Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины т 2

Подождите немного. Документ загружается.

230

Бесконтактные синхронные генераторы и двигатели применяются

в случаях, когда обслуживание щеточного устройства затруднено

и требуется высокая надежность машины в течение длительной экс-

плуатации в тяжелых условиях. Такие генераторы мощностью 10 кВт

и более применяются, например, для электроснабжения железнодо-

рожных вагонов.

63.4. Индторные машины (енераторы и двиатели

с элетроманитной редцией частоты вращения)

Общие сведения. Индукторными называют синхронные машины,

в которых обмотка якоря и обмотка возбуждения неподвижны, а ро-

тор представляет собой цилиндрический магнитопровод с равномер-

но распределенными по его поверхности выступами-зубцами. Элек-

тромеханическое преобразование энергии в этих машинах связано

с изменением взаимной индуктивности между обмоткой якоря и об-

моткой возбуждения, которое происходит при перемещении зубцов

магнитопровода ротора относительно зубцов магнитопровода стато-

ра (см. § 20.4).

В качестве индукторной синхронной машины могут быть приме-

нены любые исполнения электрической машины с зубчатым ротором

и с двумя обмотками того или иного типа, расположенными на стато-

ре. В таких машинах частота изменения взаимной индуктивности ме-

жду обмотками [см. (20.8)] пропорциональна числу зубцов ротора Z

f = ZΩ /(2π).

При питании обмотки возбуждения постоянным током в обмотке

якоря индуктируется ЭДС той же частоты. Обмотка якоря машины

может быть присоединена к автономной нагрузке или включена

в электрическую сеть с напряжением той же частоты. При параллель-

ной работе с сетью в зависимости от направления внешнего момента,

приложенного к валу, индукторные машины могут работать как в ге-

нераторном, так и в двигательном режимах.

Индукторную машину, предназначенную для работы в двигатель-

ном режиме, называют редукторным двигателем. По своим свойст-

вам и характеристикам индукторные синхронные машины не отлича-

ются от обычных. Их теория строится исходя из общего математиче-

ского описания процессов электромеханического преобразования

энергии в индуктивных машинах, основные положения которого из-

ложены в § 18.2.

Индукторная машина уступает обычной по своим массогабарит-

ным показателям; ее размеры и масса существенно больше, чем

у обычной синхронной машины. Это объясняется тем, что поток в

231

зубцовом слое статора индукторной машины изменяется только от

минимума до максимума, в то время как в обычной машине он изме-

няется и по значению, и по направлению. При одинаковых главных

размерах и одной и той же максимальной индукции в зубцах ампли-

туда основной гармонической потока оказывается в индукторной ма-

шине в 3—4 раза меньшей. Поэтому индукторные синхронные маши-

ны применяются только в тех случаях, когда требуемую частоту слож-

но получить с помощью обычной синхронной многополюсной маши-

ны или машины с когтеобразными полюсами.

В зависимости от исполнения обмотки возбуждения различают ос-

новные модификации индукторных синхронных машин: разноимен-

нополюсные и одноименнополюсные. Обмотка якоря в многофазных

машинах всегда делается разноименнополюсной, в однофазных — ча-

ще всего также разноименнополюсной, но может быть и одноименно-

полюсной. Магнитопровод статора в обеих модификациях может быть

как зубчатым, так и гладким. В пределах каждой из указанных моди-

фикаций имеется большое количество разновидностей, которые при-

менительно к однофазным машинам в основном описаны в § 20.4. По-

этому здесь в качестве примера разноименнополюсного исполнения

приведем машину с зубчатым магнитопроводом статора, которая не

была детально рассмотрена ранее.

