Аннотация: Содержит сведения о системе конечно-элементного анализа ANSYS, применяемой для численного решения уравнений математической физики, методике её применения для проектирования спиральных нагревателей, встраиваемых в элементы технологического оборудования. Включён лабораторный практикум, содержащий варианты заданий и методические указания по выполнению четырёх лабораторных работ. Предназначено для студентов специальностей 15.03.01, 15.04.01 «Машиностроение», профиль «Цифровое машиностроение» очной и заочной форм обучения.

Аннотация: В учебном пособии «Материаловедение сверхпроводников на основе соединений А-15» по дисциплине «Материаловедение сверхпроводников» рассмотрено явление сверхпроводимости, этапы развития теории этого явления, даны определения критических характеристик сверхпроводников. Описаны современные методы получения и исследования сверхпроводников на основе соединения А-15 для различных областей Nb3Sn. Предназначено для студентов, специализирующихся в области физического материаловедения по специальности «Физика металлов».

Аннотация: Статья посвящена оценке уровня электродинамических сил, возникающих в ошиновке электротехнического оборудования, как важнейшей задаче обеспечения устойчивости энергетических комплексов при коротком замыкании. Рассмотрены электродинамические силы, возникающие между прямолинейными проводниками при их различном расположении. Показана разница в подходах при определении электродинамических сил между параллельными проводниками путём непосредственного расчета и определения этих сил энергетическим методом, сводящемуся к нахождению производной от коэффициента взаимной индукции по соответствующей координате. Непосредственный метод исключает появление сил бокового смещения, в то время как энергетический метод позволяет раскрыть их физический смысл. Приводится расчёт сил взаимодействия на примере характерной конфигурации шинопровода в случае двойного замыкания на корпус или землю.

Аннотация: Проанализированы современные конструкции и тенденции развития электрических генераторов для ветротурбин материковых и оффшорных ветроэлектростанций. Рассмотрены применяющиеся в мегаваттном диапазоне мощностей три типа генераторов для высокоскоростного, низкоскоростного и безредукторного привода. Определены необходимые электромагнитные нагрузки генераторов и изменение их основных размеров в зависимости от мощности. Отмечена тенденция к применению безредукторных синхронных генераторов с постоянными магнитами для мощностей до 8 МВт. Рассмотрены синхронные генераторы как с радиальным намагничиванием, так и другие варианты (с аксиальным потоком, без ферромагнитных сердечников и др. ). Для мощностей 10 МВт и выше существенное уменьшение массы ветротурбины дает применение сверхпроводникового генератора. Однако из-за стоимости сверхпроводника коммерчески выгодный вариант однозначно не определен. Рассматриваются различные проекты (с «теплой», «холодной» сверхпроводимостью), а также варианты как полностью сверхпроводниковых генераторов, так и генераторов только со сверхпроводниковой системой возбуждения.

Аннотация: Известно много разновидностей стреляющих полупроводниковых свечей для емкостных систем зажигания газотурбинных двигателей, различающихся конструкцией разрядных камер. Отличительной особенностью серийных стреляющих свечей, выпускаемых отечественной промышленностью, является взаимное расположение полупроводникового элемента и бокового электрода, при котором рабочая поверхность полупроводника расположена не по оси свечи, а под некоторым углом, а рабочая поверхность бокового электрода находится близко к основанию разрядной камеры. При этом систематизированные сведения об исследовании разрядных процессов в стреляющих свечах в литературе отсутствуют. Статья посвящена исследованию взаимосвязи энергетических параметров искровых разрядов, пространственно-временных характеристик плазменного выброса из разрядных камер свечей и воспламеняющей способности свечей. В качестве методов исследований разрядных процессов приняты осциллографирование совместно с высокоскоростным фотографированием плазменного выброса. Объектом исследований являлась серийная полупроводниковая свеча и макет стреляющей свечи с "окном" из органического стекла, позволяющий фотографировать процесс развития плазмы разряда внутри разрядной камеры. Осциллограммы разрядного тока и падения напряжения в свечах регистрировались двухлучевым осциллографом с помощью безындуктивного коаксиального шунта и омического делителя напряжения. Параметры плазменного выброса соотнесены с воспламеняющей способностью свечей. Полученные результаты дополняют общие представления о закономерностях развития плазменного выброса из разрядных камер полупроводниковых свечей и подтверждают теорию влияния параметров разряда на начальную скорость процесса воспламенения с позиций теплового и цепного механизмов воспламенения.

