Телевизоры LG

БЕСКОНТАКТНЫЕ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

МАШИНЫ

С КОМБИНИРОВАННЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

§ 4.1. Общие положения

Как отмечалось, каждый из рассмотренных в гл. 2 и 3 основных классов БЭМ (с постоянными магнитами и обмотками возбуждения) имеет свои особенности. Бесконтактные электрические машины с постоянными магнитами не потребляют мощности на возбуждение, но плохо регулируются, а БЭМ с обмотками возбуждения обладают хорошими регулировочными качествами, но характеризуются заметными потерями на возбуждение.

Стремление сохранить положительные и ослабить негативные качества обоих классов БЭМ привело к созданию их гибрида — БЭМ с комбинированным возбуждением. Такие машины обычно используются в качестве генераторов, у которых рабочий магнитный поток создается за счет одновременного действия обмоток возбуждения (называемых также подмагничивающими обмотками) и постоянных магнитов. Магниты создают основную малоизменяю-щуюся часть потока возбуждения, а подмагничивающие обмотки создают дополнительный поток или управляют состоянием магнитного шунта, чем обеспечивается изменение суммарного рабочего потока и соответственно регулирование выходного напряжения в требуемых пределах или его стабилизация. Благодаря наличию постоянных магнитов мощность обмоток возбуждения и соответственно мощность регулирования в таких генераторах значительно меньше, чем у генераторов с чисто электромагнитным возбуждением.

Существуют разнообразные пути реализации генераторов с комбинированным возбуждением. Возможно их создание на базе синхронных машин с постоянными магнитами (см. гл. 2), в которых добавлено бесконтактное регулировочное звено, работающее в режиме управляемого магнитного шунта или подмагничивающего устройства, на базе машин с когтеобразными полюсами, индукторных машин, в которые введены постоянные магниты, и т. п. Включение МДС постоянных магнитов и подмагничивающих обмоток может осуществляться параллельно или последовательно.

Теоретическое исследование БЭМ с комбинированным возбуждением является сложной задачей, органически объединяющей теорию машин с ПМ и машин с электромагнитным возбуждением. Значительная роль в этих исследованиях принадлежит изучению структуры магнитных полей в сложных цепях, содержащих магнитомягкие и магнитотвердые сердечники.

Генераторы с комбинированным возбуждением обладают хорошими регулировочными качествами, высоким КПД, относительно малой удельной массой (особенно при использовании магнитов из редкоземельных материалов). Их применяют в автономных энергоустановках и, в частности, на летательных аппаратах.

§ 4.2. Синхронные генераторы с комбинированным возбуждением

Наибольшее распространение получили генераторы комбинированного возбуждения на базе объединения основного генератора с радиально намагниченными постоянными магнитами (см. § 2.8) и вспомогательного бесконтактного генератора с внутризамкнутым потоком (см. § 3.3), выполняющего роль регулировочного звена.

На рис. 4.1, а показан генератор с призматическими постоянными магнитами и на рис. 4.1,6—плоская развертка наружной поверхности его ротора. На статоре генератора размещены шихтованный пакет якоря 1 с якорной обмоткой 2, кольцевая обмотка возбуждения (подмагничивания) 5 и магнитомягкая скоба 6. На роторе имеются постоянные магниты 10 с полюсными наконечниками 11, внутренняя магнитомягкая втулка Р, примыкающая к постоянным магнитам, втулка 7, отделенная от скобы 6 дополнительным зазором бь радиальные выступы 8 на втулке 7, кольцо 4, отделенное от скобы 6 дополнительным зазором 62 и имеющее аксиальные выступы 3. Радиальные выступы 8 смыкаются с наконечниками полюсов одной полярности (например, северных), а аксиальные выступы 3 — с наконечниками полюсов другой полярности (южных). Радиальные выступы 8 отодвинуты от постоянных магнитов на достаточное расстояние (существенно большее зазоров 61 и 62) во

избежание магнитной не-симметрии цепей постоянных магнитов разной полярности Пространство между магнитами и выступами залито прочным немагнитным сплавом Модификация генератора с укороченным якорем и постоянным магнитом в виде звездочки приведена на рис. 4 2 Звездочка охвачена снаружи сварным цилиндром из немагнитных и магнитных участков (последние примыкают к полюсам звездочки). Радиальные выступы регулировочного звена на роторе сопрягаются через магнитные участки наружного цилиндра ротора с полюсами одной полярности, а аксиальные выступы регулировочного звена сопрягаются через магнитные участки цилиндра с полюсами противоположной полярности, как и для конструкции на рис. 4.1. Благодаря укороченному якорю индукция в рабочем зазоре возрастает.

