автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Сверхпроводниковые электрические машины и преобразователи с фазовым резистивно-сверхпроводящим коммутатором

Учреждение Российской Академии Наук Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН

На правах рукописи

4856225

АНТОНОВ ЮРИЙ ФЕДОРОВИЧ

СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛ ЕКТРИЧ ЕСКИЕ МАШИНЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ФАЗОВЫМ РЕЗИСТИВНО-СВЕРХПРОВОДЯЩИМ КОММУТАТОРОМ

Специальность 05.09.01-Электромеханика к электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 4 053 2011

Санкт-Петербург 2011 г.

4856225

Работа выполнена в Учреждении Российской Академии Наук Ордена Трудового Красного Знамени Институте xiimiiii силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН (ИХС РАН), г. Санкт-Петербург

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Альтов Валерий Александрович

Доктор технических наук, профессор Ковалев Константин Львович

Доктор технических наук, профессор Копылов Игорь Сергеевич

Ведущая организация: Открытое акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский институт кабельной промышленности" (ОАО ВНИИКП)

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ Автореферат разослан...........................2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Д 212.125.07 кандидат технических наук, доцент

А.Б. Кондратьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Актуальность темы.

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

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

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

Развитие научного направления, связанного с решением проблемы ввода тока в сверхпроводниковые устройства, шло в соответствии с Программой по решению научно-технической проблемы 0.14.02 «Создать новые виды электротехнического оборудования с использованием явления сверхпроводимости», утвержденной постановлением ГКНТ СССР, Госплана СССР и АН СССР от 12.12.80 № 475/251/131. Работа выполнялась непосредственно по заданиям 07.Н6,01.02.112, а также согласно Комплексному плану Е21 по темам Ц21.1622, Е21.1044. Институт Физики Твердого Тела Болгарской Академии Наук и ВНИИэлектромаш в 1988-1990 гг. совместно выполнили НИР и ОКР «Созданир сверхпроводппкового топологического генератора». В 1984-1991 гг., в наиболее активный период строительства по

Постановлению Правительства Ускорительно-накопнтельного комплекса с энергией 3-5 ТэВ (УНК-ЗТэВ) ВНИИэлектромаш и ИФВЭ разрабатывали Автоматизированную систему питания, диагностики н защиты сверхпроводниковых магнитооптических элементов каналов частиц УНК-ЗТэВ. Данная масштабная работа завершилась созданием головного образца топологического генератора наток 8 кА для автономного питания каждого из 200 отклоняющих сверхпроводниковых магнитов каналов частиц с запасенной единичной энергией 1 МДж. В рамках Конкурсной программы ГКНТ «Генератор» по высокотемпературным сверхпроводникам (ВТСП) совместно с ЦНИИмаш в ОЭЭП РАН созданы топологические генераторы для ВТСП модели движителя (1997 г.). Исследования ВТСП материалов 2-го поколения ведутся по гранту РФФИ 09-08-01111-а (2009 -2011 гг.) «Процессы переноса во фрактальных средах и системах: свойства и размерности». По гранту РФФИ 09-08-07020-д (2009 г.) издана книга «Сверхпроводниковые топологические электрические машины». J4XC РАН совместно с Харбинским Университетом науки и техники разрабатывает ВТСП ветрогенератор с топологическим возбудителем. В 2007-2009 гг. в ИХС РАН выполнены «Исследования по обоснованию создания электромеханических преобразователей специального назначения нового поколения на основе применения материалов с новой структурой, полученных с помощью нанотехнологий», № Гос. Регистрации 0120.0 712510. С 2010 г. в ИХС РАН ведутся исследования по синтезу ВТСП 2-го поколения для широкого круга задач электроэнергетики. Цепь работы.

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

Для достижения поставленной цели решены конкретные задачи:

- исследование промежуточно-смешанного («полумейсснеровского») состояния как фундаментального свойства одно- и многокомпонентных сверхпроводников;

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

- разработка и исследование электрических машин и трансформаторов постоянного тока, в которых используется эффект зацепления 1и течения квантованных нитей магнитного потока;

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

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

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

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

- экспериментальные исследован! ш добавочных электромагш ггных моментов в штатных образцах сверхпроводниковых топологических генераторов и разработка на этой базе высокоэффективного герметичного привода и сверхпроводниковой электромагнитной муфты топологического типа;

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

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

Предмет и объект исследований.

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

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

• Теоретические исследования сверхпроводннковых топологических электрических машин выполнены на основе обобщенных математических моделей, отражающих особенности преобразования магнитных потоков, изменения потокосцеплений в многосвязных сверхпроводящих цепях. При развитии теории сверхпроводниковых топологических электрических машин основное внимание уделено исследованию циклических процессов. Методы теоретических исследований носят преимущественно аналитический характер с привлечением современного математического аппарата теории множеств и функционального анализа. Полученные аналитическим путем соотношения способствуют более ясному пониманию физики процессов в сверхпроводннковых топологических электрических машинах, упрощают анализ рабочих характеристик и инженерные расчеты.

• Сочетание аналитического и численного методов имеет место в некорректной обратной задаче магнитостатики - синтезе сверхпроводнпковон обмотки возбуждения, которая решена методом регуляризации A.M. Тихонова. Наряду с аналитическим методом неопределенных множителей Лагранжа, примененным для

термодинамической оптимизации газоохлаждаемых пористых токовводов с регулируемым расходом, в методе исследования прямого способа ввода тока используется численное решение на ЭВМ нелинейных дифференциальных уравнении тепло- и массообмена в каналах токоввода с учетом изменения теплофизнческпх и гидравлических свойств криоагента по длине токоввода.

• Особенностью экспериментальных методов является сочетание исследовании специально разработанных лабораторных образцов и (преимущественно) сверхпроводниковых электрических машин и устройств, предназначенных для штатной эксплуатации.

• Визуализация промежуточно-смешанного («полумейсснеровского») состояния посредством сканирующей, в том числе атомно-силовой микроскопии.

• Оценка достоверности теоретических положений произведена путем сопоставления результатов расчета по выведенным формулам с экспериментальными данными, полученными самостоятельно автором, а также зарубежными специалистами по материалам, опубликованным в научно-технических изданиях.

Научная новизна.

• Установлено, что в сверхпроводниках I рода может возникать смешанное, в сверхпроводниках II рода - промежуточное и, наконец, в тех и других -промежуточно-смешанное («полумейсснеровское») состояние.

• Доказано, что необходимым и достаточным условием возникновения «топологического» эффекта в резистивно-сверхпроводящем коммутаторе является образование резистивной зоны полумейсснеровского состояния, более того, одной квантованной нити магнитного потока.

• Разработаны принципы конструирования коммутаторов нового класса -фазовых резнстнвно-сверхпроводящггх коммутаторов.

• Показано, что топологический генератор представляет собой электрическую машину постоянного тока с фазовым резистивно-сверхпроводящим коммутатором.

• Разработана аналитическая теория топологических генераторов и преобразователей крнотронных. Выражения имеют общий характер и пригодны для расчета параметров и характеристик топологических электрических машин и аппаратов различного исполнения.

• Предложены типовые схемы и исследованы сверхпроводниковые электрические машины п трансформаторы постоянного тока, в которых используется эффект движения квантованных нитей магнитного потока.

• Теоретически и экспериментально исследованы топологические преобразователи криотронные с несимметричными ветвями, что позволило сопоставить различные коммутационные режимы и обосновать условия, обеспечивающие оптимальное протекание коммутационного процесса.

• Созданы универсальные автоматизированные системы питания и управления топологических преобразователей крнотронных, обеспечивающие широкий

спектр коммутационных режимов - сопротивлением, напряжением п смешанный.

• Экспериментально исследованы магнитные ноля и добавочные моменты в топологических генераторах с широкой номенклатурой применяемых в них сверхпроводниковых материалов. Полученные результаты согласуются с данными экспериментального исследования механизма проникновения магнитного поля в тонколистовые образцы свсрхпроводниковых материалов и подтверждают достоверность теоретически обоснованных условии возникновения «то п о л о гич е с ко го » э ф ф е кта.

• Предложен метод термодинамической оптимизации механической передачи и разработана типовая конструкция герметичного электропривода. Впервые создана и исследована топологическая электромагнитная муфта. Для синтеза сверхпроводниковой обмотки возбуждения муфты впервые методом регуляризации решена некорректная обратная задача.

• Численно решена комплексная задача расчета геометрических и теплофизических параметров и выбора режима охлаждения энергетически оптимальных шунтированных сверхпроводником пористых токовводов.

• Разработано на уровне изобретений и патентов 28 сверхпроводниковых топологических электрических машин, устройств и токовводов, в конструкциях которых реализованы выводы и рекомендации теории по повышению КПД, надежности и совершенствованию технологии, а также требования технической эстетики.

• Разработаны принципы проектирования сверхпроводнпковых топологических электрических машин и токовводов с широким спектром номинальных параметров, на основе которых выпущена рабочая документация на типовые конструкции и технологическую оснастку для изготовления нестандартных узлов.

• Получила научное обоснование принципиальная возможности разработки топологических генераторов на базе использования любых, прежде всего, жестких сверхпроводников 2-го рода, и созданы агрегаты с рекордными параметрами: ток 10 кА, напряжение 0,8 В, удельная токовая нагрузка 1 кА/кг.

Практическая ценность.

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

- Разработанные на базе теории инженерные методики расчета сверхпроводнпковых топологических электрических машин обеспечивают с помощью ЭВМ, а также без

использования сложной вычислительной техники определять основные параметры рассматриваемых машин и строить их рабочие характеристики.

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

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

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

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

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

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

Реализация результатов работы.

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

- Харбинский университет науки и техники, Китайская Народная Республика (Акт об использовании результатов докторской диссертационной работы от 12 января 2011 г.). г Во ВНИИэлектромаш создан бесконтактный сверхпроводниковый синхронный генератор вертикального исполнения со сверхпроводннковым топологическим возбудителем ТПГ-9 (Глава 10).

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

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

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

- Криотронный преобразователь типа ТПК-1 с блоками питания и автоматического управления внедрен в качестве источника питания сверхпроводннковых модулей бортовых магнитных систем в лаборатории ВСНТ Ереванского политехнического института (Ак-г о внедренин от22 мая 1984 г.).

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

- Топологический генератор ТПГ-12 внедрен на экспериментальной установке ИФТТ-БАН (Болгария) для запитки коротких образцов сверхпроводящих проводов (Акт о внедрении от27 мая 1986 г.).

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

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

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

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

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

Апробация работы.

Основные положения диссертации доложены п получили одобрение па 1-й (Алушта, 1975 г.) и 2-й (Ленинград, 1983 г.) Всесоюзных конференциях по технической сверхпроводимости, 6-й Международной конференции по магнитной технологии

(Братислава, 1977 г.). Конференции по прикладной сверхпроводимости (Питтсбург, 1979 г.), Межвузовской научно-технической конференции «Сверхпроводники и гиперпроводнпки в электрических машинах и электроэнергетике» (Москва, 1974 г.), Всесоюзной конференции «Криоэлектротехника и энергетика» (Киев, 1977 г.), заседаниях Научного Совета «Сверхпроводимость в электротехнике» АН СССР, б-м трехстороннем германо-русско-украинском семинаре по высокотемпературной сверхпроводимости (Дубна, 1993), Открытой научно-практической конференции «Оценка технического состояния электрооборудования энергосистем и определение перспектив надежной работы ЕЭС России» (Москва, 1999), 18-й межвузовской научно-технической конференции «Военная радиоэлектроника: опыт использования и проблемы, подготовка специалистов» 03-04 апреля 2007 г., 20-й межвузовской научно-технической конференции «Военная радиоэлектроника: опыт использования и проблемы, подготовка специалистов» 07-08 апреля 2009 г., Всероссийской научно-технической конференции «Прикладная сверхпроводимость-2010» 23 марта 2010 г. Основные научные результаты п положения, представляемые к защите:

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

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

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

- новый класс фазовых коммутаторов электрических машин;

- общая теория топологических генераторов и преобразователей криотронных;

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

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

- принципы конструирования высокоиспользованных топологических электрических машин;

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

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

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

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

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

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

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Введение.

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

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

Фундаментально-прикладные исследования, проводившиеся во ВНИИ электромаше, а затем в ОЭЭП РАН и ИХС РАН, представленные в настоящей работе, позволили кардинально продвинуться в понимании физики процессов, протекающих в ТПГ, разработать их общую теорию и основные принципы проектирования. У истоков работы стоял Е.Я. Казовский. По его предложению и под его научным руководством на эту тему автором написана кандидатская диссертация. Значительный вклад в разработку и содействие развитию ТПГ и статических топологических преобразователей (ТПК) внесли отечественные ученые И.А. Глебов, Я.Б. Данплевич, В.Н. Шахтарин, В.П. Карцев, (ВНИИэлектромаш). Ю.П. Коськин (ЛЭТИ), В.Б. Зенкевич, В.В. Сычев (ИВТ АН СССР), А.С. Дронов. В.Е. Игнатов, Ю.В. Скобарихнн (ЭНИН), Ю.А. Бауров, Ю.Н. Макушенко (ЦНИИмаш), В.В. Васильев,

Б.А. Серебряков (11ФВЭ), 10.А. Башкиров (ОКБ «Горизонт»), В.А. Глухих, А.И. Костенко (НИИЭФА). 11.В. Марковский (Украина), JI.H. Федотов (ИПС ЦНИМчермет), A.C. Веселовскпп, Г.Г. Свалов (ВНИИ КП),.а также-зарубежные ученые J. Volger, Ten Kate H.H. J., Van der К hindert L.J.M. (Голландия), T.F. Bulihold, H. Voight (Германия), M.S. Lubell, O.K. Mawardi, S.L. Wipf (США), R. Fasel (Швейцария), D.L. Atherton (Канада).

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

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

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

При разработке основ теории течение квантованных нитей исследуется с позиций магнитной гидродинамики с введением величин «вязкости» сверхпроводникового конденсата и «эффективного электрического сопротивления». Описывается принцип действия и конструкция единственной в мире, защищенной авторским свидетельством, сверхпроводниковой топологической электромагнитной

муфты, в которой обмотка возбуждения и активные элементы ведущего п ведомого валов выполнены из сверхпроводников (рис. I). В основу работы муфты положены три эффекта: захват магнитного потока многосвязным сверхпроводником, пиннинг магнитного потока в метрически односвязных сверхпроводниках, и «вязкостное течение» квантованных нитей магнитного потока.

Результаты испытаний показали, что для повышения надежности пуска муфты при обеспечении требуемой статической добротности кт необходимо иметь в рабочем объеме достаточно однородное магнитное поле. В этой связи поставлена и численно решена задача синтеза обмотки возбуждения электромагнитной муфты, создающей в рабочем объеме магнитное поле с заданной степенью неоднородности. Обратная задача

магнитостатики, являющаяся «существенно» некорректной, сведена к линейному интегральному уравнению Фредгольма 1-го рода и решена методом регуляризации нулевого порядка гладкости. Сглаживающий параметрический функционал:

| »

Ч-.

век

Рис. 1 Сверхироводниковая топологическая электромагнитная муфта СЭММ-1

= Ф№)Дг)] + 5Л№)], где Ф№),//(-)]

- регуляризующий функционал (стабилизатор), 0 <5 < 1 - числовой параметр регуляризации (аналогия - множитель Лагранжа в гл. 7). При подготовке задачи к численному счету сглаживающий параметрический функционал приведен к виду:

м

2 Л'

Г'< = 2 [Ну (г, )~YJJi )к, (гу, )]: Д:

7=1

/=1

2 Л' /=1

(^)А^.

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

Новые научные результаты: - изложены физические основы новых типов сверхпроводниковых устройств, в которых используется эффект движения квантованных нитей магнитного потока; - предложены соотношения, позволяющие рассчитывать основные параметры этих устройств; - разработан новый способ передачи момента к механизмам, вращающимся в среде жидкого гелия, посредством сверхпроводниковой топологической электромагнитной муфты; - поставлена и решена задача синтеза сверхпроводнивон обмотки возбуждения, создающей

требуемое магнитное поле; - разработанный алгоритм расчета позволяет по заданному распределению вектор-функции напряженности магнитного поля в рабочем объеме синтезировать осесимметричные магнитные системы из набора катушек с переменными и постоянными радиусами.

Глава 2. Общая теория топологических генераторов и преобразователей криотронных.

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

¿к//; П 'К-7

• •

б а

СЬн

т

с

РСК-1

к /»

О

1н

т

1 с

Рис. 2. Иллюстрация принципа действия сверхпроводникового топологического генератора

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

Тот же эффект имеет место, если заменить прямоугольную проволочную петлю тонкой сверхпроводш пдавой пластиной, фольгой или лентой (рис. 26). Предположим, магнит способен создать в пластине нормальную зону. Нормальная зона названа так потому, что под воздействием магнитного поля в этой зоне подавлена сверхпроводимость. Через нормальную зону проходит магнитный поток от магнита В. В тех частях пластины, где нет нормальной зоны, поле магнита экранируется токами Мейсснера.

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

Многократное повторение этой операцию позволяет порциями увеличивать ток в цепи нагрузки. При этом ранее заведенный в нагрузку ток не за тухает, потому что всегда имеется сверхпроводящий путь, по которому ток может течь без сопротивления. В проволочной схеме (рис. 2а) - это внешняя или внутренняя ветви. В случае пластины (рис. 25) - ее сверхпроводящие участки перед нормальной зоной и позади нее.

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

Вывод тока из замкнутой сверхпроводящей цепи осуществляется таким же способом.

Для этого достаточно изменить направление движения магнита пли его полярность.

Изложен новый взгляд на физическую природу фазовых коммутаторов. Показано, что

ТПГ представляет собой электрическую машину постоянного тока с фазовым

резистивно-сверхпроводящим коммутатором (РСК). На основании того, что обратимый

фазовый переход свойственен всем сверхпроводникам, сделано заключение о том,

что с точки зрения физики сверхпроводимости, нет принципиальных ограничений на

использование в ТПГ любых сверхпроводников. Этот нетривиальный вывод стал

отправной точкой в проведении исследований процесса проникновения магнитного

поля в тонколистовые сверхпроводниковые материалы в рамках программы создания

типово го ряда ТПГ (см. гл. 10).

РСК с математической точки зрения рассмотрен как

топологическое пространство „Y, на котором задана

" сверхпроводящая фаза. Множество А' одновременно

открытое и замкнутое. Если в .V (т.е. в объеме

сверхпроводника) нет других множеств, одновременно

открытых Ii замкнутых, то топологическое пространство А'

является связным. Если обеспечивается полный эффект

Мейсснера, мы имеем односвязное топологическое

Рис. 3. Плоская пространство. Любое локальное нарушение

модель для иллюстрации сверхпроводимости, например, в связи с проникновением в топологических превращении

пластину магнитного поля (даже в виде отдельных квантовмагннтного потока), изменяет топологию пространства, т.е. его связность. Целенаправленно изменяя топологию РСК, обеспечиваем требуемый режим коммутации токов в нем и наведение постоянной ЭДС. Выбрав в плоской модели ТПГ (рис. 3) кусочно-гладкий замкнутый путь с носителем у (0) = ODABCXK где 0е [д, b]czR - множество вещественных чисел, определим индекс точки а относительно контура у

л

,г П " t ¡1

U fir |_J "

1 Jl

когда она занимает множество положений! у (А Г) } ^ = д 1 2 ...' где Т- период

одного цикла вращения магнита:

односвязное топологическое пространство. Лтобое локальное нарушение сверхпроводимости, например, в связи с проникновением в пластину магнитного поля (даже в виде отдельных квантов магнитного потока), изменяет топологию пространства, т.е. его связность. Целенаправленно изменяя топологию РСК, обеспечиваем требуемый режим коммутации токов в нем и наведение постоянной ЭДС. Выбрав в плоской модели ТПГ (рис. 1) кусочно-гладкий замкнутый путь с носителем • у (0 ) = ОЭЛВСО, где 0 е [а, /?] с/? - множество вещественных чисел, определим

Л<*,Г) = — \—^- = 2тп :£еу(©),и = 1,2,.. (1)

2т с - а

у

При ( € [Т, 2Т) контур у может быть деформирован в контур £п , носитель которого есть окружность единичного радиуса 1 > г/г (рис. 2, справа), причем

Е: (©) = 1 • е'В' ; ©, е [0,2-]. Тогда индекс точки а относительно контура у при £ е[пТ,{п+\)Т]

]{а, у) =- | ' с1& = п

2ти I е'"0|

Пусть Ф - магнитный поток, содержащийся в зоне проникновения. Тогда

№ Г)(-Ф(а)) = — ^ = -Ф0 . (2)

2т * £; - О

Таким образом, после первого цикла потокосцепление с контуром, включающим нагрузку, составляет I = 1-Ф„1. При 1= 2 Т I = 1-2Ф0 I, и т.д. Из этого следует, что средняя ЭДС, наводимая в электрической цепи с нагрузкой, равна е = -/Ф где / - частота циклов. Направление индуцированного тока противоположно направлению обхода носителя пути у.

С другой стороны, пусть на носителе кусочно-гладкого пути рассматриваемого контура у задана непрерывная вектор-функция £ - напряженность электрического поля. Тогда для любой точки г , принадлежащей области проникновения магнитного поля, используя интегральную формулу Коши, можно

записать соотношение /(а,у)Е(?)=- [——¿г- (3)

1т

Так как интересующая нас точка а при / е [л Г, (п + 1) 7) всегда лежит во внутренней компоненте связности, то

2т}£-а ' 2тп 2n \ е"®' 2л I " '

Учитывая j (а, у) = «,]?(©,) = const , имеем Е (а) = Е (© ,) = Е . В этом проявляется органичная связь двух формул для определения ЭДС индукции:

~ - г~ - г ~ - гдВ - г--с/Ф (4)

= = = JrotE{g)d$ = = J&/S =

г- fi Л' s

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

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

В основе теории лежит анализ поэтапного преобразования магнитных потоков в коммутационных ветвях. Таким образом определено суммарное приращение

потокосцепления в цепи с нагрузкой L за (У+1)-й цикл: А,*,* = - кн 7^-1/.. + -f - кн -——-!,]} (5)

2 Н и 2 Н

Формулы упрощаются с введением безразмерных коэффициентов

Lj L н f _ _ . L 2 L н _С

м

С., s 1 ± кн -^--J— С s кн -—------Сб^)

" L2 + LH Rü ' L1 + L„ + Ln ■ W

Тогда Д,.+1Ч'=СА/Ч'„ -С*,.. (7)

Циклическая зависимость тока /V в нагрузке и его предельное значение 1пр

С L¡+LH h,, с +

Предельный токв нагрузке не зависит от частоты /и сопротивления РСК R0.

