Разработка методов моделирования и проектирования высокотемпературного сверхпроводящего подшипника для кинетического накопителя энергии Курбатова Екатерина Павловна

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Сравнительный анализ магнитных подвесов кинетических накопителей энергии 15

1.1 Конструкции магнитных подшипников 15

1.2 Магнитный подвес для кинетических накопителей энергии 24

Выводы по главе 1 37

Глава 2 Метод расчета магнитных систем с объемными втсп элементами 39

2.1 Моделирование свойств объемных ВТСП материалов 39

2.2 Алгоритм расчета плотности тока и намагниченности в элементах магнитных систем из ВТСП материала 47

Выводы по главе 2 61

Глава 3. Расчет и экспериментальные исследования магнитных систем с ВТСП элементами 62

3.1. Основные допущения 62

3.2. Распределение магнитного поля над образцом ВТСП материала 62

3.3. Силовые взаимодействия между ВТСП и постоянным магнитом 70

3.4 Силовые характеристики макетов ВТСП подшипника 76

Выводы по главе 3 85

ГЛАВА 4. Анализ и сопоставление удельных характеристик ВТСП подшипников 86

4.1 Характеристики материалов и определение удельной жесткости 86

4.2 Анализ влияния геометрических параметров магнитной системы на жесткость ВТСП подшипника 88

4.2.1 Дисковая конструкция ВТСП подшипника 88

4.2.2 Цилиндрическая конструкция ВТСП подшипника 90

4.3 Исследование влияния дополнительных элементов из магнитомягкого материала на жесткость цилиндрического ВТСП подшипника 98

4.3.1 Влияние элементов из магнитомягкого материала в виде трубы 98

4.3.2 Влияние элементов из магнитомягкого материала в виде участков трубы 102

4.3.3 Анализ влияния элементов из магнитомягкого материала в виде колец 109

4.4 Исследование влияния формы стальных вставок ротора на жесткость цилиндрического ВТСП подшипника 112

4.4 Сравнение цилиндрического ВТСП подшипника с внешним и внутренним расположением статора 116

Выводы по главе 4 120

ГЛАВА 5. Комбинированный магнитный подвес с втсп подшипником для кинетического накопителя энергии 121

5.1 Динамическая модель маховика КНЭ с комбинированным магнитным подвесом 121

5.2 Применение динамической модели комбинированного магнитного подвеса КНЭ 129

5.3 Расчет комбинированного магнитного подвеса с ВТСП подшипником для кинетического накопителя энергии 136

Выводы по главе 5 146

Заключение 147

Список литературы 149

• Магнитный подвес для кинетических накопителей энергии
• Алгоритм расчета плотности тока и намагниченности в элементах магнитных систем из ВТСП материала
• Силовые взаимодействия между ВТСП и постоянным магнитом
• Исследование влияния дополнительных элементов из магнитомягкого материала на жесткость цилиндрического ВТСП подшипника

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Снижение потерь в опорах быстро вращающихся роторов и повышение их надежности является актуальной технической проблемой. Для кинетических накопителей энергии (КНЭ) технические характеристики опорных узлов определяют энергетическую эффективность всего устройства, так как от них во многом зависят потери в режиме хранения энергии. В настоящий период времени в качестве опор КНЭ наиболее часто используются механические и электромагнитные подшипники. Применение механических подшипников в КНЭ является неэффективным из-за наличия потерь на трение. Электромагнитные опоры позволяют создавать бесконтактный подвес, однако их недостатками являются необходимость в системе управления и энергопотребление.

С развитием техники высокотемпературной сверхпроводимости
появилась возможность создания бесконтактных пассивных

высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) подшипников, которые могут быть применены в качестве опор кинетических накопителей энергии. Уникальная особенность ВТСП заключается в том, что при их применении осуществляется самостабилизирующаяся форма левитации, основанная на проявлении диамагнитного эффекта. ВТСП подшипники в настоящее время вызывают все больший интерес благодаря высоким показателям жесткости и возможности обеспечивать устойчивое положения маховика без использования активного управления. Причем эффективность применения ВТСП подшипников возрастает при высоких скоростях вращения и большой массе маховика.

Несмотря на преимущества ВТСП подшипников и постепенное развитие технологии изготовления сверхпроводников, в том числе в России, существуют сложности для их внедрения в промышленность. Основная трудность заключаются в отсутствии у разработчиков методик математического моделирования и проектирования магнитных систем с ВТСП элементами, учитывающих сложные электрофизические свойства этих материалов. Для создания новых перспективных конструкций ВТСП подшипников, отвечающих возрастающим требованиям к характеристикам магнитного подвеса КНЭ, а также других изделий со сверхпроводниками, необходимо повышение точности методов моделирования свойств ВТСП в программах расчета электромагнитных полей, которые используются при проектировании этих устройств. Необходим более глубокий анализ существующих конструкций ВТСП подшипников для обоснования перспективности их применения в высокоскоростных роторных механизмах.

