УстрАСУ / Конспект УАСУ

321

снижает надежность работы генератора и ограничивает его допустимые температуры до 100—130 Применение в перспективе для ВВ диодов на основе карбида кремния позволит повысить этот предел до 400 Бесщеточные генераторы установлены на основных транспортных самолетах. Серийные

бесщеточные генераторы рассчитаны на принудительное воздушное охлаждение. Использование конвективного жидкостного распылительного охлаждения позволяет снизить относительную массу генератора.

7.4.2. БЕСКОНТАКТНЫЕ СГ С КОГТЕОБРАЗНЫМИ ПОЛЮСАМИ

В БСГ с когтеобразными полюсами обмотки якоря и возбуждения находятс на статоре, а ротор имеет когтеобразные выступы (полюсы) из магнитомягкой стали, которые за счет МДС возбуждения приобретают чередующуюся по цилиндрической образующей магнитную полярность и создают в рабочем зазоре знакопеременное магнитное поле, как и в классической СМ. Взаимная индуктивность между обмоткой возбуждения и обмоткой якоря, так же, как и в классической СМ, является периодической функцией угла поворота ротора.

Существуют различные типы БСГ с когтеобразными полюсами. Конструктивная схема БСГ с внешнезамкнутым потоком показана на рис. 7.17. На статоре размещаются две обмотки возбуждения 1 и 2, питаемые постоянным током, и обмотка якоря 3, расположенная в пазах шихтованного стального сердеч-

Рис. 7.17. Конструктивная схема БСГ с когтеобразными полюсами и внешне-замкнутым магнитным потоком,

ника 4. Наружный корпус 5 выполнен из магнитомягкой'стали. Ротор не содержит каких-либо электрических элементов (обмоток, выпрямителей и т. п.) и является чисто механической конструкцией. На нем располагаются шайбы 6 и 7 с когтеобразнымь взаимно чередующимися выступами 8 и 9.

Магнитный поток созданный согласно включенными обмотками 1 я 2, замыкается по пути с наименьшим магнитным сопротивлением (с наименьшим суммарным воздушным зазором): наружный корпус 5 — консоль 10—[дополнительный зазор— правая шайба 6 — выступы 8 — рабочий зазор б — статор — рабочий зазор §

— выступы 9 — левая шайба 7 — дополнительный зазор б2 — консоль 11 — корпус

5.

Помимо основного потокасуществуют потоки рассеяния в окрестности обмотки возбуждения~ между когтеобразными полюсами(рис. 7.17).

Как видно из рис. 7.17, выступы 8 и 9 по отношению к статору имеют противоположную магнитную полярность (' выходит из выступов 8 и входит в

321

322

выступы 9). При вращении ротора будет вращаться и потокв сердечнике 4. В обмотке якоря 3, как и в обычном СГ, наводится переменная ЭДС.

Недостатками генератора являются наличие тяжелого стального наружного корпуса, по которому замыкается магнитный поток, и необходимость иметь две кольцевые обмотки возбуждения с относительно большим диаметром, а следовательно, и большим объемом. Потери на возбуждение в таком БСГ относительно велики. При прочих равных условиях относительная масса этого типа генератора в 1,5—1,8 раза выше в сравнении с классическим СГ.

Конструктивная схема БСГ с внутризамкнутым потоком показана на рис. 7.18. На статоре размещаются обмотка возбуждения постоянного тока 1 и обмотка якоря 2, расположенная в пазах шихтованного стального сердечника 3-К обмотке возбуждения 1 примыкает внутренний стальной магнитопровод 4. Ротор содержит центральную стальную втулку 5 с радиальными выступами 6 и цилиндр 7 с аксиальными выступами («когтями») 8, которые располагаются между выступами 6. Втулка 5, выступы 6 и цилиндр 7 с когтями 8 изготовлены из магнитомягкой стали. Пространство между выступами 6 и когтями 8 залито прочным немагнитным сплавом 9. Как и в предыдущем случае, все электрические элементы БСГ находятся на статоре,, а ротор является чисто механической конструкцией.

Магнитный потоксозданный обмоткой /, замыкается по пути с минимальным суммарным зазором: внутренний стальной магнитопровод 4 — дополнительный зазор—втулка ротора 5—выступы 6—рабочий зазор—статор с якор-

ной обмоткой 2—зазор—когти 8—цилиндр 7—дополнительный зазор—скоба 4. Таким образом, выступы 6 и когти 8 по отношению к якорю имеют противоположную магнитную полярность (на рис. 7.18 выступы 6 — северные полюсы, так как выходит

Корпус генератора не является магнитопроводом и может изготавливаться из легкого немагнитного материала. Обмотка возбуждения имеет малый диаметр. Объем ее и потери в ней невелики. Генератор с внутризамкнутым потоком легче и компактнее, чем генератор с внешнезамкнутым потоком. Если, однако, ротор должен находиться в агрессивной среде (например, в парах металла, используемых в приводной турбине и для смазки подшипников), конструкция с внешнезамкнутым потоком может оказаться предпочтительнее, поскольку в ней легче экранировать статор с обмотками от воздействия агрессивной среды. .

