Введение к работе
Актуальность темы.
В современной электромеханике большое внимание уделяется "применению в электромеханических преобразователях высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Надо отметить, что получаемые с помощью ВТСП сильные магнитные поля и высокие значения токовой нагрузки позволяют улучшить ряд показателей электромеханических устройств, таких как удельная мощность, коэффициент мощности, КПД, при относительной простоте и дешевизне криогенного оборудования. В МАИ в последние 10-15 лет ведутся работы по применению объемньк ВТСП элементов (цилиндров, дисков колец, сегментов колец, пластин) в криогенных электродвигателях с охлаждением жидким азотом
Одно из основных направлений этих исследований связано с использованием объемных ВТСП в гистерезисных электродвигателях (ВТСП ГД). Интерес к разработкам таких двигателей связан с тем, что материал ротора, выполненный из объемных керамических сверхпроводниковых материалов (керамики на основе иттрия. YBCO), изготовленных по уникальным технологиям, обладает существенно лучшими характеристиками, чем традиционные магнитные материалы из обычных магнитотвердых гистерезисных материалов (викалой, альни, альнико и др ) При этом надо отметить, что уровень рабочих криогенных температур обеспечивается дешевым криоагентом — жидким азотом, что существенно упрощает системы криостатирования ВТСП двигателей.
Разработка ВТСП ГД требует исследования сложных взаимосвязанных электродинамических процессов в активной зоне ВТСП ГД которые в настоящее время в литературе рассмотрены недостаточно полно.
В этой связи данная работа, посвященная исследованию электромагнитных и гистерезисных процессов в активной зоне ВТСП ГД, является актуальной и представляет несомненный практический интерес, что подтверждается вниманием к данным исследованиям со стороны ведущих отечественных и зарубежных научных центров Разработанные в работе теоретические подходы и методы расчета ВТСП ГД используются на этапах проектирования ВТСП ГД для отработки технологии изготовления объемных ВТСП элементов.
В плане применения ВТСП ГД можно указать на их возможное использование в качестве приводов криогенных насосов, например, в новых типах самолетов "Крио-план" АО Туполев, а также в системах водородной энергетики для перекачки экологически чистого топлива — жидкого водорода. Программа по созданию таких самолетов была начата в АО "Туполев" в конце прошлого столетия и, несмотря на экономические трудности, продолжается в настоящее время. На каф. 310 МАИ были изготовлены лабораторные модели ВТСП ГД для учебных институтов зарубежных стран (ІРНТ, г. Йена, Германия и университет в г Лиссабон, Португалия и др )
Цель и задачи работы
Целью диссертационной работы является разработка новых типов гистерезисных ВТСП двигателей с объемными ВТСП элементами в роторе Для достижения этой цели в данной работе были поставлены и решены следукнцие задачи-
РОС .<>. ~
у С .і.
выбор рациональных конструктивных схем ВТСП ГД;
разработка аналитических методов расчета двумерных магнитных полей и индуктивных параметров ВТСП ГД цилиндрического и торцевого исполнения;
создание опытных моделей ВТСП ГД и экспериментальное исследование их характеристик;
создание специализированных стендов для комплексного исследования новых типов ВТСП электродвигателей;
разработка рекомендаций по применению новых типов гистерезисных ВТСП двигателей.
Методы исследования.
Для решения поставленных задач использовались методы математической физики, теория электромагнитного преобразования энергии, теория электрических машин. В основу метода расчета магнитных полей положены аналитические решения дифференциальных уравнений электродинамики при заданных граничных условиях на границах сопряжения сред. Учет свойств ВТСП элементов проводится на основе обобщенной модели Бина и Кима-Андерсона и др. для критических токов Учет магнитной цепи ВТСП ГД производился на основе теории магнитных цепей. Для решения систем уравнений использовалась вычислительная техника и программный продукт TurboPascal 7.0 Для проверки адекватности выбранных математических моделей и методик расчета были проведены экспериментальные исследования серии ВТСП ГД различного конструктивного исполнения
Научная новизна.
Научная новизна полученных результатов сводится к следующему
предложены новые схемы гистерезисных ВТСП двигателей, обладающие улучшенными удельными массогабаритными показателями по сравнению с ГД традиционного исполнения;
получены аналитические решения задач, описывающие двумерные распределения электромагнитных полей в активной зоне ВТСП ГД с учетом магнитных характеристик структуры ВТСП материалов;
разработаны теоретические методы расчета параметров и характеристик ВТСП ГД различного конструктивного исполнения;
созданы модели ВТСП ГД различного конструктивного исполнения;
получены экспериментальные данные, подтверждающие обоснованность выбранных теоретических моделей.
Практическая ценность работы
- разработаны конструкции гистерезисных ВТСП двигателей с цилиндрическим и
дисковым ротором, позволяющие снизить в 1.2 ... 1.5 раза потери по сравнению с
традиционными (несверхпроводниковыми) ГД,
созданы математические модели, алгоритмы и программы расчета параметров и характеристик ВТСП ГД с цилиндрическим и торцевым ротором;
изготовлены опытные образцы ВТСП ГД мощностью от 50 Вт до 4 кВт с высоким значением удельной мощности.
Перечисленные результаты были получены либо лично автором, либо при его активном участии.
Реализация результатов
Разработанные алгоритмы и программы расчета ВТСП ГД переданы научно-исследовательским институтам (НИИЭМ, АКБ "Якорь" и др.) для использования в проектных расчетах. Материалы диссертационной работы используются в МАИ на кафедре 310 в курсе "Сверхпроводниковые и криогенные устройства" и используются при курсовом проектировании. Результаты работы использовались в при проектировании и изготовлении различных ВТСП ГД в лаборатории кафедры 310 МАИ. Внедрение подтверждается актами о практическом использовании результатов работы
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-
технической конференции «Школа по сверхпроводимости» (Протвино, 21.05 -
26 05.2000), на 7 Advanced Studies on Superconducting Engineering, 2-7 сентября
2001 г, (г. Балатон-Алмади, Венгрия), на конференциях молодых ученых в МАИ Ре
зультаты диссертационной работы рассматривалась на кафедре "Электроэнергетиче
ские, электромеханические и биотехнические системы" в рамках объединенных рос
сийско-германских научных семинаров по проблемам ВТСП двигателей в 1999 г. и в
2001 г. '
Структура и объем работы
