Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка принципов построения и методики проектирования систем комбинированных магнитных подвесов кинетических накопителей энергии энергосберегающих систем распределения и использования энергии на основе высокотемпературных сверхпроводящих магнитных подшипников и пассивных магнитных опор

Докладчик: Курбатов Павел Александрович

Должность: Заведующий кафедрой электрических и электронных аппаратов, ст.н.с, д.т.н.

Цель проекта:
Проблема, на решении которой направлен реализуемый проект, состоит в отсутствии методов моделирования магнитных систем с объемными ВТСП элементами, что сдерживает создание энергоэффективных типов промышленного оборудования. С целью ускорения внедрения в промышленности новых более эффективных конструкций кинетических накопителей энергии в настоящей работе выполняется обоснование принципов построения и создаются методики проектирования комбинированных магнитных подвесов маховиков накопителей на основе ВТСП подшипников и пассивных магнитных опор, а также осуществляется поиск перспективных конструктивных решений таких подвесов.

Основные планируемые результаты проекта:
Основные планируемые результаты проекта следующие:
1. Промежуточные и заключительный отчеты о ПНИ, содержащие, в том числе:
— обзор и анализ современной научно-технической, нормативной, методической литературы, существующих проблем и имеющихся технических решений ВТСП подшипников и систем комбинированного магнитного подвеса;
— сравнительную оценку эффективности возможных направлений исследований;
— обоснование выбора оптимального варианта направления исследований;
— методику и перечень инструментально-измерительных средств для экспериментальных исследований электрофизических свойств ВТСП материалов;
— описание испытательных стендов для исследований свойств ВТСП материалов;
— данные экспериментальных исследований электрофизических свойств объемных ВТСП материалов;
— модели статических и динамических свойств ВТСП материалов и материальных уравнений этой среды;
— математические модели для анализа электромагнитного поля магнитных систем с ВТСП элементами;
— данные расчетно-экспериментальных исследований модельных магнитных систем с ВТСП элементами и обоснование разработанных методов моделирования электромагнитных полей таких систем;
— результаты расчетов параметров и теоретические исследования процессов в ВТСП подшипниках различных конструкций и их сопоставление с известными экспериментальными данными, полученными отечественными и зарубежными исследователями;
— комплексную модель магнитного подвеса кинетического накопителя энергии для анализа электромагнитных и механических процессов;
— результаты расчетов комбинированного магнитного подвеса кинетического накопителя энергии;
— эскизную конструкторскую документацию на лабораторный макет комбинированного магнитного подвеса кинетического накопителя энергии;
— данные расчетных и экспериментальных исследований лабораторного макета комбинированного магнитного подвеса кинетического накопителя энергии и их сопоставление;
— технико-экономическую оценку результатов ПНИ;
— обобщение и выводы по результатам ПНИ.
2. Отчет о патентных исследованиях
3. Заявки на патенты
4. Материальные и интеллектуальные результаты ПНИ:
— математические модели и методика проектирования;
— лабораторный стенд для исследований электрофизических свойств ВТСП материалов;
— лабораторный макет комбинированного магнитного подвеса кинетического накопителя энергии;
— проект технического задания на ОКР "Разработка комбинированного магнитного подвеса кинетического накопителя с запасаемой энергией 30 МДж"

Снижение потерь в опорных узлах быстро вращающихся роторов при одновременном повышении их надежности является постоянно актуальной технической проблемой машиностроения. Для кинетических накопителей энергии характеристики опорных узлов определяют энергетическую эффективность всего устройства. С развитием высокотемпературной сверхпроводимости появилась реальная возможность создания бесконтактных пассивных ВТСП подвесов, которые могут быть применены в качестве опор быстро вращающихся роторов. Создание и применение ВТСП подвесов и подшипниковых узлов в кинетических накопителях энергии в комплексе со значительно облегченными статическими подшипниками на постоянных магнитах позволит достичь необходимых энергетических показателей таких установок.
Рядом зарубежных фирм разработаны конструкции ВТСП подшипников, предназначенных для использования в маховиковых накопителях с большим диаметром ротора, в электромоторах, центрифугах, подвесном транспорте, в системах ориентации летательных объектов. Наиболее успешные исследования проведены в Технологическом Центре в Adelwitz (ATZ Germany). Разработан радиально-упорный подшипник, который помещен в вакуумный криостат с наружным диаметром 400 мм. Вес ротора 17 кг. Общий вес подшипника 55 кг. Максимальное значение осевой нагрузки подшипника при температуре охлаждения 72К 10000 Н. Измеренный момент сопротивления вращению в вакууме М = 5х10-4 Н*м. Фирма Siemens совместно с фирмой Nexans superconductors разработала для морских кораблей генератор, содержащий ротор с ВТСП подшипниками, удерживающими в магнитном поле вращающийся вал массой до 500кг. Среди производителей кинетических накопителей энергии следует отметить: Beacon Power; Active Power; Socomec UPS; PowerThru.
Отечественными учеными созданы технологии и организовано производство объемных
высокотемпературных сверхпроводников, которые по своим свойствам не уступают зарубежным аналогам, но имеют существенно меньшую стоимость. Работы по созданию ВТСП материалов и устройств на их основе выполняются в ряде университетов: НИУ "МАИ", НИУ " МГТУ им. Баумана", НИУ "МЭИ" и др., а также в научных центрах: НИЦ "Курчатовский институт", ОИВТ РАН, ФГУП "ВЭИ" и др.
В отечественной промышленности впервые поставлена задача освоения производства магнитных подвесов с использованием объемных высокотемпературных сверхпроводников, которые должны стать важной частью энергосберегающих технологий. В настоящий момент созданы прообразы и экспериментальные образцы ВТСП подшипников, которые подтверждают их эффективность, однако основные трудности с внедрением устройств с ВТСП в промышленности и, в частности для кинетических накопителей энергии, заключаются в отсутствии методик математического моделирования и проектирования магнитных систем с ВТСП элементами, учитывающих особенности анизотропных, нелинейных, гистерезисных электрофизических свойств и временную стабилизацию этих материалов. Наименее проработанным на настоящий момент представляется расчет электромагнитного поля и силовых характеристик ВТСП подшипника, из-за отсутствия достоверных и подробных моделей поведения изделий из ВТСП материалов в реальных конструкциях магнитных систем. Недостаточно и имеющихся экспериментальных данных для моделирования электромагнитных процессов в ВТСП, отсутствуют методики испытаний ВТСП, которые обладают необходимой информативностью для идентификации материальных уравнений этой среды.
Создание методической базы позволит отечественной промышленности разработать новые оригинальные конструктивные решения магнитных подвесов и кинетических накопителей энергии без приобретения дорогостоящих патентов и лицензий, зарубежных прообразов и аналогов технических средств и технологий.
Признаками научной новизны результатов выполнения проекта являются:
- более точные математические модели ВТСП материалов, учитывающие нелинейные, анизотропные, гистерезисные электрофизические свойства и их временную нестабильность;
- новая достоверная методика проектирования комбинированного подвеса кинетического накопителя энергии;
- результаты применения разрабатываемых методов для создания новых конструкций магнитных подшипников и комбинированных подвесов;
- получение в результате исследований новых конструктивных решений ВТСП подшипников и комбинированных подвесов, имеющих необходимые признаки для правовой охраны.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Исследуемый в ПНИ комбинированный магнитный подвес ориентирован на применение в кинетическом накопителе энергии, которые используются в качестве источников бесперебойного питания, в качестве буферного распределителя энергии, получаемой от возобновляемых источников, в качестве частотного регулятора в энергосистеме, стационарных систем рекуперации электрической энергии на транспорте.
Мировой рынок кинетических накопителей энергии оценивается в 30 млрд. долларов. В России разработки таких накопителей инициируются ГК "Росатом" для источников бесперебойного питания на АЭС. Также к ним проявляют интерес энергосистемы и транспорт. Данная ПНИ ориентирована на создание методической базы для проектирования высокоэффективных магнитных подвесов кинетических накопителей энергии, предназначенной для профильных исследовательских и проектных институтов и производственных предприятий планирующих участвовать в производстве этой продукции. Результаты работы могут быть применены для создания магнитных опор турбин, компрессоров, насосов, электрических машин с массивными роторами.
Результаты ПНИ позволят создать новые виды комбинированных магнитных опор, усовершенствовать параметры существующих опор и расширить внедрение ВТСП технологий в промышленности.
Конкурентные преимущества результатов ПНИ составляют следующие факторы:
— возможность преодоления технических и технологических трудностей создания магнитных опор и подшипников кинетических накопителей энергии и крупных роторных машин и механизмов;
— повышение их надежности и ресурса;
— возможность обеспечения импортозамещения за счет отказа от приобретения оборудования зарубежного производства.
Результаты ПНИ в части конструктивных решений ВТСП подшипников имеют признаки патентоспособности и возможности лицензирования.
Для доведения результатов ПНИ до потребителя на основе созданных и обоснованных принципов построения конструкций и методик проектирования комбинированных магнитных подвесов должны быть выполнены опытно-конструкторские работы по созданию подвесов с ВТСП подшипниками маховиков кинетических накопителей энергии, а также роторов газотурбинных установок и крупных электрических машин.
Результаты ПНИ и ОКР следует шире представлять на отечественных и международных выставках, научных конференциях и в научных публикациях. Ускоренное внедрения результатов в ПНИ в производство требует включение новых методик проектирования в программу учебного процесса системы подготовки и повышения квалификации инженерных кадров этих отраслей.

Текущие результаты проекта:
Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы.
Патентные исследования по ГОСТ 15.011-96.
Анализ существующей проблемы и имеющихся технических решений ВТСП подшипников и систем комбинированного магнитного подвеса, сравнительная оценка эффективности возможных направлений исследований; обоснование выбора оптимального варианта направления исследований.
Методика и инструментально-измерительные средства для экспериментальных исследований электрофизических свойств ВТСП материалов, ориентированных на отображение материальных уравнений среды в моделях электромагнитного поля.
Статистически значимый объем экспериментальных исследований электрофизических свойств объемных ВТСП материалов.
Модели статических и динамических свойств ВТСП материалов и материальных уравнений этой среды.
Результаты расчетно- экспериментальных исследований модельных магнитных систем с ВТСП элементами и обоснование разработанных методов моделирования электромагнитных полей таких систем, отражающие их анизотропные, нелинейные и гистерезисные свойства, а также временные зависимости параметров.
Промежуточный отчет о ПНИ.
Эскизная конструкторская проработка стенда для испытаний магнитных систем.