автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Синхронные ВТСП двигатели с постоянными магнитами

На правах рукописи УДК 621.313.323:621.318.2 (043.3)

ГОЛОВАНОВ ДМИТРИЙ ВИКТОРОВИЧ

«СИНХРОННЫЕ ВТСП ДВИГАТЕЛИ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ»

Специальность - 05.09.01 «Электромеханика и электрические аппараты»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 2009

003490827

Работа выполнена на кафедре «Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы» Московского авиационного института (государственного технического университета).

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

д.т.н., проф. Ковалев Я. К. д.т.н., Копылов С. И. к.т.н., Бочаров В. В.

ОАО АКБ «Якорь» г. Москва

Зашита диссертации состоится «/У» г. ъУ^часов на

заседании диссертационного совета Д 212.125.07 при Московском авиационном институте (государственном техническом университете) «МАИ» 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) «МАИ».

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

Автореферат разослан

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.125.07 к.т.н., доцент

А.Б. Кондратьев

Общая характеристика диссертаииоииой работы

Актуальность темы. Современная энергетика и аэрокосмическая техника предъявляют повышенные требования к системам генерирования, передачи, хранения и преобразования электроэнергии. Для электромеханических преобразователей (ЭМП) наиболее существенными являются такие показатели, как удельная мощность и габариты, которые особенно важны для авиационной и космической техники. Развитие современной электроэнергетики связано с использованием новых материалов с уникальными свойствами. Для электроэнергетических систем и комплексов наиболее перспективными являются сверхпроводниковые материалы, которые позволяют существенно улучшить энергетические показатели ЭМП.

До недавнего времени широкое внедрение сверхпроводимости (СП) в электроэнергетике было затруднено. Это было связано с низкой критической температурой перехода сверхпроводника в СП состояние и, как следствие, большими затратами на системы криостатирования на основе жидкого гелия. В конце 1980-х годов появление высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) с критическими температурами -100 К существенно повысило интерес к электрическим машинам на их основе. Это объясняется тем, что переход от жидкого гелия (4,2 К) к относительно дешёвому жидкому азоту (77 К) позволяет существенно сократить затраты в системах криостатирования и делает экономически оправданным применение электромеханических преобразователей, основанных на ВТСП. Наиболее перспективным является применение ВТСП электрических машин в тех системах, где уже имеется криогенное оборудование (например самолёты на водородном топливе, энергетические системы на жидком водороде, перспективная судовая и аэрокосмическая техника и др.).

Ещё один импульс в развитии ЭМП связан с появлением магнитов на основе редкоземельных материалов, обладающих высокой удельной энергией. Применение высокоэнергетических редкоземельных постоянных магнитов (РЗМ ПМ) в ЭМП позволяет получать магнитные поля до 1,5 TJI в воздушном зазоре электрической машины, причём эти магниты не размагничиваются на воздухе в отличие от уже устаревших магнитов типа ЮНДК.

Наиболее мощными, обладающими высоким значением КПД и cos <р являются на сегодняшний день магнитоэлектрические синхронные машины (СМ). Среди них различают СМ с радиальными и тангенциальными магнитами, а также достаточно редко встречающиеся СМ с радиально-тангенциальными магнитами. Применение в роторах синхронных машин ВТСП материалов совместно с РЗМ позволяет существенно повысить параметры таких ЭМП. Объёмные ВТСП элементы благодаря своим диамагнитным свойствам целесообразно применять в роторах СМ с ПМ для создания магнитной анизотропии и повышения реактивной составляющей мощности.

Основные надежды разработчики ВТСП устройств в настоящее время связывают с появившимися в последнее время ВТСП проводами 2-ого поколения на основе иттриевых керамик. Это так называемые «coated tapes» (т.е. пленки с покрытием). Токонесущая способность такой пленки весьма высока (до 300 А/мм2 в сверхпроводнике при температуре жидкого азота). Данные ВТСП материалы можно эффективно применять в индукторе СМ в качестве диамагнитного экрана для

экранирования магнитных полей якоря, что позволяет снизить главные индуктивные сопротивления электрической машины, а также в качестве обмотки переменного тока при малых частотах - до 30 Гц. Использование ВТСП проводов в СМ предоставляет значительные конкурентоспособные преимущества, позволяя существенно уменьшать размер, вес и производственные затраты относительно обычных двигателей. Из-за сокращений стоимости производства, связанных с уменьшенным размером ВТСП машин ожидается, что рыночная цена будет эквивалентна обычным машинам с медной обмоткой.

Целью диссертации является разработка высокоэффективных синхронных двигателей с ротором, содержащим объёмные и плёночные ВТСП элементы и ПМ, методов их расчёта и рекомендаций по их применению. Поставленная цель была достигнута на основе решения следующих задач:

1. Разработка в рамках единого подхода аналитических методик расчёта двухмерных магнитных полей и параметров синхронных двигателей (СД) с радиальными, радиально-тангенциальными и тангенциальными ПМ и плёночными ВТСП элементами в роторе.

2. Проведение сравнительного анализа энергетических параметров магнитоэлектрических ВТСП двигателей различного конструктивного исполнения: с радиальными, радиально-тангенциальными и тангенциальными магнитами.

3. Поиск рациональных конструктивных схем СД с радиально-тангенциальными ПМ и объёмными ВТСП элементами в роторе, и частичная оптимизация геометрии и активных элементов ротора.

4. Создание и экспериментальное исследование опытного образца криогенного синхронного двигателя с радиально-тангенциальными ПМ и объёмными ВТСП элементами в роторе и проверка математических моделей.

Методы исследования. При решении поставленной задачи в диссертации использовались методы математической физики, теория поля, электромеханики и прикладной сверхпроводимости; численные методы решения уравнений в частных производных (метод конечных элементов). Для численного расчёта, построения диаграмм, графиков, и рисунков, а также для решения уравнений использовался пакет математического моделирования MathCAD 11; для решения задач методом конечных элементов использовался пакет прикладных программ Elcut Professional 5.4; «твердотельное» моделирование и эскизное проектирование было осуществлено на базе пакета Solidworks 2007, а также AutoCAD 2004; для построения графиков использовалась программа Grapher 5.02; рисунки были подготовлены в программах ACDSee 3.0 и Adobe Photoshop CS2; оформление работы производилось с помощью программ из пакета MS Office 2003.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Предложены перспективные схемы СД с постоянными магнитами и плёночными и массивными ВТСП элементами в роторе.

2. В рамках единого подхода разработаны аналитические методы расчёта ВТСП СД с радиальными, радиально-тангенциальными и тангенциальными магнитами и плёночными ВТСП элементами в роторе. На основе

аналитического подхода с последующей численной калибровкой создана методика расчёта СД с тангенциальными ПМ без ВТСП элементов.

3. Проведён сравнительный анализ энергетических параметров различных конструктивных схем ВТСП двигателей с радиальными, радиально-тангенциальными и тангенциальными магнитами и выполнена частичная оптимизация геометрии и активных элементов ротора машины с радиально-тангенциалышми и тангенциальными магнитами.

4. Подробно рассмотрены различные конструктивные схемы СД с радиально-тангенциальными магнитами и объёмными ВТСП элементами в роторе.

5. Проведены испытания разработанного криогенного СД с объёмными ВТСП элементами в роторе и получены экспериментальные результаты, подтверждающие разработанные теоретические модели.

6. Показана возможность создания высокоэффективных магнитоэлектрических ВТСП двигателей с ПМ и композитными тонкоплёночными и листовыми элементами в роторе, обладающими в 1.5-2 раза более высокими массоэнергетическими показателями по сравнению с традиционными СД с ПМ. Практическая ценность работы:

1. Разработаны алгоритмы и программы расчёта характеристик ВТСП СД различного конструктивного исполнения.

2. Определены области рационального использования для трёх типов СД с ПМ: радиальными, радиально-тангенциальными и тангенциальными постоянными магнитами (как с ВТСП экраном в роторе, так и без него).

3. Создан первый отечественный экспериментальный образец криогенного ВТСП СД с ПМ и объёмными ВТСП материалами в роторе мощностью 150 кВт. Проведены его испытания.

Реализация результатов. Результаты диссертационной работы внедрены в НИР по теме «Исследования по созданию высокоэффективных систем электроснабжения на основе сверхпроводящих компонентов для военной техники нового поколения», шифр «Машук-М» (N«210703/6237).

Апробация работы:

Отдельные результаты обсуждались и докладывались на следующих конференциях:

1. Всероссийская конференция молодых учёных и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике - 2008», 21 -24 апреля 2008 г., МАИ, г. Москва.

2. Открытый конкурс 2008 г. на лучшую работу студентов по разделам «Электротехника и электрические аппараты, материалы и изделия. Энергетическое машиностроение» и «Энергосберегающие технологии» (работа отмечена медалью Минобрнауки РФ)

3. 7-й международной конференции «Авиация и космонавтика - 2008», 20 - 23 октября 2008 г., МАИ, г. Москва.

4. 8-й международной конференциии «Авиация и космонавтика - 2009», 26-28 октября 2009 г., МАИ, г. Москва.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 научные работы, из них 1 — в журнале «Электричество», рекомендованном ВАК РФ и 1 в журнале «Известия академии электротехнических наук РФ».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка используемых источников и приложения; имеет 140 страниц, 104 рисунка, 13 таблиц и 107 наименований списка литературы.

Краткое содержание работы

Во ведении обоснована актуальность выбора темы диссертационной работы, связанная с перспективностью применения ВТСП элементом совместно с ПМ при создании высокоэффективных СД с постоянными магнитами, сформулированы цель и задачи диссертации, определена научная новизна и практическая ценность работы, дана информация о структуре и объёме диссертации.

