Реактивные электродвигатели с объёмными высокотемпературными сверхпроводниковыми элементами в роторе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат технических наук Ларионов, Сергей Анатольевич

• Ларионов, Сергей Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ларионов, Сергей Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

I. Состояние разработок в области сверхпроводниковых машин.

1.1. Классификация электромеханических преобразователей на основе сверхпроводников.

1.2. Высокотемпературные сверхпроводники и температурные диапазоны их работ.

ВЫВОДЫ.

И. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В АКТИВНОЙ ЗОНЕ РЕАКТИВНЫХ ВТСП ДВИГАТЕЛЕЙ С КОМПОЗИТНЫМ СЛОИСТЫМ

РОТОРОМ.

ВВЕДЕНИЕ.

2.1. Классификация реактивных ВТСП двигателей.

2.2. Магнитные свойства слоистых композитных материалов ротора.

2.2.1. Характеристики слоистых композитных роторов.

2.2.2. Феноменологические модели магнитных свойств ВТСП пластин

2.2.3. Магнитные свойства ферромагнитных пластин ротора.

2.3. Общая постановка двухмерных электродинамических задач.

2.4. Построение аналитических решений для двигателей с композитным слоистым ротором с поликристаллическими ВТСП пластинами.

2.4.1. Структура решения задачи для области воздушного зазора.

2.4.2. Структура решения задачи для анизотропного композитного ротора.

2.5 Аналитические решения' задачи для ВТСП двигателя с монодоменными и блочными ВТСП пластинами.:.

2.5.1. Уравнения границ токовой зоны.

2.5.2. Построение решения для композитного слоистого ротора и воздушного зазора.

2.5.3. Определение констант интегрирования.

2.5.4. ВТСП пластины блочной структуры.

2.6. Индуктивные параметры ВТСП двигателей с композитным ротором

2.7. Векторная диаграмма реактивного ВТСП двигателя.!.

2.8. Учет влияния магнитной цепи статора на индуктивные параметры ВТСПРД.

2.9. Результаты расчётов параметров ВТСП двигателя с композитным ротором.

2.9.1. Алгоритм и программа расчёта параметров ВТСП двигателя.

2.9.2. Влияние величины воздушного зазора на выходные параметры ВТСП двигателей.

2.9.3. Влияние параметров ВТСП и ферромагнитных материалов на выходные характеристики ВТСП РД.

ВЫВОДЫ.

III. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В АКТИВНОЙ ЗОНЕ РЕАКТИВНЫХ ВТСП ДВИГАТЕЛЕЙ С ОБЪЁМНЫМИ ВТСП

ЭЛЕМЕНТАМИ НА МАССИВНОМ МАГНИТОМЯГКОМ РОТОРЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

3.1. Конструктивные схемы ВТСП двигателей с объёмными ВТСП элементами.

3.2. Общая постановка двухмерных электродинамических задач и структура решения для области воздушного зазора.

3.3. Определение эквивалентных токовых слоев на поверхности ротора.

3.3.1. Общая структура решения.

3.3.2. Определение амплитуд токового слоя на магнитомягком и диамагнитном секторах ротора.

3.4. Определение параметров реактивного ВТСП двигателя.

3.4.1. Параметры двухполюсного реактивного ВТСП двигателя.

3.4.2. Параметры многополюсных реактивных ВТСП двигателей.

3.5. Векторная диаграмма ВТСП реактивных двигателей.

3.6. Учет влияния магнитной цепи статора на индуктивные параметры ВТСП двигателей.

3.7. Результаты расчётов параметров ВТСП двигателя с объёмными элементами.

ВЫВОДЫ.

IV. ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ РЕАКТИВНЫХ

ВТСП ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

4.1. Применение метода конечных элементов для расчета параметров электродвигателей.

4.1.1. Задачи, допускающие численное двухмерное решение в ППП «Quickfield v. 4.1».