Напряжение на зажимах машины зависит от номера v цикла работы:

uv+l =(1-*H)/ÍV (9)

I н

Среднее напряжение за период между циклами v и v

и - L» с.. Го - С )• •■ - (1 - с) ■ ]

+ L„ (i<„, - v„) ln (1 - С )

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

= /Л....Ч'

А,-,,/

Л';

М-сГ

1 - 11 + у К1 - с)'

Её среднее значение за период между циклами V и V

Л,„ =

/Р; с^ [(1 - с)'"1 - (1 - с)"" ]

X 1-

2 + С

с -^„)1п(1 -с) I 4 Потери запасённой в нагрузке электромагнитной энергии в (У+1)-м цикле

Их среднее значение за период между циклами V иУп

См 0 СЛ|(1+Г„)(1-С)'и-(1-С)''»' | С?/(2 + С)(1-С)2|'»-(1-С)21'» С 2) С (гт-1'„)1п(1-С) 4С 0'т-1'„)1п(1-С)

^тп ~

Ам

А

Без учёта потерь на вихревые токи зависимость КПД от числа V циклов +1

+ ^'+1

2 - (2 + С XI - С У

2С„ 1-0 -су - С

КПД, усреднённый за период между циклами V и V

См [(1 - С)''"' - (1 - С)у»Ъ -1(2 + СИГ- С)ут + (1 - суп

Лит ~

См

0,7/ - „/7)1п(1 - с)-2 (1 - СГ- - (1 - СГ"

[(1_с)М1-с)4- 01)

(12)

(13)

(14)

(15)

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

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

1011. 51) .

!н. А

Рис. 4. Внешняя характеристика {а) н циклическая зависимость (б) тока нагрузки ТПГ-1/2. Частота вращения /= 20 Гц; ток возбуэкдення /в , А: / - 2,5, 2 - 5, 3 - 7,5, 4 - 10. Штриховые линии - расчет,

крестики - эксперимент

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

В работе показано, что неудовлетворительное протекание процесса коммутации является главной причиной снижения КПД ТПГ и сужения зоны его устойчивой работы. Рассмотрено три типа коммутации: сопротивлением, напряжением и смешанная. Установлено, что токи Мейсснера, участвуя в коммутации, являются, с одной стороны, дополнительным источником потерь, с другой стороны, улучшают режим коммутации, способствуя усилению роли коммутации напряжением. Влияние экранирующих токов на противодействующий электромагнитный момент соизмеримо с влиянием нагрузочного тока. Несмотря на то, что экранирующие токи уменьшают циклическое приращение тока в нагрузке, предельный ток не зависит от них, а, значит, от выбора сверхпроводникового материала для коммутатора. Коммутация в ТПК исследована в наиболее распространенной схеме двухполупериодного однофазного выпрямителя-инвертора с нулевым выводом. Предложенная математическая модель учитывает неснмметрпю параметров вторичных контуров преобразователя и позволяет получить аналитические обобщенные выражения для расчета токов в коммутируемых цепях и нагрузке. Циклическое изменение тока в коммутируемых цепях и нагрузке Ън диктует

необходимость составления четырех систем дифференциальных уравнений для контурных токов, описывающих каждый из чередующихся элементарных этапов, два из которых являются коммутационными и два накопительными. Решение:

—е"'"

(16)

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

Для сравнения на рис. 5 даны кривые переходных токов, рассчитанные при значении коммутируемого тока / V = 300 А для трех режимов работы топологического преобразователя крнотронного с параметрами:

¿,=0,16 ГнД = 0,65-106Гн, М = 10"4Гн, М№=0, ¿н = 0,18-Ю"3 Гн, Я, = 1 Ом, /? = 0,24-Ю-3 Ом, 1=2,5 А.

Наиболее точные измерения потерь на коммутацию получены на однофазном однополупериодном асимметричном преобразователе. Измеренные токи в ветвях преобразователя хорошо согласуются с расчетными. Близки по значениям экспериментальные и расчетные значения компенсирующих токов. В экспериментах подтвержден теоретически установленный факт: мощность топологического преобразователя и его предельный ток не зависят от режима коммутации. Режим

коммутации влияет только на коммутационные потери. При точной компенсации тока в размыкаемой ветви потери на коммутацию с полностью отсутствуют. Недокомпенсация тока, как и его перекомпенсация приводят к потерям. Точная компенсация коммутируемого тока на практике достигается с помощью автоматических устройств управления работой топологического преобразователя с использованием обратной связи по току, измеряемому в коммутируемой "ветви. Функциональная схема управления выбирается в зависимости от применяемого способа коммутации. Созданы две системы управления и контроля, обеспечивающие все рассмотренные режимы коммутации.

1.5 1, с

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

Новые научные результаты. Впервые разработана теория коммутации учетом общности и специфики протекания процессовв ТПГ и ТПК. Полученные

1.5 I, с.

О

о

0.5

1.0

результаты в теоретическом отношении дополняют изложенную в главе 2 общую теорию, а в практическом - позволяют уточнить рабочиехарактеристики конкретных устройств, дать рекомендации по выбору коммутирующих узлов для повышения КПД.

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

В главе дается систематическое изложение методологии и результатов экспериментального исследования магнитного поля в рабочем зазоре ТПГ различного исполнения в условиях их реальной эксплуатации. Выполненные измерения разделены на две основные серии: (а) при фиксированном положении полюса-зубца и (б) повороте вала. Исследованы наиболее употребляемые для изготовления РСК сверхпроводниковые материалы, поставляемые в виде лент. Технически чистый ниобий (N5), слаболегированные сплавы марок НЦ-1,5 (ЫЬ+1,5%гг), БТЦБ и БТЦ (ЫЬ+0,5%2г+0,05°/Ш), а также 65 БТ (№-10%2г-25%'П), НТ-50 (ЫЬ+50%Т1) и интерметаллическое соединение ниобий-олово ЫЬ^п. Ленты -отожженные и не отожженные, с медным покрытием и без него, толщиной от 20 до 80 мкм. Эксперименты показали следующее.

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

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

в) При повороте вала поле проникает в РСК одновременно по всему фронту полюса-зубца. Существует пороговый ток возбуждения, при котором начинается проникновение поля в коммутатор. Пороговое значение тока возбуждения зависит от критических параметров сверхпроводникового материала. Чем выше второе критическое поле сверхпроводникового материала, тем ниже пороговый ток возбуждения. Так, для ленты из сплава марки НЦ-1,5 (№>+1,5°/<£г) как для отожженной, так и не отожженной, он составляет около 1 А, ауниобиево-оловянной ленты СЫЬ3Бп)

- 0,78 А. Для одинаковых по стехиометрнческому составу отожженных и не отожженных сверхпроводниковых материалов пороговый ток возбуждения выше у вторых на-0,08 А.

г) Ток возбуждения, когда поле полностью проникает в РСК, превышает пороговое значение для всех исследованных сверхпроводниковых материалов на ~10%.

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

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

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

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

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

Особенностью картин проникновения магнитного поля, снятых в прямом и обратном направлении поворота вала, является систематическое запаздывание и практически зеркальное изображение. Ширина зоны проникновения поля составляет примерно три ширины полюса-зубца. Ярко выраженная концентрация магнитного потока под полюсом-зубцом обусловлена заметным вкладом токов Мейсснера, которые протекают по сверхпроводящим участкам коммутатора. Токи Мейсснера уменьшают амплитуду магнитной индукции в рабочем зазоре (в эксперименте на-70%). Наличие в материале коммутатора центров пиннинга, на которых стопорятся пучки квантованных нитей, приводит к ступенчатой диффузии магнитного потока, движущегося вслед за полюсом-зубцом. Об этом свидетельствуют изломы на кривых распределения индукции. Магнитные потоки, пропорциональные площади фигур, образованных прямым и обратным графиками изменения В , с осью абсцисс, примерно равны между собой. Это показывают и примерно равные значения напряжения холостого хода при вращении вала по часовой стрелке и против нее. В то время как графики распределения нормальной составляющей В индукции имеют плоские или остроконечные вершины, графики распределения тангенциальной составляющей В1 имеют плавную конфигурацию. Точки подъема и спада кривых Д и В совпадают, определяя границы резнстивной зоны.

Причиной асимметрии служат, с одной стороны, экранирующие токи, с другой стороны, захват магнитного потока в РСК после прохождения через него резистивной зоны с магнитным потоком. Экранирующие токи оказывают на основной магнитный поток подмагничивающсе действие у передней границы резистивной зоны и размагничивающее действие у задней. Благодаря этому передний фронт графиков

круче, чем задний. Захват магнитного потока отражается на амплитудных значениях. Графики тангенциальной составляющей Д магнитной индукции имеют симметричную форму. Экспериментально исследовано влияние реакции якоря на распределение магнитного поля в РСК (рис. б). Ток нагрузки мало влияет на радиальную В составляющую индукции и несколько больше на тангенциальную Вг С приближением к предельному току реакция якоря оказывает определяющее размагничивающее действие на основной поток. С целью расчета магнитного поля в движущейся резистивной зоне сформулирована краевая задача Дирихле для неоднородного эллиптического уравнения. Полученное вариационным методом обобщенное решение задачи позволяет определить компоненты вектора магнитной индукции и интегрированием - магнитный поток, пронизывающий резистивную область. в,,в(.Тл Новые научные результаты. - 0,3 Экспериментально исследовано о,2

проникновение и распределение 01 магнитного поля в РСК из тонколистовых материалов на базе жестких 0 сверхпроводников 2-го рода. 0,3 Установлено: - использование в РСК о,2 сверхпроводннковых материалов с высокими 01 критическими значениями существенно отражается на параметрах магнитной цепи ТПГ; - экранирующие токи, концентрируя °>3 основной магнитный поток в зоне 0,2 проникновения, увеличивают амплитудное д,1. значение магнитной индукции, вследствие чего магнитное сопротивление прохождению основного магнитного потока через рабочий зазор растет, что требует создания дополни- °-2 тельной МДС. 0,1-

0-

О л/4 л/2 Злг/4 я аг/4 Зт/2 й рая.

/„=450 А

Рис. 6. Распределение Вг и ¿^составляющих магнитной индукции в коммутаторе ТПГ-10/2 при токах в якоре /я - 0; 150; 300; 450 А. Ток возбуждения ; = 3,5 А. Материал коммутатора - лепта из сплава БТЦ (ЫЬ+0,5%гг+0,05%П). Сплошные линии -Вг, штриховые линии - Вг

Глава 5. Добавочные электромагнитные моменты н потерн. В ТПГ наряду с основным электромагнитным моментом существуют добавочные электромагнитные моменты различной физической природы. В совокупности они нередко превышают основной электромагнитный момент, приводя к поломке механической системы привода. Являясь главным источником потерь в криогенной зоне, они существенно сужают зону устойчивой работы. В отличие от обычных электрических машин, где причиной добавочных потерь являются высшие гармонические составляющие магнитной индукции, в ТПГ добавочные потери

М, н

возникают от пиннинга, крипа и вязкостного течения магнитного потока в РСК, магнитного гистерезиса сверхпроводникового материала, вихревых токов в резистивной зоне. Расчет добавочных моментов затруднен из-за их сложной физической природы. Поэтому при их изучении важное место

10- —

7 -

3 71 0. рад

/ в =30 А

М, и - м

б -1 5 -

отводится

совместным

з -

2 -

О

I в =0 А Остаточный момент

экспериментальным исследованиям магнитных полей в зоне расположения РСК и качественному объяснению их природы.

Рис. 7. Зависимости от угла 0 поворота вала топологического генератора при разных токах возбуждения / добавочного момента М на валу и нормальной составляющей В. индукции в коммутаторе из ниобий-титановой (ЫЬ+50%Т1) ленты толщиной 20 мкм, с двусторонним медным покрытием. Сплошные линчи- М, штриховые линии - В.

В главе описана экспериментальная установка, методика и результаты измерения добавочных моментов. Штатный нагрузочный режим дублируется косвенным нагрузочным режимом, реализуемым путем подведения к РСК транспортного тока. Графические зависимости, в том числе представленные на рис. 7, имеют одинаковую структуру. На фоне постоянной составляющей статического, статического, динамического моментов на валу момента существует периодическая составляющая, которая растет по мере увеличения тока возбуждения. На вал действует практически не зависящий от угла поворота постоянный тормозной момент, создаваемый силами пиннинга, крипом и вязкостным течением квантованных нитей. Переменная составляющая есть следствие градиента магнитной индукции в тангенциальном направлении.

Установлено, что составляющая момента, связанная с потерями на вихревые токи в резистивной зоне, постоянна и мала по сравнению с потерями на пиннинг и вязкостное движение квантованных нитей. На графиках имеется периодическая составляющая момента диамагнитно-реактивного свойства. Несмотря на различие свойств сверхпроводниковых материалов, применяемых в РСК, графики добавочных моментов при повороте вала ТПГ имеют качественное сходство, что свидетельствует об одной и той же природе добавочных моментов. Новые научные результаты. Впервые исследованы электромагнитные моменты в ТПГ. Установлено: - добавочный момент возникает после проникновения поля в РСК; -он имеет две главные составляющие - активную и реактивную; - активная составляющая есть следствие диссипативных процессов, обусловленных вязкостным движением квантованных нитей; - она знакопостоянная, не зависит от угла поворота вала, увеличивается вместе с ростом тока возбуждения, пропорциональна площади под кривой магнитной индукции; - реактивная составляющая возникает в результате захвата

магнитного потока центрами пиннинга; - она знакопеременная, не имеет прямой пропорциональной зависимости от тока возбуждения; - остаточный реактивный момент, обусловленный положительной намагниченностью сверхпроводникового материала, в 1,5-2 раза меньше реактивного момента, создаваемого током возбуждения; - знакопеременный реактивный момент не приводит к потерям, однако существенно нагружает моментопередающий механизм.

Глава 6. Рабочие характеристики и режимы работы ТПГ. Области применения.

Известные из теории электрических машин характеристики применительно к ТПГ недостаточно полно описывают их работу.В работе обосновывается введение требуемого спектра характеристик ТПГ и на конкретных примерах дается их анализ.

1. Характеристика холостого хода Uxx = U(Jn) при/н = 0, /= var (ступенями).

2. Характеристика напряжения холостого хода I/ = V if) при / = 0, / = var (ступенями).

3. Характеристика накачки и откачки /„ = I (V) при ;'в = const, f = const.

4. Внешняя характеристика U - U(/н) при / = const, f = var (ступенями).

5. Зоны устойчивой работы UH = U(f) при <в, IH = var (ступенями).

6. Нагрузочная характеристика £/ = U (;Q) при /н ,/ = var (ступенями).

7. Регулировочная характеристика/в = / (Уи) при U = const,/ = var.

8. Характеристика затухания тока в цепи нагрузки / = 1 (/) при / = 0, /= 0.

9. Характеристика прецизионного регулирования I = I(lf) при / = var, / = van Важнейшей является характеристика накачки и откачки, представляющая собой временную циклическую зависимость тока в сверхпроводниковой нагрузке, питаемой от ТПГ. Установление границ устойчивой работы может быть выполнено только экспериментальным путем (рис. 8).

II. „н I, .

Рис. 8. Зоны устойчивом работы ТПГ-3

Исследованы условия 4 включения ТПГ в : параллельную работу. В «-

^ 5 '"> 7 Я 9 II) И и 1.1 14 Г. ■

отличие от обычных

машин, мощность ТПГ изменяется от цикла к циклу. Поэтому понятие одинаковой мощности» двух ТПГ требует уточнений в конкретном режиме работы. Параллельная работа ТПГ должна предусматривать их нахождение в собственной зоне устойчивости.

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

Г:шви 7. Тепловые мосты в криогенную зону. Методы термодинамической оптимизации механической передачи и токовводов. В главе излагаются результаты оптимизации механической передачи по критерию минимума энергетических затрат на ее охлаждение, а также обосновывается применение сверхпроводниковой электромагнитной муфты. Задача решена аналитическим методом неопределенных множителей Лагранжа. Для сравнительного оптимизационного анализа исследованы три тепловых состояния механической передачи: отсутствие охлаждения, идеальный и реальный теплообмены. Установлены оптимальные размеры механической передачи. При Л t = Л = const геометрический комплекс 1/А изменяется по закону логарифмической функции от температуры теплого конца, а тепловой поток вдоль длины механической передачи - по линейному закону:

/

A s 4 s

Т..

А АЛ

1п( Ь-)

' О

II

т

± А

Рис. 9. Стенд для исследования ТПГ и токовводов, сверхпроводннковон электромагнитной муфты

Чем массивнее механическая передача, тем выше задаваемое значение варьируемого множителя Лагранжа. Рекомендуется 5 = 10"3-Н0"'. При проектировании наиболее мощной механической передачи и узла подвески топологического генератора ТПГ-17 (рис. 9) использованы данные оптимизационного теплового и механического расчетов.

Новые научные результаты. - разработан метод термодинамической оптимизации механической передачи и узла подвески, позволяющий проектировать системы электропривода сверхпроводниковых топологических ^/Теплый конец

ГГ"т=т---Г

генераторов с обеспечением их эффективного ¿=х/ ТП Т=Т/ охлаждения, дан пример практической реализации; - У

метод термодинамической оптимизации пригоден для х+Ях[Т1д9[~~~—~ анализа тепло- и массообмена при расчете тепловых ^ Г ^ мостов криогенных электротехнических устройств. Чх

Пористые токовводы являются неотъемлемым узлом ___ Холодный конец

х=0~

<4

Т

Т=Т,

о

' m0r

системы ввода тока в сверхпроводниковые электротехнические устройства, осуществляемой на базе Чо=

сверхпроводниковых топологических генераторов. Будучи рис ]о расчетная схема неотъемлемой составляющей системы электропитания, токоввода

диагностики и защиты сверхпроводниковых электротехнических устройств, пористые токовводы внесены в реестр поставленных в диссертации задач как важнейший объект научного исследования, чему посвящена настоящая глава. По рис. 10 составлена математическая модель, наиболее полно описывающая протекающие в токовводе процессы. Она состоит из системы нелинейных дифференциальных уравнений тепло- и массообмена и уравнений гидродинамики.

|

В главе дан анализ физических величин и обоснование граничных условий. Оптимизация параметров токоввода является вариационной задачей на нахождение условного экстремума. На практике чаще всего накладываются ограничения на габариты токоввода, что дает возможность решать вариационную задачу на безусловный экстремум. Для нахождения оптимального распределения тепловых потоков <7 по длине токоввода используется вариационный метод множителей Лагранжа. Обобщенной координатой взят тепловой поток дл.

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

Графики в относительных единицах сводятся к универсальной кривой (рис. 11), справедливой для любых токов и значений множителя Лагранжа д. По ней можно заключить, что в термодинамически оптимизированном токовводе необходим малый градиент температур на большей части его длины - 80%.

В отличие оттоковводов, которыми оснащаются технологические криостаты с малым уровнем фоновых теплопритоков, в крупных сверхпроводниковых электротехнических объектах, в частности в криотурбогеиераторах, применяются токовводы с регулируемым расходом криоагента без промежуточного отбора. В таких объектах отсутствует связь между теплопритоками в криостат и расходом криоагента по каналу токоввода, а теплофизические и гидравлические свойства потока криоагента существенно изменяются по длине токоввода. Рассмотрена одномерная нелинейная задача расчета неидеально охлаждаемого шунтированного сверхпроводником токоввода неизменного поперечного сечения. Критерий оптимальности - минимум энергозатрат. Результаты расчетов представлены в серии графиков. Оптимальные длины / " резистивного участка токоввода в функции расхода т криоагента растутлинейно. Наоборот, оптимальные длины / * сверхпроводящих участков изменяются нелинейно. По инженерным методикам, основанным на теории, рассчитаны, сконструированы и исследованы токовводы на токи до 10 кА. В главе описана конструкция и приведены данные испытаний модели и штатного образца токовводов критотурбогенераторатипа КТГ-20 мощностью 20 МВт. На всех этапах исследований КТГ-20 токовводы, спроектированные согласно теории, работали эффективно и безаварийно (рис. 12).

Яч/1, мВт/А Тх/Т(

Рис. 11. Распределение приведенной температуры Т/Т0 и удельных тепловых потоков ц П по длине д-7 токоввода

18.78 30 -----

15,35 -

12,58 20 --

9,39 6,26 10 — 3,31

0 0

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0.9 х//

■»спроектированные по критерию минимума

|Новые научные результаты'. - на базе швариационного метода неопределенных Умножителей Лагранжа создана аналитическая ¡¡теория энергетически оптимальных и »безопасных в эксплуатации пористых |токовводов; - показано, что токовводы,

Рис.12. Монтаж токовводов

криотурбогенерагора типа КТГ-20

энергозатрат на охлаждение, оптимальны и по минимуму теплопритока на холодном конце, а также могут работать без охлаждения в течение времени, необходимого для вывода запасенной электромагнитной энергии из криостата и (или) восстановления охлаждения; - экспериментально установлено, что шунтированные сверхпроводником пористые токовводы с многократной (более 5 раз) фильтрацией криоагента устойчивы к токовой перегрузке, которая может составлять более 2 номиналов; - выполненные исследования пористых токовводов решают составную задачу общей проблемы ввода тока в стационарные и вращающиеся криостаты.

Глава 8. Исследование топологических генераторов из высокотемпературных сверхпроводников 1-го и 2-го поколений. После открытия высокотемпературной сверхпроводимости долгое время уровень технологии изготовления высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) не позволял разрабатывать силовые электротехнические и электрофизические устройства, подобные тем, которые созданы на базе низкотемпературных сверхпроводниковых материалов. В главе показано, что ТПГ оказался одним из немногих силовых электротехнических устройств, в котором стало возможным применение нетехнологичных ВТСП-материалов, причем с созданием короткозамкнутых высокотемпературных сверхпроводящих цепей. В подтверждение теоретических положений главы 1 в данной главе излагаются результаты практической реализации принципиальной концепции создания топологических генераторов с использованием ВТСП-материалов. В основе исследований лежат преимущественно экспериментальные методы.

Показано, что «топологический» метод генерации тока обеспечивает бесконтактное измерение критической температуры высокотемпературного сверхпроводника, определение зависимости от температуры объема сверхпроводящей фазы образца, снятие вольтамперной характеристики образца без предъявления особых требований к качеству контактов измерительной и токовой цепей, оценку объемной силы пнннинга. 1 Экспериментально снятые рабочие характеристики ТПГ использованы при отработке технологии нанесения контактных покрытий и изготовления соединений.