В первой главе рассматриваются современные токонесущие элементы на базе ВТСП: объёмные материалы на основе иттриевой керамики, диборида магния, листовые композитные материалы на основе соединений висмута, и композитные ВТСП провода 2-го поколения. Приводится классификация СП электрических машин: с СП проводами в индукторе, с СП проводами на якоре, с массивными и композитными листовыми ВТСП материалами. Приведены описания отечественных и зарубежных разработок в области СП электрических машин. Рассмотрены перспективы использования современных ВТСП материалов в наиболее перспективных магнитоэлектрических ЭМП с РЗМ с целью улучшения их энергетических характеристик.

Во второй главе рассмотрены аналитические модели расчёта магнитных полей и параметров синхронных магнитоэлектрических ВТСП двигателей.

Можно выделить следующие три основные конструктивные схемы роторов магнитоэлектрических ВТСП двигателей - с радиальной, радиально-тангенциальной и тангенциальной намагниченностью (рис. 1, а, б, в). Каждая из них имеет свои особенности, преимущества и недостатки, в связи с чем проблема выбора конкретной схемы при проектировании машины становится весьма актуальной.

Возможные пути улучшения выходных параметров синхронных машин с возбуждением от ПМ путем использования в роторе массивных или пленочных ВТСП элементов можно проиллюстрировать на основе известной угловой зависимости электромагнитной мощности машины:

ш. . тМ2

рг =р;+р;= * ипА-н-

1 1

яп 29. (1)

Здесь х^ их, - полные индуктивные сопротивления по продольной и поперечной осям ротора; Шф — число фаз; в- угол между направлениями векторов ЭДС Е0 ротора и напряжением питания [/. Составляющая Ропределяется возбуждением машины от ПМ в роторе и индуктивным сопротивлением хЛ вдоль оси ¿. Величина Р"2 связана с взаимодействием явнополюсного ротора с токами якоря и существенно зависит от соотношения индуктивных сопротивлений вдоль осей d к q (соответственно х^ и х¡¡).

Явнополюсные магнитоэлектрические ВТСП двигатели

.и

;К

№

.±1

I

б в

Неявнополюсные магнитоэлектрические ВТСП двигатели

(с ВТСП плёнкой на роторе)

'Ь

сЖЩ

ШгтШ

ёшШ,-

I ;

Ш

ж

'Иг

т

1 !

. \

©1Зг1)

/ /

- постоянные магнит&г

щрш - ферромагнитная сталь Рисунок 1 - Перспективные схемы магнитоэлектрических ВТСП двигателей с постоянными магнитами

8

__Р; = : С ВТСП : •Р' _____ / X / \

/V" 1 /л_______■....... ч \

// г ^ без ВТСП \\ \ 0

2т.

с ВТСП без ВТСП

а) б)

Рисунок 2 - Угловые характеристики явнополюсных (а) и неявпополюсных (б) синхронных двигателей

Для неявнополюсной машины (х</ = хч) это слагаемое отсутствует.

На рис. 2 приведены типичные зависимости Р=Р(в) для неявнополюсной (А'г/ = X,,) (рис. 2, б) И ЯВНОПОЛЮСНОЙ (х^фХд) (рис. 2, а) конструкций синхронных

ротор с втсп апрн,:о.-

СЕЧ$иКЕРОТйРЛ

Так как индуктивные сопротивления машины по осям ¿ид существенно зависят от структуры ротора, то использование в его составе диамагнитных массивных ВТСП элементов позволяет заметно менять их значения. Анализ физических процессов в ВТСП элементах показывает, что при комнатных температурах керамические элементы не имеют диамагнитных свойств и магнитные поля от ПМ ротора не экранируются. При понижении температуры ниже критической (Т<ТК) магнитные поля от ПМ ротора «вмораживаются» в керамический ВТСП элемент, а сам элемент приобретает ярко выраженные диамагнитные свойства. В этой связи представляет большой интерес применение тонкоплёночных ВТСП элементов в качестве диамагнитного экрана на поверхности ротора (рис. 3, рис, 1, г, д, е).

Среди трёх

представленных типов СД с ПМ, синхронные машины с радиальными магнитами являются наиболее

распространёнными. Это связано с относительно простой конструкцией

(рис. 4, а). В представленной конструкции постоянные магниты 1 удерживаются биметаллической обоймой 3. Магнитный поток внутри ротора замыкается через ферромагнитный сердечник 2. В пазах статора 4

Рисунок 3 - Ротор с тонкоплёночным ВТСП элементом

располагается трёхфазная обмотка переменного тока. Расчётная схема показана на рис. 4, б.

а) б)

Рис. 4 - СД с радиальными магнитами (а - конструктивная схема СД; б - расчетная

схема СД)

При построении аналитических решений для распределения магнитных полей вводились следующие допущения: задача решается в плоской постановке, статор 4 (рис. 4, а) заменялся ферромагнитным экраном 5 (рис. 4, б), обмотка статора представлена эквивалентным токовым слоем 6, ферромагнитный сердечник 2 и экран 5 считаются ненасыщенными с цг» I. Величины магнитных моментов радиальных магнитов принимались постоянными Mr = const, машина считается достаточно длинной. Величина магнитного поля на бесконечном удалении от начала координат стремится к нулю {В—>0 при г—>со). Решение задачи нахождения распределения магнитных полей в активной зоне машины было найдено в виде трёх слагаемых:

1) определяемого токовым слоем 6 на радиусе расточки статора,

2) определяемого полем уединённых ПМ ротора 1.

3) учитывающего влияние электротехнических сталей ротора и статора.

Распределение магнитных полей в активной зоне синхронной машины с

радиальными магнитами находится из решения задач магнитостатики, описываемых уравнениями Максвелла:

\rotH = J а; divB = 0;

{5 = АоДЯ + л7) (2)

Вводя понятие векторного магнитного потенциала Л (0,0, А.) с помощью соотношения В = rotA , системы (2) сводятся к следующим уравнениям:

АА = 0 , (3)

M.=-/uaJaS{p-Rs). (4)

Уравнение (4) описывает магнитные поля от постоянных магнитов, а (5) от токового слоя статора. Как отмечалось выше, суммарное поле в машине складывается из трёх слагаемых:

А = АХ + А' + А'

(5)

Здесь Аг определяется токовым слоем на статоре, А[ - уединёнными постоянными магнитами ротора, а А'^ - влиянием магнитопровода машины. Решение для А1 имеет вид:

Н>Ю.тФ у К^ 2Щ> „ид. п

+-:-- 2 ~

хвт(рпв) +

2 ар

х ссю( рп&).

(6)

Здесь тф - число фаз обмотки якоря, коэффициенты а„ и с„ определяют реакцию якорных обмоток на структуру индуктора.

Константы а„ и с„ при наличии ВТСП экрана на поверхности ротора (г = г2) находится из условия А1 = 0:

I

к.

, с„-0.

(7)

При отсутствии ВТСП экрана - из условия отсутствия компоненты поля Вд (дА6 /дг = 0) на поверхности ферромагнитного сердечника ротора (г = г,) как:

( 41-1

уЛ

я.

'1 у

Я.

к*.

'1 /

с„=0.

(В)

Векторный потенциал уединённого цилиндра из радиально намагниченных ПМ определяется из решения уравнения (4). При построении аналитических решений используется функция Грина <? в форме р -полюсного источника:

1 ( п\

С = -2У -Ш СО8[рп(0-4)].

».1.3,5... П\Г )

Аналитическое решение находится из интегрального соотношения: 2к\ 2п ♦ г

(9)

(Ю)

где I - контур Г ¡-Г2 (рис. 4, б); 5 - площадь поперечного сечения радиальных магнитов; М- магнитный момент ПМ.

С учётом (10) решение (11) записывается в виде:

Я" ,=ш„

, при г > г2. (11)

и(1 + рп)

Величина определяющая влияние магнитопровода статора машины на характеристики поля в воздушном зазоре, удовлетворяет уравнению Лапласа АА'Ре = 0 с граничными условиями;

М1^)=0приг = г,иМ^)=ОпрИГ = Л5. (12)

дг дг

На радиусе расточки статора (г = И,) выражение для АГе может быть представлено в виде:

■ в) = £ (ъ ~ + ЬК'~2Р" )Унрпа)%т{рпв) (13)

где а

й( 1 - рп) ' й(1 +

о _

ла Г1

Основной элемент магнитной системы СД с радиально-тангенциальными магнитами представляет собой цилиндр, составленный из массива ПМ с чередующейся радиальной и тангенциальной намагниченностью (рис. 5, а). Такое расположение ПМ позволяет концентрировать магнитный поток во внешней области ротора (рис. 5, б).Поперечное сечение одной из возможных конструкций СД с

радиально-тангенциальными \ : ' /' показано на рис. 6, а.

ХЧчУшШВШШ//^ Ротор содержит постоянные магниты секторной формы радиального 1 и

тангенциального 2

намагничивания, которые удерживаются титановыми либо стальными пластинами 3. Пластины составляют немагнитный шихтованный пакет ротора и

напрессовываются на вал 4. Статор электрической

машины 5 представляет собой шихтованный сердечник из электротехнической стали, в пазах 6 которого располагается трехфазная обмотка, питаемая переменным током. Расчётная схема представлена на рис. 6, б. Постановка задачи в данном случае аналогична предыдущей, только в этой расчётной схеме величина магнитного момента радиальных и тангенциальных магнитов одинакова и постоянна М=сот1.

