ротором и конечными объемными ВТСП элементами, выполняющими роль концентраторов магнитного потока.

5. Проведенная серия расчётов ВТСП РД со слоистым композитным ротором показала, что рассматриваемый класс новых электрических машин обладает в 2 — 2.5 раза более высокими массогабаритными удельными характеристиками по сравнению с электродвигателями традиционного исполнения при тех же режимах охлаждения в среде жидкого азота. Так, например, выходная мощность электродвигателя (0хЬ = 62.7 х 83 мм) без ВТСП элементов составляет ~2.5 кВт, а выходная мощность такого же двигателя с ВТСП элементами составляет ~5 кВт.

6. Расчётные исследования характеристик ВТСП реактивных двигателей с массивным магнитомягким ротором и ВТСП конечными элементами показали, что такие двигатели обладают хорошими пусковыми характеристиками, однако их выходные параметры в 1.5-2 раза ниже, чем параметры ВТСП двигателя с композитным слоистым ротором.

7. На базе пакета «ршскИеИ» разработана программа для поверочного двухмерного расчёта магнитных полей и методика определения выходных характеристик реактивных ВТСП двигателей, позволяющие в полной мере учитывать влияние структуры активной зоны линейной части проектируе-

мых экспериментальных двигателей (толщину зубцов, форму пазов, толщину спинки статора и т.д.) на выходные параметры двигателей.

8. Разработана конструкция, изготовлены и испытаны реактивные ВТСП двигатели с охлаждением жидким азотом (Ts77K) мощностью 2 - 10 кВт с со слоистым композитным ВТСП ротором и с массивным магнитомягким ротором с объемными ВТСП блоками. Экспериментально показано, что погружной реактивный трёхфазный электродвигатель с композитным ВТСП ротором при уровне мощности ЛГ« 10 кВт и частоте напряжения сети 50 Гц имеет coscp » 0.7 и удельную мощность m = 1.41 кг/кВт.

9. На основе теоретических и экспериментальных исследований установлено, что при заданных главных размерах машины наилучшие показатели (мощность, коэффициент мощности и эффективность) имеют реактивные ВТСП двигатели со слоистым композитным ротором. Так, например, при напряжении питания 250 В максимальная выходная мощность реактивного ВТСП электродвигателя {0xL = 62.7 х 83 мм) с композитным ротором составила ~5 кВт, а электродвигателя с массивным магнитомягким ротором и объёмными ВТСП элементами ~2.5 кВт.

Ю.Сопоставление теоретических и экспериментальных данных показало, что разработанные аналитические и численные методы расчёта ВТСП двигателей совладают с экспериментальными данными, полученными в ходе испытаний опытных моделей, с точностью до 7 - 10%.

11 .Для выполнения программы экспериментальных исследований и испытаний погружных реактивных ВТСП двигателей с охлаждением жидким азотом проведена модернизация криогенных стендов и измерительных комплексов кафедры 310.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Ковалев Л.К., Ларионов С.А. и др. Синхронная реактивная машина. Патент РФ, приоритет от 24.06.1998 г.

2. L. Kovalev, W. Gawalek, К. Kovalev, S. Larionov. Superconducting Electrical Machines. Results and Future Development Proceedings of 5th Summer Scool and Scientific Workshop on High Temperature Superconducting Eger. Hangury, July 17-25 1999.

3. Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Ковалев КЛ., Ларионов С.А.. Гистерезисные и реактивные электрические машины с объемными ВТСП элементами. Новые результаты и перспективы развития. V Симпозиум «Электротехника 2010 год», том II, Моск. обл., 19 - 22 октября 1999.

4. Ковалев Л.К., Ковалев КЛ., Конеев С.М.-А., Модестов К.А Генераторы переменного тока на базе сверхпроводящих обмоток и материалов на основе YBCO. V Симпозиум «Электротехника 2010 год», том II, Моск. обл., 19-22 октября 1999.

5. L.K. Kovalev, S.A. Larionov, VT. Penkin. New types of electric machines on the basis of the bulk HTS elements. Recent results and future development. Proc. of ICEC- 18. 21-25 February 2000,Bombay. India.

