Гистерезисные электродвигатели на основе объемных высокотемпературных сверхпроводников тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат технических наук Модестов, Кирилл Андреевич

• Модестов, Кирилл Андреевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Модестов, Кирилл Андреевич

Введение.

I Состояние разработок в области электрических машин на основе ВТСП.

1.1. Основные направления применения высокотемпературных сверхпроводников в сильноточной электромеханике.

1.2. Классификация и общая характеристика сверхпроводниковых электрических машин.

1.2.1. Электрические машины с композитными ВТСП проводами на роторе.

1.2.2. Электрические машины с композитными ВТСП проводами на статоре.

1.2.3. Электромеханические преобразователи с объемными композитными листовыми элементами.

1.3. Конструктивные схемы и характеристика гистерезисных ВТСП двигателей.

1.4. Объемные YBCO-элементы, применяемые в гистерезисных ВТСП двигателях.

Выводы.

II Теоретические методы расчета гистерезисных ВТСП двигателей с цилиндрическим монодоменным YBCO ротором.

Введение.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Решение уравнения для векторного потенциала в активной зоне машины.

2.2.1. Область воздушного зазора.

2.2.2. Область токовой зоны ВТСП-цилиндра.

2.2.3. Область ВТСП-цилиндра без токов.

2.2.4. Область ферромагнитного сердечника.

2.3. Схема замещения, векторная диаграмма и основные энергетические параметры ВТСП ГД.

2.4. Приближенный учет влияния статора.

2.5. Структура программы и результаты расчета параметров ВТСП ГД.

Выводы.

III Теоретические методы расчета гистерезисных ВТСП двигателей с цилиндрическим поликристаллическим YBCO ротором.

Введение.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Решение уравнения для векторного потенциала в активной зоне машины.

3.2.1. Область ферромагнитного сердечника.

3.2.2. Область керамического ВТСП-цилиндра.

-33.2.3. Область воздушного зазора.

3.3. Схема замещения, векторная диаграмма и основные энергетические параметры ВТСП ГД.

3.4. Приближенный учет влияния статора.

3.5. Структура программы и результаты расчета параметров ВТСП ГД.

Выводы.

IV Теоретические методы расчета торцевых многодисковых ВТСП двигателей.76 Введение.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Решение внутренней электродинамической задачи.

4.3. Решение внешней электродинамической задачи.

4.4. Основные соотношения для определения выходных параметров ВТСП ГД.

1.5. Принципы построения уточненных решений задачи.

Выводы.

V Экспериментальные исследования гистер езисных ВТСП двигателей с объемными YBCO элементами.

Введение.

5.1. Криогенно-вакуумное оборудование и стенды для экспериментального исследования ВТСП двигателей.

1.2. Экспериментальные исследования ВТСП ГД.

1.1.1. Экспериментальные исследования гистерезисных ВТСП двигателей мощностью до 100 Вт.

1.1.2. Экспериментальные исследования гистерезисных ВТСП двигателей мощностью 500 - 1000 Вт.

1.1.3. Экспериментальные исследования торцевых гистерезисных ВТСП двигателей.

1.1.4. Экспериментальные исследования гистерезисных ВТСП двигателей при пониженных температурах.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Гистерезисные электродвигатели на основе объемных высокотемпературных сверхпроводников»

Важное место в современных электрических системах занимают гистерезисные электроприводы. Они применяются в робототехнике, в медицинском оборудовании, в ряде систем специального назначения.

Открытие в 1986 году высокотемпературной сверхпроводимости позволило приступить к исследованиям, разработки и созданию электрических машин на ее основе. За прошедшие годы материаловедение, конструкторские разработки, изучение физики сверхпроводников развивались параллельными шагами. Если первые высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) на основе соединений лантана имели температуру второго перехода Т^ приблизительно 30 - 40 К, то в настоящее время активно применяются ВТСП с Ткр2 = 80 - 90 К (керамические соединения на основе висмута, иттрия и неодима), получены первые материалы обладающими Ткр2 более 120 . 130 К (соединения на основе ртути). Настоящая работа посвящена одному из наиболее перспективных классов электрических ВТСП машин - гистерезисным двигателям с роторами на основе объемных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП ГД).