а)

б)

Рисунок 5 - Распределение магнитного поля в цилиндре Хальбаха при внешней концентрации потока (а - цилиндр Хальбаха; б - картина магнитного поля цилиндра Хальбаха)

Рисунок 6 - СД с радиально-тангенциальными ПМ (а - конструктивная схема СД; б -

расчетная схема СД)

Были получены аналитические выражения для уединенного цилиндра из ПМ радиально-тантенциальной намагниченности с внешней концентрацией магнитного потока (рис. 5, а, б), которые при условии Мг = Мв = Мй приводятся к виду:

l4lM r~pn [г1+р" - гUp") я

Ae(r,0) = f^-й- ]Г - -5-'sm(prc#)cos(—-риа), при г>г, (14)

Я- »=1,3,5... «(1 + рп) 4

Выражение, учитывающее влияние статора на магнитные поля находится из решения уравнения Лапласа ДAFe ~ 0 с граничными условиями + = 0 на расточке статора (r=Rs). и имеет вид:

9 fo K/f f" ( i+pn j

It ,=us... n(\ + pn) 4

где Ku-——- - коэффициент, учитывающий влияние конечной величины

М Г+1

относительной магнитной проницаемости магнитопровода статора. Решение полевой задачи для трехфазной обмотки с учетом граничных условий на поверхности расточки статора г=К. было показано выше (6). При отсутствии на поверхности ротора ВТСП оболочки, значения константы а„ равно единице. Если на внешнем радиусе ротора устанавливается ВТСП оболочка (рис. 3), то значение константы а„ определяется выражением (7). С учётом вышесказанного, магнитное поле в активной зоне машины можно представить в виде суммы трёх слагаемых:

А = As + Ас + АРе, (16)

которые определяются: Ag - токовым слоем на радиусе расточки статора (6); Ае -уединенными постоянными магнитами ротора (13); AFe - влиянием ферромагнитопровода машины (15).

На рис. 7, а представлено поперечное сечение одной из возможных конструкций четырёхполюсного СД с тангенциальными магнитами в роторе. Полюсы 2 сделаны из магнитомягкой стали. Магнитные полюсы вместе с магнитами 4

удерживаются с помощью биметаллической обоймы 3 (рис. 7, а). Передача момента осуществляется через немагнитный вал 5, Статор 1 - шихтованный магнитопровод, в

Рисунок 7 - СД с тангенциальными ПМ (а - конструктивная схема СД; б - расчетная

схема СД)

На рис. 7, б приведена расчётная схема СД с тангенциальными магнитами. В этой схеме статор электрической машины в первом приближении заменяется кольцевым ферромагнитным экраном с внутренним радиусом Rs, на поверхности которого расположен эквивалентный токовый слой. Считаем, что ферромагнитные полюсы (рис. 7, а) и статор (рис. 7, а) имеют магнитную проницаемость /iFt» 1. Величина магнитного момента в области тангенциальных магнитов принимается постоянной {Me-const). Двигатель считается достаточно длинным (L/D>3-4). Для учёта влияния стальных полюсов на поля, создаваемые тангенциальными магнитами представим данную расчётную модель в следующем виде (рис. 7, б): заменим полюсы радиально намагниченными ПМ с магнитным моментом Мг, величина которого находится из решения дополнительных задач магнитостатики и последующей калибровки на основе численного эксперимента.

В рамках данной постановки задачи суммарное поле в зазоре машины будет складываться из трёх составляющих: поля постоянных магнитов ротора Ае, поля стального магнитопровода Afe и поля токового слоя Ag, моделирующего трёхфазную обмотку статора. В этой модели, заменив стальные полюсы 2 (рис. 7, а) на радиальные магниты (рис. 7, б), фактически получаем радиально-тангенциальную схему. Однако в данной задаче намагниченность радиальных и тангенциальных магнитов будет различной. Поэтому алгоритм решения задачи будет аналогичным решению для схемы Хальбаха, но с учётом того, что, Mg= const, а

Векторный магнитный потенциал для внешней (г > г2) концентрации магнитного потока при условии, что Мг ф М„ находится путём интегрирования выражения (10), для случая внешней концентрации магнитного потока:

«(1 + рп)

(М, &т(рпа) + М0 со$(рпа))$т(рпв), г > г2. (17)

Для учёта влияния статора, как и в предыдущем случае воспользуемся принципом суперпозиции и представим решение в виде суммы Аш - Аст + Ам. Первое из слагаемых — это влияние статора, второе - уединенных цилиндров из радиально-тангенциальных РЗМ.

Для области воздушного зазора (Я, < г < г2) имеем выражение:

Ах(г,0)=ц)- £

п(1+рп)

Мг Бт(ряа)+Мд ъоъ<рпа))!,\п(рп9) .(18)

Для определения эквивалентного магнитного момента М, предварительно выполнялся численный расчёт модели СД с тангенциальными магнитами. На рис. 8, а, б представлен пример расчёта, выполненный в программе «Е1сШ 5.4». Здесь сплошными стрелочками показано направление намагниченности тангенциальных магнитов, а пунктирной - направление намагниченности М., стального полюса.

а) б)

Рисунок 8 - Модель со стальным полюсом (а - модель со стальным полюсом; б -эквивалентная модель с ПМ)

Чтобы учесть в первом приближении погрешность, вносимую данной

расчётной схемой, необходимо ввести коэффициент К ■■

который

показывает какая часть полного потока замыкается через поверхность Ъс (т.е. снаружи ротора). Величина этого коэффициента зависит от геометрии машины и определяется численными методами в программе «£1сШ 5.4».

Решая дополнительную задачу магнитостатики можно получить выражение для определения намагниченности стального полюса СД с тангенциальными ПМ:

М„

м, =-

(г;-""-' )(,;""'-г]р-1)-ш(рп2а)

и(1 + рп)ал

МРг

1

- I

(г;-р*-' + Д^г/'-'Хг/"' -гГ*1) г*т{рпа)г

я(1 + рп)ал

(19)

Анализируя выражение для Мг (23), можно сказать, что намагниченность полюса пропорциональна намагниченности ПМ, при этом одновременно зависит от геометрии машины и от величины магнитной проницаемость полюса .

Приведенные приближенные аналитические соотношения, полученные в рамках единого подхода, позволяют проводить сравнительный анализ трех машин с целью выявления рациональных конструктивных схем в зависимости от режимов работы, требуемых оборотов привода и стоимости электродвигателей.

На рис. 9 приведены картины линий уровня поверхности максимальных значений радиальной составляющей магнитной индукции в зазоре, позволяющие определить области ее наибольших значений в зазоре для каждого типа СД. Значение магнитного поля дано для воздушного зазора 1 мм. Из рис. 9, а видно, что схема с ПМ радиальной намагниченности наиболее рациональна в машинах с небольшой относительной толщиной магнитов Д = 0.05 -0.3, при этом зависимость магнитной индукции от полюсности машины близка к горизонтальной прямой. Для схемы с ПМ радиально-тангенциальной намагниченности (рис. 9, б) характерно смещение области максимальных значений индукции в сторону более высоких значений Д = 0.35-0.5 при р = 3 - 8. Легко видеть, что данная область шире, чем для схемы с ПМ тангенциальной намагниченности (рис. 9, в). Следует отметить, что отсутствие ферромагнитных материалов во внутренней области ротора СД с постоянными магнитами радиально-тангенциальной намагниченности оказывает положительное влияние на его выходные характеристики вследствие существенного снижения индуктивного сопротивления.

4 рб к 14 ; р'' : 4 р"

а) б) в)

Рисунок 9 - Линии уровня поверхности максимальных значений радиальной составляющей магнитной индукции (а - СД с радиальными магнитами; б - СД с радиально-тангенциальными магнитами; в - СД с тангенциальными магнитами)

На рис. 10 представлены результаты сравнения рассматриваемых машин по предельной мощности при различных Д и постоянной частоте вращения вала. Тонированием выделены рациональные области использования того или иного типа ротора СД. Зависимости для значения предельной мощности показаны как для СД с ВТСП оболочкой в роторе (рис. 10, г, д, е), так и для СД без ВТСП оболочки (рис. 10, а, б, в).

Без ВТСП оболочки

а) б)

С ВТСП оболочкой в роторе

в)

а\

г) Д) е)

Рисунок 10 - Результаты сопоставления пиковой мощности при различных Д и постоянной частоте вращения вала

Из анализа приведенных зависимостей следует, что при выборе небольших значений относительной толщины магнитов (Д < 0.25) целесообразно выполнять СД с радиальным расположением магнитов, при этом р может меняться в широких пределах (1 < /; < 4).

Для реализации эффективного СД с ПМ тангенциальной намагниченности необходимо увеличить радиальный размер магнитов до (0.45 < Д < 0.6) однако в этом случае данные машины дают преимущество в многополюсных системах - т.е. при р> 4.

Стоит отметить, что при наличии ВТСП оболочки на поверхности ротора СД с тангенциальными ПМ (рис.10, г, д, е) приводит к существенному снижению главных индуктивных сопротивлений Xj и Л1,, при этом машина становится неявнополюсной (Xj=X4). что позволяет увеличить выходную мощность на 65-75%. Для СД с радиальными магнитами прирост мощности составляет 60 - 70%, а для СД с радиально-тангенциальными магнитами - 55-65%.

В третьей главе рассматриваются численные методы расчёта, а также поиск оптимальной конструкции синхронного двигателя с постоянными магнитами и ВТСП элементами. Исходя из предъявляемых требований к проектируемому СД была выбрана схема ротора с радиально-тангенциальными магнитами с числом пар полюсов р = 3 и проведена частичная оптимизация конструкции с учётом свойств и геометрии ВТСП элементов в роторе. Рассмотрены шесть различных вариантов

конструктивного исполнения ротора СД с радиально-тангенциальными ПМ и объёмными ВТСП элементами. Численный расчёт конструктивных схем СД, рассмотренных в данной главе, проводился в двухмерной постановке в программе «Elcut 5.4». Проектируемой экспериментальной машиной является СД мощностью 150 кВт с частотой вращения вала -6000 мин'1 (рис. 11, а). Параметры проектного варианта ВТСП двигателя показаны в таблице 1.

