Сверхпроводниковые электрические машины и преобразователи с фазовым резистивно-сверхпроводящим коммутатором тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, доктор технических наук Антонов, Юрий Федорович

  • Антонов, Юрий Федорович
  • доктор технических наукдоктор технических наук
  • 2010, Санкт-Петербург
  • Специальность ВАК РФ05.09.01
  • Количество страниц 485
Антонов, Юрий Федорович. Сверхпроводниковые электрические машины и преобразователи с фазовым резистивно-сверхпроводящим коммутатором: дис. доктор технических наук: 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты. Санкт-Петербург. 2010. 485 с.

Оглавление диссертации доктор технических наук Антонов, Юрий Федорович

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 величин.;.

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 сверхпроводниковых 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 криотронные.

2.9. Пути повышения КПД.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Коммутация в топологических генераторах и преобразователях криотронных.

Постановка задачи.

3.1. Коммз'тация 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 . 140 3.2. Особенности коммутации в топологических преобразователях криотройных

3.2.1. Математическая модель топологического преобразователя криотронного, выполненного по схеме двухполупериодного выпрями 1еля-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 криотронном.

3.2.5. Система управления.

Выводы по главе 3.

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 сверхпроводпиковьтх 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 сверхпроводниковых обмоточных материалов.

4.2.2. Описание экспериментальной установки.

4.2.3. Проникновение магнитного ноля 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 резистивно-сверхпроводящем 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. Перемагпичиваште. 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 5.

Глава 6. Рабочие характеристики и режимы работы топологических генераторов. Области применения.

Постановка задачи.

6.1. Главные характеристики

6.1.1. Характеристика накачки и откачки /н = /(v) при і „ = const, f- const.

6.1.2. Характеристика напряжения холостого хода Uxx = U(f) при /н = 0, = var (ступенями).:.

6.1.3. Внешняя характеристика t/H= U (/н), /„= const, f- 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.

6.3.2. Режимное питание бескаркасного соленоида нагрузки с большим объемом рабочего поля

6.4. Защита сверхпроводниковых электротехнических устройств, работающих в короткозамкнутой цепи

6.5. Допустимая скорость ввода (вывода) тока в сверхпроводниковой нагрузке.

Выводы по главе 6.

Глава 7. Тепловые мосты в криогенную зону. Методы термодинамической оптимизации механической передачи и токовводов.

Постановка задачи.

7.1. Тепловая оптимизация механического привода топологического генератора .265 Постановка задачи для раздела 7.

7.1.1. Неохлаждаемая механическая передача.

7.1.2. Идеальный теплообмен.

7.1.3. Термодинамическая оптимизация.

7.1.4. Пример практической реализации.

7.2. Термодинамическая оптимизация токовводов.

Постановка задачи для раздела 7.

7.2.1. Математическая модель токоввода.

7.2.2. Анализ физических величин и обоснование граничных условий.

7.2.3. Оптимизация параметров токовводов. Основные соотношения для цикла Карно и реального цикла.

7.3. Расчет токовводов, шунтированных сверхпроводником, по критерию минимума энергозатрат.

7.3.1. Определение длины шунтирующего сверхпроводящего участка.

7.3.2. Разработка и экспериментальные исследования типового ряда пористых токовводов.

7.3.3. Расчетные параметры токоввода для сверхпроводникового синхронного генератора мощностью 300 МВт.

7.3.4. Разработка и экспериментальные исследования токовводов криотурбогенератора типа КТГ

Выводы по главе 7.

Глава 8. Исследование топологических генераторов из высокотемпературных сверхпроводников 1-го и 2-го поколений

Постановка задачи.

8.1. Топологический генератор как чувствительное диагностическое устройство

8.1.1. Некоторые замечания о физических свойствах ВТСП

8.1.2. Экспериментальные исследования высокотемпературных сверхпроводниковых материалов для топологических генераторов.

8.1.3. Экранирование и проникновение магнитного поля в высокотемпературные сверхпроводниковые материалы

8.1.4. Стационарная экспериментальная установка.

8.1.5. Многофункциональная экспериментальная установка.

8.1.6. Контактные соединения.'.

8.2. Опытные модели топологических генераторов с фазовым резистивно-сверхпроводящим коммутатором из массивных металлокерамических образцов

8.3. Фазовый резистивно-сверхпроводящий коммутатор из высокотемпературных сверхпроводниковых пленок на жесткой подложке.

8.4. Топологический генератор с зубчатым ферромагнитным сердечником индуктора.

8.5. Коаксиально цилиндрический топологический генератор с моделью нагрузки из массивного металлокерамического образца.

8.6. Топологический генератор с гладким ротором.

8.7. Демонстрационная и экспериментальная установки. Результаты исследований

8.8. Топологический генератор с фазовым резистивно-сверхпроводящим коммутатором из высокотемпературных сверхпроводников 2-го поколения

8.9. Моделирование режима прецизионного регулирования тока в ЯМР томографе

Выводы по главе 8.

Глава 9. Разработка топологических генераторов многофункционального использования и результаты их испытания в штатных режимах работы.

Постановка задачи.

9.1. Принципы конструирования.

9.2. Первые образцы топологических генераторов отечественного производства.

9.2.1. Топологический генератор ТПГ-1: первый образец.

9.2.2. Топологический генератор ТПГ-2: многослойный РСК, последовательное соединение токонесущих элементов.

9.2.3. Топологический генератор ТПГ-3: параллельное соединение токонесущих элементов РСК.

9.2.4. Топологические генераторы ТПГ-5 и ТПГ-13: токонесущие элементы РСК выполнены из сверхпроводниковой проволоки.

9.3. Экспериментальные исследования потерь в топологических генераторах.

9.3.1. Конструкция и параметры исследуемых топологических генераторов.

9.3.2. Методика и результаты измерения потерь.

9.4. Топологические генераторы с фазовым резистивно-сверхпроводящим коммутатором и якорной обмоткой барабанного типа.

9.4.1. Топологические генераторы ТПГ-4/3 и ТПГ-4/4.

9.4.2. Топологические генераторы ТПГ-15/1 и ТПГ-15/2.

9.4.3. Топологический генератор ТПГ-10/2.

9.5. Топологические генераторы с фазовым резистивно-сверхпроводящим коммутатором и якорной обмоткой кольцевого типа.

9.5.1. Топологический генератор ТПГ-14/2.

9.5.2. Топологический генератор ТПГ

9.5.3. Топологический генератор ТПГ-17.

9.5.4. Топологический генератор ТПГ-18.

9.6. Топологические генераторы специального назначения.

9.7. Разработка герметичного привода.

Выводы по главе 9.

Глава 10. Создание бесщеточной системы возбуждения сверхпроводниковых электрических машин с топологическим возбудителем.

Постановка задачи.

10.1. Требования к системам возбуждения сверхпроводниковых синхронных машин.

10.2. Расчет параметров и характеристик топологического возбудителя.

10.3. Сверхпроводниковый синхронный генератор со статическим топологическим возбудителем.

10.4. Модель обращенного сверхпроводникового топологического возбудителя ТПГ-5.

10.5. Опытная модель бесконтактного сверхпроводникового синхронного генератора.

10.5.1. Топологический генератор ТПГ-5.

10.5.2. Результаты экспериментального исследования

10.6. Статическая модель топологического возбудителя

10.6.1. Статический топологический возбудитель СТПГ-11 .'.

10.6.2. Статический топологический генератор СТПГ-23 обращенного исполнения.

Выводы по главе 10.'.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Электромеханика и электрические аппараты», 05.09.01 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сверхпроводниковые электрические машины и преобразователи с фазовым резистивно-сверхпроводящим коммутатором»

В.1. Актуальность темы

Прикладная сверхпроводимость как инновационное направление в пауке и технике своими истоками и последующим развитием связана с разработкой и промышленным освоением выпуска сверхпроводниковых обмоточных материалов с высокой токонесущей способностью в сильных магнитных полях.

В устройствах, использующих сверхпроводниковые материалы, рабочие токи достигают 100 кА. С увеличением" мощности сверхпроводниковых электротехнических и электрофизических устройств к их надежности предъявляются более жесткие требования. Эксплуатационная надежность в значительной мере зависит от величины рабочего тока, способа его ввода и метода гашения поля.

Актуальность темы определяется необходимостью решения проблемы ввода тока в сверхпроводниковые устройства посредством разработки- и создания сверхпроводниковых топологических электрических машин, преобразователей и термодинамически оптимизированных токовводов. В. • современных крупномасштабных проектах с использованием низкотемпературных сверхпроводников, к числу которых относятся, прежде всего, Большой адронный суперколлайдер и Международный термоядерный реактор, существует потребность в источниках питания и термодинамически оптимизированных токовводах на токи до 75 кА. Перспективными областями применения топологических генераторов и преобразователей из высокотемпературных сверхпроводников являются ЯМР' томографы, электрические машины общепромышленного, транспортного и специального назначения, приборы и техника физического эксперимента, высокоградиентные очистители вод. Так, стабилизация тока и его прецизионное регулирование на уровне 1-2 мкА/с в ВТСП магнитной системе ЯМР томографа возможны с помощью топологического генератора или преобразователя. Бесщеточная система возбуждения ВТСП синхронных компенсаторов (— 10 кА, ОД В) также может быть реализована на базе сверхпроводниковых источников постоянного тока. Развитие научного направления, связанного с решением проблемы ввода тока в сверхпроводниковые устройства, шло в соответствии с Программой по решению научно-технической проблемы 0.14.02 «Создать новые виды электротехнического оборудования с использованием явления сверхпроводимости», утвержденной постановлением ГКНТ СССР, Госплана СССР и АН СССР от 12.12.80 № 475/251/131. Работа выполнялась непосредственно по заданиям 07.Н6, 01.02.Н2, а также согласно Комплексному плану Е21 по темам Е21.1022, Е21.1044. В рамках международной НИР и ОКР «Создание сверхпроводникового топологического генератора» Институтом Физики Твердого Тела Болгарской Академии Наук и ВНИИэлектромашаем в 1988-1990 гг. разработана и ведена в эксплуатацию физическая аппаратура на основе использования топологического генератора и соленоида, 7,8 Тл в рабочем объеме. В 1984-1991 гг. ВНИИэлектромаш вместе с ИФВЭ вел работу по созданию Автоматизированной системы питания, диагностики и защиты сверхпроводниковых магнитооптических элементов каналов частиц УНК-ЗТэВ, сооружавшегося по Постановлению Правительства. Данная масштабная работа завершилась созданием головного образца топологического генератора на ток 8 кА для автономного питания каждого из 200 отклоняющих сверхпроводниковых магнитов каналов частиц с запасенной единичной энергией 1 МДж. В рамках Конкурсной программы ГКНТ «Генератор» по высокотемпературным сверхпроводникам (ВТСП) совместно с ЦНИИмашем в ОЭЭП РАН созданы топологические генераторы для ВТСП модели движителя (1997 г.). Исследования ВТСП материалов 2-го поколения ведутся по гранту РФФИ 09-08-01111-а (2009 -2011 гг.) «Процессы переноса во фрактальных средах и системах: свойства и размерности». По гранту РФФИ 09-08-07020-д (2009 г.) издана книга «Сверхпроводниковые топологические электрические машины». ИХС РАН совместно с Харбинским Университетом науки и техники разрабатывает ВТСП ветрогенератор с топологическим возбудителем. В 2007-2009 гг. в ИХС РАН выполнены

Исследования по обоснованию создания электромеханических преобразователей специального назначения нового поколения на основе применения материалов с новой структурой, полученных с помощью нанотехнологий», № Гос. Регистрации 0120.0 712510. Оформлена заявка на получение гранта РФФИ по теме «Исследование полумейсснеровского состояния как фундаментального свойства одно- и многокомпонентных сверхпроводников». В план работ ИХС РАН на 2010 г. включены исследования по синтезу ВТСП 2-го поколения для широкого круга задач электроэнергетики.

Устройства с использованием сверхпроводниковых материалов весьма разнообразны. В электроэнергетике - это электрические машины и магнитогидродинамические генераторы [19, 28, 40, 52, 61, 66-69, 71, 72, 92, 106, 116, 181, 198, 212, 224, 243, 251, 262, 263, 317, 318, 322, 358, 368, 373, 378, 380, 398, 412, 373], трансформаторы [224, 345], преобразователи [72, 94, 224, 295], индуктивные накопители энергии [68, 224, 419, 369, 415, 443], линии электропередачи [299, 425], термоядерные реакторы [55, 60, 116, 133, 290, 363, 420, 444], токоограничители [76-78, 250, 259, 327, 400, 407, 430, 431]; в экспериментальной физике - магниты для пузырьковых камер [133, 224, 449], ускорительно-накопительных комплексов [55, 58, 88, 332], установок по изучению свойств вещества [391]; на транспорте - линейные синхронные двигатели и магнитный подвес [116, 119, 342, 387, 461]; в промышленности - сепараторы руд и [332,461]; в медицине - томографы [94]; в городском хозяйстве - очистители сточных вод [66, 72] и др.

