Скачать книгу из которой взят данный материал

§ 3.3. Бесконтактные синхронные машины с когтеобразными

полюсами

В машинах этого типа обмотки якоря и возбуждения находятся на статоре, а ротор имеет когтеобразные выступы (полюсы) из магнитомягкой стали, которые за счет МДС возбуждения приобретают чередующуюся магнитную полярность и создают в рабочем воздушном зазоре знакопеременное магнитное поле. Роторы таких БСМ могут выполняться в виде чисто механических конструкций, не содержащих постоянных магнитов, вращающихся выпрямителей, многовитковых обмоток и шихтованных сердечников. Подобные конструкции обладают высокой надежностью, слабой чувствительностью к внешним воздействиям (повышенным температурам, динамическим нагрузкам, присутствию агрессивных сред и т. д.), предельными частотами вращения, что в совокупности позволяет создавать высоконадежные компактные генераторы и двигатели, способные работать в сложных окружающих условиях. Общие недостатки БСМ с когтеобразными полюсами связаны с повышенными магнитными потоками рассеяния.

Существует большое разнообразие конструктивных исполнений БСМ с когтеобразными полюсами.

БСМ с внешнезамкнутым потоком. На статоре машины (рис.

3.10) размещаются две кольцевые обмотки возбуждения 1 и 4, питаемые постоянным током, и обмотка якоря 3, расположенная в пазах шихтованного стального цилиндрического сердечника 2. Наружный корпус и боковые щиты с консолями 5 и 10 выполнены из магнитомягкой стали. На роторе располагаются втулки 6 и 9 с когтеобразными взаимно чередующимися выступами 7 и 8, которые примыкают к сердечнику якоря 2 через рабочий зазор Л, много меньший, чем тангенциальный зазор между соседними выступами 7 и 8.

Для упрощения чертежа наружные грани выступов 8 и 7, примыкающие к обмотке якоря <?, на продольном разрезе условно совмещены (на диаметре й), хотя при строгом изображении они будут сдвинуты из-за азимутального смещения. Этот прием используется и в дальнейшем. Каждая из втулок 6 и 9 со стороны, противоположной выступам, имеет цилиндрическую расточку, отделенную от консолей 5 и 10 дополнительными конструктивными зазорами Ь\ и 62. Для придания ротору необходимой механической прочности пространство между втулками (выступами) залито прочным немагнитным материалом (немагнитной сталью, алюминием, силумином, пластмассой и т. п.). Возможна также сварная конструкция ротора. Вал машины выполняется из немагнитной стали. Магнитный поток возбуждения Ф_в, создаваемый согласно включенными обмотками возбуждения / и 4, замыкается по пути с наибольшей магнитной проводимостью (с наименьшим воздуш-

Рис. 3.10. Бесконтактная синхронная машина с внешнезамкнутым потоком

ным зазором) следующим образом:    наружный    корпус — кон

соль 10 — дополнительный зазор 62 — левая втулка 9 — выступы 8 — рабочий зазор б — статор — рабочий зазор 6 под соседними выступами — выступы 7 — правая втулка 6 — дополнительный зазор 61 — консоль 5 — корпус. Выступы 8 и 7 приобретают противоположную магнитную полярность (на рис. 3.10 Ф_в выходит из выступов 8 и входит в выступы 7).

При работе машины в двигательном режиме вращающееся магнитное поле якоря увлекает ротор и заставляет его вращаться с синхронной скоростью. Для асинхронного пуска двигателя на роторе может размещаться специальная пусковая коротко-замкнутая обмотка, аналогичная клетке асинхронного двигателя (см, § 7.2). При небольших пусковых моментах возможен асинхронный пуск двигателя без пусковой обмотки за счет вихревых токов, наводимых в массивных выступах ротора и немагнитной заливке между ними. Пусковые характеристики в этом случае могут быть заметно улучшены с помощью торцовых короткоза-мыкающих колец на роторе, которые, во-первых, облегчают условия замыкания пусковых токов и тем самым увеличивают пусковой момент и, во-вторых, повышают механическую прочность ротора.

