ВТСП электрические машины для наземной и авиационной техники
2005, Tом 2, выпуск 1
Тематика: Российские разработки
Ожидается, что ВТСП электрические машины найдут широкое применение в наземных энергетических системах, высокоскоростном транспорте, аэрокосмической технике, в энергетических установках на морских судах. В общем объеме разрабатываемых ВТСП электроэнергетических устройств большая доля приходится именно на ВТСП электрические машины – с более высокими (по сравнению с традиционными электрическими машинами) величинами удельной мощности, коэффициента полезного действия и коэффициента мощности. ВТСП электрические машины могут сыграть важную роль в водородной энергетике.
Рис. 1. Ротор крионасоса с ВТСП элементами
Загрязнение окружающей среды становится даже более острой проблемой, чем проблема ресурсов для питания источников энергии. Для ее решения ведущие в техническом отношении страны мира сосредоточили усилия на водородном топливе, продуктом сгорания которого является водяной пар. Компании США, Германии, Японии и России разработали концепции использования жидкого водорода (LH2) в качестве топлива для авиационного и наземного транспорта. Реализация концепции требует развития инфраструктуры производства и передачи LH2. Одним из важных компонентов этой инфраструктуры являются криогенные насосы. Применение LH2 в качестве топлива для автотранспортных средств потребует развития сети заправочных станций, что приведет к применению криогенных электронасосов в широком сегменте рынка.
Крионасос с ВТСП приводом для подачи криоген-ного топлива в авиационные и ракетно-космические двигатели разработан совместно учеными МАИ, ВНИИНМ и ОАО «Туполев» (рис. 2). Насос объединяет реактивный четырехполюсный электродвигатель и центробежный криогенный насос и предназначен для системы подачи криогенного топлива. Ротор состоит из магнитомягкого сердечника и ВТСП элементов на основе BSCCO/Ag (рис.1).
Рис. 2. Крионасос с ВТСП приводом
Параметры разработанного крионасоса: вес – 16 кг, длина – 390 мм, внешний диаметр – 150 мм; выходная мощность насоса для различных скоростей вращения от 0,5 до 2,5 кг/см2
Современные ВТСП изготавливают в форме лент, объемных материалов и, в будущей перспективе, в виде проводов. Деформация ВТСП лент по радиусу больше чем 100 мм приводит к существенной деградации критических токов в них. Это накладывает ограничения на их использование в качестве обмоток за исключением очень больших систем. Поэтому ВТСП обмотки статоров рассматриваются как будущая перспектива.
В разработке крионасоса в роторах использованы объемные ВТСП элементы, работа которых основана на следующих явлениях в объемных ВТСП материалах:
· способность ВТСП элементов захватывать магнитный поток;
· гистерезисные явления в ВТСП в переменных магнитных полях;
· диамагнитное поведение ВТСП элементов в магнитном поле.
В соответствии с этим могут быть реализованы три типа синхронных ВТСП двигателей:
· машины с «захваченным магнитным полем»;
· гистерезисные двигатели;
· реактивные электродвигатели.
Электродвигатели с «захваченным магнитным полем» предпочтительны при номинальных мощно-стях более 1 МВт. Гистерезисные ВТСП двигатели обеспечивают постоянный вращающий момент, независящий от нагрузки, но коэффициент мощности таких двигателей довольно низок. Реактивные электродвигатели обладают большими эффективностью и коэффициентом мощности по сравнению с традиционными асинхронными двигателями. Пусковые характеристики обеспечиваются за счет ферромагнитных элементов ротора (асинхронный запуск). Авторы разработки остановились на варианте реактивного двигателя для привода криогенно-го насоса.
Применение ВТСП реактивного электропривода вместо асинхронного двигателя позволила умень-шить длину и удельный вес крионасоса, что является существенным для аэрокосмического оборудования. Экспериментально показано, что ВТСП крионасос обладает устойчивыми параметрами в широком диапазоне эксплуатационных скоростей.