Актуальность темы определяется необходимостью решения проблемы ввода тока в сверхпроводниковые устройства посредством разработки и создания сверхпроводниковых топологических электрических машин (топологических генераторов, преобразователей криотронных, трансформаторов, электромагнитных муфт) и термодинамически оптимизированных токовводов.

Работы по созданию сверхпроводниковых источников питания и токовводов ведутся в ведущих научных центрах Европы, Америки и Юго-Восточной Азии: Аргонская национальная лаборатория, Магнитная национальная лаборатория МТИ, Окриджская в" национальная лаборатория, фирмы «Дженерал Электрик», «Вестингауз», «Сименс», Корейский институт науки и техники, Киотский Университет, Институт инженеров-электриков Японии. У нас в стране - это Воронежский и Томский политехнические институты, ЭНИН, ЦНИИчермет, ИВТ РАН (все - Москва), ЦНИИмаш в г. Королеве, ИФВЭ в г. Протвино.

Значительный вклад в разработку и содействие развитию сверхпроводниковых топологических генераторов (ГШ ) и топологических преобразователей криотронных (ТПК) внесли отечественные ученые Е.Я. Казовский, И.А. Глебов, Я.Б. Данилевич, В .П. Карцев, В.Н. Шахтарин (ВНИИэлекгромаш), Ю.П. Коськин (ЛЭТИ), В.Б. Зенкевич, В.В. Сычев (ИВТ АН СССР), A.C. Дронов, В.Е. Игнатов, Ю.В. Скобарихин (ЭНИН им. Г.М. Кржижановского), Ю.Н. Макушенко, Ю.А. Бауров (ЦНИИмаш), В.В. Васильев, Б.А. Серебряков (ИФВЭ), Ю.А. Башкиров (ОКБ «Горизонт»), В.А. Глухих, А.И. Костенко (НИИЭФА), Н.В. Марковский (Украина), JI.H. Федотов (ИПС (ЦНИИчермет им. И.П. Бардина), A.C. Веселовский, Г.Г. Свалов (ВНИИ KIT), а также зарубежные ученые J. Volger, Ten Kate H.H.J., Van der Klundert L J.M. (Голландия), T.F. Buhhold, H. Voight (Германия), M.S. Lubell, O.K. Mawardi, S.L. Wipf (США), R. Fasel (Швейцария), D.L. Atherton (Канада).

B.2. Обзор работ по сверхпроводниковым топологическим генераторам и статическим (криотронным) преобразователям

В 1962 году изложен принцип действия и создан первый демонстрационный образец сверхпроводникового топологического генератора (ТПГ) [441]. Конструкция ТПГ, описанная Дж. Волгером (J. Volger) и П.С. Адмиралом (P.S. Admiral), состояла из тонкого диска (РСК), выполненного из свинца (сверхпроводник I рода), и закрепленного на спице постоянного магнита, вращавшегося вокруг оси, перпендикулярной спице и плоскости диска [440-443]. Сверхпроводниковая нагрузка - индуктивная катушка одним выводным концом подсоединялась к центру сверхпроводникового диска, другим - к его периферии. А.Р. Сасс (A.R.Sass) предложил рассчитывать такие устройства с использованием упрощенных схем замещения с сосредоточенными параметрами [406]. СЛ. Уипф (S.L. Wipf) в [455] описал модель ТПГ с РСК в форме прямоугольной пластины, которая давала большую конструктивную свободу, чем выше рассмотренная дисковая модель. Соединяя последовательно несколько сверхпроводниковых пластин, можно было возбудить крупную сверхпроводниковую магнитную систему. В статье приведены расчетные и экспериментальные данные, графические зависимости ЭДС от частоты вращения электромагнитов при разном числе сверхпроводниковых пластин и разных значениях тока возбуждения. Кроме того, предложена схема ТПГ без движущихся частей, в которой бегущее магнитное поле создавалось тремя поочередно питаемыми катушками.

Д.Л. Атертон (D.L. Atherton) описал модель ТПГ со сверхпроводниковой пластиной, согнутой в цилиндр, внутри которого вращался магнит [269]. Ось вращения магнита совпадала с осью цилиндра. Сверхпроводниковый цилиндр вдоль образующей имел щель. Для данной модели предложена и рассчитана упрощенная схема замещения. В [433] приведен оценочный расчет потерь в движущейся нормальной зоне, в основу которого была положена методика, используемая для определения потерь на вихревые токи в устройствах из обычных (не сверхпроводниковых) проводников. C.J1. Уипф в [457] изложил основы теории ТПГ с пластиной. Расчет схемы замещения позволил получить приближенные выражения для ЭДС, мощности и потерь. В [438] дана классификация и описание принципов действия сверхпроводниковых топологических электрических машин, включая статические разновидности, предложенные Дж.А. Олсеном (J.L. Olsen) [390], X.JI. Лаквером (H.L. Laguer) [355], Т. Буххольдом (Th.A. Buhhold) [284]. Рекомендованы некоторые способы, позволяющие увеличить ЭДС ТПГ. Обсуждены причины образования «размытой» нормальной области позади движущегося нормального пятна - т.н. «хвоста кометы», который наблюдался с помощью оптической фарадеевской техники. Кроме того, описана экспериментальная модель статического ТПГ с бегущим магнитным полем, создаваемым статорной обмоткой обычного трехфазного электродвигателя. Д.Л. Атертон показал принципиальную возможность достижения в статических топологических преобразователях КПД, близкого к 100% [265]. В [268] им рассмотрены практические проблемы, связанные с конструированием и эксплуатацией известных разновидностей ТПГ.

B.Л. Ньюхауз (V.L. Newhouse) в [384] дал сравнительный анализ (по максимально достижимому КПД) трех разновидностей сверхпроводниковых топологических электрических машин: вращающегося ТПГ (С.Л. Уипф [455]), а также статических топологических преобразователей (Х.Л. Лаквер [265]) и Т.А. Буххольд [265]).

Анализ КПД сверхпроводниковых топологических электрических машин дал в [384]

C.Л. Уипф.

X. Фойт (Н. Voight) на основании решения задачи Коши для обыкновенного дифференциального уравнения 1-го порядка получил зависимости от времени токов и напряжения в ТПГ [439]. Определено условие насыщения (нулевого значения напряжения на зажимах ТПГ). Результаты расчетов по приведенным формулам сравнены с экспериментальными данными, полученными Р. Вебером (R. Weber). Там же описана принципиальная схема экспериментальной установки, приведен ряд характеристик ТПГ с РСК в виде пластины, а также некоторые данные по исследованию краевых эффектов.

М.С. Лубелл (M.S. Lubell) и C.JI. Уипф в [364] детально описали ТПГ цилиндрического типа, осуществлявший «накачку» сверхпроводникового соленоида вплоть до магнитного поля 3,9 Тл (при токе 1480 А) в отверстии диаметром 2,5 см. Полученные в эксперименте значения ЭДС и КПД сопоставлены с расчетными величинами.

Д. ван Хоувелинген (D. Van Houwelingen) и Дж. Фолгер [436,437] описали несколько дисковых и цилиндрических моделей ТПГ и привели некоторые их характеристики. Максимальный ток в сверхпроводниковой нагрузке, достигнутый с помощью двухполюсного ТПГ, составил 2,4 кА. При параллельном соединении 6 ТПГ в нагрузке, представлявшей собой отрезок многожильного сверхпроводникового кабеля, получен рекордный ток 12,6 кА [94]. В нашей стране единственный образец статического ТПГ был создан и испытан В.П. Карцевым. В конструкции ТПГ для создания бегущего магнитного поля применена статорная обмотка асинхронного двигателя [108, 109].

Изложенная в [92, 108, 109] теория ТПГ разработана Е.Я. Казовским на основе исследования контурных токов.

В обзорной статье [434] дан анализ состояния работ преимущественно в области теории и проектирования топологических преобразователей криотронных (ТПК). Основное внимание специалистов, создававших ТПК, уделялось системам управления, в том числе с использованием микропроцессоров [296, 422]. В [300,416] приводятся технические данные трехфазного ТПК с резистивно-сверхпроводящими коммутаторами (РСК), имеющими тепловое управление. Расчетные значения номинального тока 25 кА и мощности 1,5 кВт. Выводы по В.2

В [317, 376, 378] представлены результаты разработки на базе ТПГ бесконтактной системы возбуждения сверхпроводникового синхронного генератора. Анализ состояния работ в области сверхпроводниковых топологических электрических машин показывает, что до настоящего времени нет ясного понимания явлений, лежащих в основе их работы. После первых успехов в создании ТПГ и достижения с их помощью в цепи сверхпроводниковой индуктивной нагрузки постоянного тока на уровне килоампер на пути совершенствования конструкций ТПГ - с целью повышения номинальных параметров по току до 10 кА, напряжению до 1 В, удельной мощности до 1 кВт/кг и КПД до 90% - возникли серьезные трудности. Вызваны они не столько инженерными, технологическими причинами или отсутствием подходящих сверхпроводниковых материалов, сколько ошибками принципиального характера. Все попытки добиться существенного повышения тока в единичном агрегате в рамках общепринятых теоретических обоснований оказались безрезультатными. Оптимистическим надеждам на близкое и широкое внедрение ТПГ, особенно в экспериментальную практику, не суждено было сбыться. Проблема ввода больших токов в криостаты стала решаться иными способами через использование гальванических токовводов. В разработку оптимизированных токовводов заметный вклад внесли отечественные ученые Г.И. Абрамов, В.М. Бродянский, Ю.Л. Буянов, С.П. Горбачев, Л.И. Ройзен, А.Г. Шифельбайн (Москва), А.И. Бертинов, C.B. Оденов (МЭИ), В.Д. Бартенев, В.И. Дацков В.И., Ю.А. Шишов (ОИЯИ), В.Е. Кейлин, Е.Ю. Клименко (ИЯФ им. И.В. Курчатова), Б.А. Бабенко, Л.Л. Васильев, В.В. Сенин (ИТМО АН БССР им. A.B. Лыкова), а также зарубежные специалисты R. Agsten, A. Bejan, Е. Carbonell, Chen Li-Ting, G. Claudet, С. Dammann, L. Donadie, D. Eckert, F. Lange, D. Güsewell, H. Inai, L. Senet. С учетом сложившейся практики нередко токовводы стали рассматриваться как альтернативное сверхпроводниковым источникам питания техническое средство ввода тока в криостаты. Однако анализ их функциональных возможностей и преимуществ показывает, что, во-первых, токовводы являются не альтернативным, а обязательным элементом систем питания, защиты и диагностики сверхпроводниковых устройств, в том числе создаваемых на базе топологических генераторов и преобразователей. Во-вторых, применение топологических генераторов и преобразователей в системах питания сужает спектр задач токовводов. В ряде приложений они сводятся практически к одной задаче - вывода запасенной электромагнитной энергии в анормальном или аварийном режимах. Поэтому логично, что в данном контексте токовводы исследуются вместе с топологическими электрическими машинами, системами управления, механической передачей и др. Наиболее сложным и наименее исследованным среди выше перечисленных объектов является топологический генератор. Если «явление сверхпроводимости» с точки срока создания его микроскопической теории по праву считается загадкой-долгожительницей физики XX века, то «сверхпроводниковые топологические генераторы» с не меньшим основанием можно отнести к неразгаданному чуду современной электротехники. Суть проблемы находится в принципе действия ГШ - в его классической трактовке. В соответствии с общепринятыми представлениями, работа ТПГ возможна лишь при условии создания в сверхпроводниковом диске (пластине, цилиндре) нормальной зоны. Из-за наличия ферромагнитных узлов магнитные поля в ТПГ находятся на уровне десятых долей - единицы теслы. Поэтому в ТПГ, для того чтобы обеспечить создание нормальной зоны, повсеместно применялись сверхпроводниковые материалы с низким значением критического магнитного поля - порядка 1 Тл. А ведь есть сверхпроводники, у которых критическое магнитное поле 20 Тл и более. Таким образом, следуя классическому пониманию принципа действия, при создании ТПГ из употребления была выведена большая часть сверхпроводников и, прежде всего, те из них, которые обладают наиболее высокими критическими параметрами по полю и току.

В связи с этим в диссертации поставлена задача более глубокого осмысления принципа действия ТПГ, расширения его классической формулировки и экспериментального подтверждения вытекающей из этого возможности использования в ТПГ сверхпроводниковых материалов с высокими критическими параметрами. Данная задача не могла быть решена без нового, обоснованного взгляда на промежуточно-смешанное («полумейсснеровское») состояние сверхпроводников I и II рода, как на единое магнитопроводящее состояние, хотя и проявляющееся по-разному в зависимости от условий, без целенаправленного анализа многочисленных, разрозненных сторонних экспериментальных фактов, без дополнительно полученных автором опытных данных по исследованию проникновения магнитного поля в сверхпроводниковые образцы, различающиеся стехиометрией, технологией производства и формой.

