Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Перспективы развития магнитоэлектрических машин, основанных на использовании новых материалов
1.1. Общие замечания 12
1.2. Материалы на основе микро- и нанотехнологий для магнитоэлектрических машин. 14
1.3. Варианты конструктивного исполнения синхронных магнитоэлектрических машин с возбуждением от редкоземельных постоянных магнитов 22
1.4. Варианты конструктивного исполнения магнитоэлектрических машин с возбуждением от объемных высокотемпературных сверхпроводников 31
1.5. Анализ предшествующего опыта по исследованию серии модельных дисковых машин 35
1.6. Задачи диссертационной работы 38
Глава 2. Обращенная синхронная машина для интегрированного накопительного комплекса
2.1. Общие замечания 40
2.2. Конструктивная схема синхронной машины обращенного типа с постоянными магнитами для ИНК 41
2.3. Аналитический расчет электромагнитных полей магнитоэлектрической машины обращенного типа 2.3.1. Особенности расчета электромагнитных полей машины с редкоземельными постоянными магнитами 46
2.3.2. Аналитическое определение поля возбуждения в воздушном зазоре электрической машины 49
2.3.3. Аналитическое определение поля обмотки статора в воздушном зазоре электрической машины 2.4. Оптимизация потерь в активной зоне машины обращенного типа 62
2.5. Основные параметры синхронной магнитоэлектрической машины для ИНК 72
2.6. Анализ теплового состояния машины обращенного типа 73
Глава 3. Разработка метода намагничивания индуктора машины с объемными высокотемпературными сверхпроводниками
3 1. Общие положения 80
3.2. Теоретическое обоснование нового метода намагничивания ВТСП индуктора 84
3.3. Исследования по намагничиванию объемной ВТСП керамики длительно приложенными полями 87
3.4. Исследование намагничивания ВТСП массивов на модельной электрической машине 93
3.5. Исследования по намагничиванию объемной ВТСП керамики импульсными полями 99
3.6. Исследование влияния внешних переменных магнитных полей различной частоты и импульсных полей на намагниченный ВТСП массив 106
3.7. Исследование импульсного намагничивания ВТСП индуктора модельной машины 109
Глава 4. Экспериментальные исследования электрических машин с постоянными магнитами и объемными высокотемпературными сверхпроводниками
4.1. Разработка конструкции модельной дисковой электрической машины, 113
4.2. Технологический процесс изготовления модельной дисковой электрической машины 117
4.3. Экспериментальные исследования модельных магнитоэлектрических машин с редкоземельными постоянными магнитами и ВТСП индуктором 120
4.4. Анализ возможностей практического применения новых типов магнитоэлектрических синхронных машин 126
Заключение 139
Список литературы 142
- Варианты конструктивного исполнения синхронных магнитоэлектрических машин с возбуждением от редкоземельных постоянных магнитов
- Конструктивная схема синхронной машины обращенного типа с постоянными магнитами для ИНК
- Теоретическое обоснование нового метода намагничивания ВТСП индуктора
- Технологический процесс изготовления модельной дисковой электрической машины
Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы определяется постоянным совершенствованием электромеханических преобразователей энергии различного исполнения, в том числе магнитоэлектрических синхронных машин, а также ростом интереса промышленности к разработке высокоэффективных накопителей энергии различных типов, в частности, с использованием маховиков. Подобные накопительные комплексы включают в свой состав двигатель-генератор и маховик, и могут применяться в качестве резервных источников бесперебойного питания, установок по покрытию пиковых нагрузок и т.д. Использование магнитоэлектрических синхронных машин в качестве двигателей-генераторов для накопительных комплексов привлекательно с точки зрения их высокой надежности в связи с отсутствием щеточных электрических контактов. В настоящее время перспективным направлением считается разработка интегрированных накопительных комплексов, в которых ротор электрической машины объединяется с маховиком, что позволяет снизить габариты, повысить энергоемкость и КПД установки.
Класс бесконтактных электрических машин с индукторами, использующими высококоэрцитивные магниты, в последние годы дополнился гистерезисными и реактивными двигателями с массивами из высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) на роторе. Ожидается, что совершенствование ВТСП материалов, в том числе и объемных ВТСП (массивов), приведет в ближайшее время к возрастанию величин индукции захваченного ими магнитного поля свыше 2 Тл при азотном уровне рабочих температур (77,3 К). В связи с этим целесообразным и своевременным является проведение комплексных научных исследований, направленных на реализацию магнитоэлектрических синхронных машин с ВТСП массивами на роторе, с целью перехода к практическому использованию объемных ВТСП материалов в многополюсных синхронных электрических машинах.
