Телевизоры LG

Рис. 3.16. Торцовая однопакетная (а, б) и двухпакетная (в) бесконтактные машины

Торцовые БСМ. В торцовых БСМ когтеобразные полюсные выступы ориентированы по радиусу и отделены аксиальным зазором от торцового якоря. Одна из возможных конструкций торцовой БСМ приведена на рис. 3.16, а. Обмотка якоря 1 уложена в радиальные пазы на торцовой поверхности стального сердечника 2 кольцевой формы, навитого из стальной ленты. Пазы фрезеруются после навивки сердечника или штампуются одновременно с его навивкой. Вид на торцовый якорь по оси показан на рис. 3.16, б (зубцы заштрихованы). Кольцевая обмотка возбуждения 5 закреплена в корпусе 6, выполненном из магнитомягкой стали. На роторе имеется стальная втулка 7 с радиальными полюсными выступами 8, образующими внутреннюю звездочку. Между полюсами 8 размещаются направленные внутрь полюсы 3 наружной звездочки, ограниченной стальным ободом 4. Наружная и внутренняя звездочки скреплены сварными вставками из немагнитной гали или заливкой немагнитным сплавом. Основной магнитный эток возбуждения, созданный обмоткой ^р замыкается следую-им образом: корпус 6 — дополнительный зазор 6* между корпу-)м и ротором — втулка 7—полюсы 8 — рабочий зазор б — «орь — зазор б — полюсы 3 — дополнительный зазор 62 между оодом и корпусом — корпус 6. Таким образом, полюсы 3 и 8 приобретают противоположную магнитную полярность по отношению к якорю.

Лучшее использование потока и меньшие удельные массы имеет торцовая двухпакетная БСМ (рис. 3.16, в), в которой вместо боковой части корпуса 6 размещен еще один якорь с соответствующей системой полюсов на роторе. Такая БСМ обладает симметрией относительно среднего сечения и меньшим числом дополнительных зазоров.

При значительных мощностях (от нескольких сотен до нескольких тысяч киловольт-ампер) может быть применена конструкция двухпакетной торцовой БСМ с внутренними якорями (рис. 3.17). Поток в ней создается двумя концентрическими обмотками возбуждения / и 5, между которыми находятся два якорных пакета с обмотками 3 и 7 на наружных торцах. К этим торцам через аксиальные зазоры примыкают две полюсные системы 4 и 5, каждая из которых состоит из внутренней и наружной

_л    _    звездочек,    как    и    в    БСМ    на    рис.    3.16.    Наруж-

Рис. 3.17. Торцовая двух-    ₀    «

пакетная БСМ с внутрен- ^ныи корпус 2, расположенный между полюс-

ними якорями ными системами ротора, и внутренняя втулка 6 выполнены из магнитомягкой стали. Ход магнитных линий основного потока возбуждения Ф_в, охватывающих обе ОВ с согласным направлением тока, показан на рис. 3.17.

Торцовые БСГ обладают существенными достоинствами. Во-первых, они имеют короткий жесткий ротор со сплошным наружным стальным ободом и радиально-ориентированными полюсными выступами. Поэтому механическая прочность ротора — высокая, а когтеобразные выступы не испытывают изгибающих сил при вращении. Окружные скорости таких роторов могут достигать 300... 350 м/с, позволяя создавать компактные высокооборотные преобразователи энергии. Во-вторых, магнитные линии основного потока для торцовых БСМ имеют относительно небольшую длину. Поэтому их удельные массы примерно в 1,5 ...2 раза меньше, чем у БСМ с внешнезамкнутым потоком, и близки к удельным массам контактных СМ. В-третьих, обмотки возбуждения торцовых БСМ имеют сравнительно небольшой объем и потери. В-четвертых, благодаря уплощенной конфигурации и возможности разместить обмотки на периферии машины торцовые БСМ имеют благоприятные возможности для интенсивного охлаждения (в том числе за счет эффективной самовентиляции). Наконец, торцовые БСМ позволяют легко защищать обмотки от воздействия агрессивных сред с помощью плоских экранов, а не цилиндрических,

Минимальное значение /)2 = £>₂т1п реализуется при с1*=с&_т = = 1/1^3^0,577, когда функция ф(^*) максимальна, т. е. имеет место 6?ф(Й*)/Л/* = 0.

