Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние разработок в области сверхпроводниковых электрических машин 11
1.1. Современные токонесущие элементы на основе ВТСП 12
1.2. Общая классификация сверхпроводниковых электрических машин 22
1.2.1. Электрические машины с композитными СП проводами в индукторе 25
1.2.2. Электрические машины с композитными СП проводами на якоре 30
1.2.3. Электрические машины с массивными и композитными листовыми
ВТСП элементами 31
Выводы 38
Глава II. Аналитические модели расчёта магнитных полей и параметров синхронных магнитоэлектрических ВТСП двигателей 40
2.1. Перспективные схемы магнитоэлектрических ВТСП двигателей 41
2.2. Магнитоэлектрические ВТСП двигатели с радиальными магнитами 44
2.3. Магнитоэлектрические ВТСП двигатели с радиально-тангенциальными магнитами 49
2.4. Магнитоэлектрические ВТСП двигатели с тангенциальными магнитами 54
2.4.1. Конструктивная и расчётная схемы синхронных двигателей 54
2.4.2. Постановка двухмерных электродинамических задач 55
2.4.3. Структура аналитических решений для расчёта двухмерных магнитных полей ротора 56
2.4.4. Структура аналитических решений для расчёта двухмерных магнитных полей якоря в электродвигателе с тонкостенной ВТСП оболочкой 63
2.4.5. Структура аналитических решений для расчёта двухмерных магнитных полей якоря в электродвигателе без ВТСП оболочки 64
2.4.6. Векторные диаграммы и параметры ВТСП двигателей 67
2.5. Предельные характеристики магнитоэлектрических ВТСП двигателей 68
Выводы
Глава III. Численный расчёт криогенного синхронного двигателя с радиально-тангенциальными постоянными магнитами и втсп элементами в роторе 75
Введение 75
3.1. Принципы расчёта магнитных полей с помощью пакета прикладных программ «Elcut 5.4» 76
3.2. Выбор конструктивной схемы СД и оптимизация геометрии ротора 78
3.3. Поиск рациональной конструкции СД с радиально-тангенциальными магнитами и объёмными ВТСП элементами в роторе 83
3.4. Расчёт геометрии объёмных ВТСП элементов в роторе 98
Выводы 101
Глава IV. Экспериментальные исследования криогенного синхронного двигателя с радиально-тангенциальными постоянными магнитами и втсп элементами в роторе 103
4.1. Стенд для экспериментального исследования ВТСП электродвигателя 104
4.2. Описание конструкции криогенного синхронного электродвигателя с постоянными магнитами и ВТСП элементами 108
4.3. Измерение магнитных полей ротора синхронного ВТСП электродвигателя 115
4.4. Методика экспериментальных исследований синхронного ВТСП электродвигателя с постоянными магнитами 116
4.4.1. Методики динамических испытаний 117
4.4.2. Результаты испытаний ВТСП электрической синхронной машины 118
4.5. Сопоставление результатов экспериментальных исследований с аналитическими и численными расчётами 123
Выводы 125
Заключение 126
Список используемых источников 129
Приложение 138
- Общая классификация сверхпроводниковых электрических машин
- Магнитоэлектрические ВТСП двигатели с радиально-тангенциальными магнитами
- Поиск рациональной конструкции СД с радиально-тангенциальными магнитами и объёмными ВТСП элементами в роторе
- Описание конструкции криогенного синхронного электродвигателя с постоянными магнитами и ВТСП элементами
Введение к работе
Современная энергетика и аэрокосмическая техника предъявляют повышенные требования к системам генерирования, передачи, хранения и преобразования электроэнергии. Для электромеханических преобразователей (ЭМП) наиболее существенными являются такие показатели, как удельная мощность и габариты, которые особенно важны для авиационной и космической техники. Развитие современной электроэнергетики связано с использованием новых материалов с уникальными свойствами. Для электроэнергетических систем и комплексов наиболее перспективными являются сверхпроводниковые материалы, которые позволяют существенно улучшить энергетические показатели.