В.З. Обзор работ по исследованию структуры и динамики промежуточного и смешанного состояния сверхпроводников

Начало интенсивным экспериментальным исследованиям структуры промежуточного и смешанного состояния сверхпроводников положило теоретическое предсказание

A.A. Абрикосова о квантовании магнитного потока, проникающего в сверхпроводник II рода, с образованием регулярной вихревой решетки [82, 94, 120, 248].

B.3.1. Квантование магнитного потока

Согласно квантовомеханическим представлениям куперовские пары как квазичастицы в совокупности представляют собой одну и ту же волну, имеющую для всех пар амплитуду, частоту и фазу. Так как они описываются волновой функцией со строго заданной фазой, т.е. обладают жесткой фазовой корреляцией, можно говорить об их фазовой когерентности [П.49]. Прямым следствием жесткой фазовой когерентности является эффект квантования магнитного потока. Имея фундаментальное значение, квантование магнитного потока, присуще всем, без исключения, сверхпроводникам любой геометрической формы и связности. «Связность» есть топологическое понятие. Поэтому, учитывая содержание излагаемого материала, целесообразно дать краткое введение в теорию множеств, касающуюся свойств топологических пространств, распространив эти понятия на фазовое состояние сверхпроводника [115, 223]. «Топологическим пространством» называется множество X, в котором выделено некоторое семейство т подмножеств (именуемых «открытыми множествами»), обладающее следующими свойствами: множество X открыто, нулевое множество 0 открыто, пересечение любых двух открытых множеств открыто и объединение любой совокупности открытых множеств открыто. Такое семейство т подмножеств называется «топологией» в множестве X. В данном контексте, применительно к сверхпроводникам, математический термин «топология» используется преимущественно для исследования процессов, обусловленных изменением «связности» сверхпроводящих контуров вследствие фазовых переходов. Формальное обоснование данного подхода состоит в следующем. Массивный сверхпроводниковый образец с математической точки зрения может рассматриваться как топологическое пространство (точнее, подпространство). По определению, данному выше, «топологическое пространство» - это множество X, на котором задана топологическая структура. В данном случае под «топологической структурой» понимается сверхпроводящая фаза, т.е. весь «сверхпроводящий объем» массивного образца. Множество X является одновременно открытым и замкнутым, равно как и пустое множество 0. Если вХ(т,е. в объеме сверхпроводника) нет других множеств, одновременно открытых и замкнутых, то топологическое пространство X называется связным. В частном случае массивного сверхпроводникового образца, при условии обеспечения полного эффекта Мейсснера-Оксенфельда, имеем односвязное топологическое пространство. Любое локальное нарушение сверхпроводимости, например, в связи с проникновением в образец магнитного поля с созданием нормальной зоны, области промежуточного или смешанного состояния, изменяет топологию пространства, т.е. связность.

Стационарные электронные состояния, в данном случае сверхпроводимость, определяются квантовыми условиями. Следовательно, заводимый индуктивным способом в сверхпроводящее кольцо ток может принимать только дискретные значения. Так как квантовые уровни отстоят друг от друга на чрезвычайно малом расстоянии, дискретные значения тока обычными измерительными приборами не улавливаются.

С целью получения более полной картины квантования магнитного потока вместо кольца рассмотрим сверхпроводящую пластину с отверстием (рис. В.3.1). С точки зрения топологии кольцо и пластина с отверстием являются гомеоморфными фигурами. Более того, в качестве «геометрического» отверстия может служить «фазовое» отверстие - нормальная зона. Она может быть создана приложенным извне магнитным полем, индукция которого выше критического значения, свойственного данному сверхпроводнику. Локализация нормальной зоны поддерживается сверхпроводящим током, циркулирующим вокруг нее. Это значит, что магнитный поток, созданный сверхпроводящим током, в нормальной зоне совпадает по направлению с внешним магнитным потоком, а вне ее имеет противоположное направление, обеспечивая экранирование остальной части сверхпроводящей пластины от внешнего магнитного поля. Средняя плотность циркулирующего вокруг отверстия нормальной зоны) тока ]сп =2и еу , где у - скорость куперовских пар.

Рис. В.3.1. Сверхпроводник с «отверстием» в виде нормальной зоны (фазы)

Магнитное поле влияет на фазу волновой функции куперовских пар путем изменения их импульса рс, связанного с длиной волны соотношением Л = Н/ркуп. Квантование импульса вытекает из требования однозначности волновой функции куперовских пар при обходе контура, показанного на рис. В.3.1 штриховой линией. Поэтому линейный интеграл по контуру от обобщенного импульса (учитывается внешнее и созданное сверхпроводящим током магнитное поле) квантуется:

Я3„ с11 = + еЛ)^ =

Если 5 — площадь, ограниченная контуром, то

Циркулирующий вокруг нормальной зоны (отверстия) сверхпроводящий ток течет в слое толщиной Л/,. Выбрав контур интегрирования вдали от границы нормальной зоны (края отверстия), где ]Сп = 0, получим условие квантования магнитного потока в виде

Ця • сЬ =Ф = т— - т ■ (р0.

2е к

Здесь (Ро ~ Т~= 2,07-10"15 Вб - квант магнитного потока, или «флюксон» (здесь учтен 2е двойной заряд 2е куиеровской пары).

С помощью выражения для кванта магнитного потока можно получить соотношения для определения критических магнитных полей:

И - 7?

13КТ ~ „ „ 2 — г2 • нитями области.

О, ПкуП вихря). Крестиками и точками условно показано направление вихревого сверхпроводящего тока]с

В.3.2. Прямое наблюдение структуры промежуточного и смешанного состояния сверхпроводников

Фундаментальные законы физики сверхпроводимости описывают свойства всех, без, исключения, сверхпроводников. Поэтому, отмечая разницу в поведении образцов из сверхпроводников I и II рода с различной стехиометрией, формой и размерами, нельзя упускать из виду универсальность фундаментальных законов. Краткое резюме условий и механизмов возникновения промежуточного и смешанного состояния сверхпроводников сводится к следующему. Промежуточное состояние возникает в сверхпроводниках I рода II обусловлено только отличным от нуля магнитометрическим коэффициентом размагничивания. Смешанное состояние является отличительным свойством сверхпроводников II рода. Оно не зависит от магнитометрического коэффициента размагничивания. Доменная структура промежуточного состояния выглядит грубее, чем периодическая решетка квантованных нитей магнитного потока.

Общими признаками промежуточного и смешанного состояний являются: (а) параллельная внешнему магнитному полю ориентация границ доменов и остовов квантованных нитей магнитного потока, (б) существование порогового магнитного поля проникновения, значение которого ниже критического, в том числе верхнего критического, магнитного поля. эффекту Мейеснера-Океенфельда) отвечает т = 0. В двухсвязных (многосвязных) сверхпроводниках т Ф 0 и всегда равно целому числу. Если внешний магнитный поток равен, например, {т+\/Ъ)(р0, то магнитный поток в отверстии (рис. В.3.1), квантуясь, округляется до т -(р0, а в случае (т+2/Ъ)(р0, соответственно, до (т+1)<р0. За операцию «округления» ответственно не приложенное магнитное поле (которое, строго говоря, не квантуется), а циркулирующий вокруг отверстия сверхпроводящий ток, благодаря квантовой природе состояния сверхпроводимости. В последующем изложении следует различать квант магнитного потока - «флюксон» (ро и «флюксоид» Ф = пкро - пронизывающий отверстие магнитный поток, который т - кратен «флюксону».

В отличие от выше рассмотренного случая «макроскопического отверстия» в виде нормальной зоны (рис. В.3.1), квантованная нить магнитного потока представляет собой «микроскопическое отверстие» радиусом £ состоящее из нормальной фазы, вокруг которого циркулирует вихревой незатухающий сверхпроводящий ток (рис. В.3.2). Его направление такое же, как у циркулирующего тока, показанного на рис. В.3.1. На этом их сходство исчерпывается. Циркулирующий ток (рис. В.3.1) обеспечивает лишь кратное кванту магнитного потока значение внешнего магнитного потока, пронизывающего отверстие макроскопических размеров. Вихревой сверхпроводящий ток (рис. В.3.2) создает равный одному кванту магнитный поток, который распространен в области с радиусом Магнитный поток вихря совпадает по направлению с приложенным магнитным полем. Объем сверхпроводника экранирован от внешнего магнитного поля сверхпроводящими поверхностными токами, текущими по периметру образца, а также вихревыми токами. Их направления взаимно противоположны. Согласно (2.6), средняя магнитная индукция в нормальном остове квантованной нити магнитного потока равна магнитной индукции ВК2 второго критического магнитного поля. Средняя магнитная индукция в сверхпроводнике В = п<ро, где п - поверхностная плотность квантованных нитей магнитного потока. Было бы ошибкой полагать, что квантованные нити магнитного потока в совокупности дают полный магнитный поток, приложенный извне. В действительности они одновременно служат средством и областью частичного пропускания внешнего магнитного поля в сверхпроводник, обеспечивая, кроме того, вместе с краевыми поверхностными токами экранирование от этого поля соседние с квантованными

X. Тройбл (Н. (Trauble) и У. Эссманн (U. Essmann) [208] с помощью электронного микроскопа (разрешение 100 Á) наблюдали структуру промежуточного и смешанного состояния сверхпроводников I и II рода. В качестве объектов исследования выбраны поликристаллический стержень из сплава Pb+4%In, относящийся к сверхпроводникам II рода (параметр Гинзбурга-Ландау [47] % = 1,2 при Т= 1,1 К), и монокристалл ниобия (сверхпроводник I рода). Напомним, что образец из ниобия, в зависимости от чистоты, может относиться к сверхпроводникам I или II рода. Установлено, что оба образца, приготовленные в виде дисков толщиной 0,5 мм, помещенные в стационарное магнитное поле, имеют примерно одинаковую магнитную структуру. В слабых магнитных полях квантованные нити магнитного потока собираются в кластеры (пучки), что доказывает существование промежуточного состояния в сверхпроводниках II рода с малым параметром Гинзбурга-Ландау х- Диаметр кластера около 1000 Á. В среднем он насчитывает до 30 квантованных нитей. По мере увеличения приложенного к образцу магнитного поля диаметр кластера уменьшается, а общее их число растет. В магнитном поле с индукцией 0,3 Тл с применением техники реплики была сфотографирована регулярная треугольная решетка, образованная из одиночных квантованных нитей магнитного потока (рис. 2.13). Эта решетка получена с помощью покрытия поверхности намагниченного образца очень тонким (500 Á) ферромагнитным порошком. Частицы порошка скапливались в областях, где магнитный поток пересекал поверхность. Кроме этого, X. Тройбл и У. Эссманн исследовали структуру промежуточного и смешанного состояния свинцового образца (99,98% РЬ), который является сверхпроводником I рода, характеризующимся малым значением параметра ГинзбургаЛандау (х = 0,4). Образец представлял собой шайбу диаметром 5 мм и толщиной 1,5 мм. Экспериментально установлено, что магнитные образования вблизи центра шайбы состоят из пучков квантованных нитей магнитного потока, насчитывающих в среднем по 4000 квантованных нитей каждый. Т.е. имеет место магнитная структура, характерная для смешанного состояния, возникающего в слабых магнитных полях. С удалением от центра шайбы к периферии наблюдается только ламинарная структура, свойственная промежуточному состоянию. Н.В. Сарма (N.V. Sarma) [200, 222] изучал образование магнитных структур в сверхпроводниках II рода. Для исследования были взяты сплавы Pb+2%In и

Pb+l,7%In, т.е. с меньшим, чем в опытах X. Тройбла и У. Эссманна, содержанием индия. Состав их подобран таким образом, чтобы получить «пограничное» значение параметра Гинзбурга-Ландау х ~ 2~ш. До проведения испытаний установлено, что на любом участке образца концентрация In в сплаве выше 1,5%. Это значительно выше критической концентрации, равной 0,5%, соответствующей тому, чтобы сверхпроводник можно было отнести ко 2-му роду. Образцы изготовлены в форме диска диаметром 9 мм, толщиной, соответственно, 3 мм и 2 мм, с целью получения магнитометрического коэффициента размагничивания, значительно отличающегося от нуля. Эксперименты проводились при температуре около 4,2 К. Установлено, что в центральной части диска отдельные квантованные нити располагаются в узлах треугольной решетки. С приближением к периферии диска регулярная картина распределения квантованных нитей нарушается. Вначале появляется так называемая «ламинарная» структура толщиной в одну квантованную нить, а затем возникают более толстые ламинарные образования, характерные для промежуточного состояния сверхпроводников I рода. Они были видны через оптический микроскоп. Наблюдения иных ламинарных структур промежуточного состояния через электронный микроскоп показали, что эти структуры состоят из пучков квантованных нитей магнитного потока. Данные наблюдения показывают, что в сверхпроводнике II рода с весьма низким значением (~21а) параметра Гинзбурга-Ландау могут сосуществовать промежуточное и смешанное состояния.

