Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих конструкций магнитных подшипников 12
1.1. Классификация и обзор магнитных подшипников 12
1.2. Цель работы. Основные решаемые задачи 31
Глава 2. Методика моделирования систем с элементами из ВТСП материалов 33
2.1. Метод анализа магнитного поля 33
2.2. Экспериментальные исследования образца ВТСП материала в виде диска для осесимметричной модели 36
2.3. Обоснование применения модели ВТСП 41
2.4. Экспериментальные исследования образца ВТСП материала в виде прямой призмы для трехмерной модели 53
Глава 3. Оптимизация конструкции магнитной системы подшипника 60
3.1. Метод оптимизации размеров постоянных магнитов в магнитной системе подшипника 60
3.2. Сравнительный анализ и выбор конструкции магнитной системы подшипника 68
3.2.1 Кольцевые магниты с осевой намагниченностью 68
3.2.2 Кольцевые магниты с радиальной намагниченностью 76
3.3. Анализ результатов исследованных магнитных систем .-. 93
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований разработанной магнитной системы подшипника 99
4.1. Секториальные постоянные магниты 99
4.2. Конструкция магнитной системы магнитного подшипника 104
4.3. Входной контроль постоянных магнитов в кольцах Гельмгольца 112
4.4. Испытание магнитного подшипника 116
Заключение 121
Литература 122
Приложение 131
- Экспериментальные исследования образца ВТСП материала в виде диска для осесимметричной модели
- Экспериментальные исследования образца ВТСП материала в виде прямой призмы для трехмерной модели
- Сравнительный анализ и выбор конструкции магнитной системы подшипника
- Входной контроль постоянных магнитов в кольцах Гельмгольца
Введение к работе
В 1933 году В.Ф. Мейснер и Р. Оксенфельд продемонстрировали, что ранее открытые сверхпроводящие материалы вместе с полным исчезновением электрического сопротивления при его охлаждении ниже критической температуры, одновременно являются еще и идеальными диамагнетиками, то есть полностью выталкивают внешнее магнитное поле из своего объема. Эффект Мейснера в явлении сверхпроводимости открыл широчайшие возможности для практического применения. Единственное что сдерживало развитие этих технологий, чрезвычайно низкая температура перехода в сверхпроводящее состояние. Существенный вклад в развитие внесли высокотемпературные сверхпроводники, начало исследований в этой области было положено в 1986 году, когда Й.Г. Беднорц и К.А. Мюллер обнаружили явление сверхпроводимости у оксидной керамики. Явление высокотемпературной сверхпроводимости позволило существенно ускорить темпы развития, за счет значительного снижения затрат на поддержание нужной температуры. Вызвано это более высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние этих материалов, которая существенно превышает температуру кипения жидкого азота.
Наиболее интересные применения такого эффекта сверхпроводимости были отражены в электроаппаратостроении, у таких устройств как токоограничители, двигатели на сверхпроводниках и магнитные подшипники. При создании сверхпроводящих магнитных подвесов и подшипников, не требуется электронная система управления без которой невозможно сделать магнитный подшипник на одних только постоянных магнитах. А использование в таких подшипниках высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов существенно снижало затраты на конструкцию системы охлаждения и поддержание подшипника в работоспособном состоянии. Широкому внедрению таких подшипников
5 способствуют уникальные возможности, которые можно реализовать с их помощью по сравнению с обычными подшипниками, а именно полностью отсутствующее трение между подвижными и неподвижными деталями, благодаря чему можно реализовывать очень большие скорости вращения. Ограничение по удерживаемой массе у таких подшипников определяется конструкцией магнитной системы, качеством ВТСП материала и температурой при которой работает ВТСП.
