New Conducting Materials and Their Influence on the Parameters of High-Speed Electromechanical Power Converters
Keywords:
high-speed miniturbinegenerator, amorphous alloy, linear programming, permanent magnet, tangential stress, carbon nanomaterial, electrical steel
Abstract
The article presents the results from an analysis of the latest a chievements in development of materials having increased electrical conductivity. It is shown thatthereisa possibility to construct in the nearest future electromechanica lpower converters with windings made of carbon nanofiber the electrical conductivity of which in the range of non-cryogenic temperatures is a factor of 1.5 higher than that of Grade MM copper.The effect the electrical conductivity of conducting materials has on the parameters of mini turbine generators is investigated using the numerical experiment method for different magnetic, ferromagnetic, and structural materials. It is found that for high-speed miniturbine generators, the conducting material electrical conductivity value does not determine the choice of the mini turbine generator main dimensions and has an insignificant effect on the machine efficiency and on the extent to which the winding temperature is exceeded. The use of material having in creased electrical conductivity is more efficient for electromechanical power converters operating at the 50 Hz frequency, for which it becomes possible to operate with an essentially lower cooling agent flow rate. A procedure for estimating the parameters of mini turbine generators from the characteristics of conducting materials based on solving the linear programming problem is proposed.
References
Антипов В.Н., Грозов А.Д., Иванова А.В. Выбор магнитных и ферромагнитных материалов для высокоскоростных мини-турбогенераторов. — Электричество, 20i7, № 7, с. 38—46.
Антипов В.Н., Грозов А.Д., Иванова А.В. Применение линейного программирования для эффективного проектирования высокоскоростных мини-турбогенераторов. — Энергетик, 20i8, №4, с. 43-46.
Антипов В.Н., Грозов А.Д., Иванова А.В. Перспективные металлические стекла для высокоскоростных электромеханических преобразователей энергии. — Физика и химия стекла, 20i8, т. 44, № 2, с. 206—2X3.
Осинцев О.Е., Федоров В.Н. Медь и медные сплавы. М.: Машиностроение, 2004, 336 с.
Валиев Р.З., Гундеров Д.В., Мурашкин М.Ю., Семенова И.П. Объемные наноструктурные металлы и сплавы с уникальными механическими свойствами для перспективных применений. — Вестник УГАТУ, 2006, т. 7, № 3(i6), с. 23—34.
Нестеров К.М., Исламгалиев Р.К., Валиев Р.З. Прочность и электропроводность ультрамелкозернистого медного сплава системы Cu-Cr. УГАТУ. Машиностроение, 20i2, т. i6, № 8 (53), с. П0—П7.
Степанов Н.Д. Получение УМЗ структуры в меди и мик- рокомпозиционных медных сплавах методами больших пластических деформаций и ее влияние на свойства прочности и электропроводности: Автореф. дисс.... канд. техн. наук: 05.i6.0i. Екатеринбург, 20i3, 23 с.
Давиденко А.А. Получение высокопрочной наноструктурной медной проволоки с использованием метода угловой гидроэкструзии. — Сб. трудов VII Российской ежегодной конф. молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и
технология неорганических материалов». М: Интерконтакт, Наука, 2010, с. 24-25.
Чувильдеев В.Н., Копылов В.И., Нохрин А.В., Лопатин Ю.Г., Мелехин Н.В., Сахаров Н.В., Пискунов А.В. Термическая стабильность структуры и физико-механических свойств нано- и микрокристаллических металлов и сплавов, полученных методом равноканального углового прессования. — Сб. тезисов 7-й Международной конф. «Фазовые превращения и прочность кристаллов 2012». Черноголовка, 2012, с. 166.
Медведев А.Е., Мурашкин М.Ю., Еникеев Н.А., Овидько И.А., Валиев Р.З. Прочность и электропроводность ультрамел- козернистого алюминиевого сплава Al-2Fe, подвергнутого отжигу и деформации. — Физика и механика материалов, 2015, т. 24, № 3, с. 297—307.