В этой разноименнополюсной машине (рис. 63.7) обмотка возбуж-

дения ОВ размещается в больших пазах магнитопровода статора

и образует однопериодное магнитное поле (p = 1), линии которого

выходят из северного полюса статора в зонах II и III, попадают через

зазор в магнитопровод ротора и возвращаются, повторно пересекая

зазор, в южный полюс статора в зонах I и IV. Обмотка якоря ОЯ вы-

полняется на то же число периодов, что и обмотка возбуждения, и

размещается в больших пазах статора, смещенных на 1/4 периода от-

носительно пазов ОВ. Число зубцов ротора выбирается равным Z =

= 2pk, где k — нечетное число (на рисунке число зубцов Z = 2æ1æ7 =

OЯ

III

Рис. 63.7. Индукторная синхронная машина в разноименнополюсном исполнении

232

= 14). На поверхности больших зубцов статора (в зонах I—IV) дела-

ется ряд углублений, между которыми образуются малые зубцы ста-

тора с угловым шагом, равным шагу зубцов ротора α

= 2π /Z. Число

малых зубцов в каждой из зон выбирается одинаковым (на рисунке по

три малых зубца в зоне).

При вращении ротора взаимное расположение зубцов статора и

ротора периодически изменяется. В положении ротора по рис. 63.7, а

зубцы ротора совпадают с малыми зубцами статора в зонах I и III,

магнитная проводимость зазора в этих зонах делается максимальной,

и линии поля возбуждения ориентируется в основном так, как пока-

зано сплошными линиями (штриховыми показаны линии поля, замы-

кающиеся через зоны II, IV с малой проводимостью, в которых зубцы

располагаются против пазов статора). После поворота ротора на по-

ловину зубцового шага, т.е. на угол α

/2 = π /Z, когда ротор оказыва-

ется в положении по рис. 63.7, б, зубцы ротора совпадают с зубцами

статора в зонах II и IV, и линии поля возбуждения ориентируются

в основном так, как показано сплошными линиями. Сравнивая

рис. 63.7, а и б, видим, что направление, в котором поле пересекает

плоскость катушки якоря ОЯ, изменяется на обратное.

После поворота ротора еще на половину зубцового шага, т.е. на

угол α

/2, будет наблюдаться та же картина поля, что и в исходном

положении по рис. 63.7, а. Таким образом потокосцепление с обмот-

кой якоря будет изменяться с периодом T = α

/Ω, соответствующим

повороту ротора на угол α

. В качестве примера одноименнополюс-

ного исполнения приведем машину с зубчатым магнитопроводом

статора, отличающуюся от аналогичной машины по рис. 20.9 только

тем, что ее обмотка якоря уложена в большие пазы.

В этой одноименнополюсной машине (рис. 63.8) обмотка возбуж-

дения ОВ представляет собой кольцевую катушку, охватывающую

вал ротора и расположенную между подшипниковым щитом и магни-

топроводом статора и ротора. Такая обмотка образует осесимметрич-

ное магнитное поле возбуждения. Все линии поля возбуждения (одна

из них показана на продольном разрезе) замыкаются вокруг обмотки

возбуждения. От ротора, намагниченного как северный полюс, линии

поля направляются через зазор к статору, намагниченному как юж-

ный полюс. Магнитная цепь поля взаимной индукции, сцепляющего

обмотку якоря ОЯ1 и ОЯ2 с обмоткой возбуждения ОВ, включает сле-

дующие участки: магнитопровод ротора МР, главный зубчатый зазор,

магнитопровод статора МС, станину С, подшипниковый щит Щ, до-

полнительный кольцевой зазор и втулку ВР, на которой укреплен маг-

нитопровод ротора. Обмотка якоря ОЯ состоит из двух частей: ОЯ1

и ОЯ2, катушки которых размещаются в больших пазах магнито-

233

провода статора. Магнитопровод ротора ничем не отличается

от магнитопровода ротора в разноименнополюсной машине по

рис. 63.7; число его зубцов равно Z = (Z

/2)k, где Z

— число больших

пазов в магнитопроводе статора, k — нечетное число [на рис. 63.8

число зубцов ротора Z = (4/2)æ7) = 14].

