16 NÁVRH A REALIZACE SUPRAVODIVÉHO LOŽISKA Ladislav Šidlo ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Katedra elektrotechnologie 1. Uplatnění vysokoteplotních supravodičů v konstrukci magnetických ložisek Vývoj magneticky levitovaných ložisek s využitím vysokoteplotních supravodičů započal po roce 1986, kdy byly vysokoteplotní supravodiče (HTS - High Temperature Superconductors) objeveny. Dnes jsou magnetická ložiska rozšířená ve výzkumu a některé i v praxi. Magnetická ložiska mají ve srovnání s klasickými valivými nebo kluznými ložisky mnoho výhod minimální odpor, minimální hlučnost, dlouhou životnost díky neopotřebení, mohou dosahovat velmi vysokých rychlostí až několik set tisíc otáček za minutu, přípustná rychlost je omezena odstředivou silou působící na rotor. Mohou pracovat v chemicky agresivních prostředích, v páře i ve vakuu či v tlakovém prostředí a také tam kde je nepřípustná kontaminace mazacími oleji. Je třeba zmínit také nevýhody, které zabraňují ještě většímu rozmachu těchto ložisek. Je to především problematické chlazení kapalným dusíkem bez kterého by nebylo možné ložisko realizovat. Základním kamenem pasivních magnetických ložisek jsou vysokoteplotní supravodiče, které dokáží ze svého objemu vytlačit a zafixovat tak silné magnetické pole, jaké jsme schopni do něj vložit. Ať už například využitím cívek ze supravodiče, nebo použitím silného permanentního magnetu. Jestliže klasický magnet dokáže vytvořit magnetické pole v řádu několika jednotek Tesla, tak supravodivý magnet dokáže vytvořit magnetické pole o velikosti až přes dvacet Tesla. Této vlastnosti se právě využívá v konstrukci magnetických ložisek za použití supravodiče a permanentního magnetu (PM). Tyto konstrukce ložisek nazýváme pasivní. Název je odvozen od skutečnosti, že k jeho funkci není potřeba žádný řízený akční člen. V tomto případě lze pro získání potřebných sil využít vlastností zchlazeného supravodiče a magnetických vlastností permanentního magnetu. Uspořádání jednotlivých konstrukcí, kterými se zde budeme zabývat, dělíme podle materiálu (vysokoteplotního supravodiče nebo permanentního magnetu) ze kterého je vyroben stator a rotor. A také podle funkčního provedení tj. zda je ložisko axiální nebo radiální. Rozdíl mezi axiálním a radiálním typem je zřejmý z obrázku 1.1.
Obr. 1.1: Schéma ložiska radiálního a axiálního. Dále bude uveden základní přehled konstrukcí pasivních magnetických ložisek, které slouží v setrvačníkových systémech jako jsou zásobníky elektrické energie nebo v experimentálních soustavách pro výzkum.
1.1. Pasivní magnetické axiální ložisko s HTS statorem a rotorem z PM Toto ložisko se skládá z hřídele z permanentního magnetu (rotoru) a ze supravodivého disku (statoru). Při zchlazení supravodiče pod 77 K dochází k vytvoření supravodivých vírů v upínacích centrech HTS a vytvoření nehomogenního magnetického záchytného pole v axiálním směru. Hřídel levituje nad supravodivým diskem bez mechanického kontaktu a bez tření. Toto pole nám zaručuje velmi dobrou stabilitu v axiálním směru, což plyne z vlastního uspořádání PM a HTS.
Obr. 1.2: Dvě konstrukce setrvačníkového systému s pasivním axiálním ložiskem s HTS statorem a rotorem z PM. Stator je realizován vysokoteplotním supravodičem nejčastěji z Y-Ba2-Cu3-O7. Tento materiál byl jeden z prvních objevených HTS s kritickou teplotou Tc nad 77 K. V tomto složení má Tc 92 K a vykazuje dobrou tuhost i dostatečnou mechanickou odolnost. V této konstrukci ložiska se uplatňuje supravodič jako celistvý masiv tzv. peleta nebo je složen z několika menších pelet tvarově přizpůsobených tak, aby vytvářely statorový disk. Velikost statorového disku je rozhodující při konstrukci ložiska. Od velikosti HTS disku se odvíjí maximální nosná síla a zároveň i rychlost otáčení a s ní spojené ztráty. Hřídel z PM se realizuje dvěma způsoby. První možnost je celistvý masiv velmi silného a účinného magnetu z Nd-Fe-B, který dosahuje remanentní indukce řádu několik jednotek Tesla. Druhá možnost je realizovat hřídel sadou permanentních magnetů tzv. Halbachovou soustavou. Dvě ukázky setrvačníkových systémů využívající pasivní axiální ložisko s HTS statorem a rotorem z PM jsou na obrázku 1.2. Setrvačníkový systém je uváděn do chodu motorem, který po roztočení slouží jako generátor. 1.2. Pasivní magnetické axiální ložisko s HTS rotorem a statorem z PM U tohoto ložiska se setkáme s názvem axiálně-radiální nebo také hybridní ložisko. Název plyne z konstrukce, která je velmi odolná jak v axiálním, tak v radiálním směru. Rotor se skládá z precizně vyrobené konstrukce z karbonových vláken nebo mědi, ve které jsou po obvodu vestavěné a přilepené pelety supravodiče. Tato konstrukce je výhodná z hlediska výroby, protože stačí vyrobit požadovaný počet rozměrově stejných HTS pelet, což je v dnešní době technologický méně náročné, než vyrábět jeden velký masiv supravodiče. Pevnou statorovou část tvoří horní a dolní permanentní magnetové disky z Nd-Fe-B. Horní magnet má na N polaritu zmagnetován vnější prstenec a na S polaritu vnitřní prstenec. Spodní PM má uspořádání opačné: na S polaritu je zmagnetován vnější prstenec a na N polaritu vnitřní prstenec. Toto uspořádání nám zaručuje větší nosnost celého systému, protože
se kromě záchytných sil mezi PM a HTS uplatňuje odpudivá síla mezi opačnými polaritami horních a dolních prstenců permanentních magnetů. Celé ložisko připomíná pastilku. Rozložené ložisko můžeme vidět na obrázku 1.3.
Obr. 1.3: Základní části malého pasivního magnetického axiálního ložiska s HTS rotorem a statorem z PM. 1.3. Pasivní magnetické radiální ložisko s HTS statorem a rotorem z PM Ložisko se skládá z rotorové hřídele tvořené permanentním magnetem a supravodivým statorovým pláštěm. Toto ložisko se realizuje dvěma způsoby a to buď jako plná magnetická hřídel levitující ve středu supravodivého pláště (obrázek 1.4 vlevo) bez mechanického kontaktu a bez tření nebo jako prstencová hřídel levitující vně supravodivého statorového válce (obrázek 1.4 vpravo). V obou případech při zchlazení supravodiče pod 77 K dochází k využití charakteristické síly působící mezi permanentním magnetem a HTS. Pokud má permanentí magnet homogenní pole všude kolem osy, může se kolem této osy otáčet, aniž by se měnilo magnetické pole uvnitř supravodiče a může se volně točit kolem této osy symetrie. Rotor je realizován ocelovou tyčí nebo trubicí na které jsou navlečeny prstence z Nd-Fe-B poskládané na sebe vždy po dvojicích s opačnou polaritou. Stator ve tvaru prstencového válce je složen z HTS pelet přesně definovaného tvaru. Počet a tvar pelet se odvíjí od velikosti statorového prstence. Jako povrchová ochrana a výztuž se používá epoxidová pryskyřice. Mezi jednotlivé pelety se vkládá distanční vložka.
Obr. 1.4: Základní konstrukce pasivního magnetického radiálního ložiska s HTS statorem a rotorem z PM, vlevo je znázorněna konstrukce s vnějším prstencovým rotorem a vpravo s vnitřním rotorem.
