Теоретические исследования электромагнитной совместимости тягового сверхпроводникового оборудования с электрооборудованием традиционного исполнения

Проблема совершенствования транспортных энергетических установок (ТЭУ) признается весьма важной на протяжении нескольких последних десятилетий во всем мире. Повышению энергетической эффективности ТЭУ и снижению затрат энергии на движение транспортных средств уделяется значительное внимание как важнейшей комплексной проблеме [1, 2]. Пути решения этой проблемы чрезвычайно разнообразны и включают в себя как совершенствование существующих конструкций и элементов ТЭУ, так и создание принципиально новыхпричем оба этих направления следует признать одинаково важными. Во втором направлении развития ТЭУ значительная роль отводится использованию различного сверхпроводникового оборудования (СПО), о чем свидетельствуют перспективные программы, принятые в различных странах мира.

Достижения в области прикладной сверхпроводимости дали мощный импульс расширению научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по использованию СПО в различных отраслях промышленности, энергетике и на транспорте. Принципиальные преимущества, которые дает СПО, очевидны: появляется возможность получения сильных и сверхсильных магнитных полей практически без потерь мощности на их возбуждение, в результате этого становится возможным улучшение энергетических и массога-баритных показателей существующих электротехнических устройств и создание принципиально новых.

Замена традиционных электрических машин (ТЭМ) на сверхпроводниковые машины (СПЭМ) дает принципиальную возможность повысить к.п.д., а также сократить массу и габариты электрических машин. Исследовательские и конструкторские работы в этой области ведутся как в направлении совершенствования элементов конструкции и методов расчета самих СПЭМ, так и в направлении исследования вопроса об использовании СПЭМ в электроприводе промышленных установок и в составе электрических передач транспортных объектов. Существенного повышения энергетической эффективности электрических передач можно добиться путем применения сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии (СПИН) для рационального использования энергии движущегося объекта. Особенно это перспективно применительно к автономным транспортным объектам с тяговым электроприводом, где до настоящего времени кинетическая энергия движущегося объекта гасилась в тормозных колодках или в лучшем случае в тормозном реостате. СПИН дают принципиальную возможность запасать эту энергию, хранить ее необходимое время, а затем использовать при совместной работе СПИН и тягового двигателя для движения транспортного объекта.

Широкие возможности для повышения скоростей движения, снижения шума и уменьшения отчуждаемых земель обещает дать высокоскоростной наземный транспорт с магнитным подвесом и линейным приводом. Электродинамическая система подвеса, основанная на эффекте отталкивания экипажа от путевого полотна при взаимодействии магнитных полей бортовых электромагнитов и индуцированных ими в полотне при движении вихревых токов может быть экономически оправдана лишь при создании бортовых электромагнитов из сверхпроводящего материала.

Увеличения скоростей движения и снижения шума объектов морского транспорта можно добиться путем создания системы электродвижения корабля на основе МГД-движителей, магниты которых по условиям получения высокого значения к.п.д. также должны быть выполнены сверхпроводящими.

Существенного снижения затрат на создание и эксплуатацию подобных перспективных систем следует ожидать от результатов развития технологии изготовления высокотемпературных сверхпроводников. Применение ВТСП, охлаждаемых жидким азотом, по сравнению с низкотемпературными сверхпроводниками, охлаждаемыми жидким гелием, позволяет получить следующие преимущества: упрощение конструкции криостата, снижение капитальных и эксплуатационных расходов на криогенное оборудование, снижение стоимости хладагента, увеличение длительности эксплуатации криостата поеле залива хладагента, снижение массогабаритных показателей криогенного оборудования, увеличение к.п.д. с учетом затрат энергии на криообеспече-ние, повышение безопасности работы при случайном повреждении вакуумной полости корпуса криостата. Длительное время применение ВТСП в практическом электромашиностроении сдерживалось низкими критическими параметрами проводников и малой механической прочностью, что связано с керамической структурой ВТСП. Однако ряд публикаций свидетельствует о достаточно быстрых темпах развития в данной области [3−6]. Следует отметить особо факт создания экспериментальных образцов сверхпроводниковых электрических машин на основе ВТСП больших мощностей. В Европе разработан электродвигатель со СПОВ из ВТСП мощностью 420 кВт (указывается область его применения — суда и нефтяные платформы) [7], а в Японии создан ВТСП-униполярный генератор на мощность 3000 кВт [8].

