автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Сверхпроводниковые топологические электрические машины

На правах рукописи

АНТОНОВ ЮРИЙ ФЕДОРОВИЧ

СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 2007 г.

003052302

Работа выполнена в Институте химии силикатов Российской Академии Наук (ИХС РАН), г. Санкт-Петербург

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Аполлонский Станислав Михайлович

доктор физико-математических наук, профессор Герасимов Николай Петрович,

доктор технических наук, профессор Филиппов Иосиф Филиппович

Ведущая организация:

Объединенный Институт Высоких Температур Российской Академии Наук (ОИВТ РАН)

Защита диссертации состоится „.Т.. г. ^Р... час. 00 мин.

на заседании диссертационного Совета Д 212.229.11

при Государственном образовательном учреждении Высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО СПб ГПУ

Автореферат разослан .&£?.. .. 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Д 212.229.11 кандидат технических наук, доцент

Попов М.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЖРТАЦИОННОЙРАБОТЬГ Актуальность темы.

Прикладная сверхпроводимость, как научно-техническое направление 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 сйерхпроводниковые материалы, рабочие токи достигают 10 кА и более. С увеличением мощности сверхпроводниковых электротехнических и электрофизических устройств к их надежности предъявляются более жёсткие требования. Эксплуатационная надежность в значительной мере зависит от величины рабочего тока, способа его ввода и принятого метода гашения поля.

Актуальность темы определяется необходимостью решения проблемы ввода тока в сверхпроводниковые устройства посредством разработки и создания сверхпроводниковых топологических электрических машин и термодинамически оптимизированных токовводов. Данная проблема не потеряла актуальности в связи с Перестройкой и временным свертыванием исследований. Так, сегодня существует потребность в источниках питания и оптимизированных токовводах на токи 13 кА и 75 кА, соответственно, в связи с сооружением в ЦЕРНе Сверхпроводникового ускорителя со встречными пучками и Международного термоядерного реактора (ГШЫ). При возобновлении строительства в Протвино ускорителя заряженных частиц УНК-3 ТэВ для автономного питания каждого из 200 отклоняющих сверхпроводниковых магнитов каналов частиц (запасенная энергия каждого магнита 1 МДж) потребуется поставка топологических генераторов на ток 8 кА. В настоящее время в топологических источниках питания нуждаются сверхпроводниковые магнитные системы для физических исследований (ОИЯИ, ПИЯФ).

Развитие научного направления, связанного с решением проблемы ввода тока в сверхпроводниговые устройства, велось в рамках выполнения Программы 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 штемамЕ21.1022, Е21.1044. Кроме того, врамкахмеждуиародаого сотрудничества в СЭВ Инсппугом Физики Твердого Тела Болгарской Академии Наук и ВНИИэлектромашем в1988-1990гп выполнялась азшестнаяНИР<<Созда1гие(жрхпроюдниюшготопшогтес1<ого генератора». 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. Наконец, в рамках Конкурсной программы ГКНТ «Генератор» по высокотемпературным сверхпроводникам (ВТСГТ) совместно с ЦНИИмаш в ОЭЭП РАН созданы топологические генераторы для ВТСП модели движителя (1997). Цель работы.

Выполнение комплекса теоретических, конструкторских, технологических и экспериментальных исследований, направленных на решение проблемы ввода тока в сверхпроводниковые электротехнические устройства путем разработки и создания

сверхпроводниковых топологических источников питания и термодинамически оптимизированных токовводов с повышенными технико-экономическими показателями.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить конкретные задачи:

построения математических моделей; - уточнения и развития теории, разработки аналитических и численных методов расчета и проектирования энергетически оптимальных сверхпроводниковых топологических электрических машин и пористых токовводов; экспериментального исследования электромагнитных полей и моментов в лабораторных и штатных образцах топологических генераторов различного исполнения;

анализа особенностей протекания коммутационных процессов в топологичес ких генераторах и статических преобразователях;

разработки высокоэффективного герметичного привода, в том числе на базе сверхпроводниковой электромагнитной муфты топологического типа; исследования рабочих характеристик и режимов топологических генераторов, параллельной работы на сверхпроводящую нагрузку;

определения путей совершенствования конструкций и направлений практической реализации сверхпроводниковых топологических электрических машин и пористых токовводов;

исследования технической возможности создания бесщеточной системы возбуждения сверхпроводникойых синхронных машин на базе вращающихся и статических топологических возбудителей;

создания типового ряда сверхпроводниковых топологических генераторов многофункционального назначения и пористых токовводов. Предмет и объект^ исследований.

Новый класс электрических машин - сверхпроводниковые электрические машины топологического типа: генераторы, двигатели, муфты, статические преобразователи, а также пористые токовводы - устройства прямого ввода тока в криостаты. Методы исследований.

Теоретические исследования сверхпроводниковых топологических электрических машин выполнялись 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 оптимизаций 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.

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

1. Впервые экспериментально исследован механизм проникновения магнитного поля в тонколистовые образцы сверхпроводниковых материалов на безе жестких сверхпроводников 2-го рода с близким к единице магнитометрическим коэффициентом размагничивания и разработаны принципы конструирования коммутаторов нового класса - фазовых резистивно-сверхпроводящих коммутаторов.

2. Впервые создана общая теория сверхпроводниковых топологических генераторов и статических преобразователей, с возможностью получения ранее предложенных Н. УЫ^ и ЕЛ. Казовским соотношений как частных случаев.

3. Впервые предложена математическая модель топологических статических преобразователей с несимметричными ветвями, отличающаяся от известных возможностью анализировать различные коммутационные режимы.

4. Впервые созданы автоматизированные системы питания и управления топологических статических преобразователей, обеспечивающие различные коммутационные режимы.

5. Впервые экспериментальным путем комплексно исследованы магнитные поля и электромагнитные моменты на типовых образцах топологических генераторов с широкой номенклатурой применяемых сверхпроводниковых материалов.

6. Впервые разработан метод термодинамической оптимизации механического передачи топологического генератора и создана на его основе типовая конструкция герметичного электропривода, в том числе с использованием топологической электромагнитной муфты.