Основной составляющей магнитного подшипника на ВТСП является его магнитная система, предназначенная для создания магнитного поля требуемой формы, получения необходимых тяговых характеристик при определенном контрольном смещении ротора в рабочей области и жесткости всего подшипника. Такие характеристики подшипников напрямую зависят от параметров и конструкции магнитной системы, которые необходимо рассчитывать с учетом главной дорогостоящей составляющей магнитного подшипника, которой является криогенная система охлаждения. Для достижения наилучших показателей необходимо иметь более высокие градиенты напряженности магнитного поля в приемлемых массогабаритных и ценовых показателях. В настоящей работе рассматриваются магнитные подшипники на ВТСП с магнитной системой на постоянных магнитах, предназначенные для применения в качестве опор для ротора газотурбинной установки.
Актуальность темы. Разработка и внедрение магнитных подшипников на ВТСП является актуальной задачей, так как магнитный подшипник это один из основных узлов в различных технических и электромеханических изделиях, например газотурбинных установках, электродвигателях, скоростных роторных системах, турбодетандерах, который определяет их технико-экономические характеристики, долговечность и увеличивают время безотказной работы. Создание и внедрение современных магнитных опор на ВТСП отвечает задачам приоритетного национального проекта России по внедрению и использованию ВТСП в электроаппаратостроении.
В настоящее время зарубежные разработки в области магнитных подшипников значительно опережают по своим техническим параметрам Российские аналоги.
Сложность проектирования и изготовления магнитных систем подобного типа заключается в необходимости учета влияния свойств сверхпроводящих материалов при работе в магнитных полях в сверхпроводящем состоянии и дальнейшего их взаимодействия с магнитной системой. Необходимо использовать программное обеспечение, учитывающее особенности трехмерной конструкции магнитной системы и нелинейные гистерезисные свойства магнитных материалов.
Целью диссертационной работы было создание магнитного подшипника на основе ВТСП соответствующего по своим параметрам лучшим зарубежным устройствам. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Разработка методики и доработка существующего программного обеспечения для моделирования магнитных систем, имеющих в своем составе детали из ВТСП материала.
Разработка новой конструкции магнитного подшипника для газотурбинной установки, с использованием ВТСП материалов.
Экспериментальные исследования разработанной конструкции магнитной системы подшипника.
Методы решения поставленных задач. В работе использованы численные методы анализа стационарных и квазистационарных электромагнитных магнитных полей, основанные на пространственных интегральных уравнениях для источников поля, реализованные в программном комплексе Easymag3D, разработанном в Московском энергетическом институте. Использованы результаты теоретических и экспериментальных исследований электрофизических свойств ВТСП материалов полученые в РНЦ Курчатовский институт, МГТУ им. Н.Э. Баумана и в Всеросийском электротехническом институте.
7 Экспериментальные исследования магнитно поля образцов из ВТСП материалов осуществлены на автоматизированной установке в Всеросийском электротехническом институте в лаборатории Л.М. Фишера. Экспериментальные исследования подшипника выполнены на стенде в ФГУП «ММПП «САЛЮТ» МКБ «Горизонт».
В результате выполненной работы были получены следующие новые научные результаты:
Методика расчета магнитных систем с деталями из ВТСП материалов, основанные на резистивных моделях свойств ВТСП. Данные экспериментальных исследований образцов ВТСП, обосновывающих достоверность предложенной методики расчета.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований предложенного нового конструктивного решения магнитной системы с намагниченными радиально кольцевыми постоянными магнитами обеспечивающего требуемые механические характеристики для подшипника газотурбинной установки.
Достоверность полученных результатов обусловлена использованием строго обоснованных алгоритмов расчетов и оптимизации магнитных систем и подтверждена соответствием полученных выводов диссертационной работы результатам экспериментальных исследований опытных и промышленных образцов магнитных систем и результатами внедрения их в промышленность.
Практическая значимость
Разработана новая более эффективная конструкция магнитной системы подшипника с ВТСП статором с радиально намагниченными секторами постоянных магнитов, экспериментальный образец которой успешно прошел стендовые испытания на промышленном предприятии. Получено положительное решение по заявке на патент.