На рис. 11,6 показана зависимость выходной мощности Р от угла нагрузки в для проектируемого СД с ВТСП пластинами в роторе. Для сравнения на том же графике построены аналогичные характеристики для СД без ВТСП элементов в роторе и для перспективного СД с ВТСП плёнками на поверхности ротора. Наличие ВТСП пластин в полюсе проектируемого двигателя приводит к появлению реактивной составляющей Р2 и смещению пиковой точки влево относительно угла 0=90°. Выигрыш по мощности составляет ~ 20% по сравнению с СД без ВТСП пластин в роторе. При наличии ВТСП плёнки на поверхности ротора, выполняющей роль диамагнитного экрана (экранирование магнитных полей от токов якоря) существенно снижаются главные индуктивные сопротивления в машине, что приводит к росту пиковой мощности до ~ 60% по сравнению с СД без ВТСП.

Таблица 1 - параметры ВТСП двигателя ДС-150

Мощность, кВт 150

Напряжение питания фазное, В 220

Частота тока, Гц 300

Номинальный ток, А 240

Номинальная плотность тока, А/ммг 20

Частота вращения, мин"' 6000

12Х18Н10Т

Рисунок 11 - ВТСП двигатель ДС-150; (а - сотовая конструкция ротора с ВТСП пластинами и радиально-тангенциальными ПМ; б - результаты расчетов выходной

мощности Д С-150)

Проведенный сравнительный анализ по мощности показывает перспективность использования объёмных, а также плёночных ВТСП материалов в роторах синхронных двигателей с целью повышения их выходных параметров.

В четвертой главе приведено описание стенда для экспериментального исследования ВТСП электрических машин, даны результаты экспериментальных исследований синхронного двигателя с постоянными магнитами и ВТСП элементами, а также представлено сопоставление экспериментальных и расчётных результатов. Экспериментальные исследования криогенного синхронного ВТСП двигателя с радиально-тангенциальными ПМ проводились на испытательном стенде в НИИЭМ (г. Истра).

Конструкция проектируемого ВТСП электродвигателя показана на рис. 12. Двигатель представляет собой бесконтактную синхронную машину с общим криостатом и ротором, содержащим постоянные магниты и пластины из ВТСП керамики.

Рисунок 12 - Конструкция экспериментального ВТСП электродвигателя ДС-150

Ротор двигателя состоит из пакета, набранного из листов нержавеющей стали 12Х18Н10Т толщиной 1 мм (рис. 13, а, б), склеенных компаундом ЭКД-14. Пакет ротора напрессован на вал из той же стали. В пазы пакета ротора установлены постоянные магниты НПМ-38. В шести пазах прямоугольной формы установлено по одному тангенциальному магниту, в других шести пазах - по два радиальных магнита, разделенных ВТСП пластиной из иттриевой керамики.

Охлаждение двигателя осуществляется жидким азотом. Вход жидкого азота осуществляется через штуцер, расположенный в подшипниковом щите. Выброс паров азота производится через трубу на корпусе и систему гофрированных труб в атмосферу. На рис. 13, а показано фото двигателя ДС-150, а на рис. б - фото ДС-150 и нагрузочной машины.

На основе анализа критических параметров, токонесущей способности и механических свойств современных ВТСП элементов было показано, что при охлаждении жидким азотом (7=71 К) наилучшими параметрами обладают объемные ВТСП элементы на основе керамики УВСО. В этой связи были изготовлены объемные блоки из ВТСП керамики УВСО для ротора экспериментального электродвигателя с ПМ.

а) б)

Рисунок 13 - Ротор ДС-150; (а - лист пакета ротора; б - внешний вид ротора без ПМ

и ВТСП пластин)

Рисунок 13 - Двигатель ДС-150; (а - фото двигателя ДС-150; б - двигатель ДС-150 на испытательном стенде)

I 'ч а [град.]

I Ч 1 I 1 I Ч Ч 1 I Ч Ч '' I Ч Ч

30 60 80 120 150 180 210 240 270 300 330 360

смета • ВТСП

На первом этапе экспериментальных исследований были проведены измерения магнитных полей ротора на воздухе. Замеры проводились датчиком холла на поверхности ротора (посередине пакета) с шагом измерений - 5°. По результатам

измерений был построен график показанный на рис. 15.

На рис. 15 вдоль кривой распределения магнитной индукции показана развёртка магнитных полюсов ротора. Стрелочками условно обозначено направление намагниченности ПМ, а серой полосой - ВТСП элементы в полюсе ротора. Как видно из рисунка, результаты измерений очень хорошо согласуются с результатами численного расчёта. Наличие пиков в аналитических решениях объясняется принятым в модели азимутальным направлением

магнитного момента

тангенциальных ПМ. В

экспериментальном опытном

образце ротора использовались магниты с постоянным направлением намагниченности (эти же свойства ПМ задавались и в программе «Е1си15.4» при численном расчёте. Наличие ВТСП элементов приводит к появлению характерных провалов магнитной индукции над серединой полюса.

Результаты испытаний СД в генераторном режиме показаны на рис. 16, в двигательном режиме - на рис. 17.

С целью определения эффективности применения массивных ВТСП элементов в роторе двигателя ДС-150 с радиально-тангенциальными магнитами были проведены испытания при криогенных температурах выше

критических для ВТСП керамики (Т>120К).

Испытания проводились при кратковременном отключении подачи жидкого азота и фиксированной нагрузки на валу.

Рисунок 15 - Радиальная составляющая магнитной индукции поля ротора

(измерено на воздухе)

а)

б)

Рисунок 16 - Экспериментальные характеристики ВТСП машины ДС-150 в генераторном режиме (а -холостой ход; б - внешняя характеристика)

Сопоставление измерений мощности при частично отогретом роторе машины, когда иттриевая керамика теряет свои сверхпроводящие свойства с мощностью ВТСП двигателя в номинальном режиме (при Т = 77 К) показало, что применение в составе ротора массивных ВТСП элементов позволяет увеличить мощность на 20% (рис. 17, г).

ДОМ»-Р.Вт \ЮЫ»-

«соооо •

1*оооо ■

120000 •

100000 -

соооо«

«0000 -

46000-

С05<р

<«0000 ■ р. Вт 110000 •

100000 »0000 «эооо

СоБ^ I' Зл1'Г||. И

а)

Соар I .55(11 П. I! I!

б)

»ОС» •0000 40000 змм

НО 1М 200 240 7>0 120

в) г)

Рисунок 17 - Экспериментальные характеристики ВТСП машины ДС-150 в двигательном режиме работы (а - частота вращения вала п = 6000 мин"1; б - частота вращения п = 6600 мин"'; в - частота вращения п = 7000 мин'1; г - частота вращения п = 6000 мин"' - номинальный режим)

На рис. 17, г представлено сравнение результатов расчёта с экспериментальными данными. Из построенных зависимостей видно, что результаты расчёта и экспериментальных исследований совпадают с достаточно высокой точностью - до 10%. Некоторое превышение расчётных значений над экспериментальными связано с геометрическими особенностями и физическими свойствами изготовленных ПМ (небольшое отклонение геометрии изготовленных магнитов от проектных размеров и варьирование намагниченности ПМ в пределах 510%).

Основные выводы и результаты

I. На основе решения двухмерных электродинамических задач получены аналитические решения, позволяющие проводить сравнительный анализ распределений магнитных полей в активной зоне электрических машин с

радиальными, радиально-тангенциальными и тангенциальными постоянными магнитами при наличии и отсутствии ВТСГТ элементов в роторе.

2. На базе найденных аналитических решений получены математические модели для расчёта параметров магнитоэлектрических машин с различными схемами расположения постоянных магнитов при наличии и отсутствии ВТСП элементов.

3. Проведён сравнительный анализ энергетических параметров магнитоэлектрических двигателей различных конструктивных схем исполнения, выделены области оптимального использования для каждой из конструкций. Так двигатели с радиальными постоянными магнитами эффективны в широком диапазоне полюсности при относительно тонких ПМ, использование двигатели с радиально-тангенциальными магнитами предпочтительно при среднем числе пар полюсов - р = 2-4 при относительно толстом слое ПМ, двигатели с тангенциальными магнитами имеют преимущество при большом числе пар полюсов - р >5 и относительно толстом слое магнитов.

4. Проведённые теоретические исследования показали, что при использовании тонкоплёночных ВТСП элементов на поверхности ротора магнитоэлектрических машин позволяет существенно увеличить (в 1,5 - 2 раза) их выходную мощность.

5. Выполнен сопоставительный анализ ВТСП двигателей с радиально-тангенциальными магнитами различного конструктивного исполнения. Выявлены рациональные конструктивные схемы выполнения роторов таких двигателей.

6. На основе аналитических и численных методов расчёта проведена частичная оптимизация геометрии ротора с радиально-тангенциальными и с тангенциальными магнитами при числе пар полюсов р = 3. Так для созданного ВТСП двигателя мощностью 150 кВт с радиально-тангенциальной схемой расположения магнитов в роторе оптимальная относительная толщина магнитов А = 0,4. Для заданного значения А - 0,4 оптимальный угол раскрытия радиальных магнитов составляет а = 15 .