Цели диссертационной работы определены как:
разработка новых вариантов магнитоэлектрических синхронных машин, имеющих улучшенные массогабаритные показатели и пониженные потери, с использованием современных материалов на основе микро- и нанотехнологии для индукторов: обращенной синхронной машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами на роторе, входящей в состав интегрированного накопительного комплекса, и дисковой криогенной синхронной машины с ВТСП массивами и постоянными магнитами на роторе;
разработка метода намагничивания объемных ВТСП материалов, позволяющего создавать многополюсную магнитную систему на роторе магнитоэлектрической синхронной машины, содержащем ВТСП массивы.
Для достижения поставленных целей в диссертационной работе решены следующие основные задачи:
анализ направлений развития магнитоэлектрических синхронных машин с индукторами, выполненными из магнитных материалов на основе микро- и нанотехнологии;
разработка вариантов (модификаций) синхронной машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами для интегрированного накопительного комплекса; исследование электромагнитных полей в воздушном зазоре, оптимизация элементов активной зоны, оценка теплового состояния машины с целью выработки рекомендаций по выбору основных размеров и способам снижения потерь в магнитоэлектрической синхронной машине, предназначенной для интегрированного накопительного комплекса;
разработка методов намагничивания объемных ВТСП материалов индукторов криогенных синхронных машин с многополюсной магнитной системой с сохранением бесконтактности индуктора;
создание макетов, установок и модельных магнитоэлектрических синхронных машин для экспериментальных исследований; апробация метода намагничивания на модельной машине; сопоставление теоретических и экспериментальных результатов.
При решении поставленных задач использовались: теория электрических машин переменного тока, теория кинетических накопителей энергии, аналитические методы расчета электромагнитных полей на основе решения дифференциальных уравнений Пуассона-Лапласа, методы тепловых расчетов электрических машин на основе тепловых схем замещения, проведение экспериментальных исследований на макетах и модельных установках, проведение криогенных испытаний.
Положения, выносимые на защиту:
1. Метод намагничивания ВТСП массивов бесконтактного ротора
криогенной синхронной машины с образованием многополюсной магнитной
системы посредством электромагнитного поля статора.
2. Сравнительный анализ методов намагничивания ВТСП массивов.
3. Результаты исследований электромагнитных полей в воздушном
зазоре, теплового состояния, оптимизации элементов активной зоны по
обращенной синхронной магнитоэлектрической машине, входящей в состав
интегрированного накопительного комплекса; предложения по
конструктивному исполнению.
4. Результаты экспериментальных исследований дисковых
магнитоэлектрических машин с редкоземельными магнитами и ВТСП
массивами на роторе.
5. Предложения по конструктивному исполнению дисковой синхронной
машины с ВТСП массивами на роторе и системой магнитного подвеса.
Научная новизна заключается в разработке новых модификаций магнитоэлектрических синхронных машин, в которых используются перспективные высокоэффективные материалы на основе микро- и нанотехнологий для индукторов, нетрадиционные конструктивные и технические решения.
Выполнено исследование электромагнитных полей в воздушном зазоре беспазовой синхронной машины обращенного типа с высококоэрцитивными постоянными магнитами, предназначенной для интегрированного
накопительного комплекса. Проведена оптимизация конструкции активной зоны машины с целью снижения электромагнитных потерь. Разработан метод оценки теплового состояния машины, учитывающий отвод потерь от вращающегося в вакууме ротора посредством теплоизлучения. Созданы оригинальные экспериментальные установки для исследования процессов намагничивания ВТСП массивов. Разработан метод намагничивания ВТСП индуктора магнитоэлектрической синхронной машины, позволяющий получить в собранной машине многополюсную магнитную систему на роторе посредством электромагнитного поля статора; предложены новые принципы подмагничивания ВТСП массивов. Разработаны, изготовлены и экспериментально исследованы модели дисковых магнитоэлектрических машин с индукторами из постоянных магнитов и объемных ВТСП материалов Практическая ценность диссертационной работы:
методы электромагнитных и тепловых расчетов, а также предложения по конструктивному исполнению могут быть использованы при проектировании синхронных магнитоэлектрических машин с улучшенными массогабаритными и энергетическими характеристиками, входящих в состав интегрированных накопительных комплексов;
разработанный метод намагничивания ВТСП индукторов магнитоэлектрических синхронных машин позволяет решить проблему создания бесконтактной синхронной машины с ВТСП массивами на роторе;
результаты работы могут быть использованы при проектировании магнитоэлектрических цилиндрических и дисковых машин, работающих как при обычных, так и при криогенных температурах и предназначенных для общепромышленной и специальной электроэнергетики;
научные результаты работы, экспериментальные стенды, установки и модельные машины использованы в учебном процессе кафедры 32 ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (ГУАП): дополнен курс практических занятий по дисциплине «Нетрадиционная электромеханика», созданы новые
лабораторные работы для лабораторного практикума по дисциплине «Микро-и нанотехнологии в электромеханике» учебного плана подготовки специалистов по направлению «Электромеханика».
