Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора
технических наук: 05.09.01 – Электромеханика и электрические
аппараты. — Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии
силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН. — Санкт-Петербург, 2010. — 55
с.
Цель работы
Выполнение комплекса теоретических, конструкторских, технологических и экспериментальных исследований, направленных на решение проблемы ввода тока в сверхпроводниковые электротехнические и электрофизические устройства путем разработки и создания сверхпроводниковых топологических источников питания и термодинамически оптимизированных токовводов с повышенными технико-экономическими показателями.
Научная новизна
Установлено, что в сверхпроводниках I рода может возникать смешанное, в сверхпроводниках II рода – промежуточное и, наконец, в тех и других – промежуточно-смешанное («полумейсснеровское») состояние.
Доказано, что необходимым и достаточным условием возникновения «топологического» эффекта в резистивно-сверхпроводящем коммутаторе является образование резистивной зоны полумейсснеровского состояния, более того, одной квантованной нити магнитного потока.
Разработаны принципы конструирования коммутаторов нового класса - фазовых резистивно-сверхпроводящих коммутаторов.
Показано, что топологический генератор представляет собой электрическую машину постоянного тока с фазовым резистивно-сверхпроводящим коммутатором.
Разработана аналитическая теория топологических генераторов и преобразователей криотронных. Выражения имеют общий характер и пригодны для расчета параметров и характеристик топологических электрических машин и аппаратов различного исполнения.
Предложены типовые схемы и исследованы сверхпроводниковые электрические машины и трансформаторы постоянного тока, в которых используется эффект движения квантованных нитей магнитного потока.
Теоретически и экспериментально исследованы топологические преобразователи криотронные с несимметричными ветвями, что позволило сопоставить различные коммутационные режимы и обосновать условия, обеспечивающие оптимальное протекание коммутационного процесса.
Созданы универсальные автоматизированные системы питания и управления топологических преобразователей криотронных, обеспечивающие широкий спектр коммутационных режимов - сопротивлением, напряжением и смешанный.
Экспериментально исследованы магнитные поля и добавочные моменты в топологических генераторах с широкой номенклатурой применяемых в них сверхпроводниковых материалов. Полученные результаты согласуются с данными экспериментального исследования механизма проникновения магнитного поля в тонколистовые образцы сверхпроводниковых материалов и подтверждают достоверность теоретически обоснованных условий возникновения «топологического» эффекта.
Предложен метод термодинамической оптимизации механической передачи и разработана типовая конструкция герметичного электропривода. Впервые создана и исследована топологическая электромагнитная муфта. Для синтеза сверхпроводниковой обмотки возбуждения муфты впервые методом регуляризации решена некорректная обратная задача.
Численно решена комплексная задача расчета геометрических и теплофизических параметров и выбора режима охлаждения энергетически оптимальных шунтированных сверхпроводником пористых токовводов.
Разработано на уровне изобретений и патентов 28 сверхпроводниковых топологических электрических машин, устройств и токовводов, в конструкциях которых реализованы выводы и рекомендации теории по повышению КПД, надежности и совершенствованию технологии, а также требования технической эстетики.
Разработаны принципы проектирования сверхпроводниковых топологических электрических машин и токовводов с широким спектром номинальных параметров, на основе которых выпущена рабочая документация на типовые конструкции и технологическую оснастку для изготовления нестандартных узлов.
Получила научное обоснование принципиальная возможность разработки топологических генераторов на базе использования любых, прежде всего, жестких сверхпроводников 2-го рода, и созданы агрегаты с рекордными параметрами: ток 10 кА, напряжение 0,8 В, удельная токовая нагрузка 1 кА/кг.
Практическая ценность
Сформулированные и обоснованные теоретически, подтвержденные в серии экспериментов и реализованные на этапах специальной и маршрутной технологии новые научные положения представляют собой решение формировавшейся с начала 60-х годов и выделившейся в самостоятельную проблемы в области сильноточной криогенной электротехники – эффективный и безопасный ввод (вывод) тока в стационарные и вращающиеся криостаты, имеющей первостепенное значение при создании крупных электрофизических и электроэнергетических объектов с применением явления сверхпроводимости.
