автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Исследование линейного двигателя постоянного тока с сверхпроводящей обмоткой возбуждения

ХАРКЖЬШ ДЕР1АВНИЙ ШШТЕХН1ЧНИЙ УН1ВЕРСИТЕТ

РГ Б ОД

1 1 Ш? ^

На правах рукопису Походенко Роман Миколайович

Д0СЛ1ДЯЕННЯ Л1Н1ЙН0Г0 ДВИГ9НА П0СТ1ИН0Г0 СТРУНУ 3 ЩПР0В1ДН0Ю ОБМОТКОЮ ЗБУД1ЕННЯ

05.09.01 - електричн! маиини

Автореферат дисертацП на здобуття наукового ступеня кандидата техн1чних наук

Харк1в - 1995

Дисертац1я е руиопис.

Робота виконана у Харк1вському дергавному пол1техн!чному ун1вер-ситет1.

Науковий кер1вник - доктор техн1чних наук

Омельяненко В1ктор 1ванович.

0ф1ц1йн1 опоненти - доктор техн!чних наук, професор Толкунов Володимир Петрович, - кандидат техн1чних наук, доцент М1лих Володимир 1ванович.

Г!ров1дна орган1зац!я - СКБ НВО "Електромаиина", м.Харк1в.

О Я ¿>5

Захист дисертацП в1дбудеться ____________ 1996 р. на

зас1данн1 спец1ал!зовано1 вчено! ради Д 02.09.15 у Харк1вському дер-вавному пол!техн1чному дн1верситет1 (310002, м.Харк1в, вул. Фрунзе, 21).

3 дисертац1ев можна ознайомитися у б1бл!отец1 ун1верситету. Автореферат роз1сланий ____9.2=.____ 1996 р.

Вчений секретар спец1ал1зовано! вченоУ ради

Егоров Б.0.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальн!сть теми. Неблагоприемн! еколог!чн! обставини, зроста-юч! потоки та обсяги пасажирських 1 вантавних перевезень, п!двищення вимог щодо швидкост! та безпеки транспортних систем примушують вче-них працювати над утворенням альтернативного виду транспорта з низьким р!внем шуму, еколог!чно чистого, еконоиачного, безпечного та високошвидк1сного.

Актуальн!сть дослЦжень у галуз! створення високошвидкГсного наземного транспорту такоа вЦзначаеться у Постанов1 ДКНТ СРСРК 105 В1Д 4 лютого 1991 року, у Постанов! Президи' АН Нкра1'ни № 107 в!д 22 квпня 1992 року, а у 1994 роц1 Презид1я АН Нкрагни затвердила Постанову, у як!й доручила 1нституту техн!чно'1 нехан1ки АН Укра'1'ни разом з КБ "П1вдене" та !ншими установами в стисл1 строки пЦготувати проект Державно!" науково-техшчно!' программ "Високоивидк1сний зал!зничний транспорт ЯкраУни". Результатом виконання ц1е1' програми мае стати проект високо.швидк1сно1 транспортно'1 системи, т1сно пов'язано!' з уже кнуючими ав1ац1йними, зал!зничними та авто-моб1льними мапстралями.

1дея використання л1н1йного електроприводу для високошвидк^сного транспорту мае широк1 перспективи. Традиц1йно на роль виконавчого механ!зму ц1еI системи претендують два кандидати - лШйний синхрон-ний двигун, вторично перший тип, та лШйний двигун поспййого струму (ЛДПС), досл1дженню якого й присвячена дисертац1йна робота. Нр1м цього, актуальнкть прац1 обумовлена ще й тим, що в нгй особливо ретельно досл!джуеться пусковий режим роботи ЛДПС.

Мета роботи. Метош дано!" пращ е дослЦяення л!н!йного електро-механ1чного перетворювача енергП у вигляд1 ЛДПС з тиристорним кому-татором 1 надпров1днои обмоткой збудження у пускових та усталених режимах методами математичного та ф1зичного моделювання.

Для досягнення поставлено? мети виршувались наступи! завдання:

- створення математично'1 модел! для дослЦження впливу геомет-ричних та електромагн!тних параметр1в якоря на робоч! характеристики ЛДПС в динам!чних режимах, а також при робоп ЛДПС з поспйнош 1видк1сти руху !ндуктора:

- спорудження експериментально!" установки та проведения методом (¡пзичного моделювання ощнки адекватности математично! модел! елект-

роф1зичним процесам, як1 розгортавться у ЛДПС;

- проведения доШдження умов роботи надпров1дно1 магнИно! сис-теми !ндуктора у склад! ЛДПС, визначення умов И сум1сност1 з ЛДПС;

- розробка конструкцП надпровщноУ магнпно! системи, створення та випробування надпров!дно!' котуики для ц!е'1 системи, адаптовано!' до умов роботи ЛДПС в режим! динам1чних перевантавень !ндуктора.