2. Návrh laboratorního vzorku supravodivého magnetického ložiska 2.1. Návrh a rozbor konstrukce Při návrhu laboratorního vzorku magnetického ložiska se vycházelo z konstrukcí, které jsou uvedeny v předchozí kapitole a je ověřena jejich funkčnost. Dále jsem musel uvažovat omezení, která jsou dána zejména finančními prostředky, dostupnosti požadovaných materiálů, výrobními a experimentálními možnostmi a také časem, který byl k dispozici na návrh a výrobu laboratorního vzorku pasivního magnetického ložiska. Prvním a zásadním omezením byl samotný supravodič. K dispozici byl pouze HTS disk (peleta) s rozměry (20,5 × 8) mm z demonstrační soupravy od firmy Can Superconductors. Jednalo se o textovaný vysokoteplotní supravodič Y1-Ba2-Cu3-OX-7 s kritickou teplotu 90 K (-183°C). Nákup nového HTS se specifickými rozměry by bylo příliš nákladné. Z tohoto důvodu jsme zvolili pro návrh tři konstrukce ložiska u kterých HTS disk představuje pevnou statorovou část. Z toho vyplynuly následující konstrukční uspořádání: ¾ Axiální magnetické ložisko s HTS statorem a rotorem z PM ve tvaru plochého disku (možnost měnit dvě velikosti disků). ¾ Radiální magnetické ložisko s HTS statorem a rotorem z PM ve tvaru toroidu a jedná se o konstrukci z vnějším rotorem. ¾ Axiálně – radiální magnetické ložisko s HTS statorem a rotorem z PM tvořeného soustavou toroidu a plochého disku popřípadě toroidu a dvou disků. Základní návrh konstrukce byl tedy vyřešen a podle rozměrů HTS pelety bylo zapotřebí obstarat potřebné permanentní magnety.
Obr. 2.1: Permanentní magnety ze sloučeniny neodym-železo-boru (NdFeB) použité v konstrukci magnetického ložiska. Aby byla velikost magnetického pole co největší, zvolil jsem jako PM sloučeninu neodym-železo-bor (NdFeB). Rozměrově jsem potřeboval pro axiální ložisko disk s podobnými rozměry jako je HTS peleta. Podařilo se zajistit dva neodymové disky s rozměry (20 × 5 a 22 × 6) mm. Pro radiální konstrukci jsme potřebovali neodymový prstenec s vnitřním průměrem přes 20 mm a výškou kolem 8 mm. Jako v hodný rozměr se podařilo obstarat neodymový toroid s rozměry (40 × 23 × 6) mm. Všechny tři PM (obr. 2.1) jsou magnetovány ve směru posledního uvedeného rozměru (výšky).
2.2. Ověření základních charakteristik PM použitých v konstrukci magnetického ložiska Abychom měli představu jakou velikost a rozložení magnetického pole budou mít PM použité v konstrukci magnetického ložiska bylo zapotřebí zjistit úroveň a distribuci magnetického pole v okolí magnetů. Cílem bylo proměřit a následně vykreslit magnetické pole magnetů použitých v ložiskových systémech pomocí Hallovy sondy. Proměřované vzorky PM byly popsány v kapitole 2.1. Toto informativní měření bylo provedeno transverzální Hallovou sondou (Lake Shore 410 gaussmeter) a vyneseno do grafů č. 2.1 a č. 2.2. Měření bylo pouze orientační, bylo prováděno ručně za pomocí jednoduchých distančních přípravků. Protože se jednalo o rovinnou sondu museli jsme ji natáčet a hledat maxima magnetické indukce B.
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
x [m m ]
20
0 B [m T] 100
200
300
400
500
Graf 2.1: Znázornění magnetického pole permanentního magnetu ve tvaru disku.
B [m T]
-60
-45
-30
-15
0
15
30
45
X [m m ]
60
0
100 200 300 400 500
Graf 2.2: Znázornění magnetického pole permanentního magnetu ve tvaru toroidu.
2.3. Návrh rotorové a statorové části konstrukce magnetického ložiska V dalším kroku jsme se zabýval návrhem rotorové konstrukce ve které je PM uložen. Jako materiál rotorové konstrukce byl zvolen hliník. Jednak díky své hmotnosti nebude příliš zvyšovat hmotnost levitovaného rotoru a také proto, že hliník patří mezi paramagnetické látky a nebude tedy příliš ovlivňovat magnetické pole permanentního magnetu. Při návrhu konstrukce rotoru byla nejdříve uvažována axiální a radiální konstrukce zvlášť. Při detailním rozkreslení obou těchto konstrukcí a srovnání jejich podobností a odlišností byla navržena jedna konstrukce univerzální. Fotografie hliníkové části rotorové konstrukce je na obrázku 2.2.
Obr. 2.2: Fotografie rotorové konstrukce vzorku magnetického ložiska. Konstrukce je v zásadě jednoduchá, avšak umožňující více konstrukčních variant, které jsou schématicky znázorněny i rozměry na obrázku 2.3. Zde jsou červeně vyznačeny PM, oranžové šrafy značí distanční vložku (izolační nebo mosaznou), hnědou barvou je vyšrafována distanční podložka a modrou barvou jsou naznačeny drážky. Rotorová konstrukce tvarově připomíná obrácenou nádobu s úpravami pro uchycení permanentních magnetů. Je uzpůsobena tak, aby se dal vždy PM (toroid nebo disky) z konstrukce vyjmout a opět vložit do definované polohy, podle toho jaký typ ložiska požadujeme.
Obr. 2.3: Schématické znázornění univerzálního rotoru ložiska s parametry.
Způsob uchycení diskového magnetu je založen na magnetické síle, která disk přitahuje ke šroubu, který je v konstrukci zabudován. Pro případné vyjmutí magnetu musíme překonat magnetickou sílu mezi magnetem a šroubem. Toto uchycení je naprosto jednoduché a univerzální, což umožňuje snadnou a rychlou modifikaci různých variant uspořádání rotorové konstrukce. Uchycení toroidního magnetu je provedeno mechanicky, je k hliníkové části rotoru přichycen ocelovými šroubky bez hlavičky tzv. červíky. Spoj je tedy především mechanický, ale také částečně magnetický. Šroubové spoje umožňují jednoduché vyjmutí a opětovné uložení toroidu. Při návrhu univerzální konstrukce muselo být uvažováno měření, které se budou na ložisku provádět. Stěžejní bylo vymyslet záchytný systém, který udrží PM od supravodiče v přesně definované vzdálenosti v axiálním i radiálním směru než dojde ke zchlazení HTS a vytvoření potřebného magnetického pole pro levitaci. Nejdříve jsem uvažoval o vkládání distančních vložek do vzduchové mezery ložiska. To se ale vzhledem k malé velikosti ložiska a složitosti manipulace s distančními vložkami při teplotě kapalného dusíku ukázalo jako nevhodné a komplikované. Byl proto navržen záchytný systém vytvořený pomocí tří šroubů rozmístěných symetricky po obvodu statorové části ložiska – hliníkové nádoby. Byly použity šrouby se závitem M4 (4 mm) a délce 50 mm. Tyto šrouby byly na jedné straně zahroceny do špičky. Přesně definovaná vzdálenost PM od HTS je nastavitelná pomocí drážek na rotorové části do které jsou zapíchnuté špičky šroubů. Drážky na rotorové části ložiska byly vysoustruženy po celé osové výšce konstrukce ve vzdálenosti jednoho milimetru od sebe, kromě spodní části, kde se nachází otvory na přichycení toroidního magnetu, jak je vidět z obrázku 2.3. Při návrhu výšky konstrukce rotoru ložiska jsem vycházel z předpokladů dvou krajních poloh při měření, které se na něm budou provádět a také z podmínky aby byla konstrukce co nejmenší, respektive aby měla co nejmenší hmotnost (spotřeba kapalného dusíku). Rozkreslené krajní polohy jsou v detailu na obrázku 2.4. Z obrázku je patrné, že při radiální konstrukci byla ponechána při krajní poloze mezi rotorem a statorem 3 mm rezerva kvůli chlazení. Krajní poloha v axiální konstrukci nám dovoluje až 12 mm, což je dostačující jak se později ukázalo při ověřování vlastností.
