CC BY
0Обзор
Обзор применения ВТСП обмоток в конструкциях электрических машин
Е. П. Курбатова1*
1 Национальный исследовательский университет «МЭИ», Красноказарменная ул., 14, 111250, Москва, Россия
*e-mail: kurbatovaep@mail.ru
Статья представляет собой обзор современного состояния в области применения высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) обмоток в конструкциях электрических машин. Показаны основные типы конструкций и способы применения ВТСП обмоток как в качестве обмоток возбуждения, так и обмоток якоря, опубликованные за последние 15-20 лет. Представлены данные о сравнении ВТСП машин с традиционными конструкциями.
Ключевые слова: высокотемпературная сверхпроводимость, обмотки; электрические машины.
1. Введение.
Применение новых технологических решений и материалов является основным направлением развития электротехнической отрасли. В частности, в области электромеханики такие исследования направлены на увеличение мощности, создание более эффективных как с технической, так и экономической точки зрения электромеханических преобразователей энергии.
Возможность использования ВТСП материалов в электрических машинах стала широко изучаться начиная с 2000-х годов, когда появились сверхпроводящие провода 1-го поколения с критическим током порядка 90 А, работающие при температуре жидкого азота. Почти одновременно с этим началось развитие технологии производства ВТСП лент 2-го поколения. Такие формы сверхпроводника позволяли использовать их в качестве обмоток электрических машин без необходимости сложного и дорогостоящего охлаждения жидким гелием, что вызвало огромный интерес научного сообщества.
Эффективность преобразования энергии в электрических машинах определяется значением магнитного поля, создаваемого в воздушном зазоре и токовой нагрузкой. Максимальная плотность тока при использовании обычных медных проводников ограничена сильным нагревом, вызванным потерями на сопротивлении, и в обмотках электрических машин обычно составляет порядка 2,5 А/мм2, и может достигать 15-20 А/мм2 в случае наличия принудительного охлаждения.
Критическая плотность тока в современных ВТСП лентах в десятки раз превосходит максимальные значения для меди [1]. Поскольку сверхпроводник обладает практически нулевым сопротивлением постоянному току, замена классических проводников на обмотки, выполненные из ВТСП материала, позволяет существенно увеличить токовые нагрузки в обмотках и создавать необходимую МДС в гораздо меньших габаритах. Кроме того, отсутствие сопротивления постоянному току снижает электрические потери, повышая КПД.
Однако, на электромагнитные свойства ВТСП материала существенно влияет магнитное поле и температура. Производство сверхпроводящих обмоток также связано с ограничениями, накладываемыми механическими свойствами ВТСП лент и необходимостью учёта электромагнитных усилий [2,3]. Еще одной сложностью являются потери переменного тока. В отличие от медных обмоток в сверхпроводнике с нулевым сопротивлением эти потери могут достигать больших значений и приводить к нагреву сверхпроводника, что может вызвать локальный выход из сверхпроводящего состояния. Для уменьшения этих потерь применяют материалы с меньшими удельными потерями, специальную форму проводников и конструктивные решения в магнитных системах, позволяющие уменьшить магнитное поле в области ВТСП обмоток. Не на последнем месте остаются вопросы создания эффективной системы охлаждения [4-6].
В статье представлен обзор направлений исследований применения ВТСП обмоток в электрических машинах различного типа. Рассмотрены три вида конструкций, имеющих
экспериментальную и практическую реализацию: асинхронные, синхронные, в том числе с возбуждением от постоянных магнитов, и индукторные.
2. Асинхронные машины.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований показали, что замена проводящего материала в роторе на ВТСП позволяет в несколько раз повысить электромагнитный момент и мощность асинхронной машины [7,8]. На рис. 1 продемонстрировано сравнение пусковой характеристики асинхронных двигателей с обычным и ВТСП ротором, а также их механической мощности. Данные характеристики были получены на основе экспериментов на образце двигателя мощностью 0,75 кВт. По полученным зависимостям видно, что пусковой момент с использованием ВТСП вырос более, чем в 2 раза, а механическая мощность примерно в 2,5 раза при скольжении порядка 0,025.
(а)
(б)
Рис. 1. Экспериментальные характеристики асинхронного двигателя с обычным и ВТСП ротором [7]: (а) - зависимость момента от скольжения; (б) - зависимость мощности от скольжения
Основные исследования в области подобных асинхронных двигателей проводились в лаборатории Университета Киото [9-11], в результате которых были испытаны несколько образцов мощностью 20 кВт и 50 кВт и скоростью 1800 об/мин. В испытаниях использовался статор от традиционной асинхронной машины, а обмотка ротора собиралась в виде стержней из ВТСП материала, установленных в пазы ротора и соединенных на торцах сверхпроводящими короткозамыкающими кольцами (рис.2). Обмотки статора шунтируются медными проводниками, работающими в случае выхода ВТСП из сверхпроводящего состояния.
Медные стержни
Рис. 2. Конструкция сверхпроводящих обмоток ротора асинхронного двигателя [10]
Особенностью асинхронных машин с ВТСП ротором является переход между нормальным и сверхпроводящим режимами при пуске двигателя, связанный со свойствами ВТСП материала, а именно нелинейной зависимостью его сопротивления от магнитного поля. Этот эффект позволяет улучшить пусковые характеристики асинхронного двигателя. Для высокого КПД и безопасного пуска необходимо, чтобы в момент пуска сопротивление было большим для уменьшения пусковых токов и увеличения пускового момента. Однако при номинальном режиме с малым скольжением сопротивление желательно минимизировать для уменьшения электрических потерь. В традиционном асинхронном двигателе это достигается за счёт специальных конструктивных решений — например, машины с глубоким пазом или двойной «беличьей клеткой».