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах по международному проекту INCO-COPERNICUS (г. Санкт-Петербург, 1999 г., г. Москва, 2001 г.), семинарах по международному проекту JOULE (г. Санкт-Петербург, 1999 г., 2000 г.), а также следующих научно-технических конференциях, школах, семинарах: Российском электротехническом конгрессе (г. Москва, 1999 г.); Пятой международной школе по сверхпроводимости «5 th Summer School and Scientific Workshop on Superconductivity» (г. Эгер, Венгрия, 1999 г.); Школах по сверхпроводимости (г. Протвино, 2000-2001 гг.); Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (г. Казань, 2000 г.); Пятой, Шестой, Седьмой, Восьмой и Девятой Санкт-Петербургских ассамблеях молодых ученых и специалистов (г. Санкт-Петербург, 2000-2004 гг.); научно-практической конференции «Формирование технической политики инновационных наукоемких технологий» (г. Санкт-Петербург, 2002 г.); Девятой и Десятой международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2003-2004 гг.); Третьей и Четвертой международных школах-семинарах «БИКАМП» (г. Санкт-Петербург, 2001 г., 2003 г.); научных сессиях аспирантов и соискателей ГУАП (г. Санкт-Петербург, 2002-2004 гг.); международном симпозиуме «Аэрокосмические технологии '04» (г. Санкт-Петербург, 2004 г.), международной научной конференции «Электротехника, энергетика, экология» (г. Санкт-Петербург, 2004 г.).
По теме диссертационной работы опубликовано 25 научных работ, в том числе 4 статьи в сборниках, 13 докладов на конференциях, 6 тезисов докладов и аннотаций работ, 2 патента - RU37387U1 и RU2256997C1.
Реализация результатов работы. Теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы реализованы при выполнении: международных проектов JOULE Project PL970168 «FlyWiP» (Швейцария, Германия, Голландия, Россия, Греция) и INCO-COPERNICUS № IC-CT98-0504 (DG12-CDPE) «Разработка высокотемпературных сверхпроводниковых преобразователей энергии, совмещающих принципы вращения и левитации» (Греция, Россия, Франция, Венгрия); грантов РФФИ «Разработка научных основ создания нового поколения электротехнического оборудования с использованием наукоемких технологий» (№00-15-99096) и «Моделирование электромагнитных процессов в токонесущих элементах устройства для преобразования и накопления энергии с целью оптимизации режимов его работы» (№ 01-02-17850, № 02-02-06881 - персональный грант диссертанта); персональных грантов губернатора Санкт-Петербурга для молодых ученых и специалистов 2000-2004 гг.; ГНТП «Международные проекты», проект «ВТСП-генераторы»; ФЦНТГТ «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 гг.», тема «Управляемая сверхпроводимость»; работ по программе фундаментальных исследований ОЭММПУ РАН, тема «Изучение процессов в сверхпроводящих токонесущих элементах в режимах работы электроэнергетического оборудования»; работ по программе ОАО «ФСК ЕЭС»; ФЦП «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 гг.», проект ЯО 122/1362.
Технические предложения по конструктивному исполнению передвижных ветроэнергетических установок с магнитоэлектрическими дисковыми генераторами переданы СПбГУ «Секретариат Северного Форума» для последующего внедрения. Предложения по конструктивному исполнению модельных устройств для электродинамической модели ОАО «НИИПТ» переданы ОАО «ФСК ЕЭС» для подготовки договора на их изготовление. Стенд с модельной дисковой машиной и установка по намагничиванию ВТСП массивов включены в учебный процесс кафедры 32 ГУАП. Внедрение
результатов подтверждается актами о практическом использовании результатов диссертационной работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы.
В первой главе на основе обзора литературных данных проводится анализ направлений развития магнитоэлектрических машин. Показано, что на современном этапе развития материалов, выполненных на основе микро- и нанотехнологий, класс магнитоэлектрических синхронных машин может быть расширен включением в него криогенных электрических машин с объемными ВТСП материалами. Рассмотрены пути совершенствования структуры комплексов по накоплению и преобразованию кинетической энергии. Во второй главе рассмотрена концепция построения магнитоэлектрической синхронной машины для интегрированного накопительного комплекса. Машина имеет обращенную конструкцию с наружным расположением ротора, совмещенного с маховиком, и статором беспазовой конструкции, многофазная обмотка которого располагается в немагнитном активном слое. Выполнены расчетные исследования электромагнитных полей, потерь и теплового состояния элементов активной зоны машины, по результатам которых даны рекомендации к конструктивному исполнению элементов машины. В третьей главе представлены результаты комплекса исследований по намагничиванию объемных ВТСП материалов. Предложен новый метод намагничивания ВТСП индуктора синхронной машины электромагнитным полем статора, позволяющий создать индуктор с магнитной системой чередующейся полярности и максимальной индукцией магнитного поля в зазоре. В четвертой главе представлены результаты разработки, изготовления и экспериментальных исследований модельных магнитоэлектрических синхронных машин с возбуждением от редкоземельных магнитов и ВТСП массивов, предложены направления их применения в энергетике.
