Глава первая

общие сведения о линейных асинхронных двигателях

1.1. Конструктивные схемы и классификация лад

^Наиболее просто можно представить себе ЛАД, если мыс­ленно разрезать по образующей цилиндра обычный асинхрон­ный двигатель и развернуть его в плоскость. На рис. 1.1,а ус­ловно изображена конструкция асинхронного двигателя, ротор которого представлен в виде полого медного цилиндра. Если Щ статора вырезать и оставить в конструкции часть, соответ­ствующую некоторому центральному углу а, то получится так называемый дугостаторный или сегментный двигатель (рис. 1.1,6), который по характеру электромагнитных процессов^ может рассматриваться как модификация ЛАД^^Важной ег Техническом и эксплуатационном отношениях особенностью

дугостаторного двигателя является зависимость частоты вра­щения ротора не только от полюсного деления и частоты тока в обмотке статора, но и от угла а: при заданном числе пар полюсов р и частоте сети / частота вращения ротора будет тем ниже, чем меньше угол а. Эта возможность редукции частоты вращения оказывается удобной для привода тихоходных вра­щающихся устройств большого диаметра (шаровые мельницы, поворотные круги и т. п.).

Если разрезать и развернуть в плоскость асинхронный дви­гатель, то длины первичной и вторичной частей будут практи­чески одинаковыми и по мере движения их относительно друг друга будет сокращаться активная зона машины и ухудшать­ся все ее характеристики. Чтобы избежать этого, в зависимо­сти от технических условий поступают двояким образом: либо первичную часть — индуктор («бывший статор») выполняют коротким, а вторичную часть — бегун («бывший ротор») — длинным (рис. 1.1,в), либо индуктор выполняют длинным, а вторичную часть —короткой (рис. 1.1,г).

Топологической разновидностью ЛАД является цилиндри­ческий (трубчатый) асинхронный двигатель (рис. 1.1,5).

В этом двигателе цилиндрические катушки обмотки размеща­ются в индукторе и соединяются друг с другом таким образом, чтобы вдоль оси цилиндра возникло бегущее поле; вторичный элемент имеет вид штока, совершающего поступательное дви­жение.

Плоские ЛАД, в свою очередь, могут иметь две основные конструктивные разновидности: двусторонние (рис. 1.2,а) и од­носторонние (рис. 1.2,6). В двусторонних ЛАД вторичная часть перемещается в зазоре между двумя индукторами, в односто­ронних ЛАД магнитный поток индуктора замыкается через об­ратный (пассивный) магнитопровод.

Следующим отличительным признаком является конструк­ция вторичного элемента (рис. 1.3). Самым простым является вторичный элемент в виде изотропной проводящей шины (рис. 1.3,а). Часто встречаются показанные на рис. 1.3,6 вто­ричные элементы в виде медной или алюминиевой шины, на­ложенной с одной или с двух сторон на ферромагнитную по­лосу (в англоязычной литературе такая конструкция получи­ла название «сэндвича»). На рис. 1.3,в показана конструкция в виде медной или алюминиевой шины, в которой выштампо- вываются прорези или окна, остающиеся «пустыми» или запол­няемые ферромагнитным материалом. Конструкция с «магнит­ным заполнением» может иметь разновидности: например, фер­ромагнитные элементы могут иметь вид заклепок, пронизываю­щих медную или алюминиевую полосу. На рис. 1.3,г показан развернутый в плоскость ротор с обмоткой в виде беличьей Клетки: медные стержни, замыкаемые на торцах шинами. Воз­можно применение фазной и более сложных обмоток вторич­ного элемента.

Как плоские, так и цилиндрические ЛАД могут иметь еще Две разновидности. В одних магнитный поток может замыкать­ся в плоскостях, совпадающих с направлением движения вто- Айчной части. Это наиболее распространенные двигатели с про­дельным магнитным потоком (рис. 1.4,а). В других в целях Уменьшения полюсного деления (а, следовательно, и длины ло- аЬвых частей обмоток) высокоскоростных двигателей или отда­ления обмотки от высокотемпературной зоны в магнитогидро- ринамических машинах конструируют индуктор таким образом, тто основной магнитный поток замыкается в плоскостях, пер­пендикулярных к направлению движения вторичной части. Та- ЗКие двигатели называются машинами с поперечным магнит- %ым потоком (рис. 1.4,6). Они могут иметь многочисленные Ионструктивные модификации [1.1].

Возможна классификация и по другим признакам. Напри- ер, можно выделить роторные ЛАД (с вращающимся вторич- ым элементом), к которым следует отнести дугостаторный двигатель, а также конструкцию с дисковым ротором, принцип

«

действия которой ясен из рис. 1.5. Может быть сконструирован ЛАД с катящимся ротором.

На рис. 1.6 представлена схема классификации ЛАД, отра­жающая их основные конструктивные особенности.

