научная статья по теме КОМПЬЮТЕРНЫЕ И НАТУРНЫЕ МОДЕЛИ МАГНИТОВ С ОДНОСЛОЙНОЙ КВАЗИБЕССИЛОВОЙ ОБМОТКОЙ И ОЦЕНКИ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТАКИХ МАГНИТОВ В ИНДУКТИВНЫХ НАКОПИТЕЛЯХ ЭНЕРГИИ Энергетика

Текст научной статьи на тему «КОМПЬЮТЕРНЫЕ И НАТУРНЫЕ МОДЕЛИ МАГНИТОВ С ОДНОСЛОЙНОЙ КВАЗИБЕССИЛОВОЙ ОБМОТКОЙ И ОЦЕНКИ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТАКИХ МАГНИТОВ В ИНДУКТИВНЫХ НАКОПИТЕЛЯХ ЭНЕРГИИ»

№ 4

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА

2013

УДК 621.318.3

© 2013 г. ШНЕЕРСОН Г.А.1, КОЛТУНОВ О.С.1, НЕНАШЕВ А.П.1, ПАРФЕНТЬЕВ А.А.1, ВЕЧЕРОВ И.А.2, ДЕГТЕВ Д.А.3, КРИВОШЕЕВ С.И.1, БЕРЕЗКИН А.Н.1

КОМПЬЮТЕРНЫЕ И НАТУРНЫЕ МОДЕЛИ МАГНИТОВ С ОДНОСЛОЙНОЙ КВАЗИБЕССИЛОВОЙ ОБМОТКОЙ И ОЦЕНКИ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТАКИХ МАГНИТОВ В ИНДУКТИВНЫХ НАКОПИТЕЛЯХ ЭНЕРГИИ

Приводятся результаты численного моделирования и экспериментов, подтверждающих возможность резкого снижения механических напряжений в уравновешенной обмотке магнита по сравнению с обмоткой обычного исполнения. Отмечено повышение удельной энергоемкости индуктивного накопителя при использовании в нем такой обмотки. Показаны возможности коррекции при нарушении равновесия обмотки реального магнита из-за отклонения его конфигурации от расчетной.

Введение. Проблема создания неразрушаемых магнитов для получения сверхсильных полей решается в ряде лабораторий. Примерами могут быть работы [1, 2]. В них поле с индукцией, близкой к 100 Т, создается в магнитах с многослойной многовитко-вой обмоткой. В этих магнитах слои обмотки удерживаются равнонагруженными промежуточными диэлектрическими бандажами, выполненными из сверхпрочных материалов с пределом текучести масштаба 2—3 ГПа. Эти магниты представляют собой весьма энергоемкие установки. Например, для питания магнита Дрезденской лаборатории используется конденсаторная батарея с энергией 43 МДж. Геометрические размеры и энергетические потребности магнитов с полем мегагауссного диапазона могут быть существенно снижены, если использовать обмотки, в которых электромагнитные силы частично уравновешены. Простейшим примером такой "квазибессиловой" обмотки является соленоид неограниченной длины с обмоткой, уложенной под углом 45° по отношению к оси. Этот вопрос впервые рассмотрен А.А. Кузнецовым [3]. В такой обмотке для максимальных механических напряжений справедлива оценка

а « Во/(4Цс ), где В0 — индукция поля на оси. Напряжение не зависит от толщины обмотки. Для сравнения можно отметить, что в тонкостенном магните максимальное

напряжение в обмотке близко к значению о^ = Во/(2ц0)(Rh), где R — радиус обмотки, h — ее толщина (h R). Сравнение приведенных выражений демонстрирует преимущества магнитов с уравновешенной обмоткой. Более заметно это преимущество в случае магнита, в котором используется несколько токоведущих слоев. В этом случае

с « Вд/(2ц0)(1/N2), где N — число слоев [4, 5]. Но даже однослойный магнит представляет практический интерес для получения сильных полей и в связи с его возможным применением как индуктивного накопителя энергии, поэтому имеет значение оценка его удельной энергоемкости — отношения запасаемой энергии к массе.