Елецкий А.В. Углеродные нанотрубки. — Успехи физических наук, 1997, т. 9, с. 945—972.
Хугсейн С.М.Р.Х., Ханфар А. Углеродные нанотрубки: проблемы и перспективы их использования. — Успехи современной науки, 2017, т. 4, № 4, с. 166—169.
Дьячкова Т.П., Ткачев А.Г. Методы функционализации и модифицирования углеродных нанотрубок. М.: Изд. дом «Спектр», 2013, 152 с.
Яковлев Е.А., Яковлев Н.А., Ильиных И.А., Бурмистров И.Н., Горшков Н.В. Исследование влияния функционализированных многостенных углеродных нанотрубок на электропроводность и механические характеристики эпоксидных композитов. — Вестник Томского гос. ун-та, 2016, № 3(5), с. 15—23.
Москалюк А.Б., Алешин А.Н., Цобкалло Е.С., Крестинин А.В, Юдин В.Е. Электропроводность полипропиленовых волокон с дисперсными углеродными наполнителями. — Физика твердого тела, 2012, т. 54, вып. 10, с. 1993—1998.
Пат. на изобретение РФ №2621102. Углеродное нанот- рубчатое волокно, имеющее низкое удельное сопротивление/М.Я. Отто, де Й. Йонг и др. — БИ, 2017, № 16.
Володин А.А., Бельмесов А.А., Мурзин В.Б., Фурсиков П.В., Золотаренко А.Д., Тарасов Б.П. Электропроводящие композиты на основе оксида титана и углеродных нанотрубок. — Неорганические материалы, 2013, т. 49, № 7, с. 702—708.
Евдокимов И.А., Прусов Е.С., Киреев А.В. Модифицированные углеродными наноструктурами функциональные металломатричные композиционные материалы на основе алюминия и его сплавов с повышенными механическими и эксплуатационными свойствами. — Ползуновский альманах, 2010, № 2, с. 264—268.
Сайт компании ЗАО НПП «Редмаг» [Офиц. сайт] http://redmagnit.com/61.html. (Дата обращения 17.10. 2018).
Сайт компании Bossgoo.com [Офиц. сайт] http://china-magnets.ru.bossgoo.com/ (Дата обращения 14.09.2018).
Антипов В.Н., Грозов А.Д., Иванова А.В. Оценка систем охлаждения высокоскоростных мини-турбогенераторов. — Электричество, 2017, № 6, с. 36—42.
#
Antipov V.N., Grozov A.D., Ivanova A.V. Elektrichestvo — in Russ. (Electricity), 2017, No. 7, pp. 38—46.
Antipov V.N., Grozov A.D., Ivanova A.V. Energetik — in Russ. (Power Engineering Specialist), 2018, No. 4, pp 43—46.
Antipov V.N., Grozov A.D., Ivanova A.V. Fizika i khimiya stekla — in Russ. (Physics and Chemistry of Glass), 2018, vol. 44, No.2, pp. 206-213.
Osintsev O.Ye., Fedorov V.N. Med’ i mednye splavy (Copper and copper alloys). Moscow, Mashinostroeniye, 2004, 336 p.
Valiyev R.Z., Gunderov D.V., Muraskkin M.Yu., Semenova I. P. Vestnik of UGATU — in Russ. (Bulletin of Ufa State Aviation Technological University), 2006, vol. 7, No. 3 (16), pp. 23-34.
Nesterov K.M., Islamgaliyev R.K., Valiyev R.Z. Prochnost’ i elektroprovodnost’ ul’tramelkozernistogo mednogo splava sistemy Cu-Cr (The strength and electrical conductivity of an ultrafine-grained copper alloy of the Cu-Cr system). Ufa State Aviation Technological University. Mashinostroeniye, 2012, vol. 16, No. 8 (53), pp. 110-117.
