Ввод номинальных данных и основных размеров КЭМ

М-2-1

и о

с

к

с

Повышение устойчивости М-2-2

интегральных уравнений (2.42) и (2.43)

М-3-2

М-2-3

Расчет предварительного распределения jU/-3 Б ферромагнитном экране

М-3-1

Решение интегрального уравне- М-2-4 ния (2.42).Определение плотностей Sjm

Уточнение распределения /игэ в ферромагнитном экране

М-2-5

Решение интегрального уравнения (2.43). Определение р м

М-2-6

Уточнение распределения ц^ в ферромагнитном экране

М-2-7

& О

с к

I 2 к с

S с

Решение интегрального уравнения (2.44).Определение б^у^

М-2-8

Уточнение распределения в ферромагнитном экране

М-2-9

Определение 1 в ферро- М-2-10

магнитном экране и нажимных плитах

► М-3-1 .М-3-5

- М-3-2

►М-3-2 а)

М-3-2

-М-3-2

►М-3-2

.М-3-2 ► М-3-6

Уточнение расгределения рс М-2-11 в ферромагнитном экране

М-3-2

Рис. 3.11. Укрупненная схема программ первого н а -блоки М-2-1 -м-2-6: б-блоки М-2-7 -M-2-U:

цию BiR н коэффициент формы Kf иллюстрируется таблГ 3.1. При расчете учитывались критические значения плотности тока в коротком образце сверхпроводника нз сплава НТ-50.

3.5. Программное обеспечение электромагнитных расчетов КЭМ переменного тока на ЭВМ

На основании методики электромагнитного расчета установившегося режима КЭМ, изложенной в гл. 2 н 3, разработан пакет прикладных программ (ППП) для ЭВМ [3.6]. Цель создания ППП состоит в автоматизации поверочных электромагнитных расчетов. ППП реализован на языке фортран для ЕС ЭВМ и содержит 150 программ.

ППП имеет модульную многоуровневую структуру, что позволяет генерировать программы математической модели для различных вариантов конструкции КЭМ. Кроме того, многоуровневая структура необходима для возможности оперативного внесения изменений при уточнении или дополнении методики электромагнитного расчета КЭМ.

В состав ППП входят:

1) управляющая программа, занимающая первый уровень;

2) комплекс сервисных программ, обеспечивающих ввод данных в удобной инженеру форме и наглядное отображение результатов расчетов в виде таблиц и графиков;

3) Программы электромагнитного расчета, которые располагаются на уровнях со второго по пятый.

Характеристика холостого хода

М-2-12

Параметры КЭМ переменного М-2-13 тока

► М-3-3-

► М-3-4

-М-З-З-

-* Режим номинальной нагрузки

М-2-14

Потери и КПД

М-2-15

второго уровней;

в - блоки М-2-12 - М-2-16

М-3-2

М-3-1

Расчет распределения результирующей составляющей напряженности магнитного поля Й на Поверхности ферромагнитного экрана

М-3-2

Расчет распределения Н внутри ферромагнитного экрана

Расчет распределения Н в зоне обмотки статора

М-3-3

М-4-2 .М-4-3 .М-4-4

.М-4-1. -М-4-2 .М-4-3 .М-4-4

.М-4-1 ►М-4-2 ►М-43

Расчет распределения Й в зоне обмотки возбуждения

М-3-4[* М-4-1 М-4-2

Расчет коэффициентов системы fi М-3-5 линейных уравнений, аппроксимирующих интег-[* М-4- ральные уравнения (2.42),(2,43) и (2.44)

Расчет комплексных коэффициентов М-3-6 системы линейных уравнений для определения вихревых токов

Расчет вихревой М-1

составляющей напряженности магнитного поля Н^ от обмотки возбуждения

►М-4-4 а)

►М-5-1

Расчет Й^К от обмотки статора

М-4-2 М-5-1

Расчет потенциальной составляющей М-4-3

напряженности магнитного поля Н

от слоя магнитных зарядов или диполей

М-5-2 М-б-З

Расчет вихревой составляющей М-4-4

напряженности магнитного поля Й^® от слоя вихревых токов

*М-5-1 6)

Укрупненная схема ППП представлена на рис. 3.11, 3.12. Каждый модуль (М) в ней имеет двойное обозначение, включающее номер уровня н номер модуля в уровне.

Управляющая программа (М-1-1, рнс. 3.U) настраивает ППП на выполнение электромагнитного расчета конкретного варианта КЭМ, конструктивные особенности которого задаются набором признаков.

В математической модели предусмотрены различные комбинации конструктивных особенностей КЭМ, к которым относятся:

1) Наличие или отсутствие ферромагнитного экрана;

2) Конфигурации обмоток возбуждения (седлообразные, ступенчатые) ;

3) Конструкции обмоток статора (однослойные или двухслойные, с любым числом фаз, с целым или дробным числом пазов на полюс и фазу);

4) Конструкции паза с любыми сочетаниями транспоийроваНных проводников и трубок охлаждения.

Если в проведении полного электромагнитного расчета нет необходимости, возможно выполнение любой его части.

В зависимости от требований точности вычислений параметров >1агнитного поля в КЭМ перед началом расчета на ЭВМ вводится набор входных кодов, которые задают ферромагнитный экран как линейный или нелинейный, шихтованный или сплошной. Расчеты магнитного поля в КЭМ могут выполняться с учетом или без учета влияния вихревых токов в ферромагнитном экране.

