Issn 2072-0297 Молодой учёный Международный научный журнал Выходит еженедельно №28 (132) / 2016 р е д а к ц и о н н а я к о л л е г и я : Главный редактор

Высокотемпературные сверхпроводящие электродвигательные 
установки для применения на флоте
Захарова Евгения Игоревна, магистрант;
Зингер Мария Александровна, магистрант;
Захаров Игорь Вячеславович, доктор технических наук, профессор
Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова (Казахстан)
Р
азвитие ряда отраслей промышленности и новейшей 
техники потребовало создания установок на весьма 
большие постоянные токи, измеряемые сотнями кило-
ампер. В большинстве случаев подобные установки яв-
ляются низковольтными. Примером такого электроо-
борудования могут служить униполярные генераторы 
и электрические машины.
Униполярные генераторы применяют для получения 
больших токов 10
3
 ÷ 10
5
 А при напряжении от единицы 
до сотен вольт.

“Young Scientist”  .  #28 (132)  .  December 2016
83
Technical Sciences
Униполярные электрические машины находят приме-
нение в установках, где требуется иметь минимальную 
индуктивность цепи якоря. При необходимости генери-
рования больших токов униполярные генераторы пре-
восходят машины постоянного тока с коллектором, так 
как в них не требуется принимать мер для обеспечения 
удовлетворительной коммутации; кроме того, в них от-
сутствуют магнитные потери в стали и некоторые доба-
вочные потери. Поэтому у них высокий коэффициент по-
лезного действия.
Подобного рода оборудование используют в электро-
химии  —  для получения меди, алюминия и других ме-
таллов методом электролиза; в электрометаллургии  — 
для питания дуговых печей, в частности устройства для 
электромагнитного перемешивания металла в ванне печи; 
для питания электромагнитных насосов, перекачивающих 
жидкий металл; в ядерной физике — в токамаке для воз-
буждения плазмы; в военном деле — для питания рельсо-
трона; на флоте — в качестве генераторов, гребных элек-
тродвигателей и т. д.
Недостатком этих машин является сложность выпол-
нения токосъемных устройств. При больших токах вместо 
обычного щеточного аппарата для токосъема с кон-
тактных колец применяют жидкометаллические кон-
такты. Для этого в зазор между кольцевыми электродами, 
расположенными на статоре и роторе, помещают легко-
плавкий металл: ртуть (температура плавления Тпл = 234 
К), сплав натрия и калия (Тпл = 262 К) или сплавы калия 
с индием и оловом (Тпл = 300 К). При использовании 
жидкометаллических контактов в них резко уменьшаются 
электрические потери из-за малого падения напряжения 
в контакте, а также механические потери от трения по 
сравнению со щеточными контактами обычного типа [1].
Открытие явления высокотемпературной сверхпрово-
димости (ВТСП) создало принципиально новые возмож-
ности для практического применения генераторов и элек-
трических машин.
Применение жидкометаллического токосъема 
в сверхпроводниковых машинах значительно труднее, 
чем в обычных. Это объясняется наличием больших маг-
нитных полей в сверхпроводниковых машинах, что может 
привести к недопустимым электромагнитным потерям 
в жидком металле. Поэтому конструкция сверхпроводни-
ковой машины должна быть такой, чтобы зона жидкоме-
таллического токосъема находилась в сравнительно не-
большом магнитном поле.
В качестве жидких металлов могут применяться 
сплавы Na — К, In — Hg, Ga — In, Ga — In — Sn. К со-
жалению, все указанные металлы имеют определенные 
недостатки. Натрий не допускает присутствия влаги, ртуть 
токсична, галлий является и токсичным и коррозийным. 
Поэтому в системе с жидкометаллическим токосъемом 
должны быть исключены течи и попадание кислорода 
в область жидкого металла. Обычно в качестве жидкого 
металла используется сплав Na  —  К, защитной средой 
служит азот. В процессе работы жидкий металл может 
постепенно трансформироваться в порошкообразный ма-
териал. Это особенно проявляется в случае применения 
сплава Ga — In. Несмотря на большие трудности, разра-
ботка жидкометаллического токосъема имеет решающее 
значение для создания сверхпроводниковых униполярных 
машин очень больших мощностей. При этом исследования 
должны охватывать металлургические и химические яв-
ления, а также вопросы надежности. Для упрощения кон-
струкции важно получить возможность размещения жид-
кометаллического токосъема в зоне больших магнитных 
полей. Кроме того, необходимо увеличить скорость под-
вижного контакта до 200 м/с [2].
В целом следует сказать, что сверхпроводники приме-
няются для обмоток возбуждения синхронных электри-
ческих машин и электрических машин постоянного тока. 
Использование сверхпроводников в электрических ма-
шинах позволяет в несколько раз увеличить плотность 
тока в обмотках возбуждения и повысить магнитную ин-
дукцию. При надлежащем исполнении обмоток якоря от-
крываются возможности уменьшения массы и габаритов 
электрических машин, а также улучшения их параметров. 
В то же время сверхпроводящее состояние обмоток воз-
буждения приводит к исключению в них потерь активной 
мощности, а, следовательно, к увеличению коэффициента 
полезного действия электрических машин. Таким образом, 
имеет место редкое сочетание в технике одновременного 
уменьшения массы и габаритов и роста коэффициента по-
лезного действия генераторов и электродвигателей.
Электрические машины с использованием явления 
сверхпроводимости имеют неоспоримые преимущества 
по сравнению с электрическими машинами традицион-
ного исполнения при больших мощностях, особенно там, 
где требуются минимальная масса электрических машин 
и пониженная механическая инерционность ротора [2].
В последнее время появились сведения о применении 
униполярных электрических машин с ВТСП обмотками 
подмагничивания на флоте [3].
Компания General Electric (США) занимается разра-
боткой и созданием мощных униполярных ВТСП гене-
раторов и электродвигателей. Униполярные электриче-
ские машины с ВТСП обмотками подмагничивания имеют 
целый ряд преимуществ по сравнению с традиционными 
электрическими машинами, особенно при высокой ча-
стоте вращения. В рамках проекта AFRL (Air Force Re-
search Lab) компания General Electric разрабатывает 
униполярный генератор с ВТСП обмотками подмагничи-
вания мощностью 5 МВт и частотой вращения 16000 об/
мин для последующего использования в мощных энерге-
тических установках. Демонстрационный образец унипо-
лярного генератора мощностью 1 МВт был изготовлен 
и успешно испытан. На основании полученного в ходе 
работ по проекту AFRL опыта в General Electric была по-
ставлена задача разработки ВТСП униполярных элек-
трических машин для нужд флота: основных и вспомо-
гательных генераторов, гребных электродвигателей, 
различных вспомогательных электродвигателей. Компа-