На основе разработанных методик доработано программное обеспечение по анализу электромагнитных полей Easymag3D которое может
8 использоваться для дальнейшей разработки и совершенствования любого типа магнитных систем с деталями из сверхпроводящих материалов.
Личный вклад автора. Участие в разработке методик и доработке программного обеспечения для расчета магнитных систем с деталями из сверхпроводящего материала. Проведение экспериментальных исследований подтверждающих разработанную методику. Выполнение всех приведенных в работе расчетов, экспериментальных исследований и анализ полученных результатов. Осуществление проектирования и конструирования магнитной системы для магнитного подшипника, разработка технологической оснастки для сборки магнитной системы, сопровождение производства. Разработка методики сборки магнитной системы и обоснование их эффективности на практике.
Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: XI. Международная конференция «Электротехнические материалы и компоненты». 18-23 сентября 2006 г., - Крым, Алушта, 2006 г.; XVI. Международная конференция по постоянным магнитам. 17-20 сентября 2007 г. - Суздаль, 2007 г.; XII. Международная конференция «Электротехнические материалы и компоненты». 29 сентября-4 октября 2008 г., - Крым, Алушта, 2008 г.; XVII. Международная конференция по постоянным магнитам. 21-25 сентября 2009 г. - Суздаль, 2009 г.;
Две международных научно-технических конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника электротехника и энергетика» г. Москва: МКРЭЭ - 2006, МКРЭЭ - 2007.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ: из них 1 статья, 6 тезисов докладов в сборниках трудов международных научных конференций. Получено положительное решение
9 на патент №2008148315 от 09.12.08 «Сверхпроводящий магнитный подшипник и способ его изготовления»
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы из 103 наименований. Основная часть работы изложена на 131 страницах машинописного текста, содержит 91 рисунок и 22 таблицы. Приложения изложены на 1 странице машинописного текста и содержат 4 рисунка.
Основные положения, выносимые на защиту:
Методика расчета магнитных систем с деталями из ВТСП материалов, использующие резистивные модели электрофизических свойств ВТСП.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований образцов из ВТСП материалов подтверждающие достоверность предложенной методики расчета.
3. Новое конструктивное решение магнитного подшипника с ВТСП материалами, имеющее высокие механические параметры позволяющие использовать в Газотурбинных установках.
В первой главе описан принцип действия магнитных подшипников, и представлены их разновидности. Выполнен критический анализ существующих конструкций магнитных систем для магнитного подшипника с деталями из сверхпроводящих материалов, показана актуальность применения сверхпроводящих подшипников по сравнению с пассивными подшипниками на постоянных магнитах и активными подшипниками. Приведены и рассмотрены конструкции магнитных подшипников с сверхпроводящими деталями, показаны проблемы связанные с их проектированием. и изготовлением. Показана необходимость создания методов проектирования магнитных систем с деталями из сверхпроводящих материалов с целью повышения технологичности конструкции. Сформулирована цель работы и поставлены основные решаемые задачи.
Во второй главе приведены методы анализа электромагнитного поля для расчета магнитных систем с деталями из сверхпроводящего материала. Исследованы возможности программного обеспечения на основе пространственных интегральных уравнений и осуществлена его адаптация для расчета магнитных систем с элементами из сверхпроводящих материалов.
Достоверность и реализуемость предложенного метода исследована при сопоставлении расчетных результатов и данных экспериментов для образца ВТСП в виде диска при анализе вмороженного магнитного поля в режиме FC. В расчетах были применены и сопоставлены две модели описывающие электрофизические свойства ВТСП: резистивная модель электрофизических свойств ВТСП разработанная и предложенная Клименко Е.Ю (Курчатовским институтом) модель Г - образных зависимостей плотности тока от напряженности электрического поля, разработанная при решении поставленных задач в диссертационной работе.
