Расчет и проектирование радиальных опор с внутренним расположением бортиков. Изделие погружного типа

Федеральное агентство по образованию РФ 

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования 

Воронежский государственный технический университет 

Физико-технический  факультет

Кафедра физики твердого тела 
 
 
 

К У Р С О В О Й    П Р О Е К Т 

по дисциплине: "НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ УСТРОЙСТВА"

специальность "ТЕХНИКА И ФИЗИКА НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР"

на тему: 

«Расчет и проектирование радиальных опор с  внутренним расположением бортиков. Изделие погружного типа» 
 
 

Выполнил  студент группы НТ-051   
                                                      _________________ Верещагин В.Ю. 

                                    Принял      

                                                     проф.___________ Милошенко В.Е. 
 
 
 
 
 
 

                        ___________                                 __________

                               (дата)                                           (оценка) 

Воронеж 2008 

 

Замечания руководителя

 

     Содержание 

Задание на курсовой проект………………………………………………………..2

Введение……………………………………………………………………………..5

1 Обзор литературы по теме курсового проекта………………………………….7

1.1 Принцип действия сверхпроводящих подвесов..…………………………..…7

1.2 Результаты экспериментальных исследований электромагнитных опор………………………………………………………………………………….9

1.3 Результаты  экспериментальных исследований опор, в условиях локального теплового возбуждения…………………………………………………………….15

2  Конструирование сверхпроводящих опор, расчёт основных параметров устройства…………………………………………………………………………..20

Заключение…………………………………………………………………………27

Список литературы………………………………………………………………...28

Приложение А………………………………………………………………………29 
 

 

     Введение 

   Низкие  температуры получили развитие и  широкое распространение в прошлом веке по ряду причин: открытие сверхпроводимости, атомной энергетики, освоение космоса и ракетостроения, а также внедрение новых технологий в промышленном производстве, медицине и др. Отметим некоторые из них:

   -  получение высокого вакуума методом  адсорбции на активированном угле или цеолите (адсорбционные насосы), конденсации молекул газа на металлических панелях с развитой поверхностью, охлажденных до низких температур;

   -  очистка паров и газов от  примесей масла путем их конденсации  (охлаждаемые ловушки) и вымораживания;

   -  лечение мозговых опухолей, кожных  и урологических заболеваний, а также консервация живых тканей путем охлаждения до температур жидкого азота. Установлено, что охлажденные биоматериалы обнаруживают новые важные свойства и открывают большие возможности дальнейшего развития биологии, медицины и сельскохозяйственного производства;

   -  понижение температуры уменьшает  энтропию и, следовательно, внутренние "шумы", что важно для дальней  космической радиосвязи, инфракрасной  и лазерной техники;

   - жидкие газы используются в  космонавтике - водород как топливо для ракет, в металлургической промышленности, например, кислород для производства сталей, а также в химической, фармацевтической и многих других, где их производства не обходятся без жидких газов.

   К одному из таких направлений можно  отнести и специальное электромашиностроение. Важной технической задачей является, например, создание электродвигателей малой мощности, работающих в среде жидкого гелия. Разработка подобных устройств, где одним из основных требований является получение больших мощностей на валу при малых габаритных размерах, наталкивается на целый ряд трудностей. Сюда относится создание или выбор сверхпроводящих материалов с высокой экранирующей способностью от постоянного и переменного магнитных полей, уменьшение эффекта деградации сверхпроводящих устройств, получение обмоток возбуждения с высокими магнитными параметрами и т.д. Также большой проблемой является тот факт, что при температуре жидкого гелия обычные подшипники не работоспособны из-за разницы в коэффициенте объёмного расширения используемых материалов. Существует единственный выход-использование электромагнитных опор. Поскольку принцип работы сверхпроводящего электродвигателя практически не отличается от работы обычного электродвигателя, то в данной работе решается главная задача-разработка электромагнитных опор малых размеров, с большой подъёмной силой и требуемой жёсткостью.