Явление сверхпроводимости (СП) было открыто почти 100 лет назад и сразу привлекло к себе внимание своими необычными физическими свойствами (нулевое удельное сопротивление, идеальный диамагнетизм и др.). Основные проблемы в традиционных ЭМП, ограничивающие улучшение их КПД1 и массогабаритных характеристик связаны с потерями энергии на тепловыделение при использовании электропроводящих материалов с конечным удельным сопротивлением (алюминий, медь). Уникальные свойства сверхпроводниковых материалов (нулевое сопротивление при протекании постоянного тока и малое сопротивление на переменном токе низкой частоты) позволяют в несколько раз увеличить плотность электромагнитной энергии в активной зоне электрической машины (ЭМ), и, соответственно увеличить мощность машины.
До недавнего времени широкое внедрение сверхпроводимости в электроэнергетике было затруднено. Это было связано с низкой» критической' температурой перехода сверхпроводника в СП состояние и, как следствие, большими затратами на системы криостатирования на основе жидкого гелия. В конце 1980-х годов появление высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) с критическими температурами ~100 К существенно повысило интерес к электрическим машинам. Это объясняется тем, что переход от жидкого гелия (4,2 К) к относительно дешёвому жидкому азоту (77 К) позволяет существенно сократить затраты в системах криостатирования и делает экономически оправданным применение электромеханических преобразователей, основанных на ВТСП. Наиболее-
перспективным видится применение ВТСП электрических машин в тех системах, где уже имеется криогенное оборудование (например, самолёты на водородном топливе, энергетические системы на жидком водороде, перспективная судовая и аэрокосмическая техника и т.д.).
Ещё один импульс в развитии ЭМП связан с появлением магнитов на основе редкоземельных материалов, обладающих высокой удельной энергией. Применение высокоэнергетических редкоземельных постоянных магнитов (РЗМ ПМ) в ЭМП позволяет получать магнитные поля до 1,5 ТЛ в воздушном зазоре электрической машины, причём эти магниты не размагничиваются на воздухе в отличие от уже устаревших магнитов типа ЮНДК.
Наиболее мощными, обладающими высоким значением КПД и cos у являются на сегодняшний день магнитоэлектрические синхронные машины (СМ). Среди них различают СМ с радиальными и тангенциальными магнитами, а таюке достаточно редко встречающиеся СМ с радиально-тангенциальными магнитами. Применение в роторах синхронных машин ВТСП материалов совместно с РЗМ позволяет существенно повысить параметры таких ЭМП. Объёмные ВТСП элементы благодаря своим диамагнитным свойствам целесообразно применять в роторах СМ'с ПМ для создания магнитной анизотропии и повышения реактивной составляющей мощности.
Основные надежды разработчики ВТСП устройств в настоящее время связывают с появившимися в последнее время ВТСП проводами 2-ого поколения на основе иттриевых керамик. Это так называемые «coated tapes» (т.е. пленки с покрытием). Токонесущая способность такой пленки весьма высока (до 300 А/мм2 в сверхпроводнике при температуре жидкого азота). Данные ВТСП материалы можно эффективно применять в индукторе СМ в качестве диамагнитного экрана, для экранирования магнитных полей якоря^ что позволяет снизить главные индуктивные сопротивления электрической машины, а также в качестве обмотки переменного тока при малых частотах - до 50 Гц. Использование ВТСП проводов в СМ предоставляет значительные конкурентоспособные преимущества, позволяя существенно сокращать размер, вес и производственные затраты относительно обычных двигателей. Из-за сокращений стоимости производства, связанных с уменьшенным размером ВТСП машин ожидается, что рыночная цена будет эквивалентна обычным машинам с медной обмоткой.
Целью диссертации является создание высокоэффективных синхронных двигателей на основе объёмных и плёночных ВТСП элементов и ПМ на роторе. Поставленная цель была достигнута на основе решения следующих задач:
Разработка в рамках единого подхода аналитических методик расчёта двухмерных магнитных полей и параметров синхронных двигателей (СД) с радиальными, радиально-тангенциальными и тангенциальными ПМ и плёночными ВТСП элементами на роторе.