Аннотация: Одним из способов повышения удельных энергетических показателей импульсных линейных электромагнитных двигателей является статическое нагружение двигателя на этапе трогания, реализуемое с помощью устройства электромагнитного удержания якоря. Стремление упростить конструкцию двигателя и одновременно повысить его энергетические показатели привело к идее интеграции конструкции двигателя и устройства удержания якоря на основе общего магнитопровода. В его состав входят ферромагнитный направляющий корпус и удерживающая поверхность. Экспериментальные исследования таких интегрированных двигателей показали сложность регулирования усилия удержания, поскольку оно определяется несколькими конструктивными параметрами. Актуальность исследования вызвана необходимостью определения диапазонов допустимого изменения и сочетания конструктивных параметров ферромагнитного направляющего корпуса и удерживающей площадки, которые обеспечивают работоспособность двигателя. Аналитически получена зависимость магнитной индукции ярма по отношению к индукции начала насыщения верхнего магнитного шунта от площади поперечного сечения этого шунта и удерживающей поверхности с помощью кусочно-линейной аппроксимации кривой намагничивания и схемы замещения магнитной системы. На основе полученных зависимостей для выбранных конструктивных параметров при рабочем зазоре 20 мм выполнено математическое моделирование магнитной системы интегрированного электромагнитного двигателя на этапе трогания. Путем численного эксперимента определены магнитные индукции в ярме и верхнем магнитном шунте, которые изготовлены из конструкционной стали Ст3. Результаты численного эксперимента подтвердили выполненные расчеты. Исследования и анализ показали возможность определять условия отрыва якоря на этапе трогания в виде границ и областей допустимых значений указанных конструктивных параметров. Вне этих областей интегрированный электромагнитный двигатель работать не может.

Аннотация: Рассматриваются актуальные вопросы обеспечения синусоидальной формы кривой линейного напряжения, возникающие при проектировании широко применяемых в энергосистемах явнополюсных синхронных генераторов. Как известно, применение магнитных клиньев в пазах статора генератора позволяет улучшить основные электрические характеристики машины, снизить влияние высших гармоник, уменьшить добавочные потери, моменты от высших гармоник магнитного поля, шумы и вибрации, снизить температуру обмотки и активной стали статора и повысить КПД. Проведено исследование влияния магнитных свойств материала клиньев в пазах статора на коэффициент нелинейных искажений с помощью расчетного пакета прикладных программ ELCUT. Установлено, что значение относительной магнитной проводимости существенно влияет на коэффициент нелинейных искажений кривой ЭДС фаз обмотки статора и добавочных потерь в стали статора. Выбраны оптимальные значения магнитной проводимости материала клина, обеспечивающие форму кривой ЭДС генератора, соответствующую требованиям ГОСТ.

Аннотация: Выполнен анализ теплового состояния токовводов, содержащих высокотемпературные сверхпроводники. Рассмотрен переход в нормальное состояние сверхпроводника в контактном соединении с неохлаждаемой резистивной секцией токоввода. Получены выражения, определяющие температуру и тепловой поток в токовводе при перегрузке, при разных значениях переходного сопротивления в паяном контакте, теплоизолированном или охлаждаемом криогенной жидкостью. На основе предложенной методики расчёта выявлен характер изменения максимальной температуры в резистивной секции и наибольшей температуры в контакте в зависимости от плотности тока, при изменении соотношения между переходным и продольным сопротивлениями контакта. Показано, что в том случае, если переходное сопротивление определяется в основном поперечным сопротивлением припоя при минимальных неэлектропроводящих внутриконтактных образованиях, то при увеличении плотности тока критическим параметром, определяющим работоспособность токоввода, является максимальная температура резистивной секции. Рассмотренный метод исследования теплового режима токоввода с ВТСП проводом в условиях перегрузки может быть использован при сравнительной оценке токовводов сверхпроводниковых устройств для определения предельных температур в токовводе при изменении различных конструктивных и физических параметров.

