
- •Задание
- •Расчет индуктивности седлообразных магнитных систем
- •1. Собрать схему, приведенную на рисунке 1.7. Питание моделей осуществляется от сети переменного тока частотой 50 Гц напряжением 220 в через лабораторный
- •Описание лабораторного стенда
- •Методика измерения индуктивности с помощью моста e7-4
- •Задание
- •Теоретическая часть
- •Описание лабораторного стенда
- •Измерение активного сопротивления обмотки
- •Описание основных элементов установки.
- •Порядок работы
- •Задание
- •Теоретическая часть
- •Методика измерения магнитных свойств электротехнической стали
- •Методические указания
Л.К. Ковалёв, К. Л. Ковалёв, А.Е. Ларионов, В.Т. Пенкин
Лабораторные работы по дисциплинам
«Автономные электроэнергетические установки» и
«Сверхпроводящие и криогенные устройства»
Работа 1. Исследование параметров дипольных магнитных систем
Задание
Произвести измерения и построить кривые распределения магнитного поля вдоль осей OX, OY, OZ двух седлообразных дипольных магнитных систем.
Измерить индуктивные сопротивления магнитных систем.
Рассчитать распределения магнитного поля во внутренней и внешней областях магнитных систем и сопоставить их с экспериментальными данными.
Рассчитать индуктивные сопротивления магнитных систем и на основе экспериментальных данных оценить погрешность расчёта.
Теоретическая часть
Для создания сильных магнитных полей в криогенных электромеханических преобразователях энергии, таких как МГД-устройства, синхронные машины, системы электромагнитного разгона массы применяются дипольные магнитные системы.
Эскиз дипольной магнитной системы приведен на рисунке 1.1. Она состоит из двух седлообразных катушек. Каждая катушка состоит из рабочих линейных участков, параллельных оси системы и отогнутых участков - лобовых частей, имеющих форму, близкую к эллиптической, и обеспечивающих соединение линейных участков.
Катушки соединены таким образом, что направление тока в смежных продольных проводниках обеих катушек одинаковое. При протекании тока по катушкам создается магнитное поле. В поперечном сечении проводники могут представлять собой:
Рисунок 1.1 Конструктивная схема дипольной магнитной системы
Рисунок 1.2 Разновидности поперечного сечения дипольных магнитных систем
а) кольцевые сегменты (рисунок 2а). Такие магнитные системы используются, главным образом, во вращающихся индукторах криогенных генераторов. У них рабочей является радиальная компонента магнитного поля, создаваемого во внешней области, которая изменяется по угловой координате в соответствии с гармоническим законом;
б) серповидные сегменты (рисунок 1.2 б, в), образованные двумя пересекающимися эксцентричными окружностями или эллипсами. Эти магнитные системы обладают высокой однородностью магнитного поля во внутренней области и находят применения в системах электромагнитного разгона массы, МГД-устройствах и др.
Следует отметить, что на практике невозможно намотать дипольные катушки так, чтобы их форма идеально соответствовала суперпозиции окружностей или эллипсов. Для приближения к идеальной конфигурации применяется секционированная намотка (рисунок 1.3).
Дипольные магнитные системы рассчитаны, как правило, на криогенное охлаждение и использование в качестве обмоточного материала сверх- и криопроводников.
В сверхпроводящих системах катушки наматываются из лент, шин и проводов, состоящих из нормально проводящей металлической матрицы (медь, медноникелевый сплав, алюминий, серебряные сплавы), в которой расположены скрученные тонкие жилы из низкотемпературного сверхпроводника (НТСП) 2-го рода (Nb-Ti, Nb-Zr, Nb-Zr-Ti) с рабочей температурой менее 18К) или высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) такого как YBa2Cu3O7-δ или Ba2Sr2Ca2Cu3O10-δ с рабочей температурой менее 80К. Для температуры менее 30 К перспективными по стоимостным показателям считаются провода из MgB2. Характерный диаметр жилы НТСП 2,5...10 мкм, а их число в кабеле 102…105. В РФ изготавливаются ниобий-титановые и ниобий-циркониевые кабели с коэффициентами заполнения матрицы сверхпроводником 0,3 и 0,5.
Обладающее более высокими критическими параметрами интерметаллическое соединение NbзSn (НТСП) из-за хрупкости используется только для изготовления сверхпроводящих лент.
В больших магнитных системах применяют композиты, представляющие собой скрученные и прокатанные сверхпроводящие провода в матрице. Скрутка жил в проводе называется твистированием, а скрутка проводов в композите - транспонированием.