При использовании ВТСП ротора аналогичный эффект достигается за счёт изменения сопротивления сверхпроводника (рис.3) под действием переменного магнитного поля, создаваемого как обмоткой статора, так и индуцированными в самом роторе токами. При пуске за счёт большой разницы частот между полем статора и вращением ротора в ВТСП обмотке индуцируются большие токи с большой частотой. Это приводит к увеличению сопротивления ВТСП материала (выходу из сверхпроводящего состояния). В этом режиме ротор будет обладать относительно большим сопротивлением, что позволяет развивать высокий пусковой момент. При увеличении скорости скольжение уменьшается и соответственно уменьшается частота индуцированной ЭДС, сопротивление ВТСП материала и электрические потери. При скоростях близких к синхронной за счёт практически нулевого сопротивления сверхпроводник может «захватить» магнитный поток, и ВТСП ротор будет работать аналогично ротору синхронной машины с постоянными магнитными полюсами. Таким образом, асинхронные машины с ВТСП ротором представляют собой асинхронно/синхронный тип.
и, А/мм2 п, об/мин
Рис. 3. Синхронный и асинхронный режимы работы двигателя с ВТСП обмоткой ротора [9]
Работа в синхронном режиме характеризуется протеканием постоянного тока по ВТСП обмотке ротора, таким образом в установившемся режиме отсутствуют потери на индуцированные токи, что в том числе повышает КПД двигателя. Возможность поддержания синхронного момента в режиме под нагрузкой показана в [11]. Там же исследована зависимость максимального синхронного момента от критического тока ВТСП материала.
Учёными в той же лаборатории в Университете Киото были разработаны и испытаны лабораторные образцы полностью сверхпроводящих асинхронных двигателей [12-14]. На рис. 4 представлены два типа конструкции ВТСП статора. Обмотки статора изготовлены в форме рейстрек, которая показала свою эффективность в различных машинах. В первом случае ВТСП катушки формируют традиционную двухслойную петлевую обмотку, во втором — статор имеет форму тороида. Основной проблемой является проработка обмоток статора, которые находятся в переменном поле с наличием высших гармоник, что накладывает дополнительные требования при проектировании формы магнитопровода и расположения ВТСП обмоток на статоре для уменьшения перпендикулярной компоненты магнитного поля в сверхпроводнике.
(а) (б)
Рис. 4. Конструкция полностью сверхпроводящего асинхронного двигателя: (а) - 20 кВт; (б) - 50 кВт
На образце мощностью 20 кВт с максимальной скорость 1200 об/мин был эксприменталь-но получен КПД 92,3% при работе на нагрузку в синхронном режиме. Для улучшения характеристик двигателя обмотки статора шунтируются медными проводниками, что позволяет работать как в синхронном и близким к нему режимах (работает сверхпроводник), так и при выходе из сверхпроводящего состояния (при большом скольжении или отсутсвии охлаждения). На прототипе 50 кВт были получены значения КПД при работе статора в сверхпроводящем состоянии выше 95%, а при остутсвии сверхпроводимости 70% [14].
Использование ВТСП обмоток на роторе приводит к необходимости создания системы охлаждения вращающейся части, что усложняет конструкцию. Кроме того, в отличие от достаточно прочного короткозамкнутого ротора традиционной машины, максимальная скорость вращения ВТСП ротора ограничена необходимостью закрепления сверхпроводящих обмоток.
В публикациях встречаются конструкции асинхронных двигателей с ВТСП обмотками статора и традиционной конструкцией ротора. Такое решение направлено на создание высокоскоростных электрических машин с высокой удельной мощностью, которые актуальны, например, для электрических самолётов. В [15] были представлены расчёты для конструкции двигателя на 3-6 МВт с удельной мощностью более 20 кВт/кг. В [16] был рассчитан и изготовлен образец мощностью 500 кВт, однако нет опубликованных результатов его испытаний.
Несмотря на возможность высокоскоростного применения, конструкция с традиционным ротором лишена преимуществ ВТСП ротора в виде изменяющегося сопротивления и работы в синхронном режиме.
3. Синхронные машины
Синхронные машины с ВТСП обмотками являются самым распространённым типом сверхпроводящих машин, которым посвящено более половины всех научных публикаций по применению сверхпроводящих обмоток и порядка 40% публикаций в области всех ВТСП машин, включая конструкции с объёмными сверхпроводниками [17].
По сравнению с синхронно/асинхронными ВТСП двигателями, описанными выше, синхронные машины обладают более высокой удельной мощностью, что объясняется их принципом действия. Несмотря на то, что асинхронные двигатели с ВТСП обмоткой в номинальном режиме работают с синхронной скоростью, токи в роторе вызваны индуцированной за счёт поля статора ЭДС. В синхронных же машинах обмотки ротора питаются внешним источником.