Второй уровень составляют программы, определяющие последовательность всего электромагнитного расчета КЭМ (рис. 3.11); ввод номинальных данных и основных размеров КЭМ (М-2-1); расчет плотностей поверхностных и объемных магнитных зарядов, а также плотностей вихревых токов в ферромагнитном экране методом последовательных приближений (М-2-2-М-2-11); поверочный электромагнитный расчет КЭМ (М-2-12-М-2-16).

Расчет напряженности магнитного поля М-5-1

в произвольной точке от проводника с током

Расчет напряженности магнитного поля М-5-2

в произвольной точке от магнитного заряда

Расчет напряженности магнитного поля М-5-3

в произвольной точке от магнитного диполя

Рис. 3.12. Укрупненная схема программ: о -третьего уровня; б-четвертого уровня; в -пятого уровня

Рис. 3.12 а, б

Программы третьего уровня (рис. 3.12,а) осуществляют расчет распределения радиальной, азимутальной и аксиальной составляющих напряженности магнитного поля в различных зонах КЭМ.

В модуле М-3-1 определяются вихревые составляющие напряженности магнитного поля Н' и Я иа всей поверхности ферромагнитного экрана. Полученное их распределение используется для расчета правых частей интегрального уравнения (2.42). В результате расчета на внутренней поверхности экрана вычисляется предварительное распределение относительной магнитной проницаемости в нем.

Вычисленные значения иапряжеиностей магнитного поля в экране используются для расчетов: правых частей интегральных уравнений (2.43) и (2.44) (напряженности Д и Н - ); плотности вихревых токов (напряженности Я и Я ); распределения относительной магнитной проницаемости в экране (результирующая напряженность магнитного поля).

Распределение магнитного поля в зоне обмотки статора (М-3-3) применяется при расчете параметров обмотки статора.

Распределение магнитного поля в зоне индуктора (М-3-4) дает возможность определить максимальное значение индукции на поверхности обмотки возбуждения.

Кроме того, программы третьего уровня рассчитывают коэффициенты системы лииейиых уравнений, аппроксимирующих интегральные уравнения (2.42) -(2.44) магнитного поля (М-3-5), а также коэффициенты системы линейных уравнений (2.56) для расчета вихревых токов (М-3-6).

Программы четвертого уровня рассчитывают составляющие напряженности магнитного поля в произвольной точке (рис. 3.12,6).

В модуле М-4-1 определяется напряженность Я= для различных конфигураций обмотки полюса возбуждения. Расчет может производиться с учетом и без учета влияния соседних полюсов.

В модуле М-4-2 определяется иапряжеиность Я . для различных конструкций обмоток статора. Основу модуля М-4-2 составляет программа расчета напряженности магнитного поля от секции обмотки статора.

В модуле М-4-3 определяется потенциальная составляющая напряженности магнитного поля Я° от магнитных зарядов. Вихревая, составляющая напряженности магнитного поля от вихревых токов рассчитывается в модуле М-4-4. Модули М-4-3 и М-4-4 дают BoaMoaj-иость производить расчеты для нескольких типов гладких поверхностей.

Программы пятого уровня (рис. 3.12,в) рассчитывают: составляющие вектора напряженности магнитного поля в заданной точке от произвольно расположенного в пространстве проводника с током 1 А (М-5-1), составляющие вектора Я° в произвольной точке от магнитного 98

заряда (М-5-2) и диполя (М-5-3) с заданным расстоянием между магнитными зарядами. Программы этих модулей используют координаты точки, в которой рассчитывается поле, и координаты места расположения магнитных зарядов.

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ КРИОГЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

4.1. Назначение и режимы работы системы криостатирования

Одним из важнейших элементов КЭМ. является система криостатирования сверхпроводниковой обмотки индуктора при гелиевой температуре 7л;4-5 К.

Система криостатирования (криостат) в обшем случае содержит теплообменник или заливную гелиевую ванну для поддержания рабочей температуры обмотки, экранно-вакуумную изоляцию, тепловые мосты или подвески и токовводы, обусловливающие тепловую связь объекта криостатирования (индуктора) с окружающим пространством. Криостат связан с внешней системой криообеспечения (СКО) посредством устройства для подачи гелия.

Установившийся режим работы криостата при рабочей температуре сверхпроводниковой обмотки, неизменных температурах других элементов криостата, а также постоянных тепловых потоках и расходе гелия называется pe-v. жимом криостатирования. При длительной работе КЭМ в номинальном режиме энергетические затраты определяются необходимой производительностью СКО, обеспечиваю-I щеп расход гелия в режиме криостатирования. Этот расход ! служит основной характеристикой любого криостата наряду с температурой криостатирования. Температура криостатирования и расход гелия могут быть взаимосвязанными или независимыми параметрами. Обычно температура задается, тогда в задачи теплового расчета режима криостн-рования входят определение расхода гелия и расчет температурного поля криостата, а также исследование конструктивных и теплофизических факторов с целью создания криостата с наименьшим расходом.

Режиму криостатирования всегда предшествует существенно нестационарный режим захолаживания, в котором объект криостатирования охлаждается от температуры окружающего пространства до рабочей температуры, а также