Stepanov N.D. Polucheniye YM3 struktury v medi i mikrokompozitsionnykh mednykh splavakh metodami bol’shikh plasticheskikh deformatsiy i eye vliyaniye na svoistva prochnosti i elektroprovodnosti: Avtoref. diss.... kand. tekhn. nauk (Obtaining an ultrafine-grained structure in copper and microcomposition copper alloys using the methods of large plastic deformations and its influence on the strength and electrical conductivity properties): Author’s abstract. diss. ... Cand. Sci. (Eng.). 05.16.01. Ekaterinburg, 2013, 23 p.
Davidenko A.A. Polucheniye vysokoprochnoi nanostrukturnoi mednoi provoloki s ispol’zovaniyem metoda uglovoi gidroekstruzii. — Sb. trudov VII Rossiyskoi ezhegodnoi konf. molodykh nauchnykh sotrudnikov i aspirantov «Fiziko-khimiya i tekhnologiya neorganicheskikh materialov (Obtaining a high-strength nanostructured copper wire using the angular hydraulic extrusion method, in Proceedings of the Seventh Annual Russian Conference of Young Researchers and Post-Graduate Students «Physicochemistry and Technology of Inorganic Materials»). Moscow, Interkontakt, Nauka, 2010, pp. 24-25.
Chuvil’deyev V.N., Kopylov V.I., Nokhrin A.V., Lopatin Yu.G., Melekkhin N.V., Sakharov N.V., Piskunov A.V. Termicheskaya stabil’nost’ struktury i fiziko-mekhanicheskikh svoystv nano- i mikrokristallicheskikh metallov i splavov, poluchennykh metodom ravnokanal’nogo uglovogo pressovaniya. — Sb. tezisov 7-y Mezhgunarod. konf. «Fazovye prevrashcheniya i prochnost’ kristallov 2012» (Thermal stability of the structure and physicochemical properties of nano- and microcrystalline metals and alloys obtained using the equal-channel angular pressing method, in Abstracts of the Seventh International Conference «Phase Transformations and Strength of Crystals 2012»). Chernogolovka, 2012, 166 p.
Medvedev A.Ye., Murashkin M.Yu., Yenikeyev N.A., Ovid’ko I.A., Valiyev R.Z. Fizika i mekhanika materialov — in Russ. (Physics and Mechanics), 2015, vol. 24, No. 3, pp. 297-307.
Yeletskiy A.V. Uspekhifizicheskikh nauk — in Russ. (Advences in the physical sciences), 1997, vol. 9, pp. 945-972.
Khusseyn S.M.R.Kh., Khanfar A. Uspekhi sovremennoy nauki — in Russ. (Successes of modern science), 2017, vol. 4, No. 4, pp. 166-169.
D’yachkova T.P., Tkachev A.G. Metody funktsionalizatsii i modifitsirovaniya uglerodnykh nanotrubok (Carbon nanotubes functionalization and modification methods). Moscow, Publ. House «Spektr», 2013, 152 p.
Yakovlev Ye.A., Yakovlev N.A., Il’inykh I.A., Burmistrov I.N., Gorshkov N.V. Vestnik Tomskogo gos. universiteta. — in Russ. (Bulletin of Tomsk State University), 2016, No. 3 (5), pp. 15-23.
Moskalyuk A.B., Aleshin A.N., Tsobkallo Ye.S., Krestinin A.V., Yudin V.Ye. Fizika tverdogo tela — in Russ. (Solid state physics), 2012, vol. 54, iss. 10, pp. 1993-1998.
Pat. na izobreteniye RF No. 2621102. Uglerodnoe nanotrubchatoe volokno, imeyushcheye nizkoe udel’noe soprotivleniye (Carbon nanotubular fiber having low resistivity, RF Invention Patent No. 2621102)/M.Ya Otto, de Y. Yong and et al. Bulletin of inventions, 2017, No. 16.
Volodin A.A., Bel’mesov A.A., Murzin V.B., Fursikov P.V., Zolotarenko A.D., Tarasov B.P. Neorganicheskiye materialy — in Russ. (Inorganic materials), 2013, vol. 49,No. 7, pp. 702-708.
