Отличительной чертой электрических машин для криогенных установок является использование глубокого охлаждения таких частей машины, как пакет статора с якорными обмотками и обмоткой возбуждения, а также внешнего корпуса всей электрической машины. При этом в зависимости от условий компоновки всей криогенной установки и в зависимости от ее температурного уровня и режима возможны различные варианты системы охлаждения машины.
Основными источниками тепла в сверхвысокоскоростных электрических машинах предельных мощностей являются: электрические потери энергии в обмотках, потерн в стали статора, потери трения ротора о среду. Единственный путь снижения потерь в обмотках — это глубокое охлаждение. Однако, чтобы выделяемое тепло не нарушало теплового режима, оно должно быть выведено за пределы машины. В качестве охладителя можно принять, например, азот с температурой порядка 70—77 К· Целесообразность применения того или иного газа должна быть установлена экспериментально — расчетным путем с учетом технологических факторов, влияющих на уровень потерь в машинах. Весьма желательным является использование для охлаждения самого рабочего агента либо другого газа при низких температурах вплоть до сжиженного состояния. Выбор той или иной температуры охлаждения определяется оптимальным соотношением потерь в стали и п обмотках и весьма труден для расчета ввиду отсутствия экспериментальных данных физических свойств используемых материалов при низких температурах и степени точности учета реальных потерь в машине, зависящих от технологических факторов.
Потери трения ротора в значительной степени зависят от той среды, которая наполняет машину. Эта среда определяет величину потерь при заданной частоте вращения, геометрии и качестве обработки ротора, а также тепловой режим машины. При высоких частотах вращения ротора принудительная конвекция увеличивает теплоотдачу от внутренних поверхностей более чем в 10 раз по сравнению с теплоотдачей в неподвижную среду.
При нормальных физических условиях водород дает снижение аэродинамических потерь в 5—8 раз по сравнению с воздухом и увеличение теплоотдачи в 1,7—2,4 раза, а гелий соответственно в 2,5—4 и 13—1,8 раза. С уменьшением давления теплоотдача уменьшается в большей степени, чем аэродинамические потери; для каждой среды существует оптимальное давление, обеспечивающее минимальные перегревы машины
В роторе в общем случае имеют место все основные потери: в стали, в обмотках, от трения, поэтому он является наиболее ответственным узлом как с точки зрения обеспечения энергетических показателей, так и с точки зрения температурных условий. Различные температурные градиенты статора и ротора в широком диапазоне рабочих температур могут изменять геометрию машины, зазор газовых подшипников, что отрицательно повлияет на работоспособность установки, поэтому желательно обеспечение равенства температурных градиентов и определяемых ими температурных деформаций по всему температурному полю машины. Кроме того, одна из отличительных особенностей сверхвысокоскоростных электрических машин заключается в том, что рабочее колесо турбины должно быть жестко закреплено на общем валу машины либо выполнено с ним как одно целое. Тем самым в конструкцию закладывается сравнительно легкий путь передачи тепла путем теплопроводности по металлическому валу от бочки ротора к рабочему колесу, что может наряду с упомянутыми факторами значительно снизить эффективность установки в целом, поэтому потери в роторе должны быть минимально возможными вследствие тяжелых условий его охлаждения. Именно поэтому в генераторе целесообразно использование ротора без обмоток.
С целью снижения потерь от гистерезиса и вихревых токов статор электрической машины выполняется из магнитно-мягких ферритов. Это одно из новых направлений электромашиностроения делает значительные успехи за последние годы и становится более совершенным.
Для одноименнополюсного генератора с малыми потерями в стали ротора вместо многовитковой обмотки возбуждения возможно применение постоянных магнитов с большой энергией либо маловитковых обмоток из провода в сверхпроводящем состоянии с внешним автономным источником обеспечения сверхпроводимости.
Вариант выполнения обмотки возбуждения из сверхпроводящего материала в настоящее время реален и целесообразность его применения должна быть обоснована расчетами и экспериментами.
Проектирование генератора или двигателя со сверхпроводящей якорной обмоткой значительно расширяет объем проблем и требует специального исследования, выходящего за рамки настоящей книги.
Постоянные магниты для возбуждения машины в рабочих режимах несколько велики по объему, не позволяют вести регулировку напряжения генератора, более трудоемки в производстве и обладают температурной нестабильностью. Однако их следует рассматривать в качестве основного сравнительного варианта, в частности, для электромашин с многовитковыми обмотками возбуждения. При этом для машин малой мощности достоинства возбуждения от постоянных магнитов в большей степени убедительны ввиду достаточной однородности магнитных свойств материала по объему. В зависимости от физических и магнитных свойств выбранного материала и иных конструктивных соображений постоянный магнит может быть помещен непосредственно в низкотемпературной зоне либо для него может быть создан теплый микроклимат вакуумным промежутком или иным способом. В некоторых случаях возможно расположение постоянных магнитов возбуждения в теплой зоне допустимых для соответствующего материала температур либо специально предусмотренное охлаждение магнита.