Методи досл!двень. Теоретичн1 досл1дження, виконан1 у прац1, ба-зуються на чисельному моделюванн! перех1дних електромагн!тних та ме-хан!чного процес!в у систем! ыагнНосполучених активних та пасивних к!л ЛДПС, як1 описувться системою лШйних диференицальних р1внянь.

Експериментальн! дослЦження проводились на спец1ально споруд-жен1й динам1чн!й лабораторий установи! шляхом прямого вим1ру електричних струм!в, напруг ! часових 1нтервал!в.

Наукова новизна зумовлена:

- розробкои низки математичних моделей, внасл1док чого встанов-лено вплив на електромагн!тн! та механ^чн! перехЦн! процеси в ЛДПС таких фактор1в, як к1льк1сть фаз обмотки якоря, величина зазору шж 1НДуктором та обмоткою якоря, к!льк1сть ки первинного демпф1руван-ня, зм!нна складова струму збудження;

- розробкои ряда-заход,1в щодо подолання проблем, специф!чних для роботи надпров!дних магнит1В у зм!нних магн!тних полях, а сане -зб!льшуванням к!лькост1 фаз обмотки якоря, зб!льшенням зазору м1ж обмоткою якоря та обмоткою збудження при поб!льшуванн! магн!то-РУ11ЙН01 сили обмотки збудження та збер1гашп незм1нним тягового зу-силля, застосуванням квадрупольно! надпров!дно!' магнпно!' системи як обмотки збудження ЛДПС при в!дпов!дн!й перекомутацП одно!' з стор!н обмотки якоря;

- розробкою нового концептуального проекта транспортного надпров1дного магн1та, у якому вперие репрезентован! конструшця та технолог1я виготовлення н!об1й-олов'яних парногалетных котуиок та плескатого надпров1дного ключа також з Н1об1й-олова прямокутно!' фор-ми;

- виготовленням ! усп!шним випробуванням н!об!й-олов'яно1' надпровЦно!' котушки !ндуктора ЛДПС з надпров!дним кличем, доведена 1"! працездатшсть. Новизна та практична щнн^сть факта виготовлення такого мапита обумовлена вЦсуШстю в св!тов1й практик досв!ду спорудження транспортних магнит1в з н!об!й-олов'яного проводу;

- створенням л11пйно1 динамично! лабораторно! установки для досл!дяення електромагштних процес1в а обмотках якоря та збудяення ЛДПС, а також для випробувань надпровЦних магттних систем на обме-яен!й в!дстан! при реальних перевантаяеннях;

- експериыентальним встановленням того факта, шо ефективн!сть пасивного захиста обмотки збадяення в1д зм1нно'1 складовоТ магниного поля якоря зростае найке у п'ять раз при глибокому охолодвешп екра-на.

Практична цшн1сть роботи полягае у тому, що теоретичн1 полонен-ня, сформульован! в дисертацп у вигляд1 математичних моделей електромехаючного перетворювання енергп, доведен! до алгоритм1в вибору геометричних та електромагн1тних параметр1в ЛДПС з тиристор-ним конутатором 1 надпроз1дною обмоткон збуднення. Накопичений конструкторський досвЦ створення експериментального разгонного пристрою та повномасвтабного транспортного надпров1дного магшту, а також розроблен! технолог!чн1 прийоми та обладнання мояна використо-вувати при створенш прогресивних транспортних технолог1й.

Реал1зац1я результат1в роботи. Основн! результати роботи, методика експериментальних досл1джень буяи використат в процесс вико-нання проекту "Старт" Деряавно! наукова-техн1чно1 програми "Високо-температурна надпров1дн1сть", у рамках науково-досл1дно1 роботи "Шампунь", а також при виконанн1 госпдоговору N 37277 "Розробка та створення експериментальних випробувальних пристро'Гв на баз1 лШйних електромехан!чних перетворивач1в енерг 11 для динам1чних випробувань конструкцШ ракетно-косм1чно'1 техн1ки", який виконувався в межах досл!дноТ програми Нац1онального косм1чного агенства ЯкраКни для КБ "П1вдене".

В1рог1дн1сть основних полояень. В1рогЦн1сть математичних моделей, алгоритм!в розрахунка та результат!в ф1зичного моделювання за-безпечена коректною постановкою задач, порхвнянням результат!в розв'язання тестових задач з опубЛ1кованими результатами 1ниих ав-тор1в, а такоя експериментальною перев!ркою на повномасштабних прис-троях та вузлах дослЦяаемих систем.

Апробац1я роботи. Головн1 полояення дисертац1йно"1 роботи до-ловЦались та обговорювались на 12-й М1анародн1й конференцП з прикладного магнетизму" МТ-12 (Ленинград, 1991 р.), на Першому сп1льному Японсько-радянському семшар]. з електромехан!ки (Ток1о, 1992 р.) та

на М18народн1й кокференци з крЮгенно! техн1ки 1СЕС-14 (Ки1в, 1992 р.).

