Криогенные электрические машины

Размещено на http://www.allbest.ru/

"Криогенные электрические машины"

Введение

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 стальногомагнитопровода. 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.

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.

1.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 при 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 разноименно-полюсные (коллекторные).

КЭМ

Переменного тока

Асинхронные (двух-роторные)

Синхронные

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 криотурбогенераторы) с индуктором на роторе

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 криостатом, 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 учитывать при конструировании КЭМ.

По конструктивной схеме с неподвижным криостатом выполняются как разноименно-полюсные, так и униполярные машины. Последние имеют сверхпроводниковую обмотку цилиндрической формы, соосную с якорем. Якорь униполярной машины может не содержать явно-выраженной 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.

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 гелие). Снижения этого теплопритока токоввод, так же как и вал, делается газоохлаждаемым.

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 выполняется как биметаллический цилиндр, состоящий из меди й стального бандажа, или в виде стержней и короткозамыкающих торцевых колец.

Жидкий гелий подается в камеру 2 через гелиоподвод 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 вращающихся 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.

1.3 Скользящий контакт

Подвижные контакты служат важными составными конструктивными элементами КЭМ. В схеме с вращающимся криостатом необходимо передавать на ротор ток возбуждения сверхпроводниковой обмотки. В этом случае применяют контактную пару, разработанную для турбогенераторов традиционной конструкции. Контактные кольца для повышения износостойкости обычно изготавливают из стали, используют угольно-графитные щетки. Следует иметь в виду, что ток возбуждения в КЭМ, выбираемый по условиям оптимизации токоввода и сверхпроводниковой обмотки, в настоящее время не превосходит 2000 А. Однако для работы скользящего контакта в цепи сверхпроводниковой обмотки выдвигаются дополнительные требования, которые не допускают возникновения пульсационных ЭДС из-за неровности поверхности контакта или биения щеток. Как показали исследования, такие пульсации напряжения в цепи возбуждения могут приводить к ложному срабатыванию системы защиты сверхпроводниковой обмотки ротора.

В КЭМ с неподвижной обмоткой индуктора необходимо передавать через контакты полную мощность вращающегося якоря. Наибольшие значения токов, достигающие 24 сотен килоампер, имеют униполярные машины, так как их номинальные напряжения ниже, чем у разноименнополюсных машин такой же мощности. В частности, размеры контактного узла в крупных униполярных двигателях становятся значительными и создание надежного скользящего контакта представляет серьезную научно-техническую проблему.

Конструкция униполярных машин предопределяет необходимость работы скользящего контакта в условиях воздействия сильного магнитного поля, что может приводить к увеличению потерь и износа.

Наиболее разработаны контактные устройства для униполярных генераторов, роторы которых вращаются с постоянной угловой скоростью. Разработаны контактные системы с использованием сплава жидких металлов натрия и калия [1.11].

Для тихоходных и реверсивных двигателей затруднительно использовать центробежный эффект, на основе которого работает жидкометаллический контакт, поэтому поиски конструкторов и исследователей были направлены на создание контактной пары на основе твердых скользящих элементов.

Наиболее сложной оказалась задача обеспечения надежной работы твердой контактной пары в магнитном поле напряженностью более 160 кА-м. Наличие внешнею магнитного поля обусловливает существенную неравномерность распределения тока по сечению щеток, возникающие при этом высокочастотные механические колебания способствуют их повышенному износу.

Наиболее перспективным можно считать металлический скользящий контакт с активной смазкой (бальзамом), который разрабатывался специально для КЭМ. Работа контактной пары основана в нем на принципе образования в контактной зоне высокоэлектропроводных пленок, возникающих из-за взаимодействия материала контактных элементов и смазок с активными присадками. Конструкция контактного устройства с металлическими щетками практически не отличается от обычной. Контактная смазка может подаваться по специальным канавкам или с помощью .смачиваемых манжет из фетра или пористого материала. Расход бальзама при работе контакта незначительный.

Для тихоходных электродвигателей с окружной скоростью скользящей поверхности до 20 м/с могут быть рекомендованы металлические монолитные щетки из меди или ее сплавов. Для криотурбогенераторов, в том числе и униполярных, целесообразно применять металлические эластичные щетки, выполненные из пучков медной проволоки. Контактные кольца в этом случае следует делать стальными.

При создании КЭМ постоянного тока с коллектором возникает задача подбора контактной пары с высокой коммутирующей способностью, так как в КЭМ желательно обойтись без добавочных полюсов, чтобы не увеличивать расстояние между сверхпроводниковой обмоткой возбуждения и обмоткой якоря и повысить магнитную индукцию. Проведенные исследования [1.12] показали, что такую задачу следует решать с помощью щеток с углево-локнистыми накладками.

Накладки толщиной 1,5-2,0 мм, расположенные на сбегающем и набегающем краях щетки, обладая различной проводимостью по продольной и поперечной осям, увеличивают сопротивление коммутирующего контура, не меняя общего сопротивления щетки по продольной оси. Такая конструкция щеток в сочетании с малой индуктивностью коммутирующих секций (из-за отсутствия ферромагнитных сердечников и зубцов на якоре) позволяет отказаться от применения добавочных полюсов.