Общий объем работы составляет 150 страниц и содержит 64 рисунка, 18 таблиц, 93 наименования использованной литературы.
Варианты конструктивного исполнения синхронных магнитоэлектрических машин с возбуждением от редкоземельных постоянных магнитов
Конструкция магнитопровода электрической машины с постоянными магнитами определяется назначением и мощностью машины, а также магнитными и технологическими свойствами магнитов. Высококачественные магниты изготавливаются в простейших формах (цилиндрах, призмах, дисках, кольцах) и небольших размеров. При требовании ширины магнита более 50-60 мм он делается составным, что приводит к усложнению крепления магнитов на роторе.
Особенностью РЗМ магнитов является то, что лучшее их использование достигается в магнитной системе ротора с меньшим отношением длины магнита к площади его поперечного сечения, т.е. с более широкими и низкими магнитами [3]. С этой точки зрения из существующих конструкций магнитопроводов машин с постоянными магнитами можно выделить следующие основные типы роторов, для которых наиболее эффективно использование РЗМ магнитов: а) с цилиндрическим магнитом в виде кольца, намагниченным в радиальном направлении; б) типа «звездочка» с магнитами дугообразной или призматической формы, намагниченными в радиальном направлении; в) коллекторного типа с призматическими магнитами, намагниченными в тангенциальном направлении; г) когтеобразный с цилиндрическими постоянными магнитами, намагниченными в аксиальном направлении; д) дискового (торцевого) типа с магнитами цилиндрической, кольцевой, трапецеидальной или призматической формы, намагниченными в аксиальном направлении. В качестве перспективной системы с РЗМ магнитами в настоящее время рассматривается магнитная система Halbach [18], в которой полюса набираются из отдельных сегментов-магнитов, имеющих различное пространственное намагничивание. Такая магнитная система позволяет концентрировать электромагнитное поле в определенной точке, снижая его в других, и получать синусоидальное распределение поля в зазоре электрической машины. Однако сборка магнитной системы из предварительно намагниченных сегментов является сложной технологической операцией.
Использование на роторе высококоэрцитивных РЗМ магнитов с радиальным или аксиальным (для ротора дискового типа) намагничиванием дает возможность перейти к беспазовому статору в синхронной машине [2]. Наиболее широкое развитие беспазовые конструкции статоров с обмоткой, размещенной в немагнитном активном слое, получили при создании сверхпроводниковых электрических машин с НТСП материалами [11].
Как правило, магнитоэлектрические синхронные машины работают совместно с полупроводниковыми преобразователями. В настоящее время идет интенсивное развитие вентильных двигателей и генераторов, работающих от сети и на сеть или потребителя постоянного тока.
Впервые идея создания вентильного двигателя возникла в СССР в 30-е годы Ал века, и связана она с именем Д.А. Завалишина. В те же годы вопросами теории вентильных двигателей и электропривода занимались М.М. Губанов, О.Г. Вегнер, Б.Н. Тихменев, Ф.И, Бугаев, E.JL Эттингер [19].
В 60-70-х годах во Всесоюзном Научно-исследовательском институте электромашиностроения (ВНИИэлектромаш, г. Ленинград) по вентильным двигателям с полупроводниковыми коммутаторами на базе транзисторов был создан коллектив специалистов, среди которых: Н.П. Адволоткин, В .Т. Гращенков, В.Н. Ганжу, Н.Н. Лебедев, И.Е. Овчинников, Я.Н. Явдошак. Параллельно развивалась московская школа по вентильным двигателям под руководством И.А. Вевюрко (ВНИИЭМ). Большой вклад в развитие вентильных двигателей внесли представители вузовской науки: А.А, Дубенский (Московский авиационный институт), Л.Я. Зиннер, А.И. Скороспешкин (Куйбышевский политехнический институт), В.А. Балагуров, В.К. Лозенко (Московский энергетический институт) [19].
Концепция вентильных двигателей с высококоэрцитивными магнитами на роторе считается наиболее перспективной для вентильных машин энергетического назначения. При мощностях порядка 10 кВт удельная масса таких двигателей составляет 1 кг/кВт и менее [20].
