Скачать книгу из которой взят данный материал

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БЕСКОНТАКТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ

Проблема создания бесконтактных электрических машин

Электрические машины — один из наиболее распространенных типов преобразователей энергии. Хотя человеку нужна энергия, главным образом, в форме движения, теплоты и света, особую роль в современном мире играет электроэнергия, являясь самым удобным видом энергии для передачи на расстояние, управления и регулирования, преобразования и распределения. В этом плане электрические машины выполняют важнейшие функции — получение электроэнергии в генераторах и преобразование ее в механическое движение с помощью двигателей для самых разнообразных целей. Поэтому совершенствование электрических машин является одной из основных задач современной науки и техники.

Особенность решения этой общей задачи связана с тем, что условия работы электрических машин непрерывно усложняются, а требования к их надежности резко возрастают. Помимо работы при стандартных условиях электрические машины используются при пониженных давлениях и в вакууме, при повышенной температуре, в присутствии химически активных сред, при высоких динамических перегрузках и т. п., причем интенсивность отказов для таких машин во многих случаях должна быть существенно ниже, чем у машин, работающих при нормальных условиях.

Один из радикальных путей повышения надежности, расширения функциональных возможностей и улучшения общих характеристик электрических машин — отказ от использования щеточных электрических контактов и переход к бесконтактным электрическим машинам. Покажем справедливость этого положения.

Во-первых, по имеющимся статистическим данным щеточный контакт при нормальных условиях работы наряду с изоляцией и подшипниковыми узлами вызывает наибольшее число отказов в работе электрических машин. Например, для коллекторных машин постоянного юка в среднем 25% отказов происходит из-за выхода из строя щеточно-коллекторного узла (в транспортных установках доля таких отказов достигает 44 ...66%).

Во-вторых, при нестандартных условиях окружающей среды щеточный контакт в электрических машинах либо резко ухудшает свою работу, либо вообще становится неработоспособным. Рассмотрим, например, работу щеточного контакта в высотных условиях. Известно, что с ростом высоты понижается электрическая прочность воздуха, поэтому на высоте резко возрастает искрение в контакте, способствующее его повышенному износу. Кроме того, с ростом высоты уменьшаются влажность воздуха и его плотность, что лишает контакт естественной «смазки» и также вызывает быстрый механический износ контакта. По этим причинам использование щеточного контакта в естественных условиях при высотах более 18.. 20 км практически невозможно. Наличие щеточного контакта недопустимо в присутствии воспламеняющихся газов или паров. Работоспособность контактных устройств резко ухудшается при воздействии ионизирующего излучения, они плохо работают при наличии вибраций.

В-третьих, щеточный контакт существенно ограничивает допустимую скорость ротора электрической машины. Для большинства случаев предельные линейные скорости в контакте не должны превышать 80... 100 м/с. В то же время известно, что мощность электрической машины при заданных электромагнитных нагрузках пропорциональна частоте вращения ротора. Поэтому наличие контакта не позволяет реализовать высокофорсированные конструкции электрических машин, рассчитанные на предельные механические нагрузки и обладающие наилучшими массогабаритными показателями.

В-четвертых, щеточный контакт создает дополнительные электрические и механические потери, является источником шумов и помех.

В-пятых, щеточный контакт значительно сокращает срок службы (ресурс) электрической машины.

Наконец, щеточный контакт усложняет обслуживание машины, загрязняет внутренние полости машины графитовой пылью, снижающей электрическую прочность изоляции, препятствует применению в машине высокоэффективного струйного жидкостного охлаждения, ухудшает стабильность параметров машины и т. п.

Все вышеизложенное объясняет интерес, проявляемый к бесконтактным электрическим машинам и их быстрое развитие. Особое значение имеет разработка БЭМ для автономных электроэнергетических установок, где перечисленные недостатки щеточного контакта проявляются особенно резко. Поэтому создание высокоэффективных БЭМ — одна из наиболее актуальных задач, выдвигаемых перед специалистами в области энергетики летательных аппаратов, судовых и транспортных установок. Существенную роль БЭМ призваны сыграть в химической технологии, медицине, робототехнике и других важных областях, где применяются высокофорсированные электромеханические преобразователи широкого класса с повышенными требованиями к надёжности их работы.

Исследованию БЭМ посвящено много работ советских и зарубежных ученых. Значительный вклад в теорию в практику БЭМ внесли фундаментальные исследования, проведенные в нашей стране А. И. Бертиновым, В. А. Балагуровым, В. В. Апситом, Т. Г. Сорокером, Д. А. Завалиишньш, Л. М. Паластиным, А. А. Ду-бенским, Н. Я. Альпером, В. И. Радиным и др. Большую роль в создании и широком внедрении высокоэффективных БЭМ сыграли работы коллективов под руководством А. Ф. Федосеева,

A. Г. Иосифьяна, И. А. Глебова, Н. Н. Шереметьевского,

B. Д. Жаркова, Б. Н. Калугина.

Разработка и внедрение широкого класса бесконтактных электрических машин в электроэнергетику и другие области представляют собой важную современную научно-техническую проблему, успешное решение которой зависит не только от совершенствования уровня производства и технологии, от усилий ученых и инженеров, работающих в области электромашиностроения, но и от качественной подготовки квалифицированных кадров, обладающих широким техническим кругозором и способных воплощать в жизнь передовые идеи в области электромеханики и электроэнергетики.

Классификация БЭМ и их физическая структура

Рассмотрим основные разновидности БЭМ и общие основы протекающих в них физических процессов.

Главные типы БЭМ. На рис. 1.1 показана классификация энергетических БЭМ. По принципу действия большинство БЭМ переменного тока, как и обычные электрические машины, делятся на синхронные и асинхронные (индукционные). Те и другие основаны на использовании явления электромагнитной индукции.

Синхронные БЭМ имеют на статоре обмотку якоря (ОЯ), обычно уложенную на стальном шихтованном сердечнике, а на роторе — магнитные полюсы. На рис. 1.2, а изображено поперечное сечение простейшей синхронной машины с явнополюсным ротором. Помимо полюсов ротор может содержать короткозамкнутую демпферную обмотку {ДО), служащую для предотвращения колебаний ротора при его вращении, повышения устойчивости работы машины и экранирования полюсов от нестационарных

размагничивающих воздействий. Эта обмотка подавляет гармоники поля, вращающиеся с несинхронной скоростью, а также может обеспечивать асинхронный пуск машины в двигательном режиме.

Классификация БЭМ

Ротор синхронной БЭМ может выполняться неявнополюсным (рис. 1.2, б), когда обмотка возбуждения {ОВ) располагается на части цилиндрической поверхности ротора.

В режиме генератора при вращении ротора от приводного уст-

роиства потокосцепление в каждой секции ОЯ периодически меняется, благодаря чему в ОЯ наводится ЭДС, создающая ток в сети или автономной нагрузке, подсоединяемой к ОЯ.

В двигательном режиме, наоборот, переменный ток подается из сети в многофазную обмотку якоря и создает вращающееся магнитное поле. Полюсы этого поля притягива-

ют полюсы ротора с противоположной полярностью, ротор вращается вслед за полем с синхронной скоростью и создает полезный вращающий момент на валу, передаваемый механической нагрузке. Наводимая благодаря вращению полюсов ЭДС в ОЯ частично компенсирует приложенное к ОЯ напряжение. В обоих режимах ротор синхронной машины вращается с той же (синхронной) частотой, что и магнитный поток, сцепленный с ОЯ.