 

      1 Обзор литературы по теме курсового проекта

     1.1 Принцип действия сверхпроводящих подвесов 

   В самом начале курсового проекта  произведём обзор литературы по нашей  теме. В зависимости от принципа действия различают несколько типов бесконтактных опор, однако наиболее перспективными из них являются сверхпроводящие, где используются основные свойства сверхпроводников; нулевое сопротивление для протекающего тока и идеальный диамагнетизм [2].

   Известно, что если диамагнетик поместить  во внешнее магнитное поле, то он намагничивается противоположно, и  поэтому на него действует со стороны этого поля выталкивающая сила, которая при определенных условиях может уравновесить вес диамагнитного тела. Этот принцип лежит в основе действия сверхпроводящего подвеса или электромагнитной опоры, а именно используется эффект возникновения отталкивающих электромагнитных сил, действующих на сверхпроводник, помещённый во внешнее магнитное поле. Сила тяжести подвешиваемого тела, а также нагрузка на него уравновешивается электромагнитными силами. В результате этого механические связи между подвешенным телом и опорой заменяются электромагнитными и тело получает возможность устойчиво висеть в пространстве без механического контакта с неподвижной частью опоры.

   Это связано с тем, что на границу между телами с различной магнитной проницаемостью действует давление, определяемое с помощью тензора Максвелла, который в изотропной среде имеет вид:

    ,                             (1)

где i,j = X; Y; Z. Если силовые линии поля параллельны границе раздела диамагнетик — вакуум, то тангенциальные составляющие напряженности магнитного поля одинаковы по обе стороны от границы, а индукция , где и — магнитные проницаемости. Поэтому выражение для силы f_пов, действующей на единицу поверхности диамагнитного тела, может быть записано следующим образом [4]:

    ,                                     (2)

где n_j — компонента вектора нормали . Магнитная восприимчивость диамагнетика .

   Полная  сила

    ,                           (3) 

а удельная .

   Сверхпроводник  в мейснеровском состоянии является идеальным диамагнетиком . Выберем сверхпроводник в форме пластины толщиной больше глубины проникновения и поместим его в продольное магнитное поле, в этом случае из формулы (2) запишем

    .                                                 (4)

   Это же выражение можно записать в виде

   

где

                                                 (5)

   Для ниобия, у которого , а для сплава

Nb₃Ti, у которого .  Отсюда  видно,   что

подъемная сила сверхпроводящих опор имеет  вполне определенную величину. Ранее  проведена оптимизация опор по максимуму подъемной силы и на этом основании была создана инженерная методика расчета опор. По заданной на опору нагрузке можно определить геометрические размеры ее, и наоборот — по известным или заданным размерам — осевая величина зазора, — радиальная величина зазора, определить величину допустимой нагрузки и жесткости опоры в радиальном и осевом направлениях. 

      1.2 Результаты экспериментальных исследований электромагнитных опор 

    Стенд для  исследования опор включал низкотемпературную и измерительные части (рисунок 1). Низкотемпературная часть выполнена на базе промышленного криостата типа ГК, в который заливался жидкий гелий. Рабочая температура поддерживалась равной 4,2К. На капке криостата укреплялись с помощью специальной штанги электродвигатель постоянного тока, устройство с исследуемой опорой и сильфонный узел, обеспечивающий возможность перемещения платформы опоры вдоль вертикальной оси в пределах 0-5*10^-3 м. На капке также устанавливались рычажные весы, одно плечо которых жёстко соединялось с платформой опоры. На втором плече  

весов размещались  грузы в пределах 0-20 кг. Электродвигатель устанавливался под капкой криостата  и обеспечивал вращение опоры  со скоростью до 34 об/с с помощью  регулируемого источника тока 9. Скорость контролировалась тахометром 10. На рисунке не указаны газовые и электрические коммуникации и приборы контроля заливки гелия.

 

      опор. 