Целью диссертации является создание новых типов гистерезисных электродвигателей с объемными высокотемпературными сверхпроводниковыми элементами.

В ходе выполнения работы были поставлены и решены следующие основные задачи:

- разработка аналитических методов расчета двумерных электромагнитных процессов и выходных характеристик ВТСП ГД с цилиндрическим монодоменным ротором;

- разработка аналитических методов расчета двумерных электромагнитных процессов и выходных характеристик ВТСП ГД с цилиндрическим поликристаллическим ротором;

- разработка аналитических методов расчета электромагнитных процессов и выходных параметров торцевого ВТСП ГД с многодисковым монодоменным ротором;

- проведение численных исследований предельных выходных параметров и расчет магнитных полей ВТСП ГД различных конструкций с охлаждением жидким азотом;

- создание модели ВТСП ГД и проведение экспериментальных исследований их характеристик, а также сопоставление опытных и расчетных данных.

Методы исследования. В основу метода расчета магнитных полей положено аналитические методы решений дифференциальных уравнений электродинамики при заданных условиях сопряжения на границах. Учет свойств ВТСП элементов проводится на основе обобщенной модели критического состояния Бина. Учет насыщения магнитной цепи производился на основе теории магнитных цепей.

Научная новизна.

- предложены новые схемы ВТСП ГД, обладающие в 2 - 3 раз лучшими удельными массогабаритными показателями;

- получены аналитические решения задач, описаны двумерные магнитные поля в активной зоне ВТСП ГД с учетом характеристик ВТСП материалов;

- разработаны математические модели, алгоритмы и программы расчета электрических параметров и выходных характеристик ВТСП ГД различного конструктивного исполнения;

- получены экспериментальные данные, подтверждающие основные положения разработанных теоретических моделей.

Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты позволяют создавать ВТСП ГД с улучшенными (в 2 - 3 раза) массогабаритными и энергетическими характеристиками по сравнению с гистерезисными двигателями традиционного исполнения.

Реализация результатов работы. Результаты работы использовались в при проектировании и изготовлении различных ВТСП ГД в МАИ, НИИИЭМ г. Истра и фирме "Oswald" (Германия). 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). 7th Advanced Studies on Superconducting Engineering, V симпозиум "Электротехника 2010 г." 2 - 7 сентября 2001 г, г. Балатон-Алмади, Венгрия; конференциях молодых ученых в МАИ.

По теме диссертации опубликовано пять печатных работ. 1. Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Ковалев К.Л., Конеев С.М.-А., Ларионов С.А., Модестов К.А., Пенкин В.Т., Gawalek W., Oswald В. Гистерезисные и реактивные электрические машины с объемными ВТСП элементами. Новые результаты и перспективы развития. V Симпозиум "Электротехника 2010 год", том II, Моск. обл., 22 октября 1999.

2. Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Ковалев К.Л., Конеев С.М.-А., Ларионов С.А., Модестов К.А., Пенкин В.Т., Cardwell D.A., Dew-Hughes D., Мс. Culloch М., Wai Lo. Генераторы переменного тока на базе сверхпроводящих обмоток и материалов на основе YBCO. V Симпозиум "Электротехника 2010 год", том II, Моск. обл., 22 октября 1999.

3. Kovalev L.K., Ilushin K.V., Penkin V.T., Kovalev K.L., Modestov K.A., Gawalek K.A. HTS Motors Design, Recent Results and Future Development. - Superconductivity: Research and Development, 1998, No. 9, 10, p. 69 - 77

4. Kovalev L., Ilushin K., Penkin V., Kovalev K., Koneev S., Modestov K., Larionoff S., Gawalek W., Habisreuther Т., D. Litzkendorf, Oswald В., K.-J. Best, T. Strasser. New types of electric machines on the basis of the bulk HTS elements. Recent results and future development. Proc. of M2S-HTSC-VI, 20-25 February, Houston, USA.