Степень разработанности темы исследования. Первые исследования в области высокотемпературных сверхпроводящих подшипников были опубликованы в начале 90х годов в Японии. Дальнейшее развитие ВТСП подшипников для накопителей энергии шло в сторону увеличения мощности самих накопителей и повышению характеристик ВТСП подшипников. В 2006 году фирма Nexans опубликовала результаты разработки ВТСП подшипника,

рассчитанного на нагрузку до 10 кН. Крупнейшим проектом является разработанный в 2015 году КНЭ на 300кВт, в котором использует ВТСП подшипник, удерживающий осевую нагрузку до 40 кН.

В настоящее время исследования новых конструкций ВТСП
подшипников проводятся во многих странах. Среди крупнейших фирм
разработчиков и производителей сверхпроводящих подшипников для КНЭ
можно выделить ATZ, Boeing, NASA. Наиболее масштабным проектом с
применением ВТСП подшипников являются две станции хранения энергии по
20 МВт, созданные Beacon Power в США. Кроме того, данной проблемой
занимается ряд научно-исследовательских университетов: University of Lisbon,
Shibaura Institute of Technology (Superconductivity Research Laboratory ISTEC),
Railway Technical Research Institute(Токио), Key Laboratory of Applied
Superconductivity (Chinese Academy of Sciences), KEPCO Research Institute
(KEPRI), Kyushu Institute of Technology, Federal University of Rio de Janeiro,
Beijing University of Aeronautics and Astronautics. В России разработками в
области ВТСП подшипников занимаются «Московский авиационный институт
(национальный исследовательский университет)», «Московский

государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)», Национальный исследовательский университет "Московский энергетический институт", Русский сверхпроводник, МКБ «Горизонт» и др.

Несмотря на большое число публикаций и высокую публикационную активность исследователей в этом направлении до сих пор не полностью решены методические проблемы, возникающие при проектировании ВТСП устройств, в частности подшипников. Трудной задачей остается моделирование электрофизических свойств ВТСП материалов, обладающих сильной нелинейностью, при анализе электромагнитного поля. Сейчас для этих целей используется в основном зарубежное программное обеспечение, построенное на методе конечных элементов. Этот метод не всегда может быть успешно адаптирован для расчетов сверхпроводников из-за резко выраженного скин-эффекта. В материалах известных отечественных и зарубежных публикаций недостаточно сведений для обоснованных выводов о перспективных конструкциях ВТСП подшипников для КНЭ. Требуется более глубоко исследовать процессы, происходящие в ВТСП материале и в магнитной системе в целом.

Объектом исследования является высокотемпературный

сверхпроводящий подшипник для кинетического накопителя энергии.

Предметом исследования являются ВТСП подшипники для КНЭ в части анализа электромагнитных и динамических процессов и обоснования конструктивных решений.

Целью диссертационной работы является уточнение методики, развитие отечественных программных средств расчета магнитных систем с ВТСП элементами и разработка конструкции ВСТП подшипников для полностью интегрированного КНЭ.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. выполнить критический анализ известных конструкций магнитных подшипников для КНЭ и моделей свойств ВТСП. Определить существующие методические проблемы, возникающие при их проектировании.

2. уточнить методику и, доработать существующие отечественные программные средства для расчета магнитных систем с ВТСП элементами.

3. выполнить расчетно-теоретические исследования различных конструкций ВТСП подшипников для выбора лучшего варианта для использования в рассматриваемой конструкции КНЭ.

4. провести экспериментальные исследования образцов ВТСП материала и ВТСП подшипников для подтверждения достоверности полученных теоретических результатов.

5. разработать динамическую модель КНЭ и выполнить исследования устойчивости работы маховика КНЭ в подвесе из ВТСП подшипников.

Методы решения поставленных задач. Для решения поставленных задач использованы численные методы моделирования электромагнитных полей, методы макроскопического моделирования физических процессов, экспериментальные исследования.

В результате выполненной работы были получены следующие новые научные результаты:

6. Обосновано применение метода моделирования свойств объемного ВТСП материала, отличающегося более широкими возможностями для аппроксимации распределений токов в сверхпроводнике, в котором к известной модели транспортного тока добавлена модель для намагниченности - плотности магнитных моментов связанных токов, определенных для совокупности распределенных в объеме сверхпроводника малых сверхпроводящих соленоидов с нелинейными, анизотропными и гистерезисными свойствами.

7. Разработан новый алгоритм учета свойств ВТСП материалов в программе расчета, основанной на методе пространственных интегральных уравнений, который обладает подтвержденной при решении практических задач хорошей сходимостью итерационного решения уравнений при различных состояниях ВТСП материалов.

