Опоры для топологического генератора погружного типа. Устройство. Инженерный расчёт. Параметры

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по учебной дисциплине «Низкотемпературные устройства» для студента специальности 140401 «Техника и физика низких температур».

Тема: «Опоры для топологического генератора погружного типа. Устройство. Инженерный расчёт. Параметры.»

 

1. Исходные данные:
1.   Рабочая среда – жидкий гелий.
2.   Рабочая температура  5 К.
3.    Конструкционный материал ниобий чистоты 99,98%
4.   Параметры конструкционного материала:
1. Количество пластин 4 шт.
2. Вес опоры 120 гр.
3. Критическая температура  Тк = 9,2К
4. Нижнее критическое поле Вк1 = 1,2 кГс
5. Верхнее критическое поле Вк2 = 3,2 кГс
2. Обмотки возбуждения – провод ПЭТВ-2НТ :
1. Ток обмотки
2. Частота вращения
3. Диаметр провода    0,33
2. Составить обзор литературы по теме.
3. Выбор конструкции устройства.
4. Расчет основных параметров разрабатываемого устройства:
5. Заключение.
6. Приложение.

 

 

 

 

 

 

 

Замечания руководителя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение5

1. Обзор литературы 6

1.1 Топологические генераторы 6

      1.2 Случай генератора с перемещающимся магнитным полем.8

   1.3 Случай генератора с вращающимся магнитным полем 13

1.4 Модификации генераторов.14

      1.5 Бесконтактный сверхпроводниковый синхронный генератор.16

          1.5.1 Эксперимент20

          1.5.2 Первоочередные задачи дальнейших исследований.24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Работы в данном направлении начаты в 1962 г., когда был  изложен принцип действия и создан первый демонстрационный образец сверхпроводникового топологического генератора  (ТПГ). Они велись в ведущих научных центрах Европы и США: АНЛ, МНЛ МТИ, ОНЛ, «Дженерал Электрик», «Вестингауз», «Сименс» и др. Однако до сего времени нет достаточно ясного понимания физики явлений, лежащих в основе его работы. В этом состоит главная причина того, почему так медленно шло развитие этих уникальных по своим свойствам электрических машин, возможности которых не были раскрыты даже в малой степени. После первых успехов в создании ТПГ все дальнейшие попытки зарубежных специалистов добиться существенного повышения тока в единичном агрегате, в рамках общепринятых теоретических обоснований, оказались безрезультатными.

Так, в 1964г. фирма Вестингауз предложила новый тип генератора на сверхпроводниках, работа которого была основана на свойстве сверхпроводящего контура поддерживать неизменным магнитный поток, связанный с ним.

Ток генератора не может превышать критического значения и избежать высокой скорости перемещения пятна, а значит, разогрев пластин сверхпроводника вихревыми токами в нормальной его зоне, необходимо ограничить скорость нарастания тока в нагрузочном реактивном сопротивлении (индуктивности) кроме того, следует уменьшить поток рассеяния. В последствии оказалось, что эффект не исчезает, если заменить вращение таких магнитных полюсов на бегущее магнитное поле. В таких генераторах (их назвали топологическими генераторами) можно получать ток в несколько сотен и даже тысяч ампер при очень малых напряжениях от мкВ до долей милливольт.

 

1. Обзор литературы.

1.1 Топологические генераторы

Необходимость запитки сверхпроводящих соленоидов большими токами вызвала потребность в создании низкотемпературных генераторов постоянного тока с тем, чтобы избежать потерь в токовводах. Кроме использования вращающихся генераторов со сверхпроводящими обмотками, фирма Вестингауз в 1964 г. предложила новый тип генератора на сверхпроводниках [Л. 76] работа которых основана на свойстве сверхпроводящего контура поддерживать неизменным связанный с ним магнитный поток. 

Рис.1. Топологический генератор на 800 А.

1 – магниты; 2 – свинцовые пластины; 3 – перемычки из Nb-Zr.

Сердечником униполярного генератора для запитки сверхпроводящего соленоида на 4 Тл, находящегося в том же дьюаре, с постоянным током 800 А служат расположенные по окружности диаметром 11.6 см пластины свинца или олова, т.е материала с низким значением критического поля. Пластины последовательно закорочены сверхпроводящим проводом из Nb-Zr, имеющим высокое критическое поле. Ряд близко расположенных постоянных магнитов вращается над сверхпроводящими пластинами со скоростью около 100 об/мин. В свинцовых пластинах под магнитами возбуждения образуются «дырки» нормальной проводимости, при выходе которых из пластины в контуре наводится ток, стремящийся поддержать неизменным магнитный поток, связанный с пластиной. Величина генерируемого тока:

  ,                                                   (1.1)

где - магнитная постоянная; Ф – магнитный поток через «дырку»; L – индуктивность.