6. K.L. Kovalev, S.A. Larionov, K.A. Modestov. New types of electric machines on the basis of the bulk HTS elements. Recent results and future development. Proc. ofM2S-HTSC-VI, 20 - 25 February 2000, Houston, USA.

7. L.K. Kovalev, K.L. Kovalev, V.T. Penkin, S.A. Larionov. HTS Electrical Machines With YBCO Bulk and Bi-Ag Plate shape HTS Elements. Recent Results and Future Development. Proc. of the Int. Conf. Superconductors for Applications, Material Properties and Devices. June 11-15 2000, Rio de Janeiro, Brasil.

8. K.L. Kovalev, K.V. Ilushin, S.M.-A Koneev, S.A. Larionov. Development of advanced HTS motors. Proc. of "VI Summer School on HTS power application". Eger, Hungary, July, 2000

9. L.K. Kovalev K.L. Kovalev, V.T. Penkin, S.A. Larionov. "Electric Motors with Bulk HTS Elements". 6-th International Workshop "High Temperature Superconductors and Novel Inorganic Materials Engineering MSU-HTSCVI", 2430 June 2001, Moscow - StPetersburg (Russia).

10.Л. К. Ковалев, К.В. Илюшин, К.Л. Ковалев, С.А. Ларионов. Исследование реактивного электродвигателя с объемными ВТСП элементами в роторе. Электричество N 5,2002

Отпечатано в 000 «Компания Спутник+» ПД № 1-00007 от 25.09.2000 г. Подписано в печать 17.03.04 Тираж 100 экз. Усл. пл. 1,44 Печать авторефератов (095) 730-47-74, 778-45-60 (сотовый)

№-7182

ВВЕДЕНИЕ.

I. Состояние разработок в области сверхпроводниковых машин.

1.1. Классификация электромеханических преобразователей на основе сверхпроводников.

1.2. Высокотемпературные сверхпроводники и температурные диапазоны их работ.

ВЫВОДЫ.

И. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В АКТИВНОЙ ЗОНЕ РЕАКТИВНЫХ ВТСП ДВИГАТЕЛЕЙ С КОМПОЗИТНЫМ СЛОИСТЫМ

РОТОРОМ.

ВВЕДЕНИЕ.

2.1. Классификация реактивных ВТСП двигателей.

2.2. Магнитные свойства слоистых композитных материалов ротора.

2.2.1. Характеристики слоистых композитных роторов.

2.2.2. Феноменологические модели магнитных свойств ВТСП пластин

2.2.3. Магнитные свойства ферромагнитных пластин ротора.

2.3. Общая постановка двухмерных электродинамических задач.

2.4. Построение аналитических решений для двигателей с композитным слоистым ротором с поликристаллическими ВТСП пластинами.

2.4.1. Структура решения задачи для области воздушного зазора.

2.4.2. Структура решения задачи для анизотропного композитного ротора.

2.5 Аналитические решения' задачи для ВТСП двигателя с монодоменными и блочными ВТСП пластинами.:.

2.5.1. Уравнения границ токовой зоны.

2.5.2. Построение решения для композитного слоистого ротора и воздушного зазора.

2.5.3. Определение констант интегрирования.

2.5.4. ВТСП пластины блочной структуры.

2.6. Индуктивные параметры ВТСП двигателей с композитным ротором

2.7. Векторная диаграмма реактивного ВТСП двигателя.!.

2.8. Учет влияния магнитной цепи статора на индуктивные параметры ВТСПРД.

2.9. Результаты расчётов параметров ВТСП двигателя с композитным ротором.

2.9.1. Алгоритм и программа расчёта параметров ВТСП двигателя.

2.9.2. Влияние величины воздушного зазора на выходные параметры ВТСП двигателей.

2.9.3. Влияние параметров ВТСП и ферромагнитных материалов на выходные характеристики ВТСП РД.

ВЫВОДЫ.

III. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В АКТИВНОЙ ЗОНЕ РЕАКТИВНЫХ ВТСП ДВИГАТЕЛЕЙ С ОБЪЁМНЫМИ ВТСП

ЭЛЕМЕНТАМИ НА МАССИВНОМ МАГНИТОМЯГКОМ РОТОРЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

3.1. Конструктивные схемы ВТСП двигателей с объёмными ВТСП элементами.

3.2. Общая постановка двухмерных электродинамических задач и структура решения для области воздушного зазора.

3.3. Определение эквивалентных токовых слоев на поверхности ротора.

3.3.1. Общая структура решения.

3.3.2. Определение амплитуд токового слоя на магнитомягком и диамагнитном секторах ротора.

3.4. Определение параметров реактивного ВТСП двигателя.

3.4.1. Параметры двухполюсного реактивного ВТСП двигателя.

3.4.2. Параметры многополюсных реактивных ВТСП двигателей.

3.5. Векторная диаграмма ВТСП реактивных двигателей.

3.6. Учет влияния магнитной цепи статора на индуктивные параметры ВТСП двигателей.

3.7. Результаты расчётов параметров ВТСП двигателя с объёмными элементами.

ВЫВОДЫ.

IV. ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ РЕАКТИВНЫХ

ВТСП ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

4.1. Применение метода конечных элементов для расчета параметров электродвигателей.

4.1.1. Задачи, допускающие численное двухмерное решение в ППП «Quickfield v. 4.1».

4.1.2. Уравнения, описывающие электромагнитные процессы в ВТСП РД и их численная реализация в ППП «Quickfield v. 4.1».

4.2. Методы построения рабочих характеристик ВТСП РД с использованием в ППП «Quickfield v. 4.1».

4.2.1. Определение параметров ВТСП РД по линейной части электродвигателей.

4.2.2. Приближенный учет влияния лобовых частей.

4.3. Сопоставление ВТСП РД с различной геометрией активной зоны. Результаты численных расчетов. выводы.:.

V. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ ПОГРУЖНЫХ

ВТСПРД.

ВВЕДЕНИЕ.

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

5.2. Описание экспериментальных реактивных ВТСП двигателей.

5.3. Результаты экспериментальных исследований и сопоставление с теоретическими зависимостями.

5.3.1. Порядок проведения экспериментальных работ.

5.3.2. Результаты экспериментального исследования ВТСП РД.

5.3.3. Сопоставление результатов расчётов по теоретическим моделям с опытными данными.

ВЫВОДЫ.

В настоящее время в сильноточной электротехнике начинают широко использоваться низкотемпературные (НТСП) и высокотемпературные (ВТСП) сверхпроводниковые материалы, что позволяет существенно улучшить энергетические и массогабаритные параметры электроэнергетических устройств. В общем объеме сверхпроводниковых (СП) энергетических устройств большая доля приходится на СП электрические машины (в основном синхронные (СМ) и униполярные (УМ)). Важно отметить, что прогресс в создании высокотемпературных СП материалов дает сильный импульс для разработки принципиально новых схем СП электрических машин. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что по сравнению с обычными электрическими машинами СП электрические машины имеют бо-# лее высокое значение выходной мощности, коэффициента полезного действия и коэффициента мощности. В связи с этим ожидается, что такие электрические машины найдут широкое применение в различных областях современной техники (таких как наземные и бортовые энергетические системы, высокоскоростной транспорт, аэрокосмическая техника, энергетические установки для морских судов, металлургическая промышленность и т. д) /21, 22, 25,26,38, 49/.

Целью диссертации является является разработка новых типов ВТСП

РД с объёмными ВТСП элементами в роторе, методов их расчёта и разработка рекомендаций по применению новых типов ВТСП РД.