Аннотация: Современное состояние рынка стирлинг-генераторов свидетельствует, что в конкурентной борьбе побеждают высокотехнологичные двигатели, которые длительно доводились в процессе совместной работы или конкуренции сильных корпораций. Основные преимущества двигателей Стирлинга: возможность использовать различные источники теплоты и камеры сгорания, отвечающие экологическим требованиям; низкие уровни шума и вибрации; благоприятные характеристики, как для транспортных средств, так и для стационарных электрогенераторов; хорошая согласованность с линейной электрической машиной. Среди факторов, сдерживающих развитие стирлинг-генераторов, выделены: высокие стоимость и массогабаритные показатели, ограниченная агрегатная мощность, сложность удовлетворения требованиям к ресурсу. Особенность системы управления двигателем Стирлинга состоит в необходимости контролировать параметры в рабочем контуре, генераторе и камере сгорания. С учетом требований к обеспечению пусковых режимов система управления должна быть интеллектуальной. Управление мощностью свободнопоршневого двигателя Стирлинга обычно осуществляется изменением хода поршня, что реализуется электронным блоком управления линейным генератором. В настоящее время в связи с развитием альтернативной энергетики и распределенного электроснабжения растёт потенциальная ниша для применения Стирлинг-генераторов.

Аннотация: Исследуются специальные турбогенераторные установки (СТГУ) мощностью до 10000 кВт для преобразования механической энергии пара в электрическую с улучшенными виброакустическими характеристиками. В состав СТГУ входят: паровая турбина, синхронный генератор с магнитоэлектрическим возбуждением и преобразователь частоты, регулирующий параметры выходной электрической энергии. Частота вращения турбины и генератора в зависимости от мощности установки обеспечивает на выходе значения частоты от 50 до 300 Гц. Рассмотрены различные схемы построения автономных установок с генераторами магнитоэлектрического возбуждения. Предложена конструкция турбогенераторной установки с параллельным включением преобразователя частоты, позволяющая значительно улучшить массогабаритные характеристики преобразователя и повысить надежность установки в целом.

Аннотация: Рассмотрена новая концепция построения системы контроля силовых электромагнитных устройств (СЭУ), основанная на использовании дополнительных высокочастотных электродинамических процессов в магнитопроводе СЭУ. Для реализации предлагаемого принципа СЭУ комплектуется блоком вибраторных С-антенн, охватывающих магнитопровод СЭУ и выполненных в виде разъемного пространственного конденсатора, на внешней поверхности несущего диэлектрического основания которого находятся многосекционные, пространственно распределенные обкладки, к которым подключен внешний источник низковольтного ВЧ-напряжения. При работе СЭУ в его магнитопроводе одновременно будут существовать два независимых электродинамических процесса: низкочастотный, определяемый рабочим током СЭУ, и высокочастотный, возбуждаемый С-антеннами. СЭУ при этом выступает в качестве электромагнитного датчика, регистрирующего необходимые параметры высокочастотных электродинамических процессов, которые определяются как состоянием магнитопровода СЭУ, так и текущим состоянием самой СЭУ На базе уравнений Максвелла и теоремы Умова-Пойнтинга получены математические модели, описывающие физические процессы, происходящие в рассматриваемой электромагнитной системе с учетом конструктивных особенностей СЭУ и блока вибраторных С-антенн. Предложен вариант схемотехнического решения предлагаемой системы контроля СЭУ, который позволяет регистрировать различные информативные параметры, непосредственно связанные с текущим состоянием СЭУ Предложенная концепция построения системы контроля и управления является универсальной, фактически не имеющей ограничения в применении к различным видам СЭУ и может найти широкое применение в соответствующих отраслях промышленности для контроля параметров электромагнитных муфт и тормозов, электромагнитных клапанов, линейных позиционеров, блокировочных устройств и т. п.

Аннотация: Изложены результаты теоретических и экспериментальных исследований силовых взаимодействий между постоянными магнитами и объемными высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП). Полученные данные представляют интерес для проектирования различных устройств с ВТСП элементами: магнитных подшипников, транспортных систем с магнитной левитацией, электрических машин и др. Численный анализ электромагнитного поля в рассмотренных задачах выполнен методом пространственных интегральных уравнений для источников поля. Свойства использованных ВТСП материалов из YBaCuO керамики представлены традиционной моделью для транспортных токов и комбинированной моделью, позволяющей учитывать два типа источников поля внутри сверхпроводника - плотности транспортного тока и связанных токов (намагниченности). Для плотности транспортного тока применена одна из модификаций модели критического состояния, в которой удельное электрическое сопротивление сверхпроводника представлено гиперболической функцией трех параметров: абсолютной температуры, напряженности магнитного поля и плотности тока. Модель для намагниченности базируется на определении связанных токов в виде плотности магнитных моментов совокупности малых сверхпроводящих цилиндров в объеме образца ВТСП. Экспериментальные исследования выполнены на установках с системами криостатирования ВТСП в среде жидкого азота и устройствами прецизионных измерений сил. Сравнение результатов экспериментов и расчетных данных подтверждают достоверность разработанных методов моделирования.