8. Получены новые данные расчетных и экспериментальных исследований электромагнитных полей и силовых взаимодействий ВТСП элементов с постоянными магнитами в различных конструкциях подшипников, позволившие определить и сопоставить их удельные показатели эффективности, а также найти конструктивные решения повышающие эти показатели.

9. Составлена динамическая модель оригинальной конструкции КНЭ с комбинированным магнитным подвесом маховика из двух ВТСП подшипников и опорного подшипника на постоянных магнитах, позволяющая выполнять анализ устойчивости работы КНЭ при различных внешних возмущениях, что необходимо для обоснования требований к магнитному подвесу.

Достоверность полученных результатов обусловлена применением

строгих математических методов анализа электромагнитного поля, подтверждением полученных в работе теоретических данных результатами экспериментальных исследований, согласованности их с выводами в отечественных и зарубежных научно-технических публикациях, результатами обсуждений на научных конференциях.

Практическая значимость:

10. адаптированное в данной работе для расчетов магнитных систем с ВТСП элементами отечественное программное обеспечение EasyMag3D, имеющее целью ускорение разработки внедрения в промышленность новых более энергоэффективных электротехнических изделий со сверхпроводящими материалами.

11. разработанный ВТСП подшипник с внутренним расположением статора и комбинированный магнитный подвес маховика на его основе для полностью интегрированной конструкции КНЭ, составляющие важный технический задел для дальнейших исследований в области магнитных подвесов роторных механизмов.

12. результаты анализа удельных показателей жесткости подшипников с дисковыми и цилиндрическими ВТСП элементами, позволяющие выделить основные конструктивные решения для улучшения параметров известных типовых конструкций.

13. основанные на результатах проведенных теоретических и экспериментальных исследований выводы о перспективности широкого применения статических и управляемых магнитных опор валов на основе сверхпроводников.

Личный вклад автора.

14. Теоретическое и экспериментальное обоснование эффективности использования расширенной модели свойств объемного ВТСП материала для плотности токов и намагниченности.

15. Разработка алгоритма учета свойств ВТСП материалов в программе расчета электромагнитных полей EasyMag 3D, основанной на методе пространственных интегральных уравнений.

3. Выполнение всех приведенных в работе расчетов, разработка
методик и участие в проведении экспериментальных исследований.

4. Разработка динамической модели КНЭ с комбинированным магнитным подвесом маховика.

5. Участие в адаптации отечественного программного обеспечения Easymag3D для расчетов магнитных систем с ВТСП элементами в части выполнения всех тестовых расчетов.

6. Разработка ВТСП подшипника с внутренним расположением статора для полностью интегрированной конструкции КНЭ.

7. Обоснование вывода о перспективности магнитных опор валов на основе сверхпроводников.

Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-практических конференциях:

17я Международная конференция «17^th International Conference on Power Electronics and Motion Control (PEMC)», 25-30 сентября 2016 г., Болгария, г. Варна;

12я Европейская конференция «12^th European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS)», 6-10 сентября 2015 г., Франция, г. Лион;

XX Международная конференция по постоянным магнитам, 21 -25 сентября 2015 г., Россия, г. Суздаль;

XVIII Международный симпозиум «International Symposium on Electrical
Apparatus and Technologies», 29 - 31 мая 2014 г., Болгария, г. Бургас;

20я Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», 27 – 28 февраля 2014 г., Россия, г. Москва;

XV Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты», 21–27 сентября 2014, Россия, г. Алушта;

XIX Международная конференция по постоянным магнитам, 23-27
сентября 2013 г., Россия, г. Суздаль;

19я Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», 28 февраля – 1 марта 2013 г., Россия, г. Москва;

XIV Международной конференции «Электромеханика,

электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты». 23 - 29 сентября 2012 г., г. Алушта.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликована 21 печатная работа: из них 6 статей из перечня ВАК, 2 статьи, входящие в международную базу цитирования Scopus, 8 тезисов докладов в сборниках трудов международных конференций; 4 патента на полезную модель и 1 патент на изобретение.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка литературных источников из 114 наименований. Основная часть работы изложена на 163 страницах машинописного текста, содержит 103 рисунка и 14 таблиц.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты обоснования модели свойств объемного ВТСП материала для плотности токов и намагниченности.

2. Алгоритм учета свойств ВТСП материалов в программе расчета электромагнитных полей Easymag 3D, основанной на методе пространственных интегральных уравнений.

3. Данные расчетных и экспериментальных исследований электромагнитных полей и силовых взаимодействий ВТСП элементов с постоянным магнитом в различных конструкциях подшипников.

4. Динамическая модель КНЭ с комбинированным магнитным подвесом маховика из двух ВТСП подшипников и опорного подшипника на постоянных магнитах.