Yevdokimov I.A., Prusov Ye.S., Kireyev A.V. Polzunovskiy al’manakh — in Russ. (Polzunovsky almanac), 2010, No. 2, pp. 264-268.
Sayt JSC NPP «Redmag» [Ofits. Sayt] http://redmagnit.com/61.html (Data obrashchrniya 17.10. 2018).
Сайт компании Bossgoo.com. [Ofits. Sayt] http://china-magnets.ru.bossgoo.com/ (Data obrashchrniya 14.09.2018).
Antipov V.N., Grozov A.D., Ivanova A.V. Elektrichestvo — in Russ. (Electricity), 2017, No. 6, pp. 36-42.
Антипов В.Н., Грозов А.Д., Иванова А.В. Применение линейного программирования для эффективного проектирования высокоскоростных мини-турбогенераторов. — Энергетик, 20i8, №4, с. 43-46.
Антипов В.Н., Грозов А.Д., Иванова А.В. Перспективные металлические стекла для высокоскоростных электромеханических преобразователей энергии. — Физика и химия стекла, 20i8, т. 44, № 2, с. 206—2X3.
Осинцев О.Е., Федоров В.Н. Медь и медные сплавы. М.: Машиностроение, 2004, 336 с.
Валиев Р.З., Гундеров Д.В., Мурашкин М.Ю., Семенова И.П. Объемные наноструктурные металлы и сплавы с уникальными механическими свойствами для перспективных применений. — Вестник УГАТУ, 2006, т. 7, № 3(i6), с. 23—34.
Нестеров К.М., Исламгалиев Р.К., Валиев Р.З. Прочность и электропроводность ультрамелкозернистого медного сплава системы Cu-Cr. УГАТУ. Машиностроение, 20i2, т. i6, № 8 (53), с. П0—П7.
Степанов Н.Д. Получение УМЗ структуры в меди и мик- рокомпозиционных медных сплавах методами больших пластических деформаций и ее влияние на свойства прочности и электропроводности: Автореф. дисс.... канд. техн. наук: 05.i6.0i. Екатеринбург, 20i3, 23 с.
Давиденко А.А. Получение высокопрочной наноструктурной медной проволоки с использованием метода угловой гидроэкструзии. — Сб. трудов VII Российской ежегодной конф. молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и
технология неорганических материалов». М: Интерконтакт, Наука, 2010, с. 24-25.
Чувильдеев В.Н., Копылов В.И., Нохрин А.В., Лопатин Ю.Г., Мелехин Н.В., Сахаров Н.В., Пискунов А.В. Термическая стабильность структуры и физико-механических свойств нано- и микрокристаллических металлов и сплавов, полученных методом равноканального углового прессования. — Сб. тезисов 7-й Международной конф. «Фазовые превращения и прочность кристаллов 2012». Черноголовка, 2012, с. 166.
Медведев А.Е., Мурашкин М.Ю., Еникеев Н.А., Овидько И.А., Валиев Р.З. Прочность и электропроводность ультрамел- козернистого алюминиевого сплава Al-2Fe, подвергнутого отжигу и деформации. — Физика и механика материалов, 2015, т. 24, № 3, с. 297—307.
Елецкий А.В. Углеродные нанотрубки. — Успехи физических наук, 1997, т. 9, с. 945—972.
Хугсейн С.М.Р.Х., Ханфар А. Углеродные нанотрубки: проблемы и перспективы их использования. — Успехи современной науки, 2017, т. 4, № 4, с. 166—169.
Дьячкова Т.П., Ткачев А.Г. Методы функционализации и модифицирования углеродных нанотрубок. М.: Изд. дом «Спектр», 2013, 152 с.
Яковлев Е.А., Яковлев Н.А., Ильиных И.А., Бурмистров И.Н., Горшков Н.В. Исследование влияния функционализированных многостенных углеродных нанотрубок на электропроводность и механические характеристики эпоксидных композитов. — Вестник Томского гос. ун-та, 2016, № 3(5), с. 15—23.
