Опыт создания электрических машин на основе массивных ВТСП элементов с азотным охлаждением
2007, Tом 4, выпуск 6
Тематика: Научные центры России
Большинство разработок зарубежных ВТСП электрических машин в настоящее время опирается на концепцию использования в индукторе машины композитных ленточных ВТСП проводов 1-го поколения (соединения Bi-2223), а в будущем − ВТСП проводов 2-го поколения с тонкими YBCO пленками и проводами на основе соединения MgB2. Уже сейчас создан ряд крупных электрических двигателей и генераторов большой мощности. Так, например, в США разработан прототип ВТСП электропривода морских судов мощностью 36,5 МВт и бортовой авиационный ВТСП генератор мощностью ~ 1 МВА. В Германии фирмой Siemens создан ВТСП двигатель мощностью ~ 4 МВт.
В разрабатываемых ВТСП электрических машинах на основе композитных ВТСП проводов, как правило, необходимо использовать сложные системы криостатирования, обеспечивающие достаточно низкие температуры в зоне индуктора (на уровне существенно ниже температуры кипения жидкого азота). Для этих целей используются системы криостатирования с жидким неоном или криокулеры, работающие по циклу Стирлинга и Гиффорда-МакМагона.
Альтернативные разработки криогенных электрических машин с массивными ВТСП элементами из YBCO керамики с охлаждением жидким азотом (77 К) ведутся, начиная с 1995 г, в МАИ в Центре сверхпроводниковых электрических машин и устройств в кооперации с ведущими научными центрами России и Германии (ВНИИНМ им. Бочвара, ВЭИ, НИИЭМ (Истра), ОАО «АКБ Якорь», IPHT (Йена, Германия), IFW (Дрезден, Германия), «Oswald Elektromotoren GmbH» (Мильтенберг, Германия)).
Основными задачами, которые решали разработчики электрических машин на основе массивных ВТСП элементов и азотного охлаждения (77 К) являлись:
· показать, что разрабатываемые ВТСП машины могут обеспечивать достаточно высокий уровень мощностей (более 10 – 100 кВт) при температурах жидкого азота;
· разработать конструкции ВТСП машин с приемлемыми для их практического использования значениями коэффициента мощности (cos fi ~ 0,8);
· показать, что использование в электрических машинах массивных ВТСП элементов позволяет получить при одинаковых режимах криогенного охлаждения более высокие удельные массоэнергетические показатели по сравнению с лучшими образцами традиционных электрических машин (магнитоэлектрических двигателей на основе постоянных магнитов из редкоземельных элементов);
· продемонстрировать варианты конкретного практического применения новых типов электрических машин в перспективных промышленных разработках.
Рис. 1. Гистерезисные ВТСП двигатели с азотным охлаждением. а) ВТСП двигатель 0,5 кВт (50 Гц); б) ВТСП двигатель 1 кВт (50 Гц); в) Криогенная помпа с ВТСП двигателем.
Если необходимо вставить картинку,Для решения первой задачи в период 1995-2001 гг в МАИ были разработаны и успешно испытаны серии гистерезисных ВТСП двигателей с массивными ВТСП элементами в роторе мощностью до 4 кВт. Было показано, что ВТСП гистерезисные двигатели имеют в 3-4 раза более высокие массоэнергетические показатели по сравнению с традиционными гистерезисными машинами. На базе гистерезисного ВТСП двигателя создан первый погружной насос для пере-качки жидкого азота. Было показано, что достигнутый в настоящее время коэффициент мощности гистерезисных ВТСП двигателей составляет величину порядка 0,2-0,3 и может быть улучшен до уровня 0,5-0,6 при использовании известных методов импульсного подмагничивания ВТСП элементов.
Для решения задачи повышения коэффициента мощности (до уровня ~ 0,7) в 2000-2005 гг в МАИ в рамках сложившейся кооперации была разработана и успешно испытана серия реактивных ВТСП электродвигателей с массивными YBCO элементами в роторе мощностью от 1кВт до 100 кВт (рис. 2). На основе этих работ фирмой «Oswald Elektromotoren GmbH» в кооперации с МАИ был создан и успешно испытан реактивный ВТСП двигатель мощностью 250 кВт. Исследования показали, что применение ВТСП элементов позволяет существенно увеличить магнитную анизотропию ротора машины, недостижимую при использовании традиционных электро-технических материалов. Экспериментально и теоретически показано, что удельные массоэнергетические параметры реактивных ВТСП двигателей в 2-2,5 раза превосходят параметры традиционных реактивных двигателей при одинаковых режимах охлаждения жидким азотом. При охлаждении реактивных ВТСП двигателей до температуры жидкого водорода (~20 К) их удельные массоэнергетические показатели улучшаются в 1,5-2 раза по сравнению с ВТСП двигателями, охлаждаемыми жидким азотом (77 К). На основе полученных результатов в МАИ совместно с ОАО «Туполев» был спроектирован, изготовлен и испытан макетный образец погружного насоса с реактивным ВТСП двигателем для перекачки жидкого водорода для самолета на водородном топливе (типа «Криоплан»).
Рис. 2. Серия реактивных ВТСП двигателей. а) ВТСП двигатель 1 кВт (50 Гц); б) ВТСП двигатель 5 кВт (50 Гц); в,г) ВТСП двигатель 100 кВт (50 Гц); д) Криогенный топливный насос с ВТСП приводом.
В последние годы (2004-2007) в МАИ ведутся разработки электрических двигателей с использованием массивных ВТСП элементов и постоянных магнитов на основе редкоземельных элементов. Первые эксперименты показали, что такие ВТСП двигатели будут иметь в 1,5-2 раза более высокие массоэнергетические показатели по сравнению с реактивными ВТСП электродвигателями. Идею применения ВТСП элементов в роторе можно достаточно ясно оценить на основе анализа известной угловой зависимости мощности P:
где эпсилон − коэффициент возбуждения машины (отношение ЭДС к номинальному напряжению); Тэта − угол между магнитными потоками, создаваемыми постоянными магнитами и магнитным потоком в воздушном зазоре; Xd и Xq − индуктивные коэффициенты машины по осям d и q.
Рис. 3. Концепция ВТСП двигателей с постоянными магнитами.
На рис. 3 приведены сравнительные угловые характеристики неявнополюсных ( Xd = Xq) и явнополюсных (Xd > Xq ) обычных и ВТСП синхронных магнитоэлектрических двигателей. Видно, что при использовании массивных ВТСП элементов можно заметно увеличить мощность электрического двигателя за счет снижения индуктивных параметров Xd, Xq в неявнополюсных и явнополюсных ВТСП синхронных двигателях.
На рис. 3 также приведены различные конструктивные схемы выполнения роторов синхронных ВТСП магнитоэлектрических двигателей, большая часть которых была изготовлена и успешно испытана в МАИ.
На рис. 4 представлены результаты исследования двухполюсного синхронного ВТСП двигателя со слоисто-блочной структурой ротора. Такой ротор состоит из ВТСП пластин и чередующихся блоков из магнитомягкой стали и постоянных магнитов. Из диаграмм зависимости выходной мощности от концентрации ВТСП элементов и постоянных магнитов внутри ротора видно, что существует область оптимальной концентрации. Из рисунка следует, что применение ВТСП элементов позволяет увеличить выходную мощность. Эти результаты были подтверждены экспериментально на опытном образце ВТСП двигателя (рис. 4).
Рис. 4. ВТСП электродвигатель с композитным ротором. а,б) Зависимость максимальной мощности от концентрации ВТСП и постоянных магнитов в роторе; в,г) Внешний вид композитного ротора; д) Угловые характеристики ВТСП двигателя.
Были также разработаны и успешно испытаны 4-х полюсные синхронные ВТСП двигатели с радиальными и тангенциальными магнитами мощностью ~ 20 кВт. Внешний вид 4-х полюсного двигателя и его угловые характеристики показаны на рис. 5. Результаты испытаний показали, что вариант синхронного ВТСП двигателя с радиальными магнитами дает лучшие показатели и является более технологичным в исполнении.
Рис. 5. Четырехполюсный ВТСП электродвигатель с радиальными ПМ в роторе. а) Статор; б) Ротор; в) Угловые характеристики ВТСП двигателя.
Рис. 6. Криогенный насос для ВТСП магистрали передачи электроэнергии. а) Крионасос с ВТСП электродвигателем (1 – корпус насоса, 2 – корпус двигателя, 3 – статор, 4 - ротор); б) Крионасос с ВТСП электродвигателем в сборе; в) ВТСП крионасос во время работы; г) Общий вид промышленного образца ВТСП магистрали передачи электроэнергии.
На базе этого ВТСП двигателя МАИ совместно с ОАО «НПО Энергомаш имени ак. В.П. Глушко» был изготовлен и успешно испытан первый промышленный образец криогенного насоса для перекачки жидкого азота. Общий вид крионасоса на этапе его испытания в составе экспериментального стенда МАИ для отработки системы криостатирования силового СП кабеля показан на рис. 6.
В рамках германо-российского проекта «High Dynamic HTS Motor» фирмой «Oswald Elektromotoren GmbH» совместно с МАИ разработан, изготовлен и проходит технологические испытания высокооборотный 4-х полюсный ВТСП синхронный двигатель мощностью ~500 кВт с радиальными редкоземельными магнитами и массивными YBCO элементами в роторе (рис. 7) Двигатель разработан для использования в автомобильных компаниях Германии компаниях Германии в качестве привода для испытаний и тестирования кузовов новых легковых автомобилей.
Рис. 7. Конструкция ВТСП электродвигателя мощностью 500 кВт на основе массивных ВТСП и РЗМ. a) Поперечное сечение ротора; б) Конструкция