При работе машины генератором вращение ротора от внешнего привода обеспечивает наведение рабочей ЭДС в ОЯ. Ток в ОЯ создает магнитный поток реакции якоря Ф_а. Продольная составляющая потока якоря Ф_ай замыкается по тому же пути, что и Ф_в, а поперечная составляющая Ф_ад — через выступы 7 и 8 в азимутальном направлении, как показано штрихпунктиром на рис. 3.10. Длина магнитной линии ФасI существенно больше, чем для Фа<?; кроме того, на пути Фай имеются дополнительные зазоры 6] и 62. Поэтому в отличие от обычных явнополюсных синхронных машин, у которых Ха>Х_я, в данной машине Ха^Х_я.

Магнитные линии, замыкающиеся вокруг проводников ОЯ и не сцепленнные с ротором, как обычно, образуют поток рассеяния якоря Ф_оа и учитываются индуктивным сопротивлением якоря Х_аа-Помимо рассмотренных потоков в машине существуют потоки рассеяния цепи возбуждения Ф₀, которые заметно превышают потоки рассеяния в обычных синхронных машинах из-за сложной геометрии магнитной цепи. Если коэффициент рассеяния в обычных машинах к_а^ 1,15... 1,3, то в рассматриваемой БСМ к^ 1,5. Основной составляющей Ф_а является поток полюсного рассеяния Ф_агъ который, минуя якорь, замыкается непосредственно между соседними когтеобразными выступами с разной полярностью (рис.

з.10). Поток рассеяния Ф_ов замыкается вокруг ОВ, поток рассеяния Ф₀вт — между втулками 6 и 9, поток рассеяния Ф_аТ — между торцами пакета 2 и выступающими за пределы активной зоны (I) участками полюсов 7 и 8.

Рассмотренная БСМ с внешнезамкнутым потоком относится к классу машин с радиально-осевым потоком, в которых линии основного потока являются трехмерными и имеют составляющие не только в поперечной плоскости (как в обычных машинах), но и вдоль оси. Эта особенность накладывает жесткие ограничения на геометрический фактор машины К, равный отношению длины активной зоны / к ее диаметру О, т. е. Х = 1/0. В машинах с радиально-осевым потоком величины / и В должны быть жестко взаимосвязаны, так как один и тот же рабочий поток замыкается, во-первых, вдоль оси через сечение, определяемое величиной О,

и, во-вторых, по радиусу через сечение, зависящее от /. Покажем это на примере рассматриваемой машины с внешнезамкнутым потоком (рис. 3.10). Очевидно, что поток вдоль оси через втулку диаметром /)_вт при индукции В_вт будет

Ф_вг ~ (яДгг/4) В_вт.    (3.11)

Суммарный рабочий поток полюсов по радиусу

Фб5=0,5л^/а₄в_г,    (3.12)

где множитель 0,5 учитывает замыкание потока    по    радиусу в одну

сторону    только    через    половину полюсов;    £>—    диаметр    активной

зоны; а_в — коэффициент полюсного перекрытия; В_ь — расчетная индукция в зазоре.

Потоки Фвт и Ф_82; связаны коэффициентом рассеяния для ротора /г'„ = Фвт/Фвг. Из записанных соотношений следует

Х    = 1Ю =-!- (3.13)

2*_Л I О)

Если, например,    принять    £>_вт/£>~0,8; В_вт/В₆^ 1,5;    й'₀=1,4;

аб = 0,7, то А,=0,49.    В общем    случае можно считать ?у^0,5...0,6,

т. е. при заданном диаметре    машина должна иметь относительно

небольшую длину. Записанное ограничение относится не только к БСМ с внешнезамкнутым потоком, но и ко всем рассматриваемым в дальнейшем машинам с радиально-осевым потоком (БСМ с внутризамкнутым потоком, торцовым БСМ, разновидностям индукторных БЭМ и др.). При невыполнении записанного неравенства индукция в стали для осевых участков маг-нитопровода недопустимо возрастает, сталь насыщается, резко увеличиваются потоки рассеяния и режим работы машины становится нерациональным.