5. ВТСП подшипник с внутренним расположением статора и

построенный на его основе комбинированный магнитный подвес маховика для полностью интегрированной конструкции КНЭ,

6. Вывод о перспективности магнитных опор валов на основе сверхпроводников.

Магнитный подвес для кинетических накопителей энергии

Главное проблемой таких подшипников является невозможность создания полностью бесконтактного подвеса на постоянных магнитах (согласно теореме Ирншоу). Соответственно, подвесы с постоянными магнитами имеют хотя бы одну степень свободы и требуют наличия фиксирующих подшипников. Таким образом, магнитные подшипники с постоянными магнитами в основном используются как опорные подшипники для разгрузки системы или в различных комбинированных подшипниках, воспринимая основной вес устройства или повышая жесткость системы за счет дополнительного источника магнитного поля.

Вторым типом пассивных подшипников являются электродинамические подшипники, принцип действия которых основан на взаимодействия магнитного поля постоянных магнитов и индуцированных токов, возникающих в электропроводящем материале (рисунок 1.6а) или в короткозамкнутой обмотке (рисунок 1.6б).

Конструкции электродинамического магнитного подшипника: а) – с объемным электропроводящим материалом; б) – с короткозамкнутой обмоткой (один виток) Несмотря на то, что это вид взаимодействия известен уже давно, в последнее время появилось много исследований и публикаций в области электродинамических подшипников, направленных в первую очередь на повышение устойчивости и жесткости подвеса [15-18]. Основным преимуществом электродинамических подшипников является возможность устойчивой левитации без активного управления. Однако эта возможность ограничена только высокими скоростями вращения, что связано с необходимостью достигать высоких значений индуцированных токов. Кроме того, от скорости вращения зависит и жесткость подвеса. Главным же недостатком подобных систем являются значительные потери и нагрев электропроводящих элементов за счет индуцированных токов.

Третьим типом пассивных магнитных подшипников являются подшипники с элементами из объемного высокотемпературного сверхпроводящего (ВТСП) материала. Благодаря диамагнитным свойствам ВТСП материала, подшипники с объемными высокотемпературными сверхпроводящими элементами, охлаждаемые жидким азотом, обеспечивают трехосную стабилизацию положения вала (полную левитацию) и обладают достаточно высокими показателями жесткости, зависящими в большой степени от качества материала. Принцип действия ВТСП подшипников аналогичен электродинамическим подвесам, описанным выше. Однако в сверхпроводниках в охлажденном состоянии практически отсутствует сопротивление, поэтому индуцированные токи не вызывают значительных потерь и могут достигать гораздо больших значений. Основным недостатком ВТСП подшипников является необходимость в вакуумной теплоизоляции и системе азотного охлаждения, что приводит к усложнению системы магнитного подвеса.

Известны несколько вариантов конструкции ВТСП подшипника. В зависимости от расположения постоянных магнитов (ПМ) и сверхпроводника различают дисковый (рисунок 1.7а) и цилиндрический (рисунок 1.7б) типы подшипника. а) б)

В дисковой конструкции статор, как правило, выполняется из сверхпроводника в виде диска или набора плоских элементов [19-26]. ВТСП элементы располагаются в теплоизолированной камере, внутрь которой подается жидкий азот. Ротор состоит из набора кольцевых постоянных магнитов со стальными вставками, аналогично подшипнику с постоянными магнитами. Постоянные магниты в роторе могут быть намагничены как радиально, так и аксиально, но исследования [25] показали, что у дискового ВТСП подшипника с аксиально намагниченными постоянными магнитами низкие значения жесткости.

В цилиндрической конструкции магнитная система ротора состоит из кольцевых постоянных магнитов, намагниченных аксиально, и стальных вставок (аналогична магнитным системам подшипников на постоянных магнитах) и закрепляется на вращающемся валу [19, 27-35]. Статор выполняется в виде полого цилиндра (или собирается из отдельных элементов). Цилиндрический вариант ВТСП подшипника также можно выполнить обращенным, когда статор располагается внутри вращающихся постоянных магнитов.

В описанных выше вариантах сверхпроводник обычно охлаждается в собранном состоянии, т.е. переход в сверхпроводящее состояние осуществляется в магнитном поле постоянных магнитов ротора (FC режим). Однако, известны разработки с ВТСП подшипниками, в которых используется охлаждение сверхпроводника вне поля (ZFC режим). Пример такой конструкции представлен на рисунке 1.8 [36].