Благодаря высокой токонесущей способности высокотемпературные сверхпроводники в первую очередь находят применение в синхронных машинах в качестве обмоток возбуждения вместо медных обмоток и постоянных магнитов (рис. 5а). Это объясняется возможностью создания более сильных магнитных полей за счёт высоких значений плотности тока. Обычно ВТСП обмотка выполняется в виде отдельных катушек, чаще всего типа рейстрек (рис. 5б), которые
затем распределяются и фиксируются по периметру ротора. При этом статор имеет традиционную конструкцию с медными обмотками якоря.
А
!
статор
(а) (б)
Рис. 5. Синхронная машина с ВТСП обмоткой возбуждения: (а) - схема конструкции [18]; (б) - внешний вид ВТСП обмотки [19]
Применение ВТСП обмоток позволяет увеличить удельную мощность машины за счёт сокращения массы и габаритов системы возбуждения. Однако при использовании магнитопро-вода магнитное поле машины ограничено свойствами стали и не превосходит 2 Тл. Благодаря значительному превосходству магнитного поля ВТСП обмоток, по сравнению с обычными проводниками, возможно создание электрических машин без стального магнитопровода. Это позволяет с одной стороны сократить вес устройства, с другой — решает проблему магнитных потерь в стали и быстрого насыщения магнитопровода при использовании ВТСП обмоток. Однако отсутствие магнитопровода приводит к увеличению полей рассеяния, что не только усложняет задачу формирования магнитного поля нужной величины и формы в зазоре, но и приводит к увеличению азимутальной компоненты магнитной индукции, что снижает критический ток сверхпроводника.
На рис. 6 представлено несколько вариантов конфигурации ротора: классическая форма магнитопровода с полюсами, наличие сердечника без полюсов, полностью немагнитный ротор. Сравнение конструкций с разными форами магнитопровода ротора и статора проводились в [20-22]. При сравнении с машинами с постоянными магнитами все конструкции показали увеличение магнитного поля и уменьшение веса. Однако конструкция с полным отсутствием магнитопровода требует в несколько раз больше ВТСП проводника, по сравнению с машинами той же мощности, в которых есть стальные элементы. Наиболее эффективным решением является конструкция, в которой используется цилиндрический сердечник ротора и аналогичная форма статора с внешним магнитопроводом без пазов, который в том числе выполняет роль экрана.
Применение ВТСП обмоток возбуждения является актуальной тематикой для ветрогенераторов [18, 23-26], что связано с тенденцией к увеличению мощности ветроагрегатов для повышения экономической эффективности использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Создания крупных ветрогенераторов на 10 МВт и более является сложной задачей, а их размеры и масса - критическими параметами при проектировании. Переход к более надёжным системам прямого привода требует создание машин, способных не только развивать большой электромагнитный момент, но и обеспечивать высокий КПД при малых скоростях, характерных для ветростанций. В этих условиях многополюсные ВТСП генераторы могут стать эффективным решением, что подтверждается большим количеством публикаций. Однако подавляющее большинство публикаций представляют расчётно-теоретические результаты. В 2013-2017 гг. в рамках проекта Suprapower [27], направленного на разработку концепта ветро-генератора с MgB2 обмотками на 10 МВт, были испытаны отдельные узлы и изготовлен прототип на 500 кВт. В 2020 году в рамках проекта EcoSwing был создан и испытан первый действующий ветроагрегат с ВТСП генератором мощность 3,6 МВт [28].
(а) (б) (в)
Рис. 6. Конструкции ротора с ВТСП обмоткой возбуждения [20]: (а) - магнитопровод с полюсами; (б) - без полюсов; в) - без магнитопровода.
В [29] приведено теоретическое сравнение ветрогенератора мощностью 10 МВт со скоростью вращения ротора 10 об/мин с тремя типами возбуждения: медная обмотка возбуждения, постоянные магниты и ВТСП обмотка возбуждения. Сравнение проведено на основе расчётных оценок магнитной системы явнополюсного генератора. В таблице 1 представлены некоторые параметры, по которым проведено сравнение.
Таблица 1. Сравнение параметров ветрогенераторов мощностью 10 МВт
Параметр Медь Магниты ВТСП
Температура, К 348 323 68
Вес генератора, т 184 142 106
Магнитная индукция в зазоре, Тл 0.82 0,44 1,12
Мощность системы охлаждения, кВт 0 0 41,3
КПД, % 95.3 95,0 95,7
Стоимость, о.е. 1 1,6 1,2
Анализ удельного момента и КПД сверхпроводящих машин по опубликованным теоретическим и экспериментальным данным в 2020 г. проведен в [30]. Если сравнивать с классическими вариантами возбуждения, то в среднем значение удельного момента ВТСП машин составляет 64,5 Нм/кг, при этом у машин с медной обмоткой — 20,2 Нм/кг, а с постоянными магнитами — 29,8 Нм/кг. Также представлены данные по КПД синхронных генераторов, которые показывают, что КПД ВТСП машин находятся в районе 94-98,5%.
В 2021 году была опубликована экономическая оценка плавучей морской ветростанции [31] мощностью 200 МВт, состоящей из 20 ветроагрегатов по 10 МВт. В качестве электрогенератора сравнивались два варианта — генератор с постоянными магнитами и ВТСП обмоткой. Сопоставление самих генераторов показало, что масса ВТСП машины в 2,7 раза меньше, а затраты в 2 раза больше. По оценкам стоимость электроэнергии составит 207 $/МВт*ч для генераторов с постоянными магнитами и 213 $/МВт*ч для ВТСП машин. В статье прогнозируется падение цен на ВТСП материалы, благодаря чему ветростанция с ВТСП генераторами будет экономически выгоднее.
