Создание сверхпроводниковых электрических машин с высокой удельной мощностью для перспективных более/полностью электрических самолетов

Выполнен анализ российских и зарубежных разработок в области электрических машин для БЭС/ПЭС. Повышение энергетической эффективности, т.е. способности летательного аппарата (ЛА) выполнять целевую функцию при минимальных затратах энергии, становится сегодня основным критерием его совершенства. Решение этого вопроса является комплексной задачей и затрагивает все энергетические системы ЛА, в том числе и авиационный двигатель. Одним из наиболее перспективных направлений создания конкурентоспособного самолета будущего является переход к концепции полностью электрического самолета (ПЭС). В большинстве промышленно развитых стран концепция ПЭС уже близка к своей реализации в области малой авиации и создания беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Примерами проектов малых электрических ЛА аппаратов являются китайский самолет Yuneec E430, немецкий Antares DLR-H2, американский SolarImpulse, европейский E-Fan и другие. Эти образцы ПЭС имеют вместимость до 4 человек и скорость полета в среднем 120 км/ч. Осуществлен обзор и выбраны наиболее перспективные концепции построения ВТСП электрических машин с высокими удельными параметрами, которые технически реализуемы в ближайшее время. В частности приведены особенности электрической машины с возбуждением от постоянных магнитов и ВТСП обмоткой якоря. Такая машина является бесконтактной, может обеспечить высокие частоты вращения, и обладает высокой линейной нагрузкой статора. Все это делает ее применение довольно перспективным в высокооборотном приложении. Коллекторный ВТСП электродвигатель (ЭД) постоянного тока аналогичен по конструкции традиционному коллекторному двигателю, но его обмотка статора выполнена из современных ВТСП лент, а обмотка ротора– из алюминия. Специфика проектирования ВТСП ЭД определяется конструктивными особенностями: наличием криостатированной ВТСП обмотки индуктора с криогенным охлаждением, которая размещается на статоре; выполнением машины без ферромагнитопровода якоря, влиянием сильных магнитных полей возбуждения, необходимостью их экранирования и т.д. Индукторные электрические машины с комбинированным возбуждением предполагают наличие постоянных магнитов на роторе и статичных обмоток возбуждения, которые могут быть выполнены из ВТСП лент второго поколения. Это существенно упрощает его конструкцию и увеличивает надежность. Полностью ВТСП электрическая машина представляет собой электромеханический преобразователь, обмотки статора и ротора которого выполнены из ВТСП лент второго поколения. Благодаря высоким значениям транспортного тока современных сверхпроводников, становится возможным увеличить значение магнитной индукции в воздушном зазоре, поднять линейную нагрузку статора. В связи с этим, использование ВТСП обмоток на статоре и роторе машины позволяет увеличить мощность единичного агрегата и его удельную мощность. Выбор рациональных конструктивных схем ВТСП электрических машин для ПЭС включает в себя определение места расположения и конструкции ВТСП обмоток, их крепления и типа криостатирования. В настоящее время возможно применение только ВТСП обмоток, состоящих из катушек типа рейстрек. В связи с этим в работе предложена конструкция, обмотки статора и ротора которой выполнены из ВТСП катушек типа рейстрек. Охлаждение ВТСП обмоток статора и ротора может быть реализовано совместное или раздельное. Особенности каждого типа охлаждения рассмотрены в ходе работы.