Введение к работе
Актуальность. В настоящее время, несмотря на устойчивую тенденцию разработок и внедрения энергосберегающего оборудования, наблюдается значительный рост потребления электроэнергии, требующий совершенствования электроэнергетических систем с точки зрения эффективности, материалоемкости и экологической чистоты. Современные сверхпроводниковые технологии позволяют в наиболее полной мере удовлетворить этим требованиям, как в промышленных, так и в бортовых электроэнергетических комплексах, а также перейти к решению проблем водородной энергетики. Не умаляя значение низкотемпературных сверхпроводников, необходимо отметить, что перспективы развития промышленной и бортовой энергетики в настоящее время связаны с широким внедрением технологий на базе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП).
В этой связи в России и за рубежом активно разрабатываются электромеханические преобразователи на основе ВТСП как стационарного назначения, так для подвижных объектов. Основной объем этих исследований направлен на создание нового поколения электрических машин с обмотками из ВТСП проводов и системами их криостатирования в температурном диапазоне 20...50 К.
В последние годы прогресс в производстве объемных и листовых композитных ВТСП материалов позволяет также разработать и создать принципиально новые типы ВТСП электрических машин с охлаждением на уровне температуры жидкого азота (77К). По сравнению с обычными электромеханическими преобразователями, электрические машины с объемными и композитными ВТСП элементами имеют в 2...5 раз большие значения выходной мощности и повышенный коэффициент мощности. Важно также отметить, что система криостатирования на таком температурном уровне существенно проще, чем у машин с ВТСП обмотками.
Несмотря на заметные успехи в исследовании электрических машин с объемными и композитными ВТСП элементами и ВТСП проводами второго поколения вопросы, касающиеся расчета и проектирования в литературе, не рассматриваются достаточно полно. В этой связи, данная работа, посвященная разработке методов расчета и проектирования СП электрических машин, а также экспериментальному исследованию опытных образцов, представляется актуальной и имеет несомненный практический интерес.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка и создание синхронных электрических машин с обмотками из композитных сверхпроводящих проводов, а также электродвигателей с ВТСП листовыми композитами и объемными сверхпроводящими элементами в роторе, обладающих улучшенными массогабаритными и энергетическими параметрами и работающих в среде жидкого азота при температуре 77 К.
Диссертационная работа направлена на повышение удельной мощности электрических машин и их энергетических параметров (коэффициент мощности, КПД) за счет использования:
-для бортовых синхронных генераторов - сверхпроводниковых и криопроводниковых обмоток, рациональной конструкции беззубцового статора, отсутствия ферромагнитопровода ротора;
- для электропривода - ВТСП объемных, композитных или наноструктурированных материалов в роторе и криогенного охлаждения обмотки статора.
Задачи работы. В работе поставлены и решены следующие основные задачи.
-
Разработка методик проектного и поверочного расчетов бортовых СПСГ с композитными НТСП обмотками.
-
Разработка методик проектного и поверочного расчетов гистерезисных и реактивных ВТСП электродвигателей, а также электродвигателей с постоянными магнитами и ВТСП элементами.
-
Разработка, создание и испытания макетных образцов новых типов ВТСП электрических машин с различными системами криостатирования (в том числе, при температуре жидкого азота 77К).
-
Определение рациональных областей применения бортовых электрических машин с различными типами СП токонесущих элементов различного уровня мощности, оценка их эффективности и рекомендации по их использованию в электроэнергетических комплексах различного назначения.
Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов. Сформулированные в диссертации научные положения, выводы и рекомендации обоснованы полученными в работе теоретическими решениями электродинамических задач и экспериментальными результатами, полученными на макетах СП машин. Теоретические разработки диссертации основаны на известных положениях электротехники, теории электромеханического преобразования энергии, теории поля, теории теплопроводности, электродинамики жестких сверхпроводников второго рода. Достоверность полученных результатов обоснована экспериментальными исследованиями опытных образцов различных типов ВТСП электрических машин мощностью 1.. .100 кВт.
При разработке проектных методик использовались методы математической физики и теории поля, аналитические и численные методы решения уравнений электродинамики, прикладные методы расчета процессов в жестких сверхпроводниках второго рода, теория электромеханического преобразования энергии. При решении систем уравнений электродинамики использовалась вычислительная техника и пакеты: Borland Pascal 7.0, Borland Delphi 4.0, MathCAD 7.0, Maple 5.3, QuickField 4.1 и MS Excel. Адекватность разработанных методик расчёта подтверждается многочисленными экспериментальными исследованиями на макетных образцах СП электрических машин различного конструктивного исполнения в диапазоне мощности 1...780кВА.