4.1.2. Уравнения, описывающие электромагнитные процессы в ВТСП РД и их численная реализация в ППП «Quickfield v. 4.1».

4.2. Методы построения рабочих характеристик ВТСП РД с использованием в ППП «Quickfield v. 4.1».

4.2.1. Определение параметров ВТСП РД по линейной части электродвигателей.

4.2.2. Приближенный учет влияния лобовых частей.

4.3. Сопоставление ВТСП РД с различной геометрией активной зоны. Результаты численных расчетов. выводы.:.

V. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ ПОГРУЖНЫХ

ВТСПРД.

ВВЕДЕНИЕ.

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

5.2. Описание экспериментальных реактивных ВТСП двигателей.

5.3. Результаты экспериментальных исследований и сопоставление с теоретическими зависимостями.

5.3.1. Порядок проведения экспериментальных работ.

5.3.2. Результаты экспериментального исследования ВТСП РД.

5.3.3. Сопоставление результатов расчётов по теоретическим моделям с опытными данными.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Реактивные электродвигатели с объёмными высокотемпературными сверхпроводниковыми элементами в роторе»

В настоящее время в сильноточной электротехнике начинают широко использоваться низкотемпературные (НТСП) и высокотемпературные (ВТСП) сверхпроводниковые материалы, что позволяет существенно улучшить энергетические и массогабаритные параметры электроэнергетических устройств. В общем объеме сверхпроводниковых (СП) энергетических устройств большая доля приходится на СП электрические машины (в основном синхронные (СМ) и униполярные (УМ)). Важно отметить, что прогресс в создании высокотемпературных СП материалов дает сильный импульс для разработки принципиально новых схем СП электрических машин. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что по сравнению с обычными электрическими машинами СП электрические машины имеют бо-# лее высокое значение выходной мощности, коэффициента полезного действия и коэффициента мощности. В связи с этим ожидается, что такие электрические машины найдут широкое применение в различных областях современной техники (таких как наземные и бортовые энергетические системы, высокоскоростной транспорт, аэрокосмическая техника, энергетические установки для морских судов, металлургическая промышленность и т. д) /21, 22, 25,26,38, 49/.

Целью диссертации является является разработка новых типов ВТСП

РД с объёмными ВТСП элементами в роторе, методов их расчёта и разработка рекомендаций по применению новых типов ВТСП РД.

Поставленная цель была достигнута в результате решения следующих задач:

• Выбор и разработка рациональных конструктивных схем ВТСП РД;

• Разработка аналитических методов расчёта двумерных магнитных полей и индуктивных параметров ВТСП РД с различными конструкциями роторов: со слоистым композитным ротором и с ферромагнитным ротором и ВТСП блоками, играющими роль концентраторов потока;

• Разработка численных методов поверочного расчёта параметров ВТСП РД различной конфигурации;

• Исследование новых типов ВТСП РД на экспериментальных стендах каф. 310 с целью подтверждения основных положений разработанных теорий.

При решении указанных задач использовались следующие методы:

• теория электромеханического преобразования энергии;

• теория синхронных машин;

• методы математической физики для решения эллиптических уравнений электродинамики и численные методы решения этих уравнений;

• методы теории функций комплексных переменных; для решения систем уравнений использовалась вычислительная техника и пакеты аналитического математического моделирования MathCAD 7.0 и Maple V Release 5; для решения задач методом конечных элементов использовались численный пакет QuickField 4.1 и программа MS Excel из состава MS Office 97. для проверки адекватности разработанных математических моделей и методик расчёта проведены экспериментальные исследования на образцах ВТСП РД различного конструктивного исполнения. Научная новизна. предложены новые схемы ВТСП РД, обладающие в 2 — 5 раз лучшими удельными массогабаритными показателями; получены аналитические решения задач, описаны двумерные магнитные поля в активной зоне ВТСП РД с учётом магнитных характеристик ВТСП и ферромагнитных материалов, геометрии активной зоны машины; разработаны математические модели, алгоритмы и программы расчёта электрических параметров и выходных характеристик ВТСП РД различного конструктивного исполнения; проведён сравнительный анализ различных конструктивных схем ВТСП

РД; получены экспериментальные данные, подтверждающие основные положения теории.