Аналогичные конструкции низкоскоростных ВТСП машин с высоким удельным моментом разрабатывались в качестве мощных гребных двигателей морских судов. Был изготовлен ряд опытных образцов AMSC (5 МВт и 36,5 МВт) [32,33], Siemens (4 МВт) [34], DOOSAN (5МВт) [35], Kawasaki (1 МВт и 3 МВт) [36,37]. Двигатель мощностью 36,5 МВт со скоростью вращения 120 об/мин, испытанный в 2011 году AMSC, до сих пор является самой мощной изготовленной ВТСП машиной.
Как показывают результаты сравнения [38] применение ВТСП обмоток позволяет уменьшить габаритные размеры машины, увеличить удельную мощность и повысить КПД по сравнению с обычно используемыми асинхронными двигателями и двигателями с постоянными магнитами (рис. 7). Кроме того, отмечается, что ВТСП двигатели отличаются пониженным уровнем шума.
1,2
Рис. 7. Сравнение параметров асинхронного двигателя (АД), синхронного двигателя с постоянными магнитами (ПМ) и сверхпроводящего синхронного двигателя (ВТСП)[38]
Кроме низкоскоростных применений, разрабатываются ВТСП машины с небольшим числом полюсов на скорости до 4000 об/мин. Обычно машины, используемые в качестве генераторов и двигателей, проектируются на синхронные скорости, советующие промышленной частоте сети [39-44]. Пример такой конструкции приведен на рис. 8 — синхронный компенсатор с ВТСП обмотками мощностью 300 кВар и скоростью вращения 3000 об/мин. В конструкции магнитной системы используется ВТСП обмотка возбуждения ступенчатой формы из набора ВТСП катушек с разными диаметрами [41]. Такая конструкция является наиболее эффективной для создания магнитных полюсов для машин с небольшим количеством пар полюсов. Ранее первый прототип синхронного компенсатора с ВТСП обмоткой мощность 8 МВар был разработан и испытан AMSC [42].
Сталь статора
Трубки для
(а)
(б)
Рис. 8. Компенсатор реактивной мощности с ВТСП обмоткой [41]: (а) - общая схема; (б) - конструкция ВТСП обмотки
Синхронные ВТСП машины могут найти применение в различных промышленных установках и турбинах, однако особый интерес связан с областью транспортных средств, поскольку ВТСП машины отличаются меньшими весом и габаритами. Разработкой и испытанием подобных машин в России занимается кафедра 310 Московского авиационного института (МАИ).
На рис. 9 показан экспериментальный образец ВТСП двигателя мощностью 200 кВт [45] с номинальной скоростью 1500 об/мин и максимальной 4000 об/мин, разработанный для применения в электрическом транспорте. Двигатель спроектирован на повышенное напряжение 450 В и работает совместно с преобразователем частоты. Статор машины выполнен обычным образом в виде магнитопровода с пазами, в которые уложена трёхфазная медная обмотка якоря. В роторе используется магнитопровод с явными полюсами, на которых размещена ВТСП обмотка возбуждения.
(а) (б)
Рис. 9. Экспериментальный образец ВТСП двигателя мощностью 200 кВт [45]: (а) - двигатель в сборе на лабораторном стенде; (б) - ротор с ВТСП обмотками
Замена традиционной системы возбуждения на ВТСП обмотки приводит к усложнению конструкции, в связи с необходимостью охлаждения обмоток до низких температур (жидким азотом, газообразным гелием, неоном или др.). Создание криостатов и системы охлаждения для вращающегося ротора является сложной технической проблемой. Кроме того, при использовании ВТСП обмоток необходимо создание специальной системы для подключения обмотки возбуждения к внешнему источнику. Для уменьшения потерь при использовании щёточного контакта разрабатываются специальные бесконтактные системы возбуждения [46-48]. Другим подходом является применение обращённой конструкции с расположением ВТСП обмотки на неподвижной части машины [49].
Дальнейшее повышение удельной мощности возможно только при повышении токовой нагрузки в обмотках якоря благодаря использованию ВТСП материала. В настоящее время опубликован достаточно большой объём теоретических результатов расчёта полностью сверхпроводящих машин как для применения в качестве двигателей [50-54], так и генераторов [55-60]. Однако создание ВТСП обмоток якоря является технически сложной задачей. Токонесущая способность ВТСП обмоток при протекании постоянного и переменного тока существенно отличаются. Одной из основных проблем являются потери в переменном поле, которые неизбежно возникают при вращении электрической машины. Поскольку полностью сверхпроводящие машины обычно выполняются без магнитопровода, магнитное поле, проходящие через обмотки якоря, имеет существенную долю высших гармоник, приводящих к потерям. Второй проблемой полностью сверхпроводящих машин является ограничение максимального магнитного поля, связанное с зависимостью критического тока ВТСП лент от магнитного поля.