На основе анализа литературных данных можно выделить следующие динамично развивающиеся направления, для которых разрабатываются магнитоэлектрические синхронные машины мощностью от нескольких кВА до десятков MB-А, в том числе и вентильные: - двигатели для систем электродвижения судов; - генераторы для автономных электроэнергетических установок; - компактные источники энергии для авиационных и космических летательных аппаратов; - накопители кинетической энергии для систем гарантированного питания ответственных потребителей. Рисунок 1.3 - Упрощенная схема вентильного двигателя с постоянными магнитами: 1 - магнит, 2 - полюс, 3 - вал, 4 - ярмо ротора, 5 - статор, б - обмотка статора
Перспективным направлением развития корабельных энергетических установок для неатомных подводных лодок является создание систем электродвижения, включающих гребные вентильные электродвигатели с постоянными магнитами [21]. В Санкт-Петербурге такие разработки были проведены совместно научными и проектными организациями ФГУП «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры имени Д.В. Ефремова» и ЦКБ МТ «Рубин». Для ротора вентильного двигателя (рисунок 1.3) предложено использование магнитной системы коллекторного типа с радиальным расположением тангенциально намагниченных магнитов с некоторым их заглублением относительно поверхности полюсов [22]. Для уменьшения пазовых пульсаций момента, т.е. улучшения вибро-шумовых характеристик двигателя, пазы статора выполняются скошенными.
По оценкам специалистов по сравнению с существующим гребным электрооборудованием система электродвижения с постоянными магнитами оказывается на 40 тонн меньше по массе и на 37 м меньше по занимаемому объему [22]. Следует отметить, что в США принято решение о переводе в XXI веке всех видов судов на использование систем электродвижения, для которых разрабатываются гребные энергоустановки с использованием ВТСП машин и машин с РЗМ магнитами мощностью до 60 МВт.
Конструктивная схема синхронной машины обращенного типа с постоянными магнитами для ИНК
Разработка ИНК проводилась в рамках международного проекта «FlyWiP», работа возглавлялась швейцарской фирмой ASPES Engineering AG (ЕС JOULE Project PL970168) [57]. Соисполнителями по проекту являлись Германия, Голландия, Греция и Россия.
Устройство предназначено для покрытия пиковых нагрузок крупных железнодорожных вокзалов Европы в периоды большого количества прибывающих и убывающих пассажирских поездов.
Основные требования, предъявляемые к такому ИНК, представлены в таблице 2.1. Требования к периферийным устройствам были сформулированы независимо и в диссертационной работе не рассматриваются.
Особенностью электрической машины, работающей в ИНК, является следующее. В режиме накопления энергии электрическая машина работает как двигатель, раскручивающий маховик (электрическая энергия сети преобразуется в кинетическую энергию маховика). Режим хранения энергии для электрической машины является режимом холостого хода. В режиме выдачи энергии запасенная кинетическая энергия маховика преобразуется в электрическую, передаваемую в сеть. При этом электрическая машина работает в режиме генератора. В этих условиях важно снизить потери не только в генераторном и двигательном режиме, но и в режиме холостого хода, поскольку это будет влиять на длительность периода хранения энергии.
Основным узлом комплекса, обеспечивающего накопление и преобразование кинетической энергии, является синхронная магнитоэлектрическая машина.Основные требования, которые предъявляются к электрической машине: - высокая удельная мощность и энергоемкость; - минимальные потери; - отсутствие контактных колец; - ограничение максимальной частоты величиной 750 Гц (накладывается силовой электроникой).
Конструктивная схема машины, разработанной в соответствии с указанными требованиями, приведена на рисунке 2.2. Требования по компактности устройства реализуются за счет выполнения электрической машины цилиндрической конструкции, обращенного типа, вертикального исполнения. При этом ротор вращается снаружи статора и совмещен с маховиком, выполненным из композитного материала. Внешнее по отношению к ротору размещение маховика обеспечивает высокий момент инерции сечения маховика. Маховик обеспечивает требуемый уровень запасаемой энергии. Разработка маховика осуществлялась немецкими специалистами и не рассматривается в диссертационной работе.
Основное магнитное поле создается редкоземельными постоянными магнитами на основе Nd-Fe-B, которые крепятся к ферромагнитному цилиндру ротора. Используется магнитная система типа «звездочка». Обращенная конструкция машины позволяет упростить крепление магнитов на роторе, поскольку центробежные силы обеспечивают дополнительную фиксацию магнитов на роторе в рабочем режиме.
Число пар полюсов, как это принято в машинах с постоянными магнитами, выбирается максимально большим. В результате повышается использование ротора и улучшается ряд параметров машины [3], снижается масса наружного экрана. Ограничением числа пар полюсов служит возможность размещения магнитной системы на роторе. В то же время должны быть приняты во внимание ограничения максимальной частоты, накладываемые силовой электроникой (750 Гц). В результате число пар полюсов выбрано равным трем.
Статор имеет беспазовую конструкцию; обмотка располагается в немагнитном активном слое, тем самым исключаются зубцовые гармоники.