Созданы три экспериментальные установки, которые обеспечивали проведение 1 измерений в трех средах - на воздухе, в жидком азоте и жидком гелии, а также моделирование условий штатной эксплуатации ТПГ (рис. 13,14). Технологический прорыв в промышленном производстве обмоточных материалов из 20 ВТСП (2-го поколения) позволил создать экспериментальный образец ТПГ с

"х.х *

20 15 10 5 0

Ю^В

Л

В/

1 /\ !

N1) Щ2 К у\~

о

0,2 5

0,5

0,7 5 /,

Рис. Рис. 13. Характеристики х.х. (штриховая) х.х.и напряжения х.х. для разных сред

2 4 6 8 10 12 14 16 18 Рис. 14. Характеристики напряжения для разных материалов и сред

фазовым коммутатором из 20 ВТСП. По результатам стендовых испытаний сделан вывод о перспективности применения ТПГ-20 ВТСП для прецизионного питания ЯМР томографов и разработки бесщеточных систем возбуждения сверхпроводниковых электрических машин.

Новые научные результаты: - впервые созданы и испытаны в различных криогенных средах ТПГ из высокотемпературных сверхпроводников; - в силовой ВТСП-цепи достигнут ток ~ 100 А; - на основании обнаружения в опытах эффекта «топологической» ЭДС в ВТСП-образцах при температурах выше критической (установленной по вольтамперной характеристике) показано, что ТПГ может служить в качестве чувствительного диагностического устройства для обнаружения появления сверхпроводящей фазы в ВТСП-образцах и оценки ее объемного содержания; -сравнительные экспериментальные исследования ТПГс различными типами коммутаторов в разных криогенных средах доказали общность электромагнитных процессов, протекающих в них, для всех типов коммутаторов и криогенных сред. Глава 9. Разработка сверхпроводниковых топологических генераторов многофункционального использования и результаты их испытания в штатных режимах работы. В создании типового ряда ТПГособое значение придавалось экспериментальному исследованию потерь и поиску средств их снижения. В главе приведены методология и результаты измерения потерь в механическом ТПГ-1/2 и статическом СТПГ-7.

Экспериментально подтверждено, что главные составляющие потерь -коммутационные и на вихревые токи (рис. 15). В топологических генераторах, где реализуется режим коммутации сопротивлением, КПД можно повысить в основном за счетсниження потерь на вихревые токи, применяя в резистивно-сверхпроводящем коммутаторе материалы с высоким удельным электрическим сопротивлением. Для снижения потерь на коммутацию требуется применять предложенные в главе 4 схем но-конструктивные решения. В экспериментах выявлен значительный н не пропорциональный току нагрузки рост момента на валу.

Установленные в экспериментах факты потребовали в корне пересмотреть концепцию проектирования ТПГ, ориентированную на применение в РСК сверхпроводников с относительно низким значением Вк,. Одновременно возникла необходимость в детальном исследовании физических процессов, обусловливающих

I) 11100 21)11(1 31X11] 401Ш 51)01) V

а 6 в

1'нс. 15. Мгновенные н средине значения мощностей (а), потерь на коммутацию (о) и КПД (в) с учетом и без учета (с индексом *) потерь на вихревые токи топологического генератора ТПГ-1/2 в функции числа циклов работы. Сплошные линии - индуктивность резпетнвио-сверхпроводящего коммутатора /-2К1 = 1,15 1Гн, штриховые - 0,57-10"' Гн

появление неадекватных току нагрузки моментов. Без решения этих задач достижение токов в нагрузке на уровне 5ё10 кА оставалось проблематичным. В сводной таблице представлены практически все типы топологических генераторов,изготовленных и испытанных в Советском Союзе в период с 1971 по 1985 год (первый этап). Последующие образцы создавались на основе новой научной концепции - использования в резистивно-сверхпроводящих коммутаторах материалов из технических жестких сверхпроводников 2-го рода, а также высокотемпературных сверхпроводников и магниторезистивных материалов. Каждый образецТПГ имеет технические особенности и создавался, с одной стороны, как научно-исследовательский объект, с другой стороны, как штатный образец целевого назначения.

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

Тип ТПГ

Параметры 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Наружный диаметр сердечника якоря, мм 60 104 122 185 7<> 100 124 90 100 140 161 62 167 167

Дп:!ЧС1 ]i расточки якоря, мм 56 96 ill 167 - 74/80 00 62 90 92 S4 51 102 102

Длина якоря, мм 50 . Кб ¡00 250 so 250 SO 20 100 1бЗ so 30 110 110

Н.тмьик ссчашя полюсного ÖiUliHilid. Vit' 25* 10 46* 20 45 ч П Oflx 15 - 22» IS 20х 10 64х 10 su ' 15 - 22* 10 SO:.-15 80» 15

Число пиккоз 4 4 4 4.6 3 4,4 4 4 4 4 4 4 4 4

Диамсгр итиукторпой клушки (по намотке), мм Внутренний внешний 5 17 ¡7 20 44 26 17 20 12 12 20 14 30 30

46 86 SO 140 S2 68:70 60 45 84 so so 40 93 93

Высота индукторной катушки (по намотке), мм 11 14 ¡Я 15 2S 15; 32 40 20 10 14 40 20 40 40

Коэффициент заполнения по намотке 0,4 0.4 0.4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0.5 0.4 0.5 0.5 0.5 0.5

Число индукторных катушек 1 2 ? 2 1 1 2 2 2 т 1 2 i 2

Число вигюи якорной i.'Oiwmi 1 12 i _< S 1 12 1 1 4 SO 3 10 100

Число napaue н.ныч проволникав »Ki'ÜHüii ОБМОТКИ 1 1 ¡2 10 105 1 12 i ч 1 so 5 16 16

Материал коммутатора: лента л', мкм ннойиспая нроподока О. мм шюеисво-алооаннш! провод-ci.ipcü (:>, мм 70 15 25 25 20 25 25 50 50 25 25 50

0,16

1

%'!С. vi В 6 50.Х 12 50 16 50;6 5 20 5 1.3 5 3 50 500

Ток нагручки. А 15 45'1 150 1500 1650 550' 2000 1750 750 5000 2000 60 260 650 5750 300 1600 250

Поспмншя «жкнетш нагрузки (дла геометрического центра). Тл'Л 0.265 5,3\ ! 0': 2.2ÜX II)'' !,7х 1Г 1 .4 ю;- 2,92 л Ю"1 4.3х ¡Г 5,3.\ 10"2 5,3х ИГ 1.7* КГ1 2,92x 10' 2,28.4 10' -

Индуктивное п. нагрузки (в нормальном состоянии). Гн 3.57 0,57 0.4s 13х 10"' 2,75х !0° (,76х КГ 2.75s ю-' 0,57 0.57 15\ ю- ¡.70 ч 10' - 0,4 \ | КГ -

Запасенная а натрулкс jiCKipoMai нглпая n-epi и», кД-к 0.38 4.I.V О 545 20 0 775 0,775 4,15 4 15 | 26 0.515

Топологические генераторы ТПГ-4/3. ТПГ-4/4, ТПГ-10/2, ТПГ- 15/К ТЛГ-15/2, ТПГ-18 н ТГ1Г-19: резнстивно-сверхпроводящие коммутаторы и якорные обмотки барабанного типа. Цель создания: отработка конструкции резистивно-сверхпроводящего коммутатора и якорной обмотки, выполненных из разнородных обмоточных материалов, повышение напряжения.

Топологические генераторы ТПГ-15/1 и ТПГ-15/2: большие массо-габариты. Цель разработки: повышение линейной токовой нагрузки, исследование конструкции ферромагнитного сердечника индуктора со скошенными полюсами-зубцами. (3 экспериментах отработан простой и эффективный исследовательский способ косвенного определения номинальных параметров. Так, в псевдонагрузочном режиме топологический генератор испытывается на токонесущую способность, устанавливающую верхний предел по току нагрузки. Для этого к резистивно-сверхпроводящему коммутатору и якорной обмотке топологического генератора, работающего на холостом ходу, через силовые токовводы подводится транспортный гок. Как показали сопоставительные опыты, значения напряжения на зажимах топологического генератора, достигаемого в нагрузке тока, а также области устойчивой работы практически совпадают для косвенного, псевдонагрузочного и нагрузочного режимов. В частности, для штатного режима ток нагрузки ТПГ-15/ I составляет 6,8 кА, линейная токовая нагрузка ~10 кА/м, что на 3% ниже максимального значения, установленного в псевдонагрузочном режиме. Топологический генератор ТПГ-14/2, ТПГ-16: резистивно-сверхпроводящий комммутатор и якорная обмотка кольцевого типа. Цель создания: доказать возможностьи эффективность катушечно-модульного исполнения якорной обмотки п резистивно-сверхпроводящего коммутатора как одно целое (рис. 16), а также спиральной (одно) двухзаходной обмотки из широкой сверхпроводниковой ленты.

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

Рис. 16. ТПГ-16 перед погружением в крностат с диаметром гелиевого сосуда 300 мм

Топологический генератор ТПГ-17. Цель создания: применение замоноличенныхкомпаундом модульных катушек резистивно-сверхпроводящего коммутатора и якорной обмотки.

Топологический генератор ТПГ-18: набранный из листовой электротехнической стали сердечник якоря, оптимальная форма ферромагнитных узлов, резистивно-сверхпроводящий коммутатор - цилиндр двухслойный из спаянных внахлёст нпобпево-оловянных лент, катушки возбуждения - компаундированные и бескаркасные, межзубцовое пространство заполнено пенопластом. Цель разработки: создание головного образца малогабаритного ТПГ многофункционального назначения на базе использования в резистивно-сверхпроводящем коммутаторе жестких сверхпроводников 2-го рода. Первые

Рис. 18. Характеристика заведения тока /. - и 5 в сверхпроводниковую нагрузку п напряжение 4 на зажимах ТПГ-18

Рис. 17. ТПГ-18: а

(а) - продольный разрез;

(б) - перед испытанием на нагрузку (внизу)

испытания ТПГ-18 показали его эффективность не только по достигнутым значениям тока нагрузки и напряжения, но и в механике; малый момент на валу, пониженный уровень вибраций и потерь. ЭДС 4 мВ. Ток 6 кА (рис. 18) в нагрузке нарастает практически по линейному закону. Об этом свидетельствует и постоянство напряжения на зажимах топологического генератора. При достижении в нагрузке критического тока происходит ее переход из сверхпроводящего в нормальное состояние. При этом запасенная электромагнитная энергия выделяется в объеме нагрузки. Ток в цепи падает до нуля и снова начинает расти по линейному закону. Искусственно вызванное возмущение не приводит к срыву процесса заведения тока. После реконструкции коммутатора с использованием в нем ниобиево-оловянной ленты более высокого качества при испытании короткого образца сверхпроводниковой плетенки 20x1 мм2 (рис. 17,6) с помощью ТПГ-18 получен ток 8,6 кА, что является рекордным значением, тым с помощью единичного агрегата.

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

порядка 10\

Рис. 19. Малогабаритный топологический генератор ТПГ-21 (вверху) н нагрузка (внизу)

Новые научные результаты: - впервые в отечественной и мировой практике создан типовой ряд ТПГ многофункционального использования патоки до 10 кА; разработана конструкторская документация

топологических генераторов с различными массогабаритными показателями и электромагнитными параметрами; выполнено макетирование, отработана технология изготовления основных узлов ТПГ и их экспериментальное исследование; -достигнуты рекордные параметры: в крупногабаритных ТПГ, предназначенных для полного режимного питания

сверхпроводниковых нагрузок с запасенной энергией свыше 1 МДж, например, отклоняющих магнитов каналов частиц Ускорительно-накопительного комплекса УНК-ЗТэВ, ЭДС - 80 мВ, ток - 6,8 кА; - в малогабаритных ТПГ, предназначенных для питания сверхпроводниковых нагрузок с запасенной энергией до 1 МДж, ЭДС - 4 мВ, ток нагрузки - 8,6 кА; - топологические генераторы ТПГ-2, ТПГ-15, ТПГ-16, ТПГ-1 7 11 ТПГ-1 8 изготовлены с учетом технической эстетики; - разработан герметичный высокомоментный привод на базе серийных двигателей.

Глава 10. Создание бесщеточных систем возбуждения сверхпроводнпковых электрических машин с топологическим возбудителем. В главе показана техническая возможность создания бесщеточной системы возбуждения сверхпроводниковых

Работы в этом направлении велись одновременно и в США. На первом этапе созданы вращающаяся ТПГ-5 (ток 1,75 кА), статическая СТПГ-11 (ток 10 кА) и обращенная СТПГ-23 модели сверхпроводникового топологического возбудителя. На втором этапе изготовлен бесконтактный сверхпроводниковый синхронный генератор вертикального исполнения мощностью 18 кВт с топологическим возбудителем ТПГ-9/2. Испытания узлов ротора бесконтактного синхронного генератора (рис. 20), включая комплексные испытания возбудителя ТПГ-9/2, проводились поэтапно: в технологическом криостате - внутренняя часть ротора (рис. 21) и ротор в сборе - на вакуумном стенде. Стендовые испытания сверхпроводникового синхронного генератора завершились снятием его характеристик в косвенных режимах с выходом на расчетные параметры. Топологический возбудитель обеспечивает номинальный ток возбуждения 262 А, работает устойчиво и надежно независимо от условий охлаждения. Исследование нагрузочного режима ограничилось работой на активную нагрузку. Как показали исследования, использование топологического генератора позволяет исключить из цепи возбуждения синхронной машины силовой контактный аппарат и существенно ограничить функции резистивных токовводов, используя их только для форсировки возбуждения и экстренного вывода электромагнитной энергии из обмотки возбуждения.

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

Новые результаты:

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

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

В развитие научных представлений о структуре и динамике «полумейсснеровского»

состояния дано строгое математическое обоснование «топологического» эффекта

в низкотемпературных и высокотемпературных сверхпроводниках.

Введен в научный оборот новый тип фазовых резистивно-сверхпроводящих

коммутаторов.

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

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

На основании полученных соотношений, подтвержденных экспериментально, установлена циклическая зависимость тока, напряжения, мощности, потерь и КПД топологической электрической машины и обоснована принципиальная возможность достижения близкого к единице КПД. Разработанные в рамках предложенной теории общие рекомендации о методах повышения КПД могут служить практическим руководством в поисках схемных и конструктивных решений, направленных на улучшение энергетических показателен топологических электрических машин. Разработана теория коммутации в топологических генераторах и преобразователях криотронных на основе общности рассмотрения процессов и при учете специфики их работы. Установлено, что в общем случае коммутация

имеет смешанный характер. Выполненный сопоставительный анализ режимов коммутации - сопротивлением, напряжением и смешанной позволяет на стадии проектирования и во время эксплуатации выбрать подходящие схемное решение и оперативное управление для обеспечения требуемого режима коммутации. Показано, что потери на коммутацию являются главной составляющей суммарных потерь.

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

Экспериментальное исследование механизма проникновения магнитного поля в резистивно-сверхпроводящие коммутаторы с широкой номенклатурой применяемых в них сверхпроводниковых материалов позволило обосновать принципы конструирования топологических генераторов и создать на базе жестких сверхпроводников II рода машины с высокими номинальными параметрами. В топологических генераторах установлено наличие добавочных моментов различной физической природы, не имеющих аналога в электрических машинах обычного исполнения, действующих на холостом ходу и в режиме нагрузки, которые могут превышать основной электромагнитный момент и приводить к поломке механической передачи.

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

Разработаны физические основы передачи механического момента за счет захвата магнитного потока, пиннинга и вязкостного движения квантованных нитей магнитного потока. Предложен новый способ передачи момента к механизмам, вращающимся в криогенной среде, посредством сверхпроводниковой топологической электромагнитной муфты, в которой обмотка возбуждения и активные элементы ведущего и ведомого валов выполнены из сверхпроводников. На базе вариационного метода неопределенных множителей Лагранжа создана новая аналитическая теория энергетически оптимальных и безопасных в эксплуатации пористых токовводов. Показано, что токовводы, спроектированные по критерию минимума энергозатрат на охлаждение, оптимальны н по минимуму теплопрнтока на холодном конце, а также могут работать без охлаждения в течение времени, необходимого для вывода запасенной электромагнитной энергии из крностата и восстановления охлаждения. На основе разработанной аналитической теории спроектирован типовой ряд пористых токовводов со сменными

шунтированными сверхпроводником медным удлинителями на токи 1-10 кА для многофункционального использования в технологических, экспериментальных и штатных целях.

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

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

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

Публикации. Основной материал диссертации опубликован в 79 работах, среди которых 2 монографии, 38 статей, 11 тезисов докладов, 26 авторских свидетельств и 2 зарубежных патента.

Примечание. 18 статей опубликовано в журналах, которые входят в перечень ВАК. Из них 5 статей опубликовано в 2009-2010 гг.

Монографии

1. Глебов И.А., Шахтарин В.Н., Антонов Ю.Ф. Проблема ввода тока в сверхпроводпнковые устройства. JT.: Наука.— 1985.-—208 с.

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

Журналы, входящие в перечень ВАК

3. Антонов Ю.Ф. Решение задач синтеза в магнитостатике методом регуляризации// Электричество.—2009,—№ 1,—С. 40—45.

4. Антонов Ю.Ф. О сосуществовании промежуточного и смешанного состояний в сверхпроводниках// Исследовано в России. Электронный научный журнал. 707 http://zhumaI.ape.relarn.ru/articles/2009/059.pdf.—2009.

5. Антонов Ю.Ф. Топологический генератор с фазовым коммутатором из 2G ВТСП//Труды МАИ.

6. Антонов Ю.Ф. Топологический генератор с фазовым коммутатором из высокотемпературных сверхпроводников// Электричество.—2010. — № 2. — С. 36-41.

7. Антонов Ю.Ф. Сверхпроводниковый магнитно-резонансный томограф: питание, диагностика и защита//Электротехника.—2010.—№8.—С. 60—66.

8. Антонов Ю.Ф., Блохин Ю.В., Доманская ЕЛО. и др. Униполярные сверхпроводниковые машины для систем электродвижения судов// Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт.— 1983. — № I. — С. 73—77.

9. Антонов Ю.Ф., Казовскпй Е.Я. Теория статических сверхпроводящих преобразователей топологического типа// Электротехника. — 1982. — № 9. — С. 33—36.

10. Антонов Ю.Ф., Казовский Е.Я. Энергетические показатели сверхпроводящих преобразователей топологического типа//Электротехника.— 1982. —№ 11.— С. 29—32.

11. Антонов Ю.Ф., Микуцкнй A.C. О математической модели сверхпроводящего выпрямителя//Изв. ВУЗов. Электромеханика.— 1981. — №5.—С. 573—679.

12. Антонов Ю.Ф., Максимова К.П. Расчет термодинамически оптимизированных токовводов к криогенным электротехническим устройствам// Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт.— 1977. — № 1.— С. 60—66. 12. Антонов Ю.Ф., Макушенко Ю.Н., Рыжиков М.А. и др. Экспериментальные исследования потерь в сверхпро-водящих топологических генераторах// Изв. ВУЗов. Электромеханика. — 1982. — № 11.—С. 1318— 1325.

13. Антонов Ю.Ф., Микуцкий A.C. Смешанная коммутация в сверхпроводящих криотронных преобразователях// Изв. ВУЗов. Электромеханика. — 1984. —№ 5,— С. 20—24.

14. Антонов 10.Ф., Оснпян A.B., Шахтарин В.Н. Намагничивание сверхпроводникового топологического генератора// Электротехника. — 1987. — №9,—С. 42—44.

15. Антонов Ю.Ф., Осипян A.B., Шахтарин В.Н. Распределение магнитного поля в

сверхпроводящем топологическом генераторе// Электротехника. — 1988.—№ 7. —С. 47—50.

16. Данилевич Я.Б., Антонов Ю.Ф. Топологический генератор на высокотемпературных сверхпроводниках// Изв. РАН. Энергетика. —1995.—№ 12,—С. 26—29.

17. Данилевич Я.Б., Антонов Ю.Ф. Топологический генератор с магниторезистивным коммутатором из висмута// Электричество. —1997.—№ 11. — С. 41

18. Казовский Е.Я., Антонов Ю.Ф. Рабочие характеристики сверхпроводящих электрических машин// Электротехника. —1971.—№ 2.— С. 3—6.

19. Казовский Е.Я., Антонов Ю.Ф. Теория сверхпроводящего насоса магнитного потока с пластиной// Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. — 1972.—№4. —С. 66—76.

20. Казовский Е.Я., Антонов Ю.Ф. Токи, напряжения и потери в сверхпроводящем топологическом генераторе// Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. — 1974. — №1,—С. 97—104.

Отраслевые издания

21. Антонов Ю.Ф. Токовводы// Информ. лист.о научн.-техн. достиж. № 89-63. Л.: ЛМТЦ

научн.-техн. информ. и проп.—1989. — 3 с.

22. Антонов Ю.Ф. Сверхпроводниковый топологический генератор// Информ. лист.о

научн.-техн. достиж. № 89-54. Л.: ЛМТЦ научн.-техн. информ. и проп. —1989. — 4 с.

23. Антонов Ю.Ф. Тепловая оптимизация механической передачи привода топологического генератора// Проблема создания и эксплуатации новых типов электроэнергетического оборудования. Вып. 2. СПб.: НИИэлектромаш.— 1998. —С. 227—234.

24. Антонов Ю.Ф. Сверхпроводниковая топологическая электромагнитная муфта// Проблемы создания и эксплуатации новых типов электроэнергетического оборудования. Вып. 3. СПб.: ОЭЭП РАН. — 2001.—С. 83—107.

25. Антонов Ю.Ф., Астапова В.И., Бабенко В.А. и др. Расчет токоввода для криотурбогенератора по критерию мини-мума энергозатрат// Сверхпроводниковые электрические машины. Л.: ВНИИэлектромаш. —1983. — С. 143—150.

26. Антонов Ю.Ф., Ильюхин В.Ф., Максимова К.П. и др. Исследования токовводов для криотурбогенератора мощностью 20 МВ-А// Электрические машины. Сверхпроводниковые генераторы. Л.: ВНИИэлектромаш. — 1979. — С. 77—97.

27. Антонов Ю.Ф., Макушенко Ю.Н. Регулирование тока в сильноточных сверхпроводящих системах//Труды № 146(6) ГОНТИ-1.— 1976.

28. Антонов Ю.Ф,, Микуцкнй A.C. Внешние характерис-тикн криотронного преобразователя// Сверхпроводниковые элек-трические машины. Л.: ВНИИэлектромаш.—1983.— С. 136—143.