«Молодой учёный»  .  № 28 (132)   .  Декабрь 2016  г.
84
Технические науки
нией General Electric было разработано четыре демон-
страционных образца электрических машин с ВТСП об-
мотками подмагничивания для флота, среди них: основной 
генератор мощностью 36 МВт (3600 об/мин) и гребной 
электродвигатель мощностью 36 МВт (120 об/мин). 
Также были разработаны вспомогательные генератор 
(7000 об/мин) и электродвигатель (132 об/мин) мощно-
стью 4 МВт каждый.
Рис.
 1. Генератор с ВТСП обмотками подмагничивания
На рисунке 1 изображена схема ВТСП униполярного 
генератора, состоящего из ВТСП обмотки подмагничи-
вания постоянного тока, стального ротора и медного ста-
тора. Параметры обмотки статора и его железного ярма 
оптимизированы с целью получения наилучших харак-
теристик. Полюса ротора достаточно сильно выступают, 
полюса на одном из концов ротора смещены на 45 ° от-
носительно полюсов на другом его конце. ВТСП об-
мотка подмагничивания работает при температуре 30 К, 
в замкнутом цикле охлаждения от криокулера. Исполь-
зование небольшой одиночной ВТСП катушки снижает 
требования к системе охлаждения и сокращает стои-
мость устройства. В таблице 1 приведены основные тех-
нические параметры для всех четырех разработанных 
устройств. Для сравнения, обычный униполярный гене-
ратор мощностью 25 МВт (3600 об/мин) имеет диаметр 
около 3 м, длину 5 м при весе в 57 тонн. Наиболее эффек-
тивно электрические машины с ВТСП обмотками под-
магничивания работают при высокой частоте вращения.
В рамках Applied Basic Project был создан прототип 
электродвигателя для привода гребного винта мощно-
стью 15 кВт и частотой вращения 360 об/мин, хотя в нем 
сверхпроводящим был только статор, а ротор выполнен 
из традиционных материалов. К электродвигателю был 
присоединён винт 50 см в диаметре, в настоящее время 
он проходит тестовые испытания. В рамках проекта также 
был разработан электродвигатель на 7,5 кВт со сверхпро-
водящим ротором и статором из несверхпроводящих ма-
териалов. В настоящее время данный двигатель находится 
в процессе сборки [4].
Таблица
 1. Основные параметры электрических машин с ВТСП обмотками подмагничивания
Устройство
Основной  
генератор
Вспомогательный 
генератор
Гребной электро-
двигатель
Гребной электро-
двигатель в гондоле
Мощность, МВт
36
4
36
4
Частота вращения, об/мин
3600
7000
120
132
Номинальное напряжение, кВ
6,6
6,6
3,8
4,16
Число фаз
3
6
3
3
Число полюсов
6
6
18
48
Рабочая частота, Гц
180
350
18
52,8
КПД при полной нагрузке,%
> 98
> 98
> 95
> 95
Расход ВТСП ленты Bi-2223, км
6
1,1
11
5
I
t при 77 К в собственном поле, А
150
150
150
150
Диаметр, см
110
90
290
290
Длина, см
200
80
400
500
Потребляемая мощность 
криокулера, кВт
14,4
7,2
14,4
7,2
Масса криокулера, кг
300
120
300
150
Суммарный вес устройства, т
12
1,3
100
11

