ное исполнение с внутренним расположением якоря. Двухполюсная обмотка возбуждения седлообразной формы наматывалась проводом из сверхпроводника ниобий-цирконий и устанавливалась в криостате, выполненном в форме кольцевого цилиндра. Якорь имел диаметр 98 и длину 96 мм и был сделан из гетинакса. При частоте вращения 2850 об/мин мощность электродвигателя составила 2,5 кВт.

Период первоначального развития КЭМ заверщается созданием в 1969 г. в США модели турбогенератора с вращающимся криостатом. Обмотка возбуждения изготовлена из сплава ниобий-титан в медной матрице и помещена в цилиндрический сосуд Дьюара, к крыщке и днищу которого приварены короткие валы, устанавливаемые в подшипниках. Диаметр криостата 132 мм, длина 620 мм. Обмотка якоря выполнена из круглого транспонированного провода и с помощью пластмассовых клиньев закреплена внутри шихтованного ферромагнитного экрана.

В начальный период развития (1966-1970 гг.) были созданы небольшие модели КЭМ, необходимые для проверки работоспособности и понимания физики электромеханических процессов, происходящих в КЭМ.

Последующий период с 1970 по 1977 г. характеризуется созданием крупных моделей КЭМ и поиском принципиальных конструктивных решений важнейших узлов: сверхпроводниковой обмотки, криостатов, токовводов, ге-лиеподводов, беспазового якоря.

Крупнейшие электропромышленные фирмы и научно-исследовательские центры СССР, США, Англии, Франции,-ФРГ, Японии и других стран проявили серьезный интерес к проблеме и начали проведение научных исследований. Была разработана новая технология изготовления обмоток и узлов криостата, был выполнен комплекс теоретических исследований по определению магнитных полей, электрических параметров и характеристик КЭМ.

Подробно изучались теплофизические процессы, связанные с криостатированием и захолаживанием криогенных систем. На базе этих исследований разрабатывались методики расчетов и рекомендации по проектированию КЭМ.

Перечисляя эти работы, следует отметить криотурбо-генераторы, разработанные в США: на 5 MB-А, 3600 об/мин [1.36] и на 5 MB-А, 12 000 об/мин, масса 450 кг [1.37].

К наивысшим достижениям этого периода сЛедует отнести исследования, проведенные во ВНИИэлектромаЩ (СССР) и в фирме Дженерал Электрик (США) по ео-

зданию криотурбогенераторов мощностью 20 MB-А [1.4].

В области униполярных криоэлектродвигателей важной вехой явилось создание фирмой IRD (Англия) двигателя мощностью 2400 кВт, 200 об/мин [1.38]. Диаметр внутреннего отверстия криостата, в котором вращался сегментированный диск, составлял 2,2 м. Номинальное напряжение двигателя 440 В. Масса ниобий-титановой обмотки i возбуждения с медной матрицей достигала 4,5 т. Для этого двигателя выполнена первая попытка осуществить регулярную работу КЭМ в условиях эксплуатации. В комплекте с двигателем, использованным для электропривода насоса АЭС, была установлена система криообеспече-ния в виде рефрижератора хладопроизводительностью 25 Вт на уровне 4,4 К. В качестве попытки решения проблемы скользящего контакта была разработана и применена новая конструкция металлизированных углеволокни-стых щеток, плотность тока в которых достигала 90А/см при окружной скорости 20 м/с. В этот период были определены области промышленности и транспорта, в которых целесообразно применение КЭМ.

Исследования показали, что криотурбогенераторы мо- гут быть созданы на единичную мощность более 2000 МВт, технико-экономические показатели их будут увеличены за счет повышения коэффициента полезного действия на 0,8-1,0%. Высокоскоростные турбогенераторы могут найти применение на транспорте в качестве малогабаритных и легких источников электрической энергии.

Электродвигатели благодаря существенному уменьшению массы могут устанавливаться в судовых системах электродвижения, например на ледоколах [1.39]. Одну из областей применения КЭМ демонстрирует их использование в качестве электродвигателей для реверсивного электропривода. Испытание малоинерционного криодвига-теля мощностью 200 кВт, 400 об/мин, показало возможность уменьшения махового момента ротора в 2 раза в коллекторном и в 3 раза в вентильном исполнении машины [1.3]. Применение малоинерционного криодвигате-ля мощностью 10 МВт для привода прокатного стана позволит увеличить его производительность на 12%.