7. Определена рациональная схема размещения пластин из ВТСП элементов в роторе. Показано, что схема с радиальным расположением ВТСП пластин в полюсе позволяет улучшить выходную на 20-25% по сравнению с обычной конструкцией ротора (без ВТСП и одинаковом режиме охлаждения).

8. Проведены сопоставления расчётов двухмерного распределения магнитных полей по полученным аналитическим зависимостям с результатами численных расчётов в пакете прикладных программ «ElcutSA». Показано их хорошее соответствие в пределах 5-10%. Результаты экспериментального измерения магнитного поля ротора СД с радиально-тангенциальными магнитами хорошо согласуются с результатами расчётов магнитных полей по разработанным аналитическим и численным методикам (с точностью до 10%). Это позволяет рекомендовать аналитические методики для расчёта параметров исследуемых ВТСП двигателей на начальных этапах проектирования. Численные методы расчёта целесообразно использовать на заключительном этапе поверочного расчёта ВТСП двигателя.

9. Спроектирован и изготовлен криогенный ВТСП синхронный двигатель ДС-150 с радиально-тангенциальными постоянными магнитами и объёмными ВТСП элементами в роторе со следующими основными характеристиками: расчётная мощность - //=150 кВт, число пар полюсов - р- 3, частота вращения вала - п = 6000 мин'1, напряжение питания -Щ = 220 В, количество фаз -т = 3, размеры активной зоны -DxL = 130x130 мм.

10. Проведены испытания изготовленной ВТСП машины ДС-150 при различных режимах работы: двигательный режим (при различных частотах и амплитуде питающего напряжения: /=300 -350 Гц, U„ = 300 -350 В) и генераторный режим (при частоте /=300 Гц и /=150 Гц). Результаты соответствуют заданным проектным параметрам.

1 [.Проведено сопоставление результатов экспериментальных исследований ВТСП двигателя ДС-150 с результатами аналитических и численных расчётов. Получено согласование эксперимента с расчётами с точностью до 10%, что позволяет рекомендовать разработанные методики на этапе проектных и поверочных расчётов.

12. Результаты расчётов и экспериментальных исследований показывают целесообразность применения схемы с радиально-тангенциальным расположением ПМ совместно с ВТПС пластинами при количестве пар полюсов р = 3. Эксперименты показали, что испытанный электродвигатель обладает большим запасом по перегрузочной способности (до - 2,6).

13.Использование в роторе ВТСП пластин из иттриевой керамики позволило увеличить мощность опытного образца синхронного двигателя ДС-150 на 20%.

Основные положения диссертации нашли отражение в работах

1. Ковалев Л.К., Ковалев К.Л., Кавун Ю.Ю., Альтов В.А., Пеккин В.Т., Голованов Д.В. Предельные характеристики синхронных двигателей с постоянными магнитами и ВТСП - элементами в роторе // Известия академии электротехнических наук РФ. - 2009. - №1. - С. 1-9.

2. Ковалев Л.К., Кавун Ю.Ю., Голованов Д.В. Предельные характеристики синхронных машин с постоянными магнитами и ВТСП - элементами в роторе // Электричество. - 2008. - №12. - С. 16-23.

3. Тезисы доклада. Всероссийская конференция молодых учёных и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике - 2008», 21 -24 апреля 2008 г., МАИ, г. Москва.

4. Открытый конкурс 2008 г. на лучшую работу студентов по разделам «Электротехника и электрические аппараты, материалы и изделия. Энергетическое машиностроение» и «Энергосберегающие технологии» (работа отмечена медалью Минобрнауки РФ)

5. Тезисы доклада. 7-я международная конференция «Авиация и космонавтика -2008», 20 - 23 октября 2008 г., МАИ, г. Москва.

6. Тезисы доклада. 8-я международная конференциия «Авиация и космонавтика -2009», 26 - 28 октября 2009 г., МАИ. г. Москва.

Множительный центр МАИ (ГТУ) Заказ от/У 2005 г. Тираж /СО экз.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТОК В ОБЛАСТИ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Введение

1.1. Современные токонесущие элементы на основе ВТСП

1.2. Общая классификация сверхпроводниковых электрических машин

1.2.1. Электрические машины с композитными СП проводами в индукторе

1.2.2. Электрические машины с композитными СП проводами на якоре

1.2.3. Электрические машины с массивными и композитными листовыми

ВТСП элементами

Выводы

ГЛАВА II. АНАЛИТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ РАСЧЁТА МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ И ПАРАМЕТРОВ СИНХРОННЫХ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВТСП

ДВИГАТЕЛЕЙ

Введение

2.1. Перспективные схемы магнитоэлектрических ВТСП двигателей

2.2. Магнитоэлектрические ВТСП двигатели с радиальными магнитами

2.3. Магнитоэлектрические ВТСП двигатели с радиально-тангенциальными магнитами

2.4. Магнитоэлектрические ВТСП двигатели с тангенциальными магнитами

2.4.1. Конструктивная и расчётная схемы синхронных двигателей

2.4.2. Постановка двухмерных электродинамических задач

2.4.3. Структура аналитических решений для расчёта двухмерных магнитных полей ротора

2.4.4. Структура аналитических решений для расчёта двухмерных магнитных полей якоря в электродвигателе с тонкостенной ВТСП оболочкой

2.4.5. Структура аналитических решений для расчёта двухмерных магнитных полей якоря в электродвигателе без ВТСП оболочки

2.4.6. Векторные диаграммы и параметры ВТСП двигателей

2.5. Предельные характеристики магнитоэлектрических ВТСП двигателей 68 Выводы

ГЛАВА III. ЧИСЛЕННЫЙ РАСЧЁТ КРИОГЕННОГО СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С РАД И А ЛЬ НО -ТАНГЕ ПЦИ А ЛЬ НЫМИ ПОСТОЯННЫМИ

МАГНИТАМИ И ВТСП ЭЛЕМЕНТАМИ В РОТОРЕ

Введение

3.1. Принципы расчёта магнитных полей с помощью пакета прикладных программ «Elcut 5.4»

3.2. Выбор конструктивной схемы СД и оптимизация геометрии ротора

3.3. Поиск рациональной конструкции СД с радиально-тангенциальными магнитами и объёмными ВТСП элементами в роторе

3.4. Расчёт геометрии объёмных ВТСП элементов в роторе 98 Выводы

ГЛАВА IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КРИОГЕННОГО СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С РАДИАЛЬНО-ТАНГЕНЦИАЛЬНЫМИ

ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ И ВТСП ЭЛЕМЕНТАМИ В РОТОРЕ

Введение

4.1. Стенд для экспериментального исследования ВТСП электродвигателя

4.2. Описание конструкции криогенного синхронного электродвигателя с постоянными магнитами и ВТСП элементами

4.3. Измерение магнитных полей ротора синхронного ВТСП электродвигателя

4.4. Методика экспериментальных исследований синхронного ВТСП электродвигателя с постоянными магнитами

4.4.1. Методики динамических испытаний

4.4.2. Результаты испытаний ВТСП электрической синхронной машины

4.5. Сопоставление результатов экспериментальных исследований с аналитическими и численными расчётами

Выводы

Современная энергетика и аэрокосмическая техника предъявляют повышенные требования к системам генерирования, передачи, хранения и преобразования электроэнергии. Для электромеханических преобразователей (ЭМП) наиболее существенными являются такие показатели, как удельная мощность и габариты, которые особенно важны для авиационной и космической техники. Развитие современной электроэнергетики связано с использованием новых материалов с уникальными свойствами. Для электроэнергетических систем и комплексов наиболее перспективными являются сверхпроводниковые материалы, которые позволяют существенно улучшить энергетические показатели.

Явление сверхпроводимости (СП) было открыто почти 100 лет назад и сразу привлекло к себе внимание своими необычными физическими свойствами (нулевое удельное сопротивление, идеальный диамагнетизм и др.). Основные проблемы в традиционных ЭМП, ограничивающие улучшение их КПД1 и массогабаритных характеристик связаны с потерями энергии на тепловыделение при использовании электропроводящих материалов с конечным удельным сопротивлением (алюминий, медь). Уникальные свойства сверхпроводниковых материалов (нулевое сопротивление при протекании постоянного тока и малое сопротивление на переменном токе низкой частоты) позволяют в несколько раз увеличить плотность электромагнитной энергии в активной зоне электрической машины (ЭМ), и, соответственно увеличить мощность машины.

До недавнего времени широкое внедрение сверхпроводимости в электроэнергетике было затруднено. Это было связано с низкой* критической' температурой перехода сверхпроводника в СП состояние и, как следствие, большими затратами на системы криостатирования на основе жидкого гелия. В конце 1980-х годов появление высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) с критическими температурами ~100 К существенно повысило интерес к электрическим машинам. Это объясняется тем, что переход от жидкого гелия (4,2 К) к относительно дешёвому жидкому азоту (77 К) позволяет существенно сократить затраты в системах криостатирования и делает экономически оправданным применение электромеханических преобразователей, основанных на ВТСП. Наиболееперспективным видится применение ВТСП электрических машин в тех системах, где уже имеется криогенное оборудование (например, самолёты на водородном топливе, энергетические системы на жидком водороде, перспективная судовая и аэрокосмическая техника и т.д.).

Ещё один импульс в развитии ЭМП связан с появлением магнитов на основе редкоземельных материалов, обладающих высокой удельной энергией. Применение высокоэнергетических редкоземельных постоянных магнитов (РЗМ ПМ) в ЭМП позволяет получать магнитные поля до 1,5 TJI в воздушном зазоре электрической машины, причём эти магниты не размагничиваются на воздухе в отличие от уже устаревших магнитов типа ЮНДК.