Таким образом, применение сверхпроводимости в различных отраслях промышленности и на транспорте является важной перспективной проблемой. Понятно, что данная проблема связана с необходимостью решать множество параллельных научно-технических и конструкторских проблем. Одной из них является проблема анализа электромагнитного взаимодействия внешних полей СПО с прочими видами оборудования. Особенно остро данная проблема встает применительно к перспективным транспортным средствам, габариты которых в той или иной степени ограничены, и где затруднительно использование самого простого способа защиты от внешних магнитных полей (ВМП) — защиты расстоянием. Анализ литературы показал, что указанная проблема до сих пор остается практически неисследованной, поскольку какие-либо публикации по ней практически отсутствуют, имеются лишь отдельные сведения о влиянии электромагнитных воздействий на полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы [9]. Следовательно, задачи анализа особенностей электромагнитного взаимодействия СПО и прочего оборудования и обеспечения их совместного нормального функционирования в ограниченных габаритах перспективного транспортного средства следует признать актуальной.

Целью работы является анализ закономерностей электромагнитного взаимодействия сверхпроводникового и традиционного электрооборудования в ограниченном пространстве для определения условий их совместного использования на перспективных транспортных средствах.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи.

1. Построить двумерную теорию электромагнитного взаимодействия СПО и ТЭО, позволяющую в общем виде анализировать влияние ВМП СПО на дифференциальные и интегральные параметры ТЭО, а также определять направление численного моделирования.

2. Разработать нелинейные численные модели, позволяющие анализировать взаимодействие источников ВМП и элементов ТЭО, подверженных их влиянию, для условий неограниченности области распространения магнитного поля и отсутствия симметрии распределения поля в пространстве.

3. Разработать метод синтеза активных экранов для индукторов СПО с цилиндрической геометрией, основанный на решении экстремальной задачи уменьшения ВМП на заданном контуре, охватывающем СПО.

4. Разработать методику оптимизации геометрии поперечного сечения катушек цилиндрических и тороидальных СПИН, обеспечивающую возможность выбора его относительных размеров, при которых минимизируется объем занимаемого пространства и обеспечивается наилучшее использование сверхпроводникового материала при заданной энергоемкости СПИН.

5. Создать методику расчета магнитного поля в области за произвольным числом плоских или цилиндрических ферромагнитных экранов.

6. Разработать алгоритмы и пакеты прикладных программ для определения влияния ВМП СПО на интегральные параметры ТЭО и расчета экранирующих устройств, обеспечивающих ЭМС СПО и ТЭО.

Основные результаты работы.

1. Построена линейная теория электромагнитного взаимодействия сверхпроводящей обмотки возбуждения (СПК), как основного элемента СПО, и электрической машины традиционного исполнения (ТЭМ). Теория позволяет в линейном приближении рассчитывать радиальную и осевую компоненты результирующего магнитного поля в воздушном зазоре ТЭМ постоянного и переменного токов, а также определять интегральные параметры ТЭМ и СПК (э.д.с. якоря, качество коммутации ТЭМ, пондеромоторные силы, испытываемые ТЭМ в поле СПК, добавочную индуктивность СПК, обусловленную размещенными вблизи нее насыщенными ферромагнитными массами).

Наибольшую достоверность результатов теория обеспечивает, когда значения магнитной проницаемости в различных точках ферромагнитопровода ТЭМ соответствуют линейному (или близкому к линейному) участку кривой намагничивания, т. е. когда фероромагнитопровод ТЭМ насыщен равномерно.

2. На основе линейной теории установлено, что существует некоторое критическое удаление (зона отчуждения) ТЭМ от СПК, при котором еще обеспечивается удовлетворительное функционирование ТЭМ. Величина этого удаления зависит от величины н.с. СПК и мощности (следовательно, размеров) ТЭМ.

Кроме этого установлено, что линейные размеры зоны отчуждения зависят также от угла поворота плоскости поперечного сечения магнитной системы ТЭМ относительно источника внешнего магнитного поля (ВМП). Этот факт определил направление дальнейшего моделирования — исследование зависимости размеров зоны отчуждения от пространственной ориентации магнитной системы элементов ТЭО во внешнем поле с учетом ограниченности размеров ТЭО и нелинейных свойств ферромагнитопровода.

3. Разработана трехмерная нелинейная численная модель электромагнитного взаимодействия СПК и ТЭМ, основанная на представлении поля намагниченности ферромагнитопровода полем эквивалентных вторичных источников — поверхностных и объемных фиктивных магнитных зарядов. Модель позволяет рассчитывать индукцию результирующего магнитного поля (поля первичных источников — токов в катушках — и поля намагниченности ферромагнитопроводов) в произвольной точке неограниченной расчетной области, что является весьма удобным при анализе взаимодействия нескольких источников ВМП и нескольких объектов, подверженных их влиянию. Модель дает возможность рассчитывать индукцию в воздушном зазоре ТЭМ и ее интегральные параметры при учете нелинейности свойств феромагнитопровода ТЭМ, ограниченности продольных размеров и произвольной ориентации ТЭМ в пространстве.