Особенностью всех БСГ с когтеобразными полюсами является сложность расчета магнитной цепи из-за объемного характера распределения магнитного поля и значительной роли потоков рассеяния. Обычно в начале расчета составляется схема замещения магнитной цепи, в которую включаются МДС в виде активных элементов и магнитные сопротивления различных участков с соответствующими магнитными потоками. Принципы построения и расчета схемы замещения магнитной цепи такие же, как и для подобной электрической цепи. На рис. 3.11 в качестве примера приведена упрощенная схема замещения магнитной цепи двухполюсной БСМ с внешнезамкнутым потоком, причем обозначения без штрихов относятся к левой половине, а обозначения со штрихами— к правой половине машины относительно сечения АА (см. рис. 3.10) На схеме (рис. 3 11) обозначено: Е_в — МДС одной ОВ; Вай МДС якоря на один полюс, приведенная к ОВ; Я_К9 Ящ, Лен Явт, Яп, Яь, Яг, Яа, Яо — соответственно магнитные сопротивления половины наружного корпуса, левого бокового щита, дополнительного зазора 61 (см. рис. 3.10), втулки 9, полюсного выступа 8, рабочего зазора, зубцового слоя якоря, спинки якоря (на полюс), лакета якоря между рабочим зазором и корпусом для полюса одной полярности; /?_ов, /?₀п, /?*вт, Rot — соответственно магнитные сопротивления ДЛЯ ПОТОКОВ рассеяния вокруг ОВ (ФовД между полюсными выступами 7 и 8 (Фоп), между втулками 6 и 9 (Ф_авт), между торцами пакета якоря 2 и выступающими за пределы активной зоны (7) участками полюсов 7 и 8 (Ф_ат). В общем случае при р пар полюсов схема замещения содержит р активных параллельных ветвей с МДС Fad и F'ad, соответствующих якорной зоне.

Схемы замещения рассчитывают известными методами теории цепей. Главная трудность связана с нахождением магнитных сопротивлений (или проводимостей) участков. Как известно, магнитное сопротивление R = l/([iS)_f где / — средняя длина магнитной линии в пределах участка; р — магнитная проницаемость; S — среднее сечение участка. Поскольку машины с когтеобразными полюсами должны работать при слабо насыщенных сердечниках с высокими р, главную роль в схеме замещения играют сопротивления участков, где поток замыкается по воздуху. Если можно заранее предугадать примерную форму линий магнитного поля, магнитные сопротивления участков рассчитывают методом вероятных путей потоков по их геометрическим размерам (см. § 2.7). Пусть, например, /_вт — осевая длина цилиндрической расточки втулки 9, Ь_вт — ее диаметр, а зазор 6i мал, что позволяет считать линии поля в нем радиально направленными. Тогда для зазора 6i магнитное сопротивление R₆i — {\xonD_BTl_BT). В общем случае для нахождения R предварительно строится топография поля на соответствующем участке. Наиболее эффективно такое построение проводится путем моделирования магнитного поля подобным электрическим полем на электропроводной бумаге (для двумерного поля) или в электролитических ваннах (для трехмерного поля). Для нахождения R используются также численные решения на ЭВМ уравнений магнитостатики, а в отдельных случаях— их аналитические решения. Распределение магнитного поля в пространстве вокруг ненасыщенных сердечников может, в частности, находиться решением уравнения Лапласа для скалярного магнитного потенциала V²<p_M = 0 (Н = —grad<p_M) с граничными условиями на поверхности ненасыщенного сердечника ф_м = = const, (дцм/д%) =0, где т — касательное направление к поверхности (последнее условие означает, что магнитные линии нормальны к поверхности сердечника).

Машины с внешнезамкнутым потоком отличаются относительной простотой конструкции ротора и высокой надежностью, не уступающей надежности короткозамкнутых асинхронных машин.