Obr. 2.4: Náčrt krajních poloh rotoru vůči statoru ložiska při předpokládaném experimentálním měření. Poloha šroubů zapíchnutých do vybrané již zmiňované drážky definuje nastavení požadované vzdálenosti rotoru od pevné statorové části jak ve směru axiálním, tak radiálním. Po zmíněném nastavení polohy následuje zchlazení HTS a celého systému ložiska. Po vytvoření požadovaného záchytného magnetické pole se šrouby odstraní a rotor levituje nad statorem ve vybrané poloze. Rotorová část byla tedy konstrukčně vyřešena.
Obr. 2.5: Fotografie statorové části vzorku magnetického ložiska bez HTS pelety. Dalším krokem bylo navrhnout statorovou část (obr. 2.5). Statorová část je tvořena nádobou do které se nalévá kapalný dusík, měděným válcovým podstavcem pod supravodivou peletou a samotnou HTS peletou. Pro nádobu byl zvolen hliník, respektive tenkostěnný hliníkový hrníček. Hrníček po různých tvarových úpravách se zdál jako dobrá volba. Ukázalo se však, že tenká stěna hrníčku je nevhodná, protože se při upnutí do soustruhu deformuje. A proto bylo od této varianty upuštěno a statorová nádoba byla vyrobena z masy hliníku jako v případě rotorové části. Stěna se tedy zvětšila z původních 0,5 mm na 5 mm. Tato změna nemá žádný vliv na funkčnost ložiska, ale zvýší se nároky na chlazení a tím spotřebu kapalného dusíku. Schéma statorové části magnetického ložiska je znázorněno na obrázku 2.6.
Obr. 2.6: Schéma statorové části vzorku magnetického ložiska s rozměry. HTS peleta byla umístěna na válec z mědi. Měď byla vybrána pro její dobrou tepelnou vodivost (λ = 386 W/m·K), která je důležitá při chlazení kapalným dusíkem. HTS se bude ochlazovat přes stykovou plochu měděného válce. Upevnění měděného válce je zvoleno doprostřed hliníkové statorové nádoby pomocí šroubu, který je jeho součástí. Výška měděného válce byla zvolena 12 mm nad úrovní dna hliníkové nádoby. Připevnění HTS pelety na měděný válec bylo provedeno pomocí sekundového lepidla. Při prvních zkouškách se však ukázalo, že při zchlazení spoj nevydrží tvarové změny HTS pelety a uvolní se. Tento problém jsem se snažil řešit výběrem vhodného a odolnějšího lepidla, ale bezvýsledně. Nakonec jsme problém vyřešili mechanickou úpravou. Slepený válec mědi a HTS pelety byl ovinut tenkou (0,05 mm) avšak velmi pevnou hliníkovou folií s plástvovitým povrchem (obr. 2.7). Tato mechanická úprava zvětšila celý válec (měděný podstavec a HTS peleta) o 0,5 mm v průměru. Tím byla sice zmenšena vzduchová mezera u radiálního ložiska na 2 mm v
průměru, ale byla tím zaručena velmi pevný spoj, který je nutný k správné funkci ložiska a měření jeho vlastností.
Obr. 2.7: Fotografie slepeného měděného válce s HTS peletou obaleného hliníkovou folií. Při ověřování vlastností navrženého vzorku magnetického ložiska je nutné, aby byl spoj mezi HTS peletou a měděným válcem vodivý. Tento problém byl vyřešen již zmíněnou hliníkovou folií, která spolehlivě zaručí elektrický kontakt mezi HTS peletou a měděným válcem. Protože má kapalný dusík nízkou viskozitu (cca 10krát menší než vzduch za normální teploty) hrozilo by, že proteče závitem pod měděným válečkem. Proto byl umístěn pod váleček silikonový o-kroužek jako těsnění (obr. 2.7 vpravo). Měděný váleček měl na straně okroužku upravenou stěnu, tak že při utažení se dotýkají okraje mědi hliníkového dna. Tím bylo zaručeno, že se poloha HTS ve vertikální poloze nezměnila.
Obr. 2.8: Fotografie statorové izolace tvořené deskou polystyrénu a zeleným páskem pěnového polyetylénu. Rovněž musela být vyřešena tepelná izolace statorové nádoby (obr. č. 2.8). Izolace byla vyrobena z desky polystyrénu, která izoluje dno statoru a zároveň slouží jako podložka celého ložiska. Tato deska byla se statorovou nádobou spojena slepením. Válcová stěna statoru byla izolována po obvodu páskem pěnového polyetylénu tloušťky 6 mm. Touto izolací se zmenšily tepelné ztráty a zároveň se zajistila lepší manipulace při zchlazeném stavu celé konstrukce ložiska.
3. Ověřování funkčnosti a základních charakteristik navrženého laboratorního vzorku pasivního magnetického ložiska 3.1. Axiální magnetické ložisko 3.1.1. Ověřování silových vlastností v axiálním směru Popis měření: Toto měření bylo realizováno tak, že rotor ložiska byl zafixován tak, aby PM byl v definované vzdálenosti v nad HTS. Následovalo zalití celého ložiskového systému kapalným dusíkem. Muselo se vyčkat (cca 4 minuty) než se supravodič a celý systém prochladil a vytvořilo se záchytné magnetické pole. Pak se mohly odšroubovat fixační šrouby. Horní část rotoru ložiska byla mechanicky spřažena se siloměrem, který byl realizován pomocí dvou výchylkoměrů značky SOMET. Výchylkoměry byly upevněny v nosné konstrukci jak je patrné z obrázku 3.1. Síla působící na rotor ložiska se přenášela na pružinu, jejímž stlačením (působení síly F) byla indikována výchylka spodního setinového indikátoru polohy. Na stupnici spodního indikátoru jsme nastavovali a odečítali výchylku d a následně přepočetli na sílu F v Newtonech podle předem připravené cejchovací funkce (graf 3.1). Na horním setinovém indikátoru jsme odečítali vzdálenost (posun) L celého silového systému od základní polohy. Rozdílem odečtených hodnot L a d jsme získali skutečnou aktuální hodnotu posunu l PM směrem k HTS.
Graf 3.1: Cejchovací funkce převodu výchylky d na sílu F. Postupným nastavováním silové zátěže otáčením metrického šroubu M8 (s krokem 0,2 mm a v citlivých místech s menším krokem podle potřeby) byl rotor přibližován ke statorové části. Zaznamenávali jsme údaje d a L, dokud se na ohmmetru neobjevil údaj. Pomocí této elektrické indikaci jsme zjistili, že se PM dotkl povrchu supravodiče. Výsledky byly zpracovány tabelárně (tab. 3.1) a graficky (graf 3.2). Tímto měřením jsme zaznamenali průběhy závislosti axiální záchytné síly na výchylce v axiálním směru při nastavených počátečních polohách v = 2 a 3 mm. Dále byla zjišťována maximální možná síla (zátěž), kterou je možno ložisko zatížit při počátečních nastaveních v = 1, 2 a 3 mm.