Проведение сравнительного анализа энергетических параметров магнитоэлектрических ВТСП двигателей различного конструктивного исполнения: с радиальными, радиально-тангенциальными и тангенциальными магнитами.
Поиск рациональных конструктивных схем СД с радиально-тангенциальными ПМ и объёмными ВТСП элементами в роторе, и частичная оптимизация геометрии и активных элементов ротора.
Создание и экспериментальное исследование опытного образца криогенного синхронного двигателя с радиально-тангенциальными ПМ * и объёмными ВТСП элементами на роторе и'калибровка математических моделей.
Методы исследования; методы математической физики, теория поля, электромеханики и прикладной сверхпроводимости; численные методы решения уравнений в частных производных (метод конечных элементов). Для численного расчёта, построения диаграмм, графиков, и рисунков, а также для решения уравнений использовался пакет математического моделирования MathCAD 11; для решения задач методом конечных элементов использовался пакет прикладных программ Elcut Professional 5.4; «твердотельное» моделирование и эскизное проектирование было осуществлено на базе пакета Solidworks 2007, а также AutoCAD 2004; для построения графиков использовалась программа Grapher 5.02; рисунки были подготовлены Adobe Photoshop CS2; оформление работы производилось с помощью программ1 из пакета MS Office 2003.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
1. Предложены перспективные схемы СД с постоянными магнитами и плёночными и массивными ВТСП элементами на роторе.
В рамках единого подхода разработаны аналитические методы расчёта ВТСП СД с радиальными, радиально-тангенциальными и тангенциальными магнитами и плёночными ВТСП элементами на роторе. На основе аналитического подхода с последующей численной калибровкой создана методика расчёта СД с тангенциальными ПМ без ВТСП элементов.
Проведён сравнительный анализ энергетических параметров различных конструктивных схем ВТСП двигателей с радиальными, радиально-тангенциальными и тангенциальными магнитами и выполнена частичная оптимизация геометрии и активных элементов ротора машины с радиально-тангенциальными и тангенциальными магнитами.
Подробно рассмотрены различные конструктивные схемы СД с радиально-тангенциальными магнитами и объёмными ВТСП элементами в роторе.
Проведены испытания разработанного криогенного СД с объёмными ВТСП элементами в роторе и получены экспериментальные результаты, подтверждающие разработанные теоретические модели.
Показана возможность создания высокоэффективных магнитоэлектрических ВТСП двигателей с ПМ и композитными тонкоплёночными и листовыми элементами на роторе, обладающими в 1.5-2 раза более высокими массоэнергетическим показателями по сравнению с традиционными СД с ПМ.
Практическая ценность работы.
Разработаны алгоритмы и программы расчёта характеристик ВТСП СД различного конструктивного исполнения.
Определены области рационального использования для трёх типов СД с ПМ: радиальными, радиально-тангенциальными и тангенциальными постоянными магнитами (как с ВТСП экраном на роторе, так и без него).
Создан первый экспериментальный образец криогенного ВТСП СД с ПМ и объёмными ВТСП материалами в роторе мощностью 150 кВт. Проведены его испытания
Реализация результатов.
Результаты диссертационной работы внедрены в НИР по теме «Исследования по созданию высокоэффективных систем электроснабжения на основе сверхпроводящих компонентов нового поколения», шифр «Машук-М».
Отдельные результаты обсуждались и докладывались на:
Всероссийской конференции молодых учёных и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике -2008», 21 -24 апреля 2008 г., МАИ, г. Москва.
Открытом конкурсе 2008 г. на лучшую работу студентов по разделам «Электротехника и электрические аппараты, материалы и изделия. Энергетическое машиностроение» и «Энергосберегающие технологии» (работа отмечена медалью Минобрнауки РФ)
7-ой международной конференции «Авиация и космонавтика - 2008», 20
- 23 октября 2008 г., МАИ, г. Москва.