Перечисленные работы создали основу нового направления в электромашиностроении. Были выявлены причины, замедляющие темп его развития, которые связаны с освоением трудоемкой технологии изготовления испытательного криогенного- оборудования, разработкой методологии исследований.

Примерно с 1977 г. наступила современная фаза развития КЭМ. Достаточно четко наметились тенденции в развитии конструкции КЭМ различного назначения. Крупнейшие фирмы приступили к разработке и изготовлению опытно-промышленных образцов криотурбогенераторов и электродвигателей.

В СССР ведутся работы по созданию криотурбогенератора мощностью 300 МВт [1.4]. Фирма Вестингауз также разрабатывает криотурбогенератор на 300 MB-А, 3600 об/мин. Предполагается, что' машина будет установлена на электростанции в 1985 г. [1.4]. Полная длина машины по сравнению с длиной турбогенератора обычной конструкции уменьшится на 3,2 м. Индуктивное сопротивление снизится в 1,7 раза, а КПД увеличится на 0,8%.

Безусловно, на пути создания этих уникальных машин предстоит преодолеть немало трудностей. Из-за сложности конструкции проблема обеспечения надежности в эксплуатации еще ждет своего решения. Серьезной является проблема устойчивости конструкции к механическим воздействиям при коротких замыканиях.

Много нерешенных вопросов выдвигает система криостатирования. Однако не вызывает сомнения, что решение указанных задач вполне доступно современному развитию науки и техники. КЭМ получат в будущем широкое распространение, тем самым будут реализованы на практике полезные свойства сверхпроводников.

ГЛАВА ВТОРАЯ

МЕТОД РАСЧЕТА ТРЕХМЕРНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ В КРИОГЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ

2.1. Постановка задачи и выбор метода расчета

Расчет магнитного поля в КЭМ выполняется на основе общих методов теории электромагнитного поля, разработанных в трудах советских ученых И. Е. Тамма, Г.А.Гринберга, Л. Р. Неймана, К- С. Демирчяна, О. В. Тозони и др. [2.1, 2.2]. Эти методы получили значительное развитие применительно к конкретным электрическим машинам в работах И. А. Глебова, Я. Б. Данилевича, В. В.Дом-бровского, А. В. Иванова-Смоленского, Т. Г. Сорокера, Г. М. Хуторецкого и др. [1.4, 2.3, 2.4].

Расчет магнитного поля в КЭМ имеет ряд особенностей связанных с тем, что конструкция КЭМ существенно отличается от конструкции всех других классов электрических машин. Кон- P <=- 21- Конструктивная схема

СТруКТИВНая схема типичной ; еверхпроводникова'я обмотка воз-раЗНОИМенНОПОЛЮСНОЙ КЭМ буждения; 2 -обмотка статора; 3 - показана на рис. 2.1. Сверх- Ферромагнитный экран

Проводниковая обмотка /

используется в качестве индуктора. В зоне индуктора отсутствует магнитный сердечник для направления и концентрации потока возбуждения. Внешний ферромагнитный экран 3 служит для усиления магнитного поля в зоне обмотки якоря 2 и ограничения распространения его в окружающее пространство.

Эти конструктивные отличия обусловливают существенные особенности расчета магнитного поля в КЭМ. Отсутствие сердечника в индукторе и зубцов в зоне обмотки якоря приводит к тому, что магнитное поле неравномерно распределяется по длине машины. В связи с этим в КЭМ необходимо выполнять расчет трехмерного магнитного поля. Ферромагнитный экран в общем случае может быть сплошным или шихтованным.

Краевая задача расчета магнитного поля в КЭМ при учете вихревых токов и насыщения экрана формулируется следующим образом: найти векторные магнитные потенциалы Ап в безграничном пространстве V с магнитной постоянной и в объеме ферромагнитного экрана Аэ с абсолютной магнитной проницаемостью Цаэ и удельной электрической проводимостью уэ, удовлетворяющие согласно [2.4] уравнениям

AA =-i>.J i внутри области обмотОк Vtii 1, 2,..., я); (2.1)

ДЛп = 0 в пространстве V ~ 2к/;

(2.2)

го1(1/11аэ)го1Лэ = - УэЛэ внутри области ферромагнитного экрана Уз, (2.3) где ji- плотность тока в i-и катушке.

