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

     Среднее значение осевой жесткости определялось из выражения 

      .                                                        (6)

      В пределах нагрузки  от 4 до 6,3 кг  для опоры с экраном из Nb C_zcp= 1,2_*10⁶ кг/м², а с экраном из сплава Nb₃Ti C_zcp = 1,1_*10⁶ кг/м². Жесткость прямо пропорциональна величине нагрузки на опору.

      На  рисунке 3 представлены зависимости  индукции магнитного поля от

 величины  нагрузки на экран (Р) при постоянных зазорах z₀. Для экрана из ниобия (кривые 1—4), которым соответствуют зазоры

(1; 2; 3 и 4)*10^-3 м, и из сплава Nb₃Ti кривые 5—8 при тех же зазорах. Из рисунка видно, что для подъема платформы из Nb₃Ti и Nb при одной и той же нагрузке на одинаковую высоту требуются различные по величине магнитные поля. Так, для подъема платформы из ниобия на 4_*10^-3 м при нагрузке 4 кг требуется магнитное поле с В_е=0,046 Тл, а для платформы из Nb₃Ti B_e=0,072 Тл.  

      В этих экспериментах наибольшее значение силы, действующей на единицу поверхности f_пов для опоры с экраном из ниобия, составляло 6_*10³ кг/м². Это значительно больше, чем значения, полученные расчетным путем.

      Во  второй серии экспериментов платформу  приводили во вращение с помощью электродвигателя. Так, на рисунок 4 представлены зависимости z₀(B_e) для опор с экраном из ниобия (кривые 1 и 2) и из сплава Nb₃Ti (3, 4) при скорости вращения 8,4 об/мин. При этом нагрузка на экран составляла 2,7 кг (кривые 1,3) и 4 кг (2, 4). На рисунке 5 показаны те же зависимости, но скорость вращения составляла 17 об/с. Кривые 1, 2 и 4 получены для экрана из ниобия при нагрузке 2,7; 4 и 6,3 кг соответственно, а кривые 3, 5 и 6 для сплава Nb₃Ti при тех же нагрузках (3 нагрузка 2,7 кг). Характер кривых z₀(B_e)  не изменился, но с увеличением скорости вращения все кривые для Nb смещаются в область меньших значений индукции магнитного поля  (рисунок 6). Здесь представлены зависимости z₀(B_e)    при    нагрузке 2,7 кг    при    скоростях    вращения 8,4 об/с (кривая 1), 17 об/с (2,5), 32 об/с (4)  и статике (3,6). Экраны выполнены из Nb (1, 2, 3, 4) и Nb₃Ti  (5 и 6). Однако это уменьшение наблюдается до определенных скоростей  (17 об/с), с дальнейшим ростом скорости вращения платформы магнитные поля   возрастают.   Например, при скорости 32 об/с и нагрузке 2,7 кг магнитное поле составляет для зазора 1_*10^-3 м 0,032 Тл  (рисунок 6).   Для экрана   из  сплава Nb₃Ti в исследованном диапазоне применения скорости такой зависимости не наблюдается. Жесткость опор также изменялась. На рисунке 7 показана зависимость В_е(w). Кривые 1, 2, 3 соответствуют экрану из Nb, а 4—6 — из Nb₃Ti при зазоре 1-10^-3 м и нагрузке 2,7; 4 и 6,3 кг.

        Экраны опор были изготовлены, как уже отмечалось, из сверхпроводников второго рода.   В   рабочем   диапазоне магнитных полей В_е< 0,1Тл   ниобий экрана должен был находиться в мейсснеровском состоянии.    Однако из экспериментов видно,    что измеренные значения f_пов оказались намного больше расчетных.  Это несоответствие можно объяснить тем, что в ниобий, находящийся в сверхпроводящем состоянии (мейсснеровском), на некоторую глубину d_эф, которая больше глубины проникновения l, и меньше толщины экрана (d_эф>>d>>l), проникало магнитное поле в виде вихрей, которые располагались в этом слое d_эф в радиальном направлении. С другой стороны известно, что в результате механической обработки металлов происходят нарушения кристаллической структуры в поверхностном слое. Толщина поврежденного 

слоя  достигает до 1_*10^-4м. В нем образуются различного рода дефекты, которые являются эффективными центрами пиннинга.

      Такое предположение подтверждается тем, что во всех экспериментах не были обнаружены скачки потока, хотя нами предпринимались различные попытки с целью инициировать такие скачки. Вращение платформы с различными скоростями также эквивалентно воздействию на сверхпроводник переменной составляющей магнитного поля.