Аннотация: Приведены результаты исследований высокооборотного стартер-генератора с постоянными магнитами и зубцовой обмоткой для перспективных беспилотных летательных аппаратов. Рассмотрены технология изготовления магнитопровода статора из аморфного железа, а также методика выбора числа пар полюсов высокооборотного стартер-генератора, обоснованы преимущества аморфного железа. Отдельный этап работы посвящен задачам оптимизации пазовой зоны стартер-генератора по критерию минимума потерь в постоянных магнитах на вихревые токи. Для минимизации этих потерь выполнена многокритериальная оптимизация пазовой зоны с помощью генетических алгоритмов, в результате которой потери были снижены в 4 раза относительно первоначального варианта. Предложена схема охлаждения синхронной машины в составе турбореактивного двигателя, проведены тепловые расчеты. Для верификации предложенной последовательности проектирования, а также для оценки эффективности использования аморфного железа создан полноразмерный макет мощностью 5 кВт с частотой вращения ротора 60000 об/мин, плотностью мощности 0, 2 кг/кВт и КПД 96, 4%. Первоначальные испытания экспериментального макета подтвердили теоретические выводы и показали, что применение аморфного железа позволяет снизить потери в магнитопроводе статора в 5-7 раз.

Аннотация: В работах, посвященных самовозбуждению электрических машин, понятия "жесткое" и "мягкое" самовозбуждение используются для оценки степени воздействия на систему и характер изменения выходной величины при самовозбуждении. В статье обосновывается необходимость использования этих терминов исключительно для оценки характера изменения выходной величины. По аналогии с генератором постоянного тока предложено разделить условия самовозбуждения асинхронного генератора на стартерные и автогенераторные (автоколебательные). Экспериментально показано, что при размагниченной системе (слабый стартер) самовозбуждение генератора постоянного тока сопровождается скачкообразным изменением напряжения, то есть имеет место жесткий режим самовозбуждения. После работы в установившемся режиме генератор вновь намагничивается (сильный стартер), и при повторном самовозбуждении скачкообразного изменения напряжения не наблюдается. Такое самовозбуждение, при котором сильный стартер за счет остаточной индукции нивелирует "жесткий" характер самовозбуждения, предложено называть "псевдомягким".

Аннотация: Физика магнитной проницаемости изложена во многих учебниках и монографиях. Все они в основном касаются исследований взаимодействия постоянных магнитных полей с ферромагнитными материалами. Однако на практике взаимодействие переменных полей с ферромагнитными материалами встречается не менее часто. Статья посвящена изучению свойств магнитных материалов в переменных полях. Исследовались цилиндрические образцы диаметром 8 и длиной 160 мм из различных, наиболее распространенных марок сталей. При исследовании намагничивания образцов цилиндрической формы в однородном поле образец намагничивается одновременно по всей длине, что исключает возможность изучения инерционных свойств магнитных материалов или магнитную вязкость. Поэтому была использована схема, предполагающая намагничивание образца в одном месте, а измерение магнитной проницаемости - в другом. В этом случае возникает необходимость измерений в неоднородном поле, при этом намагничивающий сигнал не действует непосредственно на измерительную катушку, а передается посредством прохождения некоторого пути вдоль исследуемого образца, сохраняя при этом необходимую информацию о материале. Для расчетов используется модель, в которой намагничивающие и измерительные катушки заменены витками. Решение прямой задачи предполагает, что задан сигнал намагничивающего витка, а найти требуется сигнал измерительного витка. Обратная задача заключается в определении составляющих магнитной проницаемости при известном сигнале измерительной катушки, который измеряется экспериментально. В результате решения обратной задачи определяются составляющие комплексной магнитной проницаемости. Приводится схема экспериментальной установки, позволяющей с использованием соответствующей компьютерной программы измерять комплексную магнитную проницаемость на выбранной частоте. Приведена зависимость составляющих магнитной проницаемости от частоты намагничивающего поля. Показано, что частотная зависимость магнитной проницаемости существенно изменяется с изменением химического состава материала образцов (марки сталей).