Публ!кацП. За темою дисертацп вийшло друком 5 публ!кац1й, д яких В1добраяен1 основа результати досл1днень.

Структура роботи. Дисертац1я загальним обсягом 173 стор1нки ск-ладаеться з1 вступу, чотирьох глав, висновку, списку л1тератури (117 найыенувань) 1 додатку, в тому числ1 122 сторонки основного тексту, 43 рисунки та 10 таблиць.

ЗМ1СТ РОБОТИ

Н вступ! обгрунтована актуальн!сть дисертац1йно! роботи, сфор-мульован! 11 ч1л1, поставлен! основн1 задач!, представлений об'ект досл1дкення - конкретний зразок ЛДПС.

Перша глава мае оглядово-установчий характер, де подано 1стор1в та шшишй стан розробок у галуз1 створення л!н!йних електроме-хан1чних перетворввач!в енерг11 транспортного та ¡ншого призначення. Коротко розглянут1 проекти з використанням л1н1йних електроме-хан1чних перетворювач1в ^енергП' для тяги по1'зд1в на магнитному п1дв Чуваши, як1 пропонувалися та впровадяувалися у 70-80 рр. у СИ, Канад1, ВеликобританП", ФРН, ФранцП, ЯпонП" та СРСР.

1нтенсивний розвиток розглядаемого класу пристроив у середин! 70 рр. став можливим завдяки технолопчним досягненням у галуз: створення надпров1дних магн1тних систем, як1 при невеликих розм1рах та ваз! мають достатньо висом електромагнитн! параметри, Цей факт сприяв реал1зацП таких 1дей, як магнине безконтактне п1дв1шування та тяга транспортного засобу та дозволив значно покращити характеристики деяких машин, наприклад, лШйних синхронних двигун1в.

Н загальному . випадку лШйний електромехан1чний перетворивач енергП представляе собою пристр1й, який складаеться з1 статора з розташованими на ньому активними та пасивними котушками обмотки якоря та прямуючого в!дносно нього !ндуктора. При використаню для збудаення основного магнпного потоку надпровЦних обмоток 1'х розта-ювувть в спец!альних контейнерах - кр1остатах, як1 забезпечують надену теплову !золяц!ю надпровЦника, динам1чну м1цн1сть надпров!дно'1 магн1тно\" системи при мШмальних зазорах м!ж елемента-ми системи , та передають значн1 електромагнитн! зусилля до рухомо!

частини пристрою. Якщо всановлено дек1лька 1ндуктор1в у ланцюг, то вони складають змШнополвсну систему збудкення пост1йного магнитного поля.

Електромагн1тна сила тяги у Л1н1йних електронехан1чних перетво-ривачах ене'ргН вияикае при ув!мкненн1 напруги яивлення на якорн1 обмотки. Вона сбумовлена взaeмoдiви поспйного струму обмотки збуд-аення з хвилев рухаичогося магниного поля, яке утвориеться струмом обмотки якоря. 9 залеяност! в1д способу реал!зацП рухаичогося магн!тного поля в1др1зняить або л!н1йний синхронний двигун, або ЛДПС.

На в!дм1ну В1Д лШйного синхронного двигуна у ЛДПС наавна зовн1иня сл1дкушча система, яка забезпечуе примусову синхрон!зац1Ю живлення обмоток якоря у залезност1 в 1д полояення транспортного за-собу.

Л1н1йний синхронний двигун вивчено достатньо широко. Але ЛДПС, як засв1дчив аналпичний огляд, досл1дяено у значно менспй м!р1, Са-ме тому ЛДПС з ненагн!тним осердям та великим пов1тряним зазором, коротким однополюсним шдуктором, обмоткою якоря, яка складаеться з дискретних котуоок, та тиристорним комутатором з оптоволоконной системою управл!ння е об'ектом дослЦяення у дисертац1йн1й робот!.

Я дрцПй глав! розглядаетъся методика розрахунку характеристик досл!дауемого ЛДПС, бо клас лШйних електромехан1чних перетвора-вач1в енергП" суттево в!др!зняеться в1д традиц1йних електричних машин, де ротор обертаеться' навколо себе.

Загальн! полояення для анал1зу електромагштних процес1в в ЛДПС викладаиться з точки зору енергетичного п1дходу,

Формування математично! модел1 ЛДПС мае вЦбутися лише за умови розрахунку коеф1ц1ента взаемно'1 1ндукцП. По сут1 коеф1ц1ент взаемно'1 ¡ндукцП е тим зв'язушчим фактором, який вЦобраяае вплив геометричних параметр1в ЛДПС на течию електромагн!тних процес^в та визначае силов! та електромагн!тн1 характеристики пристрои.