Во многих случаях генератор с внутризамкнутым потоком имеет двустороннюю систему возбуждения, как показано на рис. 7.19. Ротор представляет собой цилиндр 7 из Магнитомягкой стали, имеющий в центральной части прорези (окна), в которые входят выступы 6. Зазоры между цилиндром 7 и выступами 6, заливаемые немагнитным сплавом, существенно превышают двойной воздушный зазор между ротором и статором,

322

323

для того чтобы основная часть магнитного потока замыкалась через якорь. Обмотки возбуждения J и якоря 2, сердечник якоря S, внутренний стальной магнитопровод 4 и втулка 5 — аналогичны БСГ по рис. 7.18.

Генераторы с внутризамкнутым потоком имеют значительные потоки рассеяния (например, с торцов пакета якоря на цилиндр 7 и др.). Коэффициенты рассеяния потока достигают 1,5—1,6. Поэтому индукции в рабочем зазоре под выступами 6 (северные полюсы) и центральными частями цилиндра 7 (южные полюсы) могут различаться. Последнее приводит к несимметрии магнитного поля ротора по отношению к якорной обмотке. Несимметричная кривая индукции содержит постоянную составляющую, которая не участвует в наведении ЭДС, а только загружает магнитопровод и требует дополнительной МДС возбуждения. |Из-за больших .потоков рассеяния индуктивное продольное сопротивление БСГ велико и его внешние характеристики имеют большой наклон, что затрудняет стабилизацию выходного напряжения. Их относительная масса на 15—30 % выше, чем у контактных явнополюсных СГ той же мощности.

7.5.СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР

СВОЗБУЖДЕНИЕМ ОТ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ

Синхронные генераторы, возбуждаемые постоянными магнитами, применяются на ЛА в качестве генераторов в составе электромашинных преобразователей постоянного тока в переменный для питания гироскопических навигационных приборов, в качестве автономных генераторов с автономным приводом от воздушных и газовых турбин, а также в качестве маломощных тахогене-раторов для измерения частоты вращения главных двигателей летательного аппарата. Тахогенератор совместно с СД, который питается напряжением тахогенератора, образуют дистанционный электрический тахометр, измеряющий частоту вращения главных двигателей летательного аппарата.

Преимуществами СМ с возбуждением от постоянных магнитов являются: 1) высокая надежность, простота конструкции и обслуживания, связанные с отсутствием скользящих контактов и вращающейся обмотки; 2) автономность, так как не требуется возбуждения постоянным током; 3) высокий КПД и меньший нагрев машины благодаря отсутствию потерь на возбуждение и в скользящем контакте.

Вместе с тем они обладают и рядом недостатков, из которых наиболее существенными являются сложность регулирования и стабилизации напряжения СГ, малая предельная мощность из-за невысокой механической прочности ротора из постоянных магнитов и сравнительно небольшой удельной магнитной энергии сплавов для постоянных магнитов, а также повышенная масса СГ средней мощности.

По мере совершенствования конструкции и повышения удельной энергии сплавов для постоянных магнитов на основе редкоземельных элементов (типа область применения машин с возбуждением от постоянных магнитов будет расширяться, а их

323

324

массо-энергетические характеристики в определенном диапазоне мощности и частоты могут стать лучше, чем у классических СМ.

Синхронные машины этого типа выполняются с неподвижным якорем и вращающимся индуктором. Якорь аналогичен якорю классических синхронных машин. Конструкция ротора-индуктора определяется магнитными и технологическими свойствами материала постоянных магнитов, мощностью и назначением. Основное применение получили три типа индукторов (рис. 7.20): явнопо-люсный типа «звездочка», явнополюсный с радиальными магнитами и полюсными наконечниками из магнитомягкой стали и ког-теобразный.

7.5.1. РОТОР «ЗВЕЗДОЧКА»

Такой ротор (рис. 7.20, а) изготавливается отливкой в виде блока из магнитотвердого материала и намагничивается в спе-

циальном устройстве. Он применяется в СМ малой мощности (примерно до 5 кВ-

А).