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

8. Впервые разработано на уровне изобретений и патентов 29 сверхпроводниковых топологических электрических машин, устройств и токовводов, в конструкциях которых реализованы выводы и рекомендации теории по повышению КПД, надежности и совершенствованию технологии, а также требованиям технической эстетики.

9. Впервые разработаны принципы проектирования сверхпроводниковых топологических электрических машин и токовводов с широким спектром номинальных

араметров, на основе которых выпущена рабочая документация на типовые конструкции и технологическую оснастку для изготовления нестандартных узлов. 10. Впервые в отечественной и мировой практике созданы топологические генераторы различного исполнения с достижением в единичном агрегате рекордных параметров: ток 10 кА, напряжение 80 мВ, удельная токовая нагрузка 1кА/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 сверхпроводниковых 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 и удельной 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 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.

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.

Во ВНИИэлектромаш создан бесконтактный сверхпроводниковый генератор вертикального исполнения со сверхпроводниковым топологическим возбудителем (Глава 10).

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 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 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 сверхпроводниковых модулей бортовых магнитных систем в лаборатории ВСНТ Ереванского политехнического института (Акт о внедрении от 22 мая 1984 г.). Топологический генератор Till-12 применен в ЛИЯФ на установке для поиска электрических дипольных моментов элементарных частиц с использованием пучков двухатомных молекул (Акт о внедрении от 24 мая 1984 г.). Топологический генератор Till -12 внедрен на экспериментальной установке ИФТТ-БАН (Болгария) для запитки коротких образцов сверхпроводящих проводов (Акт о внедрении от 27 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.).

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 1111-6/1 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 УНК-ЗТэВ в Протвино. Однако строительство ускорителя приостановлено. Апробация работы.

Основные 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 (Питтсбург, 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 «Сверхпроводимость 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). Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех разделов, содержащих в совокупности 10 глав, заключения, списка литературы (462 наименования); иллюстрации включают 165 графических и тоновых рисунков; 19 таблиц; общий объем диссертации 419с. 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 2-го 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 весь спектр режимов коммутации - сопротивлением, напряжением и смешанный;

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

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 сверхпроводникового топологического генератора (ТПГ). Они велись в ведущих научных центрах Европы и США: АНЛ, MHJIМТИ, OHJI, «Дженерал Электрик», «Вестингауз», «Сименс» и др. Однако до сего времени нет достаточно ясного понимания физики явлений, 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, 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 (С 111) внесли отечественные ученые И. А. Глебов, Я.Б. Данилевич, В.Н. Шахтарин, В.П. Карцев, (ВНИИэлектромаш), Ю.П. Коськин (ЛЭТИ), В.Б. Зенкевич, В.В. Сычев (ИВТ АН СССР), A.C. Дронов, В.Е. Игнатов, Ю.В. Скобарихин (ЭНИН), 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), Л.Н. Федотов (ИПС ЦНИИчермет), A.C. Веселовский, Г.Г. Свалов (ВНИИ КП), 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).

Диссертация основана на результатах долгосрочной работы, выполнявшейся автором в рамках вышеупомянутых фундаментально-прикладных исследований. В основу исследований положена концепция, согласно которой сверхпроводниковая топологическая машина рассматривается как обычная 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 стали конкурентно способными в системах питания сверхпроводниковых ускорителей заряженных частиц и бесконтактного возбуждения криоэлектрических машин. Однако внедрение новых научных результатов на современном этапе проблематично вследствие временного свертывания исследований в области технической сверхпроводимости из-за отсутствия надлежащего финансирования.

Раздел /Основы теории сверхпроводниковых топологических элеюрических машин. В разделе поставлена задача на основе физических представлений сформулировать правила, установить законы эффективного функционирования топологических генераторов и статических преобразователей, дать основные расчетные соотношения. Глава 1.1. Общая теория топологических генераторов и статических преобразователей. 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 типового ряда ТПГ.

РСК с математической точки зрения рассмотрен как топологическое пространство X, на котором задана сверхпроводящая фаза. Множество X одновременно открытое и замкнутое. Если в X (т.е. в объеме сверхпроводника) нет других множеств, одновременно

топологических превращений0™?"™* и замкнутых, то топологическое пространство X является связным.Если обеспечивается полный эффект Мейсснера, мы имеем односвязное топологическое пространство. Любое 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 (©) г ОБАВСО, где © е [а, Ь] сЛ - множество вещественных чисел, определим

Рис. 1. Плоская модель для иллюстрации

Л«,У) = — £,еу(0),и = 1,2. (1)

1т ■ д —а

При /е [Т, 27) контур у может быть деформирован в контур £п , носитель которого есть окружность единичного радиуса 1 > /-/>-, (рис. 1, справа), причем

£ (0) = 1 • е'в1 , ©, е [0,2тс] Тогда индекс точки а относительно контура у при t е [/?7; («+1)7]

12л т в ,

г те '

j(a,y) =- -г—а@ = п

2ж j е 1

Пусть Ф - магнитный поток, содержащийся в зоне проникновения. Тогда у(а.у)(-Ф(а)) = ~ = - Ф„ (2)

¿711 J i - О

7 '

Таким образом, после первого цикла потокосцепление с контуром, включающим

нагрузку, составляет | у I = | - Ф | При t = 2 Т I ц/ I = I - 2Ф0 I, и т.д. Из этого следует, что средняя ЭДС, наводимая в электрической цепи с нагрузкой, равна е = - f 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 j(a,y)E(z) = dz (3)

2m

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

ла.гща)=± md< =_l гм^а^у^дАщ

2 m\Z-a ■ 2m} £-0 2m 0J 2 n\ ' '

Учитывая j (а, у) = n , f (© ,) = const , имеем E (a) = £ (© ,) = E ■ В этом проявляется органичная связь двух формул для определения ЭДС индукции (4)

е = \hZ)di = ЩсУЦ = \го,Щ)сГс = -\~dS = -j- fids =

Итак, применительно к описанию принципа действия ТПГ топологическое представление дает ответ, почему в случае сверхпроводникового коммутатора

