Сверхпроводниковые электрические машины и преобразователи с фазовым резистивно-сверхпроводящим коммутатором

• Автор: Антонов, Юрий Федорович
• Шифр специальности: 05.09.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 483 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

В.1. Актуальность темы

В.2. Обзор работ по сверхпроводниковым топологическим генераторам

и преобразователям криотронным

В.З. Обзор работ по исследованию структуры и динамики промежуточного

И смешанного состояния сверхпроводников

В.3.1. Квантование магнитного потока

В.3.2. Прямое наблюдение структуры промежуточного и смешанного

состояния сверхпроводников

В.3.3. Течение квантованного магнитного потока. Пиннинг
В.4. Общая характеристика работа
Выводы по Введению
Обозначения основных физических величии
Глава 1. Разработка и исследование электрических машин и трансформаторов постоянного тока, работающих на принципе
движения квантованных нитей магнитного потока
Постановка задачи
1.1. Природа ЭДС в сверхпроводниках, находящихся в динамическом промежуточном и смешанном состоянии
1.2. Принцип действия и устройство
1.3. Принятые допущения
1.4. Режим электродвигателя. Энергетические соотношения и рабочие характеристики
1.5. Режим генератора. Энергетические соотношения и рабочие характеристики .
1.6. Результаты экспериментальных исследований
1.7. Сверхпроводниковая топологическая электромагнитная муфта
1.7.1. Принцип действия и типы конструктивного исполнения
1.7.2. Расчетные соотношения. Номинальные параметры и рабочие характеристики
1.7.3. Анализ опытных данных
1.8. Синтез сверхпроводниковой обмотки возбуждения
1.8.1. О корректной постановке задачи
1.8.2. Постановка задач синтеза в магнитостатике
1.8.3. Физическая постановка задачи и ее математическая формулировка
1.8.4. Подготовка задачи к численному счету
1.8.5. Практическая реализация метода расчета
1.9. Синхронный двигатель с короткозамкнутой сверхпроводниковой обмоткой
1.9.1. Особенности конструкции и принцип действия
1.8.2. Потери на переменном токе
1.8.3. Стабильность многоволоконных сверхпроводниковых материалов
1.8.4. Выбор сверхпроводникового обмоточного материала для обмоток
Выводы по главе
Глава 2. Общая теория сверхпроводниковых топологических
генераторов и преобразователей криотронных
Постановка задачи
2.1. Классификация сверхпроводпиковых топологических электрических машин
2.2. Принцип действия сверхпроводниковой топологической электрической машины. Исходные положения
2.2.1. Намагничивание. Магнитное поле проникновения
2.2.2. Кривые намагничивания свсрхпроводниковых материалов для РСК
2.3. Топологическая модель
2.4. Идеализированная машина. Схема замещения
2.5'. Преобразование магнитных потоков в сверхпроводящих
контурах идеализированной машины
2.6. Учет влияния омического сопротивления РСК
2.7. Мощность, потери и КПД
2.8. Сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными
2.8.1. ТПГ с механическим приводом
2.8.2. Топологические преобразователи криотронньте
2.9. Пути повышения КПД
Выводы по главе
Глава 3. Коммутация в топологических генераторах и преобразователях
криотронных
Постановка задачи
3.1. Коммутация в топологических генераторах
3.1.1. Коммутация без учета ЭДС. наводимой в резистивной зоне
3.1.2. Влияние ЭДС, наводимой в резистивной зоне
3.1.3. Коммутация экранирующих токов
3.1.4. Топологический генератор со встроенным коммутирующим устройством
3.2. Особенности коммутации в топологических преобразователях криотронных
3.2.1. Математическая модель топологического преобразователя криотронного, выполненного по схеме двухполупериодного выпрямшеля-инвертора с пулевым выводом
3.2.2. Смешанная коммутация
3.2.3. Сравнительный анализ режимов коммутации
3.2.4. Экспериментальные исследования коммутационных потерь в топологическом преобразователе криотронпом
3.2.5. Система управления
Выводы по главе
Глава 4. Проникновение и распределение магнитного поля в фазовом
резистивно-сверхпроводящем коммутаторе
Постановка задачи
4.1. Исследование магнитного поля в фазовом резистивно-сверхпроводящем коммутаторе при фиксированном положении полюса-зубца
4.1.1. Параметры исследуемых сверхпроводпиковых обмоточных материалов
4.1.2. Описание экспериментальной установки
4.1.3. Проникновение магнитного поля в РСК при фиксированном положении
полюса-зубца
4.2. Исследование магнитного поля в резистивно-сверхпроводящем
коммутаторе при повороте ферромагнитного сердечника индуктора
4.2.1. Параметры исследуемых свсрхпроводниковых обмоточных материалов
4.2.2. Описание экспериментальной установки!
4.2.3. Проникновение магнитного поля в фазовый резистивно-сверхпроводящий
коммутатор при повороте ферромагнитного сердечника индуктора
4.2.4. Распределение нормальной составляющей магнитной индукции в тангенциальном направлении при повороте ферромагнитного сердечника индуктора
4.2.5. Влияние реакции якоря на распределение магнитного поля в резистивносверхпроводящем коммутаторе
4.3. Распределение магнитного поля в движущейся резистивной области
4.4. Намагничивание топологического генератора
4.4.1. Характеристики намагничивания магнитной цепи топологического генератора при фиксированном полюсе-зубце
4.4.2. Перемагничиваште. обусловленное вращением зубчатого ферромагнитного сердечника индуктора
4.5. Опыт холостого хода
Выводы по главе 4
Глава 5. Добавочные электромагнитные моменты и потери
Постановка задачи
5.1. Предварительные замечания
5.2. Основной электромагнитный момент
5.2.1. Экспериментальная установка и методика измерения основного электромагнитного момента
5.3. Добавочные электромагнитные моменты и потери
5.3.1. Физическая природа добавочных электромагнитных моментов и потерь в топологических генераторах
5.3.2. Экспериментальная установка и методика измерения добавочных электромагнитных моментов
5.4. Результаты измерений
5.5. «Нулевой» момент
5.6. Момент холостого хода
Выводы по главе
Глава 6. Рабочие характеристики и режимы работы топологических
генераторов. Области применения
Постановка задачи
6.1. Главные характеристики
6.1.1. Характеристика накачки и откачки /,, = /(v) при = const, /= const
6.1.2. Характеристика напряжения холостого хода Uxx = U(f) при /н = 0,
/„ = var (ступенями) :
6.1.3. Внешняя характеристика Uu = U(/н), /в = const, /= const
6.1.4. Зоны устойчивой работы UH = U (/), ів, /н = var. (ступенями)
6.2. Совместная работа топологических генераторов
6.2.1. Возбуждение топологических генераторов
6.2.2. Условия и оперативные мероприятия по включению топологических генераторов в параллельную работу
6.2.3. Эксперимент с «буферным» топологическим генератором
6.2.4. Параллельная работа топологических генераторов с одинаковыми номинальными параметрами
6.2.5. Особенности распределения тока в параллельных сверхпроводящих ветвях
6.3. Режимы работы топологического генератора
6.3.1. Режимное питание соленоида нагрузки каркасного исполнения