Ротор «звездочка» имеет малую механическую прочность из-за хрупкости магнитотвердых сплавов и наличия остаточных механических напряжений при отливке. Максимально допустимые окружные скорости 40—50 м/с. Рабочие поля для ротора «звездочка» ограничены индукциями 0,2—0,5 Тл. Особенностью ротора «звездочка» является способность намагничиваться в поперечном направлении за счет поперечной реакции якоря. При такой реакции якоря-возникают МДС и поток по осиДополнительное намагничивание ротора вызывает искажение основного поля. Для снижения размагничивающего действия внешних полей ротор типа «звездочка» заливают алюминием.

7.5.2.РОТОР С ПОЛЮСНЫМИ НАКОНЕЧНИКАМИ

Вроторе (рис. 7.20, б) смонтированы постоянные магниты призматической формы, примыкающие в центральной части к ма-гнитомягкой втулке и имеющие полюсные магнитомягкие наконечники. Пространство между магнитами заливается немагнитным легким сплавом. Полюсные наконечники экранируют постоянные магниты от действия реакции якоря. В полюсных наконечниках обычно размещается успокоительная обмотка,

324

325

предотвращающая колебания ротора и экранирующая магниты от размагничивающего действия токов КЗ. Для повышения механической прочности ротора его наружная часть может выполняться в виде составного сварного цилиндра. Участки цилиндра, примыкающие к постоянным магнитам, выполняются из магнитомягкой стали и играют роль полюсных наконечников. Участки цилиндра между магнитами изготавливаются из прочной немагнитной стали.

Важным достоинством ротора с полюсными наконечниками является возможность использования призматических постоянных магнитов с направленной кристаллизацией, обеспечивающей улучшенные магнитные свойства материалов. Роторы с полюсными наконечниками могут применяться при мощности до100кВ-А и более.

7.5.3.КОГТЕОБРАЗНЫЙ РОТОР

Кцилиндрическому постоянному магниту примыкают с торцов ДЕе шайбы из магнитомягкой стали, имеющие когтеобразные выступы (рис. 7.20, в и г). Выступы левой шайбы чередуются по окружности с выступами правой шайбы. Каждая шайба с выступами приобретает магнитную полярность, соответствующую тому полюсу постоянного магнита, к которому примыкает шайба. Поэтому выступы по отношению к статору образуют систему полюсов с чередующейся полярностью, подобную обычному ротзру СТ. В данном случае постоянный магнит защищен от внешних воздействий магнитомягкими элементами, воспринимающими основное действие реакции якоря.

Когтеобразные роторы применяются в СМ с мощностью 10— 20 кВ-А, Так как магнитомягкие стали обладдат хорошими механическими свойствами, а постоянный магнит имеет простую форму и приближен к центру, допустимые окружные скорости в когтеобразном роторе составляют 80—100 м/с. Рабочие индукции ротора 0,6—0,7 Тл.

Возможна модифицированная конструкция ротора, представленная на рис. 7.21. Такое исполнение ротора рационально при использовании высококоэр'цитивных материалов (например, сплавов I.

Призматические магниты / намагничены не по радиусу, а по хорде. Между ними находятся секторы 2 из магнитомягкой стали,

выполняющие роль полюсов по отношению к якорю на статоре. Снаружи к постоянным магнитам примыкают немагнитные вставки 3; кольцо 4, отделяющее полюсы от вала 5, также является немагнитным. С помощью высококоэрцитивных материалов могут быть реализованы относительно большие магнитные поля (с индукцией примерно 1,2 Тл), слабо зависящие от немагнитного зазора. Поэтому якорь на статоре может выполняться беспазовым с якорной обмоткой, уложенной непосредственно на внутренней расточке пакета якоря. При этом упрощается технология изготовления и улучшается использование активной зоны. В изображенной на рис. 7.21 конструкции достигается также эффективное экранирование постоянных магнитов от размагничивающих эффектов со стороны якоря.

7.5.4. ОСОБЕННОСТИ СГ С ВОЗБУЖДЕНИЕМ ОТ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ

Рассмотрим особенности работы магнита в СГ. Допустим, что извлеченный из магнитного

325

326

шунта постоянный магнит поместили в статор, не допуская при этом размыкания магнитной цепи до свободного состояния. В соответствии с рис. 7.22 в рабочем зазоре

не обладает стабильными магнитными свойствами и требует специальной стабилизации.