Осуществлено сопоставление расчетных и экспериментальных данных, которое показало, что модели квазистационарного поля совместно с моделями описывающими электрофизические свойства ВТСП отражают процессы в осесимметричных и трехмерных системах с приемлемой для практического использования точностью.
В третьей главе отражены методы оптимизации магнитных систем для магнитного подшипника на основе сверхпроводящих материалов. Сформулирована задача нахождения оптимального размера постоянных магнитов по критерию минимума их объема при заданном значении возвращающей радиальной силы при определенном контрольном смещении ротора в рабочей области. По разработанному методу расчета магнитных систем с ВТСП материалами, с использованием программного комплекса EasyMAG3D, выполнен ряд расчетных исследований по подбору наиболее подходящего профиля магнитного подшипника по критерию заданной конечной силы. Из нескольких вариантов конструкций разработанных профилей магнитных систем для магнитных подшипников, с точки зрения технологичности изготовления и наибольшей возвращающей силы, была выбрана сдвоенная конструкция магнитного диска, состоящая из кольцевых постоянных магнитов намагниченных радиально, позволяющая получить наибольшую жесткость магнитного подшипника.
В четвертой главе предложены и обоснованы варианты замены кольцевых постоянных магнитов намагниченных радиально на секториальные постоянные магниты намагниченные радиально. Проанализировано влияние секториальных постоянных магнитов на напряженность магнитного поля.
Спроектирована новая конструкция магнитной системы магнитного подшипника с использованием деталей выполненных из сверхпроводящих материалов.
Разработана и апробирована на практике оснастка для сборки магнитных дисков подшипника, позволяющая осуществлять склеивание секториальных постоянных магнитов в намагниченном состоянии.
Приведена методика входного контроля постоянных магнитов, обеспечивающая требуемую точность и быстроту проведения измерений.
Показанные результаты практических экспериментов предварительно собранного магнитного диска одной ячейки подтверждают выполнение расчетных исследований и обосновывают новое конструктивное решение магнитного подшипника.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
Экспериментальные исследования образца ВТСП материала в виде диска для осесимметричной модели
Экспериментальные исследования проводились на базе "Всероссийского электротехнического института им. Ленина" (ФГУП ВЭИ). В ходе эксперимента проводилось исследование нескольких экземпляров ВТСП дисков с диаметром 38 мм и толщиной 4.8 мм выполненных из иттриевой керамики YBa2Cu307_s рис 2.2. Схема проведенного эксперимента. Исследование образца происходило в режиме вмороженного поля (FC). Сверхпроводящая таблетка в эксперименте помещалась в магнитное поле создаваемое электромагнитом рис. 2.3, затем таблетка охлаждалась жидким азотом ниже критической температуры. После чего магнитное поле создаваемое электромагнитом отключалось, и с помощью датчика холла исследовалось захваченное магнитное поле над сверхпроводящим диском рис. 2.4. Эксперимент повторялся несколько раз с различными значениями вмораживаемого поля. Исследование магнитного поля проводилось в автоматическом режиме при помощи перемещения датчика холла установленного на устройстве трехмерного координатного позиционирования. В результате использования автоматизированной системы измерения магнитного поля, появилась возможность подробно исследовать поле создаваемое ВТСП диском, зарегистрировав значения магнитной индукции над поверхностью образца в 11600 точках. На рис. 2.5 представлены картины поля над ВТСП таблеткой в 0.3 мм от его поверхности для пяти значений внешнего поля при переходе в сверхпроводящее состояние 0.1 Тл, 0.6 Тл, 0.8 Тл, 1 Тл 1.2Тл.
