CC BY
14
■ ■ТЛТ Магнитолевитационные щ\иш I I л I транспортные системы
■ WI ■ ^^ ■ и технологии
ИСПЫТАНИЯ ЛЕВИТАЦИОННОГО МОДУЛЯ С ВТСП -2 РЕЙСТРЕКОВЫМИ КАТУШКАМИ В СОСТАВЕ КРУПНОМАСШТАБНОГО МАКЕТА ДЛЯ НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО ПОДВЕСА
Е. Н. Андреев, О. С. Васильева, В. Н. Васильев, А. А. Дёмина, Е. Р. Запретилина, О.А. Ковальчук,
B. П. Кухтин, А. А. Ланцетов, В. А. Ланцетов, М. С. Ларионов, А. Н. Неженцев, И. Ю. Родин,
C. К. Самойлов, А. В. Сафонов, А. А. Фирсов,
Н. А. Шатиль
АО «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова» (Санкт-Петербург, Россия)
TESTS OF HTSC RACETRACK COIL MODULE ON LARGE-SCALE DUMMY FOR EDS MAGLEV
E. N. Andreev, A. A. Dyomina, A. A. Firsov, O. A. Kovalchuk, V. P. Kukhtin, A.A. Lantzetov, V. A. Lantzetov, M. S. Larionov, A. N. Nezhentzev, I. Yu. Rodin, A. V. Safonov, S. K.Samoilov, N. A. Shatil, O. S Vasilieva, V. N Vasiliev, E. R. Zapretilina Joint Stock Company «D. V. Efremov Scientific Research Institute of Electrophysical Apparatus» (St. Petersburg, Russia)
В докладе представлены результаты испытаний левитационного модуля, изготовленного с использованием ленточного высокотемпературного сверхпроводника второго поколения (ВТСП-2), в составе крупномасштабного макета для натурных исследований электродинамического подвеса (ЭДП), принципы построения которого приведены в [1]. Конструктивно ВТСП-2 модуль представляет собой сборку из двух блоков, каждый из которых представляет собой азотный криостат с размещенной внутри парой ВТСП-2 катушек рейстрековой формы. Катушки каждого блока оснащены токовводами, потенциальными выводами для контроля активной компоненты напряжения и датчиками Холла для измерения индукции магнитного поля на поверхности катушки. Конструкция и результаты предварительных испытаний блока подробно описаны в [2]. Блоки модуля объединены жесткой структурой, состоящей из текстолитовой платформы и алюминиевых профилей. Боковую устойчивость ВТСП-2 модуля обеспечивает подвижная механическая структура в виде роликов. Внешний вид ВТСП-2 модуля представлен на рисунке 1.
Рис. 1. Внешний вид ВТСП-2 модуля: 1 - азотные криостаты, 2 - текстолитовая пластина, 3 - алюминиевый профиль, 4 - ролики подвижной механической структуры
Номинальный полный ток каждой ВТСП-2 катушки - 14 кА-витков; собственный вес блока - 10 кг; вес блока после заполнения криостата азотом - 17кг; вес платформы ~ 14кг; общий вес модуля с криостатами, заполненными жидким азотом - примерно 48 кг.
Испытаниям ВТСП-2 модуля предшествовало численное моделирование электромагнитных процессов с использованием детальных вычислительных моделей ЭДП, описанных в [1]. Наличие кассеты из ферромагнитного материала, удерживающей сборку постоянных магнитов, усложняет картину электромагнитного взаимодействия ВТСП-2 катушки и макета путевой структуры. В этом случае внешнее магнитное поле на ВТСП-2 катушке рассчитывается как суперпозиция поля постоянных магнитов и поля ферромагнитного кейса, намагниченного суммарным полем постоянных магнитов и ВТСП-2 катушки. Поле постоянных магнитов, взаимодействуя с током катушки, обеспечивает эффект отталкивания (левиатции); поле ферромагнитного кейса, помимо отталкивания, приводит к возникновению силы, притягивающей блоки к путевой структуре. В результате, подъемная сила модуля сложным образом зависит от тока катушки и зазора между нижней поверхностью блоков и макетом путевой структуры (ле-витационным зазором). При фиксированном зазоре и увеличении тока в ВТСП-2 катушке подъемная сила растет, достигает максимума и начинает спадать. Чем больше левитационный зазор, тем выше значение тока, при котором достигается максимум подъемной силы. При малых зазорах максимальное значение подъемной силы невелико, и дальнейший рост тока приводит к притяжению блока к путевой структуре. Подобная система отличается слабой вертикальной устойчивостью.
■ Л ^^^^^Г Магнитолевитационные |1#| В I | транспортные системы
■ ■■ ■ ^^ ■ и технологии
Для управления положением ВТСП-2 модуля в пространстве была разработана методика, позволяющая регулировать зазор между нижней поверхностью ВТСП-2 модуля и макетом путевой структуры. Для реализации методики была разработана система контроля левитационного зазора, состоящая из четырех датчиков зазора, трёх АЦП, ЦАПа, управляющего контроллера, компьютера верхнего уровня и двух источников питания. Программное обеспечение (ПО) системы контроля было разработано в среде инженерного программирования LabView. ПО позволяет управлять источниками питания ВТСП-2 катушек как в ручном режиме, так и по заданному алгоритму, который использует элемент РГО-регулирования.
Программа испытаний включала исследование динамики поведения ВТСП-2 модуля при различных величинах начального зазора. В ходе испытаний измерялись токи ВТСП-2 катушек с контролем напряжений на выводах и магнитного поля на поверхности. Одновременно проводился мониторинг расходных характеристик криостатов, характеризующих качество тепловой изоляции. Испытания проводились без дополнительной весовой нагрузки. ВТСП-2 модуль устанавливался над путевой структурой с начальным зазором, задаваемым калиброванными текстолитовыми прокладками. Токи в ВТСП-2 катушках изменялись по заданной программе. Левитационный зазор измерялся датчиками перемещения, сигналы которых могут быть использованы для формирования сигналов обратной связи.
ВТСП-2 модуль во время испытаний представлен на рисунке 2. Результаты испытаний полностью подтвердили выводы численного моделирования. При начальном зазоре от 0 до 12 мм расчетная подъемная сила мала, что подтверждается малыми значениями вертикального перемещения. При этом наблюдается предсказанный быстрый переход от подъема к притяжению. При величине начального зазора от 22 до 34 мм подъемная сила нарастает и ВТСП-2 модуль переходит в режим электромагнитного с левитационным зазором 40-45мм.
ВТСП-2 катушки продемонстрировали стабильную работу в магнитных полях, эквивалентных полям реальных ЭДП, как при номинальных, так и при повышенных токах. Криостаты показали приемлемые в лабораторных условиях характеристики: при общем объеме жидкого азота 9 л, паримость криостата при максимальном токе 60 А не превышала 2 л в час, что обеспечивает непрерывную работу в течение не менее 4 часов.
Таким образом, успешные испытания ВТСП-2 модуля в составе крупномасштабного макета для натурных исследований ЭДП завершили цикл работ, в ходе которого была апробирована технология изготовления рейстрековых ВТСП-2 катушек и компактноых азотных криостатов. В ходе работ были спроектированы, изготовлены и испытаны блоки ВТСП-2 модуля, отработаны конструкторские решения и верифицированы вычислительные модели. Это позволяет перейти к созданию опытно-промышленного образца унифицированного модуля системы левитации транспортного средства.