Регулировочное звено в обеих конструкциях работает следующим образом. При обесточенной обмотке 5 (см. рис. 4.1) выступы 3 и 8 вместе с примыкающими к ним втулкой 7, скобой 6 и кольцом 4 образуют магнитный шунт, по которому замыкается часть потока магнитов Ф_м. Очевидно, что в этом режиме регулировочное звено как бы увеличивает магнитную проводимость рассеяния магнитов и уменьшает рабочий поток Фбш, попадающий через основной зазор 6 в якорь при наличии шунта. По мере увеличения МДС под-магничивающей обмотки Гд отрицательный поток в шунте с под-магничиванием Ф_Шп уменьшается и все большая часть ф_м идет в якорь. Генератор работает в режиме управляемого магнитного шунта. Когда Г_п сравняется с МДС магнитов Г_м, имеем ф_шп = 0, а при дальнейшем росте Г_п поток Ф_Шп станет положительным и будет идти через зазор б в якорь, складываясь с Ф_м, как показано на рис. 4.1, а. Регулировочное звено при этом работает в режиме под-магничивания, а генератор — в режиме смешанного возбуждения.

Таким образом, в общем случае при наличии шунта с подмаг-ничиванием рабочий поток, замыкающийся через зазор 6,

Ф^шп Фм Фа 1Ь Фшп»

Для типичных конструкций генератора регулировочное звено рассчитывается так, что максимальные потоки Ф_шп не превышают 20...25% от общего значения потока. Если требуются большие потоки Фшп (при мощностях генератора более десятков киловатт), то рациональна двусторонняя конструкция генератора с комбинированным возбуждением, у которой регулировочное звено состоит из двух симметричных частей, располагающихся по обе стороны от ротора с постоянными магнитами (рис. 4.8). Обмотки под-магничивания имеют встречное направление тока.

Рис. 4.8. Двусторонняя конструкция Рис. 4.9. Генератор с активным валом генератора с комбинированным возбуждением

При малых значениях Ф_шп хорошими массогабаритными показателями обладает конструкция генератора с активным валом (рис. 4.9). В таком генераторе на статоре имеются две согласно включенные подмагничивающие обмотки 1 и 6, а на роторе — постоянные магниты 9 и два кольца 2 и 5 с аксиальными выступами 3 и 4. Выступы 3 левого кольца переходят в полюсные наконечники магнитов одной полярности, а выступы 4 правого кольца— в наконечники магнитов противоположной полярности. Наружная часть вала 8 является магнитопроводящей. Когда обмотки обесточены, левая и правая скобы 10 я 7 выполняют роль магнитных шунтов для постоянных магнитов. При питании обмоток током необходимого значения создается подмагничивающий поток Фшп, который идет вдоль оси через вал, затем через дополнительные зазоры и левую скобу попадает в аксиальные выступы и полюсные наконечники одной магнитной полярности, через рабочий зазор направляется в якорь, складываясь с потоком магнитов Ф_ш потом через рабочий зазор входит в полюсные наконечники другой полярности и через правую скобу и дополнительные зазоры возвращается в вал.

Комбинированное возбуждение можно реализовать в генераторах с главными полюсами когтеобразной формы. На рис. 4.10 приведен эскиз генератора с кольцевым постоянным магнитом 1 и когтеобразными полюсами 2, аналогичного генератору с ротором, изображенным на рис. 2.21, а. В отличие от последнего у рассматриваемого генератора полюсы одной полярности имеют удлиненную форму, а втулка полюсов другой полярности снабжена консолью 3. К консоли 3 и удлиненным полюсам 2 через дополнительные зазоры примыкает скоба 4 с подмагни-чивающей обмоткой 5. Принцип действия генератора аналогичен принципу действия рассмотрением выше генератора с радиально намагниченным ротором (см. рис. 4.1).