Экспериментальная реализация полностью сверхпроводящей машины с ВТСП обмотками выполнена в МАИ. В 2020-2021 гг. были успешно разработаны и испытаны лабораторные образцы полностью сверхпроводящих машин мощностью 10 кВт и 3 кВт со скоростью вращения 2500 об/мин [53,54]. В результате была получена конструкция с немагнитном ротором и с ВТСП обмотками возбуждения, и немагнитным статором с ВТСП катушками, выполняющими роль обмотки якоря (рис. 10). Снаружи располагается магнитопровод, уменьшающий потоки рассеяния и выполняющий роль экрана. Прототип полностью сверхпроводящей синхронный машины также был испытан японской научной группой [50]. Исследовался ВТСП двигатель мощностью 1кВт со скоростью вращения 625 об/мин.
Рис. 10. Конструкция полностью сверхпроводящего двигателя с ВТСП обмотками [54]
Описанные выше полностью сверхпроводящие машины предназначены для электрических самолётов. Данная область применения связана с необходимостью создания лёгких и компактных электромеханических преобразователей, обладающих высокой удельной мощностью. Полностью сверхпроводящие машины являются перспективным направлением, за счёт возможности существенного облегчения конструкции, даже по сравнению с описанными выше машинами с ВТСП обмотками возбуждения. По расчётным оценкам, полностью сверхпроводящие машины позволят увеличить удельную мощность до значений более 20 кВт/ч [61] с КПД более 95%.
4. Машины с возбуждением от постоянных магнитов
Применение ВТСП обмоток в машинах с постоянными магнитами заключается в замене обмотки якоря на сверхпроводящую. В отличие от машин с ВТСП обмоткой возбуждения, магнитное поле возбуждения не увеличивается, что являлось одним из основных преимуществ рассмотренных ранее ВТСП синхронных машин. Однако использование сверхпроводящих обмоток якоря позволяет увеличить токовую нагрузку, что соответственно влияет на удельную мощность. Кроме того, в таких конструкциях система охлаждения располагается на неподвижном основании, что существенно упрощает её.
В [62] представлены результаты расчёта конструкции магнитной системы ветрогенерато-ра мощностью 10 МВт. Для возбуждения использованы радиально намагниченные постоянные магниты. Якорь представляет собой распределённую трехфазную ВТСП обмотку, аналогичную традиционной медной обмотке. Так как необходимое сечение ВТСП катушек мало, размер пазов статора существенно меньше, чем для машин с медной обмоткой якоря, что дополнительно снижает проблемы насыщения зубцов статора.
Экспериментальное исследование синхронного генератора похожей конструкции было проведено на прототипе мощностью 2,5 кВт и скоростью 300 об/мин [63]. Конструкция прототипа представлена на рис. 11.
(а) (б)
Рис. 11. Прототип синхронного генератора с ВТСП обмоткой якоря и возбуждением от постоянных магнитов [63]: (а) - общая схема; (б) - конструкция ротора
Она состоит из магнитного ротора со строенными постоянными магнитами. В данном случае была использована сосредоточенная обмотка якоря, выполненная в виде катушек из ВТСП материала. Статор также выполнен из магнитного материала. Лабораторные исследования показали возможность использования подобной конфигурации электрической машины, однако параметры прототипа ВТСП машины оказались схожи с традиционной машиной с теми же габаритами. Предположительно использование ВТСП материала с более высокими значениями критического тока может позволить улучшить удельные показатели ВТСП машины.
Исследования аналогичных машин для ветрогенераторов приведены в [64,65]. Таже рассматривается применение ВТСП машин с постоянными магнитами в качестве электродвигателя со скорость 250 об/мин [66], а также высокоскоростного двигателя на 20 000 об/мин [67]. В [68] изучается прототип машины с аксиальным потоком мощностью 400 кВт и скорость 250 об/мин.
Оценки показывают, что подобные конструкции теоретически могут достигать показателей машин с ВТСП обмотками возбуждения, но при этом лишены их недостатка — вращающихся сверхпроводящих обмоток. Однако, поскольку поле возбуждения ограничено параметрами постоянных магнитов, на практике такие конструкции малоэффективны, что подтверждается результатами экспериментов. Другими проблемами являются потери переменного тока в ВТСП обмотках, особенно в высокоскоростных машинах, и опасность размагничивания постоянных магнитов под действием поля сверхпроводящих обмоток.
Развитием подобных конструкций могут стать полностью сверхпроводящие машины, в которых вместо постоянных магнитов используются объёмные сверхпроводники или элементы в форме стопок ВТСП лент с «захваченным» магнитным полем (рис. 12). Благодаря высоким значениям критического тока магнитное поле, удерживаемое в сверхпроводнике, может превосходить остаточную магнитную индукцию постоянных магнитов, что позволяет увеличить поле возбуждения и следовательно характеристики машины. При этом такой ротор не нуждается в подключении к внешнему источнику энергии, что упрощает конструкцию. Однако особенностью применения ВТСП элементов с «захваченным» полем является необходимость в наличии индуктора для предварительного намагничивания сверхпроводника [69]. В таблице 2 приведено сравнение преимуществ и недостатков электрическим машин с ВТСП обмоткой возбуждения и с «захваченным» магнитным полем [70].