Известно, что сверхпроводник I рода, выполненный в виде тонкой пленки, толщина которой имеет порядок ЛОНДОНОВСКОЙ глубины проникновения &L (xL « юоА-юооА), ведет себя как сверхпроводник II рода. Это теоретическое положение подтверждено экспериментально Р.Д. Парксом (R.D. Parks) [192, 193, 222]. Он наблюдал переход в смешанное состояние микромостика из тонкой (1000 А) пленки, полученной напылением олова (сверхпроводник I рода) на поверхность предметного стекла от микроскопа. В микромостике из тонкой пленки в поперечном магнитном поле обнаружено квантование магнитного потока.

М.Д. Шеррилл (M.D. Sherrill), исследуя в поперечном магнитном поле сэндвич из тонкой пленки, осажденной с двух сторон на подложке из SiO, установил зависимость диаметра квантованной нити магнитного потока от толщины пленки [203].

Б.Л. Брандт (B.L. Brandt) и Р.Д. Парке [156] выявили разницу в поведении массивного (толстого) и тонкого образцов, изготовленных из олова (99,995%), в поперечном магнитном поле. В массивном образце появляется ламинарная структура промежуточного состояния, характерная для сверхпроводника I рода, в тонком образце - структура смешанного состояния с одиночными квантованными нитями магнитного потока, свойственная сверхпроводникам II рода. Например, узкую сверхпроводящую полоску шириной w и толщиной d, если w»d можно аппроксимировать эллипсоидом вращения с осями w и d с магнитометрическим коэффициентом размагничивания N ~ l-d/w. Согласно (2.4), BN = Вк (d/w), т.е. пороговое значение В^ магнитного поля проникновения существенно меньше критического магнитного поля В к, как это имеет место в сверхпроводниках II рода. Это обстоятельство дало основание М. Тинкхаму (М. Tinkham) заключить, что промежуточное состояние в тонкопленочных сверхпроводниках напоминает смешанное состояние.

Г.Ф. Жарков экспериментально подтвердил факт образования квантованных нитей магнитного потока в процессе зарождения сверхпроводимости в образце из сверхпроводника I рода в виде цилиндра с весьма малым диаметром [59]. При исследовании теплопроводности сплава In+5%Pb получил экспериментальное подтверждение теоретически установленный факт зависимости параметра Гинзбурга-Ландау от температуры Г [192]. Так, х (3,85 К) = 0,88;/ (1,33 К) = 1,13. В.3.3. Течение квантованного магнитного потока. Пиннинг

Смешанное состояние сверхпроводника II рода по своей физической природе метастабильно. Внешнее возмущение - магнитное, тепловое и др. даже небольшой интенсивности может нарушить равновесие и инициировать перераспределение магнитного поля. Возможны две ситуации: магнитный поток перераспределяется путем плавного движения и (или) скачками. В первом случае возникает динамическое смешанное состояние. Скачки потока при определенных условиях способны привести к переходу сверхпроводника в нормальное состояние. В том и другом случае в сверхпроводнике протекают необратимые процессы, сопровождающиеся выделением потерь.

Динамическое смешанное состояние возникает также в результате взаимодействия подведенного к сверхпроводнику (транспортного) тока с квантованными нитями магнитного потока. Сила Лоренца /ь в расчете на единицу длины квантованной нити магнитного потока равна

Л = ^Х<Р0'

Соответственно, на единицу объема jcxBo.

Здесь ус - плотность транспортного тока.

В идеальном сверхпроводнике II рода, в котором отсутствуют дефекты, сколь угодно малая сила Лоренца заставит перемещаться квантованные нити магнитного потока в направлении, перпендикулярном вектору плотности транспортного тока. Данное движение тормозится ВЯЗКИМ трением, так что у'с X <р0 = Т]\'; , где V/, - скорость движения течения) квантованных нитей магнитного потока, т/ - коэффициент вязкости. Вязкое течение квантованных нитей сопровождается выделением потерь и поэтому требует затрат подводимой извне электрической мощности Ж = Тч^^У/,2. Можно считать, двояко: в сверхпроводнике в результате движения квантованных нитей магнитного потока генерируется ЭДС либо имеет место падение напряжения Е в связи с возникновением особого резистивного состояния, характеризующегося

Е <р0 динамическим электрическим сопротивлением Р/ - ---о-•

Зс Л

При этом Е = х В о.

Динамическое электрическое сопротивление р; не зависит от концентрации дефектов в сверхпроводнике. Их число влияет только на стартовый критический ток jк. Так как ц не зависит от В, то р, пропорционально В, которое, в свою очередь, зависит от Т. Это свидетельствует о взаимосвязи перечисленных параметров с коэффициентом вязкости.

Р/С?') В(Т) р0 ВК1(Т)' гдер0 - удельное электрическое сопротивление сверхпроводника в нормальном состоянии. В любом случае справедливо выражение, связывающее появление ЭДС с движением квантованных нитей магнитного потока. При этом нельзя однозначно утверждать о том, что происхождение и Е есть результат прямых омических потерь.

Идеальный сверхпроводник II рода, подавляющая часть объема которого находится в сверхпроводящем состоянии (за исключением нормальных сердцевин квантованных нитей магнитного потока), и, следовательно, для протекания тока всегда имеются сверхпроводящие пути, тем не менее, не обладает нулевым сопротивлением. Ситуация резко изменяется в технических (промышленного производства) жестких (имеющих дефекты) сверхпроводниках II рода. В них автоматически обеспечивается нулевое сопротивление за счет дефектов структуры, дисклокаций и т.п., которые становятся центрами «пиннинга», к которым «пришпиливаются» (Ш рт (англ.) — пришпиливать) квантованные нити магнитного потока. Нулевое сопротивление наблюдается вплоть до стартовой критической плотности тока ]к, создающего силу

Лоренца, способную оторвать решетку квантованных нитей магнитного потока от у центров пиннинга. В расчете на единицу длины одной квантованной нити А- ~

Ро

Наличие центров пиннинга приводит к необратимости кривой намагничивания технических жестких сверхпроводников II рода (см. рис. 2.3-2.6). Технические жесткие сверхпроводники, у которых необратимость кривой намагничивания выражается более ярко, обладают более высокой плотностью критического тока.

Г.Дж. ван Гурп (СЛ. уап Оигр) [209] исследовал не только структуру, но и динамику промежуточного состояния сверхпроводника I рода, использовав для этой цели фольгу из сплава 1п+2%РЬ (параметр Гинзбурга-Ландау х ~ 0,3 при Т = 2,67 К) шириной 1,3 мм и толщиной 50 мкм. В слабых магнитных полях поток проникает через образец в виде отдельных пучков квантованных нитей магнитного потока. Подведенный извне (транспортный) ток, обтекая эти пучки, приводит их в движение, о чем свидетельствует появление на зажимах образца ЭДС. С увеличением магнитной индукции образуются извилистые ламинарные структуры, которые растут в длину и ширину. Эти структуры ориентируются перпендикулярно вектору плотности тока и, оставаясь неподвижными, создают для тока активное сопротивление. Вследствие этого на зажимах образца возникает падение напряжения.

И. Гиаевер (I. С1ае\уег) [42] осуществил прямое наблюдение за движением пучков квантованных нитей магнитного потока в образце из сверхпроводника I рода. Напыляя на поверхность свинцовой фольги ниобиевый порошок и пропуская через фольгу транспортный ток в присутствии поперечного магнитного поля, было замечено перемещение частиц ниобия в направлении, перпендикулярном вектору плотности тока и вектору индукции магнитного поля. При этом на зажимах образца индуктировалась ЭДС. С увеличением магнитного поля скорость частиц ниобия возрастала, достигала максимума и затем спадала до нуля. Напряжение на зажимах образца постоянно увеличивалось за счет ЭДС, обусловленной движением пучков квантованных нитей магнитного потока, и падения напряжения на активном сопротивлении ламинарных структур.

Подытожим результаты рассмотрения динамического смешанного состояния на примере сверхпроводниковой пластины, к которой перпендикулярно ее плоскости приложено магнитное поле. Превысив первое критическое значение, поле проникает в пластину и создает в ней регулярную решетку квантованных нитей магнитного потока. Подведенный к пластине транспортный ток течет в ней по сверхпроводящим путям. Взаимодействуя с магнитным полем квантованных нитей, транспортный ток, воздействует на них. Когда сила Лоренца превысит силу зацепления квантованных нитей магнитного потока на центрах пиннинга, возникнет вязкое течение решетки квантованных нитей в направлении, перпендикулярном транспортному току. Это хорошо видно на вольтамперных характеристиках трех сверхпроводниковых образцов с одинаковой стехиометрией, но имеющих разную концентрацию дефектов структуры (рис. В.3.3). Линейные участки вольтамперных характеристик, где напряжение пропорционально приложенному магнитному полю и транспортному току, соответствуют режиму течения квантованных нитей магнитного потока. С ростом магнитного поля снижается пороговое значение тока «страгивания» и одновременно увеличивается плотность квантованных нитей магнитного поток. Вместе с тем, напряжение не зависит от плотности центров пиннинга, отражая вязкостный характер течения квантованных нитей магнитного потока. Вольтамперные характеристики различных сверхпроводников имеют разный наклон относительно токовой координатной оси. Нелинейность начального участка характеристики не имеет строгого научного объяснения.

Рис. В.3.3. Характерные вольтамперные характеристики технических жестких сверхпроводников II рода в смешанном состоянии (МЬ+50%Ті, см табл. 3.1.1). В і < Вг < Д? < ВК2

Выводы по В.З

Выполненный применительно к топологическим электрическим машинам и преобразователям анализ экспериментальных данных исследования структуры промежуточного и смешанного состояния сверхпроводников показал, что в сверхпроводниках I и II рода (последние с весьма низким значением параметра Гинзбурга-Ландау ^ ~ 2могут сосуществовать промежуточное и смешанное состояния. Вместе с тем имеется пробел в изучении магнитных структур жестких сверхпроводников II рода с х » 2которые наиболее пригодны для технического использования. То же самое относится к высокотемпературным сверхпроводникам, где подобные исследования ограничиваются монокристаллами [П.46, П.47], а серийно выпускаемые материалы остаются не исследованными [П.48].

Известно [57, 68, 82], что первое Вк\ и второе В& критические поля зависят только от стехиометрии сверхпроводника. Т.е. структура материала, получаемого в результате термомеханической обработки исходного сырья, не влияет на значения Вк\ и В1<ъ равно как на критическую температуру Тк. Поэтому Т^ ВкХ И Вк2 являются независимыми характеристическими параметрами.

Таким образом, на основании выше установленных фактов, с точки зрения физики сверхпроводимости, не существует принципиальных ограничений на использование в ТПГ любых сверхпроводников. Этот нетривиальный вывод требовал дополнительного экспериментального подтверждения. Он явился отправной точкой в проведении цикла исследований процесса проникновения магнитного поля в тонколистовые сверхпроводниковые материалы, но уже с высоким значением параметра Гинзбурга-Ландау х >212, т.е. в материалы, получаемые на базе технических жестких сверхпроводников II рода. В рамках программы создания типового ряда ТПГ с повышенными электромагнитными параметрами была поставлена задача исследования серийно поставляемых промышленностью фольг и лент из ниобий-циркониевых, ниобий-титановых сплавов и интерметаллического соединения ниобий-олово.

Наименее изученной оставалась динамика магнитного потока в тонкопленочных сверхпроводниковых материалах - пластинах, фольгах и лентах. Она стала предметом исследований в связи с разработкой нового типа сверхпроводниковых электрических машин и преобразователей, в которых используется эффект движения квантованных нитей магнитного потока.

