CC BY
46
МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ И ПРОЦЕССОВ X
УДК 621.313.32
ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОТЕРЬ НА ТРЕНИЕ В РЕЖИМЕ ХОЛОСТОГО ХОДА СИНХРОННОГО ВТСП-ДВИГАТЕЛЯ
Е. Н. Андреев,
ведущий инженер Д. А. Волков, ассистент
A. Р. Орлов,
заведующий лабораторией С. С. Тимофеев, старший преподаватель М. А. Турубанов, аспирант Л. И. Чубраева,
член-корр. РАН, доктор техн. наук, профессор
B. Ф. Шишлаков,
доктор техн. наук, профессор Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения
Рассмотрены вопросы, связанные с экспериментальным определением механических потерь, возникающих в погружных высокотемпературных сверхпроводниках синхронных двигателей. Изготовлена специальная модель для проведения исследований в различных средах: в жидком азоте, воде, газообразном азоте, при вращении на воздухе. Проанализированы потери холостого хода при вращении роторного диска в жидком азоте. Приведены результаты экспериментального определения времени выбега ротора в различных средах.
Ключевые слова — дисковая электрическая машина, высокотемпературная сверхпроводимость, постоянные магниты, механические потери, потери холостого хода.
Введение
Применение дисковых бесконтактных генераторов и двигателей с постоянными магнитами на роторе обусловлено их более высокими удельными энергетическими и массогабаритными показателями, улучшенными динамическими характеристиками, отсутствием щеточно-контактного узла. Дисковые машины целесообразно использовать, в частности, в механизмах, у которых существуют ограничения по массогабаритным показателям. Кроме того, они являются высокомо-ментными электромеханическими преобразователями энергии и находят применение в ветроэнергетических установках, в гребных двигателях и др. Сравнительно широкое применение этих машин в прикладной сверхпроводимости связано с возможностью существенно упростить
геометрию элементов (как массивов, так и ленточных обмоток) высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП).
Дисковые сверхпроводниковые машины
Первая сверхпроводниковая синхронная машина была изготовлена и испытана во ВНИИ-электромаш (Ленинград) в 80-е гг. ХХ в. Она имела круглые обмотки из низкотемпературных сверхпроводников (№-Гі и NbзSn) на роторе и на статоре, работала в жидком гелии, и снижение потерь на трение достигалось подбором величины воздушного зазора и частоты вращения ротора. Так появилась первая 8-полюсная дисковая синхронная машина. Дополнительным преимуществом четного числа пар полюсов явилась возможность размещать обмотки статора не в три,
Рис. 1. Принципиальная конструктивная схема многодискового синхронного двигателя мощностью 50 кВт (Санкт-Петербург, НИИ ИТЭЭ ГУАП)
Магнитный экран
Слой изоляции
Сверхпроводящая
катушка
Корпус статора Статорные катушки
ВТСП-массивы
Остов ротора (показан тонкой линией)
Вал
Криостат (показан тонкой линией)
Рис. 4. Конструкция ВТСП многодисковой машины (США)
ВТСП-массивы
Рис. 2. Многодисковый синхронный ВТСП-двига-тель (Япония)
ВТСП-массивы
Катушки
статора
Уровень охлаждения катушек
Tоковводы
А/
1>
Ввод
жидкого
азота
Вакуумный
насос
Узел магнитных уплотнений
Рис. 3. Дисковая машина фирмы KINATO SEIKI Co., LTD (Япония)
а в два слоя, что увеличило величину поля возбуждения в зоне обмотки якоря. Мощность машины не превышала единиц мегаватт, но при ее исследованиях удалось получить экспериментальные данные о полностью сверхпроводнико-вой машине без электромагнитного экрана на роторе. В дальнейшем были изготовлены аналогичные машины с обмотками ротора и статора из высокочистого алюминия, с постоянными магнитами и массивами из ВТСП на роторе, с обмоткой возбуждения из отечественного ленточного ВТСП. В результате был получен широкий спектр экспериментальных данных, что позволило нам перейти к созданию высокомоментного ВТСП-двигателя для автономной энергетической установки (рис. 1) [1, 2].
В дальнейшем аналогичные машины с одним роторным диском были изготовлены и испытаны в Венгрии, Германии, Испании и других странах. На рис. 2-4 показаны варианты многодисковых ВТСП-машин, разработанных в Японии и США.
Экспериментальное определение потерь при вращении ротора в жидкой и газообразной среде
Экспериментальные исследования многодискового ВТСП-двигателя погружного типа показали, что довольно трудно выделить механические и тепловые потери, возникающие при вращении роторных дисков в жидком азоте. Для определения характера изменения этих потерь была изготовлена специальная модель (рис. 5).
Общий вид модели, имитирующей ротор и два статора дисковой машины, закрепленной на
Рис. 5. Конструктивная схема экспериментальной установки для определения потерь на трение ротора в жидкой и газообразной среде: 1 — двигатель постоянного тока; 2 — уровнемер; 3 — приводной вал; 4 — 7 — элементы подвеса; 8 — 10 — элементы крепления диска ротора; 11 — диск ротора; 12 — основание; 13 — диски статора; 14 — криостат; 15 — крышка криостата; 16 — датчик скорости
крышке криостата, показан на рис. 6. Диаметр роторного диска 560 мм, толщина 22 мм. Конструкция модели позволяет изменять величину физического зазора между ротором и статором в диапазоне от 6 до 30 мм.
Функциональная схема исследовательской установки на базе испытательного стенда изображена на рис. 7.