Недостатки машин связаны с наличием тяжелого стального наружного корпуса, являющегося магнитопроводом, значительными потоками рассеяния, большим диаметром и соответственно объемом обмоток возбуждения, что приводит к повышенным потерям на возбуждение. Пои оеяпизации высокооборотных конструкций могут возникать трудности, связанные с деформацией (отгибом) и прочностью осевых когтеобразных выступов из-за больших центробежных сил.

Генераторы с внешнезамкнутым потоком благодаря высокой надежности представляют интерес для транспортных установок. В частности, наряду с другими типами генераторов их используют для электроснабжения железнодорожных вагонов. При мощностях порядка 10... 12 кВ-А и частотах вращения 1000 ...2000 об/мин их удельная масса составляет 15...20 кг/(кВ-А). Так, в Физико-энергетическом институте АН Латвийской ССР был разработан генератор для железнодорожных вагонов ГЭВ-1. Мощность генератора 5=17,5 кВ-А, КПД т] = 0,85, частота вращения п = 900... 3400 об/мин, удельная масса т*= 18,2 кг/(кВ-А). В нашей стране создавались также опытные серии бесконтактных синхронных двигателей СО мощностью 2,2 ...5,5 кВт и СДБ мощностью 1,5... 40 кВт для нефтепромысловых установок. Параметры некоторых двигателей приведены в табл. 3.4.

Таблица 34

Тип БСД	Мощность, кВт	Напряжение, в	Частота вращения, об/мин	кпд, %	Удельная масса, кг/кВт
СДБ-41-4	3	380/220	1500	86,5	26,7
СДБ-71-4	11	380/220	1500	89,0	24,0
СДБ-81-4	20	380/220	1500	91,0	19,8

Хотя бесконтактные синхронные двигатели с внешнезамкнутым потоком уступают по удельной массе, стоимости и КПД асинхронным двигателям, они позволяют улучшить режим энергосетей и повысить экономичность их работы, поскольку синхронные двигатели могут работать с соБф=1 и даже генерировать реактивную мощность в сеть, чем обеспечивается существенное увеличение СОЬф сети в целом.

Массогабаритные показатели БСМ с внешнезамкнутым потоком существенно улучшаются с увеличением их частоты вращения. Для придания ротору необходимой механической прочности в высокооборотных конструкциях пространство между полюсными выступами заливается прочной немагнитной сталью или ротор выполняют из сварных биметаллических дисков, содержащих немагнитные и магнитные участки. Последние сопрягаются последовательно между собой вдоль оси и образуют профили, соответствующие когтеобразным выступам. Общий вид генератора с ротором подобного типа показан на рис. 3.12. Биметаллические диски Д свариваются между собой по окружности на поверхности ротора. Такая конструкция ротора отличается простотой и высокой прочностью, благодаря чему допустимые окружные скорости достигают 350 м/с при пж 12 ООО... 24 ООО об/мин. У машин со сварным ротором из биметаллических дисков при /г= 12 ООО... 24 000 об/мин и мощностях 200 ...400 кВ-А и более удельная масса снижается до т* ^ 2 ... 3 кг/(кВ-А).

Возможно применение машин с внешнезамкнутым потоком в тех случаях, когда в полость ротора через подшипниковые узлы могут попадать химически активные пары или газы (например, при использовании для вращения генератора турбинного привода на химически активном рабочем теле и т. п.). Благодаря размещению обмоток якоря и возбуждения примерно на одном уровне они легко экранируются изнутри тонкостенным цилиндрическим экраном от воздействия химически активных веществ.