При обчислвванн1 коеф!ц1ента взаемно'1 1ндукц11 мае сенс формува-ти вектор зм1нних таким чином:

X =(<^£АсДгО Ц)

де ч - нашвдовжина, В - нап1виирина якорно! котушки 1 п - пер!од обмотки плюс с~ натвдоваина, с! - нап1виирина I - бокове зм!щення обмотки збудяення в!дпов1дно, а урахування остаточного поперечного

перерезу котдшки виконувати тзн1ие, включавчи до розрахунку к1льк!сть витк1в обмотки збудвення та якорноа котдики, А тепер вва-аати, що котушки е безмевно тонкими одновитковими та мають g про-екци форму прямокутника.

На першоыд етап1 розрахункових досл1д!ень розглядалась найбУып проста модель ЛДПС, яка складаеться з двох ыагнпосполучених актив-них к!л, але при умов!, що швидк!сть руху 1ндуктора незм1нна ( V = Const.).

Дал!, вваваючи, що струм збддження е таков незм^ним (Xv= Const.), у систему р^внянь були додаю р1вняння руху 1ндуктора та р!вняння, яке описуе пасивне коло обмотки якоря.

Загальним недолгом вЦомих по публ1кац1ям математичних моделей Л1н1йних електромехан1чних перетворювач^в eHeprii е припущення про незм1нн1сть вЦносно часу струма збудження. Саме тому при створеню закличного вар!анту математичноГ модел1 ЛДПС головним критер1ем був комплексний розгляд електромагнпних npoueciB та процесу руху, в тому числ! анал!з струму в обмотц! збудження.

Кр1м того, оск!льки кокна секц!я обмотки якоря ЛДПС складаеться з деяко! к!лькост1 котушок, aKi монуть бути скокутоваш по-р1зному та укладен1 з р1зним передом вздовж статора, з'явиласъ вимога в!добразити в модел1 структуру обмотки якоря б1льш детально, His в поданих ран!ше вар!антах моделей.

Схема розрахунково! модел1 лШйного двигуна пост!йного струму подана на рис.1,

1трихов1 лiнi1 вказують на моялив1сть зм!ншвати при необхшосп (зб1льиувати або зменшувати) к!льккть котушок у фаз! обмотки якоря та, в1дповЦно, число пасивних к1л первинного демпф1рування обмотки якоря.

Гндекси "V" при параметрах елеменпв схеми вказують на коло збудження, 1ндекси "д" - на працюючу секц1ю обмотки якоря, а шдекси "К" - на пасивн1 кола первинного демпф1рування.

Система р^внянь, як1 описувть ЛДПС, мае настдпний вигляд:

ax

-1Г-М _Ё±а M ^ ; ¿^Ц ; cLM VKL (2)

- Uv i 'vq—7a I Ivk"—г—LQ—-7Z v?

« eût dit « ctt dt

dLV . • dMvo ; • dMvK. -

m——tqW—¡—3-UcLv—---гтр

dt ■ • <J dix dx 1

dit

При розгляд! надпров1дно\' обмотки збудження скористаемось р1внянням, яке одержано шляхом диференцввання 1ншого р!вняння, вЦображучого принцип • незм1нносп потокозчеплення, за величиною магнитного потоку: ' '

В результат! проведених розрахунк!в були дослЦкен! залежносп миттевих значень струму збудження. струму в обмотц1 якоря, сили тяги та швидкосп руху 1ндуктора вЦ часу (рис.2) при температурах обмотки збудження 300 К, 77 К, 4,2 К,,а також вплив к!лькост1 фаз обмотки якоря ЛДПС на величину сили тяги. Рисунки З.та 4 Шструютъ робоч1 характеристики машини в усталеному режим!.

К1льк1сть фаз обмотки якоря ЛДПС не впливае на середне значения розвиваемого машиною тягового зуснлля. Але з урахуванням вимог до величини пульсац1й сили тяги, к1льк1сть фаз обмотки якоря мае бути не менш, н1я вШм. Проведена огпнка коеф1ц1ента корисноТ дп' при максимально сил1 тяги. Доведено, що його максимальне значения сягае 50 б1дсотк1б.

Бстановлено, що урахування зм1нно"1 складово'1 струму збудження суттево не впливае на так1 1нтегральн! характеристики, -як швидк1сть або сила тяги ЛДПС. Але розрахунки висв1тили, що ампл1туда -та швидк1сть зм!нення струму збудження неприпустимо велик! для надпро-

01и

6Х

(3)

вЦного 1нднктора„ та його використання в меяах кнуючого конструктивного вплення лабораторно! установки (рис.5) уявляеться проб-лематичним. Н1 зм!нення к!лькосп фаз обмотки якоря ЛДПС, н1 зб1льиення воздушного зазору не призводе до зменшення вказаних пара-метр1в нияче припустимих р!вней.