На поверхности больших зубцов статора, охватываемых катушка-

ми ОЯ1 и ОЯ2, имеются углубления, между которыми образуются ма-

лые зубцы статора с угловым шагом, равным шагу зубцов ротора

= 2π / Z (на рис. 63.8 в зоне между большими пазами располагают-

ся по три малых зубца). При вращении ротора взаимное расположе-

ние зубцов статора и ротора периодически изменяется. В положении

ротора по рис. 63.8 зубцы ротора совпадают с малыми зубцами в зо-

нах, охватываемых катушками ОЯ1; магнитная проводимость зазора

в этих зонах становится максимальной, линии поля возбуждения

ориентируются в основном так, как показано сплошными линиями,

и сцепляются с катушками ОЯ1. Потокосцепление линий, показан-

ных пунктиром, с катушками ОЯ2 получается существенно меньшим,

поскольку в зонах, охваченных этими катушками, зубцы ротора рас-

полагаются против пазов статора и магнитная проводимость зазора

минимальна.

После поворота ротора на половину зубцового шага, т.е. на угол

/2 = π /Z, зубцы ротора совпадают с зубцами статора в зонах, охва-

ченных катушками ОЯ2, и потокосцепление этих катушек становится

максимальным, а потокосцепление катушек ОЯ1 — минимальным.

Периоду Т изменения потокосцепления обмотки якоря соответствует

поворот ротора на угол α

. Поэтому, так же как при разноименнопо-

люсном исполнении, Т = α

/Ω. Поскольку изменения потокосцепле-

OЯ1

OЯ2

OЯ

OЯ2

МР

ВР

МС

Рис. 63.8. Индукторная синхронная машина в одноименнополюсном исполнении

234

ний в частях фазы ОЯ1 и ОЯ2 смещены во времени на Т/2 или, иными

словами, находятся в противофазе, эти части обмотки должны быть

включены между собой встречно. Катушки в пределах частей обмот-

ки (ОЯ1 или ОЯ2) включаются согласно.

Индукторные синхронные генераторы. Индукторная синхрон-

ная машина первоначально получила применение в качестве генера-

тора. В 1854 г. Найтом получен английский патент на генератор, со-

ответствующий по принципу работы этому классу машин. Индуктор-

ный генератор, напоминающий по своей конструкции современные

машины этого типа, изобретен в 1877 г. П.Н. Яблочковым. После изо-

бретения в 1895 г. радио индукторные генераторы стали применять

главным образом для питания антенного контура радиостанции тока-

ми высокой частоты — 50 кГц и более. При этом, несмотря на то что

еще в 1901 г. Гюи был предложен индукторный генератор с зубчатым

магнитопроводом статора, называемый теперь генератором с полу-

пульсирующим потоком зубца ротора (см. § 20.4, пп. «в» и «д»), еще

долгое время использовались исключительно индукторные генерато-

ры с гладким магнитопроводом статора, называемые теперь генера-

торами с постоянным потоком (см. § 20.4, пп. «б» и «г»).

Для получения высоких частот разноименнополюсная обмотка

якоря этих генераторов выполнялась с минимально возможным чис-

лом периодов, а их ротор вращался с предельно допустимой частотой

(до 20 000 об/мин). Трудности, связанные с созданием генераторов на

столь высокие частоты, удалось преодолеть только после внедрения

генераторов с пульсирующим потоком зубца ротора, в которых высо-

кую частоту получают путем увеличения числа зубцов ротора и ста-

тора. В настоящее время индукторные генераторы на радиостанциях

вытеснены другими источниками повышенной частоты. Теперь они

широко используются при осуществлении таких технологических

процессов, как электроплавка, электросварка, электротермообработ-

ка, электросушка и др., требующих источников питания частотой

1000—10 000 Гц. Они служат также для питания высокоскоростного

электропривода, радиолокационных и других установок.

Электропромышленностью нашей страны освоен серийный вы-

пуск преобразователей частоты, состоящих из индукторного синхрон-

ного генератора повышенной частоты и сопряженного с ним асин-

хронного двигателя, получающего питание от сети частотой 50 Гц.