В.4. Общая характеристика работы В.4.1. Цель работы

Выполнение комплекса теоретических, конструкторских, технологических и экспериментальных исследований, направленных на решение проблемы создания сверхпроводниковых источников постоянного тока с повышенными технико-экономическими показателями, обеспечивающих надежное и эффективное электроснабжение сверхпроводниковых устройств, работающих на постоянном токе. Для достижения поставленной цели решены конкретные задачи:

- исследование промежуточно-смешанного («полумейсснеровского») состояния как фундаментального свойства одно- и многокомпонентных сверхпроводников; визуализация структуры и динамики промежуточно-смешанного («полумейсснеровского») состояния в технических жестких сверхпроводниках II рода;

- разработка и исследование электрических машин и трансформаторов постоянного тока, в которых используется эффект зацепления и течения квантованных нитей магнитного потока;

- создание на основе магниторезистивных свойств промежуточно-смешанного («полумейсснеровского») состояния фазовых резистивно-сверхпроводящих коммутаторов для сверхпроводниковых топологических электрических машин и преобразователей;

- развитие теории, построение математических моделей, разработка аналитических и численных методов расчета и проектирования энергетически оптимальных сверхпроводниковых топологических электрических машин и пористых токовводов;

- экспериментальные исследования проникновения электромагнитного поля в текстурированные ленточные образцы сверхпроводниковых материалов и его распределения в резистивно-сверхпроводящих коммутаторах;

- анализ коммутационных процессов в сверхпроводниковых топологических генераторах и преобразователях криотронных, исследование рабочих характеристик, режимов и особенностей параллельной работы на сверхпроводниковую нагрузку;

- экспериментальные исследования добавочных электромагнитных моментов в штатных образцах сверхпроводниковых топологических генераторов и разработка на этой базе высокоэффективного герметичного привода и сверхпроводниковой электромагнитной муфты топологического типа;

- определение путей совершенствования конструкций и направлений практической реализации сверхпроводниковых топологических генераторов и пористых токовводов с созданием их типовых рядов многофункционального назначения; научно-техническое обоснование бесщеточной системы возбуждения сверхпроводниковых синхронных машин на базе вращающихся и статических топологических возбудителей. В.4.2. Предмет и объект исследований

Предмет исследований - ввод тока в сверхпроводниковые электротехнические и электрофизические устройства.

Объект исследований - сверхпроводниковые топологические источники питания и токовводы - устройства прямого ввода тока в криостаты. ВАЗ. Методы исследований

Теоретические исследования сверхпроводниковых топологических электрических машин выполнены на основе обобщенных математических моделей, отражающих особенности преобразования магнитных потоков, изменения потокосцеплений в многосвязных сверхпроводящих цепях. При развитии теории сверхпроводниковых топологических электрических машин основное внимание уделено исследованию циклических процессов. Методы теоретических исследований носят преимущественно аналитический характер с привлечением современного математического аппарата теории множеств и функционального анализа. Полученные аналитическим путем соотношения способствуют более ясному пониманию физики процессов в сверхпроводниковых топологических электрических машинах, упрощают анализ рабочих характеристик и инженерные расчеты.

Сочетание аналитического и численного методов имеет место в некорректной обратной задаче магнитостатики - синтезе сверхпроводниковой обмотки возбуждения, которая решена методом регуляризации А.Н. Тихонова. Наряду с аналитическим методом неопределенных множителей Лагранжа, примененным для термодинамической оптимизации газоохлаждаемых пористых токовводов с регулируемым расходом, в методе исследования прямого способа ввода тока используется численное решение на ЭВМ нелинейных дифференциальных уравнений тепло- и массообмена в каналах токоввода с учетом изменения теплофизических и гидравлических свойств криоагента по длине токоввода.

Особенностью экспериментальных методов является сочетание исследований специально разработанных лабораторных образцов и (преимущественно) сверхпроводниковых электрических машин и устройств, предназначенных для штатной эксплуатации.

Исследования структуры промежуточно-смешанного («полумейсснеровского») состояния выполнены на основе метода визуализации - создания посредством сканирующей микроскопии изображений, повторяющих пропорции и детали картины проникновения и распределения магнитного потока в образец сверхпроводникового материала.

Для оценки достоверности теоретических положений результаты расчетов по выведенным формулам сопоставлены с самостоятельно полученными автором экспериментальными данными, а также с опубликованными в научно-технических изданиях данными, полученными зарубежными специалистами.

Научно обоснованные рекомендации по проектированию топологических электрических машин формулировались согласно новым физическим воззрениям на механизм проникновения магнитного поля в резистивно-сверхпроводящий коммутатор, выполненный из тонколистовых материалов на базе технических жестких сверхпроводников II рода, в соответствии с полученными экспериментальными данными распределения магнитной индукции в рабочем зазоре. В.4.4. Научная новизна

1. На основе экспериментального исследования механизма проникновения магнитного поля в тонколистовые образцы сверхпроводниковых материалов с близким к единице магнитометрическим коэффициентом размагничивания разработаны основные принципы конструирования коммутаторов нового типа — фазовых резистивно-сверхпроводящих коммутаторов.

2. Создана общая теория ТПГ и ТПК, с возможностью получения ранее предложенных X. Фойтом и Е.Я. Казовским соотношений как частных случаев.

3. Предложена математическая модель ТПК с несимметричными ветвями, отличающаяся от известных моделей возможностью анализировать различные коммутационные режимы.

4. На основании данных исследования, коммутации созданы автоматизированные системы питания? и управления' ТПК, обеспечивающие оптимальные режимы-коммутации.

5. Экспериментально исследованы магнитные поля и электромагнитные моменты на типовых образцах топологических генераторов.

6. Разработан метод термодинамической оптимизации- механического' передачи и создана на его основе типовая, конструкция герметичного электропривода, в том> числе с использованием топологической электромагнитной муфты.

7. Сформулирована и решена задача расчета геометрических и теплофизических параметров и выбора режима охлаждения шунтированных сверхпроводником пористых токовводов, оптимизированных по минимуму энергетических затрат на охлаждение.

8. Разработано на уровне изобретений и патентов 28 сверхпроводниковых топологических электрических машин и токовводов, в конструкциях которых реализованы выводы и рекомендации, теории по повышению КПД, надежности и„ совершенствованию технологии,- а также требования технической эстетики.

9. Разработаны принципы проектирования сверхпроводниковых топологических электрических машин и токовводов, на основе которых выпущена рабочая документация на типовые конструкции и технологическую оснастку, для изготовления нестандартных узлов.

10. Впервые в отечественной и мировой, практике созданы работоспособные образцы сверхпроводниковых топологических электрических машин различного исполнения, используемых по штатному назначению:

В.4.5. Практическая ценность

Сформулированные и обоснованные теоретически, подтвержденные в серии, экспериментов и реализованные на этапах специальной и маршрутной технологии 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. При этом:

- разработанная аналитическая теория служит базой для создания инженерных методик расчета сверхпроводниковых топологических электрических машин, обеспечивая 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 технических жестких сверхпроводников II рода позволяют существенно повысить номинальные параметры ТПГ - 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 ТПГ открывают перспективное направление в развитии высокоиспользованных электрических машин;

- созданные многофункциональные ТПГ позволяют значительно 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 ТПГ с использованием металлооксидных керамических и пленочных высокотемпературных проводников дают возможность создавать 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.

В.4.6. Реализация результатов работы

Выполненные исследования позволили создать ТПГ и ТПК для использования их в технологических криостатах. Достигнутые максимальные токи и ЭДС ТПГ и ТПК составляют 10 кА и 80 мВ. При этом:

- создана модель бесконтактного сверхпроводникового генератора вертикального исполнения со сверхпроводниковым топологическим возбудителем;

- топологический генератор ТПГ-2 внедрен на предприятии М-5539 в системе регулирования тока в криогенных электромагнитных устройствах (Акт о внедрении от 18 ноября 1981 г.);

- результаты работ по системе возбуждения и регулирования криотурбогенератора внедрены во ВНИИэлектромаше при эскизном проектировании криотурбогенератора КТГ-1200 МВт (Акт о внедрении от 22 сентября 1982 г.);

- криотронный преобразователь типа ТПК-2 с автоматической системой управления различного схемного решения внедрен на экспериментальном стенде ЭНИН им. Г.М. Кржижановского в качестве источника питания сверхпроводящих ивных нагрузок (Акт о внедрении от 04 мая 1984 г.);

- криотронный преобразователь типа ТПК-1 с блоками питания и автоматического управления внедрен в качестве источника питания сверхпроводниковых модулей бортовых магнитных систем в лаборатории ВСНТ Ереванского политехнического института (Акт о внедрении от 22 мая 1984 г.);

- топологический генератор ТПГ-12 применен в ЛИЯФ на установке для поиска электрических дипольных моментов элементарных частиц с использованием пучков двухатоммных молекул (Акт о внедрении от 24 мая 1984 г.);

- топологический генератор ТПГ-14М (модернизированный вариант), защищенный авторским свидетельством на промышленный образец № 4577 «Машина электрическая сверхпроводящая», принят в промышленную эксплуатацию с 15.10.85 на стенде корпуса «О» ВНИИэлектромаша (Акт о внедрении от 11 мая 1985 г.); -топологический генератор ТПГ-12 внедрен на экспериментальной установке ИФТТ-БАН (Болгария) для запитки коротких образцов сверхпроводящих проводов (Акт о внедрении от 27 мая 1986 г.);

- установлены на штатных местах оптимизированные газоохлаждаемые пористые токовводы на ток до 2 кА в криотурбогенераторе КТГ-20 мощностью 20 МВА, обеспечивая всесторонние режимные испытания, в том числе с подключением криотурбогенератора КТГ-20 в систему Ленэнерго (Акт о внедрении от 02 марта 1988 г.);

- пористые газоохлаждаемые токовводы используются для испытаний в технологическом криостате сверхпроводящей обмотки криомодуля для высокоскоростного наземного транспорта и в модели сверхпроводниковой униполярной электрической машины (Акт о внедрении от 02 марта 1988 г.);

- топологический генератор ТПГ-6/1 внедрен в Криогенном центре Воронежского политехнического института (ныне: Воронежский государственный технический университет) при исследованиях сверхпроводниковых электромагнитных подвесов (Акт о внедрении от 28 апреля 1984 г.);

- конструкция топологического генератора ТПГ-18 на ток до 8 кА стала базовой для проектирования Автоматизированной системы питания, защиты и диагностики сверхпроводниковых отклоняющих магнитов каналов частиц Ускорительно-накопительного комплекса УНК-ЗТэВ в Протвино.

В.4.7. Апробация работы

Основный положения диссертации докладывались и получили одобрение на 1-й (Алушта, 1975 г.) и 2-й (Ленинград, 1983 г.) Всесоюзных конференциях по технической сверхпроводимости, 6-й Международной конференции по магнитной технологии (Братислава, 1977 г.), Конференции по прикладной сверхпроводимости (Питгсбург, 1979 г.), Межвузовской научно-технической конференции «Сверхпроводники и гиперпроводники в электрических машинах и электроэнергетике» (Москва, 1974 г.), Всесоюзной конференции «Криоэлектротехника и энергетика» (Киев, 1977 г.), заседаниях Научного Совета «Спроводимость в электротехнике» АН СССР, 6-м трехстороннем германо-русско-украинском семинаре по высокотемпературной сверхпроводимости (Дубна, 1993), Открытой научно-практической конференции «Оценка технического состояния электрооборудования энергосистем и определение перспектив надежной работы ЕЭС России» (Москва, 1999). 18-й межвузовской научно-технической конференции «Военная радиоэлектроника: опыт использования и проблемы, подготовка специалистов» 03-04 апреля 2007 г., 20-й межвузовской научно-технической конференции «Военная радиоэлектроника: опыт использования и проблемы, подготовка специалистов» 07-08 апреля 2009 г., Всероссийской научно-технической конференции «Прикладная сверхпроводимость - 2010» 23 марта 2010 г.

В.4.8. Основные научные результаты и положения, представляемые к защите:

- основанное на теории множеств описание «топологического эффекта» в низкотемпературных и высокотемпературных сверхпроводниках;

- новая концепция принципа действия топологических электрических машин и обусловленная ею возможность применения в резистивно-сверхпроводящих коммутаторах любых сверхпроводников;

- новый класс фазовых коммутаторов электрических машин;

- общая теория топологических электрических машин;

- аналитический аппарат для исследования коммутационных процессов в топологических генераторах и статических преобразователях, позволяющий оптимизировать их коммутационные параметры на основе минимизации потерь в резистивно-сверхпроводящих коммутаторах и ключах; принципы конструирования высокоиспользованных топологических электрических машин;

- созданный на базе технических жестких сверхпроводников II рода типовой ряд сверхпроводниковых топологических генераторов многофункционального использования с получением рекордных значений номинальных параметров в единичном агрегате: ток ~ 10 кА, удельная токовая нагрузка > 1 кА/кг;

- аналитический и численный методы расчета тепловых параметров и разработанный на их основе типовой ряд термодинамически оптимизированных пористых токовводов на токи в диапазоне 1-10 кА;

- разработанный бесконтактный сверхпроводниковый синхронный генератор с топологическим возбудителем;

- разработанные сверхпроводниковые топологические статические преобразователи с автоматическими системами питания и управления, реализующими полный спектр режимов коммутации - сопротивлением, напряжением и смешанный;

- комплексное решение проблемы ввода (вывода) тока в статические и вращающиеся криостаты на базе использования топологических генераторов, статических 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.

Похожие диссертационные работы по специальности «Электромеханика и электрические аппараты», 05.09.01 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Электромеханика и электрические аппараты», Антонов, Юрий Федорович

Выводы по главе 9

1. На основании разработанной теории и комплексных экспериментальных исследований впервые спроектирован и изготовлен типовой ряд ТПГ многофункционального использования.