Практическая ценность работы

• предложены новые конструктивные схемы ВТСП РД, позволяющие снизить в 2 — 3 раза массоэнергетические показатели двигателей по сравнению с РД традиционного исполнения;

• разработаны универсальные расчётные алгоритмы и методики, позволяющие рассчитывать выходные характеристики и массоэнергетические показатели новых ВТСП РД с ферромагнитным и композитным ротором;

• созданы опытные образцы ВТСП РД мощностью от 1 до 10 кВт с высокими массоэнергетическими показателями.

Перечисленные результаты получены лично автором или при его непосредственном участии.

Реализация результатов

Разработанные автором алгоритмы и программы расчёта ВТСП РД переданы промышленным предприятиям и используются при проектных расчётах нового перспективного класса электродвигателей.

Результаты диссертационной работы внедрены в НИР по 5 темам научно-технических программ Минобразования РФ и международного проекта «10 kW HTS motor» в виде разработанных методик расчёта рабочих процессов, алгоритмов проектирования и методик расчёта новых модификаций ВТСП РД для привода крионасосов.

Материалы диссертации используются в курсе лекций по дисциплине «Электромеханика», «Физико-технические основы работы электрооборудования» и «Сверхпроводниковые и криогенные устройства», а также вошли в методические пособия по курсовому и дипломному проектированию, предназначенные для студентов электромеханических и энергетических специальностей.

Внедрение результатов подтверждается актами о практическом использовании результатов диссертационной работы.

Отдельные результаты обсуждались и докладывались на Школе по сверхпроводимости - 2000, 22 - 29 мая 2000г., Протвино, Россия; 13-th International Symposium on Superconductivity. 14-16 октября 2000г., Токио, Япония; 7lh Advanced Studies on Superconducting Engineering, 2-7 сентября 2001 г, Балатон-Алмади, Венгрия; 19lh International Cryogenic Engineering Conference (ICEC 19), Grenoble, France, 2002; Advanced Studies on Superconducting Engineering, 7-15 июля 2003г., Будапешт, Венгрия.

По теме диссертации опубликованы следующие работы: 1. Ковалев JI.K., Конеев С.М.-А., Ларионов С.А., Модестов К.А. Гистерезис-ные и реактивные электрические машины с объемными ВТСП элементами. Новые результаты и перспективы развития. V Симпозиум «Электротехника 2010 год», том II, Моск. обл., 19-22 октября 1999.

2. Ларионов С.А., Ковалев Л.К. Исследование реактивного электродвигателя с объёмными ВТСП элементами в роторе. «Электричество», №5'2002.

3. Ковалев JT.K., Конеев С.М.-А., Илюшин К.В., Полтавец В.Н., Ковалёв К.Л., Ларионов С.А., Модестов К.А. Реактивные высокотемпературные сверхпроводниковые электродвигатели. «Электричество», №9'2003.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка используемых источников; имеет 175 страниц, 57 рисунков, 1 таблицу, и 111 наименований списка литературы на 12 страницах. В первой главе приводится обзор состояния разработок в области сверхпроводниковых электромеханических преобразователей. Во второй главе приводятся математические методы расчёта параметров ВТСП РД с композитными роторами. В третьей главе рассматриваются электродинамические процессы в активной зоне ВТСП РД с объёмными ВТСП блоками в массивном роторе. В четвёртой главе описаны численные методы расчёта характеристик ВТСП РД. Пятая глава посвящена вопросам экспериментального исследования ВТСП РД.