Конструкция ВТСП подшипника с ZFC режимом охлаждения Отдельно можно выделить опорный вариант конструкции ВТСП подшипника, предназначенный в основном для компенсации силы тяжести [28, 37-39]. Статор такого подшипника выполняется из отдельных сверхпроводящих элементов, обычно дисков, магнитная система ротора располагается напротив ВТСП элементов и состоит из аксиально намагниченных постоянных магнитов или системы Хальбаха (в отличие от дисковой конструкции) (рисунок 1.9). Подобная конфигурация используется для создания транспортных систем с магнитной левитацией, в том числе с объемными сверхпроводниками.

Алгоритм расчета плотности тока и намагниченности в элементах магнитных систем из ВТСП материала

Рассмотрено два режима перевода диска в сверхпроводящее состояние: в отсутствии магнитного поля (ZFC) и в магнитном поле (FC). Расчет распределения источников магнитного поля в объеме ВТСП диска и магнитного поля снаружи диска проводился тремя способами: с моделью свойств ВТСП материла только для плотности тока, с моделью только для намагниченности и с комбинированной моделью, использующей токи и намагниченность. В таблице 2.1 приведены размеры элементов тестовой задачи и параметры моделей ВТСП свойств.

Критическая напряженность магнитного поля для намагниченности (при Т=77 K) 2300 кА/м Максимальная критическая намагниченность (при Т=77 K) 1000 кА/м МДС катушки задавалась в виде временной функции, показанной на рисунке 2.9. В режиме ZFC начальное значение МДС равнялось нулю, после чего ток увеличивался до максимума, а затем снова до нуля. В режиме FC начальная МДС равнялась максимальному значению, затем уменьшалась до нуля.

Временные функции МДС катушки при расчетах тестовой задачи: 1 - в режиме ZFC; 2 - в режиме FC Напряженность магнитного поля рассчитывалась на линии расчета, расположенной вдоль радиуса ВТСП диска на расстоянии 1 мм от поверхности образца. На рисунке 2.10 приведены картины распределения источников магнитного поля в сечении ВТСП диска в режиме ZFC для двух моментов времени: при максимальной МДС (t=1.0 c) и при отсутствии тока в катушке (t=2.0 c). Намагниченность получена при расчете с использованием модели только для намагниченности (рисунок 2.10а,б), плотность токов - при расчете с использованием модели только для плотности тока (рисунок 2.10в,г). Обе модели показывают сначала вытеснение магнитного поля из образца, а затем сохранение захваченного магнитного поля.

Распределение источников магнитного поля в сечении ВТСП диска в режиме ZFC: а) – намагниченность при t=1.0 с; б) – намагниченность при t=2.0 с; в) - плотность тока при t=1.0 с; г) – плотность тока при t=2.0 с На рисунке 2.11 приведены картины распределения источников магнитного поля в сечении ВТСП диска, полученные при расчете с использованием комбинированной модели свойств, использующей одновременно модель для плотности тока и намагниченности в режиме ZFC. Показаны два момента времени: максимальная МДС (t=1.0 c) и отсутствие тока в катушке (t=2.0 c). Распределение векторов намагниченности показано на рисунке 2.11а,б, векторов плотности тока - на рисунке 2.11в,г. Распределение плотности тока при использовании комбинированной модели отличается от распределения плотности тока при расчетах по модели только для плотности тока. В комбинированной модели токи распределяются вблизи торцевых поверхностей, а в модели для тока - вблизи боковой поверхности. На распределение транспортных токов влияет возникающая намагниченность. в) г) (комбинированная модель): а) – намагниченность при t=1.0 с; б) – намагниченность при t=2.0 с; в) плотность тока при t=1.0 с; г) – плотность тока при t=2.0 с На рисунке 2.12 приведены рассчитанные распределения осевой и радиальной составляющих напряженности магнитного поля на линии расчета для трех рассмотренных моделей ВТСП свойств для двух моментов времени: при максимальной МДС в катушке (t=1.0 c) и при отсутствии тока в катушке (t=2.0 c).

Полученные данные показывают, что модель для намагниченности дает более равномерное распределение осевой составляющей напряженности магнитного поля (рисунок 2.12а), чем токовая модель, при достижении критических параметров и проникновении магнитного поля внутрь образца. В то же время модель для намагниченности дает более резкое изменение радиальной составляющей напряженности магнитного поля (рисунок 2.12б) на границе образца при максимальной МДС катушки, чем токовая модель, при достижении критических параметров и проникновении магнитного поля внутрь образца. При выключении тока более резкое изменение радиальной составляющей у модели для тока

Распределения осевой а) и радиальной б) составляющих напряженности магнитного поля на линии расчета для различных моделей свойств ВТСП в ZFC режиме: 1 - модель для J при t=1.0 c; 2 модель для M при t=1.0 c; 3 – комбинированная модель для J и M при t=1.0 c; 4 - модель для J при t=2.0 c; 5 - модель для M при t=2.0 c; 6 – комбинированная модель для J и M при t=2.0 c Распределение напряженности магнитного поля, рассчитанные при использовании комбинированной модели свойств, является промежуточными между результатами расчетов по моделям только для тока и только для намагниченности. Таким образом появляется возможность дополнительной настройки модели свойств ВТСП с помощью введения весовых коэффициентов для вклада в магнитное поле от различных источников.