Рис. 6. Общий вид модели перед установкой в криостате
Индикатор уровня жидкого азота
Блок индикации скорости вращения
приводного
двигателя
Блок управления скоростью вращения приводного электродвигателя
Блок измерения момента ___на валу
приводного
двигателя
Испытательный стенд Рис. 7. Схема исследовательской установки
— без воды
— нижний край в воде
__торцевые поверхности
в воде
— полностью в воде
полностью в воде, увеличенный зазор
200 п, об/мин
/
І І /
* ,і *
V
/7 . ^
нижнии край диска в жидком азоте
нижние и торцевые поверхности диска в жидком азоте полностью в жидком азоте
полностью в жидком азоте, увеличенный зазор
50 100150 200 п, об/мин
^— газообразный азот,-180 °С газообразный азот, 0 °С воздух,25 °С
0 200 400 600 п, об/мин
Рис. 8. Нагрузочная характеристика при вращении ротора в воде (а), в жидком азоте (б) и в среде газообразного азота и воздуха при различных температурах (в)
Механические потери определялись на холостом ходу путем измерения действующего значения тока якоря приводного двигателя при изменении скорости вращения ротора модели ВТСП синхронного электродвигателя в диапазоне от 0 до 400 об/мин при фиксированной и изменяющейся величине зазора между вращающимся ротором и неподвижным статором.
Измерения проводились в трех средах — в воде, на воздухе, в среде жидкого и газообразного азота. В результате определены величины моментов трения при вращении ротора модели и мощность потерь.
Тепловые потери оценивались по падению уровня жидкого азота до начала и в процессе вра-
а)
Р
,, Вт
— без воды
— нижний край в воде
__торцевые поверхности
в воде
— полностью в воде
полностью в воде, увеличенный зазор
0 50 100 150 200 п, об/мин
б)
, Вт
,5
,0
,5
,0
,5
,0
,5
,0
і і
І і /
І!
І / І." /
* ✓ /
А
нижнии край диска в жидком азоте
нижние и торцевые поверхности диска в жидком азоте полностью в жидком азоте
полностью в жидком азоте, увеличенный зазор
б)
Р
0
,, Вт
50 100 150 200 п, об/мин
— газообразный азот,-180 °С
.. газообразный азот, 0 °С
-- воздух, 25 °С
0 200 400 600 п, об/мин
Рис. 9. Зависимость потерь на трение от частоты вращения в воде (а), в жидком азоте (б) и в среде газообразного азота и на воздухе при различных температурах (в)
щения ротора масштабной модели в единицу времени.
Графики нагрузочных характеристик и зависимостей величины потерь от частоты вращения ротора представлены на рис. 8, а—в и 9, а—в соответственно.
Таким образом, полученные экспериментальные данные показывают, что в многодисковой синхронной машине погружного типа потери при вращении ротора на холостом ходу находятся на приемлемом уровне. При работе двигателя под нагрузкой происходит испарение азота под действием потерь, выделяющихся в обмотке статора, азот переходит в газообразное состояние и потери дисков на трение резко уменьшаются.
Определение выбега ротора
В ходе эксперимента проводился разгон установки до определенного значения частоты вращения, после чего приводной двигатель отключался и фиксировался переходный процесс по скорости. Исследования проводились при вращении на воздухе и в воде.
а) Скорость, об/мин 90 80 70
б)
40 Время, с
Скорость, об/мин
20
40
60
80 Время, с
б) Скорость, об/мин
50
100
150 Время,с
Рис. 10. Выбег установки на воздухе при частоте вращения 75 (а), 192 (б) и 327 (в) об/мин
Скорость, об/мин 100 90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1
1- —
10
20
30
40 50 Время, с
Рис. 11. Выбег установки в воде при частоте вращения 84 об/мин
Измерения проводились в три этапа для одних и тех же начальных условий: для трех скоростей на воздухе: 75, 192 и 327 об/мин; и для одной скорости 84 об/мин в воде. Среднее время выбега при вращении ротора составило 33,7; 72,9; 130,5 и 37,6 с соответственно. Результаты иллюстрируют рис. 10, а—в и 11.
На основании экспериментальных данных можно говорить о том, что уровень запасенной кинетической энергии влияет на время выбега. Время выбега многодисковой машины будет значительно больше, поскольку запасенная кинетическая энергия увеличится пропорционально количеству дисков. К сожалению, ограниченная мощность приводного двигателя не позволила оценить зависимости времени от частоты вращения в жидкой среде, поскольку при такой низкой частоте вращения кинетическая энергия ротора невелика. При номинальной частоте вращения 375 об/мин жидкая среда позволит уменьшить время выбега. Это может быть использовано при необходимости быстро остановить ротор.
Заключение
Высокомоментные дисковые синхронные электрические машины представляют интерес как низкооборотные двигатели, в частности в системах электродвижения судов, и как генераторы в ветроэнергетических установках.
Разработанная модель для исследования механических потерь в ВТСП машинах погружного типа позволила получить уникальные экспериментальные данные.
Потери на трение диска в жидких средах в режиме холостого хода являются относительно большими, но в режиме нагрузки жидкий азот переходит в газообразное состояние и потери резко снижаются.
Снижение времени выбега в жидкой среде говорит о том, что для ускорения торможения двигателя необходимо увеличить подачу жидкого азота.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации: контракт № 20.740.11.0070.
Литература
1. Чубраева Л. И. и др. Совместная работа ВТСП устройств автономной электроэнергетической установки // Сверхпроводимость. 2009. № 14. С. 15-32.
2. Чубраева Л. И. и др. Автономная электроэнергетическая установка с использованием высокотемпературных сверхпроводников // Сверхпроводимость. 2009. № 14. С. 7-13.