Для вир1шення ц1е Г проблеми пропонуеться кв'адрупольна надпров!дна система збудження ЛДПС (рис.6), у як1й дв1, намотан! на-зустр1ч та з'еднан1 посл!довно, надпров!дн1 котушки замикаються одна на одну. В цьому випадку якщо перекомутувати одну з стор!н обмотки якоря таким чином, щоб у процес1 роботи ЛДПС зм^нне магн1тне поле якорно! обмотки було р!зного знаку на коян!й сторон! 1ндуктора, то зм1ши складов1 ЕРС в контур1 магнино! системи 1ндуктора, збуджен! л!вою та правой сторонами обмотки якоря, будуть взаемно компенсува-тися 1 небажаних коливань надпров1дного струму не вЦбуватиметься. Тепловий м!дний екран в1д1граватиме роль пасивного електромагютного екрана для захисту в!д змшно!' складовоТ магн1тного поля якоря, зу-мовленои несиметр1ев л1во! та право!' стор1н обмотки якоря ЛДПС.

Недолгом використання квадрупольно!' надпрсв1дно!' системи е зменшення середнього значения тягового зусилля приблизно на 30 'в1дсотк1в пор1вняно з дослЦжуемою.

Третя глава присвячена експериментальн1й перев!рц1 результат1в математичного моделювання струм1в в обмотках якоря та ¿ндуктора, а такоз експериментальному досл^дяеннв лабораторной модел! ЛДПС.

Конструкция експериментально!' установки являе собою нерухоыий як^р та лШйно рухаючийся в!дносно нього !ндуктор, у якому мктиться однополюсна нормальнопров1дна обмотка збудження. Особлив 1стю лабораторно!" установки е 1мпульсний режим роботи з циклом, який М1стить розгон ¡ндуктора прискоряючою секц!еи, в!льний1 рух 1ндуктора тд влливом сили 1нер-ц1"1 та гасшня швидкост1 1ндуктора в гальмуючий секц11 за допомогсю демпфера.

Прискоряюча секция експериментально!' установки - це двостороннШ ЛДПС, у якому рухавчеся магнпне поле утворюеться шляхом почергового п!дключення до джерела живлення котушок обмотки якоря (рис.5).

3 метою розширення зони дослЦжень застосовувалось охолоднення обмотки збудження р1дким азотом. Це дозволило, по-перме, у коротко-часному реким1 роботи досягнути густини струму в обмотц! збудження близько 300 А/кв.мм. Цв величину можна пор1вняти з реальним значен-

нам густини струму в надпровЦних обмотках збудкення, та, по-друге, зб1львити швидкасть !ндуктора на виход1 з прискоряючо! секцП до 22 м/с, тобто б1льше, Н1ж у два раза.

3 ход1 проведения експеримент!в апробован спос1б непрямого виз-начення ефективносп пасивного захисту обмотки збудження за допомо-гою м!дного теплового екрана в1д зм1нно"1 складово! магн1тного поля якоря ЛДПС. Встановлено ступ1нь ефективност1 пасивного захисту в за-лежносп в1д товщини екрана, к!лькост1 екрануючих иар!в та темпера-тури екрана. При глибокому охолодшенн1 екрана ефективн1сть пасивного захисту зростае у чотири-п'ять раз1В (рис.7).

Анал1з осцилограм струм1в в обмотках якоря та збудкення проде-монстрував, що розроблена математична модель адекватно описуе взае-мод1ю м1ж магнпосполученими колами та надае в1рог!дну картину пере-ходних електромагн1тних та механ1чних процес1в, як1 в1дбуваються у ЛДПС.

Дал1, за прискоряючою секц1ев розташована вим1рювальна секц1я, де 1ндуктор рухаеться пов1льно. Перевантаження (до 5д) виникавть в гальмуючий секцП довжиною 5м при гальмувашп индуктора до нульово* швидкост1.

Гальмування вЦбуваеться завдяки уловлювачу 1ндуктора, який рухаеться кхлькома цилшдричними напрямними. На кожну напрямну через визначен1 В1дстан1 насадвен1 К1льця з твердо! гуми, як!, збираичись разом, створятть потр1бну силу тертя, отже, й потр1бне перевантаження.

Таким чином, створена динам1чна лабораторна установка лШйного типу дозволяв випробовувати транспорты надпровЦн! магн1тн! системи на обмежен1й в1дстан! при реальних перевантаженнях.

В четверт!й глав! розглядаються елементи конструкцП та системи надпров!дного !ндуктора ЛДПС, виконан! розрахунки механ1чних напру-жень у систем! компенсаци електродинам1чних зусиль надпров!дного 1ндуктора, а таков технолог1я виготовлення парногалетних котуиок надпровЦного !ндуктора без внутр1шнього спая.

Для виготовлення надпров!дного !ндуктора ЛДПС використовувались Н1о61й-олов'ян1 провода, тому, що !'х критичн1 параметри вище у пор!вняшп з параметрами провод1в з н!об1й-титану. Пров1д з ♦ н!об1й-титина проявляе своТ надпров!дн! властивосп пльки у середо-вищи рздкого гел!я, а надпров!дн! властивост! н!об!й-олов'яного про-

вода збер1гаються також у газопод1бн1й фаз! р1дкого гел!я.

