цифика конструкций КЭМ выдвигает ряд новых требований к их расчету. Рассмотрим подробнее особенности отдельных узлов на конкретных примерах КЭМ, которые были разработаны, изготовлены и испытаны в течение последних лет.

1.2.3. Сверхпрс-водниковая обмотка возбуждения

Обмотка возбуждения КЭМ выполняется из сверхпроводников, поэтому ее устройство и работа существенно отличаются от функционирования электромагнитов (с обмотками из меди или алюминия) или постоянных магнитов в индукторах обычных электрических машин.

Конструкция обмотки индуктора КЭМ должна создавать условия, при которых реализуется замечательное свойство сверхпроводников - отсутствие электрического сопротивления и, следовательно, электрических потерь при протекании постоянного тока. Обмотка возбуждения выполняется из сверхпроводников второго рода, которые обеспечивают высокие предельные значения индукции магнитного поля и плотности тока. Получение таких сверхпроводников явилось крупным достижением XX в. в области физики твердого тела и металлофизики и стало основой нового направления в электротехнике.

Как известно, технические свойства сверхпроводников характеризуются тремя предельными параметрами: критической температурой перехода, критическим значением индукции магнитного поля и критическим током. Пространственная диаграмма взаимосвязи этих параметров определяет область существования сверхпроводимости. При достижении критических границ этой трехмерной зависимости происходит разрушение сверхпроводимости и переход проводника в нормальное состояние.

При протекании тока в обмотке возбуждения в результате взаимодействия с магнитным полем возникают электромагнитные силы, которые стремятся деформировать обмотку. Как показали исследования, проведенные в последние годы [1.1], деформации обмотки приводят к существенному снижению критического тока. Поэтому конструкция обмотки должна обеспечивать сохранение формы и не должна допускать деформации под действием внутренних сил.

При протекании токов по обмоткам возбуждения и якоря в рабочем режиме КЭМ вследствие отсутствия ферромагнитопровода возникает непосредственное силовое взаимодействие между первичной и вторичной электрическими

цепями. Приложенные к обмотке якоря усилия соответствуют электромагнитному моменту. Крепление обмотки должно быть рассчитано на восприятие этого момента.

В конструкциях индукторов КЭМ распространены различные виды сверхпроводниковых обмоток. Для разно-именнополюсных магнитных систем применяют две геометрические формы катушек: плоскую и седлообразную. Технология намотки плоских катушек проще, боковую поверхность обмотки удобно бандажировать для предохранения от деформации под действием внутренних сил.

Рис. 1.5. Обмотка возбуждения полюса из плоских катушек

На рис. 1.5 показана обмотка, выполненная из плоских катушек фирмой Дженерал Электрик для турбогенератора 20 МВт [1.2]. Катушки намотаны из ниобий-титанового провода прямоугольного сечения размером 1,27Х Х2,54 мм и пропитаны эпоксидным компаундом.

Применение алюминиевого сплава для бандажа позволяет за счет разных значений линейного теплового расширения обмотки и бандажа создать предварительный натяг бандажа при охлаждении обмотки. Такая конструкция позволила свести к минимуму деформацию катушки при питании ее током и практически избежать деградации, т. е. снижения критического тока.

Применение цилиндрической обмотки из катушек седлообразной формы позволяет с наибольшей эффективностью использовать магнитный поток и получить в зоне обмотки якоря высокие значения магнитной индукции. В такой конструкции витки обмотки возбуждения находятся ближе к обмотке якоря, чем в плоской обмотке. Однако технология изготовления данных обмоток значительно сложнее, так как требуется операция гибки. Кроме того, возникают сложности при бандажировке седлообразной обмотки.

На рис. 1.6 показан полюс седлообразной обмотки возбуждения криодвигателя 200 кВт [1.3]. Полюсная катушка выполнена из четырех модулей. Каждый модуль наматывался из круглого ниобий-титанового провода диамет-2-287 , , 17

Phq. 1.6. Седлообразная обмотка возбуждения полюса

ром 0,85 мм на шаблон плоской формы. Эпоксидный компаунд с присадкой из нитрида бора наносится через фильеру в процессе намотки. Плоские модули собираются в полюс, и в специальной пресс-форме им придается седлообразная форма. После термообработки на полюс надевается стальной бандаж, выполненный по форме боковой поверхности катушки.

Для униполярных КЭМ обмотка возбуждения выполняется в виде одной или двух круглых неподвижных сверхпроводниковых катушек с прямоугольным поперечным сечением.