Преобразователи серии ВПЧ имеют однокорпусное закрытое вер-

тикальное исполнение. Роторы генератора и двигателя укрепляются

на общем валу и приводятся во вращение с синхронной частотой

3000 об/мин. Серия включает преобразователи мощностью от 12

до 100 кВт с частотой 2400 или 8000 Гц. Генераторы серии выполня-

235

ются разноименнополюсными: при частоте 2400 Гц — с постоянным

потоком зубца ротора, при 8000 Гц — с переменным.

Преобразователи серии ВГО выпускаются мощностью 250 кВт

на частоту 2500 Гц; 500 кВт — на частоты 1000, 2500 и 8000 Гц;

1500 кВт — на частоты 500, 1000 и 2500 Гц.

Кроме того, мелкими сериями изготовляются индукторные син-

хронные генераторы самых различных мощностей, частот тока и вра-

щения.

Индукторные синхронные двигатели. Это название получили

индукторные синхронные машины, предназначенные для работы

в режиме двигателя и позволяющие получить весьма малые частоты

вращения без использования механических редукторов. Поскольку

терминология в этой области еще не сложилась, их называют также

редукторными синхронными двигателями, синхронными двигателя-

ми с электромагнитной редукцией частоты вращения или субсин-

хронными. Несмотря на то что по своему устройству эти двигатели

ничем не отличаются от синхронных индукторных генераторов соот-

ветствующих модификаций, они нашли практическое применение

много позже и получили заметное распространение лишь в 60—70-х

годах. Синхронная частота вращения индукторных двигателей при

заданной частоте питания f зависит только от числа зубцов Z магни-

топровода ротора n = Ω /(2π) = f /Z. Выбирая достаточно большое

число зубцов, можно получить весьма низкие синхронные частоты

вращения. Например, при f = 50 Гц и Z = 100 получаем n = 0,5 об/с,

или 30 об/мин.

В тех случаях, когда число зубцов ротора Z = Z

не слишком велико

и имеется возможность выполнить разноименнополюсную якорную

обмотки 2 с числом периодов, близким к числу зубцов ротора, приме-

няется исполнение с гладким магнитопроводом статора в двух моди-

фикациях:

1) с гладким статором и с разноименнополюсным (или, как иногда

называют, радиальным) возбуждением (см. § 20.4, п. «б», рис. 20.6);

2) с гладким статором и с одноименнополюсным (или, как иногда

называют, аксиальным) возбуждением (см. § 20.4, п. «г», рис. 20.8).

В тех случаях, когда число зубцов ротора настолько велико, что

конструкция с гладким статором не выполнима, применяется испол-

нение с зубчатым статором в двух аналогичных модификациях:

1) с зубчатым статором и с разноименнополюсным возбуждением

(см. рис. 63.7, а также § 20.4, п. «в» и рис. 20.7);

2) с зубчатым статором и с одноименнополюсным возбуждением

(см. рис. 63.8, а также § 20.4, п. «д» и рис. 20.9).

Обмотка возбуждения двигателей получает питание от сети пере-

менного тока через выпрямитель. В двигателях с самовозбуждением

236

энергия в обмотку возбуждения передается трансформаторным пу-

тем от якорной обмотки. В этом случае цепь обмотки возбуждения за-

мыкается накоротко через выпрямитель, а для обеспечения трансфор-

маторной связи применяется разноименнополюсное исполнение с от-

ношением p

, равным нечетному числу. Как в двигателях с разно-

именнополюсным возбуждением, так и в двигателях с одноименно-

полюсным возбуждением поле возбуждения может быть получено с

помощью соответствующим образом намагниченных постоянных

магнитов. Якорная обмотка двигателей выполняется однофазной,

двухфазной или трехфазной. Пуск двигателей в ход осуществляется

прямым включением в сеть.