В зависимости от области применения линейные двигатели можно разбить на три группы [1.2]:

1) для получения механической силы («силовые маши­ны») — это двигатели, в которых определяющим является пу­сковое или удерживающее усилие; их ход бывает коротким или равным нулю, скорость движения низкой, действие кратковре­менным, энергетические характеристики менее существенны (КПД равен нулю при работе на упор), чем удельные силовые показатели, т. е. сила, отнесенная к мощности, к массе или к активной поверхности индуктора; 12

ра материальные условия ее решения уже имеются налицо, ни, по крайней мере, находятся в процессе становления»*, (о времени возникновения указанных выше проблем развитие' ауки и техники подготовило линейный двигатель. ■Появление электродвигателей возвратно-поступательного ажения восходит к самим истокам истории электрических кшин. Как это ни кажется парадоксальным, но революцион­но своей сущности технические идеи об использовании элек- ймеской энергии были отягчены консервативным грузом до- |гнутых ранее результатов. Так, А. Ампер требовал, чтобы ектрические генераторы давали обязательно такой же ток, |к гальванические батареи, и первые генераторы были маши- |ии постоянного тока. Конструкторская мысль первых созда- Ьей электродвигателей не могла выйти за рамки кинемати- рких схем «настоящей», т. е. паровой машины. Поэтому среди шх ранних конструкций электродвигателей мы находим ма­лы возвратно-поступательного движения, даже по внешним рзнакам (цилиндр, поршень, кривошипно-шатунный меха- до) похожие на паровую машину. В качестве примеров мож- Ьуказать двигатели Пэджа ^рис. 1.7) и Бурбуза (рис. 1.8). |'Однако уже к концу 40-х годов XIX в. безраздельное гос- Цство в электрических машинах получило вращательное дви- яие, как более универсальное, хотя апологеты прямолиней- движений всегда выдвигали аргумент: природа ведь не 5рела колеса!

«В 1882 г. французский академик М. Депре, об опытах ко­сого по передаче электроэнергии на большие расстояния вос- )>женно отозвался Энгельс, описал конструкцию электриче-

к- * К. Маркс и Ф. Энгельс. Собр. соч. 2-е изд. Т. 13. С. 7.

ского молота [1.4]. Цилиндрический линейный двигатель со­стоял из 80 катушек, собранных в виде секционированного со­леноида (рис. 1.9). От каждой пары катушек выполнялся отвод к коллекторной пластине. При выбранном взаимном положе­нии щеток на коллекторе запитывалось одновременно 15 сек­ций. Внутри соленоида мог перемещаться цилиндрический стальной стержень-боек массой 23 кг, который при вращении щеток на коллекторе, производившемся от руки, совершал по­ступательное движение. Это уже настоящий цилиндрический (трубчатый) линейный двигатель, только перемещение магнит­ного поля осуществлялось не автоматически, как позднее в трехфазных системах, а в результате коммутации постоянного тока.

Устройства, аналогичные соленоидному приводу Депре, предлагались в конце прошлого столетия неоднократно. В 1895—1897 гг. были запатентованы несколько схем проброс- ки челнока в текстильных машинах. История линейных элект­родвигателей, предназначенных для текстильного производст­ва, имеет отдельную ветвь и обстоятельно изложена в [7].дадея электромолотов соленоидного типа тоже получила свое развитие, и работы в этой области с успехом ведутся в настоя­щее время.

Сведения о том, кто впервые «развернул в плоскость» ста- эр асинхронного двигателя, противоречивы и туманны. Встре­чающиеся в литературе указания на патент мэра г. Питтсбурга 1890 г. [5] вызывают сомнение: дело в том, что явление >ащающегося магнитного поля стало известно из публикаций эрариса и Тесла в 1888 г., а сведения об асинхронном дви- |теле М. О. Доливо-Добровольского были опубликованы толь- в 1891 г. До 1891 г. еще нечего было «развертывать». ^ Действительно заслуживающее внимания предложение по |У10ским линейным двигателям появилось в 1902 г., когда Цу.Зеден получил французский патент № 321691, в котором был <|йисан двусторонний ЛАД с вторичным элементом в виде про- |^дящей шины (рис. 1.10). Здесь же были указаны две рас­сматриваемые до настоящего времени главные тяговые схемы {К ррименением линейных двигателей:

р 1) короткий индуктор размещен на локомотиве, а вторичная 1на уложена в полотно пути;

2) индукторы входят в структуру пути, а вторичная шина креплена на локомотиве.

а. Зеден остановился перед непреодолимыми в то время ностями экономического порядка: изучение и практическая ^зация идеи требовали больших капитальных вложений, тия последних трех десятилетий подтвердили сложность омную стоимость решения проблемы ВСНТ. Тем не менее ло было положено.

1920 г. в «Работах научно-технических учреждений Рес- ики за 1919 г.» (издание научно-технического отдела "X), в статье «Магнитофугальное бюро» были сообщены ?ния о «магнитофугальных» ударных машинах инженера Япольского. Затем он выступил с докладом на эту же на VIII Всероссийском электротехническом съезде, полу- еовместно с М. П. Костенко зарубежные патенты, а в 1924 5 гг. опубликовал теоретические статьи [1.5, 1.6]. Тогда «магнитофугальными» машинами занимался инженер .Пресс.

