Специальные машины постоянного тока. Индукторы. Интегрирующие двигатели?

Генераторы. В индукторных машинах используют принцип генерирования переменного тока, основанный на действии зубцовых гармонических. На статоре индукторного генератора (рис. 7.8) расположены обмотка возбуждения и обмотка якоря, в которой индуцируется переменная ЭДС. Обмотка возбуждения питается постоянным током и создает неподвижное относительно статора магнитное поле. Роторы индукторных генераторов всех типов выполняют без обмоток с большим количеством зубцов. Отсутствие обмотки возбуждения на роторе, а следовательно, и скользящих контактов для подвода к ней тока, существенно повышает надежность индукторных генераторов по сравнению с синхронными генераторами нормального исполнения. Кроме того, индукторные генераторы позволяют получать токи повышенной частоты (400 - 30 000 Гц), а в синхронных генераторах нормального исполнения, частота которых f ₁ = рn ₂/60, это затруднительно (увеличение частоты вращения их ротора ограничено его механической прочностью, а значительное увеличение числа полюсов 2 р невозможно по условиям размещения обмоток),

В зависимости от расположения обмотки возбуждения индукторные генераторы подразделяют на генераторы с радиальным и осевым возбуждением. При радиальном возбуждении (рис. 7.8, а) обмотка возбуждения создает магнитный поток Ф_в, проходящий через статор и ротор в радиальном направлении (см. штриховые линии). Обмотка якоря расположена в малых пазах пакета статора, а обмотка возбуждения — в больших пазах. При осевом возбуждении (рис. 7.8, б) магнитный поток Ф_в замыкается в осевом направлении через ротор (см. штриховуюлинию). Обмотка якоря расположена впазах

Рис. 7.8. Устройство индукторного генератора с радиальным и осевым возбуждением: 1 — ротор; 2 — пакет статора; 3 — корпус; 4 — обмотка якоря; 5 — обмотка возбуждения; 6 —полюсы статора; 7 — подшипниковый щит; 8 — втулка ротора

 

Рис. 7.9. Кривые распределения индукции вдоль окружности якоря в индукторной машине при отсутствии (а) и наличии (б) полюсных выступов на статоре: 1 — статор; 2 — ротор

сердечника статора, а обмотка возбуждения охватывает втулку ротора. В некоторых конструкциях индукторных машин вместо обмотки возбуждения применяют постоянные магниты, потоки которых замыкаются в радиальном или осевом направлении. Зубчатый ротор индукторного генератора создает в различных точках воздушного зазора магнитное сопротивление, которое зависит от того, что находится под рассматриваемой точкой зазора — зубец или паз ротора. В результате индукция в зазоре распределяется вдоль окружности якоря по кривой (рис. 7.9, а), которая кроме постоянной составляющей В _ср содержит еще и переменную составляющую, изменяющуюся от В _min до В _max. Зубцам ротора придают такую форму, чтобы переменная составляющая индукции в воздушном зазоре приближалась к синусоидальной. Каждому зубцовому делению ротора соответствует один период изменения индукции от B _min до В _max, вследствие чего результирующее магнитное поле машины можно рассматривать как сумму двух полей — постоянного, создаваемого обмоткой возбуждения, и синусоидального с числом полюсов, равным числу зубцов ротора. При вращении ротора постоянное магнитное поле остается неподвижным, а переменное перемещается вместе с зубцами ротора, индуцируя В проводниках обмотки якоря ЭДС, изменяющуюся с частотой f ₁ = z ₂ n ₂/60, где z ₂ — число зубцов ротора,

(7.6)

Е = 4,44f1wа ko6 a Ф п m ,

где Фпт = 0,5 (Ф_{п mах} - Ф_{п min})- амплитуда переменной составляющей магнитного потока одного полюса.

В обмотке возбуждения переменная ЭДС практически не наводится, так как поток, сцепленный с ней, не изменяется. Если на статоре имеются полюсные выступы, то кривая распределения индукции приобретает более сложную форму (рис. 7.9,б). Но и в этом случае первая гармоническая ее индуцирует в обмотке якоря ЭДС, частота изменения которой пропорциональна числу зубцов z ₂ ротора.

Обмотку якоря в индукторных генераторах обычно выполняют с шагом, приблизительно равным зубцовому делению ротора; в этом случае ЭДС, индуцированные в двух сторонах каждой катушки, складываются арифметически. Однако в некоторых конструкциях применяют обмотки с шагом, равным нескольким зубцовым делениям. Отдельные катушки обмотки якоря могут соединяться между собой по различным схемам и образовывать различное число фаз в зависимости от числа и шага зубцов ротора.