Разработанные на базе теории инженерные методики расчета сверхпроводниковых топологических электрических машин обеспечивают с помощью ЭВМ, а также без использования сложной вычислительной техники определять основные параметры рассматриваемых машин и строить их рабочие характеристики.
Разработанные оригинальные конструкции резистивно-сверхпроводящих коммутаторов на основе жестких сверхпроводников 2-го рода позволяют существенно повысить номинальные параметры топологических генераторов - по току нагрузки до 10 кА и удельной токовой нагрузке выше 1 кА/кг и упростить технологию их изготовления.
Созданные на основе различных схемных решений вращающиеся и статические топологические генераторы открывают перспективное направление в развитии высокоиспользованных электрических машин.
Созданные многофункциональные топологические генераторы позволяют (по расчетам ИФВЭ в Протвино) в несколько раз снизить капитальные и эксплуатационные затраты на обеспечение надежного функционирования систем питания, защиты и диагностики сверхпроводниковых устройств, по сравнению с использованием традиционных («теплых») источников постоянного тока.
Разработанные и исследованные в различных криогенных средах топологические генераторы с использованием металлооксидных керамических и пленочных высокотемпературных сверхпроводников дают возможность создавать прецизионные источники питания для ЯМР-томографов, а также чувствительные диагностические устройства для исследования электромагнитных свойств ВТСП-материалов.
Разработанные методы термодинамической оптимизации токовводов позволяют конструировать устойчивые к токовой перегрузке пористые токовводы с пониженным на 15% уровнем теплопритоков на холодном конце и пятикратным снижением затрат энергии на компенсацию теплопритоков, поступающих в общий контур циркуляции криоагента.
Разработанный в процессе решения некорректной задачи алгоритм расчета имеет универсальное применение, позволяя синтезировать осесимметричные магнитные системы различного назначения, создающие в рабочем объеме магнитное поле с заданной степенью неоднородности.
Выполнение комплекса теоретических, конструкторских, технологических и экспериментальных исследований, направленных на решение проблемы ввода тока в сверхпроводниковые электротехнические и электрофизические устройства путем разработки и создания сверхпроводниковых топологических источников питания и термодинамически оптимизированных токовводов с повышенными технико-экономическими показателями.
Научная новизна
Установлено, что в сверхпроводниках I рода может возникать смешанное, в сверхпроводниках II рода – промежуточное и, наконец, в тех и других – промежуточно-смешанное («полумейсснеровское») состояние.
Доказано, что необходимым и достаточным условием возникновения «топологического» эффекта в резистивно-сверхпроводящем коммутаторе является образование резистивной зоны полумейсснеровского состояния, более того, одной квантованной нити магнитного потока.
Разработаны принципы конструирования коммутаторов нового класса - фазовых резистивно-сверхпроводящих коммутаторов.
Показано, что топологический генератор представляет собой электрическую машину постоянного тока с фазовым резистивно-сверхпроводящим коммутатором.
Разработана аналитическая теория топологических генераторов и преобразователей криотронных. Выражения имеют общий характер и пригодны для расчета параметров и характеристик топологических электрических машин и аппаратов различного исполнения.
Предложены типовые схемы и исследованы сверхпроводниковые электрические машины и трансформаторы постоянного тока, в которых используется эффект движения квантованных нитей магнитного потока.
Теоретически и экспериментально исследованы топологические преобразователи криотронные с несимметричными ветвями, что позволило сопоставить различные коммутационные режимы и обосновать условия, обеспечивающие оптимальное протекание коммутационного процесса.
Созданы универсальные автоматизированные системы питания и управления топологических преобразователей криотронных, обеспечивающие широкий спектр коммутационных режимов - сопротивлением, напряжением и смешанный.