Москалюк А.Б., Алешин А.Н., Цобкалло Е.С., Крестинин А.В, Юдин В.Е. Электропроводность полипропиленовых волокон с дисперсными углеродными наполнителями. — Физика твердого тела, 2012, т. 54, вып. 10, с. 1993—1998.
Пат. на изобретение РФ №2621102. Углеродное нанот- рубчатое волокно, имеющее низкое удельное сопротивление/М.Я. Отто, де Й. Йонг и др. — БИ, 2017, № 16.
Володин А.А., Бельмесов А.А., Мурзин В.Б., Фурсиков П.В., Золотаренко А.Д., Тарасов Б.П. Электропроводящие композиты на основе оксида титана и углеродных нанотрубок. — Неорганические материалы, 2013, т. 49, № 7, с. 702—708.
Евдокимов И.А., Прусов Е.С., Киреев А.В. Модифицированные углеродными наноструктурами функциональные металломатричные композиционные материалы на основе алюминия и его сплавов с повышенными механическими и эксплуатационными свойствами. — Ползуновский альманах, 2010, № 2, с. 264—268.
Сайт компании ЗАО НПП «Редмаг» [Офиц. сайт] http://redmagnit.com/61.html. (Дата обращения 17.10. 2018).
Сайт компании Bossgoo.com [Офиц. сайт] http://china-magnets.ru.bossgoo.com/ (Дата обращения 14.09.2018).
Антипов В.Н., Грозов А.Д., Иванова А.В. Оценка систем охлаждения высокоскоростных мини-турбогенераторов. — Электричество, 2017, № 6, с. 36—42.
#
Antipov V.N., Grozov A.D., Ivanova A.V. Elektrichestvo — in Russ. (Electricity), 2017, No. 7, pp. 38—46.
Antipov V.N., Grozov A.D., Ivanova A.V. Energetik — in Russ. (Power Engineering Specialist), 2018, No. 4, pp 43—46.
Antipov V.N., Grozov A.D., Ivanova A.V. Fizika i khimiya stekla — in Russ. (Physics and Chemistry of Glass), 2018, vol. 44, No.2, pp. 206-213.
Osintsev O.Ye., Fedorov V.N. Med’ i mednye splavy (Copper and copper alloys). Moscow, Mashinostroeniye, 2004, 336 p.
Valiyev R.Z., Gunderov D.V., Muraskkin M.Yu., Semenova I. P. Vestnik of UGATU — in Russ. (Bulletin of Ufa State Aviation Technological University), 2006, vol. 7, No. 3 (16), pp. 23-34.
Nesterov K.M., Islamgaliyev R.K., Valiyev R.Z. Prochnost’ i elektroprovodnost’ ul’tramelkozernistogo mednogo splava sistemy Cu-Cr (The strength and electrical conductivity of an ultrafine-grained copper alloy of the Cu-Cr system). Ufa State Aviation Technological University. Mashinostroeniye, 2012, vol. 16, No. 8 (53), pp. 110-117.
Stepanov N.D. Polucheniye YM3 struktury v medi i mikrokompozitsionnykh mednykh splavakh metodami bol’shikh plasticheskikh deformatsiy i eye vliyaniye na svoistva prochnosti i elektroprovodnosti: Avtoref. diss.... kand. tekhn. nauk (Obtaining an ultrafine-grained structure in copper and microcomposition copper alloys using the methods of large plastic deformations and its influence on the strength and electrical conductivity properties): Author’s abstract. diss. ... Cand. Sci. (Eng.). 05.16.01. Ekaterinburg, 2013, 23 p.