29. Антонов Ю.Ф., Оснпян A.B. Экранирующие токи в сверхпроводникоиых топологических генераторах // Электротехнические устройства с использованием сверхпроводников. Л.: ВНИИэлектромаш.—1986.—С. 120—131,

30. Антонов 10.Ф., Рыжиков М.А., Шахтарин В.Н. Влияние намагничивания сверхпроводящей нагрузки на характеристики топологического генератора // Электрические машины. Сверхпроводниковые генераторы. Л.: ВНИИэлектромаш. — 1979. — С. 174—185.

31. Глебов И.А., Шахтарин В.Н., Антонов Ю.Ф. Возбуждение сверхпроводниковых синхронных машин от сверхпроводящих источников питания//Электрические машины. Сверхпроводниковые генераторы. Л.: ВНИИэлектромаш.— 1979.— С. 3—14.

32. Глебов И. А., Шахтарин В.Н., Антонов Ю.Ф. Сверхпроводниковые топологические генераторы нового поколения// Сверхпроводниковые электротехнические устройства. Л.: ВНИИэлектромаш. —1980. — С. 5—12.

33. Казовский Е.Я., Антонов Ю.Ф. Элементы теории сверх-проводящих электрических устройств, работающих на принципе движения квантованных нитей магнитного потока// Вопросы применения сверх-низких температур в электротехнике. Л.: Наука. — 1971. — С. 60—74.

34. Казовский Е.Я., Антонов Ю.Ф. Перспективы развития электроэнергетики и создания мощных турбогенераторов// РЖ сводный том «Электротехника и энергетика», реф. ЗЕ64-75. — 1975.

Труды конференций

35. Антонов Ю.Ф., Данилевич Я.Б. Полумейсснеровское состояние как фундаментальное свойство одно- и многокомпонентных сверхпроводников/ Тез. докл. Всероссийской научно-технической конф. «Прикладная сверхпроводимость-2010». — Москва. — 2010. — 3 С. (Электронный вариант).

36. Антонов Ю.Ф., Данилевич Я.Б. Топологический генератор для ВТСП ЯМР-томографа/Тез. докл. Всероссийской научно-технической конф. «Прикладная сверхпроводимость-2010». — Москва. — 2010. — 3 С. (Электронный вариант).

37. Антонов Ю.Ф. Синтез сверхпроводниковых магнитных систем с заданной степенью неоднородности поля/ Тез. докл. 18-й Межвузовской научно-технической конф. «Военная радиоэлектроника: опыт использования и проблемы, подготовка специалистов». — Петродворец. — 2007. —С. 34—35.

38. Антонов Ю.Ф., Веселовский A.C., Г.Г. Свалов, В.Н. Шахтарин. Некоторые вопросы

создания сильноточных проводов и топологических генераторов для их исследования// Криозлектротехника и энергетика. Часть 2. Электрические машины. — Киев, —1977. —С. 58—62.

39. Антонов Ю.Ф., Казовский Е.Я. Теория сверхпроводящих топологических генераторов. Сверхпроводящие электрические машины и линии электропередач// Тр. конференции по техническому ис-пользованию сверхпроводимости, Алушта, 1975 г. М.: Атомиздат.— 1977. — Т. 3. — С. 65— 75.

40. Антонов Ю.Ф., Осипян А.В. Электромагитные моменты в сверхпроводниковых топологических генераторах/ Тез. докл. 1-й Всесоюзной научно-технической конф. по электромеханотронике. Л.: ЛЭТИ. — 1987.

41. Антонов Ю.Ф., Рыжиков М.А., Шахтарин В.Н. Опыт создания сверхпроводящих

электротехнических устройств с использованием топологических генераторов/ / Сверхпроводимость в технике: Тр. 2-й Всесоюз. конф. по техническому использованию сверхпроводимости, Ленинград, 26-28 сент. 1983 г. М.: ВИНИТИ. — 1984, — Т. 1, — С. 92—96.

42. Глебов И. А., Шахтарин В.Н., Антонов Ю.Ф. Экспериментальные исследования и перспективы использования топологи-ческих генераторов//Сверхпроводники и гпперпроводники в элек-трических машинах и электроэнергетике. Тез. докл. Межвузовской науч.-техи. конф. М.: МАИ. — 1974. —С. 20.

43. Глебов И.А., Шахтарин В.Н., Антонов Ю.Ф. Экспериментальные исследования и

перспективы использования топологи-ческих генераторов// Сверхпроводники и гиперпроводники в электрических машинах и электроэнергетике. Тез. докл. Межвузовской науч.-техн. конф. М.: МАИ. — 1974. — С. 20.

44. Глебов И.А., Шахтарин В.Н., Антонов Ю.Ф. Бесконтактный сверхпроводниковый синхронный генератор//Сверхпроводимость в технике: Тр. 2-й Всесоюз. конф. по техническому использованию сверхпроводимости, Ленинград, 26-28 сент. 1983 г. М.: ВИНИТИ. —1984.—Т.1. — С. 66—72.

45. Казовский Е.Я., Антонов Ю.Ф. Нелинейная теория сверхпроводящего топологического генератора// Тез. докл. Всесоюзной межвузовской конф. по теории и методам расчета нелинейных электрических цепей и систем.— 1971.— Вып. 2.

46. Казовский Е.Я., Антонов Ю.Ф. Некоторые вопросы распределения и движения магнитного потока в сверхпроводящих топологических устройствах// Тез. докл. секции 21 -23 октября 1974 г. по теме «Особенности выполнения электромагнитных расчетов для сверхпроводящих систем». Научный совет потеоретич. и электрофиз. проблемам электроэнергетики Отделения физико-математич. проблем энергетики АН СССР. — Москва. —1974.

47. Казовский Е.Я., Антонов Ю.Ф. Обобщенная теория сверхпроводящих топологических генераторов// Сверхпроводники и гпперпроводники в электрических машинах и электроэнергетике. Тез. докл. Межвузовской науч.-техн. конф. М.: МАИ. —1974.—С.21.

48. Антонов Ю.Ф., Бауров Ю.А., Меркурова С.П. Модельтопологнческого генератора (ТГ) на высокотемпературных сверхпроводниках//XXX Совещание по физике низких температур, 6-8 сентября 1994 г., Дубна. Тез. докл., Ч. 1. Дубна. —1994. —С. 32.

49. Glebov I.A., Shakhtarin V.N., Antonov Yu.F. Investigation results and prospects for application of superconducting topological generators//1978 Applied superconductivity conference, Pitts-burgh, Pennsylvania, September 25—28, 1978. Abstracts MB-3. Pittsburgh. —1978. — P. 91.

50. Glebov I.A., Shakhtarin V.N., Antonov Yu.F. Problem of high current input into superconducting field winding of electrical machines//Proceedings of the Sixth international conference on magnet technology (MT-6). Bratislava: Alfa Press. — 1978. — P. 276—286.

51. Baurov Yu.A., Merkurova S.P., Serjogin B.M., Antonov Yu.A., Ermolov S.N. High-Temptrature superconducting topological generators//Proceedings of the VI Trilateral Gemian-Russian-Ukrainian Seminaron High-Temptrature Superconductivity. Dubna, September 14— 18,1993. Dubna. — 1994. Editors — Aksenov V.L., Kornilov E.I.

Авторские свидетельства и зарубежные патенты

52. А.с. 425278 (СССР). Сверхпроводящий генератор постоянного тока/Антонов Ю.Ф. —Опубл.24.12.1973.

53. А.с. 533151 (СССР). Сверхпроводящая электрическая машина постоянного тока/Антонов Ю.Ф., Новицкий В.Г.

54. А.с. 551987 (СССР). Сверхпроводящая электрическая машина постоянного тока/

Антонов Ю.Ф., Сладков Г.Г., Шахтарин В.Н,—Опубл. 22.01.1976.

55. А.с. 700038 (СССР). Сверхпроводящий статический преобразователь переменного тока в постоянный/ Антонов Ю.Ф., Рыжиков М. А. — 1978.

56. А.с. 786673 (СССР). Двухъякорный сверхпроводящий генератор постоянного тока топологического типа/ Антонов Ю.Ф., Рыжиков М.А. —1980.

57. А.с. 849956 (СССР) Сверхпроводящая электрическая машина/ Антонов Ю.Ф., Макушенко Ю.Н., Рыжиков М.А. — 1981.

58. А.с. 869541 (СССР). Электромагнитная муфта/ Антонов Ю.Ф., Максимова К.П., Рыжиков М.А., Сладков Г.В. — Опубл. 14.05.1981.

59. А.с. 959216 (СССР). Бесконтактная сверхпроводящая синхронная машина/Антонов Ю.Ф., Глебов И.А., Шахгарин В.Н. —Опубл.вБ.И. 1982. N34.

60. А.с. 976813 (СССР). Криотронный преобразователь/Антонов Ю.Ф., Микуикий

A.С., Северин В.М.

61. А.с. 1003721 (СССР). Токоввод для криогенной электрической машины/ Антонов Ю.Ф., Данилевич Я.Б., Сладков Г.В., Шахтарин В.Н.

62. А.с. 1055293 (СССР). Устройство для исследования образцов сверхпроводящих обмоточных материалов/Антонов Ю.Ф., Рыжиков М.А., Сладков Г.В., Шахтарин

B.Н. —1983.

63. A.c. 1072739 (СССР). Бесконтактная сверхпроводящая синхронная машина/ Антонов Ю.Ф., Рыжиков М.А. —1983.

64. А.с. 1075903 (СССР). Сверхпроводящий преобразователь переменного тока в постоянный/ Антонов Ю.Ф., Рыжиков М.А. —1983.

65. А.с. 1083869 (СССР). Сверхпроводящий криотронный преобразователь/Антонов Ю.Ф., МикуцкийА.С.,ШишмареваЛ.В.,ФадеевВ.Д.

66. А.с. 1091821 (СССР). Сверхпроводящая электрическая машина постоянного тока/ Антонов Ю.Ф., Доманская Е.Ю. — 08.01.1984.

67. А.с. 1105085 (СССР). Сверхпроводящее устройство/ Антонов Ю.Ф., Доманская Е.Ю., Рыжиков М.А.—22.03.1984.

68. А.с. 1148524 (СССР). Двухполупериодный сверхпроводниковый преобразователь/ Антонов Ю.Ф., Игнатов В.Е., Скобарихин Ю.В., Шахтарин В.Н.

69. А.с. 1230343 (СССР). Сверхпроводящая электрическая машина/Антонов Ю.Ф., Рыжиков М.А. —1986.

70. А.с. 1321325 (СССР). Сверхпроводящая электрическая машина топологического типа/ Антонов Ю.Ф.,Осипян А.В., Шахтарин В.Н.—Опубл. 18.03.1985.

71. А.с. 1376889 (СССР). Сверхпроводящая электрическая машина топологического

типа/ Антонов Ю.Ф., Осипян А.В.—Опубл. 01.07.1986.

72. А.с. 1414247 (СССР). Сверхпроводящая электрическая машина постоянного тока

топологического типа/ Антонов Ю.Ф., Доманская Е.Ю., Рыжиков М.А. — Опубл. 01.04.1988.

73. А.с. 1651702 (СССР). Устройство для испытания образцов сверхпроводниковых

обмоточных материалов/Антонов Ю.Ф., Евсеев В.И., Рыжиков М.А.

74. А.с. 1671122 (СССР). Сверхпроводниковая электромагнитная муфта/ Антонов Ю.Ф., Доманская Е.Ю. — 15.04.1991.

75. А.с. 1734552 (СССР). Двухъякорный сверхпроводниковый генератор постоянного

тока топологического типа/ Антонов Ю.Ф., Рыжиков М.А. — Опубл. 15.01.1992.

76. Свидетельство на промышленный образец 4577. Машина электрическая сверхпроводящая/Антонов Ю.Ф., Сладков Г.В., ШишмареваЛ.В.

77. А.с. 4062225/07 (Положительное решение). Бесконтактный сверхпроводниковый синхронный генератор/ Антонов Ю.Ф., Евсеев В.И.

78. Пат. 4352033 (США). Contactless superconducting synchronous electrical machine/ Antonov Yu.E, Glebov 1.А., Shakhtann V.N. —Опубл. 28.09.1982.

79. Пат. 3027340 (ФРГ). Kontaktlose supraleitende Synchronmaschine/Antonov Ju.F., Glebov

I.A., ShakhtarmV.N.—Опубл. 27.10.1983.

Ю.Ф. Антонов. Автореферат диссертации «Сверхпроводниковые электрические машины и преобразователи с фазовым резистнвно-сверхпроводящим коммутатором». -СПб. Янус,2011,44 с. Подписано к печати 26. 01.2011. Зак.14. Формат 60x84 1/16. Печать - ризографця. Бумага для множит апп. Тираж 100 экз. Отпечатано в ИПК, СПб., наб. Адм. Макарова, 22

Введение.

В.1. Актуальность темы.

В.2. Обзор работ по сверхпроводниковым топологическим генераторам и преобразователям криотронным.

В.З. Обзор работ по исследованию структуры и динамики промежуточного

И смешанного состояния сверхпроводников.

В.3.1. Квантование магнитного потока.

В.3.2. Прямое наблюдение структуры промежуточного и смешанного состояния сверхпроводников

В.3.3. Течение квантованного магнитного потока. Пиннинг.

В.4. Общая характеристика работа.

Выводы по Введению.

Обозначения основных физических величин.;.

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

Постановка задачи.

1.1. Природа ЭДС в сверхпроводниках, находящихся в динамическом промежуточном и смешанном состоянии.

1.2. Принцип действия и устройство.

1.3. Принятые допущения.

1.4. Режим электродвигателя. Энергетические соотношения и рабочие характеристики.

1.5. Режим генератора. Энергетические соотношения и рабочие характеристики

1.6. Результаты экспериментальных исследований.

1.7. Сверхпроводниковая топологическая электромагнитная муфта.

1.7.1. Принцип действия и типы конструктивного исполнения

1.7.2. Расчетные соотношения. Номинальные параметры и рабочие характеристики

1.7.3. Анализ опытных данных

1.8. Синтез сверхпроводниковой обмотки возбуждения.

1.8.1. О корректной постановке задачи.

1.8.2. Постановка задач синтеза в магнитостатике.

1.8.3. Физическая постановка задачи и ее математическая формулировка.

1.8.4. Подготовка задачи к численному счету.

1.8.5. Практическая реализация метода расчета.

1.9. Синхронный двигатель с короткозамкнутой сверхпроводниковой обмоткой

1.9.1. Особенности конструкции и принцип действия

1.8.2. Потери на переменном токе

1.8.3. Стабильность многоволоконных сверхпроводниковых материалов.

1.8.4. Выбор сверхпроводникового обмоточного материала для обмоток

Выводы по главе

Глава 2. Общая теория сверхпроводниковых топологических генераторов и преобразователей криотронных.

Постановка задачи.

2.1. Классификация сверхпроводниковых топологических электрических машин

2.2. Принцип действия сверхпроводниковой топологической электрической машины. Исходные положения.

2.2.1. Намагничивание. Магнитное поле проникновения.

2.2.2. Кривые намагничивания свсрхпроводниковых материалов для РСК.

2.3. Топологическая модель.

2.4. Идеализированная машина. Схема замещения.

2.5-. Преобразование магнитных потоков в сверхпроводящих контурах идеализированной машины

2.6. Учет влияния омического сопротивления РСК.

2.7. Мощность, потери и КПД.

2.8. Сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными.

2.8.1. ТПГ с механическим приводом

2.8.2. Топологические преобразователи криотронные.

2.9. Пути повышения КПД.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Коммутация в топологических генераторах и преобразователях криотронных.

Постановка задачи.

3.1. Коммз'тация в топологических генераторах.

3.1.1. Коммутация без учета ЭДС. наводимой в резистивной зоне

3.1.2. Влияние ЭДС, наводимой в резистивной зоне.

3.1.3. Коммутация экранирующих токов.

3.1.4. Топологический генератор со встроенным коммутирующим устройством . 140 3.2. Особенности коммутации в топологических преобразователях криотройных

3.2.1. Математическая модель топологического преобразователя криотронного, выполненного по схеме двухполупериодного выпрями 1еля-инвертора с пулевым выводом

3.2.2. Смешанная коммутация

3.2.3. Сравнительный анализ режимов коммутации.

3.2.4. Экспериментальные исследования коммутационных потерь в топологическом преобразователе криотронном.

3.2.5. Система управления.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Проникновение и распределение магнитного поля в фазовом резистивно-сверхпроводящем коммутаторе.

Постановка задачи.

4.1. Исследование магнитного поля в фазовом резистивно-сверхпроводящем коммутаторе при фиксированном положении полюса-зубца.

4.1.1. Параметры исследуемых сверхпроводпиковьтх обмоточных материалов.

4.1.2. Описание экспериментальной установки.

4.1.3. Проникновение магнитного поля в РСК при фиксированном положении полюса-зубца.

4.2. Исследование магнитного поля в резистивно-сверхпроводящем коммутаторе при повороте ферромагнитного сердечника индуктора.

4.2.1. Параметры исследуемых сверхпроводниковых обмоточных материалов.

4.2.2. Описание экспериментальной установки.

4.2.3. Проникновение магнитного ноля в фазовый резистивно-сверхпроводящий коммутатор при повороте ферромагнитного сердечника индуктора.

4.2.4. Распределение нормальной составляющей магнитной индукции в тангенциальном направлении при повороте ферромагнитного сердечника индуктора.:.

4.2.5. Влияние реакции якоря на распределение магнитного поля в резистивно-сверхпроводящем коммутаторе

4.3. Распределение магнитного поля в движущейся резистивной области.

4.4. Намагничивание топологического-генератора.

4.4.1. Характеристики намагничивания магнитной цепи топологического генератора при фиксированном полюсе-зубце.

4.4.2. Перемагпичиваште. обусловленное вращением зубчатого ферромагнитного сердечника индуктора.

4.5. Опыт холостого хода.

Выводы по главе 4.:.

Глава 5. Добавочные электромагнитные моменты и потери.

Постановка задачи.:.

5.1. Предварительные замечания.

5.2. Основной электромагнитный момент.

5.2.1. Экспериментальная установка и методика измерения основного электромагнитного момента.

5.3. Добавочные электромагнитные моменты и потери.

5.3.1. Физическая природа добавочных электромагнитных моментов и потерь в топологических генераторах.

5.3.2. Экспериментальная установка и методика измерения добавочных электромагнитных моментов.

5.4. Результаты измерений.

5.5. «Нулевой» момент.".

5.6. Момент холостого хода.

Выводы по главе 5.

Глава 6. Рабочие характеристики и режимы работы топологических генераторов. Области применения.

Постановка задачи.

6.1. Главные характеристики

6.1.1. Характеристика накачки и откачки /н = /(v) при і „ = const, f- const.

6.1.2. Характеристика напряжения холостого хода Uxx = U(f) при /н = 0, = var (ступенями).:.

6.1.3. Внешняя характеристика t/H= U (/н), /„= const, f- const.

6.1.4. Зоны устойчивой работы UH- U (/), ів, /н = var, (ступенями).

6.2. Совместная работа топологических генераторов.

6.2.1. Возбуждение топологических генераторов.

6.2.2. Условия и оперативные мероприятия по включению топологических генераторов в параллельную работу.

6.2.3. Эксперимент с «буферным» топологическим генератором

6.2.4. Параллельная работа топологических генераторов с одинаковыми номинальными параметрами.

6.2.5. Особенности распределения тока в параллельных сверхпроводящих ветвях

6.3. Режимы работы топологического генератора.

6.3.1. Режимное питание соленоида нагрузки каркасного исполнения.

6.3.2. Режимное питание бескаркасного соленоида нагрузки с большим объемом рабочего поля

6.4. Защита сверхпроводниковых электротехнических устройств, работающих в короткозамкнутой цепи

6.5. Допустимая скорость ввода (вывода) тока в сверхпроводниковой нагрузке.

Выводы по главе 6.

Глава 7. Тепловые мосты в криогенную зону. Методы термодинамической оптимизации механической передачи и токовводов.

Постановка задачи.

7.1. Тепловая оптимизация механического привода топологического генератора .265 Постановка задачи для раздела 7.

7.1.1. Неохлаждаемая механическая передача.

7.1.2. Идеальный теплообмен.

7.1.3. Термодинамическая оптимизация.

7.1.4. Пример практической реализации.

7.2. Термодинамическая оптимизация токовводов.

Постановка задачи для раздела 7.

7.2.1. Математическая модель токоввода.

7.2.2. Анализ физических величин и обоснование граничных условий.

7.2.3. Оптимизация параметров токовводов. Основные соотношения для цикла Карно и реального цикла.

7.3. Расчет токовводов, шунтированных сверхпроводником, по критерию минимума энергозатрат.

7.3.1. Определение длины шунтирующего сверхпроводящего участка.

7.3.2. Разработка и экспериментальные исследования типового ряда пористых токовводов.

7.3.3. Расчетные параметры токоввода для сверхпроводникового синхронного генератора мощностью 300 МВт.

7.3.4. Разработка и экспериментальные исследования токовводов криотурбогенератора типа КТГ

Выводы по главе 7.

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

Постановка задачи.

8.1. Топологический генератор как чувствительное диагностическое устройство

8.1.1. Некоторые замечания о физических свойствах ВТСП

8.1.2. Экспериментальные исследования высокотемпературных сверхпроводниковых материалов для топологических генераторов.

8.1.3. Экранирование и проникновение магнитного поля в высокотемпературные сверхпроводниковые материалы

8.1.4. Стационарная экспериментальная установка.

8.1.5. Многофункциональная экспериментальная установка.

8.1.6. Контактные соединения.'.

8.2. Опытные модели топологических генераторов с фазовым резистивно-сверхпроводящим коммутатором из массивных металлокерамических образцов

8.3. Фазовый резистивно-сверхпроводящий коммутатор из высокотемпературных сверхпроводниковых пленок на жесткой подложке.

8.4. Топологический генератор с зубчатым ферромагнитным сердечником индуктора.

8.5. Коаксиально цилиндрический топологический генератор с моделью нагрузки из массивного металлокерамического образца.

8.6. Топологический генератор с гладким ротором.

8.7. Демонстрационная и экспериментальная установки. Результаты исследований

8.8. Топологический генератор с фазовым резистивно-сверхпроводящим коммутатором из высокотемпературных сверхпроводников 2-го поколения

8.9. Моделирование режима прецизионного регулирования тока в ЯМР томографе

Выводы по главе 8.

Глава 9. Разработка топологических генераторов многофункционального использования и результаты их испытания в штатных режимах работы.