Поставленная цель была достигнута в результате решения следующих задач:

• Выбор и разработка рациональных конструктивных схем ВТСП РД;

• Разработка аналитических методов расчёта двумерных магнитных полей и индуктивных параметров ВТСП РД с различными конструкциями роторов: со слоистым композитным ротором и с ферромагнитным ротором и ВТСП блоками, играющими роль концентраторов потока;

• Разработка численных методов поверочного расчёта параметров ВТСП РД различной конфигурации;

• Исследование новых типов ВТСП РД на экспериментальных стендах каф. 310 с целью подтверждения основных положений разработанных теорий.

При решении указанных задач использовались следующие методы:

• теория электромеханического преобразования энергии;

• теория синхронных машин;

• методы математической физики для решения эллиптических уравнений электродинамики и численные методы решения этих уравнений;

• методы теории функций комплексных переменных; для решения систем уравнений использовалась вычислительная техника и пакеты аналитического математического моделирования MathCAD 7.0 и Maple V Release 5; для решения задач методом конечных элементов использовались численный пакет QuickField 4.1 и программа MS Excel из состава MS Office 97. для проверки адекватности разработанных математических моделей и методик расчёта проведены экспериментальные исследования на образцах ВТСП РД различного конструктивного исполнения. Научная новизна. предложены новые схемы ВТСП РД, обладающие в 2 — 5 раз лучшими удельными массогабаритными показателями; получены аналитические решения задач, описаны двумерные магнитные поля в активной зоне ВТСП РД с учётом магнитных характеристик ВТСП и ферромагнитных материалов, геометрии активной зоны машины; разработаны математические модели, алгоритмы и программы расчёта электрических параметров и выходных характеристик ВТСП РД различного конструктивного исполнения; проведён сравнительный анализ различных конструктивных схем ВТСП

РД; получены экспериментальные данные, подтверждающие основные положения теории.

Практическая ценность работы

• предложены новые конструктивные схемы ВТСП РД, позволяющие снизить в 2 — 3 раза массоэнергетические показатели двигателей по сравнению с РД традиционного исполнения;

• разработаны универсальные расчётные алгоритмы и методики, позволяющие рассчитывать выходные характеристики и массоэнергетические показатели новых ВТСП РД с ферромагнитным и композитным ротором;

• созданы опытные образцы ВТСП РД мощностью от 1 до 10 кВт с высокими массоэнергетическими показателями.

Перечисленные результаты получены лично автором или при его непосредственном участии.

Реализация результатов

Разработанные автором алгоритмы и программы расчёта ВТСП РД переданы промышленным предприятиям и используются при проектных расчётах нового перспективного класса электродвигателей.

Результаты диссертационной работы внедрены в НИР по 5 темам научно-технических программ Минобразования РФ и международного проекта «10 kW HTS motor» в виде разработанных методик расчёта рабочих процессов, алгоритмов проектирования и методик расчёта новых модификаций ВТСП РД для привода крионасосов.

Материалы диссертации используются в курсе лекций по дисциплине «Электромеханика», «Физико-технические основы работы электрооборудования» и «Сверхпроводниковые и криогенные устройства», а также вошли в методические пособия по курсовому и дипломному проектированию, предназначенные для студентов электромеханических и энергетических специальностей.

Внедрение результатов подтверждается актами о практическом использовании результатов диссертационной работы.

Отдельные результаты обсуждались и докладывались на Школе по сверхпроводимости - 2000, 22 - 29 мая 2000г., Протвино, Россия; 13-th International Symposium on Superconductivity. 14-16 октября 2000г., Токио, Япония; 7lh Advanced Studies on Superconducting Engineering, 2-7 сентября 2001 г, Балатон-Алмади, Венгрия; 19lh International Cryogenic Engineering Conference (ICEC 19), Grenoble, France, 2002; Advanced Studies on Superconducting Engineering, 7-15 июля 2003г., Будапешт, Венгрия.

По теме диссертации опубликованы следующие работы: 1. Ковалев JI.K., Конеев С.М.-А., Ларионов С.А., Модестов К.А. Гистерезис-ные и реактивные электрические машины с объемными ВТСП элементами. Новые результаты и перспективы развития. V Симпозиум «Электротехника 2010 год», том II, Моск. обл., 19-22 октября 1999.