В трехфазном индукторном генераторе (рис. 7.10) каждой фазе обмотки якоря соответствует одна пара полюсов статора. Обмотка возбуждения создает двухполюсное магнитное поле, т. е. каждый полюс, образованный этой обмоткой, состоит из трех полюсов статора (расщеплен на три части). Зубцы соседних полюсов статора смещены относительно зубцов ротора на 1/6 зубцового деления, поэтому максимум магнитного потока перемещается от одного полюса к другому при повороте ротора на 1/6 зубцового деления. При вращении ротора в

Рис. 7.10. Электромагнитная схема трехфазного индукторного генератора: 1 —1', 2—2', 3—3' — полюсы; 4 - обмотка якоря; 5 - ротор; 6 - обмотка возбуждения

каждой фазе обмотки якоря индуцируется ЭДС с той же частотой f ₁ , что и в одной фазной машине, но ЭДС соседних фаз сдвинуты во времени на 120°.

Индукторные генераторы имеют более низкий КПД (0,4—0,5), чем синхронные генераторы нормального исполнения; это объясняется значительным увеличением добавочных потерь мощности в стали сердечника и обмотке якоря из-за высокой частоты перемагничивания.

Двигатели. Трех- и двух­фазные индукторные машины широко применяют не только в качестве генераторов, но и в качестве двигателей. Синхронная частота вращения их
n ₂ = 60 f ₁/ z ₂, частота вращения магнитного поля статора n ₁ = 60 f ₁/ p. Отношение

(7.7)

n1 /n2 = z2 /p = k ред

называют коэффициентом редукции; он показывает, во сколько раз частота вращения ротора меньше частоты вращения магнитного поля, поэтому индукторные двигатели часто называют редукторными. Редукторные двигатели могут быть трех типов: с электромагнитным возбуждением (на статоре или роторе), с постоянными магнитами или без возбуждения (реактивные). В зависимости от расположения обмотки возбуждения или постоянных магнитов различают двигатели с осевым и радиальным возбуждением. Принцип действия реактивного индукторного двигателя можно рассмотреть на примере схемы трехфазной индукторной машины (рис. 7.10), полагая, что ее обмотка возбуждения разомкнута. В исходный момент времени ось магнитного потока совпадает с осью полюсов 2-2', и ротор расположен так, что магнитное сопротивление для потока, замыкающегося по этой оси, является минимальным. Когда ось вращающегося магнитного потока поворачивается и совпадает с осью полюсов 3-3', на зубцы, расположенные под этими полюсами действует реактивный момент (см. § 7.3). При этом ротор поворачивается на 1/3 зубцового деления против направления вращения поля так, что зубцы на роторе встают против зубцов на

Рис. 7.11. Устройство редукторного реактивного двигателя: 1 — пакет статора; 2 — обмотка якоря; 3 — полюсы статора; 4 — ротор

полюсах 3-3'. При дальнейшем вращении магнитного поля происходит вращение ротора, но повороту поля на половину окружности якоря 0,5πD_a соответствует поворот ротора всего на одно зубцовое деление πD_a /z₂. Таким образом, коэффициент редукции

(7.8)

k_ред = 0,5πD_a z₂ /(πD_a) = 0,5z₂.

В общем случае частота вращения ротора

(7.9)

п₂ = п₁ /k_ред = 2•60f₁ /(рz₂).

Обычно 2р = 2 и частота вращения ротора

(7.9a)

n2 = 120f1 /z2.

На рис. 7.11 показана другая разновидность редукторного реактивного двигателя, в котором на статоре нет гребенчатых выступов, а имеются пазы, число которых больше или меньше числа пазов ротора, т. е. зубцовые деления статора и ротора различны. Вращающий момент в таком двигателе возникает по тем же причинам, что и в рассмотренном выше двигателе (см. рис. 7.10). Ротор в редукторном двигателе может вращаться как по направлению, так и против направления вращения магнитного поля статора. Это зависит от соотношения зубцовых делений статора и ротора.

Пуск редукторных двигателей осуществляется с помощью короткозамкнутой обмотки, расположенной на роторе. Если частота вращения низка, а ротор имеет малый момент инерции, то он может втягиваться в синхронизм непосредственно, без каких-либо пусковых приспособлений. Таким способом запускаются двигатели, у которых ротор вращается в сторону, противоположную направлению вращения магнитного поля.