Постановка задачи.

9.1. Принципы конструирования.

9.2. Первые образцы топологических генераторов отечественного производства.

9.2.1. Топологический генератор ТПГ-1: первый образец.

9.2.2. Топологический генератор ТПГ-2: многослойный РСК, последовательное соединение токонесущих элементов.

9.2.3. Топологический генератор ТПГ-3: параллельное соединение токонесущих элементов РСК.

9.2.4. Топологические генераторы ТПГ-5 и ТПГ-13: токонесущие элементы РСК выполнены из сверхпроводниковой проволоки.

9.3. Экспериментальные исследования потерь в топологических генераторах.

9.3.1. Конструкция и параметры исследуемых топологических генераторов.

9.3.2. Методика и результаты измерения потерь.

9.4. Топологические генераторы с фазовым резистивно-сверхпроводящим коммутатором и якорной обмоткой барабанного типа.

9.4.1. Топологические генераторы ТПГ-4/3 и ТПГ-4/4.

9.4.2. Топологические генераторы ТПГ-15/1 и ТПГ-15/2.

9.4.3. Топологический генератор ТПГ-10/2.

9.5. Топологические генераторы с фазовым резистивно-сверхпроводящим коммутатором и якорной обмоткой кольцевого типа.

9.5.1. Топологический генератор ТПГ-14/2.

9.5.2. Топологический генератор ТПГ

9.5.3. Топологический генератор ТПГ-17.

9.5.4. Топологический генератор ТПГ-18.

9.6. Топологические генераторы специального назначения.

9.7. Разработка герметичного привода.

Выводы по главе 9.

Глава 10. Создание бесщеточной системы возбуждения сверхпроводниковых электрических машин с топологическим возбудителем.

Постановка задачи.

10.1. Требования к системам возбуждения сверхпроводниковых синхронных машин.

10.2. Расчет параметров и характеристик топологического возбудителя.

10.3. Сверхпроводниковый синхронный генератор со статическим топологическим возбудителем.

10.4. Модель обращенного сверхпроводникового топологического возбудителя ТПГ-5.

10.5. Опытная модель бесконтактного сверхпроводникового синхронного генератора.

10.5.1. Топологический генератор ТПГ-5.

10.5.2. Результаты экспериментального исследования

10.6. Статическая модель топологического возбудителя

10.6.1. Статический топологический возбудитель СТПГ-11 .'.

10.6.2. Статический топологический генератор СТПГ-23 обращенного исполнения.

Выводы по главе 10.'.

В.1. Актуальность темы

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

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

Актуальность темы определяется необходимостью решения проблемы ввода тока в сверхпроводниковые устройства посредством разработки- и создания сверхпроводниковых топологических электрических машин, преобразователей и термодинамически оптимизированных токовводов. В. • современных крупномасштабных проектах с использованием низкотемпературных сверхпроводников, к числу которых относятся, прежде всего, Большой адронный суперколлайдер и Международный термоядерный реактор, существует потребность в источниках питания и термодинамически оптимизированных токовводах на токи до 75 кА. Перспективными областями применения топологических генераторов и преобразователей из высокотемпературных сверхпроводников являются ЯМР' томографы, электрические машины общепромышленного, транспортного и специального назначения, приборы и техника физического эксперимента, высокоградиентные очистители вод. Так, стабилизация тока и его прецизионное регулирование на уровне 1-2 мкА/с в ВТСП магнитной системе ЯМР томографа возможны с помощью топологического генератора или преобразователя. Бесщеточная система возбуждения ВТСП синхронных компенсаторов (— 10 кА, ОД В) также может быть реализована на базе сверхпроводниковых источников постоянного тока. Развитие научного направления, связанного с решением проблемы ввода тока в сверхпроводниковые устройства, шло в соответствии с Программой по решению научно-технической проблемы 0.14.02 «Создать новые виды электротехнического оборудования с использованием явления сверхпроводимости», утвержденной постановлением ГКНТ СССР, Госплана СССР и АН СССР от 12.12.80 № 475/251/131. Работа выполнялась непосредственно по заданиям 07.Н6, 01.02.Н2, а также согласно Комплексному плану Е21 по темам Е21.1022, Е21.1044. В рамках международной НИР и ОКР «Создание сверхпроводникового топологического генератора» Институтом Физики Твердого Тела Болгарской Академии Наук и ВНИИэлектромашаем в 1988-1990 гг. разработана и ведена в эксплуатацию физическая аппаратура на основе использования топологического генератора и соленоида, 7,8 Тл в рабочем объеме. В 1984-1991 гг. ВНИИэлектромаш вместе с ИФВЭ вел работу по созданию Автоматизированной системы питания, диагностики и защиты сверхпроводниковых магнитооптических элементов каналов частиц УНК-ЗТэВ, сооружавшегося по Постановлению Правительства. Данная масштабная работа завершилась созданием головного образца топологического генератора на ток 8 кА для автономного питания каждого из 200 отклоняющих сверхпроводниковых магнитов каналов частиц с запасенной единичной энергией 1 МДж. В рамках Конкурсной программы ГКНТ «Генератор» по высокотемпературным сверхпроводникам (ВТСП) совместно с ЦНИИмашем в ОЭЭП РАН созданы топологические генераторы для ВТСП модели движителя (1997 г.). Исследования ВТСП материалов 2-го поколения ведутся по гранту РФФИ 09-08-01111-а (2009 -2011 гг.) «Процессы переноса во фрактальных средах и системах: свойства и размерности». По гранту РФФИ 09-08-07020-д (2009 г.) издана книга «Сверхпроводниковые топологические электрические машины». ИХС РАН совместно с Харбинским Университетом науки и техники разрабатывает ВТСП ветрогенератор с топологическим возбудителем. В 2007-2009 гг. в ИХС РАН выполнены

Исследования по обоснованию создания электромеханических преобразователей специального назначения нового поколения на основе применения материалов с новой структурой, полученных с помощью нанотехнологий», № Гос. Регистрации 0120.0 712510. Оформлена заявка на получение гранта РФФИ по теме «Исследование полумейсснеровского состояния как фундаментального свойства одно- и многокомпонентных сверхпроводников». В план работ ИХС РАН на 2010 г. включены исследования по синтезу ВТСП 2-го поколения для широкого круга задач электроэнергетики.

Устройства с использованием сверхпроводниковых материалов весьма разнообразны. В электроэнергетике - это электрические машины и магнитогидродинамические генераторы [19, 28, 40, 52, 61, 66-69, 71, 72, 92, 106, 116, 181, 198, 212, 224, 243, 251, 262, 263, 317, 318, 322, 358, 368, 373, 378, 380, 398, 412, 373], трансформаторы [224, 345], преобразователи [72, 94, 224, 295], индуктивные накопители энергии [68, 224, 419, 369, 415, 443], линии электропередачи [299, 425], термоядерные реакторы [55, 60, 116, 133, 290, 363, 420, 444], токоограничители [76-78, 250, 259, 327, 400, 407, 430, 431]; в экспериментальной физике - магниты для пузырьковых камер [133, 224, 449], ускорительно-накопительных комплексов [55, 58, 88, 332], установок по изучению свойств вещества [391]; на транспорте - линейные синхронные двигатели и магнитный подвес [116, 119, 342, 387, 461]; в промышленности - сепараторы руд и [332,461]; в медицине - томографы [94]; в городском хозяйстве - очистители сточных вод [66, 72] и др.

Актуальность темы определяется необходимостью решения проблемы ввода тока в сверхпроводниковые устройства посредством разработки и создания сверхпроводниковых топологических электрических машин (топологических генераторов, преобразователей криотронных, трансформаторов, электромагнитных муфт) и термодинамически оптимизированных токовводов.

Работы по созданию сверхпроводниковых источников питания и токовводов ведутся в ведущих научных центрах Европы, Америки и Юго-Восточной Азии: Аргонская национальная лаборатория, Магнитная национальная лаборатория МТИ, Окриджская в" национальная лаборатория, фирмы «Дженерал Электрик», «Вестингауз», «Сименс», Корейский институт науки и техники, Киотский Университет, Институт инженеров-электриков Японии. У нас в стране - это Воронежский и Томский политехнические институты, ЭНИН, ЦНИИчермет, ИВТ РАН (все - Москва), ЦНИИмаш в г. Королеве, ИФВЭ в г. Протвино.

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

B.2. Обзор работ по сверхпроводниковым топологическим генераторам и статическим (криотронным) преобразователям

В 1962 году изложен принцип действия и создан первый демонстрационный образец сверхпроводникового топологического генератора (ТПГ) [441]. Конструкция ТПГ, описанная Дж. Волгером (J. Volger) и П.С. Адмиралом (P.S. Admiral), состояла из тонкого диска (РСК), выполненного из свинца (сверхпроводник I рода), и закрепленного на спице постоянного магнита, вращавшегося вокруг оси, перпендикулярной спице и плоскости диска [440-443]. Сверхпроводниковая нагрузка - индуктивная катушка одним выводным концом подсоединялась к центру сверхпроводникового диска, другим - к его периферии. А.Р. Сасс (A.R.Sass) предложил рассчитывать такие устройства с использованием упрощенных схем замещения с сосредоточенными параметрами [406]. СЛ. Уипф (S.L. Wipf) в [455] описал модель ТПГ с РСК в форме прямоугольной пластины, которая давала большую конструктивную свободу, чем выше рассмотренная дисковая модель. Соединяя последовательно несколько сверхпроводниковых пластин, можно было возбудить крупную сверхпроводниковую магнитную систему. В статье приведены расчетные и экспериментальные данные, графические зависимости ЭДС от частоты вращения электромагнитов при разном числе сверхпроводниковых пластин и разных значениях тока возбуждения. Кроме того, предложена схема ТПГ без движущихся частей, в которой бегущее магнитное поле создавалось тремя поочередно питаемыми катушками.

Д.Л. Атертон (D.L. Atherton) описал модель ТПГ со сверхпроводниковой пластиной, согнутой в цилиндр, внутри которого вращался магнит [269]. Ось вращения магнита совпадала с осью цилиндра. Сверхпроводниковый цилиндр вдоль образующей имел щель. Для данной модели предложена и рассчитана упрощенная схема замещения. В [433] приведен оценочный расчет потерь в движущейся нормальной зоне, в основу которого была положена методика, используемая для определения потерь на вихревые токи в устройствах из обычных (не сверхпроводниковых) проводников. C.J1. Уипф в [457] изложил основы теории ТПГ с пластиной. Расчет схемы замещения позволил получить приближенные выражения для ЭДС, мощности и потерь. В [438] дана классификация и описание принципов действия сверхпроводниковых топологических электрических машин, включая статические разновидности, предложенные Дж.А. Олсеном (J.L. Olsen) [390], X.JI. Лаквером (H.L. Laguer) [355], Т. Буххольдом (Th.A. Buhhold) [284]. Рекомендованы некоторые способы, позволяющие увеличить ЭДС ТПГ. Обсуждены причины образования «размытой» нормальной области позади движущегося нормального пятна - т.н. «хвоста кометы», который наблюдался с помощью оптической фарадеевской техники. Кроме того, описана экспериментальная модель статического ТПГ с бегущим магнитным полем, создаваемым статорной обмоткой обычного трехфазного электродвигателя. Д.Л. Атертон показал принципиальную возможность достижения в статических топологических преобразователях КПД, близкого к 100% [265]. В [268] им рассмотрены практические проблемы, связанные с конструированием и эксплуатацией известных разновидностей ТПГ.

B.Л. Ньюхауз (V.L. Newhouse) в [384] дал сравнительный анализ (по максимально достижимому КПД) трех разновидностей сверхпроводниковых топологических электрических машин: вращающегося ТПГ (С.Л. Уипф [455]), а также статических топологических преобразователей (Х.Л. Лаквер [265]) и Т.А. Буххольд [265]).

Анализ КПД сверхпроводниковых топологических электрических машин дал в [384]

C.Л. Уипф.

X. Фойт (Н. Voight) на основании решения задачи Коши для обыкновенного дифференциального уравнения 1-го порядка получил зависимости от времени токов и напряжения в ТПГ [439]. Определено условие насыщения (нулевого значения напряжения на зажимах ТПГ). Результаты расчетов по приведенным формулам сравнены с экспериментальными данными, полученными Р. Вебером (R. Weber). Там же описана принципиальная схема экспериментальной установки, приведен ряд характеристик ТПГ с РСК в виде пластины, а также некоторые данные по исследованию краевых эффектов.

М.С. Лубелл (M.S. Lubell) и C.JI. Уипф в [364] детально описали ТПГ цилиндрического типа, осуществлявший «накачку» сверхпроводникового соленоида вплоть до магнитного поля 3,9 Тл (при токе 1480 А) в отверстии диаметром 2,5 см. Полученные в эксперименте значения ЭДС и КПД сопоставлены с расчетными величинами.

Д. ван Хоувелинген (D. Van Houwelingen) и Дж. Фолгер [436,437] описали несколько дисковых и цилиндрических моделей ТПГ и привели некоторые их характеристики. Максимальный ток в сверхпроводниковой нагрузке, достигнутый с помощью двухполюсного ТПГ, составил 2,4 кА. При параллельном соединении 6 ТПГ в нагрузке, представлявшей собой отрезок многожильного сверхпроводникового кабеля, получен рекордный ток 12,6 кА [94]. В нашей стране единственный образец статического ТПГ был создан и испытан В.П. Карцевым. В конструкции ТПГ для создания бегущего магнитного поля применена статорная обмотка асинхронного двигателя [108, 109].

Изложенная в [92, 108, 109] теория ТПГ разработана Е.Я. Казовским на основе исследования контурных токов.

В обзорной статье [434] дан анализ состояния работ преимущественно в области теории и проектирования топологических преобразователей криотронных (ТПК). Основное внимание специалистов, создававших ТПК, уделялось системам управления, в том числе с использованием микропроцессоров [296, 422]. В [300,416] приводятся технические данные трехфазного ТПК с резистивно-сверхпроводящими коммутаторами (РСК), имеющими тепловое управление. Расчетные значения номинального тока 25 кА и мощности 1,5 кВт. Выводы по В.2

В [317, 376, 378] представлены результаты разработки на базе ТПГ бесконтактной системы возбуждения сверхпроводникового синхронного генератора. Анализ состояния работ в области сверхпроводниковых топологических электрических машин показывает, что до настоящего времени нет ясного понимания явлений, лежащих в основе их работы. После первых успехов в создании ТПГ и достижения с их помощью в цепи сверхпроводниковой индуктивной нагрузки постоянного тока на уровне килоампер на пути совершенствования конструкций ТПГ - с целью повышения номинальных параметров по току до 10 кА, напряжению до 1 В, удельной мощности до 1 кВт/кг и КПД до 90% - возникли серьезные трудности. Вызваны они не столько инженерными, технологическими причинами или отсутствием подходящих сверхпроводниковых материалов, сколько ошибками принципиального характера. Все попытки добиться существенного повышения тока в единичном агрегате в рамках общепринятых теоретических обоснований оказались безрезультатными. Оптимистическим надеждам на близкое и широкое внедрение ТПГ, особенно в экспериментальную практику, не суждено было сбыться. Проблема ввода больших токов в криостаты стала решаться иными способами через использование гальванических токовводов. В разработку оптимизированных токовводов заметный вклад внесли отечественные ученые Г.И. Абрамов, В.М. Бродянский, Ю.Л. Буянов, С.П. Горбачев, Л.И. Ройзен, А.Г. Шифельбайн (Москва), А.И. Бертинов, C.B. Оденов (МЭИ), В.Д. Бартенев, В.И. Дацков В.И., Ю.А. Шишов (ОИЯИ), В.Е. Кейлин, Е.Ю. Клименко (ИЯФ им. И.В. Курчатова), Б.А. Бабенко, Л.Л. Васильев, В.В. Сенин (ИТМО АН БССР им. A.B. Лыкова), а также зарубежные специалисты R. Agsten, A. Bejan, Е. Carbonell, Chen Li-Ting, G. Claudet, С. Dammann, L. Donadie, D. Eckert, F. Lange, D. Güsewell, H. Inai, L. Senet. С учетом сложившейся практики нередко токовводы стали рассматриваться как альтернативное сверхпроводниковым источникам питания техническое средство ввода тока в криостаты. Однако анализ их функциональных возможностей и преимуществ показывает, что, во-первых, токовводы являются не альтернативным, а обязательным элементом систем питания, защиты и диагностики сверхпроводниковых устройств, в том числе создаваемых на базе топологических генераторов и преобразователей. Во-вторых, применение топологических генераторов и преобразователей в системах питания сужает спектр задач токовводов. В ряде приложений они сводятся практически к одной задаче - вывода запасенной электромагнитной энергии в анормальном или аварийном режимах. Поэтому логично, что в данном контексте токовводы исследуются вместе с топологическими электрическими машинами, системами управления, механической передачей и др. Наиболее сложным и наименее исследованным среди выше перечисленных объектов является топологический генератор. Если «явление сверхпроводимости» с точки срока создания его микроскопической теории по праву считается загадкой-долгожительницей физики XX века, то «сверхпроводниковые топологические генераторы» с не меньшим основанием можно отнести к неразгаданному чуду современной электротехники. Суть проблемы находится в принципе действия ГШ - в его классической трактовке. В соответствии с общепринятыми представлениями, работа ТПГ возможна лишь при условии создания в сверхпроводниковом диске (пластине, цилиндре) нормальной зоны. Из-за наличия ферромагнитных узлов магнитные поля в ТПГ находятся на уровне десятых долей - единицы теслы. Поэтому в ТПГ, для того чтобы обеспечить создание нормальной зоны, повсеместно применялись сверхпроводниковые материалы с низким значением критического магнитного поля - порядка 1 Тл. А ведь есть сверхпроводники, у которых критическое магнитное поле 20 Тл и более. Таким образом, следуя классическому пониманию принципа действия, при создании ТПГ из употребления была выведена большая часть сверхпроводников и, прежде всего, те из них, которые обладают наиболее высокими критическими параметрами по полю и току.

В связи с этим в диссертации поставлена задача более глубокого осмысления принципа действия ТПГ, расширения его классической формулировки и экспериментального подтверждения вытекающей из этого возможности использования в ТПГ сверхпроводниковых материалов с высокими критическими параметрами. Данная задача не могла быть решена без нового, обоснованного взгляда на промежуточно-смешанное («полумейсснеровское») состояние сверхпроводников I и II рода, как на единое магнитопроводящее состояние, хотя и проявляющееся по-разному в зависимости от условий, без целенаправленного анализа многочисленных, разрозненных сторонних экспериментальных фактов, без дополнительно полученных автором опытных данных по исследованию проникновения магнитного поля в сверхпроводниковые образцы, различающиеся стехиометрией, технологией производства и формой.

В.З. Обзор работ по исследованию структуры и динамики промежуточного и смешанного состояния сверхпроводников

Начало интенсивным экспериментальным исследованиям структуры промежуточного и смешанного состояния сверхпроводников положило теоретическое предсказание

A.A. Абрикосова о квантовании магнитного потока, проникающего в сверхпроводник II рода, с образованием регулярной вихревой решетки [82, 94, 120, 248].

B.3.1. Квантование магнитного потока

Согласно квантовомеханическим представлениям куперовские пары как квазичастицы в совокупности представляют собой одну и ту же волну, имеющую для всех пар амплитуду, частоту и фазу. Так как они описываются волновой функцией со строго заданной фазой, т.е. обладают жесткой фазовой корреляцией, можно говорить об их фазовой когерентности [П.49]. Прямым следствием жесткой фазовой когерентности является эффект квантования магнитного потока. Имея фундаментальное значение, квантование магнитного потока, присуще всем, без исключения, сверхпроводникам любой геометрической формы и связности. «Связность» есть топологическое понятие. Поэтому, учитывая содержание излагаемого материала, целесообразно дать краткое введение в теорию множеств, касающуюся свойств топологических пространств, распространив эти понятия на фазовое состояние сверхпроводника [115, 223]. «Топологическим пространством» называется множество X, в котором выделено некоторое семейство т подмножеств (именуемых «открытыми множествами»), обладающее следующими свойствами: множество X открыто, нулевое множество 0 открыто, пересечение любых двух открытых множеств открыто и объединение любой совокупности открытых множеств открыто. Такое семейство т подмножеств называется «топологией» в множестве X. В данном контексте, применительно к сверхпроводникам, математический термин «топология» используется преимущественно для исследования процессов, обусловленных изменением «связности» сверхпроводящих контуров вследствие фазовых переходов. Формальное обоснование данного подхода состоит в следующем. Массивный сверхпроводниковый образец с математической точки зрения может рассматриваться как топологическое пространство (точнее, подпространство). По определению, данному выше, «топологическое пространство» - это множество X, на котором задана топологическая структура. В данном случае под «топологической структурой» понимается сверхпроводящая фаза, т.е. весь «сверхпроводящий объем» массивного образца. Множество X является одновременно открытым и замкнутым, равно как и пустое множество 0. Если вХ(т,е. в объеме сверхпроводника) нет других множеств, одновременно открытых и замкнутых, то топологическое пространство X называется связным. В частном случае массивного сверхпроводникового образца, при условии обеспечения полного эффекта Мейсснера-Оксенфельда, имеем односвязное топологическое пространство. Любое локальное нарушение сверхпроводимости, например, в связи с проникновением в образец магнитного поля с созданием нормальной зоны, области промежуточного или смешанного состояния, изменяет топологию пространства, т.е. связность.

Стационарные электронные состояния, в данном случае сверхпроводимость, определяются квантовыми условиями. Следовательно, заводимый индуктивным способом в сверхпроводящее кольцо ток может принимать только дискретные значения. Так как квантовые уровни отстоят друг от друга на чрезвычайно малом расстоянии, дискретные значения тока обычными измерительными приборами не улавливаются.

С целью получения более полной картины квантования магнитного потока вместо кольца рассмотрим сверхпроводящую пластину с отверстием (рис. В.3.1). С точки зрения топологии кольцо и пластина с отверстием являются гомеоморфными фигурами. Более того, в качестве «геометрического» отверстия может служить «фазовое» отверстие - нормальная зона. Она может быть создана приложенным извне магнитным полем, индукция которого выше критического значения, свойственного данному сверхпроводнику. Локализация нормальной зоны поддерживается сверхпроводящим током, циркулирующим вокруг нее. Это значит, что магнитный поток, созданный сверхпроводящим током, в нормальной зоне совпадает по направлению с внешним магнитным потоком, а вне ее имеет противоположное направление, обеспечивая экранирование остальной части сверхпроводящей пластины от внешнего магнитного поля. Средняя плотность циркулирующего вокруг отверстия нормальной зоны) тока ]сп =2и еу , где у - скорость куперовских пар.

