Синхронные электрические двигатели на основе массивных высокотемпературных сверхпроводников и постоянных магнитов
На правах рукописи
УДК 621.313.323:621.318.2 (043.3)
ДЕЖИН ДМИТРИЙ СЕРГЕЕВИЧ
« СИНХРОННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ НА ОСНОВЕ
МАССИВНЫХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ
И ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ»
Специальность – 05.09.01
«Электромеханика и электрические аппараты»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Москва – 2008
Работа выполнена на кафедре «Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы» Московского авиационного института (государственного технического университета).
| Научный руководитель: | д.т.н., проф. Ковалев Л. К. |
| Официальные оппоненты: | д.т.н., Копылов С. И. |
| к.т.н., Ларионов С. А. | |
| Ведущая организация: | ОАО АКБ «Якорь», г. Москва |
Защита диссертации состоится « ___ » _____________ 2008 г. в ____ часов на заседании диссертационного совета Д 212.125.07 при Московском авиационном институте (государственном техническом университете) «МАИ» по адресу: 125993, г. Москва, A-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4, Учёный совет МАИ.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (государственного технического университета) «МАИ».
Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью учреждения, просим направлять по указанному адресу.
Автореферат разослан _________________ 2008 г.
| Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.125.07 к.т.н., доцент | _________________ | А.Б. Кондратьев |
Общая характеристика диссертационной работы
Актуальность темы. Прогресс в современной науке и технике неразрывно связан с открытием новых явлений и внедрением уникальных технологий. Применительно к электротехнике и электроэнергетике одной из перспективных технологий является технология, основанная на эффекте сверхпроводимости (СП). После открытия высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) с температурой перехода выше температуры кипения жидкого азота, в ведущих отечественных и зарубежных научных центрах резко возрос интерес к разработкам нового электротехнического оборудования на основе ВТСП материалов с улучшенными энергетическими и массогабаритными показателями.
Перспективы использования явления СП в электромеханических преобразователях связывают с двумя фундаментальными физическими свойствами: отсутствием сопротивления и ярко выраженными диамагнитными свойствами.
В России и за рубежом (США, Англия, Германия и др.) значительное внимание уделяется также развитию СП электротехнического оборудования для специальной техники, такой, как морские суда с прямым приводом грибного винта, авиационно-космическая техника на криогенном топливе (жидкий водород и природный газ), высокоскоростной наземный транспорт, перспективные электроэнергетические комплексы и др.
Следует отметить, что ВТСП двигатели с массивными элементами из иттриевой керамики уже сейчас могут успешно работать при температурах кипения жидкого азота, что недостижимо при применении токонесущих элементов на основе висмутовых керамик и соединений MgB2.
Диамагнитные свойства массивных ВТСП элементов находят применение в новых схемах электродвигателей с ярко выраженной анизотропией их роторов. Ожидается, что применение постоянных магнитов на основе редкоземельных материалов (РЗМ ПМ) в сочетании с современными СП материалами позволит значительно увеличить массогабаритные и энергетические показатели таких электродвигателей.
Важно отметить, что в наземных системах уровни мощности производимой и потребляемой электроэнергии непрерывно растут, тогда как топливные ресурсы, как основа электроэнергетики, ограничены. При этом, с развитием электроэнергетики загрязнение окружающей среды также возрастает. В этой связи, в настоящее время, существенное значение приобретают вопросы развития на Земле водородной и криогенной энергетики. В будущем, эффективное производство, хранение, преобразование и передача электроэнергии при возрастании требований к ее качеству станут первостепенными проблемами. Сверхпроводимость, как уникальное физическое явление, и применение современных высокоэффективных материалов, способны кардинально решить эти проблемы, что позволяет надеяться на значительное расширение рынка ВТСП электротехнического оборудования в будущем.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является создание новых типов синхронных электродвигателей на основе массивных ВТСП элементов и постоянных магнитов (ПМ).
Достижение поставленной цели предполагает решение ряда задач, среди которых:
- разработка новых конструктивных схем двух- и четырехполюсных синхронных ВТСП двигателей с высокими массоэнергетическими показателями на основе массивных ВТСП элементов и ПМ;
- создание аналитических и численных методик расчета двухмерных магнитных полей и параметров двух- и четырехполюсных синхронных ВТСП двигателей;
- создание опытных образцов синхронных ВТСП электродвигателей и экспериментальное исследование их характеристик;
- сопоставление экспериментальных и расчетных параметров ВТСП электродвигателей и калибровка математических моделей;
- разработка рекомендаций по использованию новых типов ВТСП двигателей в перспективных областях промышленности и энергетики.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математической физики, теория поля, электромеханики и прикладной сверхпроводимости; численные методы решения уравнений в частных производных (метод конечных элементов). Для решения уравнений и построения диаграмм использовался пакет математического моделирования MathCAD 11; для решения задач методом конечных элементов использовался пакет прикладных программ Elcut Professional 5.4; «твердотельное» моделирование и эскизное проектирование было осуществлено на базе пакета Solidworks 2007; для построения графиков использовалась программа Grapher 5.02; рисунки были подготовлены в программах CorelDraw X3 и Adobe Photoshop CS2. Проверка аналитических и численных методов расчета производилась на экспериментальных моделях ВТСП электродвигателей.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
- предложены новые схемы двух- и четырехполюсных синхронных электродвигателей на основе массивных ВТСП элементов и постоянных магнитов;
- получены аналитические решения задач расчета двухмерных магнитных полей, выходных характеристик и параметров, двухполюсных ВТСП двигателей с постоянными магнитами, учитывающие как свойства материалов, так реальную геометрию двигателей;
- разработаны численные алгоритмы расчета магнитных полей, параметров и выходных характеристик двух- и четырехполюсных ВТСП двигателей при постоянном напряжении фаз статора;
- проведен сравнительный анализ различных конструктивных схем синхронных ВТСП электродвигателей с постоянными магнитами;
- получены экспериментальные данные, подтверждающие основные положения теории.
