Использование явления сверхпроводимости стало возможным в результате открытий и достижений в области физики твердого тела и низких температур. На его основе создаются сильные магнитные поля в больших объемах практически без потерь мощности. Реализация этих возможностей позволяет значительно усовершенствовать существующую конструкцию электротехнических устройств, в частности электрических машин.

Распространенные в настоящее время электрические машины имеют магнитную индукцию в воздушном зазоре 0,8-0,9 Тл. Это ограничение определяется физическими свойствами фгрромагнитного сердечника - важнейшего и наиболее тяжелого элемента электрической машины.

Если сделать обмотку возбуждения сверхпроводниковой, то появляется возможность значительно увеличить ее МДС. Этой МДС оказывается достаточно для создания в зоне обмотки якоря магнитной индукции, значения которой превосходят индукцию в электрических машинах традиционного исполнения. При этом также отпадает необходимость в применении стального магнитопровода. Ограничивающими факторами в этом случае становятся критические параметры сверхпроводниковой обмотки возбуждения.

Для функционирования сверхпроводниковой обмотки требуется обеспечить ее устойчивое тепловое состояние на уровне температуры кипения жидкого гелия 4,2 К. С этой целью индуктор необходимо выполнить в виде сосуда Дьюара, что, безусловно, усложняет конструкцию электрической машины и повышает ее стоимость.

В машине традиционного исполнения существует ограничение по МДС обмотки якоря, так как она в ряде случаев уменьшает значение рабочей индукции. Если сделать обмотку возбуждения сверхпроводниковой и отказаться от использования ферромагнитопровода, то реакция МДС обмотки якоря будет намного снижена, что позволит увеличить линейную нагрузку. Ограничивающими факторами

теперь становятся теплоотвод потерь в якоре и обеспечение оптимального КПД.

Мощность электрической машины можно определить из известного выражения, связывающего геометрические размеры и электромагнитные нагрузки,

P=mnABKID4lY2pKE, (В.1)

где Кгб'/Я -коэффициент (£ - ЭДС обмотки якоря; f/ -напряжение); Л -линейная нагрузка якоря; В -индукция в зоне обмотки якоря; /(об - обмоточный коэффициент; Z3 -диаметр обмотки якоря; / - длина якоря; / - частота тока статора; р - число пар полюсов.

Тогда соотношение мощностей двух машин, имеющих одинаковое число пар полюсов и равные размеры, составит

pllp2 = alblkei/a2b2ke2. (В.2)

Сравнивая электрическую машину со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения и машину традиционной конструкции, видим, что увеличение мощности можно получить путем улучшения всех трех электромагнитных параметров.

Количественные соотношения, возможные на современном уровне развития электромашиностроения, наглядно иллюстрируются на примере двухполюсного синхронного турбогенератора с предельными значениями диаметра и

-1,в

Л

05 О 5 ----

о 500 то 1500 то zsoo а,

Рис. в.1. Сравнительные характеристики турбогенератора со сверхпроводниковой обмоткой и обычного исполнения

длины. На рис. В.1 сплошной линией показаны параметры турбогенератора со сверхпроводниковой обмоткой и пун'ктирной линией -параметры турбогенератора тради-

ционной конструкции, в качестве аргумента взята линейная нагрузка якоря.

На графике видно заметное снижение индукции и возрастание Ке2 для обычного турбогенератора при линейной нагрузке свыше 1000 А/см. Значение Л2== 1500 А/см является предельным, так как оно ограничивается допустимым запасом статической устойчивости машины. При этом индукция S2 = 0,85 Тл, коэффициент /(£2 = 1,4.

В сверхпроводниковом турбогенераторе изменение Ке\ и Si происходит более монотонно. Линейная нагрузка определяется исходя из требований получения КПД машины на уровне 99,5%, что почти на 1 % выше КПД обычного турбогенератора, и составляет Л1 = 3000 А/см. Индукция получается равной Si = l,l Тл, а Д'£1 = 1,1-

Подставив соответствующие значения параметров в (В.2), при сохранении размеров находим, что применение сверхпроводниковой обмотки позволяет в 3 раза увеличить предельную мощность машины. Это означает, что единичная мощность турбогенератора, ограниченная в традиционной конструкции пределом 1,5 млн. кВт, может быть увеличена до 4 млн. кВт.