преобразователей и термодинамически оптимизированных пористых токовводов.
В.4.9. Публикации
Основное содержание работы опубликовано в 74 работах, из них 2 монографии, 36 статей в научно-технических журналах, 8 тезисов научно-технических конференций и 28 авторских свидетельств и зарубежных патентов (США, ФРГ).
В.4.10. Объем и структура
Диссертация состоит из введения, 3-х разделов, включающих 11 глав, заключения, приложения и библиографии (462 наименования); иллюстрации включают 169 графических и тоновых рисунков; 19 таблиц; общий объем диссертации 416 с.
Выводы по Введению
Фундаментально-прикладные исследования, проводившиеся во ВНИИэлектромаше, а затем в ОЭЭП и ИХС РАН, позволили кардинально продвинуться в понимании физики процессов, протекающих в сверхпроводниковых топологических электрических машинах, разработать их общую теорию и основные принципы проектирования.
В основу исследований положена концепция, согласно которой сверхпроводниковая электрическая машина рассматривается как обычная электрическая машина постоянного тока [62] с новым типом «фазового» коммутатора, для изготовления которого можно применять любые сверхпроводниковые материалы, прежде всего серийно производимые фольги и ленты из жестких сверхпроводников II рода. Созданные на основе современных взглядов и технологий ТПГ на токи до 10 кА с удельной токовой нагрузкой 1 кА/кг (рис. В .4.1, В.4.2) стали конкурентно способными в системах питания сверхпроводниковых ЯМР-томогафов, ускорителей заряженных частиц, и бесконтактного возбуждения криоэлектрических машин. Так, при возобновлении строительства в Протвино УНК-3 ТэВ [58], для питания 200 отклоняющих сверхпроводниковых магнитов (запасенная энергия 1 МДж) каналов частиц могут' бьггь поставлены ТПГ на ток 8 кА. Также могут быть изготовлены ТПГ на ток 13 кА для системы питания Сверхпроводникового ускорителя со встречными пучками (LIIC) в ЦЕРНе (CERN) [55]. Нет препятствий принципиального свойства для разработки ТПГ на ток до 75 кА с целью оснащения системы питания тороидального магнита Международного термоядерного реактора (ITER) [55].