Заключение диссертации по теме «Электромеханика и электрические аппараты», Ларионов, Сергей Анатольевич

Выводы

1. Разработана конструкция, изготовлены и испытаны реактивные ВТСП двигатели с охлаждением жидким азотом (Т=77К) мощностью 2 кВт, 5 кВт и 10 кВт с ВТСП роторами различного конструкционного исполнения:

- со слоистым композитным ВТСП магнитомягким ротором;

- с массивным магнитомягким ротором с объемными ВТСП блоками;

2. Экспериментально показано, что при заданных главных размерах машины наилучшие показатели (мощность, коэффициент мощности и эффективность) имеют реактивные ВТСП двигатели со слоистым композитным ротором (по сравнению с двигателями с массивным магнитомягким ротором). Так, максимальная выходная мощность реактивного ВТСП электродвигателя (главные размеры: диаметр расточки 62.5 мм и длина линейной зоны 83 мм) с композитным ротором при напряжении питания 250 В составила ~5 кВт, а электродвигателя с массивным магнитомягким ротором и объёмными ВТСП элементами ~2.5 кВт;

3. Показано, что разработанные аналитические и численные методы расчёта ВТСП двигателей совпадают с экспериментальными данными, полученными в ходе испытаний опытных моделей, с точностью до 10 - 15%.

4. В результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований был разработан погружной реактивный электродвигатель с композитным ротором со значениями мощности и coscp равными, соответственно, JV«9 кВт и coscp & Q J и высокими значениями удельной мощности m = 1.41 кг/кВт;

5. Для выполнения программы экспериментальных исследований и испытаний погружных реактивных ВТСП двигателей с охлаждением жидким азотом была проведена модернизация криогенных стендов и измерительных комплексов кафедры 310.

Заключение

По результатам проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1. Предложены новые схемы реактивных электрических машин различного конструкционного исполнения (со слоистым композитным ВТСП ротором и с массивным магнитомягким ротором с объемными ВТСП блоками) с охлаждением жидким азотом, обладающие высокими массо-энергетическими показателями.

2. Показано, что применение в слоистом композитном роторе объёмных сверхпроводниковых материалов и электротехнических сталей позволяет существенно увеличить магнитную анизотропию ротора реактивного электродвигателя. Такие роторы имеют ярко выраженные диамагнитные свойства в направлении оси q и ферромагнитные свойства в направлении оси d, что даёт возможность реализовать на практике электродвигатели с высокими энергетическими показателями.

3. На основе решения нелинейных электродинамических задач разработаны аналитические методы расчета двухмерных магнитных полей и выходных параметров реактивных ВТСП двигателей с композитным слоистым ротором, учитывающие как структуру используемых поликристаллических и монодоменных ВТСП блоков, так и магнитные свойства электротехнических сталей.

4. Построены аналитические зависимости для расчета распределения двухмерных магнитных полей и параметров реактивных ВТСП двигателей с магнитомягким ротором и конечными объемными ВТСП элементами, выполняющими роль концентраторов магнитного потока.

5. Проведенная серия расчётов ВТСП РД со слоистым композитным ротором показала, что рассматриваемый класс новых электрических машин обладает в 2 — 3 раза более высокими массогабаритными удельными характеристиками по сравнению с электродвигателями традиционного исполнения при тех же режимах охлаждения в среде жидкого азота. Так, например, выходная мощность электродвигателя (0xL = 62.5 х 83 мм) без ВТСП элементов составляет ~2.5 кВт, а выходная мощность такого же двигателя с ВТСП элементами составляет ~5 кВт.

6. Расчётные исследования характеристик ВТСП реактивных двигателей с массивным магнитомягким ротором и ВТСП конечными элементами показали, что такие двигатели обладают хорошими пусковыми характеристиками, однако их выходные параметры в 1.5-2 раза ниже, чем параметры ВТСП двигателя с композитным слоистым ротором.