Еще одну модификацию генератора комбинированного возбуждения можно получить, если в генераторе с когтеобразными полюсами и внешнезамкнутым потоком (см. рис. 3.10) поместить между шайбами ротора кольцевой магнит с осевым намагничиванием (рис. 4.11,а). При обесточенных обмотках основной магнитный поток замыкается так же,.как на рис. 2.21, а, а корпус выполняет роль наружного магнитного шунта. При увеличении тока

Рис. 4.11. Генератор с постоянным магнитом на роторе (а) и магнитами на статоре (б) с внешнезамкнутым потоком подмагничивания

в обмотках генератор переходит в режим смешанного возбуждения, когда часть рабочего потока создается магнитом, как на рис. 2.21, а, а часть — обмотками, как на рис. 3.10. Недостатки генератора — увеличенная масса (примерно в 2 раза по сравнению с генератором, показанным на рис. 4.1) и повышенное рассеяние из-за наличия наружного магнитопровода.

Более надежен генератор комбинированного возбуждения с внешнезамкнутым магнитопроводом и постоянными магнитами на статоре, показанный на рис. 4.11, б (двухполюсное исполнение). Призматические постоянные магниты 1 намагничены радиально и создают МДС Р_и, складывающуюся последовательно с МДС Т⁷п обмотки возбуждения (подмагничивания) 3. Ротор выполнен в виде правого 7 и левого 8 ферромагнитного блоков (полувалов) с аксиальными выступами, разделенными немагнитной прокладкой 8. Под действием суммарной МДС /'’м + ^п создается поток Ф_й, магнитная линия которого, показанная пунктиром, замыкается так:    магнит 1 — кольцо 2 — корпус 4 — дополнительный зазор

61 — полувал 7 — рабочий зазор б — пакет якоря 5 — зазор б — полувал 9 — дополнительный зазор 62 — кольцо 10 — магнит 1. Поскольку выступы полувалов приобретают противоположную магнитную полярность, при вращении ротора наводится ЭДС в якорной обмотке 6. Изменяя >п, т. е. создавая по отношению к МДС магнитов некоторую дополнительную размагничивающую А^разм или намагничивающую Д/’нам МДС, можно менять положение рабочей точки магнита на линии возврата и магнитный поток (см. рис. 2.7).

При последовательном включении МДС магнитов и обмотки подмагничивания облегчаются условия самовозбуждения генератора, так как при обесточенной обмотке значительная часть потока магнитов направляется в рабочий зазор, а не шунтируется, как при параллельном включении подмагничивающего звена. Однако обмотка в этом случае должна развивать повышенную МДС, поскольку создаваемый ею поток проходит через постоянные магниты с большим магнитным сопротивлением. Потери в подмагничивающей обмотке из-за этого возрастают. Вследствие сложной конфигурации цепи потоки рассеяния магнитов будут значительными.

Во всех рассмотренных генераторах с комбинированным возбуждением на подмагничивающую обмотку подается питание через регулятор постоянного тока, который обычно получают от трансформаторно-выпрямительного блока, подключаемого к якорной цепи. Таким образом, для создания подмагничивающего потока вначале переменный ток преобразуется по напряжению и выпрямляется, затем с его помощью создается стационарный магнитный поток, который приводится во вращение синхронно с постоянными магнитами механическим путем за счет отдельного магнитопровода сложной конфигурации на роторе. Вследствие большого числа промежуточных звеньев в цепи питания ПО, обладающих повышенной электромагнитной инерционностью из-за существенного объема стальных сердечников (в том числе нешихтованных), быстродействие регулирования оказывается невысоким.

Возможно создание подмагничивающего звена на переменном токе, что позволяет несколько упростить его конструкцию и электрическую схему, а также повысить быстродействие регулирования. Подмагничивающая обмотка при этом выполняется распределенной с теми же числами фаз и полюсов, что и якорная обмотка, и подключается через регулятор к якорной цепи. Поэтому подмагничивающий поток вращается синхронно с ротором, содержащим основной магнитоэлектрический индуктор. Этот поток через дополнительный зазор с помощью несложных конструктивных приемов направляется в рабочий зазор. Регулирование суммарного магнитного потока в рабочем зазоре такой машины может обеспечиваться не только изменением тока подмагничивания, но и его фазы.