Картина поля для значений 0.2 Тл и 0.4 Тл сведены в Приложение!. Реализуемость и достоверность предложенного метода исследована при сопоставлении результатов выполненных расчетов и данных экспериментов для образца ВТСП в виде диска при анализе вмороженного магнитного поля в режиме FC. Для расчетов применена феноменологическая модель электрофизических свойств ВТСП в виде гиперболической функции плотности тока, магнитной индукции и температуры, предложенная в [73] значения критических параметров: температуры, магнитной индукции, плотности тока. При экспериментальных исследованиях диск из ВТСП диаметром 38 мм и высотой 4.8 мм помещался в однородное магнитное поле, направленное вдоль его оси. Затем он охлаждался, внешнее магнитное поле убиралось и измерялось распределение магнитной индукции у торцевой поверхности образца на расстоянии 0.3 мм. В модельной расчетной задаче (см. рис.2.6) такой же диск из ВТСП помещался в длинный соленоид, ток в котором изменялся таким образом, чтобы магнитная индукция соленоида имела временную функцию, показанную на рис. 2.7.
В расчетах приняты следующие значения критических параметров: температура ТС=71К, магнитная индукция Д,=10.0Тл. Значение критической плотности тока определено из сопоставления расчетных и экспериментальных данных распределения магнитной индукции у поверхности диска. Для этого подбиралось значение Jс так, чтобы в точке максимума магнитной индукции на оси диска при максимальном достижимом для данного образца вмороженном поле расчетные и измеренные значения совпадали. Температура образца постоянная Т = 55К, относительная дисперсия - 8 = 0.00286. Критический ток Jc зависит при данной температуре от магнитной индукции В — \Х0Н как показано на рис. 2.8. Для таких параметров функции удельного электрического сопротивления материала р от плотности тока J при различных постоянных значениях магнитной индукции представлены в виде графиков на рис. 2.9. Рассматриваемая задача имеет осевую симметрию, поэтому вектор плотности тока ограничен одной азимутальной составляющей, а электрические заряды отсутствуют. Результаты расчетов распределения На рис. 2.10 я показаны функции осевой, а на рис. 2.106 - радиальной составляющей Н, полученные для различных установленных значений магнитной индукции в момент охлаждения (режим FC), после монотонного уменьшения до нуля магнитной индукции внешнего поля. В расчетах этот процесс моделировался следующим образом. В соленоиде задавался ток, необходимый для создания требуемой магнитной индукции. Индуцированные токи в образце отсутствовали. Затем ток в соленоиде линейно уменьшался до нуля, в образце определялось распределение индуцированного тока как в электропроводящем материале с нелинейным удельным электрическим сопротивлением, изменяющимся по формуле (7). Постоянная времени затухания индуцированных токов существенно превосходила время спада тока в соленоиде. Из полученных результатов моделирования такого процесса следует, что по мере возрастания начального значения магнитной индукции, ее последующее удержание ограничивается значениями вблизи образующей усеченного конуса с предельной линией 8, определенной конечным значением критической плотности тока в образце.
В первой строке таблицы 1 приведены рассчитанные трехмерные изображения распределений по радиусу осевых составляющих магнитной индукции для трех значений начального поля: малого - В=0Л Тл, среднего -В=0.6 Тл и максимального - В—1.5 Тл, после увеличения которого распределение остаточной магнитной индукции не изменяется. Распределение индуцированных токов в сечении образца для этих же режимов показаны во второй строке таблицы в виде тоновых рисунков. По мере возрастания максимума начальной магнитной индукции токи постепенно заполняют весь объем и достигают критических значений плотности, соответствующих установившимся значениям магнитной индукции в выделенных элементарных объемах, созданной индуцированными токами в диске. Полученные в эксперименте распределения магнитной индукции в аналогичных условиях приведены в третьей строке таблицы как трехмерные поверхности уровней и в четвертой строке таблице в виде проекции этих трехмерных изображений на координатные плоскости.