постоянная ЭДС наиодип-я В случае же изготовления коммутатора из обыкновенного, например, медного проводника топология такою коммутатора не меняется, и он не выполняет своих функций

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

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

Ь„

потокосцепления в цепи с нагрузкой

д,^ - ч>„ - кн + - к„

¿2 + /-„ К ь2 + ьн

Формулы упрощаются с введением безразмерных коэффициентов

н за (у+1)-й цикл " /,]} (5)

С,

1 ± к,

1г1,

¿2 + 1<Н Я О

Г-*,

с,

Тогда А Г^ = СМЧМ -СЧ>У

(6) (7)

Циклическая зависимость тока /V в нагрузке и его предельное значение / = ^м [1 - 1(-С)"] = /„^[1 - (I - С)"] где _ С„

' 1 т

С I, + 1Н

С /,, + 1„

(8)

Предельный ток / в нагрузке не зависит от частоты /и сопротивления РСК Я0 .

Напряжение на зажимах машины зависит от номера V цикла работы.

с/1+. = —/?„<:„ О-су ={\-кн)Г¥„. +1„

Среднее напряжение за период между циклами У(н и Уп

и - с.\(\-с)- - 0 - С > 1

+ ¿„ (V,,, - 1'„ ) 1п (1 - С ) Полезная мощность, отдаваемая в цепь нагрузки в (V + 1)-м цикле.

= Л -

л- ;

I, + ¿„ (

Ее среднее значение за период между циклами Ут и V М С:, 1(1-С)'-(1-е)-" 1 г. 2 +С

1 - I 1 + у |0 -

р =-

С (1/и -1'„)1п(1-С) [ 4 Потери запасённой в нагрузке электромагнитной энергии в (У+1)-м цикле

С,

С,

-0-С)1'

¿1 + 1Н к с 2) С Их среднее значение за период между циклами Ут и Уп

(1+С,,)-СЛ,[1 + |](1-СГ

(9)

(10)

{1-^[0-с)-+(1-сГ]| (П)

(12)

АРт

(См П См(\+См)(1 -С)у"> -(\-(Уп | С£(2+С)(1-С)2^-(1-^п 1С 2,1 С (•/т-г„)1г<1-^ АС {ут-у„№-$

к+1ц

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

/>_ _ с^(1-с);[2-(2 + сУ1-сГ1 ^М-су]-,

=

А+ 2СЯ [1 - (1 - С / С

КПД, усреднённый за период между циклами Ут и Уп

Сд/ [(1 - С?т - (1 - СГ-]{2 - ¿(2 + С)[(1 - сУт + (1 - СУ* ]} [2" " "")1п0 " с)~ 2[° ~сут ~0~сГ" ]

Чтп

(13)

(14)

(15)

ЦаВ

1», А

200-

150. 100. 50 .

О ■

4 ____ ----

г-—" :---.

__ 2__ --- ---•

£ ---- ---- ----

■н, А

VI О-3

а б

Рис. 2. Внешняя характеристика (я) и циклическая зависимость (б) тока нагрузки 1111 -1/2. Частота вращения /=20 Гц; ток возбуждения !в, А: 2-5,3-7^5,4-10.Штриховые линии—расчет; крестики—эксперимент.

Данные расчетов сопоставлены с результатами экспериментальных исследований (например, рис. 2). Обоснованы пути повышения КПД.

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

Глава 1.2. Коммутация в топологических генераторах и статических преобразователях. 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 несимметрию 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 Ьн 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:

• _ 1 о„ь ■ -Ьцц ■ 1 (16)

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

Для сравнения на рис. 3 даны кривые переходных токов, рассчитанные при значении коммутируемого тока 1И\ = 300 А для трех режимов работы СТП с параметрами: ¿, = 0,16 Гн,Ь = 0,65-Ю"6Гн, М=104Гн,МАВ = 0,1,н = 0,18-10-3 Гн, Д, = 1 Ом, Я = 0,24-10"3 Ом, /, = 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

о -20

301 300 299

0.5

1.0

Рис. 3. Переходные токи для различных режимов коммутации. Сплошные линии - коммутация сопротивлением, штриховые линии коммутация напряжением, штрихпунктирные линии -смешанная коммутация.

тока в размыкаемой ветви потери на коммутацию полностью отсутствуют. Недокомпенсация тока, как и его перекомпенсация приводят к потерям. Ц с 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 ^ суправления и контроля, обеспечивающие все рассмотренные режимы коммутации. Новые научные результаты. Впервые разработана теория коммутации с учетом общности и специфики протекания процессов в 1, сТПГ и ТПК. Полученные результаты в теоретическом отношении дополняют изложенную в главе 1.1 общую теорию, а в позволяют уточнить рабочие конкретных устройств, дать по выбору коммутирующих

практическом -характеристики рекомендации узлов для повышения КПД. Глава 1.3. Магнитное поле. 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 квазистатический 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 (ЫЬ), слаболегированные сплавы марок НЦ-1,5 (ЫЬ+1,5%гг), БТЦБ и БТЦ (ЫЬ+0,5%2гН),05%ТО, а также 65 БТ (НЬ-10%2г-25%ТО, НТ-50 (ЫЪ+50%Т0 и интерметаллическое соединение ниобий-олово >1Ъ38п. 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 <в 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 (ЫЬ+1,5%&) как для отожженной, так и не отожженной, он составляет около 1 А, а у ниобиево-оловянной ленты (МЬ38п) - 0,78 А. Для одинаковых по стехиометрическому 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 (№+1,5%гг) это соотношение изменяется с ростом тока возбуждения от 0,1 Тл/А(г = 1,5 А)до0,08Тл/А (¿.=2,5А).

е) При снижении тока возбуждения 1в 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 Вт, 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 Вг индукции имеют плоские или остроконечные вершины, графики распределения тангенциальной составляющей В1 имеют плавную конфигурацию. Точки подъема и спада кривых Вг и В1 совпадают, определяя границы резистивной зоны.