Obr. 3.1: Uspořádání měřícího pracoviště při měření silových vlastností v axiálním směru. Použité přístroje a pomůcky: Kapalný dusík (LN2), nádoba z vysocehustotního pěnového polystyrénu na doplňování chladiva (V = 1 l), transportní nádoba Union Karbide (V = 10 l), laboratorní stojan s držáky, dva siloměry značky SOMET (rozsah: 10 mm, stupnice: 0,01mm), univerzální digitální měřící multimetr METEX - ohmmetr (rozsah: 20 kΩ), dva spojovací kabely, vzorek pasivního magnetického ložiska [stator: HTS disk Y1-Ba2-Cu3-OX-7 – (Ø20,5 × 8) mm a Tc = 90 K, rotor (variabilní): PM disk NeFeB –(Ø20 × 5) mm a m = 12 g, PM disk NeFeB –(Ø22 × 6) mm a m = 18 g, PM prstenec NeFeB – (Ø40 × Ø23 × 5) a m = 42,8 g], značkovací fixy, fén, vysoušecí hadřík, posuvné měřítko. Tabulka naměřených a vypočtených hodnot: d (mm) L (mm) l (mm) F (N) d (mm) L (mm) l (mm) F (N)
0 0 0 0 0 0 0 0
0,7 2 1,3 3,1
0,8 1,5 0,7 3,5
Měření při v = 2 mm 0,9 1 1,63 1,77 0,73 0,77 3,8 4,5
Měření při v = 3 mm 0,9 1,1 1,3 2,65 3,05 3,39 1,75 1,95 2,09 3,8 4,6 5,4
1,1 1,9 0,8 4,6
1,2 2,04 0,84 5 1,5 3,75 2,25 6,2
1,25 2,15 0,9 5,15 1,3 3,39 2,5 6,5
1,5 3,75 3 7,2
Tab. 3.1: Naměřené hodnoty závislosti velikosti axiální záchytné síly na výchylce v axiálním směru.
Graf závislosti velikosti axiální záchytné síly na výchylce v axiálním směru: F [N]
8 7 6
6,2
5
5,15
4 3 2
1,9
1 0 0
0,5
1
1,5
Zavislost Faxi na laxi při v = 2 mm dotyk při v = 3 mm Fmax při v = 2 mm dotyk při v = 2 mm Polynomický (Zavislost Faxi na laxi při v = 2 mm) Polynomický (Teoretická char. pri v = 2 mm)
2
2,5
3
l [mm]
3,5
Zavislost Faxi na laxi při v = 3 mm Fmax při v = 1 mm Fmax při v = 3 mm Polynomický (Zavislost Faxi na laxi při v = 3 mm) Polynomický (Teoretická char. pri v = 3 mm)
Graf 3.2: Graf závislosti velikosti axiální záchytné síly na výchylce v axiálním směru.
Zhodnocení výsledků měření: Výše uvedený graf závislosti záchytné axiální síly na velikosti výchylky v axiálním směru do jisté míry odpovídá teoretickým předpokladům (v grafu 3.2 čárkovanou čarou). Podle nich by měla síla růst až do plošného přiblížení HTS a PM. V obou případech proměřených charakteristik síla s rostoucí výchylkou rostla, až do elektrického kontaktu, který měl být ve 2 mm a 3 mm podle měřené charakteristiky. Jak je ale vidět z grafu 3.2 elektrický kontakt nastal již v 0,9 mm a 2,25 mm. Bylo to způsobeno nedokonalým záchytným polem, které nebylo symetrické, což způsobilo, že přibližující se roviny nebyly planparalelní. Při otáčení se rotor nakláněl vždy na jednu stranu. Toto naklonění rotoru nám při zmenšení vzduchové mezery způsobilo předčasný elektrický kontakt a tím i ukončení měření charakteristiky. Nedokonalost záchytného pole a následné naklonění rotoru nám znemožnilo proměřit charakteristiku při v = 1 mm. Důležité jsou také první měřené body obou vynesených charakteristik. Oba mají hodnotu síly F ≈ 3,5 N, tato síla odpovídá zátěži, kterou vytváří hmotnost rotoru a měřící aparatury. Za nejdůležitější vlastnost ložiska, kterou jsme zde měřili jsme považovali jeho nosnost v axiálním směru. V grafu 3.2 je nosnost vyznačena pro dané počáteční nastavení a přesně stanovena maximální silou v axiálním směru. Až do dosažení této maximální síly se ložisko chová velice pružně a vrací se vždy do původní polohy. Tato síla nám udává do jaké míry lze ložisko zatěžovat v axiálním směru. Nejlepší poloha pro záchytné pole se jeví v = 3 mm. V této poloze byla zjištěna největší zatěžovací síla F = 6,2 N. Při nižším nastavení v je maximální síla menší a při vyšším nastavení (v > 3 mm) by bylo méně stabilní záchytné pole.
3.1.2. Ověřování silových vlastností v radiálním směru Popis měření: Měření bylo realizováno ve výchozí pozici, kdy byly rotor a stator (HTS a PM disky) soustředně nad sebou v přesně definované vzdálenosti v. Následovalo zalití celého ložiskového systému kapalným dusíkem. Muselo se vyčkat než se supravodič a celý systém prochladil a vytvořilo se záchytné magnetické pole. Pak se mohly odšroubovat fixační šrouby. Jeden s fixačních šroubů byl vyšroubován z konstrukce. Do otvoru po šroubu byl zasunut prodloužený hrot siloměru (obr. 3.2). Pomocí tohoto siloměru byl rotor ložiska vychylován z výchozí pozice. Stejně jako v předchozím měření se síla působící na rotor ložiska přenášela na pružinu, která vychylovala setinový indikátor polohy. V tomto měření jsme hledali pouze maximální radiální záchytnou sílu, proto jsme vystačili pouze s jedním indikátorem výchylky. Při měření jsme se snažili co nejvíce oddálit rotor z původní centrální polohy, až do té míry, dokud vykazoval reverzibilní chování, tj. choval se pružně. Po dosažení této maximální výchylky d jsme ji odečetli a následně přepočetli na sílu F v Newtonech podle předem připravené cejchovací funkce (graf 3.1). Následovalo oddálení hrotu siloměru a návrat ložiskového systému do původní polohy. Toto měření jsme opakovali desetkrát.
Obr. 3.2: Uspořádání měřící pracoviště při měření silových vlastností v radiálním směru. Použité přístroje: Kapalný dusík (LN2), nádoba z vysocehustotního pěnového polystyrénu na doplňování chladiva (V = 1 l), transportní nádoba Union Karbide (V = 10 l), siloměr značky SOMET (rozsah: 10 mm, stupnice: 0,01mm), univerzální digitální měřící multimetr METEX ohmmetr (rozsah: 20 kΩ), dva spojovací kabely, vzorek pasivního magnetického ložiska [stator: HTS disk Y1-Ba2-Cu3-OX-7 – (Ø20,5 × 8) mm a Tc = 90 K, rotor (variabilní): PM disk NeFeB –(Ø20 × 5) mm a m = 12 g, PM disk NeFeB –(Ø22 × 6) mm a m = 18 g, PM prstenec NeFeB – (Ø40 × Ø23 × 5) a m = 42,8 g], značkovací fixy, fén, vysoušecí hadřík, posuvné měřítko. Zhodnocení výsledků měření: Měření maximální síly v radiálním směru a tím i nosnost axiálního ložiska jsme stanovili pro výchozí vzduchovou mezeru v = 1 mm. Bylo naměřena výchylka d = 1,5 mm což podle cejchovací funkce odpovídá síle F = 6,2 N. Dosáhli jsme vychýlení z původní centrální polohy až 8 mm a to znamená, že disk PM byl vychýlen okrajem téměř do středu HTS pelety (20,5 mm). Měření jsme opakovali desetkrát a zjistili jsme, že se systém chová velmi pružně a vždy se vrací do původní polohy.