1922 г. американский инженер П. Тромбетта описал кон­идию своего электрического кузнечного молота, построен- ,;На основе ЛАД и включавшегося в трехфазную сеть про­ченной частоты [1.7].

. С. Япольский и П. Тромбетта обратили внимание на тех- скую трудность, возникшую при создании электродвигате- возвратно-поступательного движения и заключавшуюся в ходимости в течение всего времени работы машины ревер- вать ее движение. Работа двигателя состоит из чередую- 16 17

щихся пусков и остановок, т. е. представляет собой периодиче­ское повторение переходных процессов. Для поддержания^ наи­более благоприятного режима (постоянство скольжения) в ра­ботах Япольского использовался коллекторный генератор си­стемы Костенко — Япольского, позволявший в широких преде­лах регулировать частоту.

Я. С. Япольский и П. Тромбетта сумели заметить также от­рицательные последствия размыкания магнитной цепи, самым очевидным из которых было нарушение симметрии токов фаз. Существо краевых эффектов тогда понять еще не удалось. Я. С. Япольский в своей теоретической работе сделал допу­щение о «бесконечно длинной» машине, а П. Тромбетта, имея в виду чисто практические цели, не без юмора заметил, что одним из решений этой проблемы являлась возможность сов­сем ее не решать. Далее увидим, что в определенных случаях действительно можно пренебречь продольными краевыми эф­фектами.

Пессимистически отнесся к «развернутым» двигателям Ч. П. Штейнметц. В статье П. Тромбетты указывается, что Ч. П. Штейнметц считал последствия краевых эффектов край­не серьезным затруднением на пути применения линейных дви­гателей для железнодорожного транспорта.

В 1936—1937 гг. во Всесоюзном электротехническом инсти­туте по инициативе А. Г. Иосифьяна инж. Б. Д. Садовским бы­ла проведена серия исследований ЛАД. Здесь был выполнен молот для забивки деревянных свай с двусторонним ЛАД. В статье [1.8] Б. Д. Садовский дал обстоятельное описание ус­тановки. Для увеличения магнитной проводимости вторичная ■часть была выполнена в виде медной решетки с железными вставками (аналог беличьей клетки). Средняя скорость движе­ния вторичного элемента 3—5 м/с, энергия удара 140 кг-м., частота—100 ударов в минуту, КПД — 30—35%. Электромолот питался от коллекторного генератора Шербиуса, который в свою очередь, имел возбудитель и пост управления. КПД всей'становки составлял 12—16%. Заключение Б. Д. Садовского шло отрицательным: система регулирования частоты и напря- ения оказалась громоздкой, что естественно для вращающих- преобразователей, а КПД, с его точки зрения,— весьма низ- м. Однако главный итог состоял в том, что установка ока- лась работоспособной и при определенных условиях такая стема может быть выгоднее распространенной в настоящее емя пневматической системы [1.8]. Кроме того, Б. Д. Садов- ий прояснил вопрос о продольном краевом эффекте, обнару­жив неравномерность распределения амплитуды магнитной ин- кции в зазоре ЛАД при равномерно распределенной обмотке симметричной системе токов. Кривые на рис. 1.11, вошедшие оследствии во многие работы по теории ЛАД, были впервые Чпучены Б. Д. Садовским.

< В 1937—1938 гг. на Харьковском электромеханическом за- "е инж. Г. И. Штурманом были построены несколько опыт- X образцов цилиндрических или трубчатых ЛАД, т. е. таких "гателей, магнитное поле в которых движется внутри труб- ого индуктора вдоль его оси. Двигатели показали хоро­шо работоспособность и дали материал для новых практиче- и теоретических исследований. К этому же времени •41. Москвитин в качестве одного из вариантов цилиндриче- о вторичного элемента трубчатых двигателей предложил енять стальной шток, на который «надеты и запрессованы емежку медные и стальные кольца» [1.9].

1930 г. ленинградский инж. (впоследствии профессор) '. Фридкин изобрел так называемый дугостаторный привод. . Фридкин был первым, кто убедительно показал, что эф- вность нового вида привода следует определять не по отдельно взятого двигателя, а с учетом комплекса «дви- ~ъ — передаточный механизм». Его работы в 30-е годы вы­ли много дискуссий, но автор упорно работал, совершен- ал свою систему привода, изучал особенности двигателя Сомкнутым магнитопроводом и добивался внедрения их в 'ышленности [4].

а рубежом самой интересной установкой после работ ромбетты была поразившая воображение современников Называемая «электропульта» фирмы ШезИпдЬоизе. Эта овка 1946 г. была предназначена для разгона взлетающих етов; тележки, на которых закреплялись самолеты, при­дись в движение линейными двигателями. Были сооруже­на экспериментальных участка в 1 и в 1,5 км длиной. Ин- р закреплялся на тележке, а вторичный элемент пред- ял собой систему в виде развернутой и уложенной в путь чьей клетки. Двигатель мощностью 10 000 л. с. (7350 кВт) 'ивал скорость до 360 км/час. Самолет, закрепленный с по- ЬЮ стропа на тележке, разгонялся за 4,2 с до скорости

Рис. 1.12. Модель Г. И. Штурмана