Причиной асимметрии служат; с одной стороны, экранирующие токи, с датой стороны, захват магнитного потока в РСК после прохождения через него резистивной зоны с магнитным потоком. Экранирующие токи оказывают на основной магнитный поток подмагничивающее действие у передней границы резистивной зоны и размагничивающее действие у задней. Благодаря этому передний фронт графиков круче, чем задний. Захват магнитного потока Вг.в^Тл отражается на амплитудных значениях, од Графики тангенциальной составляющей В/ 0,2 магнитной индукции имеют симметричную о,1 форму. Экспериментально исследовано влияние реакции якоря на распределение магнитного поля в РСК (рис. 4). Ток нагрузки мало влияет на радиальную Вг составляющую индукции и несколько больше на тангенциальную В( 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.

5г/4 У1Г2 а рад.

Ш Э1/4 /,=450 А

Рис. 4. Распределение Вг и Д. составляющих ___ _ _ ___ _ _ магнитной индукции в коммутаторе 1111-

Новые научные результаты. - Экспериментально ™ Х^нГ^ Ш ЩЬ?" *

исследовано проникновение и распределение коммутатора - лента из сплава БТЦ

..„„„„.„„^ „_„ „ т>гу _______________ (ЫЬН),5%ггН),05%Г|). Сплошные линии-В ,

магнитного поля в РСК из тонколистовых штриховые линии -В,.

материалов на базе жестких сверхпроводников 2-го рода. Установлено:

- использование в РСК сверхпроводниковых материалов с высокими критическими значениями существенно отражается на параметрах магнитной цепи ТПГ; -экранирующие токи, концентрируя основной магнитный поток в зоне проникновения, увеличивают амплитудное значение магнитной индукции, вследствие чего магнитное сопротивление прохождению основного магнитного потока через рабочий зазор растет; что требует создания дополнительной МДС.

Раздел II. Основные характеристики и режимы работы ТПГ. Поставлена задача экспериментального исследования добавочных электромагнитных моментов как основного фактора, влияющего на эффективность и безаварийную работу ТПГ, предложить и проанализировать требуемый спектр рабочих характеристик. Глава2.1. Электромагнитный момент. 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 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 отводится совместным экспериментальным исследованиям^ магнитных полей в зоне расположения РСК, статического, динамического моментов на валу и качественному объяснению их природы. 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. 6, имеют одинаковую структуру. На фоне постоянной составляющей статического момента существует периодическая составляющая, которая растет по мере

ц-

ч ¡1 —IV 1 —

1—- 1 у— п -1--

л/ " - —¡1 ;-/

И —4--7 > -V— т » —\— —

к/2 * ¡в '30 А

3* в.гтд.

ГЛ—«<

О */2 * З/Зп 2Х И* эж в.ртО.

I в А Остаточный момьнт Рис. 5. 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%Т|) ленты толщиной 20 мкм, с двусторонним медным покрытием. Сплошные линии- М, штриховые линии — Вг.

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 2.2. Рабочие характеристики и режимы работы ТПГ. Большинство известных из теории электрических машин характеристик применительно к ТПГ не имеют физического смысла. В работе обосновывается введение требуемого спектра характеристик ТПГ и на конкретных примерах дается их анализ.

1. Характеристика холостого хода t/xx = t/(z'B) при /н = 0, /= var (ступенями).

2. Характеристика напряжения холостого хода Uxx = U (/) при/н = 0, г'в = var (ступенями).

3. Характеристика накачки и откачки/н = I (V) при /в = const, / = const.

4. Внешняя характеристика Un-U (7Н) при /в = const,/ = var (ступенями).

5. Зоны устойчивой работы i/H = U (f) при /в, /н = var (ступенями).

6. Нагрузочная характеристика Un = U(ig) при /н ,/ = var (ступенями).

7. Регулировочная характеристика /в = i (/н) при С/н = const,/ = var.

8. Характеристика затухания тока в цепи нагрузки /н =/(/) при i'B = 0,/=0.

9. Характеристика прецизионного регулирования /н = I(U) при i'B = var, /- var. 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. 6).

Исследованы условия включения ТПГ в параллельную работу. В отличие от обычных

машин, мощность ТГТГ изменяется от цикла к циклу. Поэтому понятие одинаковой мощности» двух ТПГ требует уточнений в конкретном режиме работы. Параллельная

Рис. 6. Зоны устойчивой работы ТПГ-3. работа ТГ1Г 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.

Раздел III. Опытно-конструкторские работы и внедрение. Поставлена задача выполнения комплекса поисковых, экспериментальных, конструкторских и технологических работ в процессе создания типового ряда ТПГ с широким спектром номинальных параметров для систем питания, защиты и диагностики сверхпроводниковых электрофизических и энергетических устройств. Глава 3.1, Механическая передача. 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 Лх = Л = const геометрический комплекс 1/Ах изменяется по закону логарифмической функции от температуры теплого конца, а тепловой поток вдоль длины механической передачи - по линейному закону:

У *

Чем массивнее механическая передача, тем выше задаваемое значение варьируемого множителя Лагранжа. Рекомендуется б = Ю-'-ИО '. При

проектировании наиболее мощной рис ^ Стенд механической передачи и узла подвески топологического исследования ТПГ и генератора ТПГ-17 (рис. 7) использованы данные *в°с р\ ВВ0 д°„ £Ковой оптимизационного теплового и механического расчетов, □лектромагниттной муфты

Теплоприток в криогенную зону можно снизить за счет полного исключения или временного прерывания механического контакта между приводом и нагрузкой посредством сверх проводниковой электромагнитной муфты (рис. 8). Описывается

принцип действия и конструкция единственной в мире, защищенной авторским свидетельством,

сверхпровод! нжовой топологической электромагнитной муфты, и которой обмотка возбуждения и активные элементы ведущего и ведомого валов выполнены из сверхпроводников. 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 топологической муфты показали, что дня 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 по А.Н. Тихонову. В процессе решения используется метод регуляризации нулевого порядка гладкости. Сглаживающий параметрический функционал: ~

Ф№)Дг)] + 6Л№)1, где ФУЩ,НЩ =

П X

- регуляризующий функционал (стабилизатор), 0 <8 < 1 —

х

числовой параметр регуляризации (аналогия - множитель Лагранжа в гл. 3 Л, 3.2). При подготовке задачи к численному счету сглаживающий параметрический функционал приведен к виду:

М 2Ы

/ш1 М ¡ = 1

Если 2Ы<М, то система уравнений будет переопределенной, в противном случае-слабообусловленной. Из условия минимума квадратичного функционала получена система уравнений, которая решена численно методом итераций.