Рис. В.3.1. Сверхпроводник с «отверстием» в виде нормальной зоны (фазы)

Магнитное поле влияет на фазу волновой функции куперовских пар путем изменения их импульса рс, связанного с длиной волны соотношением Л = Н/ркуп. Квантование импульса вытекает из требования однозначности волновой функции куперовских пар при обходе контура, показанного на рис. В.3.1 штриховой линией. Поэтому линейный интеграл по контуру от обобщенного импульса (учитывается внешнее и созданное сверхпроводящим током магнитное поле) квантуется:

Я3„ с11 = + еЛ)^ =

Если 5 — площадь, ограниченная контуром, то

Циркулирующий вокруг нормальной зоны (отверстия) сверхпроводящий ток течет в слое толщиной Л/,. Выбрав контур интегрирования вдали от границы нормальной зоны (края отверстия), где ]Сп = 0, получим условие квантования магнитного потока в виде

Ця • сЬ =Ф = т— - т ■ (р0.

2е к

Здесь (Ро ~ Т~= 2,07-10"15 Вб - квант магнитного потока, или «флюксон» (здесь учтен 2е двойной заряд 2е куиеровской пары).

С помощью выражения для кванта магнитного потока можно получить соотношения для определения критических магнитных полей:

И - 7?

13КТ ~ „ „ 2 — г2 • нитями области.

О, ПкуП вихря). Крестиками и точками условно показано направление вихревого сверхпроводящего тока]с

В.3.2. Прямое наблюдение структуры промежуточного и смешанного состояния сверхпроводников

Фундаментальные законы физики сверхпроводимости описывают свойства всех, без, исключения, сверхпроводников. Поэтому, отмечая разницу в поведении образцов из сверхпроводников I и II рода с различной стехиометрией, формой и размерами, нельзя упускать из виду универсальность фундаментальных законов. Краткое резюме условий и механизмов возникновения промежуточного и смешанного состояния сверхпроводников сводится к следующему. Промежуточное состояние возникает в сверхпроводниках I рода II обусловлено только отличным от нуля магнитометрическим коэффициентом размагничивания. Смешанное состояние является отличительным свойством сверхпроводников II рода. Оно не зависит от магнитометрического коэффициента размагничивания. Доменная структура промежуточного состояния выглядит грубее, чем периодическая решетка квантованных нитей магнитного потока.

Общими признаками промежуточного и смешанного состояний являются: (а) параллельная внешнему магнитному полю ориентация границ доменов и остовов квантованных нитей магнитного потока, (б) существование порогового магнитного поля проникновения, значение которого ниже критического, в том числе верхнего критического, магнитного поля. эффекту Мейеснера-Океенфельда) отвечает т = 0. В двухсвязных (многосвязных) сверхпроводниках т Ф 0 и всегда равно целому числу. Если внешний магнитный поток равен, например, {т+\/Ъ)(р0, то магнитный поток в отверстии (рис. В.3.1), квантуясь, округляется до т -(р0, а в случае (т+2/Ъ)(р0, соответственно, до (т+1)<р0. За операцию «округления» ответственно не приложенное магнитное поле (которое, строго говоря, не квантуется), а циркулирующий вокруг отверстия сверхпроводящий ток, благодаря квантовой природе состояния сверхпроводимости. В последующем изложении следует различать квант магнитного потока - «флюксон» (ро и «флюксоид» Ф = пкро - пронизывающий отверстие магнитный поток, который т - кратен «флюксону».

В отличие от выше рассмотренного случая «макроскопического отверстия» в виде нормальной зоны (рис. В.3.1), квантованная нить магнитного потока представляет собой «микроскопическое отверстие» радиусом £ состоящее из нормальной фазы, вокруг которого циркулирует вихревой незатухающий сверхпроводящий ток (рис. В.3.2). Его направление такое же, как у циркулирующего тока, показанного на рис. В.3.1. На этом их сходство исчерпывается. Циркулирующий ток (рис. В.3.1) обеспечивает лишь кратное кванту магнитного потока значение внешнего магнитного потока, пронизывающего отверстие макроскопических размеров. Вихревой сверхпроводящий ток (рис. В.3.2) создает равный одному кванту магнитный поток, который распространен в области с радиусом Магнитный поток вихря совпадает по направлению с приложенным магнитным полем. Объем сверхпроводника экранирован от внешнего магнитного поля сверхпроводящими поверхностными токами, текущими по периметру образца, а также вихревыми токами. Их направления взаимно противоположны. Согласно (2.6), средняя магнитная индукция в нормальном остове квантованной нити магнитного потока равна магнитной индукции ВК2 второго критического магнитного поля. Средняя магнитная индукция в сверхпроводнике В = п<ро, где п - поверхностная плотность квантованных нитей магнитного потока. Было бы ошибкой полагать, что квантованные нити магнитного потока в совокупности дают полный магнитный поток, приложенный извне. В действительности они одновременно служат средством и областью частичного пропускания внешнего магнитного поля в сверхпроводник, обеспечивая, кроме того, вместе с краевыми поверхностными токами экранирование от этого поля соседние с квантованными

X. Тройбл (Н. (Trauble) и У. Эссманн (U. Essmann) [208] с помощью электронного микроскопа (разрешение 100 Á) наблюдали структуру промежуточного и смешанного состояния сверхпроводников I и II рода. В качестве объектов исследования выбраны поликристаллический стержень из сплава Pb+4%In, относящийся к сверхпроводникам II рода (параметр Гинзбурга-Ландау [47] % = 1,2 при Т= 1,1 К), и монокристалл ниобия (сверхпроводник I рода). Напомним, что образец из ниобия, в зависимости от чистоты, может относиться к сверхпроводникам I или II рода. Установлено, что оба образца, приготовленные в виде дисков толщиной 0,5 мм, помещенные в стационарное магнитное поле, имеют примерно одинаковую магнитную структуру. В слабых магнитных полях квантованные нити магнитного потока собираются в кластеры (пучки), что доказывает существование промежуточного состояния в сверхпроводниках II рода с малым параметром Гинзбурга-Ландау х- Диаметр кластера около 1000 Á. В среднем он насчитывает до 30 квантованных нитей. По мере увеличения приложенного к образцу магнитного поля диаметр кластера уменьшается, а общее их число растет. В магнитном поле с индукцией 0,3 Тл с применением техники реплики была сфотографирована регулярная треугольная решетка, образованная из одиночных квантованных нитей магнитного потока (рис. 2.13). Эта решетка получена с помощью покрытия поверхности намагниченного образца очень тонким (500 Á) ферромагнитным порошком. Частицы порошка скапливались в областях, где магнитный поток пересекал поверхность. Кроме этого, X. Тройбл и У. Эссманн исследовали структуру промежуточного и смешанного состояния свинцового образца (99,98% РЬ), который является сверхпроводником I рода, характеризующимся малым значением параметра ГинзбургаЛандау (х = 0,4). Образец представлял собой шайбу диаметром 5 мм и толщиной 1,5 мм. Экспериментально установлено, что магнитные образования вблизи центра шайбы состоят из пучков квантованных нитей магнитного потока, насчитывающих в среднем по 4000 квантованных нитей каждый. Т.е. имеет место магнитная структура, характерная для смешанного состояния, возникающего в слабых магнитных полях. С удалением от центра шайбы к периферии наблюдается только ламинарная структура, свойственная промежуточному состоянию. Н.В. Сарма (N.V. Sarma) [200, 222] изучал образование магнитных структур в сверхпроводниках II рода. Для исследования были взяты сплавы Pb+2%In и

Pb+l,7%In, т.е. с меньшим, чем в опытах X. Тройбла и У. Эссманна, содержанием индия. Состав их подобран таким образом, чтобы получить «пограничное» значение параметра Гинзбурга-Ландау х ~ 2~ш. До проведения испытаний установлено, что на любом участке образца концентрация In в сплаве выше 1,5%. Это значительно выше критической концентрации, равной 0,5%, соответствующей тому, чтобы сверхпроводник можно было отнести ко 2-му роду. Образцы изготовлены в форме диска диаметром 9 мм, толщиной, соответственно, 3 мм и 2 мм, с целью получения магнитометрического коэффициента размагничивания, значительно отличающегося от нуля. Эксперименты проводились при температуре около 4,2 К. Установлено, что в центральной части диска отдельные квантованные нити располагаются в узлах треугольной решетки. С приближением к периферии диска регулярная картина распределения квантованных нитей нарушается. Вначале появляется так называемая «ламинарная» структура толщиной в одну квантованную нить, а затем возникают более толстые ламинарные образования, характерные для промежуточного состояния сверхпроводников I рода. Они были видны через оптический микроскоп. Наблюдения иных ламинарных структур промежуточного состояния через электронный микроскоп показали, что эти структуры состоят из пучков квантованных нитей магнитного потока. Данные наблюдения показывают, что в сверхпроводнике II рода с весьма низким значением (~21а) параметра Гинзбурга-Ландау могут сосуществовать промежуточное и смешанное состояния.

Известно, что сверхпроводник I рода, выполненный в виде тонкой пленки, толщина которой имеет порядок ЛОНДОНОВСКОЙ глубины проникновения &L (xL « юоА-юооА), ведет себя как сверхпроводник II рода. Это теоретическое положение подтверждено экспериментально Р.Д. Парксом (R.D. Parks) [192, 193, 222]. Он наблюдал переход в смешанное состояние микромостика из тонкой (1000 А) пленки, полученной напылением олова (сверхпроводник I рода) на поверхность предметного стекла от микроскопа. В микромостике из тонкой пленки в поперечном магнитном поле обнаружено квантование магнитного потока.

М.Д. Шеррилл (M.D. Sherrill), исследуя в поперечном магнитном поле сэндвич из тонкой пленки, осажденной с двух сторон на подложке из SiO, установил зависимость диаметра квантованной нити магнитного потока от толщины пленки [203].

Б.Л. Брандт (B.L. Brandt) и Р.Д. Парке [156] выявили разницу в поведении массивного (толстого) и тонкого образцов, изготовленных из олова (99,995%), в поперечном магнитном поле. В массивном образце появляется ламинарная структура промежуточного состояния, характерная для сверхпроводника I рода, в тонком образце - структура смешанного состояния с одиночными квантованными нитями магнитного потока, свойственная сверхпроводникам II рода. Например, узкую сверхпроводящую полоску шириной w и толщиной d, если w»d можно аппроксимировать эллипсоидом вращения с осями w и d с магнитометрическим коэффициентом размагничивания N ~ l-d/w. Согласно (2.4), BN = Вк (d/w), т.е. пороговое значение В^ магнитного поля проникновения существенно меньше критического магнитного поля В к, как это имеет место в сверхпроводниках II рода. Это обстоятельство дало основание М. Тинкхаму (М. Tinkham) заключить, что промежуточное состояние в тонкопленочных сверхпроводниках напоминает смешанное состояние.

Г.Ф. Жарков экспериментально подтвердил факт образования квантованных нитей магнитного потока в процессе зарождения сверхпроводимости в образце из сверхпроводника I рода в виде цилиндра с весьма малым диаметром [59]. При исследовании теплопроводности сплава In+5%Pb получил экспериментальное подтверждение теоретически установленный факт зависимости параметра Гинзбурга-Ландау от температуры Г [192]. Так, х (3,85 К) = 0,88;/ (1,33 К) = 1,13. В.3.3. Течение квантованного магнитного потока. Пиннинг

Смешанное состояние сверхпроводника II рода по своей физической природе метастабильно. Внешнее возмущение - магнитное, тепловое и др. даже небольшой интенсивности может нарушить равновесие и инициировать перераспределение магнитного поля. Возможны две ситуации: магнитный поток перераспределяется путем плавного движения и (или) скачками. В первом случае возникает динамическое смешанное состояние. Скачки потока при определенных условиях способны привести к переходу сверхпроводника в нормальное состояние. В том и другом случае в сверхпроводнике протекают необратимые процессы, сопровождающиеся выделением потерь.

Динамическое смешанное состояние возникает также в результате взаимодействия подведенного к сверхпроводнику (транспортного) тока с квантованными нитями магнитного потока. Сила Лоренца /ь в расчете на единицу длины квантованной нити магнитного потока равна

Л = ^Х<Р0'

Соответственно, на единицу объема jcxBo.

Здесь ус - плотность транспортного тока.

В идеальном сверхпроводнике II рода, в котором отсутствуют дефекты, сколь угодно малая сила Лоренца заставит перемещаться квантованные нити магнитного потока в направлении, перпендикулярном вектору плотности транспортного тока. Данное движение тормозится ВЯЗКИМ трением, так что у'с X <р0 = Т]\'; , где V/, - скорость движения течения) квантованных нитей магнитного потока, т/ - коэффициент вязкости. Вязкое течение квантованных нитей сопровождается выделением потерь и поэтому требует затрат подводимой извне электрической мощности Ж = Тч^^У/,2. Можно считать, двояко: в сверхпроводнике в результате движения квантованных нитей магнитного потока генерируется ЭДС либо имеет место падение напряжения Е в связи с возникновением особого резистивного состояния, характеризующегося

Е <р0 динамическим электрическим сопротивлением Р/ - ---о-•

Зс Л

При этом Е = х В о.

Динамическое электрическое сопротивление р; не зависит от концентрации дефектов в сверхпроводнике. Их число влияет только на стартовый критический ток jк. Так как ц не зависит от В, то р, пропорционально В, которое, в свою очередь, зависит от Т. Это свидетельствует о взаимосвязи перечисленных параметров с коэффициентом вязкости.

Р/С?') В(Т) р0 ВК1(Т)' гдер0 - удельное электрическое сопротивление сверхпроводника в нормальном состоянии. В любом случае справедливо выражение, связывающее появление ЭДС с движением квантованных нитей магнитного потока. При этом нельзя однозначно утверждать о том, что происхождение и Е есть результат прямых омических потерь.

Идеальный сверхпроводник II рода, подавляющая часть объема которого находится в сверхпроводящем состоянии (за исключением нормальных сердцевин квантованных нитей магнитного потока), и, следовательно, для протекания тока всегда имеются сверхпроводящие пути, тем не менее, не обладает нулевым сопротивлением. Ситуация резко изменяется в технических (промышленного производства) жестких (имеющих дефекты) сверхпроводниках II рода. В них автоматически обеспечивается нулевое сопротивление за счет дефектов структуры, дисклокаций и т.п., которые становятся центрами «пиннинга», к которым «пришпиливаются» (Ш рт (англ.) — пришпиливать) квантованные нити магнитного потока. Нулевое сопротивление наблюдается вплоть до стартовой критической плотности тока ]к, создающего силу

Лоренца, способную оторвать решетку квантованных нитей магнитного потока от у центров пиннинга. В расчете на единицу длины одной квантованной нити А- ~

Ро

Наличие центров пиннинга приводит к необратимости кривой намагничивания технических жестких сверхпроводников II рода (см. рис. 2.3-2.6). Технические жесткие сверхпроводники, у которых необратимость кривой намагничивания выражается более ярко, обладают более высокой плотностью критического тока.

Г.Дж. ван Гурп (СЛ. уап Оигр) [209] исследовал не только структуру, но и динамику промежуточного состояния сверхпроводника I рода, использовав для этой цели фольгу из сплава 1п+2%РЬ (параметр Гинзбурга-Ландау х ~ 0,3 при Т = 2,67 К) шириной 1,3 мм и толщиной 50 мкм. В слабых магнитных полях поток проникает через образец в виде отдельных пучков квантованных нитей магнитного потока. Подведенный извне (транспортный) ток, обтекая эти пучки, приводит их в движение, о чем свидетельствует появление на зажимах образца ЭДС. С увеличением магнитной индукции образуются извилистые ламинарные структуры, которые растут в длину и ширину. Эти структуры ориентируются перпендикулярно вектору плотности тока и, оставаясь неподвижными, создают для тока активное сопротивление. Вследствие этого на зажимах образца возникает падение напряжения.

И. Гиаевер (I. С1ае\уег) [42] осуществил прямое наблюдение за движением пучков квантованных нитей магнитного потока в образце из сверхпроводника I рода. Напыляя на поверхность свинцовой фольги ниобиевый порошок и пропуская через фольгу транспортный ток в присутствии поперечного магнитного поля, было замечено перемещение частиц ниобия в направлении, перпендикулярном вектору плотности тока и вектору индукции магнитного поля. При этом на зажимах образца индуктировалась ЭДС. С увеличением магнитного поля скорость частиц ниобия возрастала, достигала максимума и затем спадала до нуля. Напряжение на зажимах образца постоянно увеличивалось за счет ЭДС, обусловленной движением пучков квантованных нитей магнитного потока, и падения напряжения на активном сопротивлении ламинарных структур.

Подытожим результаты рассмотрения динамического смешанного состояния на примере сверхпроводниковой пластины, к которой перпендикулярно ее плоскости приложено магнитное поле. Превысив первое критическое значение, поле проникает в пластину и создает в ней регулярную решетку квантованных нитей магнитного потока. Подведенный к пластине транспортный ток течет в ней по сверхпроводящим путям. Взаимодействуя с магнитным полем квантованных нитей, транспортный ток, воздействует на них. Когда сила Лоренца превысит силу зацепления квантованных нитей магнитного потока на центрах пиннинга, возникнет вязкое течение решетки квантованных нитей в направлении, перпендикулярном транспортному току. Это хорошо видно на вольтамперных характеристиках трех сверхпроводниковых образцов с одинаковой стехиометрией, но имеющих разную концентрацию дефектов структуры (рис. В.3.3). Линейные участки вольтамперных характеристик, где напряжение пропорционально приложенному магнитному полю и транспортному току, соответствуют режиму течения квантованных нитей магнитного потока. С ростом магнитного поля снижается пороговое значение тока «страгивания» и одновременно увеличивается плотность квантованных нитей магнитного поток. Вместе с тем, напряжение не зависит от плотности центров пиннинга, отражая вязкостный характер течения квантованных нитей магнитного потока. Вольтамперные характеристики различных сверхпроводников имеют разный наклон относительно токовой координатной оси. Нелинейность начального участка характеристики не имеет строгого научного объяснения.

Рис. В.3.3. Характерные вольтамперные характеристики технических жестких сверхпроводников II рода в смешанном состоянии (МЬ+50%Ті, см табл. 3.1.1). В і < Вг < Д? < ВК2

Выводы по В.З

Выполненный применительно к топологическим электрическим машинам и преобразователям анализ экспериментальных данных исследования структуры промежуточного и смешанного состояния сверхпроводников показал, что в сверхпроводниках I и II рода (последние с весьма низким значением параметра Гинзбурга-Ландау ^ ~ 2могут сосуществовать промежуточное и смешанное состояния. Вместе с тем имеется пробел в изучении магнитных структур жестких сверхпроводников II рода с х » 2которые наиболее пригодны для технического использования. То же самое относится к высокотемпературным сверхпроводникам, где подобные исследования ограничиваются монокристаллами [П.46, П.47], а серийно выпускаемые материалы остаются не исследованными [П.48].

Известно [57, 68, 82], что первое Вк\ и второе В& критические поля зависят только от стехиометрии сверхпроводника. Т.е. структура материала, получаемого в результате термомеханической обработки исходного сырья, не влияет на значения Вк\ и В1<ъ равно как на критическую температуру Тк. Поэтому Т^ ВкХ И Вк2 являются независимыми характеристическими параметрами.

Таким образом, на основании выше установленных фактов, с точки зрения физики сверхпроводимости, не существует принципиальных ограничений на использование в ТПГ любых сверхпроводников. Этот нетривиальный вывод требовал дополнительного экспериментального подтверждения. Он явился отправной точкой в проведении цикла исследований процесса проникновения магнитного поля в тонколистовые сверхпроводниковые материалы, но уже с высоким значением параметра Гинзбурга-Ландау х >212, т.е. в материалы, получаемые на базе технических жестких сверхпроводников II рода. В рамках программы создания типового ряда ТПГ с повышенными электромагнитными параметрами была поставлена задача исследования серийно поставляемых промышленностью фольг и лент из ниобий-циркониевых, ниобий-титановых сплавов и интерметаллического соединения ниобий-олово.

Наименее изученной оставалась динамика магнитного потока в тонкопленочных сверхпроводниковых материалах - пластинах, фольгах и лентах. Она стала предметом исследований в связи с разработкой нового типа сверхпроводниковых электрических машин и преобразователей, в которых используется эффект движения квантованных нитей магнитного потока.

В.4. Общая характеристика работы В.4.1. Цель работы

Выполнение комплекса теоретических, конструкторских, технологических и экспериментальных исследований, направленных на решение проблемы создания сверхпроводниковых источников постоянного тока с повышенными технико-экономическими показателями, обеспечивающих надежное и эффективное электроснабжение сверхпроводниковых устройств, работающих на постоянном токе. Для достижения поставленной цели решены конкретные задачи:

- исследование промежуточно-смешанного («полумейсснеровского») состояния как фундаментального свойства одно- и многокомпонентных сверхпроводников; визуализация структуры и динамики промежуточно-смешанного («полумейсснеровского») состояния в технических жестких сверхпроводниках II рода;

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

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

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

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

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

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

- определение путей совершенствования конструкций и направлений практической реализации сверхпроводниковых топологических генераторов и пористых токовводов с созданием их типовых рядов многофункционального назначения; научно-техническое обоснование бесщеточной системы возбуждения сверхпроводниковых синхронных машин на базе вращающихся и статических топологических возбудителей. В.4.2. Предмет и объект исследований

Предмет исследований - ввод тока в сверхпроводниковые электротехнические и электрофизические устройства.

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

Теоретические исследования сверхпроводниковых топологических электрических машин выполнены на основе обобщенных математических моделей, отражающих особенности преобразования магнитных потоков, изменения потокосцеплений в многосвязных сверхпроводящих цепях. При развитии теории сверхпроводниковых топологических электрических машин основное внимание уделено исследованию циклических процессов. Методы теоретических исследований носят преимущественно аналитический характер с привлечением современного математического аппарата теории множеств и функционального анализа. Полученные аналитическим путем соотношения способствуют более ясному пониманию физики процессов в сверхпроводниковых топологических электрических машинах, упрощают анализ рабочих характеристик и инженерные расчеты.

Сочетание аналитического и численного методов имеет место в некорректной обратной задаче магнитостатики - синтезе сверхпроводниковой обмотки возбуждения, которая решена методом регуляризации А.Н. Тихонова. Наряду с аналитическим методом неопределенных множителей Лагранжа, примененным для термодинамической оптимизации газоохлаждаемых пористых токовводов с регулируемым расходом, в методе исследования прямого способа ввода тока используется численное решение на ЭВМ нелинейных дифференциальных уравнений тепло- и массообмена в каналах токоввода с учетом изменения теплофизических и гидравлических свойств криоагента по длине токоввода.