2. Ларионов С.А., Ковалев Л.К. Исследование реактивного электродвигателя с объёмными ВТСП элементами в роторе. «Электричество», №5'2002.

3. Ковалев JT.K., Конеев С.М.-А., Илюшин К.В., Полтавец В.Н., Ковалёв К.Л., Ларионов С.А., Модестов К.А. Реактивные высокотемпературные сверхпроводниковые электродвигатели. «Электричество», №9'2003.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка используемых источников; имеет 175 страниц, 57 рисунков, 1 таблицу, и 111 наименований списка литературы на 12 страницах. В первой главе приводится обзор состояния разработок в области сверхпроводниковых электромеханических преобразователей. Во второй главе приводятся математические методы расчёта параметров ВТСП РД с композитными роторами. В третьей главе рассматриваются электродинамические процессы в активной зоне ВТСП РД с объёмными ВТСП блоками в массивном роторе. В четвёртой главе описаны численные методы расчёта характеристик ВТСП РД. Пятая глава посвящена вопросам экспериментального исследования ВТСП РД.

Выводы

1. Разработана конструкция, изготовлены и испытаны реактивные ВТСП двигатели с охлаждением жидким азотом (Т=77К) мощностью 2 кВт, 5 кВт и 10 кВт с ВТСП роторами различного конструкционного исполнения:

- со слоистым композитным ВТСП магнитомягким ротором;

- с массивным магнитомягким ротором с объемными ВТСП блоками;

2. Экспериментально показано, что при заданных главных размерах машины наилучшие показатели (мощность, коэффициент мощности и эффективность) имеют реактивные ВТСП двигатели со слоистым композитным ротором (по сравнению с двигателями с массивным магнитомягким ротором). Так, максимальная выходная мощность реактивного ВТСП электродвигателя (главные размеры: диаметр расточки 62.5 мм и длина линейной зоны 83 мм) с композитным ротором при напряжении питания 250 В составила ~5 кВт, а электродвигателя с массивным магнитомягким ротором и объёмными ВТСП элементами ~2.5 кВт;

3. Показано, что разработанные аналитические и численные методы расчёта ВТСП двигателей совпадают с экспериментальными данными, полученными в ходе испытаний опытных моделей, с точностью до 10 - 15%.

4. В результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований был разработан погружной реактивный электродвигатель с композитным ротором со значениями мощности и coscp равными, соответственно, JV«9 кВт и coscp & Q J и высокими значениями удельной мощности m = 1.41 кг/кВт;

5. Для выполнения программы экспериментальных исследований и испытаний погружных реактивных ВТСП двигателей с охлаждением жидким азотом была проведена модернизация криогенных стендов и измерительных комплексов кафедры 310.

Заключение

По результатам проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1. Предложены новые схемы реактивных электрических машин различного конструкционного исполнения (со слоистым композитным ВТСП ротором и с массивным магнитомягким ротором с объемными ВТСП блоками) с охлаждением жидким азотом, обладающие высокими массо-энергетическими показателями.

2. Показано, что применение в слоистом композитном роторе объёмных сверхпроводниковых материалов и электротехнических сталей позволяет существенно увеличить магнитную анизотропию ротора реактивного электродвигателя. Такие роторы имеют ярко выраженные диамагнитные свойства в направлении оси q и ферромагнитные свойства в направлении оси d, что даёт возможность реализовать на практике электродвигатели с высокими энергетическими показателями.

3. На основе решения нелинейных электродинамических задач разработаны аналитические методы расчета двухмерных магнитных полей и выходных параметров реактивных ВТСП двигателей с композитным слоистым ротором, учитывающие как структуру используемых поликристаллических и монодоменных ВТСП блоков, так и магнитные свойства электротехнических сталей.

4. Построены аналитические зависимости для расчета распределения двухмерных магнитных полей и параметров реактивных ВТСП двигателей с магнитомягким ротором и конечными объемными ВТСП элементами, выполняющими роль концентраторов магнитного потока.