3.1.3. Měření závislosti otáček na čase Popis měření: Podstatou tohoto měření bylo zjistit závislost otáček rotoru ložiska na čase do jeho zastavení. Před měřením této dynamické charakteristiky se musel na ložisku vyznačit reflexní pruh pro snímání otáček (obr. 3.3). Měření bylo realizováno ve výchozí pozici, kdy byly rotor a stator (HTS a PM disky) soustředně nad sebou v přesně definované vzdálenosti v. Následovalo zalití celého ložiskového systému kapalným dusíkem. Muselo se vyčkat než se supravodič prochladil a vytvořil záchytné magnetické pole. Pak se mohly odšroubovat fixační šrouby. Měření bylo realizováno tak, že se rukou roztočilo ložisko a zasunulo se pod otáčkoměr umístěný ve stojanu. Při prvním odečtení otáček se spustily stopky. Následovalo odečítání aktuálních otáček v časových intervalech 5, 10, 20 nebo 30 s podle potřeby. V průběhu měření se na rotoru tvořila námraza a překrývala reflexní pruh a tím znemožnila odečet otáček. Proto se musely na rotor v průběhu měření přidávat další reflexní proužky z hliníkové folie. Tato nepříjemnost značně komplikovala měření, ale vždy se podařilo proměřit celou charakteristiku až do nulových otáček. Měření jsme prováděli při dvou počátečních nastaveních vzduchové mezery v = 2 a 3 mm. Dále jsme měření prováděli pro obě nastavení ve dvou stavech, kdy se rotor brodil v kapalném dusíku nebo byl mimo dusíkovou lázeň - pouze ve vzduchu. Protože jsme vždy nevycházeli ze stejné hodnoty otáček byly všechny hodnoty otáček vyjádřeny poměrem n/n0, kde n jsou aktuální otáčky a n0 jsou počáteční otáčky. Naměřené a vypočtené hodnoty byly dány do tabulky (tab. 3.2) a vyneseny do grafu (graf 3.3).
Obr. 3.3: Uspořádání měřící pracoviště při měření závislosti otáček na čase. Použité přístroje: Kapalný dusík (LN2), nádoba z vysocehustotní pěnového polystyrénu na doplňování chladiva (V = 1 l), transportní nádoba Union Karbide (V = 10 l), Digitální otáčkoměr DT 2236 [rozsah: (5 až 99 999) ot/min), přesnost: ± 0,05 %, měřící vzdálenost: (50 až 150) mm] laboratorní stojan s držákem, vzorek pasivního magnetického ložiska [stator: HTS disk Y1Ba2-Cu3-OX-7 – (Ø20,5 × 8) mm a Tc = 90 K, rotor (variabilní): PM disk NeFeB –(Ø20 × 5) mm a m = 12 g, PM disk NeFeB –(Ø22 × 6) mm a m = 18 g, PM prstenec NeFeB – (Ø40 × Ø23 × 5) a m = 42,8 g], značkovací fixy, fén, vysoušecí hadřík, posuvné měřítko.
Tabulky naměřených a vypočtených hodnot: Měření při v = 2 mm v kapalném dusíku n (ot/min) t (s) n/n0 (-)
271 0 1,00
245 10 0,90
36 35 0,13
29 40 0,11
22 45 0,08
0 60 0,00
Měření při v = 2 mm mimo kapalný dusík n (ot/min) t (s) n/n0 (-) n (ot/min) t (s) n/n0 (-) n (ot/min) t (s) n/n0 (-)
389 0 1,00 253 90 0,65 150 210 0,39
373 10 0,96 223 120 0,57 143 220 0,37
355 20 0,91 212 130 0,54 137 230 0,35
336 30 0,86 203 140 0,52 125 250 0,32
319 40 0,82 184 160 0,47 120 260 0,31
305 50 0,78 177 170 0,46 84 330 0,22
291 60 0,75 170 180 0,44 72 360 0,19
276 70 0,71 164 190 0,42 60 390 0,15
264 80 0,68 156 200 0,40 0 560 0,00
Měření při v = 3 mm v kapalném dusíku n (ot/min) t (s) n/n0 (-)
130 0 1,00
112 10 0,86
84 20 0,65
35 30 0,27
25,3 40 0,19
0 60 0,00
Měření při v = 3 mm mimo kapalný dusík n (ot/min) t (s) n/n0 (-) n (ot/min) t (s) n/n0 (-) n (ot/min) t (s) n/n0 (-)
318 0 1,00 113 270 0,36 63 470 0,20
305 10 0,96 110 280 0,35 51 530 0,16
205 110 0,64 107 290 0,34 46 560 0,14
152 190 0,48 104 300 0,33 41 590 0,13
145 200 0,46 101 310 0,32 32 650 0,10
142 210 0,45 98 320 0,31 28 680 0,09
138 220 0,43 95 330 0,30 24 710 0,08
133 230 0,42 93 340 0,29 21,5 740 0,07
129 240 0,41 89 350 0,28 0 925 0,00
117 260 0,37 67 440 0,21
Tab. 3.2: Naměřené a vypočtené hodnoty měření závislosti otáček na čase při v = 2 mm a v = 3 mm. Graf závislosti otáček na čase při v = 2 mm a v = 3 mm n/n0 [-] 1,1
Polynomický (při v = 3 mm mimo kapalný dusík)
1,0
Polynomický (při v = 3 mm v kapalném dusíku) Polynomický (při v = 2 mm mimo kapalný dusík)
0,9 0,8
Polynomický (při v = 2 mm v kapalném dusíku)
0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0
60
120
180
240
300
360
420
480
540
600
660
720
780
840
900
960
t [s]
Graf 3.3: Graf závislosti otáček na čase při v = 2 mm a v = 3 mm.
Zhodnocení výsledků měření: Měření závislosti otáček na čase jsme provedli podle výše uvedeného postupu. Z uvedených charakteristik (graf 3.3) je zřejmé, že pokud je rotor ponořen v kapalném dusíku vzniká větší tření a celkový čas otáčení je mnohem kratší. Jak bylo zjištěno při počátečním nastavení v = 2 mm je cca 9krát a při v = 3 mm je cca 15krát delší doběhová charakteristika když je rotor pouze ve vzduchu, než když se brodí v kapalném dusíku. Dále můžeme srovnat charakteristiky pro obě počáteční nastavení. Zde jasně dominuje počáteční nastavení v = 3 mm při kterém se dokázal rotor otáčet přes 15 minut. Je zde zapotřebí také zmínit že záchytné pole nebylo ani v jediném případě dokonalé a otáčení nebylo tedy symetrické. Dalším omezením experimentu byla nutnost dolévání dusíku během měření a tím se tedy měnili podmínky během měření. 3.2. Radiální magnetické ložisko 3.2.1. Ověřování silových vlastností v axiálním směru Popis měření: Měření bylo realizováno naprosto stejným způsobem a pomocí stejných pomůcek a přístrojů, jako při ověřování silových vlastností v axiálním směru u axiálního magnetického ložiska (viz kapitola č. 3.1.1). Rozdíl byl pouze v nastavování výchozí polohy. Ve výchozí poloze byl rotor umístěn ve statoru tak, že HTS peleta byla centricky umístěna uprostřed PM toroidu jak v horizontální, tak vertikální poloze. Rotor byl fixován v této pozici 13 mm nad dnem statorové nádoby. Tento stav se označil jako v = 0 mm (obr. 3.4 vlevo). V tomto stavu byla proměřena charakteristika závislosti axiální síly na výchylce v axiálním směru a také maximální nosná síla radiálního ložiska. Dále byla zjišťována maximální nosná síla v dalších dvou polohách: v = 5 mm nahoru (obr. 3.4 uprostřed) a v = 1 mm dolu (obr. 3.4 vpravo). Nutno podotknout, že vychylování probíhalo vždy směrem dolů. Výsledky byly zpracovány tabelárně (tab. 3.2) a graficky (graf 3.4).
Obr. 3.4: Schematické naznačení nastavení pozic rotoru, bráno z leva: v = 0 mm, v = 5 mm nahoru a v = 1 mm dolu. Tabulka naměřených a vypočtených hodnot: d (mm) L (mm) l (mm) F (N)
0 0 0 0
0,87 1,8 0,93 3,7
Centrická poloha: v = 0 mm 1,07 1,27 1,47 1,67 2,15 2,5 2,88 3,5 1,08 1,23 1,41 1,83 4,5 5,5 6 6,8
1,87 4,11 2,24 7,5
1,9 5,02 3,12 7,7
2,04 6,05 4,01 8,2
Tab. 3.2: Naměřené hodnoty závislosti axiální síly na výchylce v axiálním směru při v = 0 mm.