“Young Scientist”  .  #28 (132)  .  December 2016
85
Technical Sciences
Китайская Судостроительная Корпорация разработала 
и испытала ВТСП электродвигатель мощностью 1 МВт, 
который можно использовать для привода гребного винта 
через редуктор (Рисунок 2). Электродвигатель выполнен 
со сверхпроводниковым ротором: шесть полюсов с ВТСП 
обмотками из Bi-2223 проводника. Рабочая темпера-
тура ротора 35–40 К, охлаждение осуществляется газо-
образным гелием. Скорость вращения ротора достигает 
1000 оборотов в минуту, КПД при полной мощности со-
ставляет 95%. Статор электродвигателя — медный с во-
дяным охлаждением [5].
Рис.
 2. Прототип судового ВТСП электродвигателя мощностью 1 МВт
Приведенные сведения дают основание сделать следу-
ющие выводы:
1.  Униполярные электрические машины с ВТСП об-
мотками подмагничивания при высокой частоте вращения 
(3600 об/мин или более) практически не уступают зна-
чительно более сложным устройствам с ВТСП статором 
и ротором.
2.  Параметры тихоходных гребных электродвигателей 
с ВТСП обмотками подмагничивания при частотах вра-
щения около 120 об/мин будут хуже, чем для электриче-
ских машин с полностью ВТСП статором и ротором.
3. Цена устройств с ВТСП обмотками подмагничи-
вания, будет заведомо ниже, что может стать решающим 
аргументом в их пользу.
В заключение следует сказать, что ВТСП электродвига-
тели, обладая целым рядом весомых преимуществ, находят 
все большее применение на кораблях морского флота при 
замене движительных установок традиционного типа.
Литература:
1.  Брускин Д. Э. и др. Электрические машины: Ч. 2 / Брускин Д. Э., Зорохович А. Е., Хвостов В. С. — М.: Высшая 
школа, 1987. — 319 с.
2.  Электрофизические проблемы использования сверхпроводимости / Глебов И. 
А., Лаверик Ч., Шах-
тарин В. Н. — Л.: Наука, 1980. — 256 с.
3.  K. Sivasubramaniam et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 18, 1, 2008.
4.  Superconductivity Web 21, fall issue, 2007.
5.  Свистунова О. И. Разработка и создание ВТСП устройств в КНР // Информационный бюллетень «Сверхпро-
водники для электроэнергетики». — М: НИЦ Курчатовский институт, 2015. — т. 12, №  3. — С. 9–12.
Использование нормативной литературы при проектировании 
бетонных конструкций армированных композитной арматурой
Землянухин Александр Дмитриевич, студент
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
В статье рассматривается возможность использования пособий по проектированию железобетонных 
конструкций для конструкций армированных композитной арматурой.
Ключевые слова: композитная арматура, железобетонные конструкции, многоэтажное строительство