5. Проведенная серия расчётов ВТСП РД со слоистым композитным ротором показала, что рассматриваемый класс новых электрических машин обладает в 2 — 3 раза более высокими массогабаритными удельными характеристиками по сравнению с электродвигателями традиционного исполнения при тех же режимах охлаждения в среде жидкого азота. Так, например, выходная мощность электродвигателя (0xL = 62.5 х 83 мм) без ВТСП элементов составляет ~2.5 кВт, а выходная мощность такого же двигателя с ВТСП элементами составляет ~5 кВт.

6. Расчётные исследования характеристик ВТСП реактивных двигателей с массивным магнитомягким ротором и ВТСП конечными элементами показали, что такие двигатели обладают хорошими пусковыми характеристиками, однако их выходные параметры в 1.5-2 раза ниже, чем параметры ВТСП двигателя с композитным слоистым ротором.

7. На базе пакета «QuickField» разработана программа для поверочного двухмерного расчёта магнитных полей и методика определения выходных характеристик реактивных ВТСП двигателей, позволяющие в полной мере учитывать влияние структуры активной зоны линейной части проектируемых экспериментальных двигателей (толщину зубцов, форму пазов, толщину спинки статора и т.д.) на выходные параметры двигателей.

8. Разработана конструкция, изготовлены и испытаны реактивные ВТСП двигатели с охлаждением жидким азотом (Т=77К) мощностью 2-10 кВт с со слоистым композитным ВТСП ротором и с массивным магнитомягким ротором с объемными ВТСП блоками. Экспериментально показано, что погружной реактивный трёхфазный электродвигатель с композитным ВТСП ротором при уровне мощности N& 10 кВт и частоте напряжения сети 50 Гц имеет coscp^O.l и удельную мощность ш = 1.41 кг/кВт.

9. На основе теоретических и экспериментальных исследований установлено, что при заданных главных размерах машины наилучшие показатели (мощность, коэффициент мощности и эффективность) имеют реактивные ВТСП двигатели со слоистым композитным ротором. Так, например, при напряжении питания 250 В максимальная выходная мощность реактивного ВТСП электродвигателя (0xL = 62.5 х 83 мм) с композитным ротором составила ~5 кВт, а электродвигателя с массивным магнитомягким ротором и объёмными ВТСП элементами ~2.5 кВт.

10.Сопоставление теоретических и экспериментальных данных показало, что разработанные аналитические и численные методы расчёта ВТСП двигателей совпадают с экспериментальными данными, полученными в ходе испытаний опытных моделей, с точностью до 7 - 10%.

11 .Для выполнения программы экспериментальных исследований и испытаний погружных реактивных ВТСП двигателей с охлаждением жидким азотом проведена модернизация криогенных стендов и измерительных комплексов кафедры 310.

1. Алексеев A. AutoCAD 2000: специальный справочник. С.-Пб. — Питер, 2001

2. Специальные электрические машины. В 2-х кн./под ред. Алиевского Б.Л. — М.: Энергоатомиздат, 1993.

3. Алиевский Б.Л., Шерстюк А.Г., Октябрьский A.M. и др. Сверхпроводниковая униполярная машина мощностью 480 кВт с высокоскоростным жидко-металлическим токосъёмом. Сверхпроводимость: исследования и разработки. Междунар. ж., 1994, №3 - 4.

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

5. Сверхпроводниковые электрические машины и магнитные систе-мы/Бертинов А.И., Алиевский Б.Л., Илюшин К.В., Ковалев Л.К., Семени-хин B.C. Под ред. Б.Л. Алиевского. М.: Изд-во МАИ, 1993.

6. Брехна Г. Сверхпроводящие магнитные системы. М.: Мир, 1976

7. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике (для инженеров и учащихся ВТУЗов): М., "Наука", 1964.

8. Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов B.C. Электрические машины. — М.:Высшая школа, 1987. 4.1 -2

9. Буккель В. Сверхпроводимость. — М,: Мир, 1975,

10. Бут Д.А. Основы электромеханики. М., МАИ, 1996.

11. Бухгольц В. Расчет электромагнитных полей, Мир, 1970.