Аннотация: При описании электрических явлений области материала (кристаллы, домены в ферроэлектриках и ферромагнетиках) можно полагать равномерно заряженными по своим объемам, равномерно поляризованными и равномерно намагниченными. Формы областей материала могут быть произвольными, но приближенно их можно считать многогранниками. Рассмотрено определение поля равномерно поляризованного и равномерно намагниченного многогранников, а также равномерно заряженного многогранного тела. Получены выражения для поля и потенциала равномерно заряженной бесконечно тонкой многоугольной пластины; выражения содержат только элементарные функции. Рассмотрены следующие формы пластины: трапеция, прямоугольник, прямоугольный и косоугольный треугольники. Описаны свойства поля равномерно поляризованного и равномерно намагниченного тел произвольной формы. Рассмотрены равномерно поляризованные и равномерно намагниченные тела: прямая призма, многогранник с осью симметрии 3-го и более порядков, бесконечно длинное трапецеидальное тело, усеченный прямой круговой конус.

Аннотация: Создание электрических машин с увеличенной удельной и объемной мощностью - сложная научно-техническая задача, которой посвящено множество опубликованных работ как в России, так и за рубежом. Наиболее интересными являются работы, в которых рассматриваются полностью сверхпроводниковые электрические машины, т. е. машины, обмотки статора и ротора которых выполнены из сверхпроводников. Среди них можно отдельно выделить работы по созданию машин, называемых "безжелезными", с осевым потоком и охлаждением жидким водородом. При использовании высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) лент в составе обмоток электрических машин необходимо иметь в виду несколько существенных ограничений. Одной из схем, которая может быть адаптирована к применению ВТСП обмоток на статоре, является схема с кольцевой обмоткой якоря. В данной статье приведены соотношения для индуктивных параметров обмоток и линейной плотности тока электрической машины с кольцевой ВТСП обмоткой на статоре. Полученные соотношения позволяют выбрать рациональный тип экрана и определить его размеры и массу. Также показаны результаты сравнения параметров двух машин при использовании различных типов магнитных экранов.

Аннотация: Предложена методика расчета параметров электромагнитного поля в тонких плоских металлических листах магнитопроводов, экранов и шин в импульсном режиме. Определены такие параметры как магнитная напряженность и плотность тока, тепловая и магнитная энергия, температура, магнитный поток и электрический ток, сопротивление и индуктивность, приемлемая толщина листов. Эти параметры определены с учетом физических свойств материалов и размеров листов, амплитуды, формы и длительности импульса магнитной напряженности на поверхности листов. Разработанная методика получена на основе решения уравнений электромагнитного поля операторным и частотным методами, а также при помощи интеграла Дюамеля. Полученные формулы могут быть применены, например, в среде Mathcad для инженерного расчета в импульсном режиме магнитопроводов, экранов и шин при их автоматизированном проектировании. Достоверность методики подтверждена совпадением магнитных напряженностей, полученных частотным методом и интегралом Дюамеля.

Аннотация: Рассмотрено новое конструктивное решение магнитной системы синхронного генератора с постоянными магнитами (СГПМ) - низкооборотного магнитоэлектрического генератора (МЭГ). Приведены результаты математического и имитационного моделирования, а также экспериментальных исследований разработанного макетного образна МЭГ со скоростью вращения ротора до 600 об/мин. На основе анализа полученных результатов имитационного моделирования, экспериментальных исследований макетного образца МЭГ разработаны новые конструктивные решения низкоскоростного МЭГ с целью улучшения его электрических, электромагнитных, технико-экономических и массогабаритных показателей.

Аннотация: Приводятся результаты численного моделирования и экспериментального исследования пропускной способности ограничителей перенапряжений типа ОПН-ТП-3, 0/4-УХЛ 3 в составе автоматического быстродействующего вакуумного выключателя постоянного тока на максимальное напряжение 4, 1 кВ. Принцип работы вакуумного выключателя основан на принудительном переводе отключаемого тока через нуль с помощью встречного разряда предварительно заряженного конденсатора. Предложена численная модель, которая была реализована в пакете Matlab 6. 5 c использованием библиотеки Sim Power Systems. Применимость модели была экспериментально подтверждена при отключении тока вакуумным выключателем в режиме имитации тока короткого замыкания с разными скоростями нарастания тока. Исследования проводились на сильноточном высоковольтном испытательном стенде, который представляет собой колебательный контур с конденсаторной батареей на максимальное напряжение до 6 кВ с суммарной энергоемкостью до 1, 8 МДж. Численная модель удовлетворительно описывает процессы при отключении тока в вакуумном выключателе постоянного тока с принудительным переводом тока через нуль и позволяет оценить уровень рассеиваемой энергии в блоке ОПН при отключении тока короткого замыкания. Предложенная модель позволяет также оценить необходимое число параллельно соединенных ОПН при отключении аварийных токов в сетях тягового электроснабжения постоянного тока с индуктивностью от 5 до 15 мГн.