На рисунке 2.13 приведены картины распределения источников магнитного поля в сечении ВТСП диска в режиме FC для двух моментов времени: при максимальной МДС (t=0 c) и при отсутствии тока в катушке (t=2.0 c). Намагниченность получена при расчете с использованием модели только для намагниченности (рисунок 2.13а,б), плотность токов - при расчете с использованием модели только для плотности тока (рисунок 2.13в,г). В FC режиме в начальный момент времени транспортный ток не появляется, так как нет изменения магнитного поля, соответственно вытеснения магнитного поля из объема ВТСП материала (эффект Мейснера) не наблюдается при использовании модели только для плотности тока.

Силовые взаимодействия между ВТСП и постоянным магнитом

Для проведения экспериментальных исследований и сопоставления данных с результатами расчетов были изготовлены два макета ВТСП подшипника (рисунок 3.18). Экспериментальный макет состоит из ВТСП цилиндра 1, составленного из колец высокотемпературной сверхпроводящей керамики (YBaCuO) с осевой анизотропией и ротора с постоянными магнитами (NdFeB) 2 с осевой намагниченностью. ВТСП цилиндр закреплен на внешней стороне трубки охлаждающей системы (криостата) 4 и охвачен тонкостенной герметичной оболочкой 3, в которой создается вакуум (вакуумная теплоизоляция). Охлаждение ВТСП происходит при заполнении криостата жидким азотом. Постоянные магниты закреплены в корпусе ротора, выполненного в виде диска из немагнитного материала. Исследуемые макеты отличались количеством используемых кольцевых постоянных магнитов: в первом случае в роторе макета был установлен один магнит, расположенный напротив середины ВТСП цилиндра, во втором случае магнитная система ротора состояла из трех магнитов, общая высота которых соответствовала высоте ВТСП цилиндра. Размеры постоянных магнитов и ВТСП цилиндра в обоих случаях идентичны.

Экспериментальные исследования силовых взаимодействий в макетах ВТСП подшипника проводились на стенде, представленном на рисунке 3.19 [107]. На основании 1, к которому присоединена вакуумная система, закреплен криостат 2 с ВТСП цилиндром внутри и герметичной оболочкой теплоизоляции. Осевое усилие создается при помощи калиброванных по массе медных колец 3, устанавливаемых на корпус ротора 4. Перемещение фиксируется датчиком перемещения 5, щуп которого опирается на корпус ротора. Для более точного измерения положения ротора макета применяются два датчика перемещения с противоположных сторон корпуса ротора, что позволяет снизить погрешности измерений из-за дополнительных сил, создаваемых этими датчиками. Для установки начального положения постоянных магнитов ротора относительно ВТСП цилиндра на основание и между ротором и статором подшипника устанавливаются съемные упоры-арретиры.

Экспериментальное измерение силовых взаимодействий для первого варианта макета ВТСП подшипника с одним постоянным магнитом проводился следующим образом. До охлаждения устанавливалось начальное положение постоянного магнита ротора – напротив центра ВТСП цилиндра и симметрично по радиусу. Затем с помощью вакуумной системы создавался вакуум в герметичной оболочке теплоизоляции, после чего в криостат наливался жидкий азот и ВТСП статор охлаждался и переводился в сверхпроводящее состояние в течении 15 минут. После охлаждения упоры-арретиры снимались, ротор перемещался под действием силы тяжести и начиналась его устойчивая левитация.

Измерение перемещения ротора ВТСП подшипника при приложении осевого усилия проводилось при постепенной нагрузке ротора тремя медными кольцами: 0.5 кг, 0.5 кг и 1 кг (кольца добавлялись по очереди в описанном порядке). Проводилось несколько циклов нагрузки-разгрузки, т.е. груз сначала добавлялся, а потом снимался с тем же шагом для получения гистерезиса в зависимости силы от перемещения и исследования изменения жесткости при повторных нагрузках. Максимальный добавочный груз в эксперименте равнялся 2 кг. Собственный вес ротора с постоянным магнитом – 0.24 кг. Таким образом, максимальное осевое усилие, действовавшие на ВТСП подшипник 22.4 Н. В процессе эксперимента фиксировалось значение смещения ротора, соответствовавшее осевой нагрузке. Экспериментальные данные в виде зависимости осевой силы от перемещения ротора представлены на рисунке 3.15 и сопоставлены с результатами теоретических расчетов. Для сравнения с результатами эксперимента приведены расчетные данные для двух моделей свойств ВТСП материала: модели критического состояния для плотности тока и комбинированной модели с плотностью тока и намагниченностью. Зависимость, полученная при использовании модели критического состояния, совпадает по максимальным значениям силы при перемещении ротора с постоянным магнитом, но угол наклона кривой, определяющий параметр жесткости ВТСП подшипника, существенно отличается при циклической нагрузке. При использовании комбинированной модели получена зависимость лучше согласующаяся с экспериментальными данными.