Для ускорения процесса итерационного поиска плотности распределения вторичных источников поля предложен принцип локальной переменной степени дискретизации области поиска неизвестных, позволяющий сократить время расчета и необходимый объем памяти ЭВМ при сохранении точности вычислений. Принцип применяется при построении вычислительных процедур для систем, характеризующихся большим объемом ферромагнитного материала и наличием воздушного зазора малой ширины.

4. Выполненный на основе разработанной трехмерной нелинейной модели анализ показал, что на величину зоны отчуждения в значительной степени оказывает влияние ориентация магнитной системы ТЭМ в пространстве. Применительно к взаимодействию СПК и МПТ показано, что наиболее выгодным вариантом размещения МПТ относительно СПК является их соосное расположение, причем МПТ обращена к СПК торцевой частью, противоположной коллектору. При этом в силу симметрии распределения внешнего поля наблюдается наименьшее искажение магнитного поля в воздушном зазоре МПТ и обеспечивается удовлетворительное качество коммутации на минимальном расстоянии от СПК.

5. Величина пондеромоторных сил взаимодействия СПК и ТЭМ зависит от отношения активной длины к диаметру ТЭМ (//?>). Соосное расположение ТЭМ и СПК при условии, что l/D> 1 создает значительные пондеромоторные силы в осевом направлении, что требует усиления элементов крепления ТЭМ, либо выполнения ТЭМ с меньшим отношением 1/D.

6. Установлено, что влияние насыщенных фероромагнитных масс ТЭМ на индуктивность СПК на любых расстояниях и при любом варианте ориентации ТЭМ в пространстве сказывается весьма слабо. Относительное увеличение индуктивности СПК во всех случаях не превышает 2%.

7. Разработана нелинейная двумерная численная модель электромагнитного взаимодействия ЭМА и СПК, основанная на представлении ферромагнитопровода ЭМА вторичными источниками поля. Модель позволяет рассчитывать вращающий момент (силу), действующий на поворотный (прямоходовой) якорь ЭМА при наложении внешнего поля и обесточенной или находящейся под питанием втягивающей катушке ЭМА.

На основе разработанной модели применительно к ЭМА с поворотным якорем показано, что ВМП СПК приводит к появлению вращающего момента, действующего на якорь ЭМАуказанный момент может быть как притягивающим, так и отталкивающим. В первом случае это может приводить к ложному срабатыванию ЭМА (притягиванию якоря при обесточенной втягивающей катушке и наложении внешнего поля) или невозврату ЭМА (удержанию якоря притянутым при снятии питания со втягивающей катушки ЭМА и наличии внешнего поля). Во втором случае — к несрабатыванию ЭМА (удержанию якоря непритянутым при подаче напряжения на втягивающую катушку ЭМА и наличии внешнего поля) или ложному возврату (отрыву якоря при втягивающей катушке, находящейся под питанием, и наложении внешнего поля).

8. Установлено, что чувствительность ЭМА к внешнему полю (протяженность зоны отчуждения) существенно зависит от ориентации магнитной системы ЭМА относительно вектора внешнего поля. Наиболееустойчив к внешнему полю ЭМА будет в том случае, если вектор н.с. СПК ориентирован перпендикулярно направлению перемещения якоря. Протяженность зоны отчуждения для конкретного ЭМА должна определяться исходя из режима невозврата: за границу зоны должна быть принята та точка пространства, где еще обеспечивается отпадание якоря ЭМА при снятии питания со втягивающей катушки и наличии внешнего поля.

9. Разработана методика оптимизации геометрии поперечного сечения катушек цилиндрических и тороидальных СПИН, позволяющая определять размеры поперечного сечения и плотность тока в катушке, при которых обеспечивается минимальный расход сверхпроводника или минимальные размеры СПИН при полном использовании сверхпроводящего материала заданного типа по электромагнитным параметрам.

На основе данной методики установлено, что для цилиндрического СПИН с точки зрения минимизации массы сверхпроводника наиболее выгодной является геометрия длинного тонкого соленоида. Установлено, что при определенных сочетаниях относительных размеров поперечного сечения катушки линейный СПИН будет занимать минимальный объем пространства. Для тороидальных СПИН установлены значения диаметра намотки, при которых обеспечивается минимальный расход сверхпроводника или минимальное значение наружного диаметра.

10. Разработан метод оптимизации поперечного сечения системы цилиндрических катушек (линейного СПИН), состоящей из одной главной и трех экранирующих ее снаружи и торцов. Оптимизация выполняется при условии размещения системы в заданных габаритах и сохранения неизменной индуктивности всей системыкритерием оптимальности служит минимум максимального значения индукции ВМП на заданном контуре, охватывающем систему.