Проводя аналогичные расчеты для электродвигателей, можно показать, что применение сверхпроводниковой обмотки позволит не только увеличить их предельную мощность, но и в несколько раз уменьшить относительную массу этих машин.

Разумеется, применение электрических машин со сверхпроводниковой обмоткой целесообразно в тех областях народного хозяйства, где дополнительная стоимость и сложность эксплуатации будут экономически оправданными. Выполнить технико-экономический анализ применения сверхпроводниковых машин удастся на стадии внедрения первых образцов, когда появится возможность объективно оценить стоимость затрат и полезный эффект.

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ КРИОГЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

1.1. Классификация

Криогенные электрические машины (КЭМ), имеющие существенные конструктивные особенности, могут рассматриваться как новые разновидности электрических машин. Их можно классифицировать по тем же признакам, что и электрические машины традиционного исполнения. КЭМ характеризуются не только способом охлаждения, но и возможностями, которые раскрываются при использовании криогенных температур, начиная от точки кипения жидкого азота (77К) и ниже. При гелиевых температурах в диапазоне от 4,2 до 18 К удельное сопротивление некоторых чистых металлов и сплавов становится равным нулю (сверхпроводниковые материалы). У некоторых металлов высокой чистоты - криопроводников - оно резко уменьшается (на 3-4 порядка) при водородных или азотных температурах (от 20,4 до 77 К)- По этому признаку КЭ.М можно разбить на две группы: с криопроводниковой обмоткой и со сверхпроводниковой обмоткой.

Применение КЭМ с криопроводниковыми обмотками ограничено из-за больших расходов хладагентов вследствие внутренних тепловыделений. В сверхпроводниковых обмотках прн протекании постоянного тока внутренние потери практически отсутствуют. При протекании переменного тока потери могут быть весьма значительны. Поэтому в настоящее время разрабатываются КЭМ, у которых только обмотка индуктора (возбуждения) изготавливается из сверхпроводникового материала.

Если классифицировать КЭМ со сверхпроводниковой обмоткой по роду тока, то их можно, как и обычные машины, разделить на машины переменного и постоянного тока. Схема классификации показана на рис. 1.1.

Машины постоянного тока со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения делятся на два вида: униполярные и разноименнополюсные (коллекторные).

КЭМ

Переменного тока

Асинхронные (двух-роторные)

Синхрон ные

11остоянного тока

Рис. 1.1. Схема классификации КЭМ

Машины переменного тока со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения могут быть синхронные и асинхронные. Асинхронная машина имеет два ротора, из которых один (со сверхпроводниковой обмоткой индуктора) вращается синхронно с полем обмотки статора. Другой ротор (с короткозамкнутой обмоткой), передающий момент на вал, вращается асинхронно по отношению к магнитным полям индуктора и якоря (статора).

Классификация КЭМ со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения по конструктивным признакам во многом аналогична классификации электрических машин обычной конструкции. Например, униполярные машины можно разделить на дисковые и цилиндрические. Все машины могут иметь торцевое или осевое размещение обмоток. Вал может располагаться вертикально или горизонтально.

Криостат, в котором находится сверхпроводниковая обмотка, представляет собой неотъемлемую и одну из самых сложных конструктивных частей КЭМ. Поэтому в отличие от традиционных машин следует классифицировать КЭМ по основному конструктивному признаку этого важнейшего элемента новой конструкции электрической машины. Все машины можно разделить на два вида: с неподвижным криостатом, с вращающимся криостатом.

К машинам с неподвижным криостатом относятся КЭМ с индуктором на статоре и вращающимся якорем, который снабжен контактными кольцами для передачи тока силовой цепи: униполярные, коллекторные и синхронные машины обращенной конструкции. К разновидности КЭМ с вращающимся криостатом принадлежат асинхронные и синхронные машины (главным образом криотурбогенера-торы) с индуктором на роторе.