5. Kovalev L., Ilushin K., Penkin V., Kovalev K., Larionoff A., Koneev S., Modestov K., Larionoff S., Poltavets V., Akimov I., Fisher L., V.V. Alexandrov, Gawalek W., Oswald В., G. Krabbes. Electric Machines on the Basis of the Bulk HTS Elements. State of Art and Future Progress. 7. Statusseminar "Supraleitung und Tieftemperaturtechnik", Germany, Garnisch-Pattern-Kirchen, December 2000.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемых источников и четырех приложений. Основная часть диссертации содержит 82 страницы машинописного текста, 7 таблиц и 49 рисунков на 52 листах, 4 приложений на 38 страницах. Список использованных источников содержит 6 страниц машинописного текста и включает 72 наименования. Общий объем работы составляет 176 страниц.

Заключение диссертации по теме «Электромеханика и электрические аппараты», Модестов, Кирилл Андреевич

Выводы

1. Разработаны, сконструированы и испытаны новые типы цилиндрических гистерезисных двигателей с объемными ВТСП элементами на основе иттриевой керамики (соединение 1-2-3), устойчиво работающие в среде жидкого азота.

2. Показано, что мощностные характеристики ВТСП двигателей в 3 - 4 раза лучше, чем характеристики обычных гистерезисных двигателей с теми же массогабарит-ными параметрами.

3. Механический момент не зависит от частоты вращения вала, что подтверждает гистерезисный характер формирования момента. При этом зависимость выходной мощности от тока статора имеет кубическую зависимость при неполном проникновении поля в ВТСП ротор и линейную зависимость при полном проникновении, что подтверждает построенные теоретические модели.

4. Максимальный коэффициент мощности и КПД ВТСП гистерезисного двигателя соответствует точке полного проникновения магнитного поля в ВТСП ротор, что также согласуется с теоретической моделью.

5. Характеристики двигателей существенно зависят от структуры ВТСП материала, так для поликристаллической керамики в формирование гистерезисного момента участвуют в основном токовая нагрузка гранулы, для монодоменной керамики, напротив, гистерезисный момент определяется транспортным током.

6. Экспериментально показано, что гистерезисные ВТСП электродвигатели, работающие при пониженных температурах (Т = 65К) обладают на 20% - 30% большей мощностью по сравнению с двигателями при температуре 77К.

7. Экспериментальные характеристики гистерезисных ВТСП в целом согласуются с теоретическими моделями при соответствующем выборе критических параметров (токов и размеров кристаллов) массивных ВТСП элементов ротора машины.

- 130-ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Открытие в 1986 году явления высокотемпературной сверхпроводимости дало новый импульс в развитии теоретических и экспериментальных исследований электрических машин на основе новых НТСП и ВТСП материалов. В настоящее время в ведущих научных центрах эти исследования ведутся по следующим трем основным направлениям: электрические машины с СП обмотками постоянного тока, СП машины с СП обмотками переменного тока и интенсивно разрабатываемые в последние 10 лет новые типы СП машин с объемными ВТСП элементами. Несмотря на актуальность и практическую значимость, в литературе отсутствует системное изложение теоретических методов и математических моделей расчета электродинамических процессов и рабочих характеристик новых типов электрических машин с массивными ВТСП элементами, в требуемом объеме учитывающих как характер физических процессов в современных объемных ВТСП элементах электрических машин, так и структурные и конструктивные особенности активной зоны ВТСП двигателей. В этой связи в данной работе рассматривался комплекс математических моделей, основанный на полученных автором аналитических решениях сложных электродинамических задач с применением современных численных методов.

По работе могут быть сформулированы следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. На основе аналитических решений нелинейных двухмерных электродинамических задач, учитывающих особенности физических процессов в массивных ВТСП элементах ротора машины с монодоменной » 1) и поликристаллической структурой « 1), построены математические модели для определения двумерных распределений магнитных полей и энергетических характеристик гистерезисных ВТСП двигателей различного конструктивного исполнения (цилиндрических и торцевых).

2. Результаты численных исследований показали, что зависимость мощности гистерезисных ВТСП двигателей N от тока фазы двигателя 1ф носит кубический характер (N ~ 1ф), и линейный (N~IS) - в случае полного проникновения.

