1.2. Особенности конструкции

Конструкция КЭМ совершенствовалась и видоизменялась по мере их развития. Несмотря на разнообразие конструктивных решений КЭМ, предлагаемых в СССР и за рубежом различными электромашиностроительными фирмами, в настоящее время можно выделить основные, характерные черты новой конструкции, общие для данного класса машин. В соответствии с принятой классификацией КЭМ может быть выполнена на основе двух принципиальных конструктивных схем: с неподвижным криоста-том, с вращающимся криостатом.

1.2.1. Конструкция с неподвижным криостатом

Конструктивная схема КЭМ с неподвижным криостатом показана на рис. 1.2. Сверхпроводниковая обмотка

Рис. 1.2. Конструктивная схема КЭМ с наружно расположенным неподвижным криостатом

возбуждения / помещается в гелиевой ванне 2 и закрепляется с помощью подвески 3, которая должна иметь малую теплопроводность при большой механической прочности. Для этого служит специальная конструкция, обычно называемая тепловым мостом (правильнее ее было бы именовать тепловым замком ). Подвеска крепится к основанию азотной камеры 5. Для ограничения радиационных теплопритоков гелиевая камера окружена тепловым

экраном 4. Экран конструируется таким образом, чтобы температурный перепад в нем был минимальным. Для этого он выполняется из материала высокой теплопроводности или имеет внутреннее охлаждение. Азотная камера обеспечивает возможность дополнительного теплового экранирования и значительно снижает теплопритоки к гелиевой камере. Криостат предусматривает наличие трех независимых герметизированных объемов: гелиевого, азотного и вакуумного. Он должен быть двойным совершенным сосудом Дьюара, в котором тепловая изоляция обеспечивается наличием вакуумных полостей с остаточным давлением не более 0,013 Па (IQ-* мм рт. ст.). Вакуумный объем ограничивается стальной наружной оболочкой 6, которая рассчитывается на действие внешнего (атмосферного) давления.

На внутренней обечайке оболочки 6 располагается электромагнитный экран 7, который выполняется в виде медного цилиндра или стержней с короткозамыкающими кольцами. Электромагнитный экран предназначается в качестве демпфера для защиты сверхпроводниковой обмотки возбуждения от воздействия переменных магнитных полей, возникающих в обмотке якоря 8 при несимметричных режимах работы, и от ударных электродинамических . воздействий при внезапных коротких замыканиях в цепи якоря. На наружной обечайке цилиндрической оболочки криостата закрепляется система подвески азотной камеры.

Подача жидкого гелия осуществляется с помощью спиральной вакуумной трубки - гелиоподвода 9. Ток в обмотку возбуждения подводится с помощью токоввода 10. Конструкция токоввода должна обеспечить минимальный теплоприток в гелиевую камеру. Помимо трубопроводов, служащих для подвода в криостат криогенных жидкостей, имеются трубопроводы для вывода испарившегося газа. Все эти системы ввода и вывода, а также коммуникации измерительной системы закрепляются на наружной оболочке криостата.

Конструкция якоря в этой схеме КЭМ аналогична традиционной его конструкции для обычных электрических машин. Якорь имеет вал , вращающийся в подшипниках 12. Обмотка якоря 8 располагается на его внешней цилиндрической поверхности и закрепляется в ярме J3. В случае беззубцового ярма обмотка от действия центробежных сил удерживается наружным бандажом. Если применяется зубцовая конструкция, то используются клинья, в некоторых конструкциях электротехническая

сталь в ярме якоря не применяется: ярмо выполняется из неметаллического материала (например, стеклопластика) или из шихтованных листов немагнитного металла (например, титана). Ярмо соединяется с валом с помощью ступицы 14 и спиц 15.

Токосъем осуществляется с помощью токоподвода и скользящего контакта 16, состоящего из контактных колец и щеточного узла.

В электрической машине традиционной конструкции магнигный поток возбуждения полностью проходит через ферромагнитные зубцы и ярмо якоря. В показанной на рис. 1.2 конструкции КЭМ поток возбуждения не экранируется, поэтому все конструктивные элементы якоря подвержены воздействию переменного магнитного поля. Эту основную особенность необходимо учигывать при конструировании КЭМ.

По конструктивной схеме с неподвижным криостатом выполняются как разноименнополюсные, так и униполярные машины. Последние имеют сверхпроводниковую обмотку цилиндрической формы, соосную с якорем. Якорь униполярной машины может не содержать явновыражен-ной обмотки и, как правило, выполняется в виде сплошного медного диска или цилиндра. В некоторых случаях для повышения ЭДС проводят разбиение якоря на ряд элементов, последовательно включенных с помощью подвижных контактов. Скользящий контакт в униполярной машине устанавливается в зонах с большой магнитной индукцией, поскольку ЭДС якоря определяется потоком, пронизывающим окружность токосъема. Вопросы теории и расчета униполярных КЭМ впервые были рассмотрены в [1.41].

Конструктивная схема КЭМ с неподвижным криостатом может быть выполнена также с внутренним расположением индуктора. В этом варианте якорь имеет консольную конструкцию, снаружи якоря располагают неподвижный ферромагнитный экран (рис. 1.3). Основные элементы в КЭМ данной конструкции такие же, как на рис. 1.2.