Надпров1дн1 котуики з н1об1й-олова виготовлялись з використанням методу "намотка-випалювання". Справа у тому, що наявюсть критичних рад1ус!в згину вимагае зд1йсниват! обробку н1об!й-олов'яного провода та надання потр1бно1 форми обмотц! до випалювання, бо п1сля випалю-вання Н1об1й-олово обробц! не пшаеться.

Також очевидна негативна роль спа'1'в р1зних частин обмотки, бо спай е дяерелом вид!лення теплово"! енергП, а будь яке локальне по-рушення надпровЦносп мояе призвести до неконтрольованого переходу обмотки в нормальний стан.

Головной ланкою в процес! виготовлення галетних котушок був спещальний розб!рний каркас, завдяки якому забезпечувалась не-обх1дна посл1довн1сть технолог1чних операц!й.

Попередньо надпров1дний провЦ намотувався на дв1 боб1ни в р1вних киькостях. Дал! пров1д з перио!' боб1ни змотувався на каркас в одному напрямку. При цьому друга боб!на оберталась разом з каркасом. Дал! напрямок обертання каркасу зм1нивався на протилеяний I зд!йснввалась намотка друг о 1' верстви галети. Таким чином, у серед-нин! розб1рного каркасу укладалися дв! плескан паралельн! одна одн1й галети, намотан! з одного в1др1зку провода. Друга галета виго-товлялась у аналог1чний спос!б. В ц!лому обмотка М1стить в соб! чо-тири галети лише з одним спаем ! мае 184 витка. Форма ц1е1 обмотки -прямокутник з розм!рами по середньому витку 0,77 х 0,3 м.

Таким чином, подана обмотка намотувалась нетермообробленим проводом, Дал! котуики, закр!плен1 у розб!рному каркас!, вип!калися, Пот!м парн! галети приклеивались до бандажируичих пластин з нержав-!нчо1 стал!.

Конструкц!я надпров!дного 1ндуктора, яка мктить також систему компенсац!!' електродинам!чних зусиль, систему передач! робочих зус!ль'та систему охолодження, подана на рисунку 8.

Напруяення та деформацП' у надпров!дн1й обмотц!, бандажуичих листах 1 в силов!й рам! гел!евого резервуара були обчислен! методом ск!нчених елемент!в, приведении до вир!иення наступного вирааення:

К и г К (4)

де К- глобальна матриця жорсткост!, и - перем!щення вузл!в еле-менпв, Р. - генерируем! сили.

Глобальна матриця жорсткост! сформована шляхом п1дсумовування

матриць ворсткост! однакових плескатих чотирьохкутних елеменпв р1зноУ товщини у в1дпов!дност1 до д!йсно1 товщини обмотки у м1сц1 розташування елемента. Просторова ан]зотроп1Я була була описана з урахуванням в1дм1нностей у значениях модулей ворсткост1 та коефщи-ент1в поперечно!' деформацп вздовв осей просторово!' системи координат.

Зони лШйних перем!щень для конного елемента визначалися за до-помогои 1нгерполяц1йних функц!й Лагранка другого порядку.

Були використан! дв! граничних умови. Кгнематична умова обмеяу-вала ступен1 свободи двох екстремальних точок на горизонтально ос1 симетрП. Граничн! умови для сили були визначен1 у формг наванта-яень, яка прикладен! до вузл!в елемент!в.

Програма розв'язання вираяення базуеться на метод1 виклю-чення Гаусса. Використовуючи розкладання матриц! К, вираяення (4) моина привести до двох р1внянь:

V = I- Ц ■ (б)

де р11ення V отримано перетвореннями вектора навантаяення, а переменна и дал1 рсзраховано зворотнъою подстановкою. Максимальн1 чисельн! значения екв1валентних напруяень дор!внюють 245 МПа, що десь у п'ять раз1в нижче гранично припустимих.

Випробування надпров!дно! обмотки складалися з юлькох цикл1в, як! м1стили в соб! введения струму в обмотку до задано!" величини, переведения обмотки в режим "замороаеного потоку" та виведення струму з обмотки.

Випробувальт цикли запровадяувались на струмах 120 А, 200 А, 300 А, 500 А та 800 А.

Водного випадку переходу обмотки у нормальний стан не було заф1ксовано.

У зв'язку з в1дсутн1стю основних бандаяних елеменпв - зовн!шн1х лист!в та силово!' рами гел1евого резервуара кр!остата !ндуктора -визначення критичного струму не виконувалось.

На виводах обмотки встановлено надпровЦний клич, виготовлений такок з тоб!й-олов'яного проводу. Иого витки укладен! зигзаго-под1бно та заповнювть площину довгого пямокутника, до якого з обох стор1н приклеени склотекстол1тов! пластини з поперечно намотаними електронагр!вачами.