Поскольку электрическая машина работает на сеть постоянного тока, то для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения и массы фильтра следует применять генераторы с нечетным и наибольшим практически целесообразным числом фаз [3]. Увеличение числа фаз позволяет также снизить большое значение фазного тока, обусловленное соотношением мощности машины (1,26 МВт) и сравнительно низкого линейного напряжения (550 В). Поэтому выбрана девятифазная обмотка статора, которая реализована в виде трех независимых трехфазных обмоток, расположенных в пространстве под углом 120. Каждая трехфазная обмотка работает с диаметрально расположенной парой полюсов. Каждая фаза обмотки состоит из двух диаметрально расположенных катушек, по три витка в катушке, т.е. 6 стержней в фазе. Благодаря использованию трех независимых трехфазных систем в машине создается шестиполюсное вращающееся магнитное поле. К каждой из трехфазных обмоток присоединяется независимый преобразователь переменного тока в постоянный ток (рисунок 2.3). На стороне постоянного тока преобразователи соединяются параллельно.
Гармоники, кратные трем, исключены за счет схемы соединения обмоток. Выбранная схема соединения преобразователей позволяет уменьшить 11-ю и 13-ю гармоники. Анализ гармонического состава выполнен голландскими специалистами [57]. Для снижения потерь от нескомпенсированных высших гармонических составляющих электромагнитного поля статора постоянные магниты покрываются электромагнитными экранами, изготовленными из меди.
Снижение общих потерь в электрической машине достигается за счет уменьшения механических потерь, потерь в роторе и статоре. Механические потери состоят из потерь на трение бочки ротора-маховика о воздух и потерь в подшипниках. Первая составляющая сводится практически к нулю при вращении ротора в вакуумированном пространстве. Для снижения потерь в подшипниках применяется магнитный подвес ротора-маховика с помощью магнитных подшипников. В этом случае отсутствует механический контакт между ротором и статором, и, как следствие, механические потери в подшипнике также уменьшаются практически до нуля. Потери, возникающие в роторе, не должны приводить к увеличению температуры постоянных магнитов Nd-Fe-B выше максимальной допустимой температуры ПО С (383 К), которая определена производителем магнитов.
Для отвода потерь от статора используется косвенная система охлаждения хладоагентом, протекающим по каналу, расположенному в центральном отверстии сердечника статора. Теплоотдача выделяющихся в роторе потерь к статору осуществляется теплоизлучением (лучеиспусканием), эффективность которого повышается применением полу проводящего покрытия наружней поверхности обмотки статора, имеющего черный цвет.
Теоретическое обоснование нового метода намагничивания ВТСП индуктора
В основу создания нового метода намагничивания объемных ВТСП элементов положены физические процессы, протекающие в сверхпроводниках 2-го рода, при наложении различных внешних воздействий (условий).
С точки зрения намагничивания интерес представляют два способа воздействия на объемный ВТСП материал: - захолаживание ВТСП образца в постоянном магнитном поле и последующее снятие (отключение) внешнего поля; - захолаживание ВТСП образца в нулевом поле и последующее воздействие (включение) магнитного поля (в том числе и импульсного) на захоложенный образец.
Качественно описать явления, возникающие при воздействий магнитного поля на ВТСП материал, в рассматриваемых случаях можно следующим образом. При захолаживании ВТСП образца в постоянном магнитном поле изначально он находится в резистивном состоянии и пронизан потоком. При охлаждении до температуры ниже критической Тс образец переходит в сверхпроводящее состояние. Для сверхпроводника 2-го рода существуют первое Всі и второе В 2 критические поля (глава 1). В связи с этим возможны два случая: - если величина внешнего поля меньше ВС], то происходит полное выталкивание поля из образца (эффект Мейснера), при этом по периметру образца наводятся экранирующие токи; - если величина внешнего поля больше BCh но меньше ВС2, то образец находится в смешанном состоянии. В этом случае поле проникает в образец, и после отключения внешнего магнитного поля его часть остается «вмороженной» в образец (рисунок 3.2).
При захолаживании ВТСП образца в нулевом поле поток в образце изначально отсутствует. После воздействия внешнего электромагнитного поля к сверхпроводнику возможны три случая: - если величина внешнего поля меньше Всі, то на поверхности образца наводятся незатухающие экранирующие токи, препятствующие проникновению поля в образец; - если величина внешнего поля больше ВСі, но меньше ВС2, то поле проникает в образец; - если величина внешнего поля больше ВС2, то образец переходит в резистивное состояние, однако при последующем отключении внешнего поля сверхпроводник проходит через смешанное состояние и захватывает часть внешнего ПОЛЯ.