Рис. 12. Конструкция полностью сверхпроводящей машины с индуктором для намагничивания ВТСП ротора
Таблица 2. Сравнение систем возбуждения с ВТСП обмоткой и элементов из ВТСП ленты
Параметр ВТСП обмотка Стопки из ВТСП ленты
Регулирование поля возбуждения Поле регулируется током Не регулируется
Система возбуждения Потери в скользящем контакте Нет скользящего контакта
Размеры Минимальный размер ограничен радиусом изгиба ВТСП ленты Максимальный размер не ограничен Минимальный размер не ограничен Максимальный размер может быть ограничен шириной ленты
Дополнительные системы Необходим внешний источник энергии Необходим индуктор для намагничивания
Повреждаемость Возможен резкий выход из строя из-за (квенч эффекта) локального выхода из сверхпроводящего состояния Квенч эффект не возникает
5. Индукторные машины
Индукторные машины отличаются стационарным расположением как обмотки якоря, так и обмотки возбуждения. Неподвижное исполнение обмоток обладает рядом преимуществ при использовании ВТСП материала:
• нет необходимости в специальной бесконтактной системе возбуждения;
• на ВТСП обмотку, систему теплоизоляции и криостат не действуют центробежные силы, что упрощает конструкцию и делает ее более надёжной;
• более простая неподвижная система охлаждения сверхпроводника.
В индукторной конструкции обмотка возбуждения может представляет собой кольцевую обмотку, такая форма намного проще в изготовлении чем катушки типа рейстрек, которая используется в синхронных машинах, и требует меньше ВТСП материала, что соответственно снижает стоимость. Кроме того, в индукторных машинах основной магнитный поток проходит по магни-топроводу, минуя ВТСП ленту, что увеличивает критически ток и уменьшает потери в сверхпроводнике.
На рис. 13 представлена схема магнитной системы униполярного генератора с ВТСП возбуждением, которая используется в большинстве таких машин [71-75]. Статор имеет традиционный вид с магнитопроводом и трехфазной медной обмоткой, расположенной в пазах. Для уменьшения потерь статор выполняют из шихтованной стали. Ротор выполняется из конструкционной стали с хорошими магнитными свойствами и имеет форму цилиндра с выступами-зубцами. Между двумя частями ротора размещается неподвижная кольцевая обмотка возбуждения, выполненная из ВТСП материала.
(а) (б)
Рис. 13. Варианты магнитной системы униполярной машины с ВТСП обмоткой: (а) - радиальная [74]; (б) - аксиальная [81]
Одним из основных преимуществ униполярной магнитной системы является простая форма ротора, отличающаяся высокой прочностью благодаря отсутствию на нем обмоток или постоянных магнитов, что позволяет использовать такие конструкции для высокоскоростных машин. При применении сверхпроводников для изготовления ротора могут быть использованы композитные магнитные материалы, отличающиеся высоким удельным электрическим сопротивлением и малыми потерями на вихревые токи. Более низкие магнитные свойства таких материалов компенсируются за счёт больших значений МДС в сверхпроводящей обмотке возбуждения.
Прототип высокоскоростного униполярного генератора с ВТСП обмоткой возбуждения мощность 1 МВт был испытан General Electric в 2009 году [76]. Во время испытаний под нагрузкой получена мощность 1,3 МВт при скорости 10 500 об/мин и КПД 97% с учётом затрат мощности на охлаждение. Максимальная скорость вращения при испытаниях в режиме холостого хода составила 15 000 об/мин.
Анализ эффективности применения униполярных ВТСП машин для высокоскоростного применения (при подключении к газовой турбине), проведенный General Electric в [77], показал, что преимущества применения униполярных ВТСП машин по сравнению с машинами с постоянными магнитами растут с увеличением номинальной мощности. Учитывая увеличение потерь при повышении скорости, точка с максимальной удельной мощностью для предложенной конструкции составляет 5 МВт при скорости вращения 36 000 об/мин.
Благодаря высокой скорости вращения, удельной мощности и КПД униполярные ВТСП машины в последнее время вызвали интерес в качестве мотор-генераторов для кинетических накопителей энергии (КНЭ) [78-80], запасаемая энергия в которых квадратично зависит от скорости вращения. На рис. 13 представлен проект разрабатываемого мотор-генератора мощностью 500 кВт [78] для КНЭ с запасаемой энергией 9 МДж при номинальной скорости вращения 25 000 об/мин.
Рис. 14. Униполярный ВТСП генератор для кинетического накопителя энергии [78]
Применение индукторных машин также рассматривается в качестве ветрогенераторов прямого привода. В [81] предложена униполярная конструкция с аксиальным магнитным потоком. Обмотка якоря выполнена из 45 медных катушек, распределенных по окружности. В статоре магнитопровод не используется. Ротор представляет собой набор из 60 С-образных сегментов, выполненных из магнитного материала. Через сегменты проходит неподвижная кольцеобразная ВТСП обмотка возбуждения. Статорные обмотки закрепляются в промежутке между зубцами сегментов ротора.
Удельная мощность униполярных машин при одной и той же скорости не превышает половины возможной удельной мощности синхронной машины с ВТСП обмоткой возбуждения на роторе, что связано с характером изменения потока в зазоре — от минимального до максимального значения, в то время как в синхронных машинах поток изменяется с двойной амплитудой. Недостатком униполярных машин также является большое рассеяние магнитного потока в межзубцовой зоне и наличие гармонических составляющих поля, которые во многом зависят от соотношений ширины зубца и полюсного деления на роторе. Кроме того, из-за необходимости наличия магнитопровода для возможности электромеханического преобразования энергии,
максимальная индукция ограничена насыщением стали, что частично ограничивает эффективность использования ВТСП обмоток. Несмотря на малые значения удельного момента, связанные с указанными недостатками магнитной системы, униполярные машины могут достигать большой удельной мощности благодаря работе при высоких скоростях вращения.