Наиболее мощными, обладающими высоким значением КПД и cos (р являются на сегодняшний день магнитоэлектрические синхронные машины (СМ). Среди них различают СМ с радиальными и тангенциальными магнитами, а таюке достаточно редко встречающиеся СМ с радиально-тангенциальными магнитами. Применение в роторах синхронных машин ВТСП материалов совместно с РЗМ позволяет существенно повысить параметры таких ЭМП. Объёмные ВТСП элементы благодаря своим диамагнитным свойствам целесообразно применять в роторах СМ с ПМ для создания магнитной анизотропии и повышения реактивной составляющей мощности.

Основные надежды разработчики ВТСП устройств в настоящее время связывают с появившимися в последнее время ВТСП проводами 2-ого поколения на основе иттриевых керамик. Это так называемые «coated tapes» (т.е. пленки с покрытием). Токонесущая способность такой пленки весьма высока (до 300 А/мм2 в сверхпроводнике при температуре жидкого азота). Данные ВТСП материалы можно эффективно применять в индукторе СМ в качестве диамагнитного экрана, для экранирования магнитных полей якоря; что позволяет снизить главные индуктивные сопротивления электрической машины, а также в качестве обмотки переменного тока при малых частотах - до 50 Гц. Использование ВТСП проводов в СМ предоставляет значительные конкурентоспособные преимущества, позволяя существенно сокращать размер, вес и производственные затраты относительно обычных двигателей. Из-за сокращений стоимости производства, связанных с уменьшенным размером ВТСП машин ожидается, что рыночная цена будет эквивалентна обычным машинам с медной обмоткой.

Целью диссертации является создание высокоэффективных синхронных двигателей на основе объёмных и плёночных ВТСП элементов и ПМ на роторе.

Поставленная цель была достигнута на основе решения следующих задач:

1. Разработка в рамках единого подхода аналитических методик расчёта двухмерных магнитных полей и параметров синхронных двигателей (СД) с радиальными, радиально-тангенциальными и тангенциальными ПМ и плёночными ВТСП элементами на роторе.

2. Проведение сравнительного анализа энергетических параметров магнитоэлектрических ВТСП двигателей различного конструктивного исполнения: с радиальными, радиально-тангенциальными и тангенциальными магнитами.

3. Поиск рациональных конструктивных схем СД с радиально-тангенциальными ПМ и объёмными ВТСП элементами в роторе, и частичная оптимизация геометрии и активных элементов ротора.

4. Создание и экспериментальное исследование опытного образца криогенного синхронного двигателя с радиально-тангенциальными ПМ и объёмными ВТСП элементами на роторе И'калибровка математических моделей.

Методы исследования: методы математической физики, теория поля, электромеханики и прикладной сверхпроводимости; численные методы решения уравнений в частных производных (метод конечных элементов). Для численного расчёта, построения диаграмм, графиков, и рисунков, а также для решения уравнений использовался пакет математического моделирования MathCAD 11; для решения задач методом конечных элементов использовался пакет прикладных программ Elcut Professional 5.4; «твердотельное» моделирование и эскизное проектирование было осуществлено на базе пакета Solidworks 2007, а также AutoCAD 2004; для построения графиков использовалась программа Grapher 5.02; рисунки были подготовлены Adobe Photoshop CS2; оформление работы производилось с помощью программ1 из пакета MS Office 2003.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Предложены перспективные схемы СД с постоянными магнитами и плёночными и массивными ВТСП элементами на роторе.

2. В рамках единого подхода разработаны аналитические методы расчёта ВТСП СД с радиальными, радиально-тангенциальными и тангенциальными магнитами и плёночными ВТСП элементами на роторе. На основе аналитического подхода с последующей численной калибровкой создана методика расчёта СД с тангенциальными ПМ без ВТСП элементов.

3. Проведён сравнительный анализ энергетических параметров различных конструктивных схем ВТСП двигателей с радиальными, радиально-тангенциальными и тангенциальными магнитами и выполнена частичная оптимизация геометрии и активных элементов ротора машины с радиально-тангенциальными и тангенциальными магнитами.

4. Подробно рассмотрены различные конструктивные схемы СД с радиально-тангенциальными магнитами и объёмными ВТСП элементами в роторе.

5. Проведены испытания разработанного криогенного СД с объёмными ВТСП элементами в роторе и получены экспериментальные результаты, подтверждающие разработанные теоретические модели.

6. Показана возможность создания высокоэффективных магнитоэлектрических ВТСП двигателей с ПМ и композитными тонкоплёночными и листовыми элементами на роторе, обладающими в 1.5-2 раза более высокими массоэнергетическим показателями по сравнению с традиционными СД с ПМ.

Практическая ценность работы.

1. Разработаны алгоритмы и программы расчёта характеристик ВТСП СД различного конструктивного исполнения.

2. Определены области рационального использования для трёх типов СД с ПМ: радиальными, радиально-тангенциальными и тангенциальными постоянными магнитами (как с ВТСП экраном на роторе, так и без него).

3. Создан первый экспериментальный образец криогенного ВТСП СД с ПМ и объёмными ВТСП материалами в роторе мощностью 150 кВт. Проведены его испытания

Реализация результатов.

Результаты диссертационной работы внедрены в НИР по теме «Исследования по созданию высокоэффективных систем электроснабжения на основе сверхпроводящих компонентов нового поколения», шифр «Маигук-М». Отдельные результаты обсуждались и докладывались на:

1. Всероссийской конференции молодых учёных и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике -2008», 21 -24 апреля 2008 г., МАИ, г. Москва.

2. Открытом конкурсе 2008 г. на лучшую работу студентов по разделам «Электротехника и электрические аппараты, материалы и изделия. Энергетическое машиностроение» и «Энергосберегающие технологии» (работа отмечена медалью Минобрнауки РФ)

3. 7-ой международной конференции «Авиация и космонавтика - 2008», 20

- 23 октября 2008 г., МАИ, г. Москва.

4. 8-ой международной конференции «Авиация и космонавтика - 2009», 26

- 28 октября 2009 г., МАИ, г. Москва.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Ковалев Л.К., Ковалев К.Л., Кавун Ю.Ю., Альтов В.А., Пенкин В.Т., Голованов Д.В. Предельные характеристики синхронных двигателей с постоянными магнитами и ВТСП - элементами в роторе // Известия академии электротехнических наук РФ. - 2009. - №1. - С. 1-9.

2. Ковалев Л.К., Кавун Ю.Ю., Голованов Д.В. Предельные характеристики синхронных машин с постоянными магнитами и ВТСП — элементами в роторе // Электричество. - 2008. -№12. - С. 16-23.

3. Тезисы доклада. Всероссийская конференция молодых учёных и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике - 2008», 21 -24 апреля 2008 г., МАИ, г. Москва.

4. Тезисы доклада. 7-я международная конференция «Авиация и космонавтика - 2008», 20 - 23 октября 2008 г., МАИ, г. Москва.

5. Тезисы доклада. 8-я международная конференция «Авиация и космонавтика - 2009», 26 - 28 октября 2009 г., МАИ, г. Москва.

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка использованных источников, и приложения.

Выводы

1. Спроектирован и изготовлен криогенный ВТСП синхронный двигатель ДС-150 с радиально-тангенциальными постоянными магнитами и объёмными ВТСП элементами в роторе со следующими основными характеристиками: расчётная мощность - N=150 кВт, число пар полюсов — р = 3, частота вращения вала -п = 6000 мин"1, напряжение питания - Щ = 220 В, количество фаз — т- 3, размеры активной зоны -ВхЬ = 130x130 мм.

2. Измеренные магнитные поля ротора ДС-150 хорошо согласуются с результатами расчётов магнитных полей по разработанным аналитическим и численным методикам (с точностью до 10%).

3. Проведены испытания изготовленной ВТСП машины ДС-150 при различных режимах работы: двигательный режим (при различных частотах и амплитуде питающего напряжения: /= 300-350 Гц, 1/п = 300 -350 В) и генераторный режим (при частоте /=300 Гц и /=150 Гц). Результаты соответствуют заданным проектным параметрам.

4. Проведено сопоставление результатов экспериментальных исследований ВТСП двигателя ДС-150 с результатами аналитических и численных расчётов. Получено согласование эксперимента с расчётами с точностью до 10%, что позволяет рекомендовать разработанные методики на этапе проектных и поверочных расчётов.

5. Результаты расчётов и экспериментальных исследований показывают целесообразность применения схемы с радиально-тангенциальным расположением ПМ совместно с ВТПС пластинами при количестве пар полюсов р — Ъ. Эксперименты показали, что испытанный электродвигатель обладает большим запасом по перегрузочной способности (до ~ 2,6).

6. Использование в роторе ВТСП пластин из иттриевой керамики позволяет увеличить мощность опытного образца синхронного двигателя ДС-150 на 2025%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По работе можно сформулировать следующие основные выводы:

1. На основе решения двухмерных электродинамических задач получены аналитические решения, позволяющие проводить сравнительный анализ распределений магнитных полей в активной зоне электрических машин с радиальными, радиально-тангенциальными и тангенциальными постоянными магнитами при наличии и отсутствии ВТСП элементов на роторе.

2. На базе найденных аналитических решений получены математические модели для расчёта параметров магнитоэлектрических машин с различными схемами расположения постоянных магнитов при наличии и отсутствии ВТСП элементов.

3. Проведён сравнительный анализ энергетических параметров магнитоэлектрических двигателей различных конструктивных схем исполнения, выделены области оптимального использования для каждой из конструкций. Так двигатели с радиальными постоянными магнитами, эффективны в широком диапазоне полюсности при относительно тонких ПМ, использование двигателей с радиально-тангенциальными магнитами предпочтительно при среднем числе пар полюсов - р = 2-4 при относительно толстом слое ПМ, двигатели с тангенциальными магнитами имеют преимущество при большом числе пар полюсов - р >5 и относительно толстом слое магнитов.