Рис. 8. Сверх проводниковая топологическая электромагнитная муфта СЭММ-1

Экспериментальные исследования муфты выполнены на установке для изучения механических характеристик топологического генератора.

Новые научные результаты'. - разработан метод термодинамической оптимизации механической передачи и узла подвески, позволяющий проектировать системы электропривода сверхпроводниковых топологических генераторов с обеспечением их эффективного охлаждения, дан пример практической реализации; - метод термодинамической оптимизации пригоден для анализа тепло- и массообмена при расчете тепловых мостов криогенных электротехнических устройств; - предложен новый способ передачи момента к механизмам, вращающимся в среде жидкого гелия, посредством сверхпроводниковой топологической электромагнитной муфты; -поставлена и решена задача синтеза сверхпроводниковой 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 или постоянными радиусами.

Глава 3.2. Термодинамическая оптимизация токовводов. Пористые токовводы являются неотъемлемым узлом системы ввода тока в сверхпроводниковые электротехнические устройства, осуществляемой на базе сверхпроводниковых топологических генераторов. Будучи неотъемлемой составляющей системы электропитания, диагностики и защиты сверхпроводниновых электротехнических устройств, пористые токовводы внесены в реестр поставленных в диссертации задач как важнейший объект научного исследования, чему посвящена настоящая глава. По рис. 9 составлена математическая модель, наиболее 1д/Геплый конец

ПЛТТ..Л ЛГТ,1Л, «««глмтлттй п .нхтмпплтк» гтп»..»»». . " т "Т\=Т"""Г

полно описывающая протекающие в токовводе процессы. х=х/ || I Т=Т; Она состоит из системы нелинейных дифференциальных 1Ч*+<Ьс Тх-щх

уравнений тепло- и массообмена и уравнений х-ьЗхгацГ ^^ гидродинамики. В главе дан анализ физических величин и х- |

<1Р

обоснование граничных условий. Оптимизация параметров токоввода является вари- Холодный конец

ационной задачей на нахождение условного экстремума. х=0 I Т=Т0 На практике чаще всего накладываются ограничения на Ч0= т0г

габариты токоввода, что дает возможность решать рИс. 9. Расчетная вариационную задачу на безусловный экстремум. Для схема токоввода нахождения оптимального распределения тепловых потоков дх по длине токоввода используется вариационный метод множителей Лагранжа. Обобщенной коорд инатой взят тепловой поток дх.

На базе соотношений и табулированных зависимостей р(7), Х(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 <5, связывая формулы, позволяет для любого значения тока I устанавливать соответствие между оптимальными геометрическими размерами токоввода и распределением тепловых потоков по длине токоввода.

Як/1, мВт/А Тх/т0

18,78 30

15,35"

12,58 20

9,39

6,26 " 10

3,31 ■

0 0

Рис. 10. Распределение приведенной температуры Т/Г0 и удельных тепловых потоков дгД по длине х/1 токоввода

Графики в относительных единицах сводятся к универсальной кривой (рис. 10), справедливой для любых токов и значений множителя Лагранжа 6. По ней х/1 можно заключить, что в термодинамически оптимизированном

токовводе необходим малый градиент температур на большей части его длины - 80%, В отличие от токовводов, которыми оснащаются технологические криостаты с малым уровнем фоновых теплопритоков, в крупных сверхпроводниковых электротехнических объектах, в частности в криотурбогенераторах, применяются токовводы с регулируемым расходом криоагента без промежуточного отбора. В таких объектах отсутствует связь между теплолритоками в криостаг 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 //>* резистивнош участка токоввода в функции расхода т криоагента растут линейно. Наоборот, оптимальные длины 1С' 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 токовво до в критотурбогенератора типа КТГ-20 мощностью 20 МВт. На всех этапах исследований КТГ-20 токовводы, спроектированные согласно теории, работали эффективно и безаварийно (рис. 11). Новые научные результаты: - на базе вариационного метода неопределенных множителей Лагранжа создана аналитическая теория энергетически оптимальных и безопасных в эксплуатации пористых токовводов; - показано, что токовводы,

спроектированные по критерию минимума ,,

Рис. 11 Монтаж токовводов энергозатрат на охлаждение, оптимальны и кри0турбогснератора типа КТГ-20 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 3.3. Топологические генераторы на базе высокотемпературных сверхпроводников. Современный уровень технологии высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) не позволяет 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 плавы 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 образц а без предъявления особых требований к качеству контактов измерительной и токовой цепей, оценку объемной силы пиннинга. Экспериментально снятые рабочие характеристики ТПГ использованы при отработке технологии нанесения контактных покрытий и изготовления соединений. Созданы три экспериментальные установки, которые обеспечивали проведение измерений в трех средах - на воздухе, в жидком азоте и жидком гелии, а также моделирование условий штатной эксплуатации ТПГ (рис. 12,13).

:10®В

О 12 14 1*6 18 ¿0 22 fju

2 4 6 8 10 12 14 16 18 '«.А

Рис. 12. Характеристики х.х (штриховая) Рис. 13. Характеристики напряжения х.х.

и напряжения х.х. для разных сред для разных материалов и сред.