Экспериментальные исследования образца ВТСП материала в виде прямой призмы для трехмерной модели
Эксперимент проводился по аналогии с экспериментом описанным в главе 2.2 за исключением испытуемого образца. В эксперименте было осуществлено исследование сверхпроводящего образца из иттриевой керамики выполненного в виде прямой призмы с размерами 23x23x7мм. Сверхпроводник исследовался в режиме вмороженного поля (FC), помещался во внешнее поле, после чего охлаждался ниже критической температуры рис.2.2. Затем датчиком холла над образцом исследуется захваченное поле. Зазор между датчиком и образцом составляет 0,3мм рис.2.4.
Экспериментальное исследование сверхпроводящего образца. Результаты экспериментальных исследований и математического моделирования картины поля над ВТСП призмой в 0,3 мм от его поверхности приведены на рис. 2.18 и в таблицах 2, 3. Внешнее поле при переходе в сверхпроводящее состояние составляло от 0.1Тл до 1,4Тл.
На рис. 2.18« показаны функции X составляющей, а на рис. 2.186 — Z составляющей Н, полученные для различных установленных значений магнитной индукции в момент охлаждения (режим FC), после монотонного уменьшения до нуля магнитной индукции внешнего поля. В расчетах этот процесс моделировался аналогично случаю с ВТСП таблеткой. Из полученных результатов моделирования такого процесса следует, что по мере возрастания начального значения магнитной индукции, ее последующее удержание ограничивается значениями вблизи образующей усеченного конуса с предельной линией 10, определенной конечным значением критической плотности тока в образце.
В первой строке таблиц 2 и 3 представлены рассчитанные трехмерные изображения распределений X — составляющей магнитной индукции для четырех значений начального поля: малого - В=0.1Тл, двух средних - В=0.6Тл, В=1.0Тл, и максимального - В=1.4Тл. Дальнейшее увеличение начального поля не влияет на распределение остаточной магнитной индукции.
Экспериментально полученные распределения магнитной индукции в аналогичных условиях приведены во второй строке таблицы как трехмерные поверхности уровней и в третей строке в виде проекции этих трехмерных изображений на координатные плоскости.
Сопоставление расчетных и экспериментальных данных подтверждает обоснованность предложенной в [72] модели свойств ВТСП и возможность ее использования при расчетах магнитных систем интегральными методами. Так же как и в случае с ВТСП таблетками экспериментальное исследование ВТСП призм показало существенную неоднородность свойств образцов ВТСП, носящих систематический характер.
Отражены методы анализа электромагнитного поля. Исследованы возможности программного обеспечения на основе пространственных интегральных уравнений и осуществлена его адаптация для расчета магнитных систем с элементами из сверхпроводящих материалов.
Для проверки работоспособности предложенной методики расчета были проведены серии исследований, для разных форм таблеток сверхпроводящих материалов. По разработанному методу расчета магнитных систем с использованием программного комплекса EasyMAG3D[77]-[81] выполнен цикл расчетных исследований по проверке свойств ВТСП материалов в сверхпроводящем состоянии работающих в магнитном поле.
Выполненные сопоставления расчетных и экспериментальных данных показывают, что модели квазистационарного поля совместно с резистивными моделями свойств ВТСП отражают процессы в осесимметричных и трехмерных системах с приемлемой для практического использования при проектировании таких устройств достоверностью.
Магнитная система для подшипника в сечении представляет из себя С -образный магнитопровод который смещен относительно оси вращения. Выполняется магнитопровод из стали 10[82, 83], на него устанавливаются кольцевые постоянные магниты изготовленные из сплава NdFeB[84] рис. 3.1.
Оптимизация конструктивных параметров магнитной системы состоит в поиске оптимальных размеров постоянных магнитов по критерию минимума их объема при заданной радиальной составляющей электромагнитной силы при определенном смещении.
Основной вклад в стоимость магнитной системы вносят входящие в нее постоянные магниты, цена которых пропорциональна массе. Соответственно при использовании в магнитной системе минимально возможного объема постоянных магнитов существенно снижается и общая стоимость магнитной системы для подшипника. Оптимизация геометрических параметров постоянных магнитов осуществляется с использованием плана расчетов аналогичного центральному рототабельному плану, используемому в методах планирования эксперимента [85, 86].