В обоих рассмотренных выше вариантах захолаживания ВТСП образца в нем остается «вмороженное» поле (намагниченность) после отключения внешнего поля только в том случае, если сверхпроводник находился в смешанном состоянии, т.е. поле проникало в образец. Оба эти способа получения «вмороженного» в ВТСП массивы поля положены в основу разрабатываемого метода намагничивания объемных ВТСП элементов индуктора электрической машины.
В качестве рабочей температуры для сверхпроводников принят уровень 77 К - температура жидкого азота. При более низких температурах ВТСП материалы имеют более высокие критические параметры и, соответственно величину «вмороженного» поля. Однако простая система криостатирования при азотных температурах и невысокая цена хладагента являются преимуществом перед другими способами охлаждения. Кроме того, следует отметить, что в экспериментальных исследованиях использованы ВТСП массивы на основе иттриевои керамики, для которых 77 К - приемлемая рабочая температура. Плотность тока в современных образцах иттриевои керамики при температуре 77 К составляет 5-Ю4 А/м2.
Таким образом, возможны два метода намагничивания ВТСП индуктора электрической машины: а) внешнее поле прикладывается к ВТСП массивам в теплом состоянии, затем ротор захолаживается жидким азотом, массивы переходят в сверхпроводящее состояние, после чего внешнее поле снимается; б) ротор с ВТСП массивами захолаживается жидким азотом, массивы переходят в сверхпроводящее состояние, после чего массив подвергается воздействию внешнего магнитного поля, которое затем снимается. Целью проводимых экспериментальных исследований является определение характера внешнего магнитного поля, воздействующего на ВТСП массивы, и сопоставление эффективности методов намагничивания по максимальной величине «вмороженного» в ВТСП массивы поля. В рабочем режиме машины на ВТСП элементы индуктора воздействует электромагнитное поле якорной обмотки. Поэтому в процессе разрабатываемого метода необходимо исследование влияния внешних электромагнитных полей на поведение предварительно намагниченных объемных ВТСП элементов. Этапы экспериментальных исследований по разработке метода намагничивания объемных ВТСП элементов индуктора криогенной электрической машины представлены на рисунке 3.3. В экспериментальных исследованиях, а также для изготовления модельной ВТСП машины использовались ВТСП массивы на основе иттриевой керамики YBa2Cu307, предоставленные к.т.н. О.Л. Полущенко (Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана). Массивы, имеющие монокристаллическую структуру, изготовлены в форме дисков. Размеры массивов: диаметр - 22 мм, высота - 9,5 мм. Предварительно были известны следующие характеристики массивов: критическая температура Тс=92 К, максимальная величина «вмороженного» магнитного поля для данной партии образцов (10 шт.) - 0,18-0,2 Тл. Исследования критических полей иттриевой керамики, результаты которых приведены в [79], показывают, что для монокристаллических образцов при температуре 80 К величина BCi составляет 0,005-0,01 Тл в зависимости от направления приложенного поля относительно оси кристалла образца. Величина ВС2 при той же температуре - более 4,5 Тл. Эти данные использованы в качестве базовых при анализе результатов, полученных в ходе экспериментов. Рисунок 3.4 - Установка для исследования намагничивания ВТСП образца Для исследований по намагничиванию объемной ВТСП керамики длительно приложенными полями при непосредственном участии автора разработана и создана экспериментальная установка (рисунок 3.4), включающая следующие элементы: - специальную оправку с ВТСП массивом; - соленоид для создания внешнего магнитного поля; - однокомпонентний преобразователь Холла для фиксирования поля; - металлический стакан для размещения в нем соленоида и оправки с массивом и заливки жидкого азота (для снижения испаряемости при азотных испытаниях стакан помещался в наружную пенопластовую обойму). Соленоид изготовлен из высокочистого алюминия (провод - скрутка диаметром около 0,8 мм, состоящий из 27 изолированных жил диаметром 0,05 мм). Размеры соленоида: наружный диаметр - 50 мм, внутренний диаметр - 32 мм, высота - 13 мм. Массив был размещен внутри соленоида, и в геометрическом центре массива на его поверхности фиксировался датчик Холла типа ПХЭМ. Магнитная чувствительность датчика Холла — 161,3 мкВ/мТл. Металлический стакан сделан из стали 12X18Н10. С использованием данной установки были проведены следующие исследования:
Технологический процесс изготовления модельной дисковой электрической машины
Технологический процесс изготовления магнитоэлектрической синхронной машины состоит из следующих этапов. Этап 1 - Изготовление статорных дисков. Статорные диски изготовлены из листового стеклотекстолита толщиной 30 мм на токарно-винторезном станке. В статорных дисках предусмотрена система отверстий для доступа хладагента к статорным катушкам и отвода паров азота при жидкостном охлаждении, а также для выведения выводных концов катушек. Фиксация дисков друг относительно друга осуществляется с помощью направляющих штырей, изготовленных из латуни марки ЛС-53. Этап 2 - Изготовление каркасов для статорных катушек. Каркасы изготовлены из стеклотекстолита. На каркасах предусмотрена система отверстий для пропитки катушки лаком и выхода выводных концов катушки на поверхность катушки. Все каркасы вытачиваются на токарно-винторезном станке за одну установку, что обеспечивает идентичность параметров катушек статора. Этап 3 - Намотка, пропитка и сушка статорных катушек. Намотка катушек рядовая послойная. В качестве обмоточного материала использован медный проводник типа ПЭТВЛ. В качестве межслоевых прокладок использовалась лакоткань. Катушки пропитаны бакелитовым лаком. Пропитка катушек проводилась в течение 2-х часов при температуре 95 С. После пропитки была проведена сушка катушек в течение 24 часов при температуре 125 С. По окончании удалялись приливы лака для обеспечения равномерного прилегания катушек к статорным дискам.