Рис. 4.12. Генератор с постоянными магнитами и подмагничивающей обмоткой переменного тока (а) и его электрическая схема (б)

Одна из возможных конструкций генератора с питанием ПО переменным током показана на рис. 4.12, а, а его упрощенная электрическая схема — на рис. 4 12, б. Ротор генератора содержит тангенциально намагниченные магниты с магнитомягкими секторами между ними и полностью идентичен ротору на рис. 2.22, б. На статоре размещены обмотка якоря ОЯ и плоская подмагничивающая обмотка ПО, уложенная в радиальных пазах витого сердечника и примыкающая через аксиальный зазор к торцу ротора. Ее питание осуществляется через регулятор Р (фазорегулятор) от цепи ОЯ (рис. 4.12, б). Поскольку числа фаз и полюсов якорной и подмагничивающей обмоток одинаковы, последняя создает подмагничивающий поток Ф_п, вращающийся синхронно с ротором. Если полюсы потока Ф_п располагаются напротив магнитомягких секторов ротора С (между магнитами), то основная часть Ф_п замыкается через рабочий зазор и якорь, складываясь с потоком магнитов Ф_м. Регулируя переменный ток в ПО или его фазу, можно изменять полный поток в якоре и ЭДС генератора. При обесточенной ПО ее сердечник выполняет роль магнитного шунта для ПМ генератора. Подмагничивающая обмотка может укладываться на вспомогательном цилиндрическом сердечнике, непосредственно примыкающем к рабочему зазору.

Недостатки генераторов с подмагничивающей обмоткой переменного тока — повышенное потребление реактивной мощности на создание вращающегося потока, увеличенная масса подмагничи-вающего звена.

§ 4.3. Индукторные генераторы с комбинированным

возбуждением

В высокоскоростных установках могут использоваться индукторные генераторы с комбинированным возбуждением. Наиболее просто они реализуются путем добавления постоянных магнитов к известным конструкциям индукторных генераторов.

Рис. 4.13. Генератор с постоянными магнитами между роторными выступами (а) и генератор с постоянными магнитами и индукторным под-магничивающим звеном (б)

В качестве примера на рис. 4.13, а приведен поперечный разрез индукторного генератора, идентичного по конструкции генератору на рис. 3.18, а, у которого в полостях между выступами ротора помещены призматические постоянные магниты, прикрепленные к ротору с помощью заливки немагнитным сплавом. Наружные поверхности ПМ имеют полярность, противоположную одноименной полярности роторных выступов. Основная часть линий потока постоянных магнитов Ф_м замыкается в поперечной плоскости (на рис. 4.13, а), складываясь с потоком Ф_в в роторных выступах от обмотки возбуждения. Некоторая часть Ф_м замыкается в продольном направлении через втулку ротора, дополнительный зазор 6_Доп (см. рис. 3.18, а) и корпус, причем при согласном направлении поперечных потоков Ф_м и Ф_в в рабочем зазоре (бшт) их направления во втулке и корпусе противоположны, что обеспечивает уменьшение неиспользуемой постоянной составляющей потока.

Другой вариант реализации той же идеи, но с увеличенной ролью постоянных магнитов, иллюстрируется на рис. 4.13, б. Здесь постоянные магниты выполнены в виде автономного блока на роторе, идентичного одной из известных конструкций ротора с ПМ, например «звездочке» (см. § 2.8), а индукторное подмаг-ничивающее звено, создающее подмагничивающий поток Ф_п и полностью идентичное по конструкции машине, показанной на рис. 3.18, а, примыкает к постоянным магнитам. Число выступов В на роторе вдвое меньше числа ПМ, поскольку все выступы имеют одинаковую магнитную полярность.

Рис. 4.14. Индукторный генератор с кольцеобразным постоянным магнитом

Недостатки конструкций генераторов, изображенных на рис. 4.13, связаны с размещением постоянных магнитов на роторе, а также с заметной асимметрией магнитных цепей.