Поскольку функция ф(^*) в области своего максимума изменяется относительно слабо, на практике можно выбирать й* — = 0,4 ...0,6.

Торцовые БСМ применяют в качестве надежных высокофорсированных генераторов для автономных энергоустановок, работающих в нестандартных условиях окружающей среды (в том числе в присутствии агрессивных сред). Они обладают хорошими массо-габаритными показателями. Например, высокооборотный торцовый генератор мощностью 15 кВ-А имеет удельную массу 1,6 кг/(кВ-А), а для генератора мощностью 260 кВ-А при окружной скорости ротора 240 ...250 м/с удельная масса снижается до 0,91 ...0,95 кг/(кВ-А). Удельная масса аналогичного БСГ с внешнезамкнутым потоком равна 2,5 кг/(кВ-А). Торцовые БСМ могут рационально использоваться в конструкциях, встраиваемых в различные механические агрегаты.

§ 3.4. Индукторные машины

Индукторной называется машина, у которой магнитная индукция в каждой точке рабочего зазора изменяется только по величине, а ее направление остается постоянным. Отсюда следует, что индукция в зазоре индукторных машин (ИМ) имеет пульсирующий характер и содержит переменную (рабочую) и постоянную (нерабочую) составляющие. Обмотки якоря и возбуждения в ИМ находятся на статоре, а изменение во времени магнитного потока, сцепленного с обмоткой якоря, достигается за счет периодического изменения магнитного сопротивления на пути рабочего потока при вращении зубчатого ротора. Так как число зубцов на роторе можно сделать большим, ИМ характеризуются повышенными частотами тока (/^400 ... 30 000 Гц).

Достоинствами индукторных машин помимо способности генерировать или использовать токи повышенной частоты являются простота конструкции ротора, высокая надежность, хорошее регулирование, работоспособность в сложных окружающих условиях (при повышенных температурах, низких давлениях, присутствии агрессивных сред и т. п.).

Главный недостаток ИМ проявляется в наличии постоянной составляющей магнитного потока, которая не участвует в наведении рабочей ЭДС, но загружает магнитопровод и требует существенного увеличения его объема и массы по сравнению с обычными синхронными машинами.

Основные типы индукторных машин. Индукторные машины делятся на одноименнополюсные и разноименнополюсные.

В одноименнополюсных ИМ к якорю примыкают магнитные полюсы только одной полярности. На рис. 3.18, а показана однопакетная одноименнополюсная ИМ, содержащая на статоре шихтованный пакет якоря 1 с якорной обмоткой 2 и кольцевую обмотку возбуждения 4. Корпус 3 выполнен из магнитомягкой стали. Ротор состоит из магнитомягкой втулки 5 и пакета 6 с выступами (зубцами), примыкающими через рабочие зазоры к якорю. Таким образом, ротор по отношению к якорю имеет магнитную несимметрию, характеризуемую различием минимального бгпіп и максимального бшах рабочих зазоров. Шаг ОЯ таков, что одна сторона секции (или катушки) ОЯ размещается под бтіп, а вторая — в зоне бтах. Втулка 5 отделена от консольной расточки корпуса дополнительным зазором б_доп.