В однофазных двигателях кроме рабочей предусматривается пус-

ковая обмотка, присоединяемая к сети через конденсатор. Для облег-

чения пуска на роторе двигателя иногда размещают короткозамкну-

тую обмотку, токи в которой взаимодействуют с полем якорной об-

мотки, вращающимся с угловой скоростью Ω

= 2πf / p

, во много раз

превышающей номинальную синхронную угловую скорость двигате-

ля Ω = 2πf / Z

. Параметры короткозамкнутой обмотки должны быть

подобраны таким образом, чтобы пусковой момент превосходил мо-

мент внешней нагрузки, но был меньше максимального синхронного

момента (в противном случае ротор может «проскочить» номиналь-

ную частоту вращения). Если момент инерции ротора не слишком ве-

лик, а синхронная частота вращения достаточно мала, двигатель мо-

жет быть запущен в ход и при отсутствии короткозамкнутой обмотки

только за счет синхронного момента. В этом случае ротор успевает

достигнуть синхронной частоты вращения и втянуться в синхронизм

в течение полупериода изменения синхронного момента, когда его

направление остается неизменным.

Синхронные индукторные двигатели небольшой мощности на

частоты вращения 1, 2 и 60 об/мин выпускаются в нашей стране се-

рий ДСР и ОРД (соответственно в трехфазном и однофазном испол-

нении).

Индукторные реактивные двигатели. Индукторными в отличие

от обычных реактивных синхронных двигателей называют невозбуж-

денные однофазные или трехфазные синхронные двигатели, ротор

которых имеет число зубцов, большее, чем число полюсов якорной

обмотки, т.е. Z > 2p

(в обычной реактивной синхронной машине

Z = 2р, см. § 63.2, а также § 20.3).

Однообмоточные машины такого типа с зубчатыми магнитопрово-

дами статора и ротора описаны в § 20.3. Их статор обязательно дол-

жен быть зубчатым, а число зубцовых делений статора в окружности

зазора должно либо совпадать с числом зубцов ротора Z

( = Z

′

237

см. рис. 20.2), либо отличаться от него на число полюсов якорной об-

мотки ( , см. рис. 20.3). Индуктивность якорной обмот-

ки изменяется в реактивной синхронной машине с угловой частотой

ω = 2πf = ZΩ, а для получения электромеханического преобразова-

ния, как показано в § 21.1, необходимо присоединить якорную обмот-

ку к сети с угловой частотой ω

= 2πf

= ω / 2, откуда следует, что в

синхронном режиме реактивный двигатель вращается с угловой ско-

ростью Ω=2ω

/Z = 4πf

/Z, т.е. со скоростью, в 2 раза большей, чем

у индукторного двигателя с тем же числом зубцов на роторе.

63.5. Двиатели с атящимся ротором и двиатели с ибим

волновым ротором

Эти двигатели, так же как двигатели, рассмотренные в предыду-

щем параграфе, применяются для получения низких частот враще-

ния. Однако в них для понижения частоты вращения используется не

электромагнитная, а механическая редукция.

Двигатели с катящимся ротором предложены в 1944 г. А. И. Мо-

сквитиным. Они отличаются от всех прочих двигателей двумя важ-

ными признаками: во-первых, магнитопровод их ротора лишен не

только обмоток, но и каких-либо выступов-зубцов на своей гладкой

цилиндрической поверхности и, во-вторых, их ротор под воздействи-

ем вращающегося поля катится по специальным направляющим, за-

нимая эксцентричное положение внутри статора. Устройство двига-

теля показано на рис. 63.9. На его статоре размещаются разноименно-

полюсная якорная обмотка 1 и одноименнополюсная обмотка воз-

буждения 2. Якорная обмотка может быть не только двухфазной, как

на рис. 63.9, но и трехфазной или многофазной, однако в любом слу-

чае она должна быть однопериодной (p

= 1). Обмотка возбуждения

состоит из двух симметрично расположенных катушек, охватываю-

щих вал. Однопериодное магнитное поле, образуемое якорной обмот-

кой, замыкается по главным магнитопроводам статора 3 и ротора 4.