4. 8-ой международной конференции «Авиация и космонавтика - 2009», 26
- 28 октября 2009 г., МАИ, г. Москва.
По теме диссертации опубликованы следующие работы:
Ковалев Л.К., Ковалев К.Л., Кавун Ю.Ю., Альтов В.А., Пенкин В.Т., Голованов Д.В. Предельные характеристики синхронных двигателей с постоянными магнитами и ВТСП - элементами в роторе // Известия академии электротехнических наук РФ. - 2009. - №1. - С. 1-9.
Ковалев Л.К., Кавун Ю.Ю., Голованов Д.В. Предельные характеристики синхронных машин с постоянными магнитами и ВТСП — элементами в роторе // Электричество. - 2008. -№12. - С. 16-23.
Тезисы доклада. Всероссийская конференция молодых учёных и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике - 2008», 21 -24 апреля 2008 г., МАИ, г. Москва.
Тезисы доклада. 7-я международная конференция «Авиация и космонавтика- 2008», 20 - 23 октября 2008 г., МАИ, г. Москва.
Тезисы доклада. 8-я международная конференция «Авиация и космонавтика - 2009», 26 - 28 октября 2009 г., МАИ, г. Москва.
Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка использованных источников, и приложения.
В первой главе дан обзор современных токонесущих элементов на базе ВТСП: объёмных материалов на основе иттриевой керамики, диборида магния, листовых композитных материалов на основе соединений висмута, и композитных ВТСП проводов 2-го поколения. Рассматривается состояние разработок в области сверхпроводниковых электрических машин. Приведены описания отечественных и зарубежных разработок в области СП электрических машин. Рассмотрены перспективы использования современных ВТСП материалов в наиболее перспективных магнитоэлектрических ЭМП с РЗМ с целью улучшения их энергетических характеристик.
Во второй главе рассмотрены аналитические модели расчёта магнитных полей и параметров синхронных ВТСП двигателей с ПМ различного конструктивного исполнения: с радиальными, радиально-тангенциальными и тангенциальными ПМ.
В третьей главе рассматриваются численные методы расчёта, а также поиск оптимальной конструкции синхронного двигателя с постоянными магнитами и ВТСП элементами Выполнена частичная оптимизация геометрии ротора СД с радиально-тангенциальными ПМ.
В четвертой главе дано описание стенда для* проведения испытаний синхронного криогенного ВТСП двигателя. Показаны результаты экспериментальных исследований СД с ПМ и ВТСП элементами, а также представлено сопоставление экспериментальных и расчётных результатов.
Благодарности. Автор выражает благодарность сотрудникам «Центра сверхпроводниковых электрических машин и устройств» кафедры 310 МАИ, к.т.н. Р.И. Ильясову, к.т.н. Д.С. Дежину, к.т.н. М.В. Гончарову, д.т.н. К.Л. Ковалеву, к.т.н. К.А. Модестову, к.т.н. В.Н. Полтавцу, сотруднику ОАО АКБ «Якорь» к.т.н. Д.А. Ситину за неоценимую помощь при работе над диссертацией, а также глубокую признательность научному руководителю, проф. д.т.н. Л,К. Ковалеву за поддержку и содействие в проведённых исследованиях.
Общая классификация сверхпроводниковых электрических машин
Достоинствами СП электрических машин являются: высокая удельная мощность, малые значения удельных массогабаритных показателей, высокий КПД и коэффициент мощности. В настоящее время разработки ВТСП электрических машин, выполняемые в ведущих научных центрах США, Англии, Германии, Франции и России, можно разделить натри основные группы [26, 29, 31, 36, 78]: электрические машины с СП обмотками постоянного тока в индукторе; электрические машины с СП обмотками переменного тока в якоре; электрические машины с объемными ВТСП элементами из иттриевых керамик (соединение YBCO), а также с ВТСП композитными листовыми элементами на основе висмутовых (BSCCO) и иттриевых (YBCO) керамик.