Связь темы диссертации с НИР. Диссертационная работа отражает результаты исследований, выполненных под руководством и при участии автора в рамках совместных Российско-Германских проектов BMFT X.222.71 в 1995г. (ВТСП электродвигатель), BMBF 13N6854 в 1996-1998гг. (ВТСП электродвигатель мощностью 10 кВт), BMBF 13N6854A в 1999-2003гг. (ВТСП электродвигатель мощностью до 500 кВт), договору SfP#924241 между МАИ и Оксфордским университетом (Оксфорд, Великобритания) в 2000-2002гг. по созданию бесконтактных электродвигателей с высокотемпературным сверхпроводниковым ротором, а также грантов РФФИ 93-02-17436-а в 1993-1995гг., 05-08-01159-а в 2005-2007гг., 07-08- 12081-офи в 2007-2008гг., 09-08-07025-д в 2009-2010гг. Результаты исследований вошли в соответствующие отчеты по НИР и опубликованы в 56 научных статьях и двух монографиях. Научная новизна работы.
-
-
Разработаны новые конструктивные схемы, защищенные патентами РФ, СП электрических машин на основе различных типов ВТСП токонесущих элементов в роторе.
-
Разработан комплекс методик проектного и поверочного расчетов электрических машин на основе НТСП проводов и объемных ВТСП элементов в роторе для электроэнергетических комплексов различного назначения.
-
Разработаны и созданы экспериментальные образцы электрических машин с ВТСП объемными элементами в роторе мощностью 1...100 кВт. Проведены их испытания как при нормальной температуре кипения жидкого азота (77К) и при пониженной (66К), так и при температуре жидкого водорода (20К).
-
Разработан, создан и испытан экспериментальный бортовой криогенный синхронный генератор мощностью 780 кВА с НТСП рейстрековым индуктором из композитных проводов на основе Nb-Ti и криопроводниковым якорем из сверхчистого алюминия.
Практическая полезность работы. Разработанные в диссертации методы проектного и поверочного расчета различных типов СП электрических машин и результаты экспериментального исследования их макетных образцов имеют следующее практическое значение.
-
-
-
Создан комплекс алгоритмов и программ проектного и поверочного расчета новых типов ВТСП электрических машин различного уровня мощности в диапазоне 1.780кВА.
-
Созданы и испытаны опытные образцы СП электрических машин и определены их массогабаритные и энергетические характеристики
-
Экспериментально и теоретически показано, что новые типы ВТСП электрических машин имеют в 2.3 раза большую удельную мощность по сравнению с аналогичными машинами традиционного исполнения.
-
Сформулированы рекомендации по применению разработанных ВТСП электрических машин в электроэнергетических комплексах различного назначения.
-
Созданы крионасосы с ВТСП криоэлектроприводом мощностью до 1,5 кВт, в том числе, для самолета с жидководородным топливом.
Реализация результатов работы. Научные результаты внедрены на ведущих предприятиях (организациях) отрасли: ОАО АКБ ЯКОРЬ (Москва) при разработке криогенного макета бортового синхронного генератора; НИИЭМ (г.Истра, Московская обл.) при разработке ВТСП электропривода криогенной топливной помпы.
Они использованы в учебном процессе по дисциплине «Криогенные и сверхпроводниковые устройства» в качестве пособий по курсовому и дипломному проектированию. Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались автором и обсуждались на следующих российских и международных конференциях и симпозиумах:
международная конференция по магнитной технологии (МТ-17, Ленинград, СССР, 1991);
на 3-х сторонних семинарах (Россия-Германия-Украина) по Прикладной Сверхпроводимости в 1992г. (Дубна, Россия) и в 2000 г. (Гармиш-Партен- Кирхен, Германия);
на международной конференции по инженерному делу в криогенике (ICEC- 17, Борнмут, Великобритания, 1998г.);
на симпозиумах «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА-2010» в 1999 г., 2003 г. (Солнечногорск, Московская область, Россия);
на Европейских Конференциях по Прикладной Сверхпроводимости (EUCAS): EUCAS'99, Ситджес, Испания, 1999г.; EUCAS'01, Копенгаген, Дания, 2001г.; EUCAS'03, Сорренто, Италия 2003г.; EUCAS'05, Вена, Австрия, 2005г.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы и ее результатов полностью отражено в 65 научно-технических работах автора, включающих 2 монографии, 7 патентов, доклады на российских и международных конференциях, патенты и статьи в отечественных и зарубежных журналах, в частности, 15 статей в журналах, рекомендованных перечнем ВАК. Перечень основных публикаций автора приведен в диссертации в полном объеме, а в автореферате в сокращенном виде.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 314 страницах основного текста с 20 таблицами, иллюстрирована 121 рисунком, состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников из 176 наименований.
Похожие диссертации на Разработка синхронных электрических машин с композитными и объемными сверхпроводниками в роторе
-
-
-
