Телевизоры LG

§ 3.5. Бесконтактные электрические машины с осевым

возбуждением

В машинах этого типа возбуждение осуществляется от центрального токопровода, размещенного внутри полого вала. Ротор, как и в индукторных машинах, содержит помимо конструктивных элементов лишь простые магнитомягкие секторы, однако в отличие от ИМ магнитное поле в зазоре машин с осевым возбуждением может периодически изменять направление, что определяет лучшее использование магнитного потока. При этом для обеспечения бесконтактности в машинах с осевым возбуждением не требуются дополнительные нерабочие зазоры, как, например, в БЭМ с когтеобразными полюсами.

Машины с осевым возбуждением отличаются пониженным объемом стального магнитопровода и повышенным быстродействием регулирования. Благодаря простой конструкции ротора, а также возможности установить на нем сплошные прочностные обоймы машины допускают высокие частоты вращения. Машины с осевым возбуждением хорошо приспособлены для получения (или использования) высоких напряжений.

Недостатки машин связаны с повышенными потерями в обмотке возбуждения и усложненным способом ее намотки, с увеличенным диаметром вала и существованием заметного магнитного поля в зоне подшипников. Кроме того, особенностью рассматриваемых машин является необходимость боковой передачи механического момента, что несколько ограничивает возможности их использования. Однако во многих случаях машина и сопрягаемое с ней устройство (привод, нагрузка) должны иметь различные частоты вращения, что естественным путем обеспечивается с помощью боковой редукторной передачи.

Бесконтактные электрические машины с осевым возбуждением могут применяться в качестве автономных электрических генераторов повышенного напряжения при нежестких ограничениях на наличие высших гармоник в кривой ЭДС. На базе трехфазных (многофазных) БЭМ с осевым возбуждением могут быть созданы бесконтактные высокооборотные синхронные двигатели.

Торцовые и цилиндрические БЭМ с осевым возбуждением. На рис. 3.26, а показана торцовая шестиполюсная синхронная машина с осевым возбуждением. Неподвижный торцовый якорь 1 машины выполнен из отдельных магнитно не связанных шихтованных модулей 2, в сквозные пазы между которыми уложена многофазная торцовая якорная обмотка 3. Модули 2 закреплены на статоре с помощью скоб 4. С двух сторон к якорю через рабочие зазоры примыкает ротор, выполненный в виде двух немагнитных дисков 6 с ферромагнитными секторами 7 и прочностными обоймами 5. Секторы правого диска сдвинуты по окружности на угол л/Ы относительно секторов левого диска, как показано пунктиром на поперечном разрезе машины (Ы — число секторов одного диска, равное в данном случае трем), причем тангенциальная длина секторов такова, что у левых и правых секторов имеются противолежащие вдоль оси участки — участки перекрытия (например, участок абвг). Боковые края секторов могут выполняться скошенными относительно радиуса для улучшения формы кривой ЭДС якоря. В секторах размещены проводники демпферной клетки 5, выполняющие также роль стяжных шпилек.

Рис. 3.26. Торцовая синхронная машина с осевым возбуждением (а) и развертка ее активной зоны (б)

Диски 6 укреплены на полом валу 10, внутри которого находится неподвижный токопровод возбуждения 11, обтекаемый постоянным током. В качестве токопровода 11 можно применять од-чу из сторон замкнутой многовитковой катушки, закрепленной на :таторе с помощью скоб 9 и 14. Катушку наматывают через полый вал или изготовляют из жгута изолированных проводников путем их соединения пайкой. Катушка может содержать штепсельный разъем на одном конце, через который осуществляется последовательное соединение витков и подвод питания. Если имеется токопровод постоянного тока, предназначенный для самостоятельных целей, то он может непосредственно использоваться для возбуждения машины.

Вал 10 соединен с приводом (в режиме генератора) или с нагрузкой (в режиме двигателя) через редукторную передачу с шестернями 12 и 13 или с помощью шкива. Машина может быть выполнена на подшипниках скольжения с разъемными статором и ротором, что упрощает намотку обмотки возбуждения.

При работе машины ток в обмотке возбуждения создает магнитный поток, замыкающийся тангенциально по секторам 7 и аксиально через якорь на участках перекрытия левых и правых секторов. На развертке активной зоны машины пунктиром показана зигзагообразная магнитная линия потока возбуждения Ф_в, охватывающая токопровод 11 (рис. 3.26, б). Видно, что концевые участки секторов 7 приобретают чередующуюся по окружности магнитную полярность и становятся эквивалентными обычным магнитным полюсам. При вращении ротора наводится ЭДС в якорной обмотке, как в обычной синхронной машине.

1 ^	Ат -Н 2: Лд,:			7
р!	1 /			УС8
	(И!	11	|Й!
Чъ	ни...... г~	гп	и	г

.10

И

Рис. 3.27. Машина с осевым возбуждением в цилиндрическом исполнении

На рис. 3.27 представлена четырехполюсная трехфазная машина с осевым возбуждением в цилиндрическом исполнении с числом пазов на полюс и фазу <7=1 и N=2 (обозначения такие же, как на рис. 3.26). В технологическом отношении эта машина проще, чем торцовая, однако объем магнитопровода в ней несколько больше, а допустимые окружные скорости ротора меньше, чем в торцовой конструкции.