Рис. 3.18. Однопакетная (а) и двухпакетная (б) одноименнополюсные индукторные машины

Основной магнитный поток Ф_в, создаваемый ОВ, замыкается через корпус <?, зазор 6_ДОп, втулку 5, рабочие зазоры и якорь. Между втулкой 5 и пакетом якоря 1 поток разветвляется:    его

большая часть Фшах замыкается через выступы пакета 6 и наименьший зазор бшт, а меньшая часть ф_т1п — через наибольший зазор бтах. При работе ИМ в генераторном режиме благодаря вращению ротора с каждой секцией ОЯ будет поочередно сцеплен то поток Фшах, то Фш1п, вследствие чего в ОЯ наводится рабочая ЭДС. Направление радиального магнитного поля в каждой точке зазоров бтах и б_т1п неизменно, а все выступы имеют одинаковую магнитную полярность (на рис. 3.18 полярность выступов северная, так как поток выходит из них), чем и объясняется название машины. Хотя поток Ф_тах через выступы практически постоянен, их обычно выполняют шихтованными для борьбы с поверхностными потерями в наружных зонах из-за зубчатости якоря, а также для уменьшения времени протекания переходных процессов. При большом числе пазов якоря выступы 6 могут быть сплошными. Отличие рассмотренной ИМ от обычной синхронной машины !М заключается в том, что в СМ при идентичной форме ротора го соседние выступы имеют противоположную полярность и поток Ф_в изменяется не от Фшах до Ф_т1п с сохранением полярности, а от Фшах до —Фшах с изменением полярности. Следовательно, при одинаковой предельной загрузке магнитопровода (Фшах) использование потока в ИМ хуже, чем в СМ.

Рис. 3.19. Одноименнополюсная индукторная машина с двусторонним возбуждением

Недостатком ИМ, изображенной на рис. 3.18, а, является наличие зазора бдоп. Его можно устранить в двухпакетной ИМ (рис.

3.18, б). В такой конструкции активные зоны с ОЯ и зубчатым ротором размещаются по обеим сторонам от ОВ, а принцип действия тот же.

Рис. 3.20. Разноименнополюсная индукторная машина

Симметричная конструкция одноименнополюсной ИМ может быть реализована в однопакетной машине с двусторонним возбуждением (см. рис. 3.19, где обозначения те же, что и на рис. 3.18). Обмотки возбуждения 4 с встречным направлением тока располагаются по обе стороны от якоря 1 и пакета ротора 6, создавая в активной зоне униполярный магнитный поток, значение которого будет максимально (Фшах) в области минимального зазора бшіп и минимально (Фшіп) в области максимального зазора бшах, как и для машины, показанной на рис. 3.18, а.

Принципы, заложенные в ИМ на рис. 3.19, можно эффективно реализовать в рассмотренной ранее БСМ с внешнезамкнутым потоком (см. рис. 3.10), если обмотки возбуждения включить не согласно, а встречно. Тогда создается два симметричных потока, охватывающих обе ОВ подобно тому, как это имеет место на рис. 3.19, причем под когтеобразными выступами имеем Ф_тах, а в областях между ними —Ф_тт. Такой режим включения ОВ для БСМ с внешнезамкнутым потоком и ее перевод в режим индукторной машины позволяет удвоить частоту тока в ОЯ, что бывает необходимо в некоторых практических случаях.

Физически очевидно, что все рассмотренные одноименнополюсные машины являются машинами с радиально-осевым потоком и имеют жесткое ограничение на геометрический фактор К (см. § 3.3). В ИМ на рис. 3.18 ... 3.20 поток в зубцах ротора постоянный.

В разноименнополюсных ИМ к якорю примыкают магнитные полюсы различной полярности. Конструкция такой ИМ приведена на рис. 3.20. На внутренней поверхности шихтованного пакета 1 располагается несколько крупных пазов. В них укладывают обмотку возбуждения 2, состоящую из рамочных катушек, стороны которых параллельны оси. Соседние катушки имеют встречное (по контуру) направление тока возбуждения. Между крупными пазами находятся малые пазы, в них уложена обмотка якоря 3. Ротор обладает зубчатой структурой, так что в пределах зубцового шага есть зоны с бш!п и бшах. Поток вокруг ОВ, как и в рассмотренных ранее ИМ, разветвляется на Ф_тах (через бшт) и Фт1п (через бшах). В режиме генератора при вращении ротора поток в секциях. ОЯ колеблется в пределах от Фтах до Фпнп, наводя рабочую ЭДС. В отличие от одноименнополюсной ИМ часть зубцов ротора имеет южную полярность (поток входит в них), а часть — северную (поток выходит из них). Поэтому машина называется разноименнополюсной. Напомним, однако, что и для такой машины радиальная индукция в каждой точке рабочего зазора сохраняет свое направление неизменным. Так как каждый зубец ротора и примыкающая к нему зона периодически перемагничи-ваются, ротор машины выполняется шихтованным. Чтобы полный поток, сцепленный с ОВ, практически не изменялся, в пределах дуги статора между крупными пазами необходимо размещать целое число зубцовых делений ротора. В противном случае в ОВ возникают заметные пульсации потока и соответствующие потери, а также ухудшается форма кривой выходного напряжения.