«Молодой учёный»  .  № 28 (132)   .  Декабрь 2016  г.
86
Технические науки
Using normative literature in the design of concrete 
structures reinforced composite reinforcement
Zemlyanukhin Akeksandr Dmitrievich
П
ервое производство композитной арматуры состо-
ялось в СССР в конце 1960-начале 1970-х годов. 
Тогда это была стеклокомпозитная арматура (именова-
лась стеклопластиковой, сокращенно — СПА), которую 
выпускали диаметром до 6 мм. Высокая прочность ар-
матуры при растяжении (до 1000 МПа) сразу же ука-
зала и наиболее рациональную область ее применения — 
предварительно напряженные конструкции.
Однако широкого распространения арматура не полу-
чила, и дальше опытного применения дело, по существу, 
не пошло. Среди причин, кроме высокой стоимости, не-
малое значение имела ограниченность сортамента СПА 
(до 6 мм). Натягивать арматуру можно было либо оди-
ночно (что было трудоемко и требовало дорогостоящих 
захватов), либо т. н. струнопакетами, от которых к тому 
времени в стройиндустрии повсеместно отказывались 
(кроме производства железнодорожных шпал) и перехо-
дили к использованию более мощных арматурных эле-
ментов — канатов (прядей) и высокопрочных стержней.
Сегодня композитная арматура переживает второе 
рождение. К стеклокомпозитной (АСК), добавилась ба-
зальтокомпозитная (АБК), углекомпозитная (АУК), ара-
мидокмпозитная (ААК) и комбинированная (АКК), сорта-
мент намного расширил свои границы — от 4 до 32 мм, 
производство арматуры освоено многими предприятиями, 
разработан ГОСТ [2].
В 2013 году в Интернете опубликован проект Свода 
правил [3], регламентирующего проектирование кон-
струкций из бетона с такой арматурой. Правда, некоторые 
производители утверждают, что можно пользоваться су-
ществующими нормами проектирования железобетонных 
конструкций [4], подставляя в формулы соответствующие 
характеристики композитной арматуры, и, вроде бы, эф-
фект получится сам собой. Ниже будет показано, что 
такой оптимизм несколько преждевременен, а пока рас-
смотрим основные особенности композитной арматуры. 
Их учет позволит избежать двух крайностей — вначале 
восторга, а потом «анафемы» (эти крайности сыграли 
в свое время негативную роль в деле распространения 
первой стеклопластиковой арматуры).
Как и любой строительный материал композитная ар-
матура обладает своими технологическими особенно-
стями. Например снижение прочности при температуре 
выше +60 °C. Из этого следует, что либо температура 
термообработки бетона, вместо обычных для сборных из-
делий 80 °C, должна быть не выше 60 °C (что приведет к уд-
линению технологического цикла и удорожанию изделий), 
либо к расчетному сопротивлению арматуры необходимо 
вводить понижающий коэффициент (а это приведет к до-
полнительному расходу арматуры и тоже к удорожанию 
изделий). Из этого также следует, что огнестойкость кон-
струкций с композитной арматурой намного ниже, чем со 
стальной.
Предел прочности при растяжении, согласно ГОСТ [2], 
составляет: для АСК и АБК — не менее 800 МПа, для 
АУК и ААК — не менее 1400 МПА, для АКК — не менее 
1000 МПа. Эти показатели совпадают с величинами нор-
мативного сопротивления стальной арматуры классов со-
ответственно А800, Вр1400 и А1000, которую используют 
только в преднапряженном железобетоне (в обычном же-
лезобетоне проку от столь высокой прочности нет).
Предел прочности при сжатии для АУК составляет 
не менее 1000 МПа, для остальных видов не менее 500 
МПа. Но данный показатель никакого практического зна-
чения не имеет, о чем будет сказано ниже.
Модуль упругости при растяжении Еs установлен не 
менее 50 ГПа для АСК и АБК, не менее 130 ГПа для АУК, 
не менее 70 ГПа для ААК и не менее 100 ГПа для АКК, что 
существенно ниже модуля упругости стальной арматуры, 
равного 200 ГПа.
Поскольку арматура работает (деформируется) со-
вместно с бетоном, расчетное сопротивление сжатию Rsc 
определяется не ее прочностью, а предельной сжимаемо-
стью бетона (e
bu
), по достижении которой происходит раз-
рушение сжатого бетона и выключение из работы сжатой 
арматуры. Отсюда
 