Graf závislosti axiální síly na výchylce v axiálním směru: F [N]
9 8
8,2
7
6,9 6,6
6 5 4
zavislost F na l při v = 0 mm
3
Fmax pri v = 0 mm Fmax pri v = 5 mm nahoru
2
Fmax pri v = 1 mm dolu
1
Polynomický (zavislost F na l při v = 0 mm)
0 0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
l [mm]
4,5
Graf 3.4: Graf závislosti axiální síly na výchylce v axiálním směru. Zhodnocení výsledků měření: Jak je vidět z grafu 3.4 naměřená charakteristika dobře odpovídá teoretickým předpokladům. Se zvyšující se výchylkou roste i záchytná síla, která se snaží vrátit rotor do původní polohy. Z ploché části křivky je možné určit maximum zatěžovací síly. Je zde vidět charakteristická rovina, která končí v maximu. Toto maximum nám udává maximální zátěžnou sílu radiálního ložiska v axiálním směru, které bylo pro centrické nastavení (v = 0 mm) zjištěno F = 8,2 N. V dalších dvou polohách ve kterých jsme měřili byly maximální zatěžovací síly naměřeny menší. Můžeme konstatovat že nejlepší provoz by byl právě v této centrické poloze. Dále bylo zjištěno, že záchytné pole je velmi symetrické a systém se chová velmi pružně až do maximální zatěžovací síly. 3.2.2. Ověřování silových vlastností v radiálním směru Popis měření: Měření bylo realizováno naprosto stejným způsobem a byly použity stejné pomůcky a přístroje, jako při ověřování silových vlastností v radiálním směru u axiálního magnetického ložiska (viz kapitola 3.1.2). Rozdíl byl v nastavení výchozí polohy. Rotor byl umístěn ve statoru tak, že HTS peleta byla centricky umístěna uprostřed PM toroidu jak v horizontální, tak vertikální poloze. Tento stav se označil jako v = 0 mm (obr. 3.4 vlevo). V tomto stavu byla měřena maximální nosná síla ložiska v radiálním směru. Protože vzduchová mezera dána naším konkrétním uspořádáním byla pouze 1 mm nemohli jsme víc vychýlit rotor. Abychom nepoškodili konstrukci ložiska použili jsme pro indikaci dotyku rotoru se statorem elektrický kontakt. Zhodnocení výsledků měření: Při tomto měření jsme zjišťovali pouze maximální možnou nosnost radiálního ložiska v radiálním směru a to v centrické poloze (v = 0 mm). Na setinovém indikátoru jsme naměřili výchylku d = 0,45 mm a to odpovídá síle F = 2,1 N. Tato maximální síla není příliš velká. Je to způsobeno malou vzduchovou mezerou, která je pouze 1 mm. Je nutné podotknout, že záchytné pole bylo velmi dobré, celý systém se choval symetricky a pružně.
3.2.3. Měření závislosti otáček na čase Popis měření: Měření bylo realizováno naprosto stejným způsobem a byly použity stejné pomůcky a přístroje, jako při měření závislosti otáček na čase u axiálního magnetického ložiska (viz kapitola 3.1.3). Rozdíl byl v nastavení výchozí polohy, to bylo provedeno stejným způsobem jako v kapitole č. 3.2.1. Byly proměřeny charakteristiky v polohách v = 0 mm, v = 5 mm nahoru (bez kapalného dusíku) a v = 1 mm dolu (s kapalným dusíkem). Výsledky měření byly tabelovány (tab. 3.3) a vyneseny do grafu (graf 3.5 ). Tabulky naměřených a vypočtených hodnot: n (ot/min) t (s) n/n0 (-)
120 0 1,00
n (ot/min) t (s) n/n0 (-)
42 55 0,35
Měření při v = 0 mm (centrická poloha) v kapalném dusíku 110 95 84 77 70 63 57 5 10 15 20 25 35 40 0,92 0,79 0,70 0,64 0,58 0,53 0,48
39
33
30
60 0,33
70 0,28
75 0,25
26 80 0,22
23 90 0,19
21 95 0,18
18 105 0,15
51 45 0,43
47 50 0,39
16 110 0,13
0 180 0,00 200 90 0,59
Měření při v = 0 mm (centrická poloha) mimo kapalný dusík n (ot/min) t (s) n/n0 (-)
341 0 1,00
320 10 0,94
301 20 0,88
280 30 0,82
266 40 0,78
251 50 0,74
236 60 0,69
224 70 0,66
211 80 0,62
n (ot/min)
189
179
169
161
151
130
104
79
0
t (s) n/n0 (-)
100 0,55
110 0,52
120 0,50
130 0,47
140 0,44
170 0,38
200 0,30
230 0,23
455 0,00
Měření při v = 1mm dolů v kapalném dusíku n (ot/min) t (s) n/n0 (-)
149 0 1,00
75 15 0,50
48 30 0,32
32 45 0,21
21 60 0,14
14 75 0,09
8,5 90 0,06
0 105 0,00
Měření závislosti velikosti otáček na čase při v = 5 mm nahoru mimo kapalný dusík n (ot/min) t (s) n/n0 (-) n (ot/min) t (s) n/n0 (-) n (ot/min) t (s) n/n0 (-) n (ot/min) t (s) n/n0 (-)
194 0 1,00 165 50 0,85 130 135 0,67 81 305 0,42
191 5 0,98 163 55 0,84 127 145 0,65 73 335 0,38
186 10 0,96 161 60 0,83 123 155 0,63 29 635 0,15
183 15 0,94 159 65 0,82 119 165 0,61 26,7 665 0,14
180 20 0,93 154 75 0,79 117 175 0,60 24,1 695 0,12
178 25 0,92 149 85 0,77 113 185 0,58 21,3 725 0,11
176 30 0,91 145 95 0,75 108 205 0,56 18,9 755 0,10
173 35 0,89 141 105 0,73 102 225 0,53 16,8 785 0,09
Tab. 3.3: Naměřené hodnoty závislosti měření otáček na čase.
170 40 0,88 138 115 0,71 96 245 0,49 14,4 815 0,07
168 45 0,87 134 125 0,69 88 275 0,45 0 905 0,00
Graf závislosti měření otáček na čase: n/n0 [ot/min] 1,1 Polynomický Polynomický Polynomický Polynomický
1,0 0,9
(při 5 mm nahoru mimo kapalný dusík) (při v = 0 mm mimo kapalný dusík) (při v = 0 mm v kapalném dusíku) (při v = 1 mm dolu v kapalném dusíku)
0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0
60
120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960 t [s]
Graf 3.5: Graf závislosti měření otáček na čase. Zhodnocení výsledků měření: Měření závislosti otáček na čase jsme provedli podle výše uvedeného postupu. Z uvedených charakteristik je zřejmé, že pokud je rotor ponořen v kapalném dusíku vzniká větší tření a celkový čas otáčení je mnohem kratší, to je zřejmé u charakteristiky při v =0 mm. Nejdelší doběh jsme naměřili v poloze, kdy je ložisko hodně zvednuto nahoru z centrální polohy (v = 5 mm) a to asi 15 minut. Je to způsobeno dokonale symetrickým záchytným polem a naprostým vyloučením kontaktu rotoru s kapalným dusíkem, který i při doplňování neovlivní otáčení rotoru. 3.3. Axiálně – radiální magnetické ložisko 3.3.1. Ověřování silových vlastností v axiálním směru Popis měření: Měření bylo realizováno naprosto stejným způsobem a pomocí stejných pomůcek a přístrojů, jako při ověřování silových vlastností v axiálním směru u axiálního magnetického ložiska (viz kapitola č. 3.1.1). Rozdíl byl pouze v nastavování výchozí polohy. Ve výchozí poloze byl rotor umístěn ve statoru tak, že HTS peleta byla centricky umístěna uprostřed PM toroidu jak v horizontální, tak vertikální poloze a zároveň mezera mezi HTS a distanční deskou byla 2 mm. Tento stav se označil jako v = 0 mm (obr. 3.5 vlevo). V tomto stavu byla proměřena charakteristika závislosti axiální síly na výchylce v axiálním směru a také maximální nosná síla axiálně - radiálního ložiska. Dále byla proměřena stejná charakteristika i maximální nosná síla pro výchozí nastavení: v = 1 mm nahoru (obr. 3.5 vpravo). Výsledky byly zpracovány tabelárně (tab. 3.4) a graficky (graf 3.6).