В рассмотренных выше ИМ зубцовая зона обладает примерно такой же структурой, как и в классических СМ.

Существуют ИМ с гребенчатой зубцовой зоной, в которых секции ОЯ охватывают большие зубцы статора — полюсы статора. Полюсы, в свою очередь, содержат малые зубцы (т. е. имеют гребенчатую форму). Шаг между малыми зубцами близок или равен зубцовому шагу ротора. Когда зубцы ротора расположены напротив малых зубцов статора, поток в полюсе статора и охватывающей его катушке ОЯ максимален, а когда зубцы ротора переместятся на половину зубцового шага и займут положение напротив малых пазов статора, поток в полюсе статора станет минимальным. В таких ИМ поток в зубцах ротора переменный.

Индукторная машина с гребенчатой зубцовой зоной выполняется одноименно- или разноименнополюсной. На рис. 3.21, а показано поперечное сечение одноименнополюсной ИМ с гребенчатой зубцовой зоной. Продольный разрез ИМ такой же, как на рис.

3.18, а или б. Поток, создаваемый ОВ, замыкается по корпусу, затем идет вдоль ротора, потом разворачивается по радиусу и через зубцовую зону возвращается в корпус. Обмотка якоря ОЯ содержит катушки, охватывающие полюсы статора с малыми

зубцами. Положение ротора на рис. 3.21, а таково, что радиальный поток максимален во втором и четвертом квадрантах и минимален в первом и третьем. При повороте ротора на половину зубцового деления поток станет максимальным в первом и третьем квадрантах и ми-

Более распространены разноименнополюсные

ИМ с гребенчатой зубцовой зоной. Эскиз трехфазного разноименнополюсного индукторного генератора с гребенчатой зубцовой зоной приведен на рис. 3.21,6, где 1 — полюсы статора; 2 — обмотка якоря; 3 — магнитопроводящий корпус; 4 — обмотка возбуждения (ее ось перпендикулярна оси генератора); 5 — зубчатый ротор.

При выбранном направлении тока в ОВ поток выходит в зазор из трех верхних полюсов статора, идет через ротор, входит в три нижних .полюса статора и замыкается через корпус. Поток в каждом полюсе изменяется ОТ Фшах (при совпадении осей зубцов статора и ротора, как, например, в верхнем и нижнем полюсах) до Фтіп (при сдвиге осей зубцов на половину зубцового деления), наводя ЭДС в ОЯ. Каждая пара противолежащих полюсов статора соответствует одной фазе ОЯ. Зубцы соседних полюсов статора смещены относительно зубцов ротора так, что при вращении ротора ЭДС в каждой фазе ОЯ сдвинуты на 120 эл. град.

В машине с гребенчатой зубцовой зоной можно расположить ОЯ таким образом, что сцепленный с ней поток будет при вращении ротора менять знак (в отличие от рассмотренных ИМ, где Ф_в изменяется от Фтах до Фтш с сохранением полярности). На рис. 3.22, а показана развертка зубцовой зоны такой машины (генератора Гюи). В ней ОЯ, как и ОВ, уложена в крупные пазы, но со сдвигом т/2 по отношению к ОВ (т — полюсное деление). Ширина крупного паза — кратная зубцовому шагу ротора. При такой конфигурации зубцовой зоны относительное размещение зубцов статора и ротора в смежных зонах между крупными пазами будет различным: когда в одной зоне (например, б — в) зубцы ротора располагаются напротив зубцов статора, то в соседних зонах (а — б и в — г) зубцы ротора располагаются напротив пазов статора. Кривая распределения поля в зазоре В_{(х), соответствующая рис. 3.22, а, показана на рис. 3.22, б. Приходящийся на единицу осевой длины машины максимальный поток Фі между точками б и г, сцепленный с ОЯ в этом положении ротора, будем счи-

г

тать положительным Ф_х= Г В_х (х) йх > 0.