Экспериментальное исследование второго варианта макета ВТСП подшипника с тремя постоянными магнитами проводилось аналогичным образом. Начальное положение ротора до охлаждения устанавливалось симметрично ВТСП цилиндру по оси и по радиусу. Затем с помощью вакуумной системы создавался вакуум в герметичной оболочке теплоизоляции, после чего в криостат наливался жидкий азот и ВТСП статор охлаждался и переводился в сверхпроводящее состояние в течении 15 минут. После охлаждения упоры-арретиры снимались, ротор перемещался под действием силы тяжести и начиналась его устойчивая левитация. Измерение осевого перемещения ротора ВТСП подшипника при приложении осевого усилия проводилось при постепенной нагрузке ротора до 2 кг с помощью трех медными колец: первым устанавливалось кольцо массой 1 кг, затем по очереди два кольца по 0.5 кг. Проводилось несколько циклов нагрузки-разгрузки, т.е. груз сначала добавлялся, а потом снимался с тем же шагом для наблюдения гистерезиса в зависимости силы от перемещения и исследования изменения жесткости при повторных нагрузках. Максимальный добавочный груз в эксперименте равнялся 2 кг. Собственный вес ротора с постоянными магнитами – 2.2 кг. Таким образом, максимальное осевое усилие, действовавшие на ВТСП подшипник 42 Н. В процессе эксперимента фиксировалось значение смещения ротора, соответствовавшее осевой нагрузке. Экспериментальные данные в виде зависимости осевой силы от перемещения ротора представлены на рисунке 3.17а и сопоставлены с результатами теоретических расчетов. Данные, полученные с помощью комбинированной модели свойств, лучше совпадают с результатами измерений как по значению максимальной силы, так и по жесткости ВТСП подшипника после нескольких циклов.

Исследование зависимости для радиальных сил проводилось на основе эксперимента по измерению зависимости момента в ортогональном к оси подшипника направлении от угла поворота. Для этого после установки начального положения и охлаждении ВТСП статора проводилась стабилизация характеристики жесткости подшипника (циклы нагрузки-разгрузки, аналогичные описанным ранее). Далее с одной стороны корпуса ротора на фиксированном расстоянии от края устанавливались калибровочные грузы, т.е. прикладывался момент, с другой стороны корпуса с помощью датчика перемещения фиксировалась величина угла поворота корпуса вокруг оси, перпендикулярной оси подшипника.

Исследование влияния дополнительных элементов из магнитомягкого материала на жесткость цилиндрического ВТСП подшипника

Применение дополнительных стальных элементов в области ВТСП материала позволяет изменить картину магнитного поля в системе и соответственно влиять на значение удельной жесткости ВТСП подшипника. Однако рассмотренные выше варианты конструкций наряду с увеличением осевой жесткости приводят к значительному снижению радиальной жесткости. Для получения более высоких показателей радиальной жесткости в данной работе проведено исследование возможности повышения эффективности ВТСП подшипника за счет изменения конструкции магнитной системы ротора.

Магнитная система ротора цилиндрического ВТСП подшипника состоит из кольцевых постоянных магнитов с осевой намагниченностью, причем соседние магниты устанавливаются намагниченностью встречно друг к другу. Стальные вставки, расположенные между постоянными магнитами, выполняют функции выравнивания азимутальной неоднородности поля постоянных магнитов и концентрации магнитного потока за счет своей высокой магнитной проводимости. Таким образом главным критерием при выборе размеров стальных вставок является возможность материала проводить магнитный поток без перехода в режим насыщения. Кроме того, форма стальных вставок значительно влияет на распределения магнитного поля в зазоре и, соответственно, в районе ВТСП статора, а значит на жесткость ВТСП подшипника.

В стандартной конструкции магнитной системы ротора применяются стальные вставки в виде плоских колец, размер которых соответствует радиальному размеру постоянных магнитов. В этом случае из-за влияния стальных вставок увеличивается та часть магнитного потока, которая рассеивается с нерабочей области магнитной системы (с противоположной от зазора стороны постоянных магнитов). Уменьшение потерь магнитного потока возможно за счет укорачивания стальных вкладок со стороны нерабочей поверхности.

В качестве способа для повышения характеристик жесткости также рассмотрено применение стальных вставок измененной формы с сечением в виде треугольника. Такой конструкция позволяет сконцентрировать больше магнитного потока в магнитном зазоре благодаря расширенному основанию стальной вставки и одновременно уменьшить рассеяние с нерабочей поверхности магнитов аналогично укороченным стальным кольцам. Кроме того, изменена и форма постоянных магнитов, чтобы более эффективно использовать пространство между стальными вставками.

Исследования влияние формы стальных вставок на жесткость ВТСП подшипника проведено для цилиндрической конструкции с внутренним расположением ВТСП статора. Рассмотрены магнитные системы ротора с тремя типами стальных вставок: прямыми, прямыми укороченными и треугольными (рисунок 4.19). Направление намагниченности постоянных магнитов аналогично рассмотренным ранее конструкциям. а) б) в)

На рисунке 4.20 представлены результаты расчета осевых и радиальных усилий, возникающих между постоянными магнитами и ВТСП цилиндром при смещении относительно начального положении. Результаты приведены в виде зависимостей осевой силы при осевом перемещении и радиальной силы при радиальном перемещении. Расчеты проводились для магнитной системы, состоящей из двух постоянных магнитов и трех стальных вставок.

Применения стальных вставок треугольного сечения позволяют повысить значение осевой и радиальный силы создаваемой магнитной системой ротора, а, следовательно, повысить эффективность ВТСП подшипника по сравнению с прямыми вкладками. Прямые укороченные вставки показывают среднее значение осевой силы среди рассматриваемых вариантов и практически равные значения радиальной силы по сравнению с треугольными вставками.

В таблице 4.8 представлены полученные при расчетах значения удельных показателей осевой и радиальной жесткости для ВТСП подшипника с различными типами стальных вставок. Площадь активной поверхности ВТСП материала при расчете удельной жесткости по (4.1) равна 9.73 см2. Для рассматриваемой магнитной системы увеличение осевой жесткости при использовании треугольных стальных вставок составляет 16% по сравнению с прямыми вставками и 5% по сравнению с укороченными вставками. Увеличение радиальной жесткости – на 17% и 1% соответственно.

Применение прямых стальных вставок является неэффективным, что связано с сильным рассеянием магнитного потока и снижает удельные показатели жесткости ВТСП подшипника. Для оптимального использовать магнитной системы ротора и создания максимального магнитного потока внутри ВТСП статора необходимо использовать треугольные стальные вставки, подбирая угол раскрытия при проектировании конкретной конструкции ВСТП подшипника. Укороченные стальные вставки прямой формы показывают близкие к наивысшим показатели удельной радиальной жесткости, но уступают в удельной осевой жесткости. Однако применение такой конструкции стальных вставок является наилучшим вариантом в большинстве случаев, так как изготовление стальных вставок и постоянных магнитов специфичной формы является технологично сложным и дорогостоящим процессом.

Рассматриваемый в данной работе ВТСП подшипник с внутренним расположением статора проектировался для кинетического накопителя энергии с интегрированной конструкцией, в которой все детали устройства помещаются в вакуумную камеру, что позволяет отказаться от вакуумной теплоизоляции ВТСП элементов, занимающую значительную часть зазора. Таким образом, зазор между постоянными магнитами и сверхпроводником был выбран с точки зрения безопасного вращения ротора и появлении колебаний при разгоне, остановке и работе устройства и составил 1,5 мм.

Конструкция с внутренним статором позволяет использовать ВТСП подшипник в высокооборотных устройствах, т.к. вращающаяся часть находится снаружи и закрепление магнитов(бандаж), необходимый увеличения механической прочности конструкции при вращении, не приводит к увеличению немагнитного зазора между статором и ротором подшипника. Исследование эффективности ВТСП подшипника с внутренним расположением ВТСП статора было проведено на основе сравнения двух вариантов цилиндрической конструкции: обычной и обращенной. В первом варианте сверхпроводящий статор в виде полого цилиндра располагается снаружи, а магнитный ротор внутри. Во втором варианте статор помещен внутрь конструкции, а ротор с постоянными магнитами располагается снаружи. В обоих вариантах применялся сверхпроводящий цилиндр с осевой анизотропией, магнитная система ротора составлена с использованием треугольных стальных вставок. Внешние габариты рассматриваемых вариантов ВТСП подшипника идентичны. Однако объем сверхпроводящего материала и постоянных магнитов в этих вариантах не одинаков. Размеры элементов магнитной системы и направление векторов намагниченности в постоянных магнитах для обоих вариантов показаны на рисунке 4.21.

Результаты расчета осевых и радиальных усилий, возникающих между постоянными магнитами и ВТСП цилиндром при смещении относительно начального положении, представлены на рисунке 4.22. Результаты приведены в виде зависимостей осевой силы при осевом перемещении и радиальной силы при радиальном перемещении. Расчеты проводились для магнитной системы высотой 40 мм.