научная статья по теме ВИБРАЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С МАГНИТНОЙ ЛЕВИТАЦИЕЙ Физика

Текст научной статьи на тему «ВИБРАЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С МАГНИТНОЙ ЛЕВИТАЦИЕЙ»

АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 61, № 3, с. 409-415

^ ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ТЕХНИЧЕСКОЙ АКУСТИКИ

УДК 534.232

ВИБРАЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С МАГНИТНОЙ ЛЕВИТАЦИЕЙ

© 2015 г. А. В. Гладилин*, В. А. Пирогов*, И. П. Голямина*, Ю. В. Кулаев**, П. А. Курбатов**, Е. П. Курбатова**

*Акустический Институт им. акад. Н.Н. Андреева **Национальный Исследовательский Университет "МЭИ" E-mail: KurbatovPA@mpei.ru Поступила в редакцию 09.10.2014 г.

В статье приведены математические модели, результаты расчетно-теоретических исследований и выполнено обоснование возможностей создания вибрационного преобразователя с полной магнитной левитацией в подвесе из высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП). Осевая и радиальная устойчивость активной части преобразователя обеспечивается за счет взаимодействия магнитного поля кольцевых постоянных магнитов и полого цилиндра из керамического ВТСП-материала. Вынуждающее усилие создается системой катушек с током, магнитное поле которых поляризуется полем постоянных магнитов и взаимодействует с индуцированными токами в сверхпроводящем цилиндре. Рассмотрен случай перехода в сверхпроводящее состояние ВТСП-материала в поле постоянных магнитов (режим FC). Представленные данные подтверждают перспективность предлагаемых технических решений.

Ключевые слова: вибрационный преобразователь, ВТСП-подвес, левитация, математические модели, конструкция, расчетные оценки параметров преобразователя.

Б01: 10.7868/80320791915030077

ВВЕДЕНИЕ

Магнитный подвес в вибрационном преобразователе позволяет отказаться от трущихся опор и упругих элементов для подвижных частей и тем самым снизить паразитные шумы и потери, повысить ресурс устройства, что весьма важно при построении систем активного гашения шумов [1], гидроакустических и атмосферных излучателей и приемников звука низкой частоты, генераторов инфразвука [2]. Возможность создания эффективных колебательных систем с левитацией в магнитной жидкости показана в [3]. Однако колебание тел в магнитной жидкости сопровождается потерями на трение в жидкости. Бесконтактный пассивный магнитный подвес с полной устойчивой левитацией возможен при использовании сверхпроводящих материалов, которые в магнитном поле ведут себя как диамагнетики, т.е. магнитные моменты индуцированных от внешних воздействий токов сохраняют магнитное состояние, полученное до этих воздействий, после достижения сверхпроводящего состояния при охлаждении. Например, если поместить постоянный магнит вблизи соизмеримого по габаритам сверхпроводника и после этого перевести материал в сверхпроводящее состояние, охладив его до требуемой температуры перехода, то в объеме сверх-

проводника установившееся магнитное поле будет удерживаться при перемещениях постоянного магнита. Будут возникать силы взаимодействия поля постоянного магнита с индуцированными токами в сверхпроводнике, которые стремятся вернуть его в исходное состояние.

Катушки с током, размещенные вблизи сверхпроводника, составляют необходимые элементы для построения электромеханического преобразователя индукционного типа, действие которых аналогично взаимодействию переменного магнитного поля с обычными электропроводящими материалами, но с практически бесконечной удельной электропроводностью. Таким образом, индукционные преобразователи с высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП) должны обладать большим КПД.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для исследований составлена модельная конструкция вибрационного преобразователя с ВТСП-подвесом, изображенная на рис. 1.

Преобразователь состоит из внешнего полого цилиндра из ВТСП-материала (YBaCuO-керами-ка) с радиальной осью анизотропии. Эта часть преобразователя охлаждается в жидком азоте.

9

409

410 1ЛАДИЛИН и др.

12 3 4

Рис. 1. Вибрационный преобразователь с ВТСП-подвесом (модельная задача): 1 — полый цилиндр из ВТСП-материа-ла; 2 — постоянные магниты; 3 — катушки с током; 4 — элементы магнитопроводов из магнитомягкого материала.

Внутри цилиндра расположена магнитная система, состоящая из периодически расположенных постоянных магнитов с осевой намагниченностью из сплава НёБеВ, катушек с переменным током и деталей из магнитомягкого материала. Направление вектора намагниченности постоянных магнитов и токов в катушках имеет чередующиеся знаки.

Приведение преобразователя в рабочее состояние происходит следующим образом. До охлаждения ВТСП-цилиндра, т.е. когда материал находится не в электропроводящем состоянии, магнитную систему помещают внутрь в центральное положение. Катушки отключены от источника питания. Магнитное поле, созданное постоянными магнитами, проникает в ВТСП-цилиндр и частично рассеивается в воздухе. После этого ВТСП-цилиндр, находящийся в камере с теплоизоляцией, охлаждают жидким азотом. Для этих целей используются криосистемы замкнутого цикла. После достижения температуры перехода в сверхпроводящее состояние, около 90 К, ВТСП-цилиндр "запоминает" свое магнитное состояние (эффект "вмороженного" поля). Теперь вся магнитная система находится в состоянии искусственной левитации в магнитном поле — любое ее смещение вызовет индуцированные токи в ВТСП-цилиндре, которые при взаимодействии с магнитным полем постоянных магнитов вызовут возвращающую в исходное положение силу [4, 5]. Такое устойчивое равновесие невозможно получить, оперируя только постоянными магнитами, в силу известного принципа Ирншоу.