На поверхности ферромагнитного экрана 5э векторные магнитные потенциалы должны удовлетворять следующим граничным условиям:

п°ХАп=п°ХАэ; (2.4)

(l/jio)nOXrot A ={l/na)nOXroi A (2.5)

где n° - единичный вектор нормали к поверхности ферромагнитного экрана.

Решению краевой задачи (2.1) - (2.5) расчета магнитного поля в КЭМ посвящены работы [2.5-2.8].

Рассмотрим решение этой краевой задачи различными методами.

Аналитические методы. Аналитические методы используются главным образом при расчете двумерных магнитных полей в кусочно-однородных средах [2.9]. Достоинством аналитических методов расчета в отличие от численных является представление решений в компактной, обозримой форме, что облегчает анализ получаемых результатов расчетов.

Для расчета трехмерного квазистационарного магнитного поля в КЭМ прн наличии однородных граничных условий используется метод разделения переменных [2.5]. Область, в которой рассчитывается магнитное поле, разбивается на тороиды прямоугольного поперечного сечения и круговые цилиндры конечной длины, причем свойства среды В каждой из частичных областей предполагаются однородными. Для каждой из частичных областей записывается одно из уравнений (2.1) - (2.3), которые затем решаются совместно с учетом краевых условий иа поверхностях раздела частичных областей. В частичной области, расположенной внутри нажимной плиты, решается уравнение (2.3), которое в цилиндрической системе координат эквивалентно трем скалярным уравнениям:

2 дА,

6/4 ф

АА ~- к^А^ = О,

- - йМ = 0;

(2.6)

где Л^=/(оуп|Аоп; уп -УДельная электрическая проводимость материала нажимной плиты; - абсолютная магнитная проницаемость нажимной плиты; (О - угловая скорость.

Для применения метода разделения переменных при решении системы (2.6) вводится дополнительный потенциал Р посредством формулы

Axoi Р. (2.7)

Расчет магнитного поля в КЭМ проводится при следующих допущениях: 1) относительная магнитная проницаемость ферромагнитного экрана принимается равной бесконечности; 2) обмотки КЭМ распола-50

гаются на поверхностях круговых цилиндров и представляют собой бесконечно тонкие токовые слои.

Метод конечных разностей. Общим методом решения линейных или нелинейных задач расчета магнитных полей служит широко применяемый конечно-разностный метод.

В [2.6] выполнен расчет трехмерного магнитного поля и потерь в торцевой зоне КЭМ конечно-разностным методом. Расчет проводится с последовательным учетом насыщения, шихтовки и вихревых токов в ферромагнитном экране. На первом расчетном этапе влияние вихревых токов не учитывалось, т. е. задача решалась как магнитостатиче-ская с использованием скалярного магнитного потенциала по методу К. С. Демирчяна приведения стационарного поля тока к потенциальному полю источников [2.1]. На этом этапе находится распределение сторонней компоненты векторного потенциала А^т. На втором этапе определяется вихревая компонента векторного потенциала Лв, которая учитывает воздействие вихревых токов.

Заметим, что метод [2.1] более эффективен, чем метод, использующий векторный магнитный потенциал Л, так как по [2.3] не требуется вычислять все три компоненты А.

Метод конечных элементов. Первоначально этот вариационно-разностный метод был разработан для решения линейных и нелинейных задач теории упругости и строительной механики. Для расчета магнитных полей в электрических машинах данный метод применен в [2.7, 2.8].

В [2.8] дан теоретический подход к расчету трехмерного магнитного поля в КЭМ. Решение краевой задачи (2.1) -(2.5) соответствует

минимуму функционала

Г

F(Aj)= I HdB+-i,A

dV; 1 = *, у, z, (2.8)

где В -магнитная индукция; Я - напряженность магнитного поля.

В [2.8] показано, что расчет трехмерного магнитного поля в КЭМ методом конечных элементов с необходимой для практики точностью требует разбиения области расчета на большое число трехмерных элементов. Система алгебраических уравнений при общем подходе к решению такой задачи может иметь порядок до нескольких десятков и даже сотен тысяч. Решение данных систем уравнений на распространенных в настоящее время ЭВМ затруднительно.

Расчет магнитного поля в КЭМ методом конечных элементов проводится при использовании приближенных граничных условий на поверхности проводящих сред и с применением скалярного магнитного потенциала в сочетании с разложением потенциальных источников поля на пространственные гармоники по угловой координате. Такой подход Позволяет построить алгоритм иа основе Ш1Нимизации эиергетичеекого 4* 51