К достоинствам первой группы относят высокую индукцию магнитного поля В 1-1,5 Тл, повышенную токовую нагрузку СП индуктора, большие фазные напряжения, низкий уровень потерь, большую величину немагнитного зазора и, как следствие, низкий уровень индуктивных сопротивлений [69, 106]. Преимущества второй группы СП электрических машин связывают с повышенными значениями токовой нагрузки, низким уровнем индуктивных сопротивлений, а также с малыми потерями в статорных обмотках, что существенно для увеличения КПД машины [92, 100, 107]. Достоинствами третьей группы СП электрических машин являются простота конструкции, высокие энергетические показатели, и большие значения токовой нагрузки якоря [13, 14, 32, 93]. Возможная классификация СП электрических машин по типу применяемых активных ВТСП элементов (ВТСП провода, ВТСП объемные элементы, ВТСП пленки) представлена на (рис. 1.13) [40].
Следует отметить, что электрические машины на основе ВТСП проводов (левая ветвь структурной схемы) разрабатываются главным образом для температурных уровней жидкого гелия (4 К), жидкого водорода (20 К) и неона (-30 К), так как токонесущая способность этих проводов при более высоких температурах или отсутствует (для НТСП) [24], или очень низка (для ВТСП). Существенный прогресс в технологиях изготовления объемных ВТСП элементов, главным образом, на основе иттриевых керамик (YBCO), а также композитных листовых ВТСП элементов на основе висмутовых керамик (BSCCO), имеющих хорошие электромагнитные свойства на температурном уровне жидкого азота (77 К), позволил в настоящее время разрабатывать принципиально новые типы электрических машин (правая ветвь структурной схемы) [30, 33, 34, 38, 39]. Важно отметить, что работа при температуре жидкого азота имеет ряд дополнительных преимуществ, например, невысокую стоимость жидкого азота по сравнению с гелием, простоту и малые потери при замкнутых циклах систем криостатирования, неограниченные запасы азота и т.д.
Классификация СП электрических машин Принцип действия электрических машин с композитными ВТСП проводами на роторе основан на способности этих проводов допускать высокий уровень критической плотности тока и, соответственно, высокий уровень токовой нагрузки во вращающемся индукторе электрической машины. Следующая группа преобразователей, с композитными ВТСП проводами на статоре, основана на способности этих проводов, работая на переменном токе частотой 50 Гц (и выше), иметь более низкие потери (в 3 - 10 раз) по сравнению с традиционными медными проводами. Это позволяет уменьшить суммарные потери в электрической машине и, соответственно, реализовать новые типы ВТСП двигателей с более высокой эффективностью и высокой выходной мощностью.
Принцип действия электромеханических преобразователей с объемными ВТСП элементами, основан на следующих физических свойствах таких элементов: - на явлении гистерезиса (реализовано в гистерезисных двигателях); на высокой магнитной анизотропии композитных материалов, включающих ВТСП и ферромагнитные элементы (реализовано в ВТСП реактивных двигателях); на способности объемных элементов и композитных пластин «захватывать» сильные магнитные поля (до 12 Тл при 20 К и 1-2Тл при 77К). Это явление может быть использовано в специальных конструкциях ВТСП двигателей с «захваченным» потоком [21].
Для этой группы ВТСП электрических машин используются в основном монолитные YBCO элементы различной формы. Стандартные объемные блоки, которые использовались для создания ВТСП роторных элементов, могут иметь поликристаллическую и монокристаллическую структуру с большими доменами.
Среди электрических машин с объемными ВТСП элементами можно выделить группу преобразователей, где в состав ротора входят постоянные магниты, как правило, на основе РЗМ. Применение ПМ позволяет создавать высокие магнитные поля на роторе, наряду с высокой анизотропией ротора, обеспечиваемой ВТСП элементами. Схемы таких перспективных ВТСП преобразователей будут рассмотрены ниже.