 
 
  
(1)
Расчетная же величина e
bu
, согласно СП [4], при крат-
ковременном действии нагрузки равняется 0,002% (при 
продолжительном действии — 0,0025%). При таких зна-
чениях ebu прочность сжатой композитной арматуры ис-
пользуется не более чем на треть (см. табл. 1). Отметим, 
что именно по этой причине сжатую стальную арматуру 
классов выше А600 не применяют.
По причине невысокого модуля упругости вряд ли це-
лесообразно применение композитной арматуры и в каче-
стве рабочей растянутой арматуры в обычных изгибаемых 
конструкциях.
Если при проектировании конструкций пользоваться 
современными нормами [4], то ширину раскрытия нор-
мальных трещин следует определять по формуле:


     
 
  
(2)
из которой видно, что при прочих равных условиях ши-
рина раскрытия трещин acrc увеличивается во столько же 
раз, во сколько раз уменьшается модуль упругости арма-
туры E. (Эта обратная зависимость существовала и во всех 
предыдущих редакциях норм.) То есть там, где со стальной 
арматурой ширина раскрытия достигает предельного зна-

“Young Scientist”  .  #28 (132)  .  December 2016
87
Technical Sciences
чения 0,3 мм, с композитной она будет составлять от 
0,45 мм (АУК) до 1,2 мм (АСК, АБК). Чтобы уменьшить 
величину acc, потребуется уменьшать величину напря-
жений ст, а значит — увеличивать расход арматуры.
Аналогичная ситуация с жесткостью D конструкций, 
имеющих трещины в растянутой зоне, которую опреде-
ляют по формуле [4]:



 
  
(3)
Жесткость напрямую влияет на кривизну изгибаемого 
элемента и на его прогиб, а сама она, как видно из фор-
мулы, напрямую зависит от модуля упругости арматуры.
Если предельно допустимое значение ширины рас-
крытия трещин асгси в элементах с композитной ар-
матурой можно несколько увеличить (из-за высокой 
коррозионной стойкости последней), то с предельно до-
пустимым прогибом fu сделать это нельзя, поскольку ве-
личина его связана с технологическими, эстетико-психо-
логическими, физиологическими и др. факторами, а никак 
не с особенностями арматуры.
В то же время, из-за отсутствия пластических дефор-
маций удлинение композитной арматуры при разрыве  
(
  
