5-4. СВЕРХВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ ЭЛЕКТРОМАШИНЫ КРИОГЕННЫХ УСТАНОВОК
а) Общие положения
В настоящее время сверхвысокоскоростные генераторы часто применяют в криогенных установках. Здесь коснемся лишь отдельных конструкций сверхвысокоскоростных электромашин, используемых в установках для получения низких температур и работающих в среде низких температур, но не в условиях сверхпроводимости. При этом сохраняются магнитные свойства и обычная электропроводность электротехнических материалов, примененных в самой электрической машине.
В микротурбодетандерах в качестве тормозных электрогенераторов должны быть использованы такие конструкции электромашин, в которых греющие потери мощности являются минимальными, а основная генерируемая электрическая мощность выделяется вне машины, в ее нагрузочных устройствах. С этой целью выбирают такую конструкцию магнитопровода, которая обеспечивает весьма малые магнитные и электрические потери.
Однако при сверхвысоких частотах вращения окружные скорости роторов сравнительно высоки и трение поверхности ротора о газ является весьма значительным. Как правило, по ресурсу времени работы выбирают газовые опоры ротора, что исключает применение вакуума. Поскольку газовая среда неизбежна, то поверхность ротора и расточки статора должны быть гладкими с минимальным аэродинамическими сопротивлениями. Коэффициент полезного действия тормозного микрогенератора мощностью на выходе порядка 10 Вт должен быть не менее 90%.
Рассмотрим отдельные конструкции таких сверхвысокоскоростных генераторов с различными способами возбуждения.
б) Генераторы с цилиндрическим ротором
При частоте вращения (60—200)·103 об/мин частота тока генератора может быть 4—15 кГц и больше. Такие генераторы могут быть как с электромагнитным возбуждением, так и с постоянными магнитами, расположенными на статоре или на роторе. При указанных частотах масса магнитных усилителей, трансформаторов, сельсинов и других приборов значительно снижается, а характеристики ряда элементов электрической схемы управления — улучшаются.
Индуктивное сопротивление высокочастотной обмотки получается значительным, что обуславливает большое падение напряжения при номинальном токе нагрузки. Поэтому в обмотку якоря генератора включают конденсаторы, емкость которых при высокой частоте весьма мала. При компенсации индуктивности емкостью достигается хорошая стабилизация электрического напряжения с увеличением тока нагрузки. Таким образом получается максимальная выходная мощность высокочастотного индукторного генератора.
Рис. 5-18. Опытные кривые.
1 — мощность генератора; 2 — потери мощности.
Диаметр ротора сверхвысокоскоростного генератора выбирается из условия запаса прочности по пределу текучести (прочности) материала ротора. Желательно жесткость ротора выбирать такой, при которой первая критическая скорость находится выше максимальной скорости.
Имеется ряд статей, посвященных сверхвысокоскоростным генераторам. В частности, в [Л. 91] описан созданный в США генератор с цилиндрических: ротором (с постоянными магнитами) на сегментных подшипниках с газообразной гелиевой подушкой. На роторе помещен платиново-кобальтовый магнит, допускающий окружную скорость 200—145 м/сек при частоте вращения порядка 175·103 об/мин и температуре 77 °К. На статоре имеется трехфазная якорная обмотка.
Магнитное поле возбуждения в генераторе создается постоянным магнитом ротора, который вращается газовой турбиной, имеющей диаметр 16 мм. Материал турбины — титан. Стабильное вращение машины при различных положениях обеспечивается с помощью торцевого подпятника, фиксирующего ротор. Для этого с правой стороны вала ротора сделан бортик (выступ). Слева и справа от бортика находятся подшипники, фиксирующие ротор в аксиальном и радиальном направлениях. На самом валу ротора имеются газовые сегментные самоустанавливающиеся подшипники.
Представляют интерес опытные кривые, показанные на рис. 5-18, которые характеризуют мощность генератора и потери мощности при температуре гелия 77 К в зависимости от частоты вращения.
Диаметр вала ротора генератора равен 6,4 мм, масса вала ротора около 16 г.
Суммарные потери в турбодетандере при гелиевой температуре 14 К составляют 3% мощности генератора.
При этом для компенсации потерь в 1 Вт требуется около 70 Вт дополнительной мощности со стороны турбины.
Машина, представленная на рис. 5-19, согласно французскому патенту выполнена на современных коротких газодинамических цилиндрических опорах 6, 7, лишенных полускоростного вихря.
Рис. 5-19. Конструктивная схема генератора с постоянным магнитом на роторе.
1 — турбинное колесо; 2 — вход газа; 3 — выход газа; 4 — бортик на валу; 5 — постоянный магнит; 6, 7—газовые подшипники; 8 — лобовые части обмотки; 9 — втулка; 10 — вход газа в подшипники; 11 — выход газа.
Конструкция ротора повторяет рассмотренный выше вариант с платиново-кобальтовым цилиндрическим магнитом 5 и бортиком на валу ротора. Диаметр ротора Dр=10 мм, длина якорной части l=30 мм. На статоре — трехфазная обмотка 8, залитая эпоксидной смолой.