4. Проведённые теоретические исследования показали, что при использовании тонкоплёночных ВТСП элементов на роторе магнитоэлектрических машин позволяет существенно увеличить (в 1,5-2 раза) их выходную мощность.

5. Выполнен сопоставительный анализ ВТСП двигателей с радиально-тангенциальными магнитами различного конструктивного исполнения. Выявлены рациональные конструктивные схемы выполнения роторов таких двигателей.

6. На основе аналитических и численных методов расчёта проведена частичная оптимизация геометрии ротора с радиально-тангенциальными и с тангенциальными магнитами при числе пар полюсов р — 3. Так для созданного

ВТСП двигателя мощностью 150 кВт с радиально-тангенциальной схемой расположения магнитов на роторе оптимальная относительная толщина магнитов Л = 0,4. Для заданного значения Л = 0,4 оптимальный угол раскрытия о радиальных магнитов составляет а = 15

7. Определена рациональная схема размещения пластин из ВТСП элементов на роторе. Показано, что схема с радиальным расположением ВТСП пластин в полюсе, что позволяет улучшить выходную мощность в следствие роста реактивной составляющей на 20-30% по сравнению с обычной конструкцией ротора (без ВТСП и одинаковом режиме охлаждения до температуры жидкого азота 77 К).

8. Проведены сопоставления расчётов двухмерного распределения магнитных полей по полученным аналитическим зависимостям с результатами численных расчётов по пакету прикладных программ «Elcut 5.4». Показано их хорошее соответствие в пределах 5-10%. Результаты экспериментального измерения магнитного поля ротора СД с радиально-тангенциальными магнитами хорошо согласуются с результатами расчётов магнитных полей по- разработанным аналитическим и численным методикам (с точностью до 10%). Это позволяет рекомендовать аналитические методики для расчёта параметров исследуемых ВТСП двигателей на начальных этапах проектирования. Численные методы расчёта целесообразно использовать на заключительном этапе поверочного расчёта проектируемого ВТСП двигателя.

9. Спроектирован и изготовлен криогенный ВТСП синхронный двигатель ДС-150 с радиально-тангенциальными постоянными магнитами и объёмными ВТСП элементами в роторе со следующими основными характеристиками: расчётная* мощность - N= 150 кВт, число пар полюсов - р- 3, частота вращения вала -п — 6000 мин"1, напряжение питания — Щ = 220 В, количество фаз - m = 3, размеры активной зоны -DxL = 130x130 мм.

10. Проведены испытания изготовленной ВТСП машины ДС-150 при различных режимах работы: двигательный режим (при различных частотах и амплитуде питающего напряжения: /= 300 -350 Гц, Un - 300 -350 В) и генераторный режим (при частоте /=300 Гц и /=150 Гц). Результаты соответствуют заданным проектным параметрам.

11. Проведено сопоставление результатов экспериментальных исследований ВТСП двигателя ДС-150 с результатами аналитических и численных расчётов. Получено согласование эксперимента с расчётами с точностью до 10%, что позволяет рекомендовать разработанные методики на этапе проектных и поверочных расчётов.

12. Результаты расчётов и экспериментальных исследований показывают целесообразность применения схемы с радиально-тангенциальным расположением ПМ совместно с ВТПС пластинами при количестве пар полюсов р = 3. Эксперименты показали, что испытанный электродвигатель обладает большим запасом по перегрузочной способности (до ~ 2,6).

13. Использование в роторе ВТСП пластин из иттриевой керамики позволяет увеличить мощность опытного образца синхронного двигателя ДС-150 на 2025%.

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

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

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

4. Бертинов А.И., Алиевский Б.Л., Ильюшин К.В., Ковалев Л.К., Семенихин B.C. Сверхпроводниковые машины электрические машины и магнитные системы / Под ред. Алиевского Б.Л. М.: Изд-во МАИ, 1993 - 340 с.

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

6. Бут Д.А. Основы электромеханики- М.: Изд-во МАИ, 1996.

7. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука, 1981.

8. Вольдек А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1978

9. Высоцкий B.C., Сытников В.Е., Илюшин К.В., Ковалев Л.К., Ковалев К.Л., Егошкина Л.А. и др. Сверхпроводимость в электромеханике и электроэнергетике // Электричество. -2005. №7. - С. 31-41.

10. Ю.Глебов И.А., Лаверик Ч., Шахтарин В.Н. Электрофизические проблемы использования сверхпроводимости. Л.: Наука, 1980

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

12. Гуревич A.B., Минц Р.Г., Рахманов А.Л. Физика композитных сверхпроводников. -М.: Наука, 1987.-240с.

13. Дежин Д.С., Ильясов Р.И., Илюшин К.В., Ковалев Л.К., Конеев С.М.-А., Полтавец В.Н. Синхронные двигатели с объемными высокотемпературными сверхпроводниковыми элементами и возбуждением от постоянных магнитов // Электричество. 2007. - № 2. - С. 28-33.

14. Дежин Д.С., Ильясов Р.И., Ковалев K.JL, Ковалев JI.K. Электродвигатель с композитным ротором на основе ВТСП, постоянных магнитов и ферромагнитных элементов // Электричество. 2008. - №8. - С. 40-46.

15. Дежин Д.С., Кавун Ю.Ю., Ковалев JI.K. Синхронные электродвигатели с радиально тангенциальными магнитами // Электричество. 2007. - №11. - С. 1623.

16. Домбровский В.В. Справочное пособие по расчету электромагнитных полей в электрических машинах. JL: Энергоатомиздат, 1983. - 254 с.17.3оммерфельд А. Электродинамика. М.: Иностранная литература, 1958.

17. Иванов-Смоленский A.B. Электрические машины. Том. 1 и 2 М.: Издательский дом МЭИ, 2006.

18. Иванов-Смоленский A.B. Электрические машины. М.: Энергия, 1980.

19. Иванов-Смоленский A.B. Электромагнитные силы и преобразование энергии в электрических машинах. -М.: Высшая школа, 1989.

20. Илюшин К.В., Ковалев Л.К., Конеев С.М.-А., Синхронные генераторы с возбуждением от высокотемпературных сверхпроводниковых , магнитов // Электричество. 2005. - №1.

21. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. М.: Наука, 1973. - 576с.

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

23. Ковалев К.Л., Ильюшин К.В., Конеев С.М-А. Синхронные высокотемпературные сверхпроводниковые электродвигатели с комбинированным ротором // Электричество. 2006, №10.

24. Ковалев К. Л. Электрические машины на основе высокотемпературных сверхпроводников. Состояние разработок и перспективы развития // Наука производству. — 2000. — №10.

25. Ковалев К.Л., Ларионов С.А., Модестов К.А. Численные методы расчета параметров реактивных высокотемпературных сверхпроводниковых электродвигателей // Электричество. 2006 - №7.

26. Ковалев К.Л., Семенихин B.C., Илюшин К.В., Ковалев Л.К. Сверхпроводниковая пластина в однородном магнитном поле // Электричество. 2003. - №5.

27. Ковалев Л.К, Ковалев К.Л, Конев С.М.-А. Электромеханические преобразователи на основе массивных высокотемпературных сверхпроводников — М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ 2008

28. Ковалев Л.К., Кавун Ю.Ю., Дежин Д.С. Синхронные электродвигатели с радиально тангенциальными магнитами // Электричество. 2007, №11.

29. Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Пенкин В.Т., Ковалев К.Л. Применение объемных высокотемпературных сверхпроводников в электромеханических преобразователях. // Сверхпроводимость: исследования и разработки, Межд. ж. -1995, № 5-6.

30. Ковалев Л.К., Ильюшин К.В., Пенкин В.Т., Ковалев К.Л. Гистерезисныеэлектрические машины с ротором из высокотемпературных сверхпроводников.//.1. Электричество. -1994, №6.

31. Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Пенкин В.Т., Полтавец В.Н., Семенихин B.C., Ковалев К.Л., Гавалек В. Многодисковый гистерезисный ВТСП двигатель // Электричество. 1998. № 9-10.

32. Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Ковалев К.Л., Ларионов С.А. Исследование реактивного электродвигателя с объемными ВТСП элементами в роторе // Электричество. 2002. №5.

33. Ковалев Л.К., Конеев С.М-А., Илюшин К.В., Ларионов А.Е., Ковалев К.Л., Гавалек В. Процессы намагничивания «монодоменных ВТСП элементов и их применение в криогенных электрических машинах. // Электричество. 2002, №3.

34. Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Ковалев К.Л., Акимов И.И. и др. Новые типы сверхпроводниковых электрических машин // Сверхпроводимость: исследования и разработки // Межд. журнал. 2002. - №4. - С. 22-34.

35. Ковалев Л.К., Ковалев K.JL, Кавун Ю.Ю., Альтов В.А., Пенкин В.Т., Голованов Д.В. Предельные характеристики синхронных двигателей с постоянными магнитами и ВТСП элементами в роторе // Известия академии электротехнических наук РФ. - 2009. - №1. - С. 1-9.

36. Ковалев JI.K., Кавун Ю.Ю., Голованов Д.В. Предельные характеристики синхронных машин с постоянными магнитами и ВТСП элементами в роторе // Электричество. - 2008. - №12. - С. 16-23.

37. Ковалев JI.K, Ковалев К.Л. Конев С.М.-А. Электромеханические преобразователи на основе массивных высокотемпературных сверхпроводников М: МАИ - Принт 2008. 440 с.