Генераторы с внешнезамкнутым потоком мощностью от единиц до сотен киловатт рассматриваются как возможные источники электроэнергии для космических газотурбинных установок. Привод генератора осуществляется от газовой турбины, работающей на смеси гелия и ксенона. Перед входом в турбину смесь нагревается в теплообменнике первичного контура от жидкометаллического теплоносителя, забирающего теплоту от радиоизотопного элемента или ядерного реактора, а после выхода из турбины проходит через рекуператор и охлаждается в теплообменнике, связанном с холодильником-излучателем. Генератор, турбина и компрессор, обеспечивающий циркуляцию газовой смеси в замкнутом контуре турбины, выполняют в виде единого блока с общим валом, который фиксируется в газовых опорах, исключающих трение механических поверхностей и допускающих частоты вращения (20 ... 40) 10³ об/мин и более. Установки могут надежно работать в течение нескольких лет. Генераторы для них разрабатываются в США на мощности до 350 ... 1000 кВ*А с частотой вращения 15...24 тыс. об/мин. По расчетам генераторы имеют КПД т] = = 93...95% и удельную массу т*^0,34...0,45 кг/(кВ-А), что всего на 25...30% хуже, чем у бесщеточных генераторов с вращающимися выпрямителями, причем их рабочая температура может составлять 535 °С, что недостижимо для бесщеточных генераторов, содержащих на роторе полупроводниковые вентили.

БСМ с внутризамкнутым потоком. Основная идея рассматриваемой машины связана со стремлением построить ее магнитную цепь так, чтобы, во-первых, поток замыкался во внутренних областях, а не по тяжелому внешнему магнитопроводу и, во-вторых, уменьшились диаметр и объем обмотки возбуждения.

Одна из разновидностей БСМ с внутризамкну-тым потоком — консольный генератор (рис. 3.13, а). В нем кольцевая обмотка возбуждения 1 размещается на внутреннем сердечнике 9, а обмотка якоря 4 — на обычном цилиндрическом шихтованном сердечнике 5. Между неподвижными сердечниками 5 и 9 находится консольно закрепленный ротор, содержа-

!)

Рис. 3.13. Бесконтактная синхронная машина с внутризамкнутым потоком и консольным ротором при одностороннем (а) и двустороннем (б) расположении подшипников

щий стальное кольцо 2 с когтеобразными левыми выступами 3 и цилиндрическую часть 8 (чашу) с правыми выступами 6. Рабочий зазор б между ротором и якорем и дополнительный зазор б' между ротором и сердечником 9 много меньше расстояния между соседними выступами 3 и 6. Пространство между выступами залито прочным немагнитным сплавом. Ротор содержит также кольцо 7 из немагнитной стали. Магнитные линии потока возбуждения, сцепленные с ОВ, замыкаются через сердечник 9, зазор б', выступы 3 и 6, рабочий зазор б и якорь. При этом выступы 3 при выбранном направлении тока в ОВ приобретают по отношению к якорю северную полярность, а выступы 6—южную. В данной конструкции диаметр и объем ОВ малы, наружный корпус изготовлен из легкого немагнитного материала. Однако машина обладает серьезным недостатком, связанным с консольным ротором, что увеличивает ее длину, усложняет технологию и ограничивает максимальные частоты вращения.

Другая разновидность БСМ с внутризамкнутым потоком и двустороннним расположением подшипников показана на рис. 3.13, б, где применены те же обозначения, что и на рис. 3.13, а. Такие машины благодаря увеличенной массе ротора используются в качестве маховичных генераторов, обладающих повышенным моментом инерции ротора и позволяющих сглаживать пульсации частоты вращения привода (например, поршневого двигателя внутреннего сгорания).

Конструкции с внутризамкнутым потоком и односторонним размещением ОВ (рис. 3.14) применяются при повышенных частотах вращения ротора и небольших мощностях БСМ. На статоре размещаются обмотка якоря 1 в пазах шихтованного цилиндрического сердечника 2, кольцевая обмотка возбуждения 5 и охватывающая ее скоба 6 из магнитомягкой стали. Наружный корпус 3 выполнен из легкого немагнитного материала. Ротор содержит центральную втулку 7 с радиальными высту-

А-А

Рис. 3.14. Бесконтактная синхронная машина с внутризамкнутым потоком и односторонним расположением обмотки возбуждения