Показано, что при не очень жестких габаритных ограничениях активное экранирование позволяет в несколько раз снизить индукцию ВМП, что дает возможность сократить зону отчуждения вокруг СПО и делает эффективным применение совместно с активными пассивных ферромагнитных экранов. В то же время, жесткие габаритные ограничения существенно снижают эффективность активного экранирования, и в этом случае СПИН целесообразно выполнять тороидальным.

11. Разработаны основные принципы численного расчета ферромагнитного экрана сложной формы, согласно которым экран представляется в виде набора дискретных элементов. Размеры и положение каждого элемента, определяются исходя из условия минимизации энергии магнитного поля в заданном объеме (экранируемой области), благодаря чему появляется возможность синтезировать экран сложной формы.

12. Разработана методика расчета коэффициента экранирования многослойных цилиндрических и плоских ферромагнитных магнитостатических) экранов в линейном приближении. Методика основана на рекуррентных соотношениях, позволяющих рассчитывать индукцию магнитного поля в области за экраном для произвольного числа слоев экрана. Установлено, что многослойные цилиндрические экраны обеспечивают более высокий коэффициент экранирования, чем однослойные равной с ними толщины при практически очень незначительном увеличении массы и габаритов. Кроме того, показано, что цилиндрические экраны являются более эффективными, чем плоские. Плоские многослойные и однослойные равной с ними толщины экраны обеспечивают практически одинаковый коэффициент экранирования.

13. Предложена конструктивная схема сверхпроводниковой униполярной электрической машины, в которой СПОВ размещается внутри полого якоря, а внутренняя часть подшипниковых щитов выполнена в виде полого цилиндра, на котором размещается СПОВ. Предложенная схема позволяет снизить уровень ВМП за счет уменьшения размеров СПОВ (заданное значение э.д.с. обеспечивается увеличением диаметра окружности токосъема), сократить массу СПОВ и повысить надежность работы машины по сравнению с ранее известными конструктивными схемами за счет сокращения числа подшипников с трех до двух и повышения жесткости вала, который в данном случае выполняется сплошным. Кроме того, схема позволяет присоединять исполнительный механизм к обоим концам вала машины. Предложенная конструктивная схема защищена свидетельством на полезную модель.

14. Удовлетворительные результаты верификации линейной двумерной теории и нелинейной трехмерной численной модели электромагнитного взаимодействия СПК и ТЭМ (относительная погрешность по интегральным параметрам изменяется в диапазоне 2. 16%) свидетельствуют об адекватности разработанной линейной теории и нелинейной модели.

15. Экспериментально подтвержден полученный теоретическим путем факт влияния ориентации магнитной системы ЭМА относительно вектора внешнего поля на чувствительность аппарата. Применительно к случаю отталкивающего момента, действующего на якорь ЭМА и обусловленного внешним полем, экспериментально установлен еще один фактор, влияющий на чувствительность ЭМА к внешнему полю — полярность напряжения втягивающей катушки. Менее чувствительным к внешнему полю ЭМА будет в том случае, если вектора н.с. втягивающей катушки и н.с. катушки внешнего поля совпадают.

16. Относительное отклонение экспериментальных и расчетных данных для нормальной (к поверхности сердечника ЭМА) компоненты индукции в воздушном зазоре при различных углах поворота магнитной системы ЭМА во внешнем поле и для момента, действующего на якорь ЭМА, при различных значениях индукции внешнего поля находятся в диапазоне 1.15%, что свидетельствует о достоверности разработанной нелинейной численной модели электромагнитного взаимодействия СПК и ЭМА.

17. Экспериментально подтвержден теоретический вывод о практической равнозначности однослойных и многослойных плоских ферромагнитных экранов равной суммарной толщины. Сопоставление экспериментальных и теоретических данных по индукции магнитного поля в области за плоским ферромагнитным экраном, в том числе двухслойным, (относительная погрешность изменяется в диапазоне 2,5.9%) свидетельствует об адекватности методики расчета коэффициентов экранирования многослойных ферромагнитных экранов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Настоящая работа посвящена исследованию закономерностей электромагнитного взаимодействия силового сверхпроводникового оборудования (СПО) и вспомогательного электрооборудования традиционного исполнения (ТЭО), размещенных в ограниченных габаритах перспективного транспортного средства. Исследование электромагнитного взаимодействия выполнено с целью установления условий совместного использования СПО и ТЭО без нарушения их технических характеристик. Полученные результаты могут быть использованы при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по использованию СПО на перспективных транспортных средствах (транспорт с магнитным подвесом, морские суда, локомотивы, электромобили).