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

чувствительною диагностическою устройства ¡ля 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 комм\ гаторов и криогенных сред ¡лава 3.4. Разработка сверхпроводниковых топологических генераторов многофункционального использования. В сводной .аблпце 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 образец ТПГ 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 криостата 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 В топологических генераторах, где реализуется режим коммутации сопротивлением, КПД можно повысить в основном за счет снижения 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 и 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 появление неадекватных току нагрузки моментов Без решения этих задач достижение токов в нагрузке на уровне 5-5-10 кА оставалось проблематичным

/нп ТГ1Г

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

Наружный диаметр сердечника якоря, мм 60 104 122 185 79 100 124 90 100 140 161 62 167 167

Диаметр расточки якоря, мм 56 96 111 167 - 74/80 90 62 90 92 84 51 102 102

Длина якоря, мм 50 86 100 250 80 230 80 20 100 163 80 30 110 110

Площадь сечения полюсного башмака, мм^ 25х 10 46х 20 45х 11 90 х 15 - 22х 10 - 20х 10 64х 10 80х 15 - 22х 10 80 х 15 80х 15

Число полюсов 4 4 4 4,6 3 44 4 4 4 4 4 4 4 4

Диаметр индукторной катушки (по намотке), 17 17 20 44 26 17 20 12 12 20 14 30 30

внутренний внешний 46 86 80 140 82 68, 70 60 45 84 80 80 40 93 93

Высота индукторной катушки (по намотке), мм 11 14 18 15 28 15.15 32 40 20 10 14 40 20 40 40

Коэффициент заполнения по намотке 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 04 0 4 0,4 0,5 0,4 0,5 0,5 0,5 05

Число индукторные катушек 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2

Число витков якорной обмотки 1 12 1 5 8 1 12 1 1 42 80 3 11 10 100

Число параллельных проводников якорной обмотки 1 1 12 10 105 1 12 1 9 1 80 3 16 16

Толщина материала якорной обмотки ниобиевая фольга, мкм ниобиевая проволока, мм ниобиево-оловянный провод-сырей, мм 70 15 25 25 20 25 25 50 50 25 25 50

0 16

1

ЭДС, мВ 6 50 8 12 30 16 50 6 5 20 3 13 5 .1 50 500

Ток нагрузки, А 15 450 150 1500 1650 3500 200 0 175 0 750 500 0 200 0 60 260 630 375 0 300 160 0 250

Постоянная соленоида нагрузки (для геометрического центра), Тл/А 0,26 3 5 3 10: 2,28 Ю"1 1,7 10' 4,3 10"' 2 92 10"4 4,3 5 3 102 5 3 10"" 1,7 10' 2,92 ю-1 2,28 10' - -

Индуктивность нагрузки (в нормальном состоянии), Гн 3 37 0 37 0,4 10""' 13 10' 2 75 10' 1,76 10 ' 2 75 10 0,37 0,37 13 10! 1,70 10" 0,4 ю-' - -

Запасенная в нагрузке электромагнитная энергия, Дж 380 4150 545 2М'0С 775 - 775 415 0 415 0 260 0 - 545 - -

Топологические генераторы ТПГ-4/3, ТПГ-4/4, ТПГ-10/2. ТПГ-15/1. ТПГ-15/2, ТПГ-18 и ТПГ-19: резистивно-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 ГШ-15/1 и ГШ -15/2: большие массо-габариты. Цель разработки: повышение линейной токовой нагрузки, исследование конструкции ферромагнитного сердечника индуктора со скошенными полюсами-зубцами.

В 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 ток. 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-15/1

Р^хКГ1, Вт ("„хШ! Вт

6-, 1.5

О 1000 2000300040005000 V О 2000 4000 «ООО 8000 10000 V

1^1 1.0

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

ДР^.хЮ'Вг,

V \

\ \ %

_Лу

/ / \ /' < -с

/\ \ \

/ N

Г У+1 V ч Ч.Г ч п ^

\

1

дхЮ , Вт;

0 1000 2000 3000 40005000 V

/

д ?У+| У /

/ / / /Л1

/ / / / / ! / ^ша-

/ / / / !/ / / э тп

А > у

0 1000 2000 3000 4000 5000 V

г

Рис. 14. Мгновенные и средние значения мощностей (б), потерь на коммутацию (в) и КПД (г) с учетом и без учета (с индексом *) потерь на вихревые токи топологического генератора ТПГ-1/2 в функции числа циклов работы. Сплошные линии - индуктивность резистивко-(ЩЩХВСЩЩОксмиутнсра = 1,15-ю-7 Гн, штриховые - 0,57-Ю"7 Гн 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-модупьного исполнения якорной обмотки и резистивно-сверхпроводящего коммутатора как одно целое (рис. 15), а также спиральной (одно) двухзаходной обмотки из широкой сверхпроводниковой ленты.

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

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

Топологический генератор ТПГ-18: набранный из

листовой электротехнической стали сердечник якоря,

оптимальная форма ферромагнитных узлов, резистивно-

сверх про водящий коммутатор - цилиндр двухслойный

да спаянных внахлёст ниобиево-оловянных лент, катушки

возбуждения — компаундированные и бескаркасные,

мэкзубцрвое пространство заюпнено пенопластом.

Цель разработки: создание головного образца

малогабаритного ТПГ многофункционального

Рй%нЙеШ&!6 псй&'1 базе использования в

погружением в криоспзт _ _____

с диаметром гелиевого резистив но-с верх проводящем коммутаторе жестких

сосуда 300 ММ сверхпроводников 2-го рода.

Первые 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, 17) 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 о&ьеме нагрузки. Ток в цепи падает до нуля и снова начинает расти по линейному закону.

Рис. 16. ТПГ-18:

(о) - продольный разрез; (6) - перед испытанием на нагрузку (внизу)

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 мм' (рис. 16,6) с помощью ТПГ-18 получен ток 8,6 кА, что является рекордным значением, достигнутым с помощью единичного агрегата.

Топологические 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 1п — 172 А, создающий магнитное поле Ва =8,2 Тл. В ТПГ-21 (рис. 17) применен ферромагнитный сердечник индуктора со скошенными полюсам и -зубцами. РСК представляет собой кольцевую трехслойную катушку из иобиево-оловянной ленты. Витки намотаны под углом, противоположным скосу полюсов-зубцов. Благодаря этому достигнут ток 1,6 кА, напряжение 4,2 мВ, точность установки поля Рис. 17. Малогабаритный порядка Ю"5.