Другим видом индукторных машин с ВТСП обмотками возбуждения являются конструкции с когтеобразными полюсами [82-85]. Особенность конструкции заключается в специальной форме магнитопровода ротора, позволяющей создать многополюсную системы с разноименными магнитными полюсами. В отличие от униполярных конструкций, при вращении ротора поле в зазоре меняет свой знак благодаря чередованию знакопеременных полюсов.
Ряд топологий магнитных систем ветрогенераторов с когтеобразными полюсами и ВТСП обмоткой возбуждения предложены в университете Эдинбурга (рис. 14) [81,86]. Исследования и оптимизация проводились на основе трехмерного численного моделирования с целью уменьшения используемого ВТСП материала. В итоговой конструкции для создания ветрогенерато-ра мощностью 10 МВт с рабочей температурой сверхпроводника 77 К требуется 13,5 км ВТСП ленты 2-го поколения.
(а)
(б)
(в)
Рис. 15. Варианты магнитной системы когтеобразного ветрогенератора ВТСП обмоткой [86]: (а) - радиальная; (б) - аксиальная; (в) - двойная
В МАИ также разрабатывались конструкции ВТСП машин с когтеобразными полюсами. Особенностью магнитной системы предложенной в [84] является использование ВТСП катушек для создания гибридного возбуждения: часть магнитного потока создаётся постоянными магнитами, находящимися на роторе (неуправляемый поток), а часть с помощью тока в ВТСП обмотки возбуждения (управляемый поток). На рис. 15 показан ротор машины, состоящий из двух магни-топроводов с тремя когтями, постоянных магнитов с азимутальной встречной намагниченностью, установленных в промежутке между разноименными когтями ротора, и постоянных магнитов с чередующейся радиальной намагниченностью, установленных под когтями. Несмотря на увеличение ЭДС ХХ, достигаемое за счёт использования дополнительного источника возбуждения, основной функцией ВТСП обмотки возбуждения является возможность регулирования выходного напряжения в режиме генератора, в то время как основной поток создаётся постоянными магнитами. На основе предложенной конструкции разработан и изготовлен прототип генератора мощностью 21,7 кВА со скоростью вращения 9000 об/мин.
(а) (б)
Рис. 16. Индукторная машина с когтеобразным ротором с гибридным возбуждением [84]: (а) - схема конструкции; (б) -магнитопровод ротора
5. Выводы
Сложность изготовления в сочетании с высокой стоимостью ВТСП материалов, оказались серьёзным сдерживающим фактором в процессе внедрения сверхпроводниковых обмоток. Поэтому, несмотря на очевидные преимущества и радужные прогнозы, за 20 с лишним лет ВТСП машины так и не нашли широкого применения. Однако, развитие в области сверхпроводящих материалов, включая тенденцию к повышению критического тока и критических температур, только повышает интерес к разработкам и апробации технических решений по созданию новых более эффективных ВТСП машин. Количество публикаций и исследовательских проектов в последние годы только увеличивается. Кроме того, появляются новые области применения, например электросамолёты, в которых сверхпроводящие двигатели и генераторы могут стать основным техническим решением.
Литература
[1] A. Molodyk, et al., Sci. Rep. 11, 2084 (2021).
[2] J. H. Kim, et al., J. Supercond. Nov. Magn. 28, 671 (2014).
[3] M. Oomen, et al., Phys. C: Supercond. Appl. 482, 111 (2012).
[4] T. Zhang, et al., Cryogenics 51, 380 (2011).
[5] T. D. Le, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 25, 3800305 (2015).
[6] F. Marignetti, G. Rubino, Energies 16, 2994 (2023).
[7] J. Sim, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 14, 916 (2004).
[8] T. Song, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 17, 1611 (2007).
[9] T. Nakamura, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 25, 5202304 (2015).
[10] T. Nakamura, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 31, 4, 5202805 (2021).
[11] T. Nakamura, et al., Supercond. Sci. Tech. 24, 015014 (2011).
[12] D. Sekiguchi et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 22, 5200904 (2012).
[13] T. Nakamura, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 29, 5203005 (2019).
[14] T. Nakamura, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 33, 5200205 (2023).
[15] K. Ozaki, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 30, 3602605 (2020).
[16] B. Liu, et al., Energies 11, 792 (2018).
[17] C.T. Calvin, et al., Energy Reports 9, 1124 (2023).
[18] A. B. Abrahamsen, et al., Supercond. Sci. Technol. 23, 034019 (2010).
[19] J. J. Scheidler, et al., AIAA SCITECH 2022 Forum, AIAA 2022-0445 (2022).
[20] H. Ohsaki, et al., 4th International Conference on Clean Electrical Power (ICCEP 2013), 395 (2013).
[21] R. Köster, et al., Elektrotech. Inftech. 140, 324 (2023).
[22] Y. Guan, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 27, 5204211 (2017).
[23] I. Kolchanova and V. Poltavets, 2021 International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems (ICOECS), 529 (2021).
[24] T. D. Lea, et al. Progress in Superconductivity and Cryogenics 17, 18 (2015).
[25] В. Н. Антипов и др., Электричество 10, 59 (2020).