Сравнительный анализ и выбор конструкции магнитной системы подшипника
На рис.3.6 показан один из вариантов предполагаемой конструкции магнитной системы[88, 89]. На рисунке показана одна ячейка магнитной системы которая состоит из статора (ВТСП кольцо) и ротора представленного магнитопроводом выполненным из ферромагнитного материала и четырьмя кольцевыми постоянными магнитами, намагниченными вдоль оси вращения и закрепленные на магнитопроводе.
Магнитная система с кольцевыми постоянными магнитами намагниченными по оси. Результаты расчета напряженности поля в конструкции магнитной системы по рис.3.6 проводились в центре зазора магнитной системы между постоянными магнитами. Результаты расчетов представлены на рис.3.7. Результаты расчета сил были сведены в таблицу 6. Рассчитанная сила действующая на сверхпроводник при радиальном смещении его из начального положения на 0,2 мм составляет Р2 = -62.658 Н. Если в магнитной системе рис. 3.8 уменьшить высоту постоянных магнитов на 0,9 мм, высота магнитов будет равна 4,4 мм. При таких размерах постоянных магнитов уменьшается общий габарит одной ячейки, в результате появляется возможность вписать в заданные габариты 5 ячеек. Результаты расчета сил сведены в таблицу 8. Результирующая расчетная сила в контрольной точке составляет Р, = -50.985 Н По полученным размерам в заданный габаритный размер можно вписать 5 ячеек. Общая жесткость магнитной системы составляет Результаты исследований позволили сделать заключение о не возможности создании магнитного подшипника на основе конструкции магнитной системы с постоянными магнитами, намагниченными по оси, с необходимыми жескостными характеристиками в требуемых габаритах.
Проведенные исследования показали, что сила действующая на двигающийся сверхпроводник зависит от градиента напряженности магнитного поля. В дальнейших исследованиях необходимо рассмотреть магнитные системы с более характерно выраженными градиентами напряженности магнитного поля, а так же рассмотреть магнитные системы с радиально намагниченными постоянными магнитами. Второй вариант рассмотренной конструкции магнитной системы представлен на рис. 3.14. Конструкция одной ячейки магнитной системы состоит из двух дисков, каждый состоит из четырех кольцевых постоянных магнитов, намагниченных радиально, и расположенных намагниченностью встречно к предыдущему кольцу [90]. Между постоянными магнитами устанавливаются металлические кольца, при этом крайние постоянные магниты, так же закрываются металлическими кольцами. Сверхпроводящий диск располагается между двумя такими наборными кольцами. радиально намагниченными постоянными магнитами.
Предложенная конструкция магнитной системы одной ячейки может быть реализована двумя способами: - намагниченность кольцевых постоянных магнитов соседних дисков обратная (последовательная) рис.3.15. - намагниченность кольцевых постоянных магнитов соседних дисков совпадает (встречная). Вариант 1. В модели кольцевые постоянные магниты размещаются согласно схеме представленной на рис.3.15а, ротор из постоянных магнитов и стальных колец используется одновременно в двух ячейках. Результаты расчета радиальной составляющей силы сведены в таблицу 13, напряженность магнитного поля в зазоре между дисками приведены на рис.3.16.