топологический генератор ТПГ-21 Новые научные результаты : - впервые (вверху) и нагрузка. в отечественной и мировой практике

создан типовой ряд ТПГ

многофункционального использования на токи до \ 0 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-накопительно го комплекса УНК-ЗТэВ, ЭДС - 80 мВ, ток -

6,8 кА; - в малогабаритных ТПГ, предназначенных для питания сверхпроводниковых нагрузок с запасенной энергией до 1МДж, ЭДС - 4 мВ, ток нагрузки - 8,6 кА; - топологические генераторы ТПГ-2, ТПГ-15, ТПГ-16, ТПГ-17 иТПГ-18 изготовлены с учетом технической эстетики; - разработан герметичный высокомоментный привод на базе серийных двигателей.

Глава 3.5. Опыт создания еверхпроволниковых электрических машин с топологическим возбудителем, В главе показана техническая возможность создания бесщеточной системы возбуждения сверхпроводниковых синхронных машин на базе вращающихся и статических топологических возбудителей. 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

Рис, 18. Узлы бесконтактного сверх проводникового синхронного Рис. 19. «Начинка» ротора генератора с топологическим возбудителем ТПГ-9/2

сверх проводниковый синхронный генератор вертикального исполнения мощностью 18 кВт с топологическим возбудителем ТПГ-9/2. Испытания узлов ротора бесконтактного синхронного генератора (рис. 18), включая комплексные испытания возбудителя ТПГ-9/2,

проводились поэтапно: в технологическом криостате — внутренняя часть ротора (рис. 19) и ротор в сборе - на вакуумном стенде. Стендовые испытания сверхпроводникового синхронного генератора завершились снятием его характеристики 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 тока в сверхпроводниковые электроэнергетические устройства на основе комплексного использования сверхпроводниковых топологических электрических машин и токовводов, включая создание общей теории и разработку типового ряда топологических генераторов - с механическим приводом и статических, топологических преобразователей, топологических электромагнитных муфт и пористых токовводов с высокими номинальными параметрами, их всестороннего экспериментального исследования, оптимизации электромагнитных и тепловых параметров с использованием современного математического аппарата. Новые результаты:

1. На основе экспериментального исследования механизма проникновения магнитного поля в тонколистовые образцы сверхпроводниковых материалов из жестких сверхпроводников 2-го рода с близким к единице магнитометрическим коэффициентом размагничивания впервые разработаны принципы конструирования коммутаторов нового класса- фазовыхрезистивно-сверхпроводящих коммутаторов. Показано, что топологический генератор представляет собой электрическую машину постоянного тока с фазовым резисгивно-сверхпроводящим коммутатором.

2. Впервые разработана аналитическая теория топологических электрических машин. Выражения имеют общий характер и пригодны для расчета параметров и характеристик топологических электрических машин различного исполнения. С использованием теории множеств доказано, что необходимым и достаточным условием возникновения «топологического» эффекта в резистивно-сверхпроводящем коммутаторе является образование магнитопроводящей зоны - нормальной, промежуточного, смешанного состояния.

3. Впервые теоретически и экспериментально исследованы топологические статические преобразователи с несимметричными ветвями, что позволило сопоставить различные коммутационные режимы и обосновать условия, обеспечивающие оптимальное протекание коммутационного процесса.

4. Впервые созданы универсальные автоматизированные системы питания и управления топологических статических преобразователей, обеспечивающие широкий спектр коммутационных режимов - сопротивлением и напряжением.

5. Впервые экспериментально исследованы магнитные поля и электромагнитные 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 сверхпроводниковых материалов и подтвердждают достоверность теоретически обоснованных условий возникновения «топологического» эффекта.

6. Впервые предложен метод термодинамической оптимизации механического передачи топологического генератора и разработана типовая конструкция герметичного электропривода. Впервые создана и исследована топологическая электромагнитная муфта. Для синтеза сверхпроводниковой обмотки возбуждения

муфты впервые методом регуляризации решена некооректная обратная задача.

7. Впервые численно решена комплексная задача расчета геометрических и теплофизических параметров и выбора режима охлаждения энергетически оптимальных шунтированных сверхпроводником пористых токовводов.

8. Впервые разработано на уровне изобретений и патентов 29 сверхпроводниковых топологических электрических машин, устройств и токовводов, в конструкциях которых реализованы выводы и рекомендации теории по повышению КПД, надежности и совершенствованию технологии, а также требованиям техническойэстегики.

9. Впервые разработаны принципы проектирования сверхпроводниковых 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.

10. Впервые получила научное обоснование принципиальная возможность разработки топологических генераторов на базе использования любых, прежде всего, жестких сверхпроводников 2-го рода, и созданы агрегаты с рекордными параметрами: ток 10 кА, напряжение 80 мВ, удельная токовая нагрузка 1кА/кг. Публикации. Основной материал диссертации опубликован в 70 работах, среди которых 1 монография, 33 статьи, 8 тезисов докладов, 26 авторских свидетельств и 2 зарубежных патента.

Монографии

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

Рецензируемые журналы

2. Антонов Ю.Ф., Блохин Ю.В., Доманская Е.Ю. и др. Униполярные сверхпроводниковые машины для систем электродвижения судов// Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. —1983. —№ 1.—С. 73—77.

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

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

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

6. 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.

7. Антонов Ю.Ф., Макушенко Ю.Н., Рыжиков М.А. и др. Экспериментальные исследования потерь в сверхпроводящих топологических генераторах// Изв. ВУЗов. Электромеханика.—1982.— № 11.—С. 1318—1325.

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

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

10. Антонов Ю.Ф., Осипян A.B., Шахтарин В.Н. Распределение магнитного поля в сверхпроводящем топологическом генераторе// Электротехника. —1988.—№ 7. —С.47—50. •

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

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

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

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

15. 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

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

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

18. 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.

19. Антонов Ю.Ф. Сверхпроводниковая топологическая электромагнитная муфта/ / Проблемы создания и эксплуатации новых типов электроэнергетического оборудования. Вып. З.СПб.: ОЭЭПРАН.—2001.—С. 83—107.