Наибольшему размагничиванию в генераторе магнит подвергается в режиме КЗ, когда имеют место максимальный ток якоря и максимальная МДС якоря Поскольку в эксплуатации возможно КЗ в аварийных режимах, то один из методов стабилизации магнитных свойств постоянных магнитов заключается в предварительном искусственном создании режима КЗ в процессе испытаний. После изготовления СГ в процессе

любое включение и выключение нагрузки не приводят к изменению магнитных свойств и ЭДС XX, т. е. имеет место упругая деформация магнитного поля, как и в СМ с электромагнитным возбуждением при неизменном токе возбуждения.

Этот метод стабилизации магнита называется стабилизацией КЗ. Очевидно, что

326

абсцисс откладывается МДС продольно-размагничиваю- щего характера, то эта внешняя характеристика справедлива

Если не применять магнитный шунт после изъятия магнита из намагничивающего устройства, он будет размагничен в соответствии с магнитной проводимостью свободного состояния магнита, определяемой путями магнитных линий по воздуху в открытой внешней магнитной цепи.

Если конфигурация магнита-иидуктора такова, что Е>, то применение магнитного шунта не имеет смысла, так как КЗ размагничивает магнит в большей

зация магнита открытой магнитной цепью. Однако в этом случае мы дополнительно теряем магнитные свойства магнита, так как в случае применения шунта и стабилизации магнита КЗ линия магнитного возврата исходила бы из точки расположенной выше на кривой размагничивания. Еслизначительно ниже, то из-за дополнительной потери магнитных свойств стабилизация «воздухом» нерациональна и следует применять магнитный шунт при намагничивании, осуществляя стабилизацию магнита КЗ. Лишь при можно не применять магнитный шунт, осуществляя стабилизацию магнитов открытой магнитной цепью.

Генератор со стабилизированным магнитом по свойствам аналогичен СГ с электромагнитным возбуждением при независимом возбуждении. Однако его параметры отличаютсяот таковых для классических СМ при прочих равных условиях.

Если индуктор имеет магнитомягкие полюсные наконечники (когтеобразный, индуктор с радиальными магнитами и полюсными наконечниками), то при одинаковых размерах и одинаковой конфигурации индуктора машины с возбуждением от постоянных магнитов и классической СМ и одинаковом воздушном зазоре путь поперечного магнитного

сравнению с классической синхронной машиной, у которой магнитное сопротивление мап-штомягкого индуктора мало. В силу сказанного для СГ с индукторами этого типа , тогда как в классических СМ

327

выравниваются, и при некоторых соотношениях размеров индуктора и соответствующей геометрической конфигурации оказывается При СГ с возбуждением от постоянных магнитов по свойствам близки к неявнополюсной СМ, несмотря на геометрическую явнополюсность.

граммы напряжений классических СМ с электромагнитным возбуждением. Характеристики КЗ, внешние и нагрузочные, принципиально имеют тот же вид, что и у

для классических СГ с электромагнитным возбуждением понимании, так как прямое регулирование МДС возбуждения за счет изменения тока возбуждения не имеет места.

С этим связаны трудности стабилизации напряжения СГ с возбуждением от постоянных магнитов в условиях изменения нагрузки и частоты вращения.

7.5.5. СТАБИЛИЗАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЯ СГ С ВОЗБУЖДЕНИЕМ ОТ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ

Для стабилизации напряжения с изменением нагрузки при постоянной частоте вращения применяют параметрические методы. Один из них заключается в продольной емкостной компенсации продольного синхронного индуктивного сопротивления С этой целью последовательно в каждую фазу между выводами СГ и сопротивлением нагрузки включают конденсатор так, чтобы В результате при изменении тока якоря напряжение на сопротивлении нагрузки будет отличаться от ЭДС XX лишь за счет падения напряжения в активном сопротивлении . обмотки якоря, которое невелико, так как действие продольной реакции якоря будет скомпенсировано. Другой метод заключается в параллельном подключении к обмотке якоря параллельного резонансного контура с нелинейной индуктивностью и с насыщающимся магнитопроводом. Параллельный резонансный контур настраивается на резонанс токов при номинальном напряжении СГ и является в этом режиме для него дополнительно чисто активной загрузкой с большим сопротивлении. При повышении напряжения СГ и напряжения на катушке индуктивности индуктивный ток катушки превышает ток конденсатора, увеличивается насыщение магнитопровода, а напряжение на конденсаторе и ток связаны линейной зависимостью. В результате параллельный контур окажется для СГ дополнительной индуктивной нагрузкой, создающей размагничивающую реакцию якоря, что снижает напряжение. Если напряжение СГ снижается в результате увеличения основной нагрузки, то параллельный резонансный контур по той же причине становится для СГ дополнительной емкостной нагрузкой, а реакция якоря — продольно подмагничивающей, что повышает напряжение. Параметрические методы применимы лишь при постоянной частоте вращения (постоянной частоте тока =и не обеспечивают высокой точности стабилизации напряжения. Существует прямой метод воздействия на магнитный поток постоянных