Особенностью экспериментальных методов является сочетание исследований специально разработанных лабораторных образцов и (преимущественно) сверхпроводниковых электрических машин и устройств, предназначенных для штатной эксплуатации.

Исследования структуры промежуточно-смешанного («полумейсснеровского») состояния выполнены на основе метода визуализации - создания посредством сканирующей микроскопии изображений, повторяющих пропорции и детали картины проникновения и распределения магнитного потока в образец сверхпроводникового материала.

Для оценки достоверности теоретических положений результаты расчетов по выведенным формулам сопоставлены с самостоятельно полученными автором экспериментальными данными, а также с опубликованными в научно-технических изданиях данными, полученными зарубежными специалистами.

Научно обоснованные рекомендации по проектированию топологических электрических машин формулировались согласно новым физическим воззрениям на механизм проникновения магнитного поля в резистивно-сверхпроводящий коммутатор, выполненный из тонколистовых материалов на базе технических жестких сверхпроводников II рода, в соответствии с полученными экспериментальными данными распределения магнитной индукции в рабочем зазоре. В.4.4. Научная новизна

1. На основе экспериментального исследования механизма проникновения магнитного поля в тонколистовые образцы сверхпроводниковых материалов с близким к единице магнитометрическим коэффициентом размагничивания разработаны основные принципы конструирования коммутаторов нового типа — фазовых резистивно-сверхпроводящих коммутаторов.

2. Создана общая теория ТПГ и ТПК, с возможностью получения ранее предложенных X. Фойтом и Е.Я. Казовским соотношений как частных случаев.

3. Предложена математическая модель ТПК с несимметричными ветвями, отличающаяся от известных моделей возможностью анализировать различные коммутационные режимы.

4. На основании данных исследования, коммутации созданы автоматизированные системы питания? и управления' ТПК, обеспечивающие оптимальные режимы-коммутации.

5. Экспериментально исследованы магнитные поля и электромагнитные моменты на типовых образцах топологических генераторов.

6. Разработан метод термодинамической оптимизации- механического' передачи и создана на его основе типовая, конструкция герметичного электропривода, в том> числе с использованием топологической электромагнитной муфты.

7. Сформулирована и решена задача расчета геометрических и теплофизических параметров и выбора режима охлаждения шунтированных сверхпроводником пористых токовводов, оптимизированных по минимуму энергетических затрат на охлаждение.

8. Разработано на уровне изобретений и патентов 28 сверхпроводниковых топологических электрических машин и токовводов, в конструкциях которых реализованы выводы и рекомендации, теории по повышению КПД, надежности и„ совершенствованию технологии,- а также требования технической эстетики.

9. Разработаны принципы проектирования сверхпроводниковых топологических электрических машин и токовводов, на основе которых выпущена рабочая документация на типовые конструкции и технологическую оснастку, для изготовления нестандартных узлов.

10. Впервые в отечественной и мировой, практике созданы работоспособные образцы сверхпроводниковых топологических электрических машин различного исполнения, используемых по штатному назначению:

В.4.5. Практическая ценность

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

- разработанная аналитическая теория служит базой для создания инженерных методик расчета сверхпроводниковых топологических электрических машин, обеспечивая с помощью ЭВМ, а также без использования сложной вычислительной техники определять основные параметры рассматриваемых машин и строить их рабочие характеристики; разработанные оригинальные конструкции резистивно-сверхпроводящих коммутаторов на основе технических жестких сверхпроводников II рода позволяют существенно повысить номинальные параметры ТПГ - по току нагрузки до 10 кА и удельной токовой нагрузке выше 1 кА/кг и упростить технологию их изготовления;

- созданные на основе различных схемных решений вращающиеся и статические ТПГ открывают перспективное направление в развитии высокоиспользованных электрических машин;

- созданные многофункциональные ТПГ позволяют значительно снизить капитальные и эксплуатационные затраты на обеспечение надежного функционирования систем питания, защиты и диагностики сверхпроводниковых устройств, по сравнению с использованием традиционных («теплых») источников постоянного тока;

- разработанные и исследованные в различных криогенных средах ТПГ с использованием металлооксидных керамических и пленочных высокотемпературных проводников дают возможность создавать чувствительные диагностические устройства для исследования электромагнитных свойств ВТСП-материалов;

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

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

В.4.6. Реализация результатов работы

Выполненные исследования позволили создать ТПГ и ТПК для использования их в технологических криостатах. Достигнутые максимальные токи и ЭДС ТПГ и ТПК составляют 10 кА и 80 мВ. При этом:

- создана модель бесконтактного сверхпроводникового генератора вертикального исполнения со сверхпроводниковым топологическим возбудителем;

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

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

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

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

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

- топологический генератор ТПГ-14М (модернизированный вариант), защищенный авторским свидетельством на промышленный образец № 4577 «Машина электрическая сверхпроводящая», принят в промышленную эксплуатацию с 15.10.85 на стенде корпуса «О» ВНИИэлектромаша (Акт о внедрении от 11 мая 1985 г.); -топологический генератор ТПГ-12 внедрен на экспериментальной установке ИФТТ-БАН (Болгария) для запитки коротких образцов сверхпроводящих проводов (Акт о внедрении от 27 мая 1986 г.);

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

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

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

- конструкция топологического генератора ТПГ-18 на ток до 8 кА стала базовой для проектирования Автоматизированной системы питания, защиты и диагностики сверхпроводниковых отклоняющих магнитов каналов частиц Ускорительно-накопительного комплекса УНК-ЗТэВ в Протвино.

В.4.7. Апробация работы

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

В.4.8. Основные научные результаты и положения, представляемые к защите:

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

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

- новый класс фазовых коммутаторов электрических машин;

- общая теория топологических электрических машин;

- аналитический аппарат для исследования коммутационных процессов в топологических генераторах и статических преобразователях, позволяющий оптимизировать их коммутационные параметры на основе минимизации потерь в резистивно-сверхпроводящих коммутаторах и ключах; принципы конструирования высокоиспользованных топологических электрических машин;

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

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

- разработанный бесконтактный сверхпроводниковый синхронный генератор с топологическим возбудителем;

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

- комплексное решение проблемы ввода (вывода) тока в статические и вращающиеся криостаты на базе использования топологических генераторов, статических преобразователей и термодинамически оптимизированных пористых токовводов. В.4.9. Публикации

Основное содержание работы опубликовано в 74 работах, из них 2 монографии, 36 статей в научно-технических журналах, 8 тезисов научно-технических конференций и 28 авторских свидетельств и зарубежных патентов (США, ФРГ). В.4.10. Объем и структура

Диссертация состоит из введения, 3-х разделов, включающих 11 глав, заключения, приложения и библиографии (462 наименования); иллюстрации включают 169 графических и тоновых рисунков; 19 таблиц; общий объем диссертации 416 с.

Выводы по главе 9

1. На основании разработанной теории и комплексных экспериментальных исследований впервые спроектирован и изготовлен типовой ряд ТПГ многофункционального использования.

2. Выполнено макетирование основных узлов ТПГ и их экспериментальное исследование. Разработана новая технология изготовления узлов ТПГ, в которой используются сверхпроводниковые материалы промышленного назначения.

3. Достигнуты рекордные для данного типа электрических машин параметры:

- в крупногабаритных ТПГ, предназначенных для полного режимного питания сверхпроводниковых нагрузок с запасенной электромагнитной энергией свыше 1 МДж, в частности, отклоняющих магнитов каналов частиц Ускорительно-накопительного комплекса УНК-ЗТэВ, ЭДС - 80 мВ, ток нагрузки - 6,8 кА;

- в малогабаритных ТПГ, предназначенных для питания сверхпроводниковых нагрузок с запасенной электромагнитной энергией до 1МДж, ЭДС - 4 мВ, ток нагрузки - 8,2 кА.

4. Впервые разработан и прошел испытания герметичный высокомоментный термодинамически оптимизированный привод ТПГ на базе использования серийных электродвигателей.

ГЛАВА 10

СОЗДАНИЕ БЕСЩЕТОЧНОЙ СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН С ТОПОЛОГИЧЕСКИМ ВОЗБУДИТЕЛЕМ

Постановка задачи

С возрастанием единичной мощности синхронных генераторов имеет место все более высокое использование активных материалов, что приводит к росту мощности возбудительных систем, опережающему рост мощности синхронных генераторов (рис. 10.1) [69]. Это сопровождается увеличением тока возбуждения, который для турбогенераторов традиционного исполнения мощностью 1200 МВт составляет около 8 кА, а для генераторов мощностью 2000 МВт превысит 10 кА. Возбудительная система должна обеспечить удвоенные напряжения и ток в режиме форсирования в течение 10-20 с. В результате максимальная мощность возбудительной системы в три-четыре раза будет превышать номинальную мощность возбуждения турбогенератора. Опыт показывает, что щеточно-контактный аппарат может удовлетворительно работать до токов 5-6 кА. С дальнейшим ростом тока возбуждения целесообразно отказаться от щеточно-контактного аппарата и перейти на ' бесщеточные возбудительные системы. Для синхронной машины со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения мощность возбудительной системы должна быть примерно такой же, как и у турбогенераторов традиционного исполнения. Поэтому задача подвода тока к сверхпроводниковой обмотке возбуждения подобных машин мало отличается от вышеупомянутой. Достигнутые в действующих образцах ТПГ (глава 9) высокие параметры по току, в совокупности с их главным достоинством - образовывать замкнутую сверхпроводящую цепь с нагрузкой, позволяют создавать эффективные системы возбуждения сверхпроводниковых электрических машин и в первую очередь топологических возбудителей сверхпроводниковых синхронных генераторов. Исследования в данной области, проводимые в США и Японии, ограничиваются разработкой сверхпроводниковых синхронных генераторов со статическим топологическим возбудителем [376, 378, 481,488-493, 497-508].

Задача данной главы - показать техническую возможность создания бесщеточной системы возбуждения на базе разнотипных топологических возбудителей, встроенных в ротор сверхпроводникового синхронного генератора.

10.1. Требования к системам возбуждения сверхпроводниковых! синхронных машин

Согласно ГОСТу 21 558-76 на «Системы возбуждения турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов», а также ГОСТу 183-74 на «Машины электрические вращающиеся» к системам возбуждения синхронных машин предъявляются следующие требования:

1) номинальная скорость нарастания напряжения возбуждения при заданном снижении напряжения на входе АРВ и при внезапных коротких замыканиях в сети должна быть не менее 2 о.е./с. •

2) регулировать возбуждение не менее чем в пределах от 50% напряжения возбуждения х.х до 110% номинального напряжения возбуждения при работе синхронного генератора на сеть в режиме х.х;

3) обеспечивать скорость изменения напряжения на выводах синхронной машины не более 1% и не менее 0,3% номинального напряжения за 1 с при работе синхронной машины на холостом ходу.

Изложение требований к системам возбуждения сверхпроводниковых синхронных генераторов и оценку параметров сверхпроводникового топологического возбудителя выполним на примере двухполюсного синхронного генератора мощностью 2000 МВт.

Начиная с этой мощности сверхпроводниковые синхронные генераторы становятся конкурентоспособными в сравнении с синхронными генераторами традиционного исполнения.

В соответствии с первым из перечисленных выше требований для обеспечения режима форсирования потребуется возбудитель с максимальной мощностью 50 МВт. Принимая допустимый по условиям отвода уровень потерь в зоне криогенных температур ~10 кВт в течение 10-20 с, получим, что сверхпроводниковый возбудитель должен иметь КПД не ниже 99,98%. Сверхпроводниковые обмоточные материалы, которые в настоящее время используются для изготовления РСК, имеют сравнительно низкое удельное электрическое сопротивление Ро в нормальном состоянии при температуре жидкого гелия. Например, для таких, широко применяемых на практике материалов, как № и РЬ8Ь р0 = 0,8-10"8 Ом-м и 0,35-10"8 Ом-м соответственно [155, 215, 217]. Указанное значение КПД достигается при использовании сверхпроводниковых обмоточных материалов с ро >10"6 Ом м. В этом отношении перспективны микродисперсные сверхпроводниковые материалы с высокой дебаевской температурой и диэлектрической проницаемостью [7, 54], у которых ро = 10"3-10'4 Ом-м. Вместе с тем стабильная работа сверхпроводниковой обмотки возбуждения, без перехода ее в нормальное состояние, в режиме форсирования зависит от свойств идущих на ее изготовление сверхпроводниковых обмоточных материалов. К таким сверхпроводниковым материалам, чье производство освоено промышленностью, относятся комбинированные многоволоконные провода с малым шагом скрутки. Таким образом, параметры сверхпроводниковых обмоточных материалов, идущих на изготовление как обмоток возбуждения синхронных машин, так и РСК топологических возбудителей, делают разработку сверхпроводникового топологического возбудителя, обеспечивающего динамическую устойчивость сверхпроводникового синхронного генератора мощностью 2 млн. кВт и выше, проблематичной. В этой связи средства обеспечения динамической устойчивости сверхпроводникового синхронного генератора должны изыскиваться в методах внешнего воздействия.

Два других требования к системе возбуждения касаются обеспечения продолжительного номинального режима работы синхронного генератора в энергосистеме. Последнее из них определяет в рассматриваемом режиме максимальную мощность сверхпроводникового топологического возбудителя. Для сверхпроводникового синхронного генератора мощностью 2 млн. кВт она составляет 0,5 МВт. Приняв, как и ранее, 10 кВт за допустимый уровень отводимых потерь, получим нижнюю границу КПД сверхпроводникового топологического возбудителя г}мшр- 0,98. Такой КПД можно обеспечить при использовании сверхпроводниковых обмоточных материалов с ро> 10"6 Ом-м. Отметим, что выпускаемые на базе ниобий-титановых сплавов обмоточные материалы имеютро— (0,26; 0,49)10"6 Ом-м [50].

10.2. Расчет параметров и характеристик топологического возбудителя

Для выполнения расчета, прежде всего, необходимо знать величину электромагнитной энергии IVн, запасаемой в сверхпроводниковой обмотке возбуждения синхронного генератора. С это целью воспользуемся [51] соотношением, связывающим в симметричном установившемся режиме мощность синхронного генератора с запасенной в его обмотке возбуждения электромагнитной энергией Жн". а + 1)2+(От+вь)2 2 к2Отсо а=Яс/Я; От=(Зм>Ьа)2Я; (2ь=м>Ь/11; к-М/(ЬаЬн)1и - коэффициент связи между обмотками статора и ротора; Яа - активное сопротивление фазы обмотки статора; Я - активное сопротивление нагрузки на фазу; Ьа - самоиндуктивность обмотки статора на фазу; - самоиндуктивность обмотки возбуждения; Ь - самоиндуктивность нагрузки на фазу; М- взаимная индуктивность между обмотками статора и ротора; м> - угловая частота. Примем Qm= 1, Яа = 0 и, следовательно, а = 0. Тогда максимальная мощность синхронного генератора, достигаемая при коэффициенте мощности со$(р = . * = 1 откуда Оь = 0), оказывается линейно зависимой от запасенной энергии

1ГН (Ю.2) к

В синхронном генераторе со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения может иметь место режим, связанный с постоянством потокосцепления обмотки возбуждения и сравнительно легко обеспечиваемый с помощью топологического возбудителя. Запасенная в обмотке возбуждения энергия в этом режиме определяется как [51]

ЮЛ)

•'Л!

1/2

Ш - Р Н &иакс

Ъ/ДМг4 4-1 ~1г2 Г

10.3)

1 1 + (3/2 )к2 +

2 1 + (1/2)&2 +^/(9/4)£4 + \ — к2 7і - к2 д/(3/2)к2 + [(9 / 4)кА +1 -к2\'1

При коэффициенте связи к = 0,5 и максимальной мощности Ре„аКс= 2000 МВт запасенная в сверхпроводниковой обмотке возбуждения энергия для случая симметричного установившегося режима составляет Жн - 25 МДж мощность синхронного генератора уменьшится примерно в два раза по сравнению с ее максимальным значением. Если коэффициент запаса по току в сверхпроводниковой обмотке возбуждения принят равным 1,4 (относительно номинального значения), то нет возможности увеличить мощность синхронного генератора при наличии постоянства потокосцепления.

Таким образом, в качестве исходных данных для расчета параметров и характеристик возбудителя можно принять следующие величины: Ьн = 0,5 Гн; номинальный ток возбуждения синхронного генератора (он же - ток нагрузки для возбудителя) /„ = 19 кА; мощность возбудителя = 0,5 МВт; КПД возбудителя - 0,98. В качестве возбудителя выбираем обращенную конструкцию статического топологического генератора со стационарной трехфазной индукторной обмоткой и двумя сверхпроводниковыми катушками подмагничивания на постоянном токе. Экспериментальная модель возбудителя описана в разделе 10.4. На рис. 10.2 приведены основные рабочие характеристики, вычисленные по формулам (2.24, 2.28, 2.29, 2.36, 2.37).

Номинальный ток возбуждения /у = 19 кА с помощью топологического возбудителя достигается за 100 с. Анализ графиков на рис. 10.2 показывает, что коммутационные потери Р„* неприемлемы по условиям криогенного обеспечения. Согласно (2.31, 2.32) они могут быть снижены, по крайней мере, на два порядка за счет обеспечения режима коммутации напряжением [54, 155]. Параметры сверхпроводникового синхронного генератора и топологического возбудителя сведены в табл. 10.1. 10.3 Сверхпроводниковый синхронный генератор со статическим топологическим возбудителем

Нарис. 10.3 дан схематический чертеж сверхпроводникового синхронного генератора мощностью 2000 МВт с бесщеточной системой возбуждения, выполненной на базе статического топологического генератора [123, 137]. Названия и назначение основных узлов сверхпроводникового синхронного компенсатора приведено в подписях к рисунку. юо-о, (10)

0 2 4 6 8 І0 1кА

Рис. 10.2. Зависимости от токавозбуждения синхронного генератора (тока нагрузки топологического возбудителя) напряжения иу, полезной мощности Ру, коммутационных потерь р*, к.п.д. ^ (без учета потерь на вихревые токи) топологического возбудителя, а также зависимость тока /у от числа V циклов работы возбудителя

Статор и ротор синхронной машины выполнены в соответствии с установившейся практикой конструирования электрических машин данного типа. Установка сверхпроводникового топологического возбудителя на валу ротора синхронного генератора влечет за собой изменение конструкции концевой части ротора, узла подачи жидкого гелия 10 и стационарного диэлектрического экрана 11. Топологический возбудитель имеет набранный из листовой электротехшгческой стали сердечник 4, РСК 3, две сверхпроводниковые обмотки подмагничивания б. Сверхпроводниковая обмотка возбуждения синхронного генератора 1 составляет со сверхпроводниковой якорной обмоткой и РСК 3 топологического возбудителя замкнутую сверхпроводящую цепь. Таким образом, топологический возбудитель автоматически обеспечивает режим «замороженного тока» сверхпроводниковой обмотки возбуждения генератора 1. Вокруг выступающей части стационарного диэлектрического экрана 11 размещается стационарная многофазная индукторная обмотка 16.

1. Абрамов Г.И., Петровский Ю.В., Ройзен Л.И. Гидравлический расчет охлаждаемых токовводов сверхпроводящих электротехнических устройств// Электротехника. —1978. —N2. —С. 15—17.

2. Абрамов Г. И., Ройзен Л.И., Петровский Ю.В. и др. Расчет охлаждаемых медных токовводов для криогенных электротехнических устройств// Электротехника. — 1974. — N 4. — С. 44.

3. Афанасьев С.А., Бурыгин В.Ю., Евдокимов A.A. и др. Исследование условий и разработка метода формирования крупногабаритных изделий из ВТСП-керамики// Высокотемпературная сверхпроводимость.—1989. Вып. 1. — С. 108— 110.

4. Александров Л., Жидков Е.П., Зиновьева Л.И. Определение параметров магнитной системы для создания однородного поля с помощью ЭВМ// Препринт ОИЯИ, Р9-758059. —1974. — 20 с.

5. Анашкин С.П., Курносова Л.В., Разоренов Л.В. и др. Съемный токоввод для подачи питания в сверхпроводящие магнитные системы// Приборы и техника эксперимента. — 1971. — N 4. — С. 233—234.

6. Антонов Ю.Ф., Казовский Е.Я. Теория статических сверхпроводящих преобразователей топологического типа// Электротехника. — 1982. — N 9. — С. 33—36.426427428429430431432433434435436437438439440441442443444445446447448449450451452453

7. Антонов Ю.Ф. Тепловая оптимизация механической передачи привода топологического) генератора// Проблема создания и эксплуатации новых типов электроэнергетического оборудования. Вып. 2. СПб.: НИИэлектромаш. — 1998. — С. 227-234.

8. Антонов Ю.Ф., Казовский Е.Я. Энергетические показатели сверхпроводящих преобразователей топологического типа// Электротехника. — 1982. — N 11. — С. 29—32.

9. Антонов Ю.Ф., Коськин Ю.П., Микуцкий A.C. О математической модели сверхпроводящего выпрямителя// Изв. ВУЗов. Электромеханика. — 1981. — N 5. — С. 573—679.

10. Антонов Ю.Ф., Максимова К.П. Расчет термодинамически оптимизированных токовводов к криогенным электротехническим устройствам// Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. — 1977. —N 1. — С. 60—66.

11. Антонов Ю.Ф., Микуцкий A.C. Внешние характеристики криотронного преобразователя// Сверхпроводниковые электрические машины. JL: ВНИИэлектромаш. — 1983. — С. 136—143.

12. Антонов Ю.Ф., Рыжиков М.А., Шахтарин В.Н. Влияние намагничивания сверхпроводящей нагрузки на характеристики топологического генератора// Электрические машины. Сверхпроводниковые генераторы. JL: ВНИИэлектромаш. —1979.—С. 174—185.

13. Антонов Ю.Ф. Токовводы// Информ. лист, о научн.-техн. достиж. № 89-63. JL: ЛМТЦ научн.-техн. информ. и проп. — 1989. — 3 с.

14. Антонов Ю.Ф. Сверхпроводниковый топологический генератор// Информ. лист, о научн.-техн. достиж. № 89-54. Л.: ЛМТЦ научн.-техн. информ. и проп. — 1989.—4 с.