Магнитоэлектрические ВТСП двигатели с радиально-тангенциальными магнитами
Отличительной особенностью цилиндрического массива из ПМ является эффект концентрации магнитного потока внутри либо снаружи цилиндра. Идеи Клауса Хальбаха изначально были подхвачены разработчиками транспорта на магнитной подушке, а также специалистами по ускорителям заряженных частиц.
Рисунок 2.8 - Распределение магнитного поля в цилиндре из радиально-тангенциальных ПМ при внешней концентрации потока (а - цилиндр Хальбаха; б -картина магнитного поля цилиндра Хальбаха) Рисунок 2.9 - Распределение магнитного поля в цилиндре из радиально-тангенциальных ПМ при внутренней концентрации потока (а - цилиндр Хальбаха; б -картина магнитного поля цилиндра Хальбаха)
Однако теоретические исследования показывают, что данная магнитная схема может быть успешно применена в качестве индуктора синхронных машин. Эффект концентрации магнитного потока показан на рис. 2.8 - 2.9.
Из рисунков видно, что в зависимости от ориентации ПМ в цилиндре возможна внешняя (рис. 2.8) или внутренняя (рис. 2.9) концентрация потока. Для индуктора СМ нормального исполнения представляет интерес схема с внешней концентрацией поля.
Поперечное сечение одной из возможных конструкций СД с радиально-тангенциальными ПМ показано на рис. 2.10. Ротор содержит постоянные магниты секторной формы радиального I и тангенциального 2 намагничивания, которые удерживаются титановыми либо стальными пластинами 3. Пластины составляют немагнитный шихтованный пакет ротора и напрессовываются на вал 4. Статор электрической машины 5 представляет собой шихтованный сердечник из электротехнической стали, в пазах 6 которого располагается трехфазная обмотка, питаемая переменным током.
Расчётная схема, представлена на рис. 2.11. Статор электрической машины заменяется кольцевым ферромагнитным экраном 3 с внутренним радиусом Rs, на поверхности которого расположен эквивалентный токовый слой 4. Магнитопровод статора считается ненасыщенным и его магнитная проницаемость //, »1 . Магнитная проницаемость области немагнитного вала 2 принимается равной единице. С учетом сделанных замечаний поле в зоне r Rs как и в предыдущем случае можно представить в виде суммы полей от токового слоя 4 (As), магнитов индуктора 1 (Ае) и поля статора (AFe - т.е. учесть влияние статора на поля).
Таким образом, для решения полевой задачи в данной постановке в первую очередь необходимо найти решения для изолированного цилиндра Хальбаха с внешней концентрацией магнитного потока. Величина магнитного момента ПМ принимается постоянной М = const . Двигатель полагается достаточно длинным (LID 3-4), (т.е. задача решается в плоско-параллельной постановке).
Магнитное поле в изолированных цилиндрах из ПМ радиально-тангенциальнои намагниченности с внешней и внутренней концентрацией магнитного потока при различном числе пар полюсов рассчитывается на основе уравнений Максвелла для задач магнитостатики (2.2) с заданными граничными условиями ( Нвіг = Н&_ ; Вг+ = Вг__). Задача определения двухмерного магнитного поля в цилиндре из ПМ радиально-тангенциальнои намагниченности сводится к решению двух сопряженных задач типа Неймана относительно осевой компоненты векторного магнитного потенциала А:с разрезом вдоль границы контура ПМ Г{ — Г4 (рис. 2.12) [15]:
Поиск рациональной конструкции СД с радиально-тангенциальными магнитами и объёмными ВТСП элементами в роторе
Предварительные оценки габаритных размеров по формуле Арнольда (3.6) [6] показали, что диаметр активной части двигателя при относительной длине X = 1 должен быть порядка 130 мм.
В соответствии с этими требованиями были выбраны листы статора с диаметром расточки 130 мм, числом пазов 36 и площадью паза 143 мм2. Для определения обмоточных данных статора была проведена серия расчетов двигателя, с ротором, показанным на рис. 3.7 (вариант 1). В результате были выбраны основные параметры статора, приведенные в таблице 3.3.