б

Когда ротор сместится на половину зубцового деления, кривая распределения поля примет вид В₂{х) (рис. 3.22, в) и с ОЯ бу-

г

дет сцеплен отрицательный поток Ф₂= | 5₂ (л) <С 0; причем

в

|Фг | ===Фі, поскольку заштрихованные площади на рис. 3.22, б, в равны. В данной конст-

а)    ОВ    _2⁸

рукции ИМ направление индукции в каждой фиксированной точке зазора также не изменяется.

Ясно, что во всех рассмотренных выше ИМ цикл изменения потока и соответственно один период кривой ЭДС в ОЯ определяются поворотом ротора на одно зубцовое деление. Поэтому частота тока в ОЯ

/ = г₂л/60,    (3.22)

где г₂— число зубцов ротора; п — частота вращения ротора, об/мин.

В обычных синхронных машинах аналогичная формула содержит вместо г₂ число пар полюсов р, причем значение р

ограничено из-за необходимости размещать на полюсах обмотку возбуждения, допустимым рассеянием между соседними полюсами и т. п. В то же время ограничения на г₂ в ИМ гораздо слабее и определяются в основном технологическими возможностями. Поэтому в ИМ г₂ обычно много больше, чем р в СМ, что позволяет иметь в ИМ частоты, достигающие тысяч и десятков тысяч герц.

К индукторным машинам можно отнести также кохммутаторные генераторы, в которых, как и в генераторе Гюи, поток, сцепленный с ОЯ, периодически изменяет знак, но в каждой точке зазора индукция не меняется по направлению. Принципиальная схема коммутаторного генератора приведена на рис. 3.23, а. Он содержит шихтованный сердечник статора 1, охваченный двумя диаметрально противоположными обмотками якоря 2 и аналогичными обмотками возбуждения 4, включенными встречно. Между ОЯ и

Рис. 3.23. Схема коммутаторного генератора (а), коммутаторный генератор с постоянными магнитами (б)

ОВ на статоре имеются выступы 3, к которым через рабочий зазор примыкает явнополюсный ротор 5, являющийся переключателем (коммутатором) потока. В изображенном на рисунке положении ротора магнитные потоки Ф_в, создаваемые обмотками возбуждения 4, замыкаются через выступы 3 во втором и четвертом квадрантах и в обмотках якоря 2 потоки направлены справа налево. При повороте ротора на 90° потоки будут замыкаться через выступы 3 в первом и третьем квадрантах, а направления потоков в якорных обмотках изменятся. Таким образом, при вращении ротора происходит периодическое переключение (коммутация) потока в обмотках якоря и наведение рабочей ЭДС. Потоки рассеяния Ф₀, замыкающиеся через выступы 3 в зазоре между статором и ротором, имеют то же направление, что и основные потоки Ф_в, поэтому направление радиальной составляющей индукции в каждой точке зазора не изменяется, что и позволяет отнести коммутаторные генераторы к классу индукторных машин.

