WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

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

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»