Более рациональна конструкция индукторного генератора с ПМ на статоре (рис. 4.14). Генератор представляет собой однопакетный одноименнополюсный ИГ (см. рис. 3.18, а), к которому добавлен блок с кольцеобразным постоянным магнитом 1 на статоре, намагниченным аксиально. Он создает постоянную МДС, включенную параллельно с регулируемой МДС обмотки возбуждения 4 (подмагничивания). К торцам магнита примыкают магнитомягкие кольца соответствующей формы, с помощью которых поток магнита Ф_м направляется в радиальные выступы ротора 3 и якорь 2, где он складывается с потоком подмагничивания Ф_Шл от обмотки возбуждения. При обесточенной обмотке 4 индукторная часть генератора является магнитным шунтом для постоянного магнита. В таком генераторе постоянный магнит имеет простую форму и расположен на статоре, а его МДС распределена идентично с МДС подмагничивающей обмотки относительно якоря.

Улучшенное самовозбуждение может обеспечиваться при последовательном включении МДС магнитов и подмагничивающей обмотки (ПО), так как при обесточенной ПО поток магнитов не шунтируется, а почти полностью направляется в рабочий зазор. Естественно, ПО в этом случае должна развивать большую МДС, чем при параллельном включении магнитов и подмагничивающей цепи, поскольку магнитное сопротивление магнитов велико. В качестве примера схемы с последовательным включением МДС магнитов и ПО на рис. 4 15 приведен эскиз однопакетного индукторного генератора с односторонним комбинированным возбуждением, который выполнен на базе генератора, изображенного на рис. 3.18, а. В отличие от последнего у генератора на рис. 4.15 к С-об-разному магнитопроводу, охватывающему ПО, примыкают призматические радиально-намагниченные постоянные магниты ПМ. Рабочий поток в зазоре Ф_б определяется суммарной МДС Р_М + Рп, поэтому его можно регулировать, изменяя /V Потери в ПО у такого генератора больше, чем у генераторов с параллельным включением МДС магнитов и ПО.

К нагрузке +

Рис. 4.16. Схема стабилизации напряжения с Рис. 4.17. Коммутаторный ге-помощью регулятора напряжения    нератор с комбинированным

возбуждением

Рассмотрим в качестве примера схему стабилизации напряжения этого генератора с помощью вибрационного полупроводникового регулятора (рис. 4.16). Аналогичные регуляторы используются и для других типов генераторов с комбинированным возбуждением. Регулировочное звено генератора содержит две обмотки: одна (прямая обмотка ПО) создает МДС, направленную согласно с МДС постоянных магнитов, а вторая (обратная обмотка 00) — встречную МДС. Поочередное питание обеих обмоток осуществляется от якорной цепи через выпрямитель В, стабилитрон Ст и транзисторы Т1...ТЗ. Когда напряжение генератора и ниже номинального 0_ИОм, Ст закрыт, поэтому закрыт 77, что приводит к включению Т2, протеканию тока через ПО и соответственно повышению и. При и>и_иогл открывается Ст, 77 включается, а Т2 отключается, что вызывает включение ТЗ. Ток течет через 00, вызывая снижение О, после чего снова Ст и Т1 закрываются, и т. д.

Хорошие результаты дает использование комбинированного возбуждения в коммутаторных генераторах, которые могут быть отнесены к классу индукторных машин (см. § 3.4). На рис. 4.17 показан эскиз такого генератора, подобного по принципу действия генератору, изображенному на рис 3.23, б. Разница между обоими генераторами связана с заменой одного из постоянных магнитов магнитомягким шихтованным сердечником и подмагни-чивающей обмоткой ПО. При отсутствии тока в обмотке ее сер-

Рис. 4.18. Продольный разрез генератора с укороченным якорем

дечник вместе с сердечниками якорных обмоток является магнитным шунтом, препятствующим замыканию потока магнита через коммутатор на роторе. При этом поток, сцепленный с якорными обмотками, практически не меняется при вращении ротора и ЭДС в них не наводится. По мере увеличения тока в ПО все большая часть потока магнитов Ф_м замыкается через коммутатор вместе с потоком подмагничивания шунта Ф_Шш уменьшается постоянная составляющая потока в якоре и возрастает его переменная составляющая, обеспечивающая наведение рабочей ЭДС. При равенстве МДС магнита и обмотки постоянная составляющая потока в якоре исчезает и при вращении ротора происходит симметричное переключение потока в якорных обмотках с изменением его направления, как и в генераторах, показанных на рис. 3.23.

Недостатки генераторов со смешанным возбуждением связаны в основном с усложненным конструктивным исполнением. На рис. 4.18 показан продольный разрез генератора с укороченным якорем, соответствующий схеме на рис. 4.2.

181