Практическая ценность работы:
- разработаны алгоритмы расчета двухмерных магнитных полей и параметров двух- и четырехполюсных ВТСП двигателей с постоянными магнитами различного конструктивного исполнения;
- разработаны конструкции двух- и четырехполюсных синхронных ВТСП электродвигателей с постоянными магнитами в роторе;
- созданы и испытаны опытные образцы двух- и четырехполюсных синхронных электродвигателей мощностью от 4 до 15 кВт на основе ВТСП и постоянных магнитов;
- сформулированы предложения по использованию новых типов ВТСП двигателей в качестве высокодинамичных промышленных приводов и приводов криогенных насосов.
Реализация результатов. Разработанные автором алгоритмы и программы расчета синхронных ВТСП двигателей с ПМ переданы промышленным предприятиям (ОАО АКБ «Якорь» и НИИЭМ, г. Истра) и используются при проектных расчетах нового перспективного класса электродвигателей. Результаты диссертационной работы внедрены в НИР по нескольким темам научно-технических программ Минобразования РФ и по теме международного проекта «High Dynamic HTS Motor» в виде алгоритмов проектирования и методик расчета, новых ВТСП электродвигателей с ПМ. Материалы диссертации используются при чтении курсов лекций по дисциплинам «Электромеханика», «Криогенные и сверхпроводниковые электроэнергетические установки», «Физико-технические основы электрооборудования ЛА», «Аппараты электроэнергетических установок и комплексов» и «Компьютерные технологии» в МАИ, а также вошли в методические пособия по курсовому и дипломному проектированию, предназначенные для студентов электромеханических и энергетических специальностей. Внедрение результатов подтверждено соответствующими актами.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных российских и международных конференциях и выставках, в том числе: на Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи «НТТМ – 2005», ВВЦ, г. Москва (результаты отмечены золотой медалью и дипломом НТТМ); на международной конференции «Авиация и космонавтика» в 2005, 2006, 2007 и 2008 году, МАИ, г. Москва; на Международной специализированной выставке и семинаре «Электрические сети России – 2005», ВВЦ, г. Москва; на конференции CryoPrague 2006 Multiconference, г. Прага, Чехия; на Конференции по физике конденсированного состояния, сверхпроводимости и материаловедению, в 2007 г., РНЦ «Курчатовский институт», г. Москва; на Всероссийской конференции молодых ученых и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике – 2008», МАИ, г. Москва.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, из них 3 — в журнале «Электричество», рекомендованном ВАК РФ. По теме диссертации получен 1 патент.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка используемых источников и 3 приложений; имеет 165 страниц, 61 рисунок, 12 таблиц и 143 наименования списка литературы.
Краткое содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертации, определена научная новизна и практическая ценность работы, дана информация о структуре и объеме диссертации.
В первой главе представлен обзор разработок в области создания сверхпроводниковых электрических машин. Рассмотрены современные сверхпроводниковые материалы и перспективы их применения в электромеханических устройствах. Приведена классификация СП электрических машин и рассмотрены основные направления работ в этой области в ведущих научных центрах. Анализ работ по созданию электрических машин на основе композитных проводов из висмутовой керамики показал, что для обеспечения приемлемых массоэнергетических показателей необходимо использовать достаточно сложные системы криостатирования на основе жидкого неона или водорода. Показано, что электрические двигатели с ВТСП элементами представляют единственный класс машин, способных достигать высоких энергетических показателей при температуре жидкого азота. Рассмотрены перспективные схемы синхронных электродвигателей на основе массивных ВТСП элементов и постоянных магнитов, исследуемые в данной работе.
Во второй главе рассмотрены аналитические модели двухполюсных синхронных электродвигателей с композитным слоисто-блочным ротором на основе ВТСП элементов и ПМ. Представлена методика определения усредненных магнитных характеристик композитного слоисто-блочного ротора. Приведена постановка, и аналитические решения задач расчета двухмерных магнитных полей и параметров таких двигателей с учетом свойств и концентраций активных материалов ротора. Даны основные расчетные соотношения и результаты вычисления параметров макетного образца рассматриваемого ВТСП двигателя.
Расчетная схема синхронного двухполюсного ВТСП двигателя с комбинированным слоистым ротором представлена на рис. 1а. Ротор состоит из слоев ВТСП элементов и пластин, состоящих из чередующихся блоков ПМ и ферромагнитных вставок. В дальнейшем принимается, что вектор намагниченности всех блоков из ПМ 
постоянен и направлен по оси Y' вдоль пластин 
. Ферромагнитные блоки ротора и ярмо статора, выполненные из магнитомягких электротехнических сталей, являются ненасыщенными с относительной магнитной проницаемостью 
.
При построении решения задачи обмотки статора заменялись эквивалентным токовым слоем на радиусе RS с линейной плотностью J0, синусоидально распределенной по угловой координате (см. рис. 1б). В качестве ВТСП элементов в двигателе могут быть использованы как монодоменные, так и поликристаллические керамики. В ряде работ показано, что в случае неполного проникновения магнитного поля в ВТСП пластину из монодоменной керамики ее относительная магнитная проницаемость —
. Для поликристаллических ВТСП элементов 
определялась по заданной величине магнитного поля В по феноменологическим моделям ВТСП среды.
 |  |  |
| а) | б) | в) |
Рисунок 1. Двухполюсный синхронный ВТСП двигатель с композитным слоисто-блочным
ротором: а — конструктивная схема; б — переход к токовому слою; в — расчетная модель
При решении электродинамических задач в активной зоне синхронного ВТСП двигателя реальная структура композитного слоисто-блочного ротора (см. рис. 1б) заменялась эквивалентной анизотропной средой с тензором усредненных относительных магнитных проницаемостей и эквивалентной намагниченностью (см. рис. 1в). В работе изложена методика определения компонент тензора относительных магнитных проницаемостей вдоль соответствующих осей — 
, 
и вектора намагниченности 
эквивалентной среды по заданным характеристикам ВТСП элементов, ПМ и ферромагнитных вставок, их геометрии и концентрациям.
Структура комбинированного слоистого ротора и эквивалентной однородной анизотропной среды показана на рис. 2а и 2б, соответственно. Там же показаны геометрические размеры блоков, выделены характерные области композитного ротора и эквивалентной однородной анизотропной среды (прямоугольники abcd и 
; ABCD и 
), используемые для определения параметров 
, 
и 
по локальным значениям относительной магнитной проницаемости — 
и магнитного момента — 
в каждом блоке композитного ротора.
Полученные аналитические выражения для компонент магнитного поля 
, 
и параметров эквивалентной однородной анизотропной среды имеют вид:
, 
(1, 2)
Здесь 
— магнитный момент анизотропной среды; 
, 
, 
,
— линейные концентрации, полученные из размеров блочных элементов композитного слоистого ротора (см. рис. 2а); 
, 
и 
— относительные магнитные проницаемости ВТСП элементов, ПМ и ферромагнитных блоков, соответственно.
 |  |  |
| а) | б) |
Рисунок 2. Структура: а — слоисто-блочной конструкции ротора;
б — эквивалентной однородной анизотропной среды
При анализе параметров синхронных ВТСП двигателей в ряде случаев вместо линейных концентраций вдоль соответствующих слоев 
, 
и 
, использовались величины относительных объемных концентраций для ВТСП — 
, ПМ — 
и ферромагнитных вставок — 
композитного слоисто-блочного ротора:
(3)
С учетом принятых допущений, распределение магнитных полей B в линейной зоне ВТСП двигателей с относительно длинным ротором (L/D>34) могут быть найдены из решения двухмерных электродинамических задач, описываемых уравнениями Максвелла:
(4)
Здесь: 
и 
— для области воздушного зазора; 
и 
— для ярма статора; 
и 
— для зоны композитного ротора с эквивалентной анизотропной средой, где 
, 
— компоненты тензора, являющиеся заданными функциями концентраций активных элементов ротора и их локальных относительных магнитных проницаемостей 
, 
в ВТСП пластинах и ферромагнитных блоках соответственно.
При сопряжении сред с различными магнитными проницаемостями используются следующие условия:
на границе статор воздушный зазор: H+ - H+ = J0; Bn+ = Bn-; (5)
на границе воздушный зазор ротор: H+ = H+; Bn+ = Bn-. (6)
Здесь индексы «+» и «» относятся к параметрам по разные стороны границы раздела с различными магнитными проницаемостями.
В данной постановке построение двухмерных распределений усредненных магнитных полей сводится к решению задачи (4 – 6) для двух областей: слоистого ротора [0 Rr с 
и 
] и воздушного зазора (Rr Rs c 
и 
).
Распределение усредненных магнитных полей в указанных областях находится на основе решения эллиптического уравнения для осевой компоненты векторного потенциала:
. (7)
с условиями (5 – 6) на границах раздела сред. Поправку на параметры двигателя за счет конечного размера зубцовой зоны и ярма статора можно найти из теории магнитных цепей.
Решение уравнения (7) в композитном слоисто-блочном роторе, с магнитными проницаемостями 
и 
и магнитным моментом 
, проводится в декартовой системе координат 
, связанной с ротором (см. рис. 1б). В этом случае уравнение (7) записывается в следующем виде:
. (8)
Положение системы координат ротора {xR, yR} относительно системы координат статора {xs, ys} задается углом = (yR, xs). Углы, и, отсчитываемые от оси X' ротора и X статора, соответственно (см. рис. 1в), связаны следующим соотношением: 
.
Решение для векторного магнитного потенциала в роторе может быть представлено в виде:
, (9)
где cR1 и cR2 — константы интегрирования, определяющие компоненты магнитного поля.
Уравнение Лапласа для осевой компоненты векторного потенциала A в воздушном зазоре в цилиндрической системе координат 
, связанной со статором запишется как:
. (10)
С учетом граничных условий задачи на внутренней поверхности статора решение (10) для первой гармоники имеет вид:
. (11)
Где 
, 
и 
— число витков и обмоточный коэффициент фазы; 
— число фаз, 
— амплитудное значение тока фазы. Константы интегрирования а, с определяются из граничных условий задачи на поверхности ротора 
.
Полученные из граничных условий выражения для констант интегрирования имеют вид:
(12)
(13)
; 
; (14), (15)
где 
, 
, 
; 
.
В диссертации показано, что действующее значение ЭДС ротора Е0 может быть найдено с помощью следующего соотношения:
,
где — угловая скорость вращения магнитного поля; Ls — активная длина машины.
Главные индуктивные сопротивления xаd и xаq линейной зоны ВТСП двигателя и его электромагнитная мощность Pэм записываются как:
; 
;
.
Расчет выходных характеристик проводится на основе векторных диаграмм синхронного ВТСП двигателя с композитным слоисто-блочным ротором для недовозбужденного и перевозбужденного режимов работы.
Найденные аналитические выражения для параметров ВТСП двигателя позволяют построить графические зависимости мощности и cos от величин концентраций материалов ротора (SM, SFe и SS). Они представлены на рис. 3.
По горизонтальной оси на представленных диаграммах отложена объемная концентрация постоянных магнитов (SM), а по вертикальной оси — объемная концентрация ВТСП элементов (SS). Рис. 3а, 3б и 3в соответствует определенному значению относительной магнитной проницаемости ВТСП (ВТСП): 1, 0.5 и 0, соответственно.
Видно, что существует область, где выходная мощность (P2) принимает наибольшие значения при заданных концентрациях. Указанная область расположена близко к предельным значениям этих параметров. Однако, помимо ПМ и ВТСП, в роторе должны содержаться ферромагнитные материалы для увеличения реактивности
| Выходная мощность (P2) | ||
 |  |  |
| Коэффициент мощности (cos ) | ||
 |  |  |
| а) | б) | в) |
Рисунок 3. Диаграммы мощности и cos ВТСП двигателя с композитным ротором в зависимости
от концентраций ВТСП и ПМ: а — при ВТСП = 1; б — при ВТСП = 0,5; в — при ВТСП = 0
и конструктивные элементы для придания прочности. В работе показано, что выбор значений концентраций ВТСП и ПМ необходимо проводить с учетом данной особенности. Анализ влияния ферромагнитных элементов показал, что при их наличии энергетические параметры синхронного ВТСП двигателя с композитным слоисто-блочным ротором увеличились на 15 – 20%.
Теоретические расчеты показали, что использование в композитном слоисто-блочном роторе ВТСП керамики с высокими диамагнитными свойствами (S < 0,5) позволяет в 1,3 – 1,5 раза увеличить электромагнитную мощность синхронного двухполюсного ВТСП двигателя по сравнению с двигателем со слоями из обычных немагнитных материалов.
В третьей главе рассмотрены аналитические модели двухполюсных ВТСП двигателей с радиальными ПМ и слоистым сердечником в роторе. Такая конструкция является более простой по сравнению с композитным слоисто-блочным ротором, что с технологической точки зрения, важно для практики.
Конструктивная схема двухполюсного синхронного ВТСП двигателя с радиальными ПМ и слоистым сердечником в роторе представлена на рис. 4а. Ротор состоит из центральной части с чередующимися ВТСП и ферромагнитными пластинами, и кольцевой оболочки, содержащей намагниченные в радиальном направлении ПМ.
Расчет магнитных полей в активной зоне ВТСП двигателя и его электромагнитных характеристик проводился на основе решения двухмерных электродинамических задач, описываемых уравнениями Максвелла (4). При этом общее решение задачи сводится к решению соответствующих эллиптических уравнений Лапласа (или Пуассона) для осевой компоненты векторного потенциала 
в каждой зоне ВТСП двигателя с последующей сшивкой решений на границах зон с различными магнитными проницаемостями.
 |  |  |
| а) | б) | в) |
Рисунок 4. Двухполюсный синхронный ВТСП двигатель с радиальными ПМ
и слоистым сердечником в роторе: а — конструктивная схема;
б — переход к токовому слою; в — расчетная модель
Аналитические решения задач строились при тех же основных допущениях, что и в главе 2. При этом, магнитный момент оболочки с ПМ имел радиальную компоненту с синусоидальным распределением по угловой координате :
, (16)
где M0 — магнитный момент постоянных магнитов.
Распределение магнитного поля в областях анизотропного сердечника, оболочки из ПМ и воздушного зазора находились на основе решения уравнения Лапласа для осевой компоненты векторного потенциала с использованием соответствующих граничных условий (5 – 6) на границах раздела сред с различными магнитными проницаемостями.
С учетом (16) решение уравнения (7) в оболочке записывается в виде:
.
Структура решения уравнения (7) в композитном сердечнике ротора и воздушном зазоре аналогична рассмотренным выше зависимостям для двухполюсного ВТСП двигателя с композитным слоисто-блочным ротором (выражения (9) и (11), соответственно). После подстановки выражений (9, 11 и 16) в граничные условия (6) можно определить выражения для констант.
Структура решения для векторного потенциала в области воздушного зазора (в системе координат статора) имеет вид:
;
Здесь 
где, 
; 
; 
; 
;
;
;
;
;
.
С учетом полученных решений для 
, главные индуктивные сопротивления по продольной Xad и поперечной Xad осям и электромагнитная мощность двухполюсного ВТСП двигателя с радиальными ПМ и слоистым сердечником могут быть найдены из:
; 
;
.
Величина ЭДС определяется как:
.
Для данной схемы ВТСП двигателя одним из основных параметров, влияющих на выходную мощность, является толщина оболочки с ПМ. Как показал проведенный анализ, при малой толщине слоя, мощность определяется, в основном, реактивной компонентой и слабо зависит от величины магнитного момента. Вместе с тем, при большой толщине оболочки, влияние реактивной компоненты ослабевает. Проведенные теоретические исследования позволили определить рациональную толщину оболочки с ПМ для достижения требуемой мощности при заданных свойствах ВТСП материалов и ПМ.
Расчеты по разработанным аналитическим моделям показали, что при использовании в составе ротора ВТСП вставок с S 0 мощность электродвигателя может быть увеличена в 1,5 – 2 раза.
В четвёртой главе рассмотрены численные методы поверочного расчета магнитных полей и параметров двух- и четырехполюсных ВТСП двигателей с ПМ с учетом геометрии и насыщения магнитопровода машин. Для получения решений методом конечных элементов (МКЭ) использовался пакет прикладных программ «Elcut Professional». Особенности численного расчета ВТСП двигателей при заданном напряжении фазы подробно рассмотрены в диссертационной работе.
По разработанным алгоритмам были проведены численные расчеты двух- и четырехполюсных синхронных ВТСП двигателей. Для двухполюсного двигателя с композитным слоисто-блочным ротором после сравнительного анализа ряда конструктивных схем была выбрана наиболее рациональная конструкция машины и определены ее основные параметры (см. рис. 5).
 | SВТСП = 25,6%; SПМ = 37,1%; SFe = 16,3%; E0 = 181,1 В; Xad = 4,2 Ом; Xaq = 3,5 Ом; P2max = 15 кВт; cos = 0,85. |
Рисунок 5. Конструктивная схема и основные параметры двухполюсного
ВТСП двигателя с композитным слоисто-блочным ротором
На рис. 6 в качестве примера представлены зависимости выходных характеристик машины от тока фазы статора при наличии и отсутствии ВТСП элементов. Видно, что использование в роторе массивных ВТСП элементов существенно улучшает мощность двигателя (примерно, на 50%) и увеличивает КПД ВТСП двигателя.
Сравнительный анализ показал, что созданные в работе аналитические методики расчета синхронного ВТСП двигателя с композитным слоисто-блочным ротором в целом хорошо согласуются с численными моделями в пределах 10 – 15% (см. рис. 7).
 |  |
| а) | б) |
Рисунок 6. Графические зависимости выходные параметров ВТСП двигателя
от тока статора при отсутствии (а) и наличии (б) ВТСП элементов
 |  |
| а) | б) |
Рисунок 7. Сопоставление графических зависимостей параметров ВТСП двигателя
от тока статора, рассчитанных: а — аналитически, б — численно
После проведения численного расчета двухполюсного ВТСП двигателя со слоистым сердечником и радиальными ПМ на роторе были вычислены его основные параметры: E0 = 219 В, Xad = 15,2 Ом, Xaq = 7 Ом, P2max = 9 кВт; cos = 0,99. В сравнении со структурой композитного слоисто-блочного ротора, в данной схеме существенно выросла анизотропия, и cos достиг максимального значения 0,99. Это позволяет сделать вывод о том, что в тех случаях, когда необходимо получить высокие значения коэффициента мощности, целесообразно использовать схему со слоистым сердечником и радиальными ПМ. На рис. 8 представлены зависимости выходных характеристик ВТСП двигателя со слоисто-блочным сердечником и радиальными ПМ от тока статора при отсутствии и наличии ВТСП элементов. При использовании такой конструктивной схемы ротора также наблюдается увеличение значений основных параметров. Мощность возросла на 50 – 60%, а КПД и cos близки к единице.