15. Сладков Г.В., Шахтарин В.Н. — 1983.429 31. A.c. 1072739 (СССР). Бесконтактная сверхпроводящая синхронная машина /

16. Антонов Ю.Ф., Рыжиков М. А. — 1983431 32. A.c. 1075903 (СССР). Сверхпроводящий преобразователь переменного тока в432 постоянный / Антонов Ю.Ф., Рыжиков М.А. — 1983.433 33. A.c. 1083869 (СССР). Сверхпроводящий криотронный преобразователь /

17. Антонов Ю.Ф., Микуцкий A.C., Шишмарева Л.В., Фадеев В.Д.435 34. A.c. 1091821 (СССР). Сверхпроводящая электрическая машина постоянного436 тока / Антонов Ю.Ф., Доманская Е.Ю.437 35. A.c. 1105085 (СССР). Сверхпроводящее устройство / Антонов Ю.Ф.,

18. A.c. 1321325 (СССР). Сверхпроводящая электрическая машина топологического типа. / Антонов Ю.Ф., Осипян A.B., Шахтарин В.Н. — Опубл. 18.03.85.

19. A.c. 2048093 (СССР). Сверхпроводящая электрическая машина постоянного тока / Антонов Ю.Ф., Сладков Г.В., Шахтарин В.Н.

20. Бабенко Б.А. Расчет токоввода с пористой вставкой па холодном конце// Тепло- и массообмен в системах с пористыми элементами. Минск: ИТМО АН СССР. — 1981. — С. 160—171.

21. Беляков B.IL, Горбачев С .IL, Матющенков В. К. Газоохлаждаемые токовводы криоэнергетических установок// Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. — 1982. — N 3. — С. 106—113.

22. Берна Т.П., Блэр Л.Г., Гамильтон В.О. Автоматизированный источник подкачки потока для питания сильноточных сверхпроводящих нагрузок// Приборы для научных исследований. —1975. — Т. 46. —N5. —С. 84—89.

23. Бернард С.П., Атертон Д.Л. Анализ работы источников подкачки потока вентильного типа// Приборы для научных исследований. —1977. — Т. 48. — N 10. — С. 3—8.

24. Бернард С.П., Атертон Д.Л. Высокоэффективный источник подкачки потока с индуктивной передачей тока// Приборы для научных исследований. — 1977. — Т. 48.—N 10, —С. 8—11.

25. Блинков В.Л., Головченко В.А., Максимов Б.И. и др. Токоввод сверхпроводящего кабеля, охлаждаемого газообразным гелием// 1 Всесоюзная науч.-техн. конф. по криогенной технике. М. — 1973.

26. Блинков Б.Л., Голенченко В.А., Максимов В.И. и др. Токовводы криогенных устройств// Сверхпроводники и гиперпроводники в электрических машинах и электроэнергетике: Тез. докл. Межвузовской науч.-техн. конф., М., МАИ, 1974. М.: МАИ. —1974. —С. 48.

27. ВНИИэлектромаш. — 1979. — С. 3—14.445 70. Глебов И. А., Шахтарин В.Н., Антонов Ю.Ф. Экспериментальные446 исследования и перспективы использования топологических генераторов.//

28. Приборы и техника эксперимента. — 1982. — N 1. — С. 245—246.428 74. Горбачев С. П., Шифельбайн А. Г. Оптимизация токовводов в429 сверхпроводящие устройства по принципу минимума' энергозатрат//

29. Сверхпроводники и гиперпроводники; в электрических машинах и электротехнике:

30. Атомиздат. — 1977. — С. 41—57.439 77. Глухих В.А., Костенко А.И., Моносзон H.A. и др. Разработка и исследование440 сильноточной сверхпроводящей коммутационной аппаратуры// Доклады

31. СССР, №15. М.: Наука. — 1973. — С. 33—38.446 89: Егоров С.А;, Корецкий А.Ю1, Костенко А.И. и др. Токовводы на 10 к А для447 сверхпроводящих магнитных систем// Электрофизическая аппаратура. Вып. 20. М;:

32. Пат. 1142664 (Англия). Superconducting devices / United States Atomic Energy Commission. — Опубл. 3.05.67.

33. Пат. 1193262 (Англия). A method and apparatus for generating a current in a superconducting circuit / McFarlane J.D. — Опубл. 28.05.70.

34. Пат. 1225788 (Англия). Improvements in or relating to cryotron stores / A.G. Siemens. — Опубл. 24.03.71.

35. Пат. 1513153 (Англия). Improvements in or relating to superconducting power supplies / M.N. Wilson. — Опубл. 7.06.78.

36. Пат. 2666884 (США). Rectifier and converter using superconduction / E.A. Ericsson, A. O. Jorgensen, S.L. Overby. — Опубл. 19.01.54.

37. Пат. 3150291 (США). Incremental electrical method and apparatus for energizing high current superconductive electromagnets / Laquer H. L. — Опубл. 22.06.64.

38. Пат. 3233155 (CUIA). Superconductive means for obtaining high magnetic fields / D.L. Atherton. — Опубл. 1.02.66.

39. Пат. 3238514 (США). Displacement of persistent currents by means of radiant energy / J.F. Marchand. — Опубл. 1.03.66.

40. Пат. 3244943 (США). Continuous magnetic-flux pump / A.F. Hildebrandt, D.D. Elleman, F.C. Whitmore. — Опубл. 5.04.66.

41. Пат. 3262024 (США). Superconductive device / P.S. Swarts. — Опубл. 19.07.66.

42. Пат. 3262025 (США). Magnetic-flux pump / A.F. Hildebrandt, D.D. Elleman, F.C. Whitmore. — Опубл. 19.07.66.

43. Пат. 3271628 (США). Superconductive circuit arrangements / A.C. Prior. — Опубл. 6.09.66.

44. Пат. 3277322 (США). Method and apparatus for magnetic-flux accumulation and current generation / T.G. Berlincourt. — Опубл. 4.10.66.

45. Пат. 3286014 (США). Cryostatwith cooling means / J.E.G. Williams.— Опубл. 15.11.66.

46. Пат. 3292021 (США). Superconductive device / E.D. Hoag. — Опубл. 13.12.66.

47. Carrol, E.F. Hamnici: — Опубл. 3.12.68.448. 171. Пат. 3435128 (США). Replaceable vacuum-tight current feedthroughs / R.

48. Ankerwicklung / E. Grunwald, W. Kafka. — Опубл. 4.5.72.444 2 1 0. Пат. 2163270 (ФРГ). Stromzutlihrung fur elektrische Einrichtungen mit auf

49. Tieftemperatur gekühlten Leitern / F. Schmidt, P. Massek. — Опубл 10.01.74.446 211. Пат. 2440902 (ФРГ). Kryotron / E. Feldtkeller. — Опубл. 8.04.76.447 212. Пат. 3027340 (ФРГ). Kontaktlose supraleitende Synchronmaschine / Ju.F.

50. Низкотемпературные тепловые трубы и пористые теплообменники. Минск: ИТМО

51. АНБССР:— 1977. —С. 141-148, . .436 232. Сенин .В. В. Элементы расчета и конструирования пористых токовводов//

52. И: Н. Чиженко. Киев: Техника.—1978. -у 147 с. .453 238. Теория теплообмена; Терминология. Вып.83; М.: Наука. -—1971.426427428429430431432433434435436437438439440441442443444445446447448449450451452453454455

53. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ОБС.466.056ТО. Автоматы гашения поля АГПЗО. Энергомашэкспорт, СССР, Москва. Автоматы гашения поля АГП12, АГПЗО, АГП60. М.: Информэлектро. —1976.

54. Тихонов А.Н. О решении некорректно поставленных задач и методе регуляризации// ДАН АН СССР. — 1963. — Т. 151. — N 3. — С. 501-504.

55. Тихонов А.Н. О регуляризации некорректно поставленных задач// ДАН АН СССР. —1963.— Т. 153. —N 1. —С. 49-52.

56. Улыбин С.А., Макарушкин В.И. Вязкость и теплопроводность гелия при температурах 2.5—500 К и давлениях 0.01—30 МПа// Обзоры по теплофизическим свойствам веществ. М.: ИВТАН. — 1982. — N 3 (29). — С. 128.

57. Хожаинов А.И., Никитин В.В. Электромагнитная совместимость сверхпроводниковых и традиционных электрических, машин// Электричество. — 2003. — N 5. — С. 36—42.

58. Черноплеков Н.А. Атомная энергетика и сверхпроводимость// VII Александровские чтения, 13 февраля 2001 г., М. — РНЦ «КИ». — 2002. — С. 3— 43.

59. Ширшов Л.С., Эндердейн Г. Устройство со сверхпроводящим трансформатором для изучения сильноточных сверхпроводников// Приборы и техника эксперимента. — 1982. — N 2". — С. 160—163.

60. Шифельбайн А.Г., Горбачев С.П. Термодинамическая оптимизация газоохлаждаемых токовводов с регулируемым расходом хладагента// Криогенная техника. Процессы в установках и системах. Тр. НПО «Криогенмаш», вып. 17. М.: Машиностроение. — 1975. — с. 159—171.

61. Шифельбайн А.Г., Горбачев С.П., Матющенков В.К. Особенности составных токовводов. — Тр. конф. по техническому использованию сверхпроводимости (Алушта, 1975). М.: Атомиздат. —1977. — Т. 5. — С. 65—68.

62. Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводников — М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы. — 1982. — 240 с.

63. Шмиц Н., Новотный Д. Введение в электромеханику. М.: Энергия. — 1969. — 336 с.426427428429430431432433434435436437438439440441442443444445446447448449450451452453454455

64. Юдаков Ю.В., Середа Г.К. Сверхпроводящие разрыватели в цепях питания и защиты магнитов// Высокоскоростной наземный транспорт. Новочеркасск: Новочеркасский политехи ин-т. — 1979. — С. 69—76.

65. Янтовский ЛИ., Мирошниченко А.Г., Берзин Е.К. Электродинамические переходные процессы в сверхпроводниковой магнитной системе при гашении поля// Изв. ВУЗов. Электромеханика. — 1982. — N 11. — С. 1302—1306.

66. A small size superconducting dynamo powered by ac current /B.S. Blaisse, O. Kickert, G.J.C. Bots et al. — Phys. Lett. — 1965. — V. 14. — N 1. — P. 5.

67. A thermally switched flux pump /G.J. Homer, P J. Houzego, G.A. Scott et al. — IEEE Transactions on Magnetics. — 1975. — V. MAG-11. — N 2. — P. 576—579.

68. A thermally switched 9 kA superconducting rectifier flux pump /Теп H.H.T, Kate, P.B. Bunk, H.A. Stelfens et al. — IEEE Transactions on Magnetics. — 1981. — V. MAG-17. — N 5. — P. 2067—2070.

69. A 25000 gauss, 175 amperes Nb— 2.5 % Zr wire magnet fed by a flux pump /Van H. Beelen, AJ.P.T. Arnold, H.A. Sypkens et al. — Phys. Lett. — 1963. — V. 7. — N 3.1. P. 175—176.

70. Acoustic emission from superconducting magnets /Н. Nomura, K. Takahisa, K. Koyamaetal. —Cryogenics. — 1977. —V. 17.—N 1. —P. 471—481.

71. Agsten R. Thermodynamic optimization of current leads into low-temperature regions// Cryogenics. — 1973. —V. 13. —N 3. — P. 141—146.

72. Aharonian G., Human L.C., Roberts L. Behaviour of power leads for superconducting magnets// — Cryogenics. — 1981. — V. 21. —N 3. — P. 145-151.

73. Ameen D.L., Wiederhold P.R. Fast-acting superconducting switches// The Review of Scientific Instruments. — 1964. — V. 35. — P. 733—737.

74. Ammeter for the non-destructive measurement of high currents in superconductors /D.G. Blair, W.0. Hamilton, B.C. Hymel et al. — Cryogenics. — 1975. — V. 15. — N 3.1. P. 119—120.

75. Cryogenics. — 1975. — V. 15. — P. 283—284.439 280. Brandt B.L., Parks R.D. Flux nonflow in the "flux-flow" regime in bulk tin//

76. Physical Review Letters. 1967. — V. 19. — N 4. — P. 163—165.441 281. Britton R. B. Flux pumps for use at 60 Hz// IEEE Transactions on Nuclear

77. Science. —1971.—V. 18.—N 13. —P. 681.443 282. Buck D.A. The Cryotron — a superconductive computer component// Proceedings

78. N connections at cryogenic temperatures// Cryogenics. — 1968. — V. 8. — N 5. — P. 428; 314—316. , ' '429 2 881 Carroll K. J. Behavior of a flux pump using an automatic superconducting switch//

79. Giyogenics. — 1973;:—V. 13V — N 6; — P. 353—360.431 289.' Chen Li-Ting. Vapour-cooling of input leads lor cryogenic apparatus// Letters in

80. Magnetics. — 1983. — V. MAG-19—N3. — P. 867—871.447 2 96. Control system for a superconducting rectifiër using a microcomputer /Ten H.H.J.

81. Kate, D.A. Kamphuis, M. Cospary et all — IEEE Transactions on Magnetics. — 1981.

82. Proceedings of the Ninth International cryogenic engineering conference (Kobe, Japan,430 1 982). Butterworth, Guildford UK. — 1982. — P. 753—756.431 301. Development of High-Temperature Superconducting Alternators, Combining

83. Engineering. — April 1964. — P. 40—41.448 308. Experimental study of gas cooled current leads for superconducting devices /V.P.

84. Belyakov, S.P. Gorbachev, V.K. Matyushenkov, et al. — In: Proceedings of the Fifth

85. Stromgleichrichtern: Diss. N 4898. Zurich. — 1973.429 311. Fasel R., Olsen J. L. A superconducting bridge rectifier. — Bulletin de l'Institiit

86. Sypkens et al. — Physics. — 1965. — V. 31. — P. 413—443.444 317. Flux pump excited brushless alternator /A.M. Ferendeci, O.K. Mawardi, M.J.

87. MAG-13. — N 1. — P. 784—787.447 3 28. Gray K.E., Lenihan T., Tarezon J. Thin film superconducting switches// IEEE

88. Bunck, RIB. Britton et al. — Cryogenics — 1981. — V. 21. — N 5i — P. 291—296.438 336. Hilal M. A. Optimization of current leads for superconducting systems// IEEE

89. Igarachi Y., Fujino Y. Interdiffusion and morphology variation of thin Y-Ba-Cu-0 films deposited on MgO substrates during annealing// Journal of Applied Physics. -1991. -V. 70. -N 12. -P. 7500-7503

90. Inai H. Temperature distribution along a gas cooled cryogenic lead wire// Cryogenics. — 1969. — V. 9. — N 2. — P. 115—118.

91. Iwakuma M., Funaki K., Kanetaka H. etc. Quench analysis in a 72 kVA superconducting four winding power transformer// Cryogenics. 1989. - V.29. - N.l. -P. 1055-1061.

92. Kafka W. Sine supraleitende Gleichstrommaschine. — Elektrotechnische Zeitschrift, A. — 1973. — Bd. 94. — H. 3. — S. 153—157.

93. Katheder H., Schappals L. Design and test of a 10 kA gas cooled current lead for superconducting magnets// IEEE Transactions on Magnetics. — 1981. — V. MAG-17.1. N5. —P. 2071—2074.

94. Keilin V.E. Possible energy saving by compensating heat input to liquid helium through current leads and thermal bridges// Cryogenics. — 1975. — V. 15. — N 4. — P. 208—210.

95. Keilin V. E., Kovalev I.A. Electrical leads for up to 10 kA for'superconducting magnet system// Cryogenics. —1975. — V. 15. —N 10. — P. 610—611.

96. Keilin V.E., Klimenko E.Y. Investigation into high current leads »in liquid helium applications// Cryogenics. — 1966. — V. 6. — N 4. — P. 222—228.

97. Killic K., Killic A., Yetis H., Cetin O. Transport relaxation phenomena in superconducting YiBa2Cu3075// Journal of Applied Physics. — 2004. — V.95. — N.4.1. P. 1924—1931.

98. Kirschner I., Mätrai J., Szetgyörgyi G. etc. Construction and parameters of the first high Tc superconducting ceramic magnets for small fields// Cryogenics. 1989. - V.29. -N.2.-P. 83-86.

99. Superconductivity /Ed. R.D. Parks. N. Y.: Marcel Redder. — 1969. — V. 2. — P.439 1295—1315.440 3 84. Newhouse V.L. On minimizing flux pump heat dissipation// IEEE Transactions on

100. Instruments.— 1958. —V. 29.—N6. —P. 537—538.426427428429430431432433434435436437438439440441442443444445446447448449450451452453454455

101. Parks R.D., Zumsteg F.C., Mochel J.H. Heat flow in superconductor in the vortex state// Physical Review Letters. — 1967. — V. 18. — N 2. — P. 47-49.

102. Perl J. Direct evidence of steady EMF induced by flux motion in superconductors// Physical Review Letters. — 1966. — V. 16. —N 3. — P. 99—100.

103. Pippard A.B. Continuous refrigeration of current leads// Cryogenics. — 1965. — V. 5.—N2. —P. 81—84.

104. Protection device for superconducting magnets with a superconducting switch /D. Kabat, R. Luedemann, H. Mencke et al. — Cryogenics. — 1979. — V.19. — N 7. — P. 382—384.

105. Quinn D.J., Ittner W.B. Resistens in superconductor// Journal of Applied Physics. — 1962. — V. 33. — N 2. — P.748 —749.

106. Ramshaw R.S., Dick E.P., Wright R.L. Superconductive energy transfer// Engineering Journal. — 1971. — N 4. — P. 14—20.

107. Randall R. N., Larson W., Wong J. Design and manufacture of the superconductor for the MHD magnet for the University of Tennessee Space Institute// IEEE Transactions on Magnetics. — 1983. — V. MAG-19. — N 3. — P. 370—373.

108. Rauch M. Optimum dimensions of current-carrying leads to cryogenic apparatus// Proceedings of the Third international cryogenic engineering conference (Berlin, 1970). Berlin: IPG Science and Technology Press. — 1970. — P. 182—186.

109. Robertson R. W., Irey R.K. Direct energy conversion utilizing a superconducting flux pump// Proceedings of the Fourth International cryogenic engineering conference. —1972. —P. 236—238.

110. Rose-tnnes A.G. A superconducting magnetic flux compressor// Cryogenics. —1973,—V. 13.—N2.—P. 103—105.

111. Rosner C.H. Progress in the application of electrically switched flux pumps// IEEE Transactions on Magnetics. — 1968. — V. MAG-4. — N 3. — P. 493.

112. Sarma N.V. Direct evidence for the laminar and flux line models of mixed state in type II superconductors// Physics Letters. — 1967. — V. 25A. — N 4. — P. 315—316.

113. Sass A.R. Analysis of a distributed superconductive energy converter// IEEE

114. Transactions of Aerospace. — 1964. — V. 2. — N 2. — P. 822—825.

115. Schmieder R.W. Superconducting switches using radiation induced quenching// IEEE Transactions on Magnetics. — 1975. — V. MAG-11. — N 2. — P. 590—593.

116. Scott J.P. Current leads for use in liquid-helium cryostats// Proceedings of the Third international cryogenic engineering conference. Berlin: IFS Science and Technology Press. — 1970. — T. 176—181.

117. Sherrill M D. Fluxon size in thin films// Physics Letters. — 1967. — V. 24A. — N 6. —P. 312—313.

118. Siegwarth J.D., Sullivan D.B. A mechanical superconducting switch for low temperature instrumentation// The Review of Scientific Instruments. —• 1972. — V. 43. — N1. —P. 153, 154.

119. Smith F.F. Protection of superconducting coils// The Review or Scientific Instruments. — 1963. — V. 34. —N 4. — P. 368—373.

120. Smith J.L., .Tr. Overview of the development of superconducting synchronous generators// IEEE Transactions on Magnetics. — 1983. — V. MAG-19. — N 3. — P. 522—528.

121. Sobol H., McNichol I. Evaporation of helium I due to current-carrying leads// The Review of Scientific Instruments. — 1962. — V. 33. — N 4. — P. 473— 477.

122. Sole J. Application* des superconducteurs a l'accumulation et â la liberation de l'énergie électrique// Entropie. — 1971. — V. 39. —N 21. — P. 21—29.

123. Status report of the three phase 25 kA, 1.5 kW thermally switched superconducting rectifiers /H.H.J. Kate, A.H.M. Holtslag, J. Knoben et al. — IEEE Transactions on Magnetics. — 1982. — V. MAG-19. —N 3. — P. 1059—1062.

124. Superconducting flux pumps /D.D. Elleman, A.F. Hildebrandt, R. Simpkins et al.

125. Bullet. Amer. Phys. Soc. — 1982. — Ser. 2. — V. 7. — N 3. — P. 309.

126. Suenaga M., Li Q., Ye Z. Thickness dependence of ac losses in circular disks of YBa2Cu307 films in perpendicular magnetic fields// Journal of Applied Physics. — 2004.1. V. 95.—N 1. — P. 208—213.

127. Superconducting devices/ Ed. By Ruggiero Steven T., Rudman David A. Boston etc.: Acad. Press, cop. 1990. —XIII. — 396 p.

128. Thomas R.K., Purcell T.R., Boom R.W. High-current power leads for TOKAMAK fusion reactor superconducting magnets. — In: Advances in cryogenic engineering. N.Y., London: Plenum Press. — 1978. — V. 23. — P. 219—225.

129. Thullen P., Stecher R., Bejan Y.A. Flow instabilities in gas-cooled cryogenic current leads// IEEE Transactions on Magnetics. — 1975. — V. MAG-11. — N 2. — P. 573—575.

130. Ten Kate H.H.J., Kamphuis D.A., Caspari M., van Klundert L.T.M. and Houkes Z. Control system for a superconducting rectifiers using a microcomputer// IEEE Trans, on Magnetics. — 1981.—V.MAG-17.—N 5.—P. 2063-2066.

131. Testardi L.R. Destruction of superconductivity by laser light// Phys. Rev., B. — 1971. —V. 4.— N7. — P. 2189—2196.

132. Träuble H., Essmann U. Die Beobachtung magnetischer Strukturen von Supraleitern zweiter Art// Physica Status Solidi. -1967. -V. 20. -P: 95-111.

133. Magnetics. — 1968; — V. MAG-4. — N 4. — P: 493; .440 457. Wipf S.L. Flux pumps as power supplies for superconducting coils// Proceedings441 of the International symposium on; magnet technology (Stanford^ September 8—10).

134. Laboratory Report, 50155 (C-55), s. 1.—April 1969. — P. 632-707.447 459. Wipf S.L. The efficiency of flux pumps// Proceedings of the First international448 cryogenic engineering conference. (Tokyo, Kyoto, April 9-—13,. 1967). London: