Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В отчетном году были выполнены следующие работы: 1. Проведен анализ российских и зарубежных разработок в области создания электрических машин для более и полностью электрических самолётов. Он показал, что снижение полной взлетной массы, эксплуатационных расходов, времени технического обслуживания и увеличение топливной эффективности возможно при увеличении электрификации борта или переходе к ПЭС. 2. Анализ мировых исследований в области создания полностью электрического самолета показал, что такие летательные аппараты созданы лишь на небольшое число пассажиров и мощность их электродвигателей незначительна. Однако, практически все концепции крупных ПЭС, в той или иной степени,подразумевают использование сверхпроводниковых технологий. 3. После проведенного анализа были выбраны наиболее перспективные концепции построения ВТСП электрических машин с высокими удельными параметрами, которые технически реализуемы в ближайшее время. 4. После изучения принципиальных схем ВТСП электрических машин показано, что наибольшей удельной мощностью обладает полностью сверхпроводниковая электрическая машина без стального магнитопровода на основе ВТСП. При выходной мощности электрической машины более 1МВт соотношение мощности к массе составит более 10 кВт/кг. 5. Разработаны основы теории и создана аналитическая методика расчета основных параметров полностью ВТСП электрической машины с ферромагнитным экраном. Методика учитывает геометрические размеры активной зоны, число пар полюсов, критический ток ВТСП ленты, включает в себя выражения для определения потерь в активных элементах и расчета их температуры. 6. Для уточнения разработанной аналитической методики расчета полностью сверхпроводниковых электрических машин была проведена серия электромагнитных, тепловых и прочностных расчетов методом конечных элементов. Они показали, что аналитический расчет обеспечивает достаточную точность при определении удельной мощности и других основных параметров полностью сверхпроводниковых электрических машин. Поэтому, разработанная аналитическая методика позволяет сократить время проектирования ВТСП электрических машин для конкретной области применения. В результате всех выполненных работ на этапе бала разработана и теоретически проверена методика расчета и проектирования ВТСП электрических машин с высокой удельной мощностью, которые могут использоваться на подвижных объектах, в том числе на ПЭС, в составе гибридной распределенной силовой установки. Высокие значения удельной мощности ВТСП электрических машин делают гибридные силовые установки, основанные на них, конкурентно способными по сравнению с традиционными авиационными двигателями.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Разработанная методика расчета параметров полностью сверхпроводниковой электрической машины (ПСПЭМ) дополнена выражениями для определения величины магнитной индукции в области катушек из высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП). Для определения транспортного тока в ВТСП катушках обмоток возбуждения и якоря определены радиальная и тангенциальная компоненты вектора индукции магнитного поля, созданного отдельно ОВ и ОЯ. Задача оптимального проектирования ВТСП электрической машины заключается в определении наиболее оптимальной принципиальной схемы машины и выборе рациональных размеров активной зоны. Структурная оптимизация выполнена на предыдущем этапе работ, в ходе которого выбрана концепция построения ВТСП электрической машины с увеличенной удельной мощностью и определена наиболее рациональная ее конструктивная схема. В частности, выбрана схема электрической машины с ВТСП обмотками статора и ротора без стального магнитопровода, отличительной особенностью которой является высокая удельная мощность. В качестве критерия оптимальности выбрана удельная мощность, а в качестве управляемых параметров приняты число пар полюсов, радиус расточки статора, высота ОЯ, высота ОВ. Оптимизационный расчет выполнен с использованием метода сплошного перебора. Преимуществом данного метода является возможность определить глобальный максимум. Недостатком является значительное количество вариантов, которые должны быть проверены. Однако, их количество может быть снижено путем использования узких диапазонов изменения управляемых параметров с учетом ограничения конструктивного коэффициента, окружной скорости ротора, минимального радиуса изгиба ВТСП ленты и т.д. Используя разработанную методику оптимизации показано, что удельная мощность ПСПЭМ может превышать 10 кВт/кг при интенсификации охлаждения. Разработана трехмерная модель безжелезной ПСПЭМ и методика определения ее удельных параметров с учетом полевой зависимости транспортного тока ВТСП обмоток. Данная модель позволяет увеличить степень автоматизации расчетов, что дает возможность уточнить результаты аналитических расчетов. На основе результатов аналитических расчетов выполнено конечно-элементное моделирование ПСПЭМ, которое позволило уточнить характеристики машины и увеличить удельную мощность, благодаря более точному определению магнитной индукции в различных областях машины. В частности, при температуре жидкого азота 65 К удельная мощность машины составила 19 кВт/кг. Максимальное значение удельной мощности ПСПЭМ может быть достигнуто при интеграции в систему, в которой имеется криогенная среда. Например, при использовании жидкого водорода в качестве хладагента и топлива удельная мощность ПСПЭМ может превышать 30 кВт/кг. С целью проверки теоретических положений выполнен эскизный проект ПСПЭМ мощностью 10 кВт с охлаждением жидким азотом при 77К. При этом должен быть выполнен ряд требований, таких как температурный режим, правильный выбор материалов, соблюдение технологий производства и др. Все это усложняет конструкцию машины и увеличивает ее стоимость. Учитывая это, с целью снижения затрат на производство макетного образца полностью сверхпроводниковой электрической машины принято решение использовать обмотки только с одной двойной галетой, а также ограничить расход ВТСП ленты, который должен составить менее 500 м. Номинальная частота вращения ротора макета составляет 2500 об/мин. С целью увеличения количества экспериментальных данных, полученных при выполнения данного проекта принято решение изготовить макетный образец таким образом, чтобы его конструкция позволяла изменять свойства магнитной цепи. В связи с этим макетный образец ПСПЭМ имеет три исполнения: а) ПСПЭМ с немагнитными полюсами и немагнитным ярмом индуктора; б) ПСПЭМ с немагнитными полюсами и магнитным ярмом индуктора; в) ПСПЭМ с магнитными полюсами и магнитным ярмом индуктора. Для каждого варианта конфигурации магнитной цепи макетного образца проведен электромагнитный расчет. Результаты аналитических расчетов с хорошей точностью совпадают с результатами конечно-элементного моделирования. В результате расчетов выбраны размеры активной зоны машины, получены ее основные характеристики, такие как выходная мощность, ЭДС холостого хода, индуктивные сопротивления, а также величина токов ВТСП катушек, необходимые для достижения уровня мощности в 10 кВт. Также выполнены тепловой и механический расчеты, показавшие достаточные запасы прочности и жесткости, а также соответствие заявленной температуре. Разработана конструкция макетного образца ВТСП электрической машины с высокой удельной мощностью. Макетный образец представляет собой синхронную электрическую машину с обмоткой возбуждения на роторе и обмоткой якоря на статоре. Катушки обмоток выполнены из ВТСП ленты, намотаны на сердечник и имеют форму рейстреков. Охлаждение осуществляется с помощью жидкого азота при температуре 77К, путем заполнения внутреннего объема машины. Такой тип охлаждения является наиболее рациональным для лабораторных испытаний, т.к. позволяет сократить расходы на разработку системы охлаждения. Машина выполнена в двухщитовом исполнении. Передача электрической мощности на вращающуюся обмотку возбуждения осуществляется с помощью щеточно-контактного узла. Такая конструкция упрощает процесс сборки машины, а также обеспечивает доступ к местам электрического соединения ВТСП обмоток. Задача герметизации выхода вала успешно решена в ходе данного проекта с помощью специально подобранных уплотнений. В качестве опор вала используются подшипники качения. Т.к. машина полностью заполняется жидким азотом, то подшипники очищают от заводской смазки и промывают во избежание кристаллизации смазки и заклинивания подшипников во время работы. В качестве смазки при работе машины используется жидкий азот. Для обеспечения циркуляции азота в области подшипников в щитах выполнены специальные каналы. ВТСП катушки являются важнейшим элементом разработанного макета, т.к. именно применение СП дает возможность создания электрических машин с высокими значениями удельной мощности. Точность расчета характеристик ВТСП лент и катушек, проработанность технологических процессов создания обмоток, входной контроль их характеристик становятся основополагающими при создании таких электрических машин. В конструкции предусмотрена возможность удобного демонтажа и установки катушек ОВ, что позволяет выполнять замену полюсов и магнитопровода ротора. Это дает возможность провести экспериментальные исследования ПСПЭМ с различной конфигурацией магнитной системы. Разработанная конструкция отвечает требованиям, предъявляемым к криогенным электрическим машинам, позволяет изготовить макетный образец и провести его испытания на следующем этапе работы.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В соответствии с планом работ изготовлена и испытана первая в России электрическая машина с ВТСП обмотками статора и ротора. Для этого в соответствии с эскизным проектом, разработанном на предыдущем этапе работ, разработана конструкция электрической машины с ВТСП обмотками ротора и статора, выпущен комплект конструкторской документации. В конструкции предусмотрены узлы подачи и вывода охлаждающего азота, быстрый доступ к электрическим соединениям обмоток. Также предусмотрена возможность замены магнитопровода ротора. На основе разработанных чертежей изготовлены элементы конструкции машины, в том числе 15 ВТСП катушек, выполненных по типу двойной галеты. Наличие изготовленных деталей и узлов позволило скорректировать конструкторскую документацию с целью улучшения технологичности изделия и снижения его стоимости. В том числе ряд деталей выполнены с применением аддитивных технологий, что позволило увеличить их технологичность и снизить стоимость. Проведены экспериментальные исследования изготовленных ВТСП катушек ротора и статора, определены их критические токи при температуре жидкого азота, "теплые" сопротивления и индуктивности. Для этого использован экспериментальный стенд, отличительной особенностью которого является возможность управления формой и величиной питающего напряжения, а также наличие высокопроизводительного портативного регистратора (дата-логгер) Yokogawa DL850E, который может выполнять захват и анализ данных с высокой точностью. Показано, что критический ток всех изготовленных катушек выше 60 А, что значительно превышает номинальное значение. Кроме того, это показывает высокий уровень технологии изготовления, т.к. данный показатель выше аналогичных, встречающихся в литературе. Проведены испытания обмоток ротора и статора в сборе. Получены значения критического тока. Показано, что магнитное поле, созданное обмоткой снижает критический ток. При этом его значение оказывается выше номинального. Проведены серии экспериментальных исследований электрической машины с ВТСП обмотками ротора и статора в генераторном режиме. Время захолаживания составило 20 минут. Критический ток ОВ превышает 50 А для всех конструкций. Построены характеристики холостого хода и внешние характеристики. Показана хорошая сходимость результатов с теоретическими расчетами. Достигнута мощность 11.6 кВт. Проведенные испытания макетного образца полностью ВТСП электрической машины позволили накопить опыт проектирования, изготовления и испытания подобных машин, которые являются новыми типами электрических машин. В частности, апробированы технологии изготовления ВТСП катушек, работающих как на постоянном, так и на переменном токе, верифицированы и уточнены расчетные методики, предложены варианты использования деталей, выполненных с применением аддитивных технологий, в составе электрической машины с криогенным охлаждением. Все это открывает путь к созданию новых мощных машин с ВТСП обмотками ротора и статора, которые будут обладать высокими значениями удельной мощности, и установке их в опытную эксплуатацию. Разработана конечно-элементная модель полностью ВСТП электрической машины. Данная модель позволяет проводить исследование работы машины под нагрузкой. Кроме того, она может быть использована для определения критического тока ВТСП катушек при их работе в составе машины. Получены кривые фазных токов и напряжений машины с различной магнитной цепью при различных нагрузках. Показано, что различия в результатах моделирования и экспериментальных исследований оказываются незначительными – не более 8%. При этом модель позволяет оценить качество генерируемого напряжения. Результаты моделирования показывают, что созданные модели машин позволяют исследовать режимы их работы и с высокой точностью оценивать их параметры. Это открывает возможности к созданию полностью сверхпроводниковых машин с повышенной мощностью, которые будут не только обладать высокими значениями удельной мощности, но и прогнозировать качество генерируемого ими напряжение, а также режимы их работы в двигательном режиме при управлении от статических силовых преобразователей.