Теплова !золяц1я ключа виконана з обох бок!в тонкими прямокутни-ми п1нопластовими пластинами, як1 приклеен1 до утворених торцами провода площин.

Переведения ключа у нормальний стан досягалося при введенн1 в нагр1вач струму 700 - мА. Стала величина затухания струму в надпровЦному магий у реяим1 "замороженого потоку" сягнула б1льие 70 годин. HcnifflHi випробування надпров1дно!' обмотки галетного типу в реяим1 "замороженого потоку" при багатократних циклах навантаженкя повн1стю п!дтвердили працездатн1сть обмотки та ключа. OchobhI пара-метри надпровЦного 1ндуктора зведен1 у таблицы.

Н додатку приведено протокол випробувань н!об1й-олов'яно1 надпров1дно'1 котушки для розгонного пристрою.

Таблица

Парамедри надпров!дного 1ндуктора ЛДПС

Параметр Величина

Розм1ри (м) 1,3 х 0,75 х 0,052

Вага (кг) i 14

Розьйри обмотки по середньому витку См) 0,77 х 0,3

Розм1ри в1кна обмотки (м) 0,023 х 0,08

Вага обмотки з бандажними листами (кг) 25

К1льк1сть витк!в обмотки 184

1ндиктивн1сть (Гн) 0,042

Максимальна 1ндукц1я магн!тного поля (Т) 1,34

Робочий струм (кА) 1,2

Густина струму (А/кв.мм) 265

Запасена енерг1я СкДж) 40

0CH0BHI БИСНОБКМ ТА РЕЗУЛЬТАТИ Р0Б0ТЙ

1. Розроблено ряд математичних моделей, завдяки яким досл1джено вплив на перех1дн! електромагн!тн1 та механ1чн1 процеси в ЛДПС р!зноман1тних фактор1в, у тому числ! - к1лькосп фаз обмотки якоря, контурíb первинного демпф1рування, 3míhho'í складово! струму збуджен-ня, величини зазору mí» ^дуктором та обмоткою якоря.

2, Розроблено комплекс заход!в щодо вир!шення проблем, спе-

циф1чних для роботи надпров1дних магнипв у зм^нних магштних полях, а саме - зб!льшення к1лькост! фаз обмотки якоря, зб1льшування зазору Mis обмотками якоря та збудження при зростанн1 магн1торуш1йно1 сили обмотки збудяення та збер!ганн1 незмшним тягового зусилля, викорис-тання квадрупольно'1 надпров1дно1" магнпно!' системи як обмотки збудження при в!дпов1дн1й перекомутацП котушок одно! з стор1н обмотки якоря,

3. Розроблено новий концептуальний проект транспортного надпровгдного магн1та, у якому вперие подано конструкц1ш "та технолог^ виготовлення н!об1й-олов'яних парногалетних котушок та плеска-того надпров!дного ключа пряыокутно!' форми з н1об1й-олова.

4. Виготовлено та усшшно випробувано н!об1й-олов'яну надпров1дну обмотку индуктора ЛДПС з надпровЦним ключем, доведена H працездатн1сть. Новизна та практичне значения факта створення такого магнпа обумовлен1 в!дсутн!стю у св!тов1й практиц! досв1ду створення транспортних магнит1в з н1об1й-олов'яного провода.

5. Створено лШйну динам1чну лабораторну установку, призначену для досл1дяення електромагниних процес!в в обмотках якоря та збуд-ження ЛДПС, а також для випробувань надпров1дних магштних систем на обмежен!й в!дстан1 при реальних перевантаженнях.

6. Експериментально встановлено, що ефективн1сть пасивного за-хисту зростае ыайяе у п'ять раз1в при глибокому охолодяенн! екрана. Глибоке охолодження екрана мохе бути рекомендовано як зас1б п1дви-щення над1йност1 та ст1йкост1 роботи транспортних надпровЦних магн!тнйх систем.

СПИСОК Р0Б1Т ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦП

1. Omelyanenko U.I., Kliœenko E.Yu., Pokhodenko R.N. et al. Superconducting magnets for transport// IEEE Trans, on Magnetics.-1992, v.28, N 1, P.470-473.

2. Омельяненко В.И., Походенко P.H. Анализ пассивного экранирования переменной составляющей магнитного поля в активной зоне линейного электромеханического преобразователя энергии// „ Вестник Харьковского политехнического института. Электроэнергетика и автоматизация энергоустановок.- 1993, вып. 18, N 14, С.123-129.

3. Oielyanenko U.I., Kliue'nko E.Yu., Pokhodenko R.N. et al. Laboratory installation for testing full-scale aagnetic lévitation

nodules// The First 3apan-CIS 3oint Seminar on Electromagnetomechanics in Structures. Tokyo, Japan. January 22-23. - 1992, P.122-125.