Появление тока в катушках вызывает искажение поля постоянных магнитов в ВТСП-цилиндре и также приводит к возникновению сил взаимодействия между внутренней магнитной системой и внешним цилиндром. При соосном расположении этих частей устройства сила будет направлена по оси.

Размер зазора между внутренней поверхностью ВТСП-цилиндра и магнитной системой определяется габаритами теплоизолирующей камеры криосистемы. Для эффективного снижения теплообмена с окружающей средой и источниками теплоты в катушках с током в камере с ВТСП создается глубокий вакуум. Известные конструктивные решения, например, для магнитных подшипников с ВТСП-элементами, имеют зазор между стенкой камеры и ВТСП порядка 1 мм. Охлаждение ВТСП жидким азотом производится по каналам, расположенным на внешней поверхности цилиндра. Материал теплоизолирующей камеры должен быть не электропроводящим, чтобы в ней не возникали индуцированные токи.

МЕТОД РАСЧЕТА

Сложность расчетов магнитных систем с ВТСП-элементами заключается в необходимости учета влияния нелинейных анизотропных электрофизических свойств сверхпроводящих материалов при работе в магнитных полях в сверхпроводящем состоянии и дальнейшего их взаимодействия с магнитной системой. Основными явлениями, которые следует рассматривать при моделировании ВСТП, являются:

— переход между сверхпроводящим и нормальным состоянием;

— неполный эффект Мейснера (замораживание поля);

— экранирующие токи;

— анизотропия;

— гистерезисные явления.

Для представления электрофизических свойств ВТСП-материала составлена следующая резистив-ная модель [6, 7]:

' К}(I, I,ГК))

Р(Н, Ю = * ^ + * ^ 25 ?

где принято

Jс, А/мм2 400

300 -

(а)

200

100

4000

8000

12000 Н, кА/м

р, Ом м 0.12

(б)

400 500 /с, А/мм2

Рис. 2. Характерные зависимости критической плотности тока 1С от магнитной индукции (а) и удельного электрического сопротивления р от плотности тока (б) при Тс = 90 К, Т = 72 К, 5 = 0.003, р0 = 0.1 Ом • м, Нс = 4000 кА/м: 1 — Н = 500 кА/м, 2 - Н = 1500 кА/м, 3 - Н = 2500 кА/м.

0

1 --

И

К(Н,И,ТК) = (1 - Т*)|1 -

* * ^ Нс Т )Д И с (НТ ), р и р0 — удельное электрическое сопротивление материала в сверхпроводящем и обычном состояниях; Н — напряженность магнитного поля; J— плотность тока; JC — критическая плотность тока, т.е. максимально достижимая при данных внешних условиях; Нс — критическая напряженность магнитного поля, при которой происходит потеря сверхпроводимости; Т* = Т/Тс — относительная температура; Тс — критическая температура, при которой происходит потеря сверхпроводимости.

Зависимость критической плотности тока от напряженности магнитного поля аппроксимирована формулой следующего вида:

ИС шах(ТД )

И С (Н,Т*) =

(

1 +

Н

лР'

(2)

Нс (Т*)

Выражение (2) позволяет, назначая соответствующие значения параметров а и в, получить наилучшие варианты приближений к экспериментальным данным [8, 9]. На рис. 2 приведены характерные зависимости критической плотности тока Jс от магнитной индукции и удельного электрического сопротивления р от плотности тока.

Зависимости критических параметров от относительной температуры представлены в экспоненциальном виде:

Нс (Т*) - Нсое

-сТк

Исшах(ТЛ) - Ис0е

-йТк

(3)

где Нс0 и JC0 — постоянные коэффициенты. Выражения (3) отражают уменьшение критических параметров при росте температуры.

Предполагается наличие структурной, т.е. не изменяющейся в ходе процесса, анизотропии. Это позволяет задать фиксированное направление главной оси анизотропии. Проекция вектора напряженности магнитного поля на главную ось анизотропии определяет компоненту, участвующую в формулах (1)—(3). Также принимается, что плоскость, перпендикулярная к главной оси анизотропии, определяет плоскость растекания токов. При этом в плоскости растекания предполагается изотропный характер связи плотности тока и напряженности электрического поля. В системе координат анизотропии закон Ома можно записать с учетом (1) в виде

Ец= р(Н±, Л,Т*) • (4)

где Е — вектор напряженности электрического поля; значок "||" означает компоненты в плоскости растекания токов, а значок "±" — проекцию вектора на главную ось анизотропии, перпендикулярную указанной плоскости.

Для расчетов электромагнитного поля в магнитных системах, содержащих в общем случае катушки с током, детали из ферромагнитных и ВТСП-материалов, применен метод пространственных интегральных уравнений для источников поля [10]: объемной плотности токов J, плотностей зарядов £, и векторов намагниченности ферромагнитных деталей M. ВТСП-материал представлен немагнитной нелинейной анизотропной электропроводящей средой. В квазистационарном приближении для напряженностей электрического E и магнитного H полей и магнитной индукции В = ц0(Н + М) использован

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

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»