Проведение исследований поля намагничивания модельной машины (см. раздел 3.4) показало необходимость введения ферромагнитных элементов в конструкцию статора с целью повышения величины и обеспечения синусоидальности поля намагничивания. Поэтому по наружной цилиндрической поверхности каждой катушки был уложен экран из ленточной аморфной стали (ширина ленты 10 мм, толщина 50 мкм). Этап 4 - Изготовление роторов с постоянными магнитами и ВТСП массивами. Каждый из роторов представляет собой дюралюминиевый диск и вал с фланцем, закрепленный на поверхности диска. После установки вала ротор протачивается в центрах за одну установку для устранения биений диска. Постоянные магниты устанавливаются в технологических отверстиях, расположенных по разные стороны диска и фиксируются за счет взаимного притяжения и технологической подклейки клеем БФ-4.
Массивы ВТСП устанавливаются в технологических отверстиях, выполненных в диске. Перед сверловкой основных отверстий под массивы сверлятся 4 отверстия диаметром 5 мм под углом 90 по периметру каждого основного отверстия. Таким образом, на поверхности диска, прилегающей к массиву, образуются 4 прилива, заполняемые компаундом холодного отверждения К-153. Этап 5 - Монтаж катушек на статорных дисках. Статорные катушки крепятся к стеклотекстолитовым статорным дискам латунными болтами М8. Катушки ориентируются относительно отверстий, предназначенных для выхода выводных концов, и удерживаются от поворота при затяжке. Этап 6 - Установка датчиков Холла. В центрах двух катушек на разных статорных дисках установлены датчики Холла типа ПХЭМ. Датчики предназначены для измерения полей, создаваемых обмоткой статора и индуктором на уровне среднего витка катушек обмотки статора. Этап 7 - Установка подшипников на валу. На валу каждого из роторов установлены шариковые подшипники. Подшипники, предназначенные для работы в среде жидкого азота, подвергались дополнительной обработке: удалялась смазка, подшипник промывался бензином, ацетоном и спиртом. Посадка подшипников - прессовая скользящая. Этап 8 — Симметрирование воздушных зазоров. Симметрирование воздушных зазоров осуществляется путем подбора немагнитных колец между подшипником и статорным диском. Контроль зазора осуществляется щупами. Этап 9 - Пайка выводов катушек и соединение в схему. Для обеспечения работы машины с ВТСП индуктором в режиме синхронного генератора должно быть предусмотрено предварительное намагничивание индуктора, что предусматривает различные схемы включения статорных катушек. Выводные концы катушек распаяны на специальный разъем, две ответные части которого позволяют простым механическим переключением собрать ту или иную схему: «намагничивание» или «звезда».
Для испытаний модельных дисковых машин разработан специальный стенд. Он включает приводной двигатель марки СЛ661М, тахогенераторы, диодный мост, лабораторные автотрансформаторы, контрольно-измерительную аппаратуру, а также емкость для заливки жидкого азота при проведении криогенных испытаний. Электрическая схема стенда приведена на рисунке 4.7 [87]. В зависимости от типа испытываемой модельной машины комплектация стенда меняется.
Приводной двигатель обеспечивает работу модельных машин в режиме генератора. Для контроля и регулирования частоты вращения вал двигателя с одной стороны через муфту сочленен с валом тарированного тахогенератора, а с другой - состыкован с валом дисковой машины. Поскольку для ротора с постоянными магнитами и ВТСП ротора используются одни и те же подшипники, для обеспечения возможности проведения азотных испытаний машины из подшипников удалена смазка. В процессе испытаний наблюдались колебания частоты вращения, которые устранялись ручным регулированием тока в якорной цепи приводного двигателя. Для испытаний модельной машины с постоянными магнитами в режиме генератора с работой на нагрузку создан блок нагрузок (рисунок 4.8), включающий трехфазные активно-индуктивные и активно-емкостные нагрузки.