      В случае же сплава Nb₃Ti в области исследованных магнитных полей, значительно меньших, чем верхнее критическое поле, существовали отдельные вихри, и поэтому интегральный эффект за счет срыва таких вихрей был ничтожно мал. 

1.3 Результаты экспериментальных исследований  опор, в условиях локального теплового  возбуждения 

      Все элементы криогенных электрических  машин в условиях эксплуатации подвержены действию переменных магнитных полей. Это может привести к повышению температуры сверхпроводника или отдельных его областей и, следовательно, снизить надёжность работы машины в целом. Приведём результаты экспериментального исследования сверхпроводящих опор, погружённых в жидкий гелий, в условиях локального теплового возбуждения.

      Исследования  проводились на стенде, описанном  в предыдущей работе. В качестве объекта использовались опоры с  платформой из ниобия, на наружной поверхности  которой устанавливали малогабаритный нагреватель с сопротивлением 100 Ом, термометр типа ТСУ-1 и датчики Холла типа ПХЭ-602. Все эти элементы теплоизолировались от жидкого гелия и, таким образом, платформа имела контакт с хладагентом только с внутренней стороны, т. е. со стороны обмотки возбуждения. С целью повышения чувствительности измерения магнитного поля применялось симметричное включение датчиков Холла, а возникающее напряжение неэквипотенциальности устранялось методом компенсации.

      Для долговременных исследований опор при температуре жидкого гелия было разработано и изготовлено устройство, схема которого представлена на рисунок 8. Оно предназначено для погружения опоры в транспортный сосуд типа СТГ-40. В нижней части тонкостенной трубки, диаметром 0,02 м, из нержавеющей стали, располагается держатель 2 с опорой, содержащей подвижную платформу 3 и обмотку возбуждения 4. Для проведения исследований в режиме замороженного потока применялся сверхпроводящий ключ, который располагался на переходной колодке держателя. Подвижная платформа соединялась тягой 5 с электродвигателем постоянного тока 8. Она была изготовлена из тонкостенной трубки нержавеющей стали, для уменьшения вибрации ее крепили во фторопластовых втулках 6. Под электродвигателем устанавливался датчик числа оборотов 7. Электродвигатель крепился в корпусе, который за счет сильфона 9 мог перемещаться вдоль вертикальной оси под действием силы, создаваемой рычажными весами 12. Величина смещения всей подвижной системы, состоящей из платформы, тяги, электродвигателя и корпуса, измерялась с помощью емкостного преобразователя 10 цилиндрической формы. Внутренняя обкладка конденсатора соединялась с подвижной системой. Визуальный контроль осуществлялся с помощью индикаторных часов 11.

      Прежде  всего была исследована стабильность работы опор. Для этого производилась запитка обмотки возбуждения опор до установления рабочего зазора в пределах (1,5—3,5)_*10^-3 м, а затем обмотку переводили в режим замороженного потока. При этом измеряли величину индукции в зазоре или смещение платформы от её рабочего положения. В качестве примера на рис. 13 представлены временные зависимости индукции при разных зазорах 1,5*10^-3 м (1) и 2,5_*10^-3 м (2). В течение длительного времени (на рисунке только 8 час) заметных изменений, в пределах точности измерений, обнаружено не было. Это позволило провести исследования влияния тепловой нестабильности.

      Известно, что в сверхпроводнике под  воздействием различных факторов, в том числе и переменных магнитных полей, возникают нестабильности, которые могут привести к локальному повышению температуры и заметному распространению тепла. Поэтому важным является экспериментальное исследование реальных опор, в которых инициируется локальный разогрев. В качестве измеряемых параметров выбирались подъемная сила опоры и величина магнитного поля, как в рабочем зазоре, так и за платформой.

      При включении нагревателя на наружной поверхности платформы устанавливалось  определенное распределение температуры, которое показано на рисунок 10 (кривая 1). Штриховой линией изображен участок, где располагался нагреватель. При увеличении мощности, рассеиваемой нагревателем, температура несколько возрастала (2), хотя характер температурной зависимости практически не изменялся. В этих экспериментах проводилось повышение температуры до 7 К. Таким образом, самым слабым местом, с точки зрения сверхпроводимости, являлось то место на платформе, где был установлен нагреватель.

      Эта ситуация должна привести прежде всего  к изменению защитных свойств сверхпроводящей платформы, а в условиях исчезновения теплового возбуждения мог произойти и захват магнитного потока. Поэтому было проведено исследование платформы при различных внешних условиях: изменении температуры и скорости развертки поля.