Экспериментально исследованы магнитные поля и добавочные моменты в топологических генераторах с широкой номенклатурой применяемых в них сверхпроводниковых материалов. Полученные результаты согласуются с данными экспериментального исследования механизма проникновения магнитного поля в тонколистовые образцы сверхпроводниковых материалов и подтверждают достоверность теоретически обоснованных условий возникновения «топологического» эффекта.
Предложен метод термодинамической оптимизации механической передачи и разработана типовая конструкция герметичного электропривода. Впервые создана и исследована топологическая электромагнитная муфта. Для синтеза сверхпроводниковой обмотки возбуждения муфты впервые методом регуляризации решена некорректная обратная задача.
Численно решена комплексная задача расчета геометрических и теплофизических параметров и выбора режима охлаждения энергетически оптимальных шунтированных сверхпроводником пористых токовводов.
Разработано на уровне изобретений и патентов 28 сверхпроводниковых топологических электрических машин, устройств и токовводов, в конструкциях которых реализованы выводы и рекомендации теории по повышению КПД, надежности и совершенствованию технологии, а также требования технической эстетики.
Разработаны принципы проектирования сверхпроводниковых топологических электрических машин и токовводов с широким спектром номинальных параметров, на основе которых выпущена рабочая документация на типовые конструкции и технологическую оснастку для изготовления нестандартных узлов.
Получила научное обоснование принципиальная возможность разработки топологических генераторов на базе использования любых, прежде всего, жестких сверхпроводников 2-го рода, и созданы агрегаты с рекордными параметрами: ток 10 кА, напряжение 0,8 В, удельная токовая нагрузка 1 кА/кг.
Практическая ценность
Сформулированные и обоснованные теоретически, подтвержденные в серии экспериментов и реализованные на этапах специальной и маршрутной технологии новые научные положения представляют собой решение формировавшейся с начала 60-х годов и выделившейся в самостоятельную проблемы в области сильноточной криогенной электротехники – эффективный и безопасный ввод (вывод) тока в стационарные и вращающиеся криостаты, имеющей первостепенное значение при создании крупных электрофизических и электроэнергетических объектов с применением явления сверхпроводимости.
Разработанные на базе теории инженерные методики расчета сверхпроводниковых топологических электрических машин обеспечивают с помощью ЭВМ, а также без использования сложной вычислительной техники определять основные параметры рассматриваемых машин и строить их рабочие характеристики.
Разработанные оригинальные конструкции резистивно-сверхпроводящих коммутаторов на основе жестких сверхпроводников 2-го рода позволяют существенно повысить номинальные параметры топологических генераторов - по току нагрузки до 10 кА и удельной токовой нагрузке выше 1 кА/кг и упростить технологию их изготовления.
Созданные на основе различных схемных решений вращающиеся и статические топологические генераторы открывают перспективное направление в развитии высокоиспользованных электрических машин.
Созданные многофункциональные топологические генераторы позволяют (по расчетам ИФВЭ в Протвино) в несколько раз снизить капитальные и эксплуатационные затраты на обеспечение надежного функционирования систем питания, защиты и диагностики сверхпроводниковых устройств, по сравнению с использованием традиционных («теплых») источников постоянного тока.
Разработанные и исследованные в различных криогенных средах топологические генераторы с использованием металлооксидных керамических и пленочных высокотемпературных сверхпроводников дают возможность создавать прецизионные источники питания для ЯМР-томографов, а также чувствительные диагностические устройства для исследования электромагнитных свойств ВТСП-материалов.
Разработанные методы термодинамической оптимизации токовводов позволяют конструировать устойчивые к токовой перегрузке пористые токовводы с пониженным на 15% уровнем теплопритоков на холодном конце и пятикратным снижением затрат энергии на компенсацию теплопритоков, поступающих в общий контур циркуляции криоагента.
Разработанный в процессе решения некорректной задачи алгоритм расчета имеет универсальное применение, позволяя синтезировать осесимметричные магнитные системы различного назначения, создающие в рабочем объеме магнитное поле с заданной степенью неоднородности.