Коммутаторные генераторы с обмотками возбуждения малоэффективны из-за значительных потерь на возбуждение и пульсаций потока в ОВ, поэтому чаще применяют коммутаторные генераторы с постоянными магнитами (рис. 3.23, б). Такой генератор содержит шихтованный зубчатый коммутатор потока 1, постоянные магниты 2, полюсные выступы 3 статора, обмотки 4 якоря, шихтованные сердечники 5 якоря, вал 6, демпферные кольца 7 на магнитах. Работа генератора полностью идентична работе модели, показанной на рис. 3.23, а, с той разницей, что частота тока в якорной обмотке повышена из-за увеличенного числа зубцов на роторе согласно (3.22). В положении ротора, изображенном на рис. 3.23, б, потоки магнитов замыкаются в основном через выступы 3 во втором и четвертом квадрантах, а при повороте ротора на половину зубцового деления эти потоки будут замыкаться через выступы 3 в первом и третьем квадрантах, бла-' годаря чему осуществляется переключение потока в обмотках 4 и наведение ЭДС. Главный недостаток генератора с постоянными магнитами — плохое регулирование (и стабилизация) напряжения. Этот недостаток устраняется в коммутаторных генераторах с комбинированным возбуждением (см. § 4.3).

Кроме рассмотренных выше ИМ с цилиндрической геометрией существуют торцовые ИМ. Можно, например, реализовать индукторную машину на базе торцовой машины, изображенной на рис. 3.17. Для этого, очевидно, необходимо сблизить оба пакета якоря и включить внутреннюю 5 и наружную 1 обмотки возбуждения встречно. Тогда поток вокруг внутренней ОВ будет замыкаться по пути: втулка 6 — левые внутренние выступы — рабочий зазор — левый якорь — правый якорь — рабочий зазор — правые внутренние выступы — втулка 6. Аналогично замыкается поток вокруг наружной ОВ через корпус 2 и дополнительные зазоры. Очевидно, что в рабочих аксиальных зазорах ПОД всеми ПОЛЮСНЫМИ выступами имеем Фшах, а в областях между ними Фт 1 п> причем направление магнитных ЛИНИЙ Ф_тах и Фтт одинаковое Недостаток этой ИМ — громоздкость конструкции. Более простой является ИМ с двойным аксиальным зазором и якорной обмоткой кольцевого типа (рис. 3.24). Машина содержит на статоре витой сердечник 7, на котором в пазах уложена кольцевая якорная обмотка 2, и обмотку возбуждения 4, расположенную во внутренней полости сердечника 1. На роторе имеются две звездочки 3 и 5, примыкающие через рабочие аксиальные зазоры б к торцам сердечника 1. Выступы правой звездочки сдвинуты по окружности относительно выступов левой звездочки на одно полюсное деление т (половину расстояния между соседними выступами одной звездочки). Обмотка возбуждения создает поток Ф_в, замыкающийся так, как показано на рисунке. Очевидно, что под выступами звездочек рабочий аксиальный поток максимален, а в зонах между ними — минимален. Благодаря сдвигу выступов левой и правой звездочек поток Ф_в имеет тангенциальную составляющую внутри сердечника а противоположные стороны (например, «а» и «б»)

каждой секции ОЯ находятся

в наиболее различающихся по величине аксиальных магнитных полях (например, когда сторона а находится в максимальном потоке, сторона б — в минимальном потоке). Поэтому при вращении ротора в каждой секции наводится ЭДС и машина работает в генераторном режиме.

Если к ОЯ подводится переменный ток, то создается вращающийся магнитный поток, который увлекает полюсные выступы ротора. Машина при этом работает в двигательном режиме. Такие индукторные двигатели с двойным аксиальным зазором используются, в частности, как базовая часть бесконтактного двигателя постоянного тока (см. § 5.3) для транспортных установок.

Особенность индукторных двигателей — возможность получения в них низких частот вращения вала. При питании ОЯ двигателя переменным током создается магнитное поле, вращающееся с синхронной частотой п\. Благодаря магнитным силам, действующим между зубцами ротора и статора, например в гребенчатой зубцовой зоне, ротор может приводиться во вращение с частотой П2, значительно меньшей пи т. е. обеспечивается электромеханическая редукция скорости ротора относительно скорости поля. Такие двигатели, называемые редукторными, широко используются в различных системах управления и автоматики, где необходимы малые скорости перемещения механизмов.

Холостой ход ИМ и степень их использования. Рассмотрим особенности ИМ по сравнению с обычными СМ, связанные с распределением магнитного поля в активной зоне, на примере одно-

144