4. Omelyanenko U.I., Klimenko E.Yu., Pokhodenko R.N. et al. Niobium-tin superconducting inductor for levitated vehicles// Cryogenics, ICEC Supplement.- 1992, v.32, P.328-331.

5. Oielyanenko U.I., Klimenko E.Yu,, Pokhodenko R.H, et al. Niobium-tin superconducting inductor for levitation transport// Fourteenth International Cryogenic Engineering Conference, 3une 8-12, Kiev-92,- 1992, P.113.

Annotation

Pokhodenko R.N., Master of Science. Investigation of direct current liniar motor and superconducting excitation coil as an inductor.

The thesis (manuscript) for a Philosophy Doctor's degree (Candidate Of Science) in the electrical machines (spesiality - 05.09.01); Kharkov State Politecnical University, Kharkov, 1995.

Obtaining of hihg efficiency of the vehicle propulsion and levitation systems is closely related with the improvement of the characteristics of the superconducting magnet. One of the ways of solving this problem is to use niobiua-tin wire together with the novel, designed by the technique of securing the winding turns by glueing them to the structural sheets. In order to investigate the influence ofof mechanical loads and alternating electromagnetic fields on such a winding have been created the laboratory installation which would enable to accelerate the coil being tested to the velocity of 30 m/s.

The installation consists of a stator whose length exceeds 14m and a movable inductor. The stator is split along the installation lenght into three fragments. The first fragment intended for accelerating the inductor to the required velocity is a double-sided direct current liniar motor (DCLM). At the second fragment the inductor uoves with a constant speed. At the last fragment the catcher with inductor travailing along guideways is decelerated due to friction of bushings against the rest pipes.

oUv

Рис.1. Схема розрахунково!' модели ЛДПС.

Час. мо

Рис.2. Пусков! характеристики ЛДПС.

Рис.3. Робоч! характеристики ЛДПС при незьинних сил1 тяги та струм! в обыотцГякоря.

80

>40

20

• о

»

характеристики, в1дн. од. Рис.4. 1видк1сна та мехаШчна. характеристики ЛДПС при незм!нн1й напруз1 нивлення обмотки якоря.

тн

iz

>

0 «

1

fL=¿

¿U

IT:

t zr

o> "in

■с—

a.

I >

я

и

rv^J

^ «y

IF

ÜljÍi

та »

a>

C_5

I X

Jv

НПН

Lv Lv

НП1

-1

W — L

Рис.6. ЛДПС з квадрупольною системою збудження. НШ - надпровЦний 1ндуктор,

JliBift якорн1й котушц!

стрдм эбаднення

прав!й якорн!й котцшц!

Рис.7. Ефективн1сть пасивного захисту змеиного

нагнпного поля.

1-привод рухоноУ частини опори; 2,5-розтяжки; 3-внутр1шн1й бандажний лист;--4-роз'емна опора; 6-резервуар р1дкого гел!я; 7-надпров1ДИИй ключ, 8-надпров1дна котувка; 9-м1дний лист; 10-зовн1шн1й вакумний кожух; Н-зовн1шн1й бандажний лист; 12-тепловий екран; 13-напраляючий ролик

In order to use the superconducting coil as a DCLM inductor had bee designed a flat cryostat only 52mm thick. Rather small apparatu thickness favours high effective operation of the DCLM. The cryosta design, methods and results of calculations of the lechanica stresses in the superconducting winding caused by the ponderomotiv forces, as well as the results of preliminary tests are given.

Аннотация

Походенко P.H. Исследование линейного двигателя постоянного тока с сверхпроводящей обмоткой возбуждения,

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических нау; по специальности 05.09.01 - електрические машины; Харьковский государственный политехнический университет, Харьков, 1995.

Защищается рукопись и пять научных работ, которые содержат теоретические исследования линейного двигателя постоянного тока ci сверхпроводящей обмоткой возбуждения, а также результаты экспериментальных исследований линейного двигателя постоянного тока i сверхпроводящего ниобий-оловянного индуктора. Разработана математическая модель для исследования электромагнитных и механических переходных процессов в линейном двигателе постоянного тока в виде лабораторной установки длиной 14 метров, а также изготовлена и успешш испытана сверхпроводящая ниобий-оловянная катушка, состоящая из дву> парных галет. Даны рекомендации, позволяющие улучшить характеристик! исследуемого устройства.

Ключов1 слова:

л1шйний двигун пост!йного струму, надпров!дний 1ндуктор, математич-

1Ндп. до друку "JL" лютого 1996р. Формат 60 х 84/16. Ilanip друк. Им. друк. арк. 1.0. Тираж 100. Зам. №13/10

Редакц1йно - видавничий в1дд1л

Харк1вського державного пол1техн1чного ун1верситету

310002, м.Харк1в, МСП, вул. Фрунзе, 21.

на модель