7. На базе пакета «QuickField» разработана программа для поверочного двухмерного расчёта магнитных полей и методика определения выходных характеристик реактивных ВТСП двигателей, позволяющие в полной мере учитывать влияние структуры активной зоны линейной части проектируемых экспериментальных двигателей (толщину зубцов, форму пазов, толщину спинки статора и т.д.) на выходные параметры двигателей.

8. Разработана конструкция, изготовлены и испытаны реактивные ВТСП двигатели с охлаждением жидким азотом (Т=77К) мощностью 2-10 кВт с со слоистым композитным ВТСП ротором и с массивным магнитомягким ротором с объемными ВТСП блоками. Экспериментально показано, что погружной реактивный трёхфазный электродвигатель с композитным ВТСП ротором при уровне мощности N& 10 кВт и частоте напряжения сети 50 Гц имеет coscp^O.l и удельную мощность ш = 1.41 кг/кВт.

9. На основе теоретических и экспериментальных исследований установлено, что при заданных главных размерах машины наилучшие показатели (мощность, коэффициент мощности и эффективность) имеют реактивные ВТСП двигатели со слоистым композитным ротором. Так, например, при напряжении питания 250 В максимальная выходная мощность реактивного ВТСП электродвигателя (0xL = 62.5 х 83 мм) с композитным ротором составила ~5 кВт, а электродвигателя с массивным магнитомягким ротором и объёмными ВТСП элементами ~2.5 кВт.

10.Сопоставление теоретических и экспериментальных данных показало, что разработанные аналитические и численные методы расчёта ВТСП двигателей совпадают с экспериментальными данными, полученными в ходе испытаний опытных моделей, с точностью до 7 - 10%.

11 .Для выполнения программы экспериментальных исследований и испытаний погружных реактивных ВТСП двигателей с охлаждением жидким азотом проведена модернизация криогенных стендов и измерительных комплексов кафедры 310.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ларионов, Сергей Анатольевич, 2004 год

1. Алексеев A. AutoCAD 2000: специальный справочник. С.-Пб. — Питер, 2001

2. Специальные электрические машины. В 2-х кн./под ред. Алиевского Б.Л. — М.: Энергоатомиздат, 1993.

3. Алиевский Б.Л., Шерстюк А.Г., Октябрьский A.M. и др. Сверхпроводниковая униполярная машина мощностью 480 кВт с высокоскоростным жидко-металлическим токосъёмом. Сверхпроводимость: исследования и разработки. Междунар. ж., 1994, №3 - 4.

4. Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока. — М.:Высшая школа, 1982.

5. Сверхпроводниковые электрические машины и магнитные систе-мы/Бертинов А.И., Алиевский Б.Л., Илюшин К.В., Ковалев Л.К., Семени-хин B.C. Под ред. Б.Л. Алиевского. М.: Изд-во МАИ, 1993.

6. Брехна Г. Сверхпроводящие магнитные системы. М.: Мир, 1976

7. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике (для инженеров и учащихся ВТУЗов): М., "Наука", 1964.

8. Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов B.C. Электрические машины. — М.:Высшая школа, 1987. 4.1 -2

9. Буккель В. Сверхпроводимость. — М,: Мир, 1975,

10. Бут Д.А. Основы электромеханики. М., МАИ, 1996.

11. Бухгольц В. Расчет электромагнитных полей, Мир, 1970.

12. Вольдек А.И. Электрические машины.-Л.:Энергия, 1978

13. Физические свойства высокотемпературных сверхпроводников/Под ред. Гинзбурга Д.М., — М.; Мир, 1990.

14. Глебов И.А., Лаверик Ч., Шахтарин В.Н. Электрофизические проблемы использвания сверхпроводимости. -JL: Наука, 1980.

15. Гольдберг О.Д., Турин Я.С., Свириденко И.С. Проектирование электрических машин; М.:Высшая Школа, 1984

16. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Москва:Радио и связь, 1986.