Рисунок 1.3 Секционирование дипольных магнитных систем
Матрица обеспечивает тепловую стабилизацию сверхпроводника. Если в результате какого-либо возмущения часть сверхпроводника перейдет в нормальную фазу, то ток потечет по матрице. В случае непродолжительного возмущения сверхпроводник охладится до температуры ниже критической и ток по мере восстановления сверхпроводящей фазы вернется в сверхпроводник. При отсутствии матрицы большой ток, протекая по нормальному участку сверхпроводника, вызовет большие электрические потери, что сопряжено с выкипанием криоагента, пробоем изоляции и разрушением всей магнитной системы. Другое назначение матрицы - обеспечивать механическую прочность магнитной системы при наличии больших сил, созданных взаимодействием токов и магнитного поля. Катушки сверхпроводящей магнитной системы помещаются в криостат с жидким гелием с температурой кипения Ткип=4,2 К, обеспечивающим поддержание заданного режима охлаждения.
Плотность
тока j и
магнитная индукция B
в токовой зоне катушек должны быть ниже
некоторых критических значений jкр
и Bкр,
выше которых происходит переход
сверхпроводников в нормальное состояние.
Так, например, для коротких образцов из
Nb-Ti при температуре Т=4,2
К , Вкр=12 Тл , jкр=109А/м2.
Криопроводниковые дипольные системы изготавливаются из шин и проводов на основе сверхчистого алюминия и охлаждаются жидким водородом (Ткип=20,5 К) или неоном (Ткип =27К). При охлаждении до такой температуры электрическое сопротивление алюминия уменьшается в 1000 раз по сравнению с нормальными условиями. Что позволяет пропускать через него ток с плотностью до 2 108 А/м2 и получать в рабочем объеме магнитные поля порядка 5...7 Тл.
Из-за низкой механической прочности чистого алюминия провод армируется стальной оплеткой, а катушки магнитной системы должны иметь внутренние и внешние прочностные бандажи, воспринимающие значительные электромагнитные усилия.
При проектировании криопроводниковых магнитных систем необходимо учитывать магниторезистивный эффект, заключающийся в снижении удельного электрического сопротивления криопроводника при увеличении магнитного поля системы.
Необходимо отметить, что магниторезистивный эффект у криопроводников четной и нечетной групп таблицы Менделеева проявляется по-разному. В металлах нечетной группы, к которым относится алюминий, наблюдается явление «насыщения», т.е. возрастание удельного сопротивления происходит до определенного значения магнитной индукции, после чего дальнейшее ее увеличение практически не приводит к росту удельного сопротивления, что является достоинством алюминия. В металлах четной группы (например, бериллий) такого явления не наблюдается (рисунок 1.4).
Рисунок 1.4 Магниторезистивный эффект для алюминия и бериллия
Расчет магнитного поля дипольных магнитных систем
Расчеты магнитного поля с учетом реальной геометрии системы требуют численного решения электродинамической задачи.
В тех случаях, когда длина лобовой части существенно меньше линейной (lлоб/lлин < 0,1) принимается допущение, что поле в рабочей зоне однородно (для серповидных систем) или имеет двумерный характер (для систем с кольцевым сечением). С учетом сделанного замечания магнитное поле системы будет описываться во внутренней области аналитическими зависимостями.
Для схемы рисунка 1.2а
Ву(x)=-
при
(1.1)
By(x)=
при
и у=0, (1.2)
где
Гн/м
- магнитная проницаемость вакуума;
-
число пар полюсов, число витков, ток и
обмоточный коэффициент магнитной
системы.
отношение
занятой проводниками части полюсного
деления к полюсному делению.
Для
схемы рисунка 1.2б
, (1.3)
где j - плотность тока в обмотке; Кз - коэффициент заполнения поперечного сечения сверхпроводящим материалом.
Для
схемы рисунка 1.2в
(1.4)
Рисунок
1.5 Картина силовых линий магнитного
поля в продольном сечении магнитной
системы
Магнитное поле системы графически может быть изображено с помощью картины силовых линий, в каждой точке которых касательная совпадает по направлению с вектором магнитной индукции поля. Картина силовых линий магнитного поля в плоскости ZOY, полученная для магнитной системы с серповидным сечением с помощью металлического порошка, показана на рисунке 1.5. Как видно, наибольшая неоднородность магнитного поля наблюдается в зоне лобовых частей.
Рисунок 1.6. Распределения компоненты магнитного поля Ву для седлообразной магнитной системы с серповидным сечением
Характерные распределения компоненты магнитного поля для седлообразных магнитных систем с серповидным поперечным сечением представлены на рисунке 1.6.