1СПбГПУ.

2

ОАО Силовые машины". Завод Электросила". СПб.

3 ООО "Элес". г. Кировск. Ленинградская обл.

Ri

Рис. 1. Расчетный профиль уравновешенной обмотки тонкостенного магнита с цилиндрическим экраном

г

R2 Rs R3 r

Ток в обмотке квазибессилового магнита направлен под углом к оси системы и создает поле, в котором индукция имеет азимутальную и полоидальную компоненты. Конфигурация обмотки выбирается так, чтобы обеспечить условие равенства магнитных давлений по обе стороны обмотки. Эта задача ранее решалась для аксиально симметричной обмотки нулевой толщины [5, 6]. В данной работе приводятся результаты компьютерного моделирования реального магнита и экспериментального исследования деформаций, рассматривается также вопрос возможной коррекции магнитной системы. Эти исследования являются необходимым этапом, предшествующим проведению испытаний образцов квазибессиловых магнитов в сильном магнитном поле для определения пределов их прочности.

1. Исходная конфигурация магнита в коаксиальном экране и оценка его удельной энергоемкости

Квазибессиловая обмотка в экране описана в работе [6]. Форма обмотки подбирается путем итераций таким образом, чтобы модуль индукции полоидального поля в точке М был равен модулю азимутального поля в точке N, (рис. 1). Равенство магнитных давлений PM = B2 /(2ц0 ) в этих точках обеспечивает минимум механических напряжений. Важным условием равновесия сил, кроме упомянутого, является отсутствие компоненты полоидального поля, нормальной к токовому слою. Соблюдение этого условия необходимо для того, чтобы не возникали азимутальные электромагнитные силы.

В работах [5, 6] приведены основные соотношения, характеризующие магнит с внешним экраном, и показано, что в случае магнита с квазибессиловой обмоткой нулевой толщины (рис. 1) оптимальной является конфигурация, у которой выполнены следующие соотношения характерных размеров: R2/R « 2,11, RS/Ri ~ 2,57. В такой системе может быть сформирована равновесная конфигурация торцевой части. Важным элементом магнитной системы является внешний экран. На него воздействует давление полоидального поля, индукция которого в отношении R1/R2 меньше, чем индукция на оси магнита. При этом магнитное давление на поверхность идеально проводящего экрана принимает

значение 0,23 B^j(2ц0 ), B0 — индукция на оси магнита вдали от его торцов.

Квазибессиловая обмотка характерна тем, что при строгом соблюдении условий равновесия ее прочность не зависит от толщины витков. Это позволяет ожидать, что в индуктивном накопителе с такой обмоткой может быть повышена удельная энергоемкость — отношение энергии магнитного поля WM к массе M. Оценки этого параметра

для простейшего накопителя традиционного исполнения с обмоткой в виде длинного тонкостенного соленоида дают значение [7]:

^о = / М = к с/ у.

(1)

Здесь ст — прочностной параметр обмотки; у — плотность массы; безразмерный параметр к = 0,5. В качестве прочностного параметра ст можно при оценках принимать допустимое азимутальное напряжение материала. Для безмоментной тороидальной катушки параметр к, рассчитанный в [7], составляет 0,61. Оценки параметра к для накопителя с квазибессиловой обмоткой в первом приближении могут быть основаны на допущении, что масса обмотки мала по сравнению с массой экрана, воспринимающего давление полоидального поля на периферии магнитной системы. Ограничимся далее случаем, когда длина магнита много больше диаметра экрана. При этих допущениях энергия магнитного поля на единицу длины есть

^м =

п2 п2 С

пЛ1 В0

2цо

1 + 21п Л +

А

2

Масса экрана в расчете на единицу длины составляет

т' = 2пЛ$ку =

Во2 2пЯ! 2Цо о

2

Л2 )

(2)

(3)

При расчетах использованы соотношения, характерные для магнитной системы в цилиндрическом экране [5, 6]:

= Л^1 + Л']/ Щ;

В (Л8) = В0Л1/Л2.