12. Вольдек А.И. Электрические машины.-Л.:Энергия, 1978

13. Физические свойства высокотемпературных сверхпроводников/Под ред. Гинзбурга Д.М., — М.; Мир, 1990.

14. Глебов И.А., Лаверик Ч., Шахтарин В.Н. Электрофизические проблемы использвания сверхпроводимости. -JL: Наука, 1980.

15. Гольдберг О.Д., Турин Я.С., Свириденко И.С. Проектирование электрических машин; М.:Высшая Школа, 1984

16. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Москва:Радио и связь, 1986.

17. Гуревич А.В., Минц Р.Г., Рахманов A.J1. Физика композитных сверхпроводников. -М.: Наука, 1987.

18. Наука — производству. Выпуск: «Сверхпроводимость: мифы и реальность», №Ю,2000.

19. Домбровский В.В. Справочное пособие по расчету электромагнитных полей в электрических машинах. JL, Энергоатомиздат, 1983.

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

21. Дубицкий С., Поднос В. http://www.cadmaster.ru/articles/06elcutfor2dphysicalfieldsimulation.cf m

22. Жуков А.А. Критическая плотность тока. — В кн.: Сверхпроводниковые материалы. — М.: 1991.

23. Зенкевич В.Б., Сычёв В.В. Магнитные системы на сверхпроводниках. М.: Наука, 1977.

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

25. Илюшин К., Ковалев Л., Ковалев К., Пенкин В., Модестов К., Гавалек В. Конструкции ВТСП двигателей. Состояние разработок и перспективы развития. Международный журнал «Сверхпроводимость: исследования и разработки», №9- 10,1998, стр. 69 77.

26. Ковалев JL, Илюшин К., Ковалев К., Пенкин В., Егошкина JI. Новые типы сверхпроводниковых электрических машин. Международный журнал «Сверхпроводимость: исследования и разработки», №11, 2002, стр. 22 34.

27. Ковалев JI.K, Егошкина JI.A, Пенкин В.Т. Гистерезисные машины с керамическим ротором. — В кн.: Электромагнитные и электромеханическиеф устройства генерирования и преобразования энергии. МАИ, 1992.

28. Пат. РФ №2180156.Сверхпроводниковая синхронная машина/Ковалев JI.K., Илюшин К.В., В.Н. Полтавец и др. — Опубл. в БИ, 2002, №6.

29. Ковалев JI.K., Илюшин К.В., Ковалев K.JI. Электрические машины на основе высокотемпературных сверхпроводников. Состояние разработок иф перспективы развития. Наука производству, 2000, №10.

30. Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Ковалёв К.Л., Ларионов С.А. Исследование реактивного электродвигателя с объёмными ВТСП элементами в роторе. "Электричество", №5'2002.

31. Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Пенкин В.Т., Ковалев К.Л. Гистерезисные электрические машины с ротором из высокотемпературных сверхпроводников. — Электричество, 1994, №6

32. Патент РФ № 2129329 от 20.04.1999 г. «Синхронная реактивная маши-на»/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.

33. Ковалев Л.К., Конеев С.М-А., Илюшин К.В., Полтавец В.Н., Ковалев К.Л. Ларионов С.А., Модестов К.А. Реактивные высокотемпературные сверхпроводниковые электродвигатели. Электричество, 2003, №9

34. Кононенко Е.В. Синхронные реактивные машины. М., Энергия, 1970.

35. Копылов И.П. Электрические машины. М.: Логос, 2000

36. Копылов И.П., Клоков Б.К., Морозкин В.П., Токарев Б.Ф. Проектирование электрических машин; под.ред. Копылова И.П. М.:Энергратомиздат, 1993. Т.1-2

37. Коськин Ю.П., Цейтлин Л.А. Синхронные машины с немагнитным ротором. -Л.: Энергоатомиздат, 1985.

38. Лаврентьев В.П., Методы ТФКП., М., Высшая школа, 1975.

39. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред, М., Физ-МатЛит, 2001.45