38. Копылов И.П. Электрические машины. М.: Логос, 2000. - 606 с.

39. Кузнецов В. А. Моделирование магнитных полей и процессов в электромеханических преобразователях // Труды МЭИ. 1993. - вып. 665.

40. Курант Р. Уравнения с частными производными. М.: Мир, 1964. - 830 с.44: Курант Р., Гильберт Д. Методы математической физики М.: Техтерлит, 1951. -Т. 2.-541 с.

41. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Физматлит, 2001.-620 с.

42. Самарский В.Г. Уравнения математической физики. М.: Высшая школа, 1980.

43. Соболев С.Л. Уравнения математической физики. -М.: Наука, 1970.-434 с.

44. Шавкин C.B., Щербаков В.И. Сверхпроводниковая электротехника в США // Инф. бюллетень «Сверхпроводники для электроэнергетики» 2008. - Т.5. -Вып.1.

45. Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводников. М.: МЦННО, 2000.

46. 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, N.2. -P.1197-1200.

47. Alex P. Malozemoff. The New Generation of Superconductor Equipment for the Electric Power Grid // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2006. -vol.16. -N.l.

48. Blaugher R.D. Superconducting Electric Power Applications // Advances in Cryogenic Engineering. 1996. - Vol.42.

49. Bout D., Kovalev K., Koulikov N. Special Electrical Machines Perspectives // Proceedings of V Intern. Conf. on Unconventional and Electrical Systems, 5-8 September 2001, Poland.

50. Bradley P.E., Radebaugh R., Lewis, M.A. Cryogenic material properties database, update 2006 // CryoPrague-2006: Book of abstracts. July 17 21, 2006. - Praha, Czech republic. - P. 193.

51. Charles P. Pools, Horacio A. Farach, Richard J. Creswick. Superconductivity / Academy Press. 1995.-620p.

52. Chubraeva L. Possible applications of superconducting electrical machines // Superlattices and Microstructures. 1997. - No 18. - P. 1282-1288.

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

54. ELCUT®. Моделирование двумерных магнитных полей методом конечных элементов. Руководство пользователя // Производственный кооператив ТОР. -Санкт-Петербург, 2005.

55. Freyhardt Н. Coated conductors // EUCAS 2001, Copenhagen. 26-30 August 2001.

56. Gamble В., Snitchler G., Schwall R. Prospects for HTS Applications // American Super conductor Corporation, Westborough, MA, USA.

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

58. Gubser D. Naval power applications of superconductivity // CryoPrague-2006: Book of abstracts. July 17-21, 2006. Praha, Czech republic. - P. 223.

59. Habisreuther Т., Litzkendorf D., Strasser Т., Wu M., Zeisberger M.5 Gawalek W. Melt-Textured YBCO for 10 kW Electromotors at 77 К // Proceedings of Applied Superconductivity Conference, 13-18 September 1998, Palm Desert California, USA.

60. Han Z., Ни X.H. Power application of superconductivity technology in China // Superconductor science and technology. 2006. - Vol.19. - N 3. - P. 109-113

61. Hull J.R. Applications of Bulk High-Temperature Superconductors // The 1995 International Workshop on Superconductivity Co-sponsored by ISTEC and MRS.

62. Hull J.R. Applications of high-temperature superconductors in power technology // Rep. Prog. Phys. 2004.

63. Itoh Y., Yanaci Y., Yoshikawa M., Oka T., Harada S., Sakakibara I., Yamada Y., Mizutani U. High-Temperature Superconducting Motor Using Y-Ba-Cu-0 Bulk Magnets // Jpn. Appl. Phys. 1995. Vol.34. - Part 1. -N.10. - P. 5574-5578.

64. Izumi M., Matsuzaki H., Kimura Y., Ohtani I., etc. Design and development of HTS rotating machines for propulsion and other application // CryoPrague-2006: Book of abstracts. My 17-21, 2006. Praha, Czech republic. - P. 102.

65. Jacek F. Gieras, Mitchell Wing. Permanent Magnet Motor Technology/ New York, Basel, 2002.

66. Jiang Y., Pei R., Hong Z., Song J., Fang F., Coombs T.A. Design and control of a superconducting synchronous motor // Superconductor science and technology. 2007. -Vol. 20.-P. 585-591

67. Jo Y-S., Nakamura T., Hoshino T., Chung Y-D., Hong J-P., Kwon Y-K. Characteristic study and three dimensional magnetic field analysis of the superconducting synchronous machine // Physica C. 2004. -N416. - P. 108-114

68. Jung H-J., Nakamura T., etc. Preliminary Test Result of Radial-Type Sintered Sm-123 Bulk Motor // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol.15, №2, June 2005

69. Kovalev K. New Types of Superconducting Electrical Machines and Devices. 7-th International Workshop "MSU-HTSC VII". Moscow, Russia. June 2004.

70. Kovalev K., Gawalek W. State of Art in HTS Electrical Machinery // 3rd Intern. Workshop on Processing and Applications of Superconductivity (Re) BCO Large Grain Materials, 11-13 July, 2001, Seattle, USA.

71. Kovalev K., Ilushin K., Koneev S., Poltavets V., Gawalek W. and Oswald B. HTS Electric Motors with Compound HTS-Ferromagnetic Rotor // Proceedings of ICEC-17, 13-17 July, 1998, Bournemouth, UK.

72. Kovalev K., Ilushin K., Penkin V., Kovalev L., Oswald B. Electrical Machines with Bulk HTS Elements // MSU-HTSC-VI, 24-30 June 2001, St.-Petersburg.

73. Kovalev K., Ilushin K., Poltavets V., Koneev S. 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.

74. Kovalev L., Koneev S., Ilushin K, High Output Power Reluctance Electric Motors with Bulk HTS Elements // ICEM-2001, Electrical Machines and System, 18-20 August 2001, Shenyang, China.

75. Kovalev L.K., Koneev S.M.-A., Poltavec V.N., Ilushin K.V., Ilyasov R.I. Synchronous motors with bulk HTS elements with excitation from permanent magnets // CiyoPrague-2006: Book of abstracts. July 17-21, 2006. Praha, Czech republic. - P. 101.

76. Kummeth P., Ries G., Nick W., Neumuller H-W. Development and characterization of magnetic HTS bearings for a 400 kW synchronous HTS motor // Superconductor science and technology. 2004. - Vol. 17. - P. 259-263

77. Malozemov A.P. The New Generation of Superconductor Equipment for the Electric Power // IEEE Transaction on applied superconductivity. 2006. - Vol.16. - N.l.

78. Masson P.J., Brown G.V., Soban D.S. and Luongo C.A. HTS machines as enabling technology for all-electric airborne vehicles // Submitted to Institute of Physics Publishing for peer review on 26 April 2007

79. Mayergowz I. Nonlinear Diffusion of Electromagnetic Fields / Academy Press. 1988. -412p.

80. Mikhailov B.P. High-Temperature Superconductors (HTSCs): Investigation, Designs, and Applications // Russian Journal of Inorganic Chemistry, vol. 49, Suppl. 1, 2004, pp. S57-S85.

81. Murakami M. Recent development of bulk high temperature superconductors in Japan I J 3rd Intern. Workshop on Processing and Application of Superconducting (Re)BCO Large Grain Materials, 11-13 July 2001, Seattle, USA.

82. Murakami M. Supercond. Sci. Technol. 13 448, 2000.

83. Naoki Maki, Tomoaki Takao etc Study of Practical Applications of HTS Synchronous Machines // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol.15, №2, June 2005

84. Oswald B., Krone M., Soil M., Strasser T., Kovalev K., 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.

85. Oswald B., Soil 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.

86. Prikhna T., Gawalek W., Kiabbes G. High pressure synthesis of MgB2 // Physica C -2002. -P.372-376.

87. Ryu K-S., Jo, Y-S., Park M. Overview of the development of the advanced power system by the applied superconductivity technologies programme in Korea // Superconductor science and technology. 2006. - Vol.19. -N 3. - P. 102-108.

88. Selvamanickam V. et al., "Progress in scale up of 2G conductor at SuperPower" presentation at Superconductivity for Electric Systems-2007 Annual DOE Peer Review. 2007. Arlington. VA. USA.

89. Selvamanickam V., "Superpower's second generation HTS conductors: status & outlook", Presented at 2006 DOE Wire Development Workshop, USA, Florida, St. Petersburg.

90. Swarn S., Kalsi, K., Weeber, H., Takesue etc. Development Status of Rotating Machines Employing Superconducting Field Winding // Proceeding of the IEEE, vol.92, №10, October 2004.

91. Teranishi R., Izumi Т., Shiohara Y. Highlights of coated conductor development in Japan // Superconductor science and technology. 2006. - Vol. 19. - N 3. - P. 4-12.

92. Tixador P., Daffix H., Simon F., Brunei Y. Superconducting Permanent Magnet Torque Motor //AES 97, All Electric Ship, Mars, 1997, Paris.

93. Y. Jiang, R. Pei Design and control of a superconducting permanent magnet synchronous motor // Institute of Physics Publishing. 2007.

94. Yamaguchi K., Takachashi M., Shiobara R„ Tanigushi Т., Tomeoku H., Sato M., Sato H., Chida Y., Ogihara M. et al. 70 MW Class Superconducting Generator Test // IEEE Trans, on Appl. Super conductivity. 1999. - Vol. 9. - No 2. - P. 1209-1212.

95. Zheng L., Wu T.X., Acharya D. Design of a Superhigh-Speed Cryogenic Permanent Magnet Synchronous Motor // IEEE Transactions on Magnets, vol.41, №10, September 2005.