     Измерительная часть содержала ряд электронных  схем, к которым мы относим схемы  запитки обмотки возбуждения опоры, измерения величины зазора, измерения величины магнитного поля в рабочей области опоры. Для запитки обмотки возбуждения использовался высокостабильный источник тока 1 типа СПС-30 с интегратором 2, который позволял изменять скорость развёртки тока запитки в широких пределах. Величина тока измерялась вольтметром 3 типа В7-21 по падению напряжения на калиброванном сопротивлении 4. Зазор между платформой и обмоткой возбуждения измерялся емкостным датчиком, который включался на вход вторичного прибора 5 типа Р-589. Регистрация показаний осуществлялась приборами 6 типа ПДС-021 и МТ1016. Величина магнитного поля в рабочем зазоре измерялась датчиком Холла типа ХИС со вторичным прибором 7 типа В7-21, регистрация проводилась прибором 6.

     Исследуемая опора состояла из обмотки возбуждения и платформы, которая выполняла роль электромагнитного экрана. В качестве материала для изготовления платформы были выбраны технический ниобий, который является основным конструкционным материалом в различных сверхпроводящих устройствах, и один из самых распространённых и исследованных жёстких сверхпроводников-сплав Nb₃Ti. Для них

Nb:Hk1=9.5_*104 A/м, Hk2=2.4_*105 A/м

Nb₃Ti: H_k1=2_*10⁴ A/м, H_k2=4.8_*10⁶ A/м

     Экран 2 (рисунок 1) в виде чашки изготовлялся на токарном станке, и последующая обработка, в том числе и термическая, не проводилась. Обмотка возбуждения 1 наматывалась сверхпроводящим проводом типа ПЭТВ-2НТ диаметром 3.3_*10^-4 м на жёсткий каркас. Критические параметры провода были намного выше значений параметров, которые использовались в экспериментах. Картина распределения магнитного поля показана на рис.1. Опора была рассчитана по инженерной методике и имела следующие параметры:

2R_вн=4.8_*10^-2м, 2R_н=8.16_*10^-2м, z₀=2.8_*10^-3м, y₀=1.6_*10^-3м, 2b=1.27_*10^-2м.

     Номинальная нагрузка опоры - 4кг.

      В работе проводились исследования осевой составляющей подъёмной силы.

Исследования  здесь проводились в статике и динамике. В первой серии экспериментов платформа не вращалась. После охлаждения до температуры 4,2 К медленно запитывалась обмотка возбуждения опоры и при некоторой величине магнитного поля создавалось необходимое давление на платформу и последняя отрывалась от обмотки. При этом тщательно измерялись зазор Z₀ и соответствующая величина индукции магнитного поля В_е. Измерения проводились как при нарастании (прямой ход), так и уменьшении (обратный ход) магнитного поля. Платформа при этом нагружалась с помощью рычажных весов, но каждый раз нагрузка устанавливалась до начала эксперимента. Некоторые результаты проведенных исследований представлены на рис. 2. Кривые 1, 2 и 4 получены для опоры с экраном из ниобия при внешних нагрузках 2,7; 4 и 6,3 кг соответственно, а кривые 3, 5 и 6 получены на опорах с экраном из сплава Nb₃Ti при тех же нагрузках (кривая при Р=2,7 кг). Из рисунка 2 видно, что все кривые Z₀(B_e) для опор с экраном из ниобия идут круче, чем из сплава Nb₃Ti, угол наклона для них на начальном участке кривой составляет 80° и не зависит от величины нагрузки, а для сплава Nb₃Ti 57°. Кроме того, был исследован обратный ход зависимостей Z₀(B_e) (на рисунке они обозначены 1' и 3'). Для экранов из ниобия более существен захват магнитного потока: на рисунке кривая 1’ отстоит дальше от кривой 1 прямого хода, чем 3' от 3. Это оказалось неожиданным, так как для жестких сверхпроводников, к которым относится сплав Nb₃Ti, захват потока должен был быть значительным.