Разработка тонкоплёночных ВТСП материалов в нашей стране находится сейчас на стадии создания экспериментальных образцов. В связи с этим для создания реактивного момента и увеличения выходной мощности проектируемого СД применяются объёмные ВТСП элементы в роторе, т.о. двигатель становится явнополюсным (рис. 2.1, в).
На рис. 3.7 приведены 6 схем поперечного сечения активной части ротора. На этапе выбора рациональной конструкции рассматривались два типа конструктивного выполнения ротора. Первый - с магнитами, установленными в специальные соты, выполненные в листах пакета ротора. Эти варианты роторов показаны на рис. 3.7 под номерами 1, 2, 3, 6. Второй тип выполняется с внешним бандажом и передачей момента на вал через внутреннюю часть магнитов, показанных на рис. 3.7 под номерами 4, 5. Под номером 6 показан проектный вариант ротора. Для всех двигателей с приведенными вариантами сечения ротора были проведены расчёты выходных характеристик с учетом распределений магнитных полей ротора и статора и влияния на них объемных сверхпроводниковых элементов. В расчётах принималось, что коэрцитивная сила магнитов равнялась 106 А/м, что соответствует магнитам, выполненным из Nd-Fe-B.
Вариант 1 (рис. 3.7) представляет собой сотовую конструкцию, в которой магниты вставляются в соты пакета ротора, выполненного из немагнитной шихтованной стали. В данной схеме не используются сверхпроводниковые материалы и конструкция рассматривается как базовая для дальнейшего проектирования.
Вариант 2 (рис. 3.7) отличается добавлением пластин из ВТСП материала толщиной 2 мм между магнитами. При этом объём магнитов уменьшается на 6% по сравнению с вариантом 1 (рис 3.7). ВТСП пластины в сверхпроводниковом состоянии препятствуют проникновению магнитного поля статора и изменяют его распределение в роторе. При правильном расположении пластин можно добиться изменения соотношения индуктивных сопротивлений Xad, Xaq и улучшения характеристик двигателя.
Вариант 3 и 6 (рис. 3.7) представляют собой конструкции с ВТСП пластинами в середине магнитного полюса. Как будет показано в дальнейшем, такой вариант конструкции наиболее целесообразен. При этом увеличивается анизотропия ротора, что приводит к росту реактивной составляющей СД. Для варианта 3 выбрана толщина ВТСП пластины в полюсе - 2 мм, для варианта 6-4 мм.
Вариантами 4, 5 отмечены альтернативные схемы сотовой конструкции ротора, в которых сохранена выбранная структура магнитной системы. Они отличаются тем, что в сплошном валу из немагнитного материала выполнены продольные пазы, в которые устанавливаются магниты с тангенциальной намагниченностью. По внешнему диаметру магниты удерживаются бандажом из немагнитной стали. В этой конструкции крутящий момент передаётся на вал через углублённые в него магниты. Так как магниты выполняются из материала, имеющего очень низкий коэффициент ударной вязкости, они не могут непосредственно передавать крутящий момент на вал, особенно при динамических режимах пуска, останова и изменения нагрузки. Поэтому они должны быть облицованы специальными рёбрами - вариант 4 рис. 3.7. Ребро имеет толщину 2 мм и в качестве материала задана магнитная сталь ЗОХГСА, имеющая хорошие прочностные характеристики при температуре жидкого азота. На рис. 3.7 (вариант 5) приведен тот же ротор с ребром из немагнитной стали.
Как отмечалось выше, численный расчёт двигателя выполнялся в программе конечноэлементного анализа «Elcut 5.4» (рис. 3.8). Здесь показана методика численного расчёта СД соответствующего варианту 6 ротора (рис. 3.7). Для остальных вариантов конструкции ротора методика расчёта аналогична. Геометрическая модель для расчёта была подготовлена в программе «AutoCAD 2004» (рис. 3.8, а) и далее импортирована в «Elcut 5 А» (рис. 3.8, б). На подготовительном этапе необходимо задать свойства блоков и присвоить их соответствующим областям модели.
Описание конструкции криогенного синхронного электродвигателя с постоянными магнитами и ВТСП элементами
Ротор двигателя состоит из пакета, набранного из листов нержавеющей стали 12Х18Н10Т (ГОСТ 5582-75) толщиной 1 мм (рис. 4.6), склеенных компаундом ЭКД-14 (ТУ16-504.041-80). Пакет ротора напрессован на вал из стали 12Х18Н10Т (ГОСТ 5632-72). Пакет ротора имеет 12 пазов, для постоянных магнитов и ВТСП керамики (рис. 4.7). В пазы шихтованного пакета ротора установлены постоянные магниты НПМ-38 (ТУ6391-012-40701250-2002). В шести пазах прямоугольной формы установлено по одному тангенциальному магниту, в других шести пазах - по два радиальных магнита, разделенных ВТСП пластиной из итгриевой керамики (рис. 4.8).
Балансировка ротора производится путем установки винтов в резьбовые отверстия, расположенные в дисках по торцам пакета ротора, в плоскостях коррекции.
Опоры ротора двигателя выполнены на радиальных однорядных шарикоподшипниках 76-211ЮЗТ (ТУ 4300-75) из коррозионно-стойкой стали. Опора ротора со стороны выходного конца вала выполнена «фиксированной», с другой стороны «плавающая» в осевом направлении.
Подшипниковые щиты (рис. 4.9 и рис. 4.10) выполнены из конструкционной стали 20 Все наружные поверхности двигателя защищаются слоем теплоизоляционного материала типа «Пенофол». Под лапы корпуса устанавливается плита из изоляционного материала.
Охлаждение двигателя осуществляется жидким азотом. Вход жидкого азота осуществляется через штуцер, расположенный в подшипниковом щите. Выброс паров азота производится через трубу на корпусе и систему гофрированных труб в атмосферу. Жидкий азот через штуцер в подшипниковом щите непосредственно входит во внутреннее пространство двигателя и дополнительно через штуцер в крышке подшипника (рис. 4.9) проходит по центру вала, далее вдоль оси вала под магнитами ротора и по кольцевой полости через отверстия, расположенные в диске по торцу пакета ротора, попадает в пространство двигателя. Контроль уровня жидкого азота во внутренней полости двигателя осуществляется с помощью штуцера, расположенного на трубе корпуса.
На основе анализа критических параметров, токонесущей способности и механических свойств современных ВТСП элементов было показано, что при охлаждении жидким азотом (Т= 77 К) наилучшими параметрами обладают объемные ВТСП элементы на основе керамики YBCO [64, 68]. В этой связи были изготовлены объемные блоки из ВТСП керамики YBCO для ротора экспериментального электродвигателя с ПМ. Внешний вид одного исходного ВТСП блока после термической обработки и обогащения кислородом приведен на рис. 4.11. Габаритные размеры исходных блоков составляли 38x38x15 мм.
Для изготовления ВТСП пластин для ротора СД исходные YBCO блоки были обработаны согласно размерам, показанным на рис. 4.11, а, б. После механической обработки ВТСП пластины были склеены и установлены в соответствующие пазы ротора СД.
Рисунок 4.11 - ВТСП элемент на основе иттриевой керамики (YBCO) (а - внешний вид исходного ВТСП блока; б - размеры ВТСП пластины для ротора синхронного двигателя)
Основные геометрические размеры, номинальные данные, обмоточные данные полномасштабного макетного образца электромеханического преобразователя с ВТСП и ПМ, приведенные в таблицах 4.1 и 4.2.
На первом этапе экспериментальных исследований были проведены измерения магнитных полей ротора на воздухе. Замеры проводились датчиком Холла на поверхности ротора (посередине пакета) с шагом измерений - 5. По результатам измерений был построен график показанный на рис. 4.12.
Похожие диссертации на Синхронные ВТСП двигатели с постоянными магнитами