 
) невелико. Если у высокопрочной стальной 
проволоки оно не менее 4%, а у стержневой термоупроч-
ненной арматуры классов А800 и А1000 — не менее 2%, 
то у композитной арматуры колеблется от 1,0 до 1,6% 
и лишь у ААК достигает минимально необходимых 2% 
(табл. 1). Эта особенность чревата хрупким (т. е. наиболее 
опасным) разрушением конструкций, поэтому при проек-
тировании к прочности композитной арматуры следует 
вводить понижающие коэффициенты. Попутно отметим, 
что величина удлинения — одного из важнейших норми-
руемых параметров стальной арматуры  —  в ГОСТе [2] 
вообще не приведена.
Не дает ГОСТ также сведений о плотности компо-
зитной арматуры. Проектировщику, если ему придется 
разрабатывать конструкции, расход композитной арма-
туры предстоит определять в кубометрах или в кубодеци-
метрах (литрах), а не в килограммах.
Вследствие низкого модуля упругости и высокой проч-
ности эффективной областью применения были обозна-
чены предварительно напряженные конструкции, а также 
электроизолирующие конструкции с применением специ-
альных бетонов и конструкции с высокой сопротивляемо-
стью действию агрессивных сред.
Потери напряжений в напрягаемой арматуре от усадки 
и ползучести бетона по Рекомендациям определялись как 
для стальной арматуры с умножением результата на ко-
эффициент пропорциональности, равный отношению 
модулей упругости композитной и стальной арматуры. 
В Рекомендациях приведены также формулы потерь от 
релаксации напряжений и от перепада температуры при 
натяжении на упоры стенда. Кроме того, приведена длина 
зоны передачи напряжений для арматуры диаметром 
6 мм: lp = 250 мм.
Рекомендации [1] устанавливали следующие коэффи-
циенты условий работы, вводимые к расчетному сопро-
тивлению арматуры:
–  при продолжительном действии нагрузки — 0,65,
–  при пропаривании изделий до температуры 60 °C — 0,9, 
до температуры 70 °C — 0,85, до температуры 80 °C — 0,8.
В проекте СП записано, что «нормативные значения 
сопротивления растяжению, модуля упругости и пре-
дельных относительных удлинений при разрыве следует 
определять с обеспеченностью 0,95 по результатам испы-
таний… в соответствии с ГОСТ». В ГОСТ же нет не только 
указаний по испытанию, но и самой величины предельных 
удлинений (об этом сказано выше). А главное, сами ве-
личины нормативного сопротивления растяжению отсут-
ствуют и там, и там. Поэтому не понятно, то ли временное 
сопротивление приведено с обеспеченностью 0,95 и уже 
является нормативным сопротивлением, то ли его ещё ко-
му-то надо определять.
Расчетное сопротивлению сжатию, согласно проекту 
СП, принято равным нулю. Такое радикальное решение 
вполне объяснимо. Чтобы сжатая арматура работала, 
нужно ее удержать поперечными стержнями (хомутами) 
от потери устойчивости. Композитные же хомуты здесь 
применить невозможно, так как они не гнутся и не при-
вариваются.
Что касается нормальных сечений, то в проекте 
СП [3], в отличие от Рекомендаций [1], указания о пред-
почтительности проектирования переармированных се-
чений (т. е. с перерасходом продольной арматуры) отсут-
ствуют. Но, по всей вероятности, перерасход получится 
и без этих указаний, если применять все коэффициенты 
условий работы арматуры и соблюдать требуемые огра-
ничения по жесткости и раскрытию трещин.
Как итог можно отметить, композитная арматура об-
ладает рядом превосходных качеств, находится вне кон-
куренции в той специфической области, где применение 
стальной арматуры недопустимо в принципе. В остальных 
случаях ее применение не оправдано, как технологически, 
так и экономически.
Таблица