Величина тока генератора зависит от ряда факторов, поддающихся контролю и управлению:

                                                  (1.2)

где n – частота вращения магнитов возбуждения; z1 – число сверхпроводящих пластин; z2 – число «дырок» нормальной проводимости или постоянных магнитов возбуждения; - к.п.д. генератора.

Естественно, что ток генератора не может быть больше критического, как и магнитный ток, «накачиваемый» в контур, охваченный сверхпроводящей цепью. Коэффициент полезного действия генератора зависит от величины потока рассеяния, зазора между пластинами, нагрева пластин вихревыми токами в нормальном «пятне». Чтобы избежать высокой скорости перемещения «пятна» по сверхпроводнику и разогрева пластин вихревыми токами в «пятне», скорость нарастания тока в нагрузочной индуктивности и частота в обмотках возбуждения при однополюсном бегущем поле должно быть ограничены.

Вращение электромагнитов можно заменить бегущей волной, и на этом принципе создан целый ряд статических преобразователей переменного тока в постоянный. Характерно, что при больших токах напряжение на выходе таких машин ничтожно (например, при 100А около 2510-6 в [Л. 71]), что вряд ли позволит применить такие генераторы в энергетике, несмотря на соответствующие рекомендации [Л. 77], согласно которым цилиндрический генератор диаметром около 1 м может произвести 500 Мвт при к.п.д. более 98% с учётом затрат на охлаждение.

1.2 Случай генератора с перемещающимся магнитным полем.

Итак, идея заключается в следующем: имеем плоскую пластину А из сверхпроводника с критическим полем Нк (если сверхпроводник 1 рода) и Нк1 (сверхпроводник 2 рода), под которой располагается магнит в виде цилиндра (рис. 2), допустим, с полюсами, как на рисунке.

Рис.2 Сверхпроводящий соленоид Lзамыкающийся на пластину А

Магнит может перемещаться по направлению стрелки: слева - направо или навстречу. К противоположным сторонам подключен сверхпроводящий соленоид L. Вся эта система охлаждена до температуры жидкого гелия и на пластине появляется зона а, в которой сверхпроводимость разрушена. Через эту зону (пятно) замыкается магнитный поток и вектор индукции направлен в пятне сверху - вниз (как видно из рисунка). Теперь начнём перемещать магнит влево и это вызывает удлинение магнитных силовых линий, т.к. они не могут проникнуть через пластину в тех местах пластины, где Н < НК. После того как он выйдет за пределы пластины, весь магнитный поток окажется сцепленным со сверхпроводящим контуром, а в самом контуре будет наведен незатухающий ток, обеспечивающий сохранение в контуре захваченного магнитного потока (направление тока определяется правилом буравчика, рукоятка которого описывает вращение почасовой стрелке магнитных силовых линий, показанных замкнутыми кривыми , а ток будет течь вдоль линий замыкающих выводы соленоида сверху вниз перпендикулярно направлению движения магнита). При многократном повторении таких движений магнита поток будет накапливаться порциями, как и увеличиваться порциями ток, ткущий через нагрузку - соленоид L. Если же двигать магнит в обратном направлении, то магнитный поток будет порциями уменьшаться, как и уменьшаться циркулирующий в соленоиде ток.

Рассмотрим случай непрерывного движения магнита в одну сторону, например, как в топологическом генераторе (рис. 1). Возьмем одну из пластин, в которой существует условие для образования магнитного пятна (рис. 3) с нарушенной сверхпроводимостью. На рисунке рассмотрена ситуация с магнитом а) (левая сторона положений) и ее эквивалентная пластина б) (правая сторона рисунков). Магнит движется с некоторой постоянной скоростью. Вначале магнит находится вдалеке oт пластины (случай а) и б)). Подведем магнит к краю пластины, в ней краевая зона над магнитом теряет свою сверхпроводимость и не является замкнутой - экранирующий ток не может существовать, т.к. справа он не может замкнуться. Это означает, что ток внешнего контура в этом положении пятна может проходить только по левой стороне пластины (случай в),г)), и , следовательно, возникнет только поток Ф1 , замыкающийся по стороне АС, и соответствующий контрпоток Ф1 (рис. 4). Это означает - эта ситуация частичного захода магнита под пластину эквивалентна геометрическому искажению контура пластины.