1.2.4. Якорь

В соответствии с рассмотренными принципиальными схемами выполнения КЭМ якорь может быть выполнен неподвижным или вращающимся.

а) Неподвижный якорь. Эта конструкция якоря (статора) типична для криотурбогенераторов. В электромашиностроении разработано несколько модификаций конструкции неподвижного якоря. Они отличаются различными способами изготовления обмотки якоря, ее крепления, охлаждения и экранирования [1.4-1.6]. Все эти конструкции имеют характерную особенность - отсутствие ферромагнитных зубцовых зон в активном слое КЭМ.

В конструкции якоря широко используют стеклопластики и пластмассы, которые обеспечивают необходимую прочность и позволяют в отличие от металлов избежать потерь от вихревых токов.

Рис. 1.7. Статор криотурбогеиератора из стеклопластика

Одну из таких конструкций можно проиллюстрировать на примере статора криотурбогеиератора 200 кВт [1.7], показанного на рис. 1.7 и на схеме рис. 1.8. Корпус ста-

Р.ие. 1.8. Коиетруктивная схема статора

тора / изготовлен из стеклотекстолита. Обмотка 2 выполнена однослойной из транспонированных проводов прямоугольного сечения размером 19X10 мм. Каждый провод скручен из медных эмалированных проводников диаметром 0,83 мм. Обмотка уложена в пазы, образованные на внутренней поверхности корпуса, и укреплена с помощью клиньев 3. В системе крепления обмотки образованы каналы 4 для аксиального жидкостного охлаждения пазовой и лобовой частей обмотки. Охлаждение обмотки осуществляется с помощью трансформаторного масла, которое циркулирует в полости, ограниченной наружным и внутренним стеклотекстолитовыми цилиндрами. Для экранирования 1 -у внешнего пространства на корпус

статора надет шихтованный ферромагнитный экран 5.

Другая модификация конструкции якоря, которая получила широкое распространение, предусматривает охлаждение обмотки якоря с помощью системы трубчатых охладителей, по которым прокачивается вода или масло. Для снижения потерь на вихревые токи охлаждающие

Рис. 1.9. Конструкция стержня с водяным

охлаждением: / - литцеидрат; 2 - трубки охлаждения; 3-вода

Рис. 1.10. Якорь криодвигателя мощностью 200 кВт

трубки ВЫПОЛНЯЮТСЯ из нержавеющей стали или сплава

высокого сопротивления, например мельхиора. На рис. 1.9 показана конструкция стержня обмотки якоря, разработанная фирмой Дженерал Электрик для криотурбогенератора 20 МВт [1.2]. Стержень имеет полную транспозицию, при этом элементарный проводник выполнен в виде плетеных проводов из круглого эмалированного провода. Такое мелкое разбиение проводников необходимо для уменьшения потерь, но приводит к снижению коэффициента заполнения обмотки медью.

Крепление обмотки якоря выполняется различными способами. От тангенциальных перемещений обмотка удерживается стеклотекстолитовыми клиньями, которые прикреплены с помощью ласточкиных хвостов к шихтованному ферромагнитному экрану. От радиальных перемещений обмотка удерживается с помощью колец или клиньев.

б) Вращающийся якорь. Конструкция якоря криодвигателя с неподвижным криостатом была разработана в [1.8]. Основная конструкторская тенденция заключалась в том, чтобы получить минимальный осевой момент инерции ротора.

Общий вид якоря криодвигателя показан на рис. 1.10. Пакет немагнитного сердечника якоря набран из листового штампованного титана и установлен на жесткой втулке на валу двигателя. Штамповка пазовой части и вентиляционных каналов листов пакета якоря выполнена на пазовом штамповочном станке с применением обычных по характеристикам штампов (при толщине листа 1,2 м). Использование листового титана в сердечнике якоря позволило резко сократить размеры спинки якоря и ширину зубца по сравнению с аналогичными размерами в якоре из электротехнической стали. Такое уменьшение размеров обеспечивается механической прочностью титана, превышающей прочность стали более чем в 2 раза, и не связано с индукцией. Возможность уменьшения массы якоря отражает одно из важнейших преимуществ криогенных двигателей перед традиционными - перспективу создания электрических приводов большой мощности для реверсивных режимов работы с малоинерционпым ротором КЭМ.

Обмотка якоря изготовлена из высокочастотного провода прямоугольного сечения 1,8X3,8 мм, каждый проводник которого изолирован лаком повышенной теплостойкости на полиамидной основе, допускающим нагрев до 453 К. Пазовая изоляция выполнена с использованием полиимид-но-полиамидной пленки, обладающей высокими механиче-