17. Гуревич А.В., Минц Р.Г., Рахманов A.J1. Физика композитных сверхпроводников. -М.: Наука, 1987.

18. Наука — производству. Выпуск: «Сверхпроводимость: мифы и реальность», №Ю,2000.

19. Домбровский В.В. Справочное пособие по расчету электромагнитных полей в электрических машинах. JL, Энергоатомиздат, 1983.

20. Производственный кооператив ТОР, Санкт-Петербург. ELCUT 4.2. Моделирование двумерных полей методом конечных элементов; http://www.tor.ru/elcut/demo/Manual.pdf

21. Дубицкий С., Поднос В. http://www.cadmaster.ru/articles/06elcutfor2dphysicalfieldsimulation.cf m

22. Жуков А.А. Критическая плотность тока. — В кн.: Сверхпроводниковые материалы. — М.: 1991.

23. Зенкевич В.Б., Сычёв В.В. Магнитные системы на сверхпроводниках. М.: Наука, 1977.

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

25. Илюшин К., Ковалев Л., Ковалев К., Пенкин В., Модестов К., Гавалек В. Конструкции ВТСП двигателей. Состояние разработок и перспективы развития. Международный журнал «Сверхпроводимость: исследования и разработки», №9- 10,1998, стр. 69 77.

26. Ковалев JL, Илюшин К., Ковалев К., Пенкин В., Егошкина JI. Новые типы сверхпроводниковых электрических машин. Международный журнал «Сверхпроводимость: исследования и разработки», №11, 2002, стр. 22 34.

27. Ковалев JI.K, Егошкина JI.A, Пенкин В.Т. Гистерезисные машины с керамическим ротором. — В кн.: Электромагнитные и электромеханическиеф устройства генерирования и преобразования энергии. МАИ, 1992.

28. Пат. РФ №2180156.Сверхпроводниковая синхронная машина/Ковалев JI.K., Илюшин К.В., В.Н. Полтавец и др. — Опубл. в БИ, 2002, №6.

29. Ковалев JI.K., Илюшин К.В., Ковалев K.JI. Электрические машины на основе высокотемпературных сверхпроводников. Состояние разработок иф перспективы развития. Наука производству, 2000, №10.

30. Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Ковалёв К.Л., Ларионов С.А. Исследование реактивного электродвигателя с объёмными ВТСП элементами в роторе. "Электричество", №5'2002.

31. Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Пенкин В.Т., Ковалев К.Л. Гистерезисные электрические машины с ротором из высокотемпературных сверхпроводников. — Электричество, 1994, №6

32. Патент РФ № 2129329 от 20.04.1999 г. «Синхронная реактивная маши-на»/Ковалев Л.К., Илюшин К.В., Полтавец В.Н., Семенихин B.C., Пенкин В.Т., Ковалев К.Л., Егошкина Л.А., Ларионов А.Е., Конеев С.М.-А.

33. Ковалев Л.К., Конеев С.М-А., Илюшин К.В., Полтавец В.Н., Ковалев К.Л. Ларионов С.А., Модестов К.А. Реактивные высокотемпературные сверхпроводниковые электродвигатели. Электричество, 2003, №9

34. Кононенко Е.В. Синхронные реактивные машины. М., Энергия, 1970.

35. Копылов И.П. Электрические машины. М.: Логос, 2000

36. Копылов И.П., Клоков Б.К., Морозкин В.П., Токарев Б.Ф. Проектирование электрических машин; под.ред. Копылова И.П. М.:Энергратомиздат, 1993. Т.1-2

37. Коськин Ю.П., Цейтлин Л.А. Синхронные машины с немагнитным ротором. -Л.: Энергоатомиздат, 1985.

38. Лаврентьев В.П., Методы ТФКП., М., Высшая школа, 1975.

39. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред, М., Физ-МатЛит, 2001.45