[26] K. Kovalev, et al., E3S Web of Conferences 124, 01043 (2019).
[27] I. Marino, et al., Supercond. Sci. Tech. 29, 024005 (2015).
[28] X. Song, et al., IEEE Trans. Energy Conversion 35, 1697 (2020).
[29] Y. Xu, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 25, 5204006 (2015).
[30] Y. Liu, Design of a superconducting DC wind generator". Publisher: Karlsruher Institut fuer Technologie (2020).
[31] G. E. Jung, et al., Energies 14, 1386 (2021).
[32] G. Snitchler, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 15, 2206 (2005).
[33] B. Gamble, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 21, 1083 (2011).
[34] W. Nick, et al., Physica C: Superconductivity 482, 105 (2012).
[35] H. Moon, et al., Supercond. Sci. Technol. 29, 034009 (2016).
[36] K. Umemoto, et al., Phys. Conf., Ser. 234, 032060 (2010).
[37] T. Yanamoto, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 27, 5204305 (2017).
[38] H. Karmaker, et al., IEEE Trans. Ind. Appl. 51, 1341 (2015).
[39] W. Nick, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 17, 2030 (2007).
[40] M. K. Al-Mosawi, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 15, 2182 (2005).
[41] P. Song, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 30, 5206905 (2020).
[42] S. Kalsi et al., 2005/2006 IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exhibition, 899 (2006).
[43] B.B. Gamble et al., IEEE Power Engineering Society Summer Meeting 2, 270 (2002).
[44] S. K. Baik et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 26, 5206604 (2016).
[45] D.S. Dezhin et al., IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 87, 032007 (2017).
[46] H. Jeon et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 28, 5207605 (2018).
[47] C. W. Bumby et al., Supercond. Sci. Technol. 29, 024008 (2016).
[48] J. Lee et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 28, 5203105 (2018).
[49] M. Iwakuma et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 17, 1607 (2007).
[50] H. Sasa et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 31, 5200706 (2021).
[51] S. Fukuda et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 28, 5207806 (2018).
[52] Y. Terao et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 29, 5202305 (2019).
[53] K. Kovalev et al., J. Phys.: Conf. Ser. 1559, 012137 (2020).
[54] K. Kovalev et al., 2019 International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems (ICOECS) (2019).
[55] Y. Xu et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 31, 5201305 (2021).
[56] Y. Terao et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 22, 5201904 (2012).
[57] M. Komiya et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 30, 5206607 (2020).
[58] Y. Liang et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 23, 46 (2013).
[59] S. Miura et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 30, 5204106 (2020).
[60] S. S. Kalsi, IEEE Trans. Appl. Supercond. 24, 47 (2014).
[61] К. Л. Ковалев и др. Электротехнические комплексы и системы: Материалы международной научно-практической конференции 1, 20 (2017).
[62] S. Xue et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 31, 5200410 (2021).
[63] T. Qu et al., Supercond. Sci. Technol. 27, 044026 (2014).
[64] K. Zhang et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 29, 5201205 (2019).
[65] X. Huang et al., IEEE Trans. Magn. 53, 8700204 (2017).
[66] L. Li et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 22, 5200704 (2012).
[67] S. Karami et al., 2018 IEEE Electrical Power and Energy Conference (EPEC) (2018).
[68] H. Sugimoto et al., Journal of Physics: Conference Series 97, 012203 (2008).
[69] Z. Huang et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 24, 4602605 (2014).
[70] A. Patel et al., 2018 IEEE International Conference on Electrical Systems for Aircraft, Railway, Ship Propulsion and Road Vehicles & International Transportation Electrification Conference (ES-ARS-ITEC) (2018).
[71] Y. J. Hwang et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 30, 5202105 (2020).
[72] K. Sivasubramaniam et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 18, 1 (2008).
[73] S. Kalsi et al., IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 756, 012028 (2020).
[74] Y. J. Hwang, Energies 14, 5658 (2021).
[75] S. Lee et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 18, 717, 2008.
[76] K. Sivasubramaniam et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 19, 1656 (2009).
[77] M. Lokhandwalla et al., 2012 XXth International Conference on Electrical Machines, 751, (2012).
[78] S. Kalsi et al., Energies 12, 86 (2018).
[79] W. Li et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 25, 5700204 (2015).
[80] X. Tian et al., 22nd International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), (2019).
[81] O. Keysan and M. A. Mueller, IEEE Trans. Appl. Supercond. 21, 3523 (2011).
[82] Y. J. Hwang et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 23, 5200305 (2013).
[83] Y. Sato et al. 18th International Conference on Electrical Machines (2008).
[84] K. L. Kovalev et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 26, 5203204 (2016).
[85] Y. Zhang et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 30, 5203406 (2020).
[86] O. Keysan and M. Mueller, Supercond. Sci. Technol. 28, 034004 (2015).
Overview of the use of HTS windings in the designs of electrical machines
E. P. Kurbatova1
1 Moscow Power Engineering Institute (MPEI), Krasnokazarmennaya, 14, 111250, Moscow, Russia e-mail: kurbatovaep@mail.ru
Курбатова Екатерина Павловна - кандидат технических наук, доцент кафедры Электромеханики, электрических и электронных аппаратов, Национальный исследовательский университет «МЭИ», Москва, Россия.
PhD. Ekaterina Kurbatova - National Research University «Moscow Power Engineering Institute».