3. Экспериментально показано, что механический момент М не зависит от скольжения s, что подтверждает гистерезисный характер формирования момента.

При этом зависимость выходной мощности от тока фазы статора имеет кубическую зависимость при неполном проникновении поля в ВТСП ротор и линейную зависимость при полном проникновении, что подтверждает построенные теоретические модели.

4. При заданном напряжении питания и выбранной конструктивной схеме гистерезисного ВТСП двигателя максимум мощности реализуется при плотностях критических токов Jp в ВТСП элементах ротора машины, соответствующий полному проникновению магнитного поля в ВТСП элемент. При меньших значениях критической плотности тока (J<JP в ВТСП элементе) характер зависимости мощности N от тока фазы J близок к линейному (N ~ J, режим полного проникновения поля в ВТСП элемент). При плотностях критических токов больших Jp, что соответствует режиму неполного проникновения магнитного поля в ВТСП элемент, характер зависимости мощности N от тока фазы J носит гиперболический характер^- 1IJ).

9. На базе разработанных математических моделей были выполнены проектные расчеты экспериментальных гистерезисных ВТСП двигателей с цилиндрическими и многодисковыми роторами мощностью от 100 Вт до 1000 Вт. Сопоставление результатов численных расчетов энергетических характеристик гистерезисных ВТСП двигателей с опытными данными, полученными экспериментальным путем на серии образцов гистерезисных ВТСП двигателей мощностью от 100 Вт до 1 кВт показало, что при соответствующем выборе критических токов в ВТСП керамике, теоретические кривые согласуются с экспериментом в пределах 5 - 7%.

10. Анализ полученных теоретических и экспериментальных данных показал, что гистерезисные ВТСП двигатели с охлаждением активной зоны жидким азотом (77 К) обладают более высокими энергетическими характеристиками (в 3 - 4 раза) по сравнению с гистерезисными двигателями традиционного исполнения. При снижении температуры в активной зоне ВТСП двигателя до 65 К их удельные энергетические показатели возрастают в 1,5-2 раза по сравнению с показателями при уровне температур кипения жидкого азота (77 К) при нормальном давлении.

11. Предложены новые типы гистерезисных электродвигателей с массивными ВТСП элементами на роторе. Показано, что предложенные двигатели могут успешно работать при их охлаждении жидким азотом (а не гелием или неоном, как для других классов ВТСП электрических машин), что существенно упрощает конструкцию и систему криостатирования данных типов ВТСП электрических машин.

12. Как показали результаты теоретических и экспериментальных исследований, новые типы гистерезисных ВТСП электродвигателей при температуре жидкого азота (77 К) обладают существенно лучшими (в 3 - 4 раза) массоэнергетическими показателями по сравнению с гистерезисными и реактивными двигателями традиционного исполнения.

13. Системный анализ полученных результатов показал, что новое поколение электрических машин с массивными ВТСП элементами найдет широкое применение в перспективных технических разработках XXI века (в аэрокосмической технике, в силовых установках морских судов, в системах высокоскоростного наземного транспорта, в программах развития водородной энергетики и в промышленности и др)

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Модестов, Кирилл Андреевич, 2005 год

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

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

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

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

5. Вольдек А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1978. - 830с.

6. Глебов И.А., Лаверик Ч., Шахтарин В.Н. Электрофизические проблемы использования сверхпроводимости. Л.: Наука, 1980. - 250с.

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

8. Говорков В.А. Электрические и магнитные поля. М.: Энергия, 1968. - 486с.

9. Гуревич А.В., Минц Р.Г., Рахманов А.Л. Физика композитных сверхпроводников.- М.: Наука, 1987. 240с.

10. Домбровский В.В. Справочное пособие по расчету электромагнитного поля в электрических машинах. Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 254с.

11. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. М.: Энергия, 1980.

12. Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Пенкин В.Т. Электрические машины на основе высокотемпературных сверхпроводников. Состояние разработок и перспективы развития // Наука производству. 2000. № 10.

13. Гавалек В., Ковалев Л.К., Пенкин В.Т., Модестов К.А. Синхронные ВТСП электродвигатели с композитными YBCO роторами: Тез. докл. 32 Всероссийского15