магнитов, заключающийся в следующем. Как известно, магнитный поток в любой магнитной системе определяется как, где— магнитное сопротив-

328

329

ление. В СМ с электромагнитным возбуждением магнитный поток воздушного зазора регулируют воздействием на МДС возбуждения, изменяя ток возбуждения. В СГ с возбуждением от постоянных магнитов для регулирования потока воздушного зазора воздействуют на магнитное сопротивление

(7.35)

где— магнитное сопротивление магнита, определяемое магнитной проницаемостью возврата — магнитное сопротивление воздушного зазора; — магнитное сопротивление сердечника статора, которое зависит от степени насыщения.

Если регулировать , за счет изменения магнитной проницаемости, то представляется возможным регулировать магнитный поток

воздушного зазора. В этом и заключается сущность метода. Практически это осуществляется следующим образом. В пазах якоря (рис. 7.24, а) помимо основной трехфазной обмотки 1 укладывается тороидальная обмотка 2, обтекаемая постоянным током подмагничивания и создающая кольцевой магнитный поток, который замыкается по сердечнику статора, не проходя через воздушный зазор.

создает постоянный магнит в рабочем воздушном зазоре. На рис. 7.24, б показаны внешняя (кривая 1) и регулировочная (кривая 2) характеристики. Под регулировочной

максимален. Если автоматический регулятор воспроизводит регулировочную характеристику то напряжение СГ будет неизменным (стабилизированным) при изменении тока нагрузки.

При повышении и понижении частоты вращения для стабилизации напряжения этим методом необходимо соответственно повышать и понижать подмагничивающий ток.

7.6. ИНДУКТОРНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

329

330

Принцип действия индукторных СГ основан на периодическом изменении магнитной проводимости рабочего зазора при вращении ротора. Взаимная индуктивность между обмоткой возбуждения и обмоткой якоря изменяется в ре-

зультате периодического изменения магнитной проводимости при неизменном относительном положении обмоток. Однако в отличие от других типов рассмотренных ранее БСГ с расположением обмоток возбуждения и якоря на статоре и в отличие от классических СМ в индукторных машинах магнитная индукция в любой точке воздушного зазора (активной зоны) изменяется только по значению, не меняя знака (рис. 7.25). Во всех других типах СМ магнитная индукция и магнитный поток являются знакопеременными.

На рис. 7.26 представлены конструктивные схемы наиболее распространенных индукторных СГ: одноименнополюсного (рис. 7.26, а) и переменнополюс-ного (рис. 7.26, б). Кольцевая (тороидальная) обмотка возбуждения /, расположенная на статоре, создает в магнитной системе одноименнополюсного индукторного СГ магнитный поток, направленный по оси машины в ярме ротора и статора. В активной зубцовой зоне ротора и статора он принимает радиальное направление и в каждой точке воздушного зазора, а также в зубцах статора 2, на которых расположена обмотка якоря 3, периодически изменяется от максимальногодо минимальногозначения, не меняя знака. Это происходит в результате периодического изменения магнитной проводимости активной зубцовой зоны статора и ротора при вращении. Таким образом, общее потоко-сцепление обмотки возбуждения с обмоткой якоря и взаимная индуктивность между обмотками имеют постоянную и периодическую составляющие, причем периодическая составляющая изменяется с двойной угловой частотой по отношению к частоте вращения ротора. Постоянная составляющая магнитного потока возбуждения не принимает участия в основных процессах электромеханического преобразования энергии, но увеличивает размеры и массу магнитопро-вода, что является одним из главных недостатков индукторных машин. Машины этого типа называют одноименнополюсными потому, что все зубцы ротора являются полюсами одной и той же полярности. Полюсам противоположной полярности (рис. 7.25) соответствуют межзубцовые промежутки ротора. Таким образом, один зубец ротора индукторной машины выполняет функцию пары полюсов

Переменнополюсная индукторная машина (рис. 7.26, б) выполняется с радиальным направлением основного магнитного потока возбуждения и называется так потому, что каждый зубец ротора поочередно меняет свою полярность в зависимости от положения в магнитном поле возбуждения, создаваемом обмоткой возбуждения / соленоидного типа.

Активная зубцовая зона индукторных генераторов характеризуется соотношением зубцовых шагов (чисел зубцовротора-индуктора и ста-тора-якоря. При

, где — число фаз обмотки якоря-

330