Для применения в составе высокодинамичных приводов представляют интерес четырехполюсные конструкции ВТСП двигателей. Проведенный анализ показал, что они имеют более высокие динамические и массоэнергетические характеристики по сравнению с двухполюсными машинами. Кроме того, в четырехполюсных двигателях эффект качания ротора менее выражен, и, следовательно, они обладают более высокой устойчивостью при повышенной нагрузке.
 |  |
| а) | б) |
Рисунок 8. Зависимости выходных характеристик ВТСП двигателя с оболочкой из ПМ
от тока статора при отсутствии (а) и наличии (б) ВТСП элементов
В работе были проведены детальные численные расчеты магнитных полей и параметров различных конструктивных схем четырехполюсных ВТСП электродвигателей. Конструктивные схемы роторов некоторых ВТСП электродвигателей показаны на рис. 9.
 |   |  |
| а) | б) | в) |
Рисунок 9. Конструктивные схемы роторов четырехполюсных ВТСП двигателей:
а, б — с радиальными ПМ; в — с тангенциальными ПМ
В качестве примера на рисунках 10 и 11 представлены результаты численного расчета четырехполюсных ВТСП электродвигателей с радиальными и тангенциальными ПМ.
Из анализа этих характеристик для ВТСП двигателя с радиальными ПМ видно, что при использовании ВТСП вставок его максимальная мощность увеличилась на 10 – 15%, а коэффициент мощности остался прежним. В машине с тангенциальными ПМ наблюдается более существенный рост мощности при использовании ВТСП элементов в структуре ротора — на 20 – 30%. Максимальное значение cos также увеличилось до значения 0,95.
Анализ полученных характеристик показал, что несмотря на то, что в тангенциальной конструкции при использовании ВТСП элементов в роторе процент увеличения мощности более высокий, тем не менее, ее максимальное значение оказалось ниже, чем у ротора с радиальными ПМ.
В этой связи, использование четырехполюсных ВТСП двигателей с радиальными ПМ в составе высокодинамичных приводов более перспективно.
| а) | б) |
Рисунок 10. Сопоставление выходных характеристик ВТСП двигателя
с радиальными ПМ от тока статора: а — без ВТСП, б — с ВТСП
| а) | б) |
Рисунок 11. Сопоставление выходных характеристик ВТСП двигателя
с тангенциальными ПМ от тока статора: а — без ВТСП, б — с ВТСП
Пятая глава диссертации посвящена экспериментальным исследованиям серии синхронных ВТСП двигателей с постоянными магнитами. В работе детально описаны макетные образцы двух- и четырехполюсных ВТСП двигателей и этапы проведения экспериментов на автоматизированном испытательном комплексе для криогенных электрических машин. Аналитические и численные исследования двух- и четырехполюсных ВТСП двигателей с ПМ показали, что они обладают более высокими энергетическими показателями по сравнению с электродвигателями традиционного исполнения. Для проверки полученных теоретических результатов были проведены экспериментальные исследования опытных моделей ВТСП электродвигателей с последующим сравнением их результатов с расчетами. В этой связи были спроектированы и изготовлены макетные образцы двух- и четырехполюсных ВТСП двигателей и модифицирован испытательный комплекс для проведения экспериментальных исследований.
Общий вид экспериментального стенда с криостатом и тормозным устройством представлен на рис. 12.
Макетные образцы серии синхронных ВТСП электродвигателей представлены на рис. 13. Их основные параметры приведены в табл. 1.
Порядок проведения экспериментальных работ включал в себя несколько основных этапов: подготовку экспериментального стенда и автоматизированной системы измерения к работе, охлаждение экспериментального ВТСП электродвигателя до температуры жидкого азота и технологический запуск на холостом ходу, запуск ВТСП электродвигателя под нагрузкой, регистрацию и первичную обработку экспериментальных данных в реальном масштабе времени.
Рисунок 12. Общий вид криостата и тормозного устройства
 |  |
| а) | б) |
 |  |
| в) | г) |
Рисунок 13. Макетные образцы серии экспериментальных ВТСП двигателей
ОСНОВНЫЕ Параметры ВТСП двигателей Таблица 1
| Двухполюсные | Четырехполюсные | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 | |
| Номинальные параметры | ||||
| Мощность, кВт | 10 | 4 | 15 | 15 |
| Фазное напряжение питания, В | 220 | 220 | 220 | 220 |
| Частота, Гц | 50 | 50 | 200 | 200 |
| Число фаз | 3 | 3 | 3 | 3 |
| Частота вращения, мин-1 | 3000 | 3000 | 6000 | 6000 |
| Коэффициент мощности | 0,88 | 0,80 | 0,95 | 0,98 |
| Геометрия машины | ||||
| Диаметр ротора, мм | 81,5 | 62 | 83 | 83 |
| Активная длина статора, мм | 100 | 80 | 78 | 78 |
| Диаметр расточки статора, мм | 82 | 62,7 | 84 | 84 |
| Воздушный зазор, мм | 0,25 | 0,35 | 0,5 | 0,5 |
| Магнитный зазор, мм | 2 | 1,35 | 2,5 | 2,5 |
| Другие параметры | ||||
| Окружная скорость ротора, м/с | 25,6 | 19,5 | 52,15 | 52,15 |
| Полная масса двигателя, кг | 20,5 | 8 | 15,15 | 15,4 |
1 — с композитным слоисто-блочным ротором; 2 — со слоистым сердечником и радиальными ПМ; 3 — с радиальными ПМ; 4 — с тангенциальными ПМ.
В качестве примера на рис. 14 представлены экспериментальные зависимости выходных характеристик двухполюсного ВТСП электродвигателя с композитным слоисто-блочным ротором от тока статора при отсутствии (рис. 14а) и наличии (рис. 14б) ВТСП элементов. Видно, что в последнем случае мощность увеличивается на 40%.
| U = 220 В, n = 3000 мин-1 | |
| а) | б) |
Рисунок 14. Экспериментальные выходные характеристики двухполюсного
ВТСП двигателя с композитным слоисто-блочным ротором: а — без ВСТП; б — с ВТСП
Экспериментальные исследования двухполюсного синхронного ВТСП электродвигателя со слоистым сердечником и радиальными ПМ в роторе проводились при различном напряжении питания. Мощность машины в номинальном режиме составила 5 кВт при значении КПД 99%. Следует отметить, что высокий КПД этого ВТСП двигателя остается стабильным при возрастании нагрузки до значения, соответствующего опрокидывающему моменту.
Испытания четырехполюсного синхронного ВТСП электродвигателя с радиальными ПМ показали, что при наличии ВТСП элементов в роторе его опрокидывающий момент возрос на 40 – 60%. Значительно увеличился КПД, который в номинальном режиме достигает значения 90%. Коэффициент мощности (cos ), независимо от режима работы ВТСП двигателя, лежит в диапазоне 0,95 – 0,99 (см. рис. 15).
| U = 110 В, n = 3000 мин-1 | |
| а) | б) |
Рисунок 15. Экспериментальные выходные характеристики четырехполюсного
ВТСП двигателя с радиальными ПМ: а — без ВСТП; б — с ВТСП
Результаты экспериментального исследования четырехполюсного ВТСП двигателя с тангенциальными ПМ показали, что наличие ВТСП элементов в роторе вставок увеличивает мощность машины на 30%, КПД на 5 – 10%, а коэффициент мощности при этом остается прежним.
В качестве примера, на рис. 16 показано сравнение результатов экспериментальных данных с теоретическими расчетами для двухполюсного ВТСП двигателя с композитным слоисто-блочным ротором (рис. 16а) и четырехполюсного ВТСП двигателя с тангенциальными ПМ (рис. 16б). Видно, что погрешность в номинальном режиме работы составляет ~10 – 15%, что позволяет рекомендовать рассмотренные алгоритмы численного расчета на этапе проектирования таких электрических машин.
| а) | б) |
Рисунок 16. Сопоставление теоретических расчетов с экспериментальными
исследованиями ВТСП двигателей: пунктирные линии — теоретический расчет;
сплошные линии — экспериментальные данные
На базе теоретических и экспериментальных исследований ВТСП двигателей с ПМ в диссертационной работе сформулированы рекомендации по использованию этих электрических машин в качестве приводов криогенных насосов и высокодинамичных приводов испытательных стендов для автомобильной промышленности.
Основные выводы и результаты
- Сделан обзор разработок и показано, что в настоящее время совершенствование ВТСП электрических машин и повышение их энергетических параметров связывают с возможностью использования в их активной зоне редкоземельных постоянных магнитов и массивных ВТСП элементов на основе иттриевой керамики.
- Предложены новые схемы двух- и четырехполюсных синхронных электродвигателей на основе массивных ВТСП элементов и постоянных магнитов, обладающих высокими массоэнергетическими показателями.
- Построенные в работе аналитические методики расчета двухмерных магнитных полей и выходных параметров двухполюсных синхронных ВТСП двигателей позволяют проводить сравнительный анализ параметров различных конструктивных схем таких двигателей с учетом физических свойств массивными ВТСП элементов и постоянных магнитов.
- Для двухполюсного синхронного ВТСП двигателя со слоисто-блочной структурой ротора определены оптимальные значения концентраций постоянных магнитов, ВТСП и ферромагнитных элементов, обеспечивающих получение предельных значений электромагнитной мощности при высоких значениях cos . Показано, что использование в составе композитного слоисто-блочного ротора пластин из массивных ВТСП элементов позволяет увеличить в 1,3 – 1,5 раза выходную мощность СП синхронных двигателей по сравнению с синхронными электродвигателями аналогичной конструкции (без ВТСП пластин) при тех же режимах охлаждения машины на уровне температур жидкого азота.
- Теоретические исследования показали, что синхронные двигатели с радиальными постоянными магнитами и слоистым сердечником ротора из ферромагнитных и ВТСП пластин, при рациональном выборе толщины ПМ, обеспечивают на 10 – 15 % более высокие энергетические показатели по сравнению с синхронными ВТСП двигателями со слоисто-блочной структурой ротора.
- Разработаны теоретические методы численного расчета двухмерных магнитных полей и параметров четырехполюсных синхронных электродвигателей с радиальными и тангенциальными ПМ и массивными ВТСП элементами в роторе, позволяющие проводить сравнительный анализ энергетических параметров различных конструктивных схем таких двигателей с учетом магнитных свойств элементов и реальной геометрии электрических машин.