20. Антонов Ю.Ф., Астапова В.И., Бабенко В.А. и др. Расчет токоввода для криотурбогенератора , по критерию минимума энергозатрат// Сверхпроводниковые электрические машины. JI: ВНИИэлектромаш. —1983. — С. 143—150. "

21. 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.

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

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

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

25. Антонов Ю.Ф., Рыжиков М.А., Шахтарин В.Н. Влияние намагничивания сверхпроводящей нагрузки на характеристики топологического генератора//

Электрические машины. Сверхпроводниковые генераторы. Л.: ВНИИэлекгромаш.—1979.—С. 174—185.

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

27. Казовский ЕЛ., Антонов Ю.Ф. Элементы теории сверхпроводящих электрических устройств, работающих на принципе движения квантованных нитей магнитного потока// Вопросы применения сверхнизких температур в электротехнике. Л.: Наука.—1971.—С. 60—74. ' ; ' »- ■ „ . ,

28. 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 - ,

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

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

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

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

32. 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.

33. Глебов И.А., Шахтарин В.Н., Антонов Ю.Ф. Экспериментальные исследования и перспективы использования топологических генераторов// Сверхпроводники и гиперпроводники в электрических машинах и электроэнергетике. Тез. докл. Межвузовской науч.-техн. конф. М.: МАИ. —1974,—С. 20.

34. Глебов И.А., Шахтарин В.Н., Антонов Ю.Ф. Экспериментальные исследования и перспективы использования топологических генераторов// Сверхпроводники и гиперпроводники в электрических машинах и электроэнергетике. ,Тез. докл. Межвузовской науч.-техн: конф. М.: МАИ.■—1974.—С.20.

35. 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.

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

37. 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 по теоретич. и электрофиз. проблемам электроэнергетики Отделения физико-математич. проблем энергетики АН СССР. — Москва. — 1974.

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

39. Антонов Ю.Ф., Бауров Ю А., Меркурова С.П. Модель топологическою 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.

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

41. 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.

42. Baurov Yu.A., Merkurova S.P., Seijogin B.M., Antonov Yu.A., Ermolov S.N. High-Temptrature superconducting topological generators//Proceedings of the VI Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on High-Temptrature Superconductivity. Dubna, September 14—18,1993. Dubna.—1994. Editors—Aksenov V.L., KomilovE.I.

Авторские свидетельства и зарубежные патенты

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

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

45. А.с. 551987 (СССР). Сверхпроводящая электрическая машина постоянного тока/ Антонов Ю.Ф., СладковГГ., ШахтаринВ.Н.—Опубл. 22.01.1976.

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

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

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

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

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

51. А.с. 976813 (СССР). Криотронный преобразователь/ Антонов Ю.Ф., Коськин Ю.П., Микуцкий А.С., Северин В.М.

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

53. А.с. 1055293 (СССР). Устройство для исследования образцов сверхпроводящих обмоточных материалов/ Антонов Ю.Ф., Рыжиков М.А., Сладков Г.В., ШахтаринВ.Н. —1983.

54. А.с. 1072739 (СССР). Бесконтактная сверхпроводящая синхронная машина/ Антонов Ю.Ф., Рыжиков М.А. —1983.

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

56. А.с. 1083869 (СССР). Сверхпроводящий криотронный преобразователь/ Антонов Ю.Ф., Микуцкий А.С., Шишмарева JI.B., Фадеев В. Д.

57. А.с. 1091821 (СССР). Сверхпроводящая электрическая машина постоянного тока/ Антонов Ю.Ф., Доманская Е.Ю.—08.01.84.

58. А.с. 1105085 (СССР). Сверхпроводящее устройство/ Антонов Ю.Ф., Доманская Е.Ю., Рыжиков М.А.—22.03.84.

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

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

61. А.с. 1321325 (СССР). Сверхпроводящая электрическая машина топологического типа/Антонов Ю.Ф., Осипян А.В., ШахтаринВ.Н.—Опубл. 18.03.85.56.

62. А.с. 1376889 (СССР). Сверхпроводящая электрическая машина топологического типа/ Антонов Ю.Ф., Осипян А.В.—Опубл. 01.07.86.

63. А.с. 1414247 (СССР). Сверхпроводящая электрическая машина постоянного тока топологического типа/Антонов Ю.Ф., Доманская Е.Ю., Рыжиков М.А. — Опубл. 01.04.88

64. А.с. 1651702 (СССР). Устройство для испытания образцов сверхпроводниковых обмоточных материалов/ Антонов Ю.Ф., Евсеев В.И., Рыжиков М.А.

65. А.с. 1671122 (СССР). Сверхпроводниковая электромагнитная муфта/ Антонов Ю.Ф., Доманская Е.Ю. —15.04.91.

66. А.с. 1734552 (СССР). Двухьякорный сверхпроводниковый генератор постоянного тока топологического типа/Антонов Ю.Ф., Рыжиков М.А.—Опубл. 15.01.92.

67. Свидетельство на промышленный образец 4577. Машина электрическая сверхпроводящая/ Антонов Ю.Ф., Сладков Г.В., Шишмарева JI.B..

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

69. Пат. 4352033 (США). Contactless superconducting synchronous electrical machine/ Antonov Yu.F., Glebov I. A., Shakhtarin V.N. — Опубл. 28.09.82.

70. Пат. 3027340 (ФРГ)- Kontaktlose supraleitende Synchronmaschine/Antonov Ju.F., Glebov I.A., Shakhtarin V.N. Пат. 3027340 (ФРГ). —Опубл. 27.10.83.

Ю.Ф. Антонов.

Автореферат диссертации «Сверхпроводниковые топологические электрические машины». - СПб.: Янус, 2007, 36 с.

Подписано к печати 12.02.2007. Зак. 125. Формат 60x84 1/8 Бумага офсетная. Тираж 100 экз Отпечатано в типографии Иэдательско-полиграфического комплекса С -Петербург, наб. Макарова, 22