криогенный электрический машина криостат

1.4 Криостат

Для неподвижного криостата в ряде исполнений КЭМ типична конструкция, реализованная в электродвигателе постоянного тока 200 кВт. Криостат со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения показан в разрезе на рис. 1.13.

Он состоит из соосно расположенных цилиндров из нержавеющей стали, образующих корпус / криостата, заполненный жидким гелием -сосуде с размещенными в нем . сверхпроводниковы м и катушками 3 системы возбуждения, и систему экранно-вакуумной тепловой изоляции, включающей азотный экран и вакуумные промежутки. Азотный экран расположен между гелиевым сосудом 2 и 7 корпусом криостата 1 и состоит из двух частей: заливной ванны 4 и дисков 5, соединенных с мед-

Рис. 1.13. Криостат со сверхпроводниковой обмоткой возбуждения

Цилиндром 6. Указанные элементы конструкций теплового экрана, имеющие практически температуру жидкого азота, окружают снаружи гелиевый сосуд со всех сторон. Поверхности гелиевого сосуда и азотного экрана разделены вакуумными промежутками 7.

Принятая конструктивная схема криостата обеспечивает устойчивое термостатирование сверхпроводниковой обмотки возбуждения, снижение расхода гелия и повышение КПД всей системы за счет сведения до минимума теплопритока в зону гелиевых температур. Для уменьшения потока лучистой энергии к гелиевому объему отполированы поверхности криостата, обращенные в вакуум.

Схема механического крепления сверхпроводниковой системы возбуждения к корпусу двигателя выбрана двухступенчатой. Первая ступень - крепление гелиевой ванны к азотному экрану - выполнена в виде дисков 8. Для повышения теплового сопротивления диски имеют прорези 9 по дугам, расположенным на концентрических окружностях, равноудаленных друг от друга. Это позволяет значительно развить реальную длину теплового моста без существенного увеличения габаритных размеров и снизить теплоприток в зону гелиевых температур. Вторая ступень - подвеска азотного экрана к внешнему корпусу криостата - осуществлена с помощью двух цапф 10, диаметрально расположенных в корпусе криостата 1.

На верхней крышке криостата смонтированы: токо-вводы, устройства для заливки жидкого гелия в рабочую зону и жидкого азота в экран, патрубки для вывода паров азота и гелия, а также электрические разъемы системы измерения и контроля.

На примере ротора для криотурбогенератора мощностью 200 кВт рассмотрим вопросы, касающиеся схемы охлаждения и конструкции вращающегося криостата. Ротор имеет сверхпроводниковую обмотку, закрепленную в криостате. Конструктивная схема ротора криотурбогенератора с креплением магнитной системы на двух одинаковых торцевых цилиндрических валах и с тепловым экраном в зазоре между магнитной системой и корпусом ротора позволяет осуществить охлаждение газовым потоком валов, экрана и токовводов. Выбор схемы охлаждения элементов криостата - важный этап на пути создания ротора, причем определяющими критериями должны быть обеспечение минимального теплопритока и расхода жидкого гелия и относительная простота технической реализации.

Рис. 1.15. вращающийся криостат криотурбогенератора

Список литературы

1. Цырлин А. Л., Кравцова Е. В. Метод расчета собственных частот изгибных мле^бапий систем соосных роторов.- Тр. ВНИИЭМ

2. Позняк Э. Л., Цырлин А. Л. Вынужденные колебания и устойчивость произвольны.х роторных систем на подшипниках скольжения. - Механика твердого тела, 1967, № 2,

3. Вибрация в технике/ Под ред. В. В. Болотина. М.: Маши-остроение, 1978. Т. 1..

4. Цырлнн А. Л. Динамика роторов двоякой жесткости. - Тр ВНИИЭМ, 1971, т

5. Горшков А. И., Коварский М. Е., Цырлин А. Л. Крутильные колебания при переходных процессах в. криогенных электрических машинах.-Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1983, №5

6. Ивович В. А. Переходные матрицы в динамике упругих систем. М.: Машиностроение, 1969. 199 с.

7. Коварский М. Е., Рубинраут А. М., Цырлин А. Л. Усилия и апряжения в роторе криотурбогеиератора при коротком замыкании.- Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1981, № 2.

8. Вибрации в технике/ Под ред. К. С Колесникова, Ф. М. Дменберга. М.: Машиностроение, 1978, т. 3. 544 с.

9. Биргер И. А., Шорр Б. Ф., Шнейдерович Р. М. Расчет на прочность детален машин. М.: Машиностроение, 1966.

10. Коваленко А. Д. Пластины и оболочки в роторах турбома-я1ин. Киев: Изд. АН УССР, 1955.

11. Справочник ло физико-техническим основам криогеники. М.: Энергия, 1973.

12. Размещено на Allbest.ru