Рис. 3 Линии тока в сверхпроводящей пластине при разных положениях магнита и геометрия эквивалентной пластины:

а) - магнит отсутствует; б) - эквивалентная пластина; в, д) - магнит расположен близко от края пластины, в небольшой краевой зоне появились дополнительные циркуляционные токи; г, е) - эквивалентная пластина при близком расположении магнита; ж) - магнит полностью зашел под пластину; з) - эквивалентная пластина: магнит расположен под ней.

По мере затухания токов в краевой незамкнутой зоне из-за наличия конечного сопротивления будет уменьшаться и противоток I3 во внешнем контуре не станет  равным I1, а значит результирующий ток - равным нулю. По мере дальнейшего движения (случай б) и г)) ситуация не изменится, пока магнитное пятно не зайдет под пластину полностью, т.е. зона EF=0, что соответствует ситуации ж) и з). Пятно а с циркулирующим (экранирующими) токами стало замкнутым. Далее это пятно движется с некоторой скоростью вдоль пластины шириной вк. На этом участке наводится э.д.с. (Ԑ) пропорционально индукции В, скорости движения о длине пластины l (рис.5). Омическое сопротивление несверхпроводящего участка шириной вт равно Rm= 1/, где r - сопротивление нитей, на которое может изменяться участок шириной вт. В краевых зонах, где ширина сверхпроводящего участка меньше вт и изменяется по мере движения магнита вдоль пластины, при этом R увеличивается и равно где в - переменная ширина участка. На выходе из сверхпроводника R , т.к. в становится равной нулю.

Рис. 4 Эквивалентные токи Iэ1, Iэ2 ,Iэ3 в элементах

сверхпроводящей системы, создающей такой же поток ΔФ, как внешний магнит.

Образованная  э.д.с. с создает ток Iк, который распределяется по трем сверхпроводящим ветвям: левой части пластины (индекс 1), правой - (2) и наружному (нагрузочному) контуру (3). Распределение токов определяется соотношением индуктивностей ветвей 1,2 и 3. поскольку омические сопротивления в них равны нулю (рис. 5, б).

Рис.5 Схема Э.Д.С, и токов при движении магнита по пластине с образованием несверхпроводящей зоны: а) - распределение токов: б) - эквивалентная схема

Запасенная электромагнитная энергия W после ряда циклов:

                                                   (1.3)

где – образовавшийся ток за цикл, - магнитный поток, связанный за цикл, L – индуктивность всего контура, – ток в контуре после n циклов.

Общая электромагнитная энергия, запасенная в контуре после n циклов, равна:

                                            (1.4)

Видно, что накапливаемая в контуре энергия пропорциональна квадрату числа циклов, а требуемая для вращения магнита мощность возрастает пропорционально числу циклов.

При периодическом вращении магнита со скоростью (за 1 сек) за n циклов электромагнитная энергия запасается как:

                                                (1.5)

Величина тока в расчетах принимается равной  . Из условия имеем ,откуда :

                                                (1.6)

Где – скорость вращения [об/сек] и , Т- период; tk- отрезок времени, –угол поворота.

 

1.3 Случай генератора с вращающимся магнитным полем

В этом варианте, как мы определили ранее (рис. 3.), вместо сверхпроводящей пластины с линейно движущимся магнитом (или подобных вариантов) используется диск, с вращающимся магнитом, у (вторых ось вращения совпадает с осью симметрии диска. Этим магнитом над или под диском создается зона с нарушенной сверхпроводимостью. По аналогии с предыдущим вариантом, если разбить весь диск на последовательно соединенные пластинки, выстроенные по окружности, то нагрузка (сверхпроводящий соленоид), или его называют рабочий контур, подсоединяется к краю внутреннего отверстия (рис. 6, а) или в геометрическом центре диска (рис. 6, б), а второй - к внешнему краю диска.

Рассмотрим принцип их работы, исходя из предположения о последовательно соединенных пластинках, как показано на рис. 1.

 

Рис. 6 Дисковый генератор с одной нормальной зоной:

а) со щелью; б) без щели

Магнитные потоки, созданные эквивалентными токами Iэ1 и Iэ2; (рис. 6) и проходящие между концами каждой пластинки. В данном варианте их роль начинают выполнять торцевые потоки, созданные теми же токами, замыкающимися по наружной и внутреннем окружностям дисков. Если в варианте а) внутреннюю окружность стынуть в точку, а радиальный зазор свести к одной линии, т.е. к нулю, тогда силовые линии потоков Ф1 и Ф2, составляющие в сумме потоп ΔФ, созданный внешним магнитом, замкнутся только по внешнему контуру или по периферии диска (рис. 6, б). В этом варианте также, как для генератора с пластинками можно определить токи и величину занесенной энергии при различных ситуациях, в том числе и движении магнита.