2. Выполнено макетирование основных узлов ТПГ и их экспериментальное исследование. Разработана новая технология изготовления узлов ТПГ, в которой используются сверхпроводниковые материалы промышленного назначения.

3. Достигнуты рекордные для данного типа электрических машин параметры:

- в крупногабаритных ТПГ, предназначенных для полного режимного питания сверхпроводниковых нагрузок с запасенной электромагнитной энергией свыше 1 МДж, в частности, отклоняющих магнитов каналов частиц Ускорительно-накопительного комплекса УНК-ЗТэВ, ЭДС - 80 мВ, ток нагрузки - 6,8 кА;

- в малогабаритных ТПГ, предназначенных для питания сверхпроводниковых нагрузок с запасенной электромагнитной энергией до 1МДж, ЭДС - 4 мВ, ток нагрузки - 8,2 кА.

4. Впервые разработан и прошел испытания герметичный высокомоментный термодинамически оптимизированный привод ТПГ на базе использования серийных электродвигателей.

ГЛАВА 10

СОЗДАНИЕ БЕСЩЕТОЧНОЙ СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН С ТОПОЛОГИЧЕСКИМ ВОЗБУДИТЕЛЕМ

Постановка задачи

С возрастанием единичной мощности синхронных генераторов имеет место все более высокое использование активных материалов, что приводит к росту мощности возбудительных систем, опережающему рост мощности синхронных генераторов (рис. 10.1) [69]. Это сопровождается увеличением тока возбуждения, который для турбогенераторов традиционного исполнения мощностью 1200 МВт составляет около 8 кА, а для генераторов мощностью 2000 МВт превысит 10 кА. Возбудительная система должна обеспечить удвоенные напряжения и ток в режиме форсирования в течение 10-20 с. В результате максимальная мощность возбудительной системы в три-четыре раза будет превышать номинальную мощность возбуждения турбогенератора. Опыт показывает, что щеточно-контактный аппарат может удовлетворительно работать до токов 5-6 кА. С дальнейшим ростом тока возбуждения целесообразно отказаться от щеточно-контактного аппарата и перейти на ' бесщеточные возбудительные системы. Для синхронной машины со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения мощность возбудительной системы должна быть примерно такой же, как и у турбогенераторов традиционного исполнения. Поэтому задача подвода тока к сверхпроводниковой обмотке возбуждения подобных машин мало отличается от вышеупомянутой. Достигнутые в действующих образцах ТПГ (глава 9) высокие параметры по току, в совокупности с их главным достоинством - образовывать замкнутую сверхпроводящую цепь с нагрузкой, позволяют создавать эффективные системы возбуждения сверхпроводниковых электрических машин и в первую очередь топологических возбудителей сверхпроводниковых синхронных генераторов. Исследования в данной области, проводимые в США и Японии, ограничиваются разработкой сверхпроводниковых синхронных генераторов со статическим топологическим возбудителем [376, 378, 481,488-493, 497-508].

Задача данной главы - показать техническую возможность создания бесщеточной системы возбуждения на базе разнотипных топологических возбудителей, встроенных в ротор сверхпроводникового синхронного генератора.

10.1. Требования к системам возбуждения сверхпроводниковых! синхронных машин

Согласно ГОСТу 21 558-76 на «Системы возбуждения турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов», а также ГОСТу 183-74 на «Машины электрические вращающиеся» к системам возбуждения синхронных машин предъявляются следующие требования:

1) номинальная скорость нарастания напряжения возбуждения при заданном снижении напряжения на входе АРВ и при внезапных коротких замыканиях в сети должна быть не менее 2 о.е./с. •

2) регулировать возбуждение не менее чем в пределах от 50% напряжения возбуждения х.х до 110% номинального напряжения возбуждения при работе синхронного генератора на сеть в режиме х.х;

3) обеспечивать скорость изменения напряжения на выводах синхронной машины не более 1% и не менее 0,3% номинального напряжения за 1 с при работе синхронной машины на холостом ходу.

Изложение требований к системам возбуждения сверхпроводниковых синхронных генераторов и оценку параметров сверхпроводникового топологического возбудителя выполним на примере двухполюсного синхронного генератора мощностью 2000 МВт.

Начиная с этой мощности сверхпроводниковые синхронные генераторы становятся конкурентоспособными в сравнении с синхронными генераторами традиционного исполнения.

В соответствии с первым из перечисленных выше требований для обеспечения режима форсирования потребуется возбудитель с максимальной мощностью 50 МВт. Принимая допустимый по условиям отвода уровень потерь в зоне криогенных температур ~10 кВт в течение 10-20 с, получим, что сверхпроводниковый возбудитель должен иметь КПД не ниже 99,98%. Сверхпроводниковые обмоточные материалы, которые в настоящее время используются для изготовления РСК, имеют сравнительно низкое удельное электрическое сопротивление Ро в нормальном состоянии при температуре жидкого гелия. Например, для таких, широко применяемых на практике материалов, как № и РЬ8Ь р0 = 0,8-10"8 Ом-м и 0,35-10"8 Ом-м соответственно [155, 215, 217]. Указанное значение КПД достигается при использовании сверхпроводниковых обмоточных материалов с ро >10"6 Ом м. В этом отношении перспективны микродисперсные сверхпроводниковые материалы с высокой дебаевской температурой и диэлектрической проницаемостью [7, 54], у которых ро = 10"3-10'4 Ом-м. Вместе с тем стабильная работа сверхпроводниковой обмотки возбуждения, без перехода ее в нормальное состояние, в режиме форсирования зависит от свойств идущих на ее изготовление сверхпроводниковых обмоточных материалов. К таким сверхпроводниковым материалам, чье производство освоено промышленностью, относятся комбинированные многоволоконные провода с малым шагом скрутки. Таким образом, параметры сверхпроводниковых обмоточных материалов, идущих на изготовление как обмоток возбуждения синхронных машин, так и РСК топологических возбудителей, делают разработку сверхпроводникового топологического возбудителя, обеспечивающего динамическую устойчивость сверхпроводникового синхронного генератора мощностью 2 млн. кВт и выше, проблематичной. В этой связи средства обеспечения динамической устойчивости сверхпроводникового синхронного генератора должны изыскиваться в методах внешнего воздействия.

Два других требования к системе возбуждения касаются обеспечения продолжительного номинального режима работы синхронного генератора в энергосистеме. Последнее из них определяет в рассматриваемом режиме максимальную мощность сверхпроводникового топологического возбудителя. Для сверхпроводникового синхронного генератора мощностью 2 млн. кВт она составляет 0,5 МВт. Приняв, как и ранее, 10 кВт за допустимый уровень отводимых потерь, получим нижнюю границу КПД сверхпроводникового топологического возбудителя г}мшр- 0,98. Такой КПД можно обеспечить при использовании сверхпроводниковых обмоточных материалов с ро> 10"6 Ом-м. Отметим, что выпускаемые на базе ниобий-титановых сплавов обмоточные материалы имеютро— (0,26; 0,49)10"6 Ом-м [50].

10.2. Расчет параметров и характеристик топологического возбудителя

Для выполнения расчета, прежде всего, необходимо знать величину электромагнитной энергии IVн, запасаемой в сверхпроводниковой обмотке возбуждения синхронного генератора. С это целью воспользуемся [51] соотношением, связывающим в симметричном установившемся режиме мощность синхронного генератора с запасенной в его обмотке возбуждения электромагнитной энергией Жн". а + 1)2+(От+вь)2 2 к2Отсо а=Яс/Я; От=(Зм>Ьа)2Я; (2ь=м>Ь/11; к-М/(ЬаЬн)1и - коэффициент связи между обмотками статора и ротора; Яа - активное сопротивление фазы обмотки статора; Я - активное сопротивление нагрузки на фазу; Ьа - самоиндуктивность обмотки статора на фазу; - самоиндуктивность обмотки возбуждения; Ь - самоиндуктивность нагрузки на фазу; М- взаимная индуктивность между обмотками статора и ротора; м> - угловая частота. Примем Qm= 1, Яа = 0 и, следовательно, а = 0. Тогда максимальная мощность синхронного генератора, достигаемая при коэффициенте мощности со$(р = . * = 1 откуда Оь = 0), оказывается линейно зависимой от запасенной энергии

1ГН (Ю.2) к

В синхронном генераторе со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения может иметь место режим, связанный с постоянством потокосцепления обмотки возбуждения и сравнительно легко обеспечиваемый с помощью топологического возбудителя. Запасенная в обмотке возбуждения энергия в этом режиме определяется как [51]

ЮЛ)

•'Л!

1/2

Ш - Р Н &иакс

Ъ/ДМг4 4-1 ~1г2 Г

10.3)

1 1 + (3/2 )к2 +

2 1 + (1/2)&2 +^/(9/4)£4 + \ — к2 7і - к2 д/(3/2)к2 + [(9 / 4)кА +1 -к2\'1

При коэффициенте связи к = 0,5 и максимальной мощности Ре„аКс= 2000 МВт запасенная в сверхпроводниковой обмотке возбуждения энергия для случая симметричного установившегося режима составляет Жн - 25 МДж мощность синхронного генератора уменьшится примерно в два раза по сравнению с ее максимальным значением. Если коэффициент запаса по току в сверхпроводниковой обмотке возбуждения принят равным 1,4 (относительно номинального значения), то нет возможности увеличить мощность синхронного генератора при наличии постоянства потокосцепления.

Таким образом, в качестве исходных данных для расчета параметров и характеристик возбудителя можно принять следующие величины: Ьн = 0,5 Гн; номинальный ток возбуждения синхронного генератора (он же - ток нагрузки для возбудителя) /„ = 19 кА; мощность возбудителя = 0,5 МВт; КПД возбудителя - 0,98. В качестве возбудителя выбираем обращенную конструкцию статического топологического генератора со стационарной трехфазной индукторной обмоткой и двумя сверхпроводниковыми катушками подмагничивания на постоянном токе. Экспериментальная модель возбудителя описана в разделе 10.4. На рис. 10.2 приведены основные рабочие характеристики, вычисленные по формулам (2.24, 2.28, 2.29, 2.36, 2.37).

Номинальный ток возбуждения /у = 19 кА с помощью топологического возбудителя достигается за 100 с. Анализ графиков на рис. 10.2 показывает, что коммутационные потери Р„* неприемлемы по условиям криогенного обеспечения. Согласно (2.31, 2.32) они могут быть снижены, по крайней мере, на два порядка за счет обеспечения режима коммутации напряжением [54, 155]. Параметры сверхпроводникового синхронного генератора и топологического возбудителя сведены в табл. 10.1. 10.3 Сверхпроводниковый синхронный генератор со статическим топологическим возбудителем

Нарис. 10.3 дан схематический чертеж сверхпроводникового синхронного генератора мощностью 2000 МВт с бесщеточной системой возбуждения, выполненной на базе статического топологического генератора [123, 137]. Названия и назначение основных узлов сверхпроводникового синхронного компенсатора приведено в подписях к рисунку. юо-о, (10)

0 2 4 6 8 І0 1кА

Рис. 10.2. Зависимости от токавозбуждения синхронного генератора (тока нагрузки топологического возбудителя) напряжения иу, полезной мощности Ру, коммутационных потерь р*, к.п.д. ^ (без учета потерь на вихревые токи) топологического возбудителя, а также зависимость тока /у от числа V циклов работы возбудителя

Статор и ротор синхронной машины выполнены в соответствии с установившейся практикой конструирования электрических машин данного типа. Установка сверхпроводникового топологического возбудителя на валу ротора синхронного генератора влечет за собой изменение конструкции концевой части ротора, узла подачи жидкого гелия 10 и стационарного диэлектрического экрана 11. Топологический возбудитель имеет набранный из листовой электротехшгческой стали сердечник 4, РСК 3, две сверхпроводниковые обмотки подмагничивания б. Сверхпроводниковая обмотка возбуждения синхронного генератора 1 составляет со сверхпроводниковой якорной обмоткой и РСК 3 топологического возбудителя замкнутую сверхпроводящую цепь. Таким образом, топологический возбудитель автоматически обеспечивает режим «замороженного тока» сверхпроводниковой обмотки возбуждения генератора 1. Вокруг выступающей части стационарного диэлектрического экрана 11 размещается стационарная многофазная индукторная обмотка 16.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Антонов, Юрий Федорович, 2010 год

1. Абрамов Г.И., Петровский Ю.В., Ройзен Л.И. Гидравлический расчет охлаждаемых токовводов сверхпроводящих электротехнических устройств// Электротехника. —1978. —N2. —С. 15—17.

2. Абрамов Г. И., Ройзен Л.И., Петровский Ю.В. и др. Расчет охлаждаемых медных токовводов для криогенных электротехнических устройств// Электротехника. — 1974. — N 4. — С. 44.