Результаты  исследования экранирующей способности сверхпроводника

платформы представлены на рисунок 11, откуда видно, что при температуре 4,2К, т. е. в отсутствие теплового возбуждения (кривая 1), поле не проникает за экран вплоть до B_e=0,074 Тл, а в дальнейшем с ростом В_е поле за экраном (B_i) уже отличается от нуля, хотя и существует еще частичное экранирование и только при B_е = 0,109 Тл практически происходит пробой экрана. Если же внешнее поле начать уменьшать, то поле за экраном вплоть до B_е=0,04Тл практически не изменяется и только затем несколько уменьшается и остается без изменений. Увеличение температуры (4,5К) приводит к тому, что полное экранирование осуществляется до поля 0,04 Тл (кривая 2), а затем В_i постепенно увеличивается пропорционально полю в рабочем зазоре. Однако на этом участке кривой хорошо различимы ступеньки, которые не изменяли свое положение по оси абсцисс от эксперимента к эксперименту. Дальнейшее повышение температуры до 4,75К приводит к сдвигу кривой B_i(B_e) в область еще меньших значений магнитного поля. При этом ступеньки на этой кривой сдвигаются на такую же величину. Наличие ступенек связано со скачками потока, а проявление их при одних и тех же значениях магнитных полей объясняется срывом вихрей с одних и тех же центров пиннинга. Скачки потока наблюдаются и во время уменьшения магнитного поля, но сопровождаются более значительными изменениями магнитного поля за экраном.

      Таким образом, захваченный поток зависит  от температуры сверхпроводника. С увеличением температуры он уменьшается по сравнению с потоком, оставшимся в сверхпроводнике, охлажденном до 4,2 К. Эти результаты относились к области платформы, удаленной на 0.04 м от центра  нагревателя.  Для  того чтобы  начальные значения  индукции магнитного поля под экраном были одинаковы, исследовались только те его области, которые располагались по окружности, где был установлен нагреватель. Измерения, проведенные при 4,2 К, показали, что характер зависимостей В_i(В_е)  во всех исследованных областях подобен случаю, показанному на рисунок 11 (кривая 1). Картина же заметно изменяется при наличии температурного поля. Так, для области платформы, в которой температура  была 4,29К, при температуре нагревателя 4,5 К полное экранирование осуществлялось до 0,09 Тл (рисунок 12, кривая 1), а затем происходил пробой сверхпроводника, т. е. в практически неизменном внешнем поле В_е поле B_i резко возрастало. Из рисунка 11 и 12 видно, что при повышении температуры замороженный поток уменьшается, т. е. он должен был бы уменьшаться по мере приближения к нагревателю. Однако исследования пространственного распределения замороженного потока при постоянном во время измерений температурном поле, показали, что индукция магнитного поля возрастает по мере приближения к нагревателю (сравните рисунок 12, кривая 1 и рисунок 11, кривая 2). Это говорит о том, что захваченный магнитный поток связан с самой нагретой областью сверхпроводника и ограничен ею. Этим объясняется и уменьшение захваченного магнитного потока в других областях при включенном нагревателе по сравнению с потоком при выключенном нагревателе (кривые 1—3, рисунок 11). Эти экспериментальные результаты относятся к случаю отсутствия изменений градиента температуры по поверхности платформы, если при этом не учитывать переходные процессы, происходящие за счет изменения мощности, подводимой к нагревателю.  

2. Конструирование сверхпроводящих  опор, расчёт основных параметров  устройства.

Рисунок 20 – Схема к расчёту опор. Осевая и радиальная составляющая. 

    В данной курсовой работе выбраны сверхпроводящие опоры с внутренним расположением бортиков на экране. Вообще использование бесконтактных типов подвесов, имеет преимущества при конструировании. Главное преимущество – отсутствие трения в подшипнике. Вследствие чего увеличивается ресурс и надежность работы электромашин. КПД таких машин очень высок и может достигать 1. Отсутствуют шумовые помехи. К недостаткам можно отнести, что данный вид механизмов относится к разряду маломощных, это ограничение накладывается ограниченной сверху максимальной плотностью тока. Высокая точность изготовления, необходимость постоянного поддержания низкой температуры. Внутреннее расположение бортиков обеспечивает устойчивое положение в радиальном направлении. Для повышения предела радиальной нагрузки, предлагается сделать опору комбинированной, с внутренним и наружным расположением бортиков. Но для малых радиальных биений и не высоких нагрузок, внутренних бортиков вполне достаточно. Теперь рассчитаем конкретную опору.