Obr. 3.5: Schematické naznačení nastavení pozic rotoru, bráno z leva: v = 0 mm a v = 1 mm nahoru. Tabulka naměřených a vypočtených hodnot: d (mm) L (mm) l (mm) F (N) d (mm) L (mm) l (mm) F (N)
0 0 0 0
Měření při v = 0 mm 0,9 1,1 2,7 2,95 1,8 1,85 3,8 4,6
1,2 3,06 1,86 5
1,3 3,27 1,97 5,4
Měření při v = 1 mm nahoru 0,8 0,9 1 1,1 2,8 3,08 3,3 3,55 2 2,18 2,3 2,45 3,5 3,8 4,5 4,6
0 0 0 0
1,2 3,7 2,5 5
1,4 4,4 3 5,8
Tab. 3.4: Naměřené hodnoty závislosti axiální síly na výchylce v axiálním směru při v = 0 mm a v = 1 mm nahoru. Graf závislosti axiální síly na výchylce v axiálním směru: 7 F [N] 6
5,8 5,4
5 4 3 2 1 0 0
0,5
1
1,5
2
2,5
3 l [mm] 3,5
Zavislost Faxi na laxi při v = 0 mm
Zavislost Faxi na laxi při v = 1 mm nahoru
dotyk při v = 1 mm nahoru
Fmax při v = 0 mm
Fmax při v = 1 mm nahoru
dotyk při v = 0 mm
Polynomický (Zavislost Faxi na laxi při v = 1 mm nahoru)
Polinom (Závislost Faxi na laxi při v = 0 mm)
Graf 3.6: Graf závislosti axiální síly na výchylce v axiálním směru.
Zhodnocení výsledků měření: Jak můžeme vidět v grafu 3.6 naměřená charakteristika téměř odpovídá teoretickým předpokladům. Se zvyšující se výchylkou roste i záchytná síla, která se snaží vrátit rotor do původní polohy. V obou případech proměřených charakteristik je průběh rostoucí síly značně lineární a není zde vidět ani charakteristická rovina před dosažením maxima zátěžné síly. Je to způsobeno také tím, že síla magnetického pole nebyla dostatečná a rotor poklesl vlastní hmotností a hmotností měřícího zařízení o 1,8 mm (při v = 0 mm) a o 2 mm (při v = 1 mm nahoru), což je poměrně velký pokles. Maximální zátěžná síla radiálního ložiska v axiálním směru pro centrické nastavení (v = 0 mm) byla F = 5,8 N a pro výchozí pozici v = 1 mm nahoru byla naměřena síla F = 5,4 N. Tyto hodnoty naměřených maximálních sil i celá tuhost systému zůstali za očekáváním. Předpokládali jsme, že axiálně - radiální uspořádání ložiskového systému bude mít velké hodnot maximální zatěžovací síly a tuhost systému bude vysoká. 3.3.2. Ověřování sílových vlastností v radiálním směru Popis měření: Měření bylo realizováno naprosto stejným způsobem a byly použity stejné pomůcky a přístroje, jako při ověřování silových vlastností v radiálním směru u axiálního magnetického ložiska (viz kapitola 3.1.2). Rozdíl byl v nastavení výchozí polohy. Rotor byl umístěn ve statoru tak, že HTS peleta byla centricky umístěna uprostřed PM toroidu jak v horizontální, tak vertikální poloze. Tento stav se označil jako v = 0 mm (obr. 3.5 vlevo). V tomto stavu byla měřena maximální nosná síla ložiska v radiálním směru. Protože vzduchová mezera dána naším konkrétním uspořádáním byla pouze 1 mm nemohli jsme víc vychýlit rotor. Abychom nepoškodili konstrukci ložiska použili jsme pro indikaci dotyku rotoru se statorem elektrický kontakt. Zhodnocení výsledků měření: Při tomto měření jsme zjišťovali pouze maximální možnou nosnost radiálního ložiska v radiálním směru a to v centrické poloze (v = 0 mm). Na setinovém indikátoru jsme naměřili výchylku d = 0,55 mm a to odpovídá síle F = 2,5 N. Tato maximální síla není příliš velká. Je to způsobeno malou vzduchovou mezerou, která je pouze 1 mm. Je nutné podotknout, že záchytné pole bylo velmi dobré, celý systém se choval téměř symetricky a pružně. 3.3.3. Měření závislosti otáček na čase Popis měření: Měření bylo realizováno naprosto stejným způsobem a byly použity stejné pomůcky a přístroje, jako při měření závislosti otáček na čase u axiálního magnetického ložiska (viz kapitola č. 3.1.3). Rozdíl byl v nastavení výchozí polohy, to bylo provedeno stejným způsobem jako v kapitole č. 3.3.1. Byly proměřeny charakteristiky v polohách v = 0 mm a v = 1 mm nahoru ve stavu v kapalném dusíku a mimo lázeň kapalného dusíku (ve vzduchu). Další stavy, které jsme mohli porovnat byly: rotor s izolační distanční deskou nebo mosaznou distanční deskou. Výsledky měření byly tabelovány (tab. 3.5) a vyneseny do grafu (graf 3.7).
Tabulka naměřených a vypočtených hodnot: Měření při v = 0 mm v kapalném dusíku, s izolační deskou n (ot/min) t (s) n/n0 (-)
342 0 1,00
172 10 0,50
83 20 0,24
48 30 0,14
0 35 0,00
Měření při v = 0 mm mimo kapalný dusík, s izolační deskou n (ot/min) t (s) n/n0 (-)
453 0 1,00
396 10 0,87
328 20 0,72
266 30 0,59
215 40 0,47
164 50 0,36
122 60 0,27
75 70 0,17
40 80 0,09
0 85 0,00
Měření při v = 0 mm mimo kapalný dusík, s mosaznou deskou n (ot/min) 300 216 126 52 0 t (s) 0 10 20 30 40 n/n0 (-) 1,00 0,72 0,42 0,17 0,00 Měření při v = 1 mm v kapalném dusíku, s izolační deskou 195 149 109 76 63 37 23 5 10 15 20 25 30 35 0,79 0,60 0,44 0,31 0,25 0,15 0,09
n (ot/min) t (s) n/n0 (-)
248 0 1,00
n (ot/min) t (s) n/n0 (-) n (ot/min) t (s) n/n0 (-)
Měření při v = 1 mm mimo kapalný dusík, s izolační deskou 431 399 363 328 290 263 233 0 10 20 30 40 50 60 1,00 0,93 0,84 0,76 0,67 0,61 0,54 161 139 114 91 73 56 37 90 100 110 120 130 140 150 0,37 0,32 0,26 0,21 0,17 0,13 0,09
n (ot/min) t (s) n/n0 (-)
277 0 1,00
211 70 0,49 22 160 0,05
Měření při v = 1 mm v kapalném dusíku, s mosaznou deskou 219 179 140 118 75 64 41 5 10 15 20 25 30 35 0,79 0,65 0,51 0,43 0,27 0,23 0,15
Měření n (ot/min) t (s) n/n0 (-) n (ot/min) t (s) n/n0 (-)
při v = 1 mm mimo kapalný dusík, s mosaznou deskou 390 354 324 294 261 230 0 10 20 30 40 50 1,00 0,91 0,83 0,75 0,67 0,59 175 152 130 63 44 22 70 80 90 120 130 140 0,45 0,39 0,33 0,16 0,11 0,06
0 40 0,00 182 80 0,42 0 166 0,00 29 40 0,10
206 60 0,53 0 150 0,00
Tab. 3.5: Naměřené hodnoty závislosti měření otáček na čase.
0 43 0,00
Graf závislosti měření otáček na čase: n/n0 [-] 1,1 Polynomický Polynomický Polynomický Polynomický Polynomický Polynomický Polynomický
1,0 0,9 0,8 0,7
(při v (při v (při v (při v (při v (při v (při v
= 1 mm mimo kapalný dusík, s izolační deskou) = 1 mm mimo kapalný dusík, s mosaznou deskou) = 0 mm mimo kapalný dusík, s izolační deskou) = 1 mm v kapalném dusíku, s mosaznou deskou) = 0 mm mimo kapalný dusík, s mosaznou deskou) = 1 mm v kapalném dusíku, s izolační deskou) = 0 mm v kapalném dusíku, s izolační deskou)
0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0
20
40
60
80
100
120
140
160
t [s]
180
Graf 3.7: Graf závislosti měření otáček na čase. Zhodnocení výsledků měření: Měření závislosti otáček na čase jsme provedli podle výše uvedeného postupu. Z uvedených charakteristik je zřejmé, že pokud je rotor ponořen v kapalném dusíku vzniká větší tření a celkový čas otáčení je mnohem kratší. Nejdelší doběh jsme naměřili v nastavení v = 1 mm nahoru mimo kapalný dusík a s izolační distanční deskou t = 166 s. Tato hodnota je velmi malá oproti hodnotám naměřeným u radiálního nebo axiálního uspořádání ložiska. Je to zřejmě způsobeno rozložením záchytného magnetického pole, které zřejmě fixuje fluxoidy v šikmém směru. To také způsobuje, že systém není dokonale symetrický. Při porovnání stavů s izolační a mosaznou deskou je patrné, že uspořádání s mosaznou deskou má kratší doběhovou charakteristiku. Je to zřejmě způsobeno vířivými proudy, které se v desce indukují a rotor ložiska při otáčení brzdí. Tento jev je patrný u nastavení v = 0 mm mimo lázeň kapalného dusíku. 4. Zhodnocení V této práci jsme se zabývali návrhem, zhotovením a ověřením základních charakteristik pasivního magnetického ložiska. Snažili jsme se navrhnout co nejjednodušší uspořádání konstrukce s větším počtem variant a přitom jsme museli brát v potaz všechny omezující podmínky. Byla navržena univerzální konstrukce, která má tři základní uspořádání (axiální magnetické ložisko s HTS statorem a rotorem z PM ve tvaru plochého disku, radiální magnetické ložisko s HTS statorem a rotorem z PM ve tvaru toroidu a jedná se o konstrukci z vnějším rotorem, axiálně – radiální magnetické ložisko s HTS statorem a rotorem z PM tvořeného soustavou toroidu a plochého disku popřípadě toroidu a dvou disků) a až sedm různých variant. Ložisko má společnou neměnnou statorovou konstrukci a liší se uspořádáním PM v rotoru ložiska. U třech uvedených základních uspořádání bylo provedeno ověření silových vlastností v radiálním i axiálním směru a byly změřeny závislosti otáček na čase – doběhové charakteristiky. Měření jsme prováděli při různých nastaveních a vyhodnocovali jsme při
jakých uspořádání ložisko pracuje nejlépe a jak se může maximálně při daném uspořádání zatížit. Při experimentálním měření jsme museli brát v potaz nedokonalou horizontální rovinu (laboratorní stůl) na které byla umístěna měřící aparatura. Dále při ověřování silových vlastností musela být brána v úvahu pružnost navržené měřící soustavy. Ta byla proměřena a zjištěná chyba měřící aparatury činila cca 2 % na rozsahu 1 mm. V zhledem k našim měřením jsme mohli takto malou chybu zanedbat. Dále byla přesnost soustavy ověřena druhým způsobem měření, kdy byl PM přitlačen na kontakt k HTS a od této polohy oddalován. Výsledky byly totožné s metodou, která byla zvolena jako hlavní. Z naměřených výsledků bylo zjištěno, že nejlepší uspořádání ložiskového systému je radiální s HTS statorem a rotorem z PM ve tvaru toroidu. Toto uspořádání má největší tuhost, pružnost i nejdelší doběh ze všech tří konstrukčních uspořádání. Při měření radiálně – axiálního ložiska se ukázalo, že důležitější je rozložení magnetického pole PM než jeho velikost. Ta byla u axiálně – radiálního uspořádání dvojnásobně velká než u radiálního a přesto mělo radiální uspořádání ložiska mnohem lepší vlastnosti. Tato vlastnost by se dala ověřit přidáním dalšího rozměrově stejného PM ve tvaru toroidu do soustavy radiálního ložiska. Navržený funkční vzorek by měl sloužit ke školním demonstračním účelům popřípadě k dalšímu ověřování různých charakteristik magnetického ložiska. Měření, podle kterých by se dalo magnetické ložisko optimalizovat, by se dala uskutečnit ještě celá řada. Nám se z časových důvodů a kvůli náročnosti měření podařilo naměřit pouze základní soubor charakteristik. Experimenty, které jsme prováděli byly náročné také z hlediska spotřeby kapalného dusíku, kterým jsme byli omezeni. Bylo spočteno, že na počáteční prochlazení celého ložiskového systému bylo spotřebováno cca 0,5 litru kapalného dusíku a dalších několik decilitrů bylo spotřebováno během experimentu. Konstrukce ložiska by mohla být vylepšena v několika směrech. První vylepšení by se týkalo fixačních šroubů, které by měly být mosazné a s delším hrotem. Zajišťovalo by to lepší fixaci rotoru. Druhé vylepšení by se týkalo chlazení, které by mohlo být provedeno výměníkem přes měděný válec. Pro absolutní bezeztrátovost systému a vyloučení dalších vnějších vlivů by se mohl celý ložiskový systém umístit do recipientu a provozovat ve vakuu. Pokud srovnáme magnetické ložisko s uplatněním HTS a klasické mechanické ložisko, je zřejmé, že magnetické ložisko má v mnoha směrech lepší vlastnosti, ale příliš velká složitost celého sytému pasivního magnetického ložiska zatím nedovoluje větší rozšíření do praxe. 5. Seznam literatury [1] Hrbek, J., Kuba, J.: Kryotechnika, skriptum, ES ČVUT, Praha 1982 [2] Šidlo, L.: Vlastnosti a technologie vysokoteplotních supravodičů. Bakalářská práce. Praha: ČVUT, fakulta elektrotechnická, katedra elektrotechnologie, 2006, 66 s [3] Nagaya, S., Kashima, N., Kawashima, H., Kakiuchi, Y., Hostino, A., Isobe, S.: Development of the axial gap type motor/generator for the flywheel with superconducting magnetic bearings, Physica C: Superconductivity, Volumes 392-396, Part 1, October 2003, Pages 764-768. [4] Demachi, K., Masaie, I., Ichihara, T., Kita M.: Rotation speed degradation of superconducting magnetic bearing made of unsymmetrical shaped YBCO bulks, Physica C: Superconductivity, Volumes 426-431, Part 1, 1 October 2005, Pages 826-833. [5] Matveev, V., Nizhelskiy, N., Poluschenko O.: Force and stiffness characteristics of superconducting bearing prototype, Physica C: Superconductivity, Volume 416, Issues 12, 15 November 2004, Pages 17-24. [6] Masaie, I., Demachi, K., Matsunaga, K., Uesaka M.: Numerical evaluation of rotation speed degradation of SMB in the 100 kW h superconducting flywheel, Physica C: Superconductivity, Volumes 412 -414, Part 1, October 2004, Pages 784-788.