3. Афанасьев С.А., Бурыгин В.Ю., Евдокимов A.A. и др. Исследование условий и разработка метода формирования крупногабаритных изделий из ВТСП-керамики// Высокотемпературная сверхпроводимость.—1989. Вып. 1. — С. 108— 110.

4. Александров Л., Жидков Е.П., Зиновьева Л.И. Определение параметров магнитной системы для создания однородного поля с помощью ЭВМ// Препринт ОИЯИ, Р9-758059. —1974. — 20 с.

5. Анашкин С.П., Курносова Л.В., Разоренов Л.В. и др. Съемный токоввод для подачи питания в сверхпроводящие магнитные системы// Приборы и техника эксперимента. — 1971. — N 4. — С. 233—234.

6. Антонов Ю.Ф., Казовский Е.Я. Теория статических сверхпроводящих преобразователей топологического типа// Электротехника. — 1982. — N 9. — С. 33—36.426427428429430431432433434435436437438439440441442443444445446447448449450451452453

7. Антонов Ю.Ф. Тепловая оптимизация механической передачи привода топологического) генератора// Проблема создания и эксплуатации новых типов электроэнергетического оборудования. Вып. 2. СПб.: НИИэлектромаш. — 1998. — С. 227-234.

8. Антонов Ю.Ф., Казовский Е.Я. Энергетические показатели сверхпроводящих преобразователей топологического типа// Электротехника. — 1982. — N 11. — С. 29—32.

9. Антонов Ю.Ф., Коськин Ю.П., Микуцкий A.C. О математической модели сверхпроводящего выпрямителя// Изв. ВУЗов. Электромеханика. — 1981. — N 5. — С. 573—679.

10. Антонов Ю.Ф., Максимова К.П. Расчет термодинамически оптимизированных токовводов к криогенным электротехническим устройствам// Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. — 1977. —N 1. — С. 60—66.

11. Антонов Ю.Ф., Микуцкий A.C. Внешние характеристики криотронного преобразователя// Сверхпроводниковые электрические машины. JL: ВНИИэлектромаш. — 1983. — С. 136—143.

12. Антонов Ю.Ф., Рыжиков М.А., Шахтарин В.Н. Влияние намагничивания сверхпроводящей нагрузки на характеристики топологического генератора// Электрические машины. Сверхпроводниковые генераторы. JL: ВНИИэлектромаш. —1979.—С. 174—185.

13. Антонов Ю.Ф. Токовводы// Информ. лист, о научн.-техн. достиж. № 89-63. JL: ЛМТЦ научн.-техн. информ. и проп. — 1989. — 3 с.

14. Антонов Ю.Ф. Сверхпроводниковый топологический генератор// Информ. лист, о научн.-техн. достиж. № 89-54. Л.: ЛМТЦ научн.-техн. информ. и проп. — 1989.—4 с.

15. Сладков Г.В., Шахтарин В.Н. — 1983.429 31. A.c. 1072739 (СССР). Бесконтактная сверхпроводящая синхронная машина /

16. Антонов Ю.Ф., Рыжиков М. А. — 1983431 32. A.c. 1075903 (СССР). Сверхпроводящий преобразователь переменного тока в432 постоянный / Антонов Ю.Ф., Рыжиков М.А. — 1983.433 33. A.c. 1083869 (СССР). Сверхпроводящий криотронный преобразователь /

17. Антонов Ю.Ф., Микуцкий A.C., Шишмарева Л.В., Фадеев В.Д.435 34. A.c. 1091821 (СССР). Сверхпроводящая электрическая машина постоянного436 тока / Антонов Ю.Ф., Доманская Е.Ю.437 35. A.c. 1105085 (СССР). Сверхпроводящее устройство / Антонов Ю.Ф.,

18. A.c. 1321325 (СССР). Сверхпроводящая электрическая машина топологического типа. / Антонов Ю.Ф., Осипян A.B., Шахтарин В.Н. — Опубл. 18.03.85.

19. A.c. 2048093 (СССР). Сверхпроводящая электрическая машина постоянного тока / Антонов Ю.Ф., Сладков Г.В., Шахтарин В.Н.

20. Бабенко Б.А. Расчет токоввода с пористой вставкой па холодном конце// Тепло- и массообмен в системах с пористыми элементами. Минск: ИТМО АН СССР. — 1981. — С. 160—171.

21. Беляков B.IL, Горбачев С .IL, Матющенков В. К. Газоохлаждаемые токовводы криоэнергетических установок// Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. — 1982. — N 3. — С. 106—113.

22. Берна Т.П., Блэр Л.Г., Гамильтон В.О. Автоматизированный источник подкачки потока для питания сильноточных сверхпроводящих нагрузок// Приборы для научных исследований. —1975. — Т. 46. —N5. —С. 84—89.

23. Бернард С.П., Атертон Д.Л. Анализ работы источников подкачки потока вентильного типа// Приборы для научных исследований. —1977. — Т. 48. — N 10. — С. 3—8.

24. Бернард С.П., Атертон Д.Л. Высокоэффективный источник подкачки потока с индуктивной передачей тока// Приборы для научных исследований. — 1977. — Т. 48.—N 10, —С. 8—11.

25. Блинков В.Л., Головченко В.А., Максимов Б.И. и др. Токоввод сверхпроводящего кабеля, охлаждаемого газообразным гелием// 1 Всесоюзная науч.-техн. конф. по криогенной технике. М. — 1973.

26. Блинков Б.Л., Голенченко В.А., Максимов В.И. и др. Токовводы криогенных устройств// Сверхпроводники и гиперпроводники в электрических машинах и электроэнергетике: Тез. докл. Межвузовской науч.-техн. конф., М., МАИ, 1974. М.: МАИ. —1974. —С. 48.

27. ВНИИэлектромаш. — 1979. — С. 3—14.445 70. Глебов И. А., Шахтарин В.Н., Антонов Ю.Ф. Экспериментальные446 исследования и перспективы использования топологических генераторов.//

28. Приборы и техника эксперимента. — 1982. — N 1. — С. 245—246.428 74. Горбачев С. П., Шифельбайн А. Г. Оптимизация токовводов в429 сверхпроводящие устройства по принципу минимума' энергозатрат//

29. Сверхпроводники и гиперпроводники; в электрических машинах и электротехнике:

30. Атомиздат. — 1977. — С. 41—57.439 77. Глухих В.А., Костенко А.И., Моносзон H.A. и др. Разработка и исследование440 сильноточной сверхпроводящей коммутационной аппаратуры// Доклады

31. СССР, №15. М.: Наука. — 1973. — С. 33—38.446 89: Егоров С.А;, Корецкий А.Ю1, Костенко А.И. и др. Токовводы на 10 к А для447 сверхпроводящих магнитных систем// Электрофизическая аппаратура. Вып. 20. М;:

32. Пат. 1142664 (Англия). Superconducting devices / United States Atomic Energy Commission. — Опубл. 3.05.67.

33. Пат. 1193262 (Англия). A method and apparatus for generating a current in a superconducting circuit / McFarlane J.D. — Опубл. 28.05.70.

34. Пат. 1225788 (Англия). Improvements in or relating to cryotron stores / A.G. Siemens. — Опубл. 24.03.71.

35. Пат. 1513153 (Англия). Improvements in or relating to superconducting power supplies / M.N. Wilson. — Опубл. 7.06.78.

36. Пат. 2666884 (США). Rectifier and converter using superconduction / E.A. Ericsson, A. O. Jorgensen, S.L. Overby. — Опубл. 19.01.54.

37. Пат. 3150291 (США). Incremental electrical method and apparatus for energizing high current superconductive electromagnets / Laquer H. L. — Опубл. 22.06.64.

38. Пат. 3233155 (CUIA). Superconductive means for obtaining high magnetic fields / D.L. Atherton. — Опубл. 1.02.66.

39. Пат. 3238514 (США). Displacement of persistent currents by means of radiant energy / J.F. Marchand. — Опубл. 1.03.66.

40. Пат. 3244943 (США). Continuous magnetic-flux pump / A.F. Hildebrandt, D.D. Elleman, F.C. Whitmore. — Опубл. 5.04.66.

41. Пат. 3262024 (США). Superconductive device / P.S. Swarts. — Опубл. 19.07.66.

42. Пат. 3262025 (США). Magnetic-flux pump / A.F. Hildebrandt, D.D. Elleman, F.C. Whitmore. — Опубл. 19.07.66.

43. Пат. 3271628 (США). Superconductive circuit arrangements / A.C. Prior. — Опубл. 6.09.66.

44. Пат. 3277322 (США). Method and apparatus for magnetic-flux accumulation and current generation / T.G. Berlincourt. — Опубл. 4.10.66.

45. Пат. 3286014 (США). Cryostatwith cooling means / J.E.G. Williams.— Опубл. 15.11.66.

46. Пат. 3292021 (США). Superconductive device / E.D. Hoag. — Опубл. 13.12.66.

47. Carrol, E.F. Hamnici: — Опубл. 3.12.68.448. 171. Пат. 3435128 (США). Replaceable vacuum-tight current feedthroughs / R.

48. Ankerwicklung / E. Grunwald, W. Kafka. — Опубл. 4.5.72.444 2 1 0. Пат. 2163270 (ФРГ). Stromzutlihrung fur elektrische Einrichtungen mit auf

49. Tieftemperatur gekühlten Leitern / F. Schmidt, P. Massek. — Опубл 10.01.74.446 211. Пат. 2440902 (ФРГ). Kryotron / E. Feldtkeller. — Опубл. 8.04.76.447 212. Пат. 3027340 (ФРГ). Kontaktlose supraleitende Synchronmaschine / Ju.F.

50. Низкотемпературные тепловые трубы и пористые теплообменники. Минск: ИТМО

51. АНБССР:— 1977. —С. 141-148, . .436 232. Сенин .В. В. Элементы расчета и конструирования пористых токовводов//

52. И: Н. Чиженко. Киев: Техника.—1978. -у 147 с. .453 238. Теория теплообмена; Терминология. Вып.83; М.: Наука. -—1971.426427428429430431432433434435436437438439440441442443444445446447448449450451452453454455

53. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ОБС.466.056ТО. Автоматы гашения поля АГПЗО. Энергомашэкспорт, СССР, Москва. Автоматы гашения поля АГП12, АГПЗО, АГП60. М.: Информэлектро. —1976.

54. Тихонов А.Н. О решении некорректно поставленных задач и методе регуляризации// ДАН АН СССР. — 1963. — Т. 151. — N 3. — С. 501-504.

55. Тихонов А.Н. О регуляризации некорректно поставленных задач// ДАН АН СССР. —1963.— Т. 153. —N 1. —С. 49-52.

56. Улыбин С.А., Макарушкин В.И. Вязкость и теплопроводность гелия при температурах 2.5—500 К и давлениях 0.01—30 МПа// Обзоры по теплофизическим свойствам веществ. М.: ИВТАН. — 1982. — N 3 (29). — С. 128.

57. Хожаинов А.И., Никитин В.В. Электромагнитная совместимость сверхпроводниковых и традиционных электрических, машин// Электричество. — 2003. — N 5. — С. 36—42.

58. Черноплеков Н.А. Атомная энергетика и сверхпроводимость// VII Александровские чтения, 13 февраля 2001 г., М. — РНЦ «КИ». — 2002. — С. 3— 43.

59. Ширшов Л.С., Эндердейн Г. Устройство со сверхпроводящим трансформатором для изучения сильноточных сверхпроводников// Приборы и техника эксперимента. — 1982. — N 2". — С. 160—163.

60. Шифельбайн А.Г., Горбачев С.П. Термодинамическая оптимизация газоохлаждаемых токовводов с регулируемым расходом хладагента// Криогенная техника. Процессы в установках и системах. Тр. НПО «Криогенмаш», вып. 17. М.: Машиностроение. — 1975. — с. 159—171.

61. Шифельбайн А.Г., Горбачев С.П., Матющенков В.К. Особенности составных токовводов. — Тр. конф. по техническому использованию сверхпроводимости (Алушта, 1975). М.: Атомиздат. —1977. — Т. 5. — С. 65—68.

62. Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводников — М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы. — 1982. — 240 с.

63. Шмиц Н., Новотный Д. Введение в электромеханику. М.: Энергия. — 1969. — 336 с.426427428429430431432433434435436437438439440441442443444445446447448449450451452453454455

64. Юдаков Ю.В., Середа Г.К. Сверхпроводящие разрыватели в цепях питания и защиты магнитов// Высокоскоростной наземный транспорт. Новочеркасск: Новочеркасский политехи ин-т. — 1979. — С. 69—76.

65. Янтовский ЛИ., Мирошниченко А.Г., Берзин Е.К. Электродинамические переходные процессы в сверхпроводниковой магнитной системе при гашении поля// Изв. ВУЗов. Электромеханика. — 1982. — N 11. — С. 1302—1306.