Особенностью машин с осевым возбуждением является последовательное включение рабочих зазоров на пути магнитного потока и сосредоточение активной части обмотки возбуждения в полом валу. В обычных машинах каждому зазору под полюсом соответствует отдельная катушка возбуждения. При осевом возбуждении линии индукции основного потока замыкаются через секторы ротора и якорь, а внешние магнитопроводы отсутствуют. Поэтому объем стальных сердечников у машин с осевым возбуждением при прочих равных условиях примерно в 1,5 ...2 раза меньше, чем у аналогичных машин традиционного исполнения. В то же время объем обмотки возбуждения и потери в ней по сравнению с обычными синхронными машинами возрастают примерно в 2 ... ...2,5 раза из-за необходимости наружного замыкания осевого то-копровода. Тот факт, что в машинах с осевым возбуждением понижен объем стали и увеличен объем токопровода, может в некоторых случаях оказаться благоприятным с точки зрения наблюдаемой тенденции к внедрению интенсивных систе^км охлаждения, позволяющих уменьшить омические потери (в рассматриваемом случае такие системы, напричер, могут реализовываться на основе тепловых труб при жгутовой конструкции токопровода возбуждения и т. п.).

Совершенствование характеристик машин с: осевым возбуждением может осуществляться путем размещения! на общей замкнутой обмотке возбуждения нескольких машин (что снизит роль внешних токозамыкающих элементов) или использования для возбуждения имеющихся в энергоустановках силшноточных магистралей постоянного тока.

Расчет машин с осевыы возбуждением основывается на классической теории синхронньх машин. Для оцешки главных размеров могут использоваться соотношения (1.44) ш (3.21), в которых знаменатели содержат удвоенную линейную нагрузку, так как полюсы примыкают к якорю с двух сторон. Спецшфика расчета БЭМ с осевым возбуждением св!зана с определением параметров цени возбуждения. Для нахождения размеров токошровода возбуждения вначале определяют МДС возбуждения прш холостом ходе'¹':

/⁷о = (4/|¹о) рВ_ьк_ьк*Ъ.    (3.50)

Затем    одним    из    известных методов (например,    с    помощью диаграммы    Потье)    находят кратность увеличения    МДС    при    нагруз

ке. По полной МДС из очевщной формулы

/⁷ = (я^^/4) Лз/в    (3.51)

определяется диаметр токопровода возбуждения с1_в при заданных плотности тока возбуждена /_в и коэффициенте заполнения кз.

Магнитное поле рассеяния в машинах с осевым возбуждением проявляется главным образом в виде линий ишдукции, замыкающихся вокруг центрального токопровода через секторы ротора и тангенциальные зазоры между ними. Можно показать, что коэффициент магнитного рассеяьия возбуждения шезначительно превышает для обычных синхронных машин.

На базе осевого возбуждения могут быть реализованы коммутаторные и индукторные генераторы.

Коммутаторный генератор с осевым возбуждением. В однофазном коммутаторном генератэре с осевым возбуждением (рис. 3.28, а) якорь выполнен в виде сердечников /, сохваченных сосредоточенными катушками 2. Секторы ротора 3 гподобны секторам на рис. 3.26 и каждый из них перекрывает два сюседних сердечника 1. В полом валу размеще! токопровод возбуждения 4. Как видно из развертки активной зоны генератора (рис. 3.28, б), при вращении ротора поток в каждом сердечнике 1 пульсирует с изменением знака, наводя ЭДС в катушках 2. В отличие от известных коммутаторных генераторов (см. § 3.4) описанный генератор не относится к классу индукторных машин, поскольку магнитная индукция в каждой точке рабочего зазора меняется по направлению.

Генератор позволяет получать высокие выходные напряжения, так как его якорная обмотка выполнена в виде сосредоточенных катушек простой формы, размещаемых на отдельных взаимно изо-

лированных сердечниках. Активная часть генератора подобна трансформатору со стержневыми сердечниками, изолированными друг от друга с помощью рабочих зазоров машины. Ротор генератора имеет высокие допустимые частоты вращения благодаря сплошным прочностным обоймам, охватывающим секторы 5, что также способствует увеличению выходного напряжения.

Особенность генератора связана с периодическим изменением магнитной проводимости для потоков возбуждения и якоря при вращении ротора. Аналогичное явление может иметь место в индукторных машинах, поэтому рассмотрим его подробнее, заменив машину, показанную на рис. 3.28, близкой по физической структуре моделью, у которой обмотка возбуждения выполнена в виде катушек на каждом секторе ротора, причем длина катушки по окружности равна ух (т — полюсное деление). Очевидно, что на длине ух МДС возбуждения изменяется линейно (как в неявнополюсной синхронной машине), а в пределах (1—у)т МДС постоянна. Если ввести координату х вдоль среднего диаметра секторов, то знакопеременная трапецеидальная кривая МДС имеет высоту

^втах = г>в/(⁴/0>    (3.52)

156

1

Здесь даны общепринятые обозначения.