пами 8 и цилиндр 4 с аксиальными когтеобразными выступами 9, чередующимися по окружности с выступами 8. Внешние стороны выступов 8 и 9 через рабочий зазор б примыкают к якорю, а скоба 6 отделена дополнительными конструктивными зазорами 6і и 62 от втулки 7 и цилиндра 4. Расстояния между выступами 8 и 9 много больше зазоров б, 61 и 62. Втулка 7, выступы 8 и 9, цилиндр 4 изготовлены из магнитомягкой стали, а пространство между ними залито прочным немагнитным сплавом 10. Вал машины может выполняться из магнитной стали и служить магнито-проводом. Магнитный поток Ф_в, созданный ОВ, замыкается по пути с наименьшим суммарным зазором:    скоба 6 — зазор бі —

втулка 7 — выступы 8 — зазор б — якорь — зазор б — выступы 9 — цилиндр 4 — зазор 62 — скоба 6. Таким образом, выступы 8 и 9 по отношению к якорю имеют противоположную магнитную полярность, что и требуется для синхронной машины. Расчет магнитной цепи машины, как и для БСМ с внешнезамкнутым потоком, целесообразно проводить на основе ее схемы замещения, аналогичной схеме на рис. 3.11.

В описанной конструкции нет тяжелого внешнего магнитопро-вода, а ОВ имеет малые диаметр и объем. Однако, как и в БСМ с внешнезамкнутым потоком, центробежные силы, действующие на консольно закрепленные выступы 9, могут вызывать их отгиб при больших частотах вращения.

Конструкция машины с двусторонним возбуждением (сексин) позволяет увеличить мощность БСМ (рис. 3.15, а). Обозначения на рис. 3.15 такие же, как и на рис. 3.14. Отличие вариантов в том, что цилиндр 4 охватывает весь ротор

и в нем выполнены окна, в которые вставлены концы выступов 8, причем зазор Д между краем окна и выступом 8 много больше рабочего зазора б. Развертка наружной поверхности ротора сексина показана на рис. 3.15,6. Как и в предыдущей конструкции, поток из выступов 8 через зазор б попадает в якорь, а затем через зазор 6 возвращается в ротор, замыкаясь на участки цилиндра 4 между окнами. В остальном форма магнитных линий такая же, как на рис. 3.14. Одна группа полюсов (северные) образована наружными торцами выступов <§, а вторая (южные) —центральными участками цилиндра 4 между окнами. В данной конструкции консольные выступы на роторе отсутствуют, что позволяет увеличить его предельно допустимые частоты вращения.

Машины с внутризамкнутым потоком, как и машины с внешнезамкнутым пото-~    о,г ж*    ком, имеют значительные потоки рассея-

син'    (а) и р а зв е р т к™ на р уж -    ^{ния ф}«^{: В}0КРУ^Г обмотки возбуждения Ф_0В)

НОЙ    поверхности    ее    рото-    между торцами сердечника якоря и ци-

ра (б)    линдром ротора Ф_от, между соседними

полюсами Ф₀п (см. рис. 3.14). Машины характеризуются высоким коэффициентом рассеяния (Кж 1,5...2). Это приводит к большим значениям параметра Ха, чем определяются крутой наклон внешних характеристик и малая перегрузочная способность генератора (см. § 1.2). Кроме того, из-за конструктивной несимметрии северных и южных полюсов индукция под ними может существенно различаться (до 30...40%), что приводит к появлению постоянной составляющей в пространственной кривой распределения индукции, которая не участвует в наведении ЭДС якоря, но ухудшает использование магнитопровода, так же, как и в индукторных машинах (§ 3.4).

Бесконтактные СМ с внутризамкнутым потоком применяют в автономных энергоустановках. Консольные генераторы используются в системах электроснабжения железнодорожных вагонов и имеют несколько лучшие (на 20... 40%) массогабаритные показатели, чем генераторы с внешнезамкнутым потоком. Маховичные

132