Автореферат (Магнитная система теплоэнергетической установки на постоянных магнитах), страница 4

Показана аналогия с изменением распределения магнитной индукции в системах с ПМ различных размеров.Представленная на рисунке 14 МС состоит из четырех ПМ одного размера, изготовленных из различных материалов (твердые ферриты, спеченный Nd-Fe-B, Sm-Co исинтезированный Nd-Fe-B). Характеристики материалов соответствуют маркам:HF083, BN1210, S3315 и N4816. Распределение магнитной индукции вдоль МПЗмагнитной системы представлено на рисунке 15. ПМ компонуются в модули от самого слабого магнита к самому сильному, образуя изменение магнитных характеристикМС вдоль МПЗ.Рисунок 13 - Распределение магнитной индукции вдоль МПЗ магнитной системыв зависимости от материала постоянных магнитов.14Магнитнаяиндукция В, ТлИспользование различных марок в сборе МС позволят увеличить эффективность МС без изменения еегеометрии, что особенно важно в виду общедоступности прямых ПМ как стандартной формы припроизводстве.

Так же стоит отметить, что в зависимостиот максимально производимой магнитной энергии(BHmax) цены на материалы значительно варьируются.При использовании же маломощных и недорогих ПМ всборе с мощными и относительно не дешевыми магнитами удается снизить общую стоимость системы.Для оценки эффективности той или иной МС дляРисунок 14 - Геометрия МТД вводится линейный критерий эффективного исмагнитной системы из пользования АРЭ в безразмерном виде и обозначаетсяразличных материаловкак lэфф.

lэфф есть отношение длины участка с положительным вдоль МПЗ градиентом магнитной индукцииlgrad к общей длине МС lмс.0,80,60,40,2000,0250,050,0750,10,1250,150,1750,2Расстояние , мРисунок 15 - Распределение магнитной индукции вдоль МПЗ магнитной системыиз сочетания марок HF083, BN1210, S3315 и N4816.Однако критерий lэфф не учитывает уровни магнитной индукции, образуемые вМПЗ магнитной системы. Для комплексной оценки эффективности МС необходимоучитывать градиент магнитной индукции, высчитываемый в простой форме:grad(Bx) = (Bx1 – Bx2) / (x2 – x1),(6)где Bx1 и Bx2 – значения магнитной индукции соответствующие координатам x1 и x2.Результаты критериальной оценки каждой разработанной в работе МС для МТДсведены в таблицу 1.Помимо критериев эффективной длины МС (lэфф) и градиента магнитной индукции вдоль МПЗ системы (grad(B)), приведенных в таблице 1, необходимо учитыватьмассогабаритные характеристики системы, сложность ее создания и особенно сборкии возможного способа установки на соответствующий узел МТД.Из таблицы 1 видно, что магнитные системы № 1, № 4 и № 6 сложны в сборке,кроме того, у МС № 6 возникают еще трудности в создании сложной системы векторов намагниченности структуры Халбаха.

Сборка таких магнитных систем затруднительна еще и тем, что возникают большие по величине силы отталкивания друг отдруга, а магниты необходимо крепко склеивать друг к другу для достижения заданного распределения магнитного поля. Системы № 2, № 3 и № 5 представляют собой ПМ,имеющие как простую форму, так и несложный способ создания необходимых векто-15ров намагниченности. Системой с наиболее оптимальными критериями lэфф и grad(B)является система № 5, отличающаяся сужающейся частью межполюсного зазора навходе в систему и прямолинейным участком на выходе из нее.

Система № 5 собранавсего из двух постоянных магнитов в отличие от системы № 4.C целью расширения участка вдоль рабочей линии МПЗ (где происходит сужение МПЗ), в пределах которого величина магнитной индукции изменяется от нуля домаксимальных значений, и выбора оптимальной длины прямого участка по линииМПЗ, где происходит усиление скачка магнитной индукции на выходе из МС, в диссертации проведена оптимизация по углу сужающейся входной части МС и по длинепрямого участка на выходе из нее (глава 3 c.107).Угол α входной части МС варьировался в пределах от 0° до 55°, а отношение длины lпрям прямого участка выходнойчасти к длине системы от 0,04 до 0,5 (рисунок 16).Таблица 1 - Критериальное сравнение магнитных систем.Магнитнаясистемаl эффМагнитная системаgrad(B)Тл/мМС №1l эффgrad(B)Тл/м0,8513,480,859,30,9215,28МС №20,92511,5МС №3МС №41,48,5МС №5МС №60,99213,3816Оптимальный угол сужающейся части, находящийся в диапазоне от 26° до 36°для представленной геометрии МС, и отношение длины прямого участка к всей длинеМС – 0,2 : 1, а так же увеличение высотыПМ на четверть позволяют получить прирост в Bmax на 10%.

Дальнейшее увеличение высоты ПМВ главе 4 представлено описание экспериментальной установки для измеренияРисунок 16 - Магнитная система с мощности МТД и сравнение их с результапеременным сечением вдоль межпо- тами численного расчета.На кафедре «Ракетные двигатели»люсного зазора.МАИ в 2012 г. для исследования характеристик магнитной системы (МС) была собрана демонстрационная модель, созданнаяпо патенту РФ (RU № 118369 от 2012г.) автором данной диссертационной работы.Схема устройства и фотография демонстрационной модели представлены соответственно на рисунках 17 и 18.Рисунок 17 - Схема из патента RU № 118369.В представленной схеме моделидвига-теля 1 и 2 – неподвижные опорныеплиты,накоторыхзакрепленыпостоянные магниты (ПМ) 7, образующиеМС.

В межполюсном зазоре (МПЗ)системы 7 с большой точностьювыставлен ротор 3 с нанесенными по егопериферии рабочими элементами 6,вращающийся относительно вала 5, подвоздействием силы F, возникающей в реРисунок 18 - Фотография демонстзультате подвода горячего и холодногорационной модели МТД Московскоготеплоносителя к входам 9, 10.авиационного института (НИУ).Созданная демонстрационная модель МТД используется в учебном процессепри проведении лабораторных работ по дисциплине «Энергосберегающие системы иустройства» для студентов специальности 280202 «Инженерная защита окружающейсреды».Лабораторная модель экспериментальной установки МТД, представлена на рисунке 19.17Рисунок 19 – Лабораторная модель экспериментальной установки МТД.Магнитотеплового двигателя 1 оснащен следующими приборами и оборудованием:- электрогенератором................................................................................................... 2- универсальным осциллографом С1-65А.................................................................

3- частотомером Ч3-57.................................................................................................. 4- универсальным вольтметром В7-21А. .................................................................... 5- цифровыми термометрами сопротивления.............................................................

6- трубопроводами для подвода и отвода теплоносителя.......................................... 7- электрощитоком......................................................................................................... 8- запорной арматурой подвода теплоносителя............................................................9- стеклянным колпаком для визуального наблюдения.............................................10Принципиальная схема установки приведена на рисунке 20.При создании крутящего моментана валу МТД 1 за счет циклическогонагрева и охлаждения активных рабочих элементов роторного диска потоками теплоносителей 4 и 5 генерируется электрическая энергия на генераторе2, которая затем подается потребителю3.

Отработанные в цикле теплоносители отводятся через отвод 6.Схема измерения приведена на рисунке 21.Из результатов измерений можноопределить момент развиваемой силына плече, равном среднему радиусуРисунок 20 - Принципиальная схема размещения на диске ротора АРЭ Rсрустановки.1 – магнитотепловой двигатель; =0,089 м, а также величину силы маг2 – электрогенератор; 3 – потребитель нитного притяжения.Характеристики модельного МТД:электрической энергии (приборы различноготипа, электрическая сеть и т.д.); 4 – под-  диаметр роторного диска – 220 мм; плечо крутящего момента – 89 мм18вод горячего теплоносителя (первичные или(средний радиус по АРЭ роторноговторичные тепловые ресурсы); 5 – подводдиска);холодного теплоносителя (первичные или  АРЭ – гадолиний 99,9 % чистоты;вторичные тепловые ресурсы); 6 – отвод. размер и количество АРЭ – 36х8х0,5мм – 96 пластин; шаг между АРЭ - 5 мм; температура горячего теплоносителя– 55 °С; температура холодного теплоносителя – 14 °С; постоянные магниты на основе NdFe-B с Br = 0,92 Тл, HC = 710 кА/м; размеры ПМ – 50х30х40 мм (аксиальная намагниченность)Результаты измерений сведены втаблицу 2.В лабораторной модели двигателяподвод теплоносителя горячей и холодной воды производился из коммунальной сети водоснабжения.

При поРисунок 21 - Схема измерения даче теплоносителей на входы в МТДкрутящегомоментаобразо-ванного цифровыми термометрами сопротивлемагнитной системы модельного МТД. О – ния (Тх,Тг) определялись их температуосциллограф, Ч – частотомер, В – универ- ры. На вращающемся валу МТД разсальный вольтметр, Г – генератор, МТД – мещен низкочастотный генератор (Г).магнитотепловой двигатель, Тх,г – цифровые термометры сопротивления.Показания с генератора снимались тремя устройствами: осциллографом С1-65А,частотомером Ч3-57 и универсальным вольтметром В7-21А.Таблица 2 - Результаты измерений.Кол-воМС1Тг°С55Тх.°С14ωх.хсек-127.6ωнсек-19.42WВт6.7МН·м0.71FН7.982551430.111.311.51.01511.4Обозначения в таблице 2: Тг,х - температуры горячей и холодной воды (теплоносителя); ωх.х – угловая скорость в режиме холостого хода; ωн – угловая скорость снагрузкой; W – механическая мощность (пересчитанная с учетом КПД генератора ηг= 0,9); М – крутящий момент; F – сила магнитного притяжения активных рабочихэлементов к магнитной системе.Проведенные измерения выходных параметров МТД в зависимости от температур(Тх,Тг) теплоносителя, подаваемых на вход МТД, позволили провести сравнение срасчетными данными.

Экспериментально полученное значение мощности при одной19установленной магнитной системе составляла величину W = 6,7 Вт, а при двух установленных МС – W = 11,5 Вт.Результаты аналитического расчета представлены в таблице 3.Таблица 3 - Результаты расчета магнитной силы и крутящего моментамодельного МТД и предлагаемой магнитной системы.Магнитная системалабораторной моделиОбщие параметрыМассаАРЭ,m, кг1,136·10-3Предлагаемая магнитнаясистема с переменным сечением МПЗΔσ,А·м²/кгgradBТл/мFр,НМ,Н·мgradBТл/мFр,НМ,Н·м54,726,57,860,69913,779,590,853Сравнение значений экспериментальных данных и результатов расчетов показывает удовлетворительное их согласование (рисунок 22).

Из рисунка 22 видно, чторасчетное значение магнитной силы притяжения FР незначительно отличается от экспериментального FЭ, что обусловлено погрешностью графического определения значений перепада удельной намагниченности от температуры.7,86 НFрFэ Fмс7,98 Н9,59 НРисунок 22 - Сравнение теоретических и экспериментального значениймагнитной силы притяжения магнитных систем.FР – расчетное значение силыпритяжения МС лабораторной модели; FЭ – экспериментальное значение силыпритяжения МС лабораторной модели; FМС – расчетное значение силы притяженияразработанной МС.Расчеты показывают (таблица 3, рисунок 22), что при использовании МС клинообразной формы, разработанной в главе 3 настоящей работы, суммарная магнитнаясила FМС на 20% больше, чем у прямоугольной системы, что в итоге приводит к увеличению крутящего момента и механической мощности в целом.