В генераторе с постоянными магнитами на роторе отсутствуют греющие магнитные и электрические потери мощности в роторном пакете.
Вариант тормозного сверхвысокоскоростного микроэлектрогенератора показан на рис. 5-20. В нем применены короткие газовые опоры с отношением их длины к диаметру шипа около 0,5. Как показали экспериментальные исследования, при давлении газа на турбине около 1 · 105 Па частота вращения ротора 200·103 об/мин.
Рис. 5-20. Тормозной генератор для микротурбодетандсра, продольный разрез.
Рис. 5-21. Индукторный униполярный двухпакетный генератор: а —сегмент статора; б — пакеты ротора.
Машина работает практически бесшумно. Ротор фиксируется в аксиальном направлении бортиком на валу и подпятником, образованным торцевой частью левого подшипника.
Недостатком сверхвысокоскоростных генераторов с цилиндрическим постоянным магнитом на роторе является то, что даже при весьма дорогом платиново-кобальтовом магните окружная скорость ротора ограничена — порядка 150—200 м/сек. Поэтому более надежны при сверхвысоких частотах вращения генераторы индукторного типа без обмоток на зубчатом роторе.
.
На рис. 5-21 показана конструктивная схема двухпакетного индукторного генератора с двусторонней зубчатой поверхностью (гребеночной зубцовой зоной). Генератор вращается с частотой 120· 103 об/мин. Он предназначен для получения частоты 14 000 Гц. На статоре генератора вместо обмотки возбуждения помещают кольцевой постоянный магнит, намагниченный по оси вала машины, Мощность генератора 5 Вт, напряжение на зажимах обмотки якоря — 135 В. На его статоре и роторе — по два пакета. В пазах статорных пакетов расположены катушки обмотки якоря, охватывающие по три зубчика гребенки. Пазы статорных пакетов совпадают по оси машины. Чтобы наводимые э. д. с. в двух частях одной и той же стороны проводника суммировались (при противоположном направлении магнитного потока в пакетах статора), делается сдвиг пакетов ротора относительно друг друга па половину зубцового деления (рис. 5-21). Распределение потоков, пронизывающих витки катушки, показано на рис. 5-22. Результирующий поток 2 (Фm—Фм). Период изменения потока, а следовательно, и э. д. с. катушки соответствует времени поворота ротора на одно зубцовое деление. Электродвижущая сила в обмотке второго пакета наводится аналогично, по сдвинута по фазе от э. д. с. первой катушки на 180°.
Рассмотренный индукторный генератор с гребеночной поверхностью расточки статора имеет существенный шум и потери па трение вращающегося ротора в газовой среде, что обусловливает повышение нагрева машины и снижает к. п. д.
Можно рекомендовать другой тип индукторного сверхвысокоскоростного генератора—с полузакрытыми пазами на статоре, изображенный на рис. 5-23. Опытная характеристика холостого хода дана на рис. 5-9,г. В полузакрытых пазах статорных пакетов размещена m-фазная обмотка якоря. Роторные зубцы массивного стального ротора, находящиеся под одним пакетом, сдвинуты относительно зубцов под другим пакетом на половину зубцового деления с той же целью, что и в предыдущем генераторе. Возбуждение осуществляется или от кольцевого магнита, или от кольцевой обмотки возбуждения. Она вынесена за пределы пакетов — для уменьшения расстояния между ними, для обеспечения большей жесткости ротора, для получения более высокой первой критической скорости.
С целью уменьшения потерь мощности на трение ротора и снижения шумности его пазы залиты высокопрочным неэлектропроводным материалом. При этом каждый стержень ротора заделан в торцевые немагнитные кольца. Ротор выполнен на коротких подшипниках с газовой подушкой.
Рис. 5-22. Расположение зубцов и распределение потоков в зависимости от положения ротора генератора.
Зазор между ротором и подшипником составляет 4—10 мкм. Чтобы осуществить такую точность при изготовлении и сборке машины, ротор вставляется с одной стороны в изготовленный собранный статор, и фиксация ротора в аксиальном направлении обеспечивается бортиком, имеющимся на правом конце ротора. При этом бортик оказывается между двумя подпятниками, торцевой стороной правого подшипника и подпятником, прижимаемым правой крышкой.
При сверхвысоких частотах вращения машины получается весьма большая частота изменения потокосцепления с обмоткой статора, что дает возможность получить высокое генерируемое напряжение в обмотке переменного тока при сравнительно малом магнитном потоке возбуждения.
Рис. 5-23. Индукторный тормозной униполярный двухпакетный генератор с гладкой поверхностью статора на коротких газовых подшипниках (продольный разрез).
Используя указанную собственность сверхвысокоскоростного генератора, целесообразно использовать высоковольтные сверхвысокоскоростные индукторные генераторы. При весьма низких температурах охлаждающей среды, когда обмотка якоря рассчитана на напряжение порядка 1 000 В, такой сверхвысокоскоростной генератор способен отдавать полезную мощность в несколько киловатт. При этом по своим размерам он представляет собой микромашину, имеет весьма малую массу на единицу мощности. С целью интенсивного жидкостного охлаждения (вода или жидкий газ) машины в ее корпусе сделан соответствующий канал.