Оба магнитопровода набираются из электротехнической стали и вы-

полняются гладкими (открытия пазов статора выбирают настолько

маленькими, что с влиянием зубчатости статора на работу двигателя

можно не считаться). Для создания путей, по которым проходит по-

ток возбуждения, используются вспомогательные магнитопроводы

статора 5 и ротора 7, которые также набраны из электротехнической

стали и имеют форму цилиндров. Таким образом, магнитная цепь для

потока возбуждения включает следующие участки: главный зазор,

магнитопровод 3, корпус статора 6, магнитопровод 5, дополнитель-

ный зазор, магнитопровод 7, вал 8, магнитопровод 4. На валу 8 ротора

′

–2p

238

укрепляются катки 10. При движении под действием вращающегося

поля ротор через катки 10 опирается на цилиндрические направляю-

щие 9.

Диаметры катков D

и направляющих D

подбираются таким обра-

зом, чтобы образовывался достаточно большой эксцентриситет

и при этом магнитопровод ротора не касался магнитопровода стато-

ра, т.е. δ

min

> δ

доп

. Здесь δ

max

, δ

min

, δ, δ

доп

— соответственно макси-

мальный, минимальный, средний и допустимый зазоры.

Нетрудно заметить, что указанные соотношения удовлетворяются

при D

– D

= 2e. Катки 10 и направляющие 9 делаются либо зубчаты-

ми, либо гладкими из специальных износоустойчивых материалов,

обладающих значительным коэффициентом трения.

Для приведения двигателя в движение необходимо возбудить об-

мотку 2 постоянным током i

и включить его якорную обмотку

в двухфазную сеть переменного тока частотой f

. При этом обмотка

возбуждения образует в зазоре униполярное поле, а обмотка якоря —

однопериодное вращающееся поле, которое будет перемещаться

с угловой скоростью Ω

= ω

= 2πf

. Поскольку на одном из полюсных

делений эти поля будут складываться ( ), а на другом —



(

Рис. 63.9. Двигатель с катящимся ротором (p

= 1, m

= 2)

max

min

–

-----------------------------

max

δ–==

B′ B′

B′

239

вычитаться ( ), ротор притянется в сторону полюсного

деления с большей среднеквадратичной индукцией .

На рис. 63.9 показано положение, которое займет ротор при токах

= I

и i

= 0, когда ось вращающегося поля якоря совпадает

сосью фазы А

: зазор на оси А

будет минимален (δ

min

); в диаметраль-

но противоположной точке — максимален (δ

max

). При этом сила ради-

ального магнитного тяжения, пропорциональная , при-

жмет катки 10 к направляющим 9. Перемещаясь, поле стремится ув-

лечь за собой ротор, и, поскольку силы трения скольжения превосхо-

дят силы трения качения, он будет катиться на катках по направляю-

щим. После того, как в течение периода изменения тока Т

ось поля

повернется на угол 2π против часовой стрелки и снова совпадет

сосью А

, точка тела ротора 4, занимавшая вначале положение на оси

, повернется на угол γ

и займет положение, показанное штриховы-

ми линиями. Угол γ

равен разности углов, на которые смещается точ-

ка минимального зазора соответственно по поверхностям ротора и

статора, т.е.

Таким образом, ротор будет вращаться во много раз медленнее,

чем поле (в противоположную сторону по отношению к полю). Его

угловая скорость за счет механической редукции при качении катков

по направляющим уменьшится в D

/(D

– D

) раз по сравнению со

скоростью поля

Определение вращающего момента двигателя существенно облег-

чается, если заметить, что в электромагнитном отношении он являет-

ся, по существу, индукторным синхронным двигателем с гладким ста-

тором и одноименнополюсным возбуждением (см. § 20.4, п. «б»,

рис. 20.6). Действительно, при однопериодной якорной обмотке

= 1) ротор такого индукторного двигателя имеет всего один зубец,

так как согласно (20.12) Z

= p

= 1, а эксцентрично смещенный ци-

линдрический ротор в отношении распределения магнитной прово-

димости вполне аналогичен однозубцовому ротору. Если бы цилинд-

рический ротор был эксцентрично закреплен на валу, опирающемся

на подшипники, он вращался бы с угловой скоростью Ω = 2πf

″

–=

′

> B

″

()

″

()

–

-------

2π 2π–=

------

–

--------------------