Входной контроль постоянных магнитов в кольцах Гельмгольца
Поставляемые на сборку магнитной системы постоянные магниты, изготовленные из сплава NeFeB [94]-[96], должны иметь разброс по намагниченности не более ± 2,5%. Перед сборкой систем необходимо проводить 100% входной контроль постоянных магнитов для определения их эксплуатационных параметров и отбраковки [97]-[99]. Для простых изделий контроль постоянных магнитов можно провести при условиях, максимально приближенных к условиям работы в системе или непосредственно в системе. Однако для сложных конструкций магнитных систем, технология сборки которых является крайне сложным процессом, обнаружение несоответствия требований к магнитным параметрам постоянных магнитов только в конце этого процесса приводит к неоправданным временным затратам. В подобных случаях целесообразно контролировать магнитные параметры постоянных магнитов вне системы, т.е. рассматривать уединенный постоянный магнит в "свободном состоянии" [100, 101]. В качестве контролируемых параметров можно использовать: - магнитный поток с полюса постоянного магнита в изолированном состоянии или в магнитной системе (имитаторе магнитной системы), - значение магнитной индукции в характерных точках вблизи постоянного магнита в изолированном состоянии или в магнитной системе (имитаторе магнитной системы), - магнитный момент постоянного магнита, определяемый в кольцах Гельмгольца. При известной магнитной характеристике материала указанные выше параметры определяются расчетным путем с высокой точностью, а также контролируется объемная однородность постоянного магнита. Для проведения измерений магнитного потока с полюса постоянного магнита необходимо для каждого типоразмера изготавливать съемную измерительную катушку [101]. На результат измерения магнитного потока оказывает влияние погрешность позиционирования.
Использование измерительной катушки приводит к изменению магнитного потока 5 - 10 % из-за изменения расстояния от поверхности полюса на 1 мм. При определении значений магнитной индукции в характерных точках вблизи постоянного магнита также возникают проблемы с позиционированием датчика Холла [101, 102]. Кроме того, такой метод контроля требует больших затрат времени. Из трех выше перечисленных параметров в производстве предпочтительным является определение магнитного момента постоянного магнита с помощью катушек Гельмгольца, пропорционального средней по объему намагниченности. Проведенные расчеты и измерения показывают, что размеры рабочей зоны катушки Гельмгольца, значительно больше указанных в методике измерения [103]. Изменение положения постоянного магнита по горизонтали и вертикали не оказывает существенного влияния на измеряемое потокосцепление, более важно позиционирование по углу, т.е. направление оси намагниченности постоянного магнита должно совпадать с осью катушки Гельмгольца [93]. Измерение магнитного потокосцепления выполняют индукционным методом посредством удаления (выдергивания) намагниченного до технического насыщения постоянного магнита из рабочей зоны измерительной катушки Гельмгольца в свободное пространство. По закону электромагнитной индукции э.д.с. е в измерительной катушке Гельмгольца равна изменению во времени магнитного потокосцепления Ч?м При удалении постоянного магнита из катушки Гельмгольца магнитное потокосцепление изменится от начального значения Чг мо до нуля: Рис. 4.15. Модель постоянного магнита в катушках Гельмгольца
Представим постоянный магнит совокупностью малых элементарных объемов с постоянной составляющей намагниченности Mj=const, j=l, 2, ...m, вдоль оси катушек. Магнитные моменты nij объемов вычисляются как произведение его намагниченности на объем dV, или как произведение эквивалентного тока 1ЭКвНа площадь dS (рис. 4.15): Если в катушках протекает ток I, то через элемент dS, находящийся в зоне однородного поля, проходит магнитный поток где К= Нц/Іі- коэффициент катушек Гельмгольца, Нц - напряженность магнитного поля в центре катушек Гельмгольца. В соответствии с теоремой взаимности ток 1экв элемента dS, а значит и намагниченность элементарного объема dV создает в катушке магнитное потокосцепление Суммарный магнитный поток всех элементарных объемов катушки Прямо пропорционален суммарному магнитному моменту постоянного магнита, т.к. постоянная К будет одинакова для всех элементарных объемов если постоянный магнит находится в зоне однородности катушек. Средняя по объему составляющая намагниченности по оси катушек Гельмгольца будет равна Для входного контроля постоянных магнитов, входящих в состав магнитной системы для магнитного подшипника, с использованием методики измерения была разработана и изготовлена измерительная установка (Рис. 4.16).