- Результаты численных расчетов показали, что четырехполюсные синхронные ВТСП электродвигатели с радиальными постоянными магнитами на роторе обеспечивают более высокий уровень мощности по сравнению с ВТСП двигателями с тангенциальными магнитами.
- Разработаны конструкции, спроектированы, изготовлены и испытаны на стенде кафедры 310 МАИ экспериментальные модели:
- двухполюсного синхронного ВТСП электродвигателя со слоисто-блочным ротором (DxL = 82x100мм) мощностью ~10 кВт при частоте вращения n = 3000 мин-1;
- двухполюсного синхронного ВТСП электродвигателя со слоистым сердечником и радиальными ПМ (DxL = 62,7x80 мм) мощностью ~4 кВт при частоте вращения n = 3000 мин-1;
- четырехполюсного синхронного ВТСП электродвигателя с радиальными ПМ на роторе (DxL = 84x78 мм) мощностью ~15 кВт при частоте вращения n = 6000 мин-1;
- четырехполюсного синхронного ВТСП электродвигателя с тангенциальными ПМ на роторе (DxL = 84x78 мм) мощностью ~15 кВт при частоте вращения n = 6000 мин-1.
- Проведена модернизация криогенного стенда и дооснащение автоматизированного измерительного комплекса, позволяющего производить регистрацию и предварительную обработку экспериментальных данных в реальном масштабе времени в течение эксперимента.
- Экспериментальные исследования двух- и четырехполюсных синхронных ВТСП электродвигателей показали, что они устойчиво работают в среде жидкого азота, обеспечивая высокие удельные массоэнергетические показатели.
- Полученные экспериментальные характеристики синхронных ВТСП электродвигателей хорошо согласуются с теоретическими данными, что позволяет рекомендовать созданные теоретические модели для проектных расчетов высокоэффективных ВТСП приводов.
- На базе теоретических и экспериментальных исследований ВТСП электродвигателей с ПМ сформулированы рекомендации для использования их в качестве приводов криогенных насосов и высокодинамичных приводов испытательных стендов для автомобильной промышленности.
Основные положения диссертации опубликованы в работах:
- Дежин Д.С., Ковалев К.Л., Ковалев Л.К. Двигатели с композитным ротором на базе ВТСП и постоянных магнитов // Авиация и космонавтика – 2006: Сборн. тез. докл. Москва, 23–26 октября 2006. – С. 370.
- Dezhin D.S., Ilushin K.V., Koneev S.M.A., Kovalev K.L., Kovalev L.K., Penkin V.T., Poltavec V.N., Firsov V.P. A pump with HTS electrical drive for the cryogenic pipeline // CryoPrague-2006: Book of abstracts. July 17 – 21, 2006. – Praha, Czech republic. – P. 107.
- Дежин Д.С., Ильясов Р.И., Илюшин К.В., Ковалев Л.К., Конеев С.М.-А., Полтавец В.Н. Синхронные двигатели с объемными высокотемпературными сверхпроводниковыми элементами и возбуждением от постоянных магнитов // Электричество. – 2007. – № 2. – С. 28–33.
- Дежин Д.С., Кавун Ю.Ю., Ковалев Л.К. Синхронные электродвигатели с радиально тангенциальными магнитами // Электричество. – 2007. – №11. – С. 16–23.
- Дежин Д.С., Карпышев А.В., Ковалев К.Л., Ковалев Л.К., Конеев С.М.-А., Полтавец В.Н., Фирсов В.П. Опыт создания криогенных насосов для силовых кабельных линий // Конференция по физике конденсированного состояния, сверхпроводимости и материаловедению: Сборн. ан. докл. Москва, 26–30 ноября 2007. – С. 231.
- Дежин Д.С., Ковалев К.Л. Электродвигатель с композитным ротором на основе ВТСП, постоянных магнитов и ферромагнитных элементов // Конференция по физике конденсированного состояния, сверхпроводимости и материаловедению: Сборн. ан. докл. Москва, 26–30 ноября 2007. – С. 227.
- Дежин Д.С., Ковалев К.Л. Синхронный электродвигатель со слоисто-блочным ротором с постоянными магнитами и массивными ВТСП элементами // Информационные технологии в авиационной и космической технике-2008: Сборн. тез. докл. Москва, 21–24 апреля 2008. – С. 59.
- Дежин Д.С., Ильясов Р.И., Ковалев К.Л., Ковалев Л.К. Электродвигатель с композитным ротором на основе ВТСП, постоянных магнитов и ферромагнитных элементов // Электричество. – 2008. – №8. – С. 40–46.
- Дежин Д.С. Численные способы расчета двух- и четырехполюсных синхронных ВТСП электродвигателей с постоянными магнитами // Авиация и космонавтика – 2008: Сборн. тез. докл. Москва, 20–23 октября 2008. – С. 209.
- Пат. 71190. Российская Федерация, МПК51 Н02К 55/02, Н02К 1/02. Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина с композитным ротором / Дежин Д.С., Ковалев К.Л., Ковалев Л.К. и др.; заявитель и патентообладатель Московский авиационный институт. – опубл. 27.02.08, Бюл. №6. – 2 с.