В тонкостенном экране азимутальное напряжение определяется по формуле:

В2 (Л

(4)

(5)

а = ■

2^о

к '

Для коэффициента к находим

к =

у

т' а

1 + 21п Л + 1 ^

Л I Л

Л22/Л1.

(6)

(7)

Конфигурация с равновесными торцами характеризуется приведенными выше отношениями Л2/Л1 и Л5/Л1. Подстановка этих значений в (1) дает к = 1.006. Учитывая возможные неточности при построении фигур равновесия, определяющих отношения радиусов, можно считать это значение равным единице.

Приведенные оценки показывают, что рассмотренная магнитная система может быть перспективна для создания индуктивных накопителей с существенно более высокой удельной энергией, чем у ранее рассмотренных конструкций.

2. 2#-моделирование и возможности коррекции равновесной магнитной системы

На рис. 2 показаны обмотки экспериментального образца магнита. Магнит отлит из бронзы с использованием специальной технологии, в которой используется выжигаемая пластмассовая литейная модель, созданная с высокой точностью методом быстрого прототипирования. Внутренний диаметр магнита — 45 мм, толщина проводников обмотки — 3 мм. Средние радиусы внешней и внутренней частей обмотки выбраны такими же, как в модели магнита с нулевой толщиной обмоток. Для данной модели угол наклона проводников к оси, при котором система уравновешена, равен

/г 2

1

0 -1 -2

0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050

г

Рис. 4. Распределения объемной силы в средней плоскости для внутренней (й^ и внешней (Й2) частей обмотки. Поле на оси магнита В0 = 1 Тл

3 Энергетика, № 4

65

1,2

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0

-0,2 -0,4 -0,6

2

4 4\

\ 1

\/W 2 1' и

11 3

/А! з 3

0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050

r, М

Рис. 5. Распределение механических напряжений в средней части обмотки (г = 0), отнесенных к магнитному давлению поля на оси магнитной системы: 1 — ог; 2 — ; 3 — ог; 4 — ат; Во — индукция в центре магнита

am/(Bo2/2^o) 1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

О

\

\

\

\

/ /

2

0,0515 0,0525 0,0535 0,0545 0,0555

Rs

Рис. 6. Отношение эквивалентных напряжений am в обмотке квазибессилового магнита к магнитному давлению в зависимости от радиуса экрана: Or\ — эквивалентные напряжения на внутреннем радиусе обмотки; Or2 — эквивалентные напряжения на внешнем радиусе обмотки; Rs — радиус экрана

44,5°. Конфигурация магнита рассчитана так, что при наличии экрана в приближении нулевой толщины и при непрерывном распределении тока уравновешены внутренняя, внешняя и торцевые части обмотки, благодаря соответствующему выбору формы витков.

В отличие от идеализированной расчетной модели в реальной обмотке проводники имеют конечную толщину и разделены изоляционными зазорами, что может привести к нарушению условий равновесия. Однако возможна коррекция формы обмотки путем некоторой вариации конфигурации магнитной системы. Возможности коррекции обмотки конечной толщины исследовались в рамках модели с непрерывным распределением тока по азимуту. Были выполнены расчеты поля, электромагнитных сил и напряжений методом конечных элементов в приближении аксиальной симметрии. В этом приближении не учитывается дискретная структура реального магнита, в котором обмотка выполнена из проводников, разделенных наклонными изоляционными зазорами. Магнит предназначен для работы в импульсном магнитном поле при отно-

Рис. 7. Отношение эквивалентных напряжений в обмотке к магнитному давлению в зависимости от значения дополнительно аксиального тока: аи — эквивалентные напр

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком