Физическое моделирование потерь на трение в режиме холостого хода синхронного ВТСП-двигателя

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

Магнитный экран

Слой изоляции

Сверхпроводящая

катушка

Корпус статора Статорные катушки

ВТСП-массивы

Остов ротора

Вал

Криостат

Рис. 4. Конструкция ВТСП многодисковой машины

ВТСП-массивы

Рис. 2. Многодисковый синхронный ВТСП-двига-тель

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

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

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

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.