1.2.2. Конструкция с вращающимся криостатом

Наряду с обычными для гелиевых криостатов проблемами по обеспечению высокоэффективной теплоизоляции вращение криостата обусловливает целый ряд специфических проблем, которые необходимо решать при разработке КЭМ.

Вращающийся криостат служит силовым звеном, nepe-

Рис, 1.3. Конструктивная схема КЭМ с внутренне расположенным неподвижным криостатом

дающим вращающийся момент от приводного двигателя к сверхпроводниковой обмотке возбуждения через вал и элементы крепления. Вал ротора, удовлетворяющий механическим требованиям по прочности и жесткости, представляет собой основной теплопровод во вращающемся криостате. Теплоприток по валу за счет теплопроводности существенно снижается при использовании охлаждения вала выходящими парами гелия. Для обеспечения жесткости наилучшая форма вала - это тонкостенный цилиндр максимально допустимого диаметра.

Наряду с основным теплопритоком по валу имеют место теплопритоки вследствие излучения и из-за наличия Остаточных газов. Теплоприток излучения от внешней оболочки ротора может стать соизмеримым с теплопритоком по валу в конструкциях с большими ее поверхностями. Теплоприток излучения существенно снижается при использовании промежуточного теплового экрана, находящегося в хорошем тепловом контакте с охлаждаемым валом (или имеющего собственный теплообменник для охлаждения газообразным гелием).

Теплоприток за счет остаточных газов через вакуумное пространство пропорционален остаточному давлению й Становится соизмеримым с основным теплопритоком при остаточном давлении более 0,013 Па, поэтому обеспечение соответствующего вакуума играет СуЩестйеНную роль в Создании вращающегося криоетата.

Для питания сберхпрбНОдникОвой обмотки ротора используются токовЁодУ, которые могут вносить существенный теплоприток* зависящий от тока возбуждения. Для

снижения этого теплопри-тока токоввод, так же как и вал, делается газоох-лаждаемым.

Принципиальная конструктивная схема КЭМ с вращающимся криостатом показана на рис. 1.4. Обмотка возбуждения /, которая выполняется в виде цилиндрических или плоских катушек, помещается в гелиевом объеме 2. Для удержания ее от действия центробежных сил снаружи обмотки располагается цилиндрический бандаж 3 из немагнитной стали. Каркас 4, к которому крепится обмотка, соединяется с участком 5 теплового моста. Тепловой экран 6, расположенный на внешней стороне ротора за бандажом, также имеет цилиндрическую форму и соединяет симметричные зоны теплового моста. Наружная оболочка криостата 7 соединяется с валом. Она должна выдерживать наружное , атмосферное давление и электродинамические силы при внезапных коротких замыканиях, а также нагрузки от действия центробежных сил. Электромагнитный экран 8, находящийся снаружи ротора, ограничивает электромеханическое воздействие на сверхпроводящую обмотку при внезапном коротком замыкании. Он вы-прлняетея как биметалли-

ческий цилиндр, состоящий из меДи й стального бандажа, или в виде стержней и короткозамыкающих торцевых колец.

Жидкий гелий подается в камеру 2 через гелиопод-вод 9. Газообразный гелий, который проходит через теплообменники вала, выводится наружу. Подача жидкого и вывод газообразного гелия осуществляются с помощью специального уплотнения 10 вращающейся части тракта. Ток в обмотку возбуждения подается через контактные кольца и токоввод 11. Для снижения теплопритоков токоввод имеет теплообменное устройство, где в качестве хладагента используется газообразный гелий.

Следует отметить, что широко распространенный и весьма эффективный способ криостатирования с помощью двух криогенных жидкостей (гелия и азота) не нашел применения в конструкции вращающи.хся криостатов из-за сложностей, связанных с их подачей и выводом.

Конструкция криостата должна обеспечивать необходимый уровень разрежения в вакуумных полостях в течение всего срока службы. В конструкции машин с неподвижным криостатом выполнить эти требования значительно проще, так как имеется возможность проводить периоди-ческую откачку полостей.

Неподвижная обмотка якоря КЭМ по схеме рис. 1.4 выполняется из меди. Обмотка 12 закрепляется в корпусе с помощью неметаллических клиньев, так как применение обычных ферромагнитных зубцов нецелесообразно из-за их насыщения и больших потерь мощности. Поскольку обмотка не экранируется ферромагнитопроводом, она пронизывается магнитным потоком высокой интенсивности с неравномерным распределением индукции по высоте проводников. Поэтому конструкция стержней должна выполняться с большой степенью их разбиения и полной транспозицией, как это делают при создании машин для питания высокочастотных установок. Снаружи якорь имеет Шихтованный экран 13 из электротехнической стали. Экран усиливает магнитное поле в зоне обмотки якоря и одновременно ограничивает его распространение в окружающем пространстве. Снаружи якоря экран закрепляется в кожухе 14.

Как видно из рис. 1.2 и 1.4, ряд элементов КЭМ, наличие которых обусловлено работой сверхпроводниковой обмотки и криостата, не имеет аналогов в традиционных конструкциях. Это обстоятельство требует исследований по апробации конструкторско-технологических решений. Спе-