Davidenko A.A. Polucheniye vysokoprochnoi nanostrukturnoi mednoi provoloki s ispol’zovaniyem metoda uglovoi gidroekstruzii. — Sb. trudov VII Rossiyskoi ezhegodnoi konf. molodykh nauchnykh sotrudnikov i aspirantov «Fiziko-khimiya i tekhnologiya neorganicheskikh materialov (Obtaining a high-strength nanostructured copper wire using the angular hydraulic extrusion method, in Proceedings of the Seventh Annual Russian Conference of Young Researchers and Post-Graduate Students «Physicochemistry and Technology of Inorganic Materials»). Moscow, Interkontakt, Nauka, 2010, pp. 24-25.
Chuvil’deyev V.N., Kopylov V.I., Nokhrin A.V., Lopatin Yu.G., Melekkhin N.V., Sakharov N.V., Piskunov A.V. Termicheskaya stabil’nost’ struktury i fiziko-mekhanicheskikh svoystv nano- i mikrokristallicheskikh metallov i splavov, poluchennykh metodom ravnokanal’nogo uglovogo pressovaniya. — Sb. tezisov 7-y Mezhgunarod. konf. «Fazovye prevrashcheniya i prochnost’ kristallov 2012» (Thermal stability of the structure and physicochemical properties of nano- and microcrystalline metals and alloys obtained using the equal-channel angular pressing method, in Abstracts of the Seventh International Conference «Phase Transformations and Strength of Crystals 2012»). Chernogolovka, 2012, 166 p.
Medvedev A.Ye., Murashkin M.Yu., Yenikeyev N.A., Ovid’ko I.A., Valiyev R.Z. Fizika i mekhanika materialov — in Russ. (Physics and Mechanics), 2015, vol. 24, No. 3, pp. 297-307.
Yeletskiy A.V. Uspekhifizicheskikh nauk — in Russ. (Advences in the physical sciences), 1997, vol. 9, pp. 945-972.
Khusseyn S.M.R.Kh., Khanfar A. Uspekhi sovremennoy nauki — in Russ. (Successes of modern science), 2017, vol. 4, No. 4, pp. 166-169.
D’yachkova T.P., Tkachev A.G. Metody funktsionalizatsii i modifitsirovaniya uglerodnykh nanotrubok (Carbon nanotubes functionalization and modification methods). Moscow, Publ. House «Spektr», 2013, 152 p.
Yakovlev Ye.A., Yakovlev N.A., Il’inykh I.A., Burmistrov I.N., Gorshkov N.V. Vestnik Tomskogo gos. universiteta. — in Russ. (Bulletin of Tomsk State University), 2016, No. 3 (5), pp. 15-23.
Moskalyuk A.B., Aleshin A.N., Tsobkallo Ye.S., Krestinin A.V., Yudin V.Ye. Fizika tverdogo tela — in Russ. (Solid state physics), 2012, vol. 54, iss. 10, pp. 1993-1998.
Pat. na izobreteniye RF No. 2621102. Uglerodnoe nanotrubchatoe volokno, imeyushcheye nizkoe udel’noe soprotivleniye (Carbon nanotubular fiber having low resistivity, RF Invention Patent No. 2621102)/M.Ya Otto, de Y. Yong and et al. Bulletin of inventions, 2017, No. 16.
Volodin A.A., Bel’mesov A.A., Murzin V.B., Fursikov P.V., Zolotarenko A.D., Tarasov B.P. Neorganicheskiye materialy — in Russ. (Inorganic materials), 2013, vol. 49,No. 7, pp. 702-708.
Yevdokimov I.A., Prusov Ye.S., Kireyev A.V. Polzunovskiy al’manakh — in Russ. (Polzunovsky almanac), 2010, No. 2, pp. 264-268.
Sayt JSC NPP «Redmag» [Ofits. Sayt] http://redmagnit.com/61.html (Data obrashchrniya 17.10. 2018).
Сайт компании Bossgoo.com. [Ofits. Sayt] http://china-magnets.ru.bossgoo.com/ (Data obrashchrniya 14.09.2018).
Antipov V.N., Grozov A.D., Ivanova A.V. Elektrichestvo — in Russ. (Electricity), 2017, No. 6, pp. 36-42.