66. A small size superconducting dynamo powered by ac current /B.S. Blaisse, O. Kickert, G.J.C. Bots et al. — Phys. Lett. — 1965. — V. 14. — N 1. — P. 5.

67. A thermally switched flux pump /G.J. Homer, P J. Houzego, G.A. Scott et al. — IEEE Transactions on Magnetics. — 1975. — V. MAG-11. — N 2. — P. 576—579.

68. A thermally switched 9 kA superconducting rectifier flux pump /Теп H.H.T, Kate, P.B. Bunk, H.A. Stelfens et al. — IEEE Transactions on Magnetics. — 1981. — V. MAG-17. — N 5. — P. 2067—2070.

69. A 25000 gauss, 175 amperes Nb— 2.5 % Zr wire magnet fed by a flux pump /Van H. Beelen, AJ.P.T. Arnold, H.A. Sypkens et al. — Phys. Lett. — 1963. — V. 7. — N 3.1. P. 175—176.

70. Acoustic emission from superconducting magnets /Н. Nomura, K. Takahisa, K. Koyamaetal. —Cryogenics. — 1977. —V. 17.—N 1. —P. 471—481.

71. Agsten R. Thermodynamic optimization of current leads into low-temperature regions// Cryogenics. — 1973. —V. 13. —N 3. — P. 141—146.

72. Aharonian G., Human L.C., Roberts L. Behaviour of power leads for superconducting magnets// — Cryogenics. — 1981. — V. 21. —N 3. — P. 145-151.

73. Ameen D.L., Wiederhold P.R. Fast-acting superconducting switches// The Review of Scientific Instruments. — 1964. — V. 35. — P. 733—737.

74. Ammeter for the non-destructive measurement of high currents in superconductors /D.G. Blair, W.0. Hamilton, B.C. Hymel et al. — Cryogenics. — 1975. — V. 15. — N 3.1. P. 119—120.

75. Cryogenics. — 1975. — V. 15. — P. 283—284.439 280. Brandt B.L., Parks R.D. Flux nonflow in the "flux-flow" regime in bulk tin//

76. Physical Review Letters. 1967. — V. 19. — N 4. — P. 163—165.441 281. Britton R. B. Flux pumps for use at 60 Hz// IEEE Transactions on Nuclear

77. Science. —1971.—V. 18.—N 13. —P. 681.443 282. Buck D.A. The Cryotron — a superconductive computer component// Proceedings

78. N connections at cryogenic temperatures// Cryogenics. — 1968. — V. 8. — N 5. — P. 428; 314—316. , ' '429 2 881 Carroll K. J. Behavior of a flux pump using an automatic superconducting switch//

79. Giyogenics. — 1973;:—V. 13V — N 6; — P. 353—360.431 289.' Chen Li-Ting. Vapour-cooling of input leads lor cryogenic apparatus// Letters in

80. Magnetics. — 1983. — V. MAG-19—N3. — P. 867—871.447 2 96. Control system for a superconducting rectifiër using a microcomputer /Ten H.H.J.

81. Kate, D.A. Kamphuis, M. Cospary et all — IEEE Transactions on Magnetics. — 1981.

82. Proceedings of the Ninth International cryogenic engineering conference (Kobe, Japan,430 1 982). Butterworth, Guildford UK. — 1982. — P. 753—756.431 301. Development of High-Temperature Superconducting Alternators, Combining

83. Engineering. — April 1964. — P. 40—41.448 308. Experimental study of gas cooled current leads for superconducting devices /V.P.

84. Belyakov, S.P. Gorbachev, V.K. Matyushenkov, et al. — In: Proceedings of the Fifth

85. Stromgleichrichtern: Diss. N 4898. Zurich. — 1973.429 311. Fasel R., Olsen J. L. A superconducting bridge rectifier. — Bulletin de l'Institiit

86. Sypkens et al. — Physics. — 1965. — V. 31. — P. 413—443.444 317. Flux pump excited brushless alternator /A.M. Ferendeci, O.K. Mawardi, M.J.

87. MAG-13. — N 1. — P. 784—787.447 3 28. Gray K.E., Lenihan T., Tarezon J. Thin film superconducting switches// IEEE

88. Bunck, RIB. Britton et al. — Cryogenics — 1981. — V. 21. — N 5i — P. 291—296.438 336. Hilal M. A. Optimization of current leads for superconducting systems// IEEE

89. Igarachi Y., Fujino Y. Interdiffusion and morphology variation of thin Y-Ba-Cu-0 films deposited on MgO substrates during annealing// Journal of Applied Physics. -1991. -V. 70. -N 12. -P. 7500-7503

90. Inai H. Temperature distribution along a gas cooled cryogenic lead wire// Cryogenics. — 1969. — V. 9. — N 2. — P. 115—118.

91. Iwakuma M., Funaki K., Kanetaka H. etc. Quench analysis in a 72 kVA superconducting four winding power transformer// Cryogenics. 1989. - V.29. - N.l. -P. 1055-1061.

92. Kafka W. Sine supraleitende Gleichstrommaschine. — Elektrotechnische Zeitschrift, A. — 1973. — Bd. 94. — H. 3. — S. 153—157.

93. Katheder H., Schappals L. Design and test of a 10 kA gas cooled current lead for superconducting magnets// IEEE Transactions on Magnetics. — 1981. — V. MAG-17.1. N5. —P. 2071—2074.

94. Keilin V.E. Possible energy saving by compensating heat input to liquid helium through current leads and thermal bridges// Cryogenics. — 1975. — V. 15. — N 4. — P. 208—210.

95. Keilin V. E., Kovalev I.A. Electrical leads for up to 10 kA for'superconducting magnet system// Cryogenics. —1975. — V. 15. —N 10. — P. 610—611.

96. Keilin V.E., Klimenko E.Y. Investigation into high current leads »in liquid helium applications// Cryogenics. — 1966. — V. 6. — N 4. — P. 222—228.

97. Killic K., Killic A., Yetis H., Cetin O. Transport relaxation phenomena in superconducting YiBa2Cu3075// Journal of Applied Physics. — 2004. — V.95. — N.4.1. P. 1924—1931.

98. Kirschner I., Mätrai J., Szetgyörgyi G. etc. Construction and parameters of the first high Tc superconducting ceramic magnets for small fields// Cryogenics. 1989. - V.29. -N.2.-P. 83-86.

99. Superconductivity /Ed. R.D. Parks. N. Y.: Marcel Redder. — 1969. — V. 2. — P.439 1295—1315.440 3 84. Newhouse V.L. On minimizing flux pump heat dissipation// IEEE Transactions on

100. Instruments.— 1958. —V. 29.—N6. —P. 537—538.426427428429430431432433434435436437438439440441442443444445446447448449450451452453454455

101. Parks R.D., Zumsteg F.C., Mochel J.H. Heat flow in superconductor in the vortex state// Physical Review Letters. — 1967. — V. 18. — N 2. — P. 47-49.

102. Perl J. Direct evidence of steady EMF induced by flux motion in superconductors// Physical Review Letters. — 1966. — V. 16. —N 3. — P. 99—100.

103. Pippard A.B. Continuous refrigeration of current leads// Cryogenics. — 1965. — V. 5.—N2. —P. 81—84.

104. Protection device for superconducting magnets with a superconducting switch /D. Kabat, R. Luedemann, H. Mencke et al. — Cryogenics. — 1979. — V.19. — N 7. — P. 382—384.

105. Quinn D.J., Ittner W.B. Resistens in superconductor// Journal of Applied Physics. — 1962. — V. 33. — N 2. — P.748 —749.

106. Ramshaw R.S., Dick E.P., Wright R.L. Superconductive energy transfer// Engineering Journal. — 1971. — N 4. — P. 14—20.

107. Randall R. N., Larson W., Wong J. Design and manufacture of the superconductor for the MHD magnet for the University of Tennessee Space Institute// IEEE Transactions on Magnetics. — 1983. — V. MAG-19. — N 3. — P. 370—373.

108. Rauch M. Optimum dimensions of current-carrying leads to cryogenic apparatus// Proceedings of the Third international cryogenic engineering conference (Berlin, 1970). Berlin: IPG Science and Technology Press. — 1970. — P. 182—186.

109. Robertson R. W., Irey R.K. Direct energy conversion utilizing a superconducting flux pump// Proceedings of the Fourth International cryogenic engineering conference. —1972. —P. 236—238.

110. Rose-tnnes A.G. A superconducting magnetic flux compressor// Cryogenics. —1973,—V. 13.—N2.—P. 103—105.

111. Rosner C.H. Progress in the application of electrically switched flux pumps// IEEE Transactions on Magnetics. — 1968. — V. MAG-4. — N 3. — P. 493.

112. Sarma N.V. Direct evidence for the laminar and flux line models of mixed state in type II superconductors// Physics Letters. — 1967. — V. 25A. — N 4. — P. 315—316.

113. Sass A.R. Analysis of a distributed superconductive energy converter// IEEE

114. Transactions of Aerospace. — 1964. — V. 2. — N 2. — P. 822—825.

115. Schmieder R.W. Superconducting switches using radiation induced quenching// IEEE Transactions on Magnetics. — 1975. — V. MAG-11. — N 2. — P. 590—593.

116. Scott J.P. Current leads for use in liquid-helium cryostats// Proceedings of the Third international cryogenic engineering conference. Berlin: IFS Science and Technology Press. — 1970. — T. 176—181.

117. Sherrill M D. Fluxon size in thin films// Physics Letters. — 1967. — V. 24A. — N 6. —P. 312—313.

118. Siegwarth J.D., Sullivan D.B. A mechanical superconducting switch for low temperature instrumentation// The Review of Scientific Instruments. —• 1972. — V. 43. — N1. —P. 153, 154.

119. Smith F.F. Protection of superconducting coils// The Review or Scientific Instruments. — 1963. — V. 34. —N 4. — P. 368—373.

120. Smith J.L., .Tr. Overview of the development of superconducting synchronous generators// IEEE Transactions on Magnetics. — 1983. — V. MAG-19. — N 3. — P. 522—528.

121. Sobol H., McNichol I. Evaporation of helium I due to current-carrying leads// The Review of Scientific Instruments. — 1962. — V. 33. — N 4. — P. 473— 477.

122. Sole J. Application* des superconducteurs a l'accumulation et â la liberation de l'énergie électrique// Entropie. — 1971. — V. 39. —N 21. — P. 21—29.

123. Status report of the three phase 25 kA, 1.5 kW thermally switched superconducting rectifiers /H.H.J. Kate, A.H.M. Holtslag, J. Knoben et al. — IEEE Transactions on Magnetics. — 1982. — V. MAG-19. —N 3. — P. 1059—1062.

124. Superconducting flux pumps /D.D. Elleman, A.F. Hildebrandt, R. Simpkins et al.

125. Bullet. Amer. Phys. Soc. — 1982. — Ser. 2. — V. 7. — N 3. — P. 309.

126. Suenaga M., Li Q., Ye Z. Thickness dependence of ac losses in circular disks of YBa2Cu307 films in perpendicular magnetic fields// Journal of Applied Physics. — 2004.1. V. 95.—N 1. — P. 208—213.

127. Superconducting devices/ Ed. By Ruggiero Steven T., Rudman David A. Boston etc.: Acad. Press, cop. 1990. —XIII. — 396 p.

128. Thomas R.K., Purcell T.R., Boom R.W. High-current power leads for TOKAMAK fusion reactor superconducting magnets. — In: Advances in cryogenic engineering. N.Y., London: Plenum Press. — 1978. — V. 23. — P. 219—225.

129. Thullen P., Stecher R., Bejan Y.A. Flow instabilities in gas-cooled cryogenic current leads// IEEE Transactions on Magnetics. — 1975. — V. MAG-11. — N 2. — P. 573—575.

130. Ten Kate H.H.J., Kamphuis D.A., Caspari M., van Klundert L.T.M. and Houkes Z. Control system for a superconducting rectifiers using a microcomputer// IEEE Trans, on Magnetics. — 1981.—V.MAG-17.—N 5.—P. 2063-2066.

131. Testardi L.R. Destruction of superconductivity by laser light// Phys. Rev., B. — 1971. —V. 4.— N7. — P. 2189—2196.

132. Träuble H., Essmann U. Die Beobachtung magnetischer Strukturen von Supraleitern zweiter Art// Physica Status Solidi. -1967. -V. 20. -P: 95-111.

133. Magnetics. — 1968; — V. MAG-4. — N 4. — P: 493; .440 457. Wipf S.L. Flux pumps as power supplies for superconducting coils// Proceedings441 of the International symposium on; magnet technology (Stanford^ September 8—10).

134. Laboratory Report, 50155 (C-55), s. 1.—April 1969. — P. 632-707.447 459. Wipf S.L. The efficiency of flux pumps// Proceedings of the First international448 cryogenic engineering conference. (Tokyo, Kyoto, April 9-—13,. 1967). London:

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.