Вентильные генераторы индукторного типа

Генераторы переменного тока с клювообразным ротором имеют контактные кольца и щетки, которые определяют долговечность генератора. Долговечность бесконтактного генератора ограничена износом подшипников и старением изоляции обмоток. Бесконтакт­ные генераторы необходимы на тракторах и автомобилях с особо тяжелыми условиями эксплуатации. К бесконтактным относятся индукторные генераторы. Принцип действия индукторного гене­ратора можно пояснить следующим образом.

Рис. 62. Электромагнит с вра­щающимся ротором

Рассмотрим электромагнит (рис. 62) с обмоткой возбуждения (0В), по которой протекает постоянный ток. Полюсы электромаг­нита имеют расточку в виде пазов, в которые заложены катушки. Между полюсами установлен ротор в виде звездочки.

Положим, что на длину дуги расточки электромагнита (статора) приходится целое число зубцовых делений ротора и что зубцовые шаги статора и ротора находятся в соотношении t₁ = 0,5t₂.

Если открытие паза мало, то при вращении ротора полное со­противление магнитопровода не меняется. Следовательно, при не­изменной МДС F неизменным будет и поток Ф, проходящий по всему магнитопроводу. Независимо от положения ротора боль­шая часть потока проходит через зубцы ротора, и только незначи­тельная часть - через пазы.

При вращении ротора положение его зубцов по отношению к каждому из зубцов статора изменяется, и поток Ф, проходящий по каждому зубцу статора, периодически изменяется от максималь­ного значения (когда оси зубцов совпадают) до минимального (когда ось зубца статора совпадает с осью паза ротора). Изменение магнитного потока в зубцах статора вызывает появление ЭДС в обмотке якоря. Закон Ома для магнитной цепи Ф = Iw/R_м R_м = l/μ_aS = l/µ₀µS

Изменение магнитного потока в воздушном зазоре по длине окружности якоря показано на рис. 63.

Рис. 63. Распределение магнитного потока в зазоре индукторной машины

Функция Ф =f (х) обладает симметрией относительно осей координат. По­этому при ее разложении в ряд Фурье она будет содержать только постоянную составляющую и нечетные косинусоиды.

Ф = Ф₀ + Ф₁cos x + Ф₃cos x+ Ф5cos x + …

Если пренебречь высшими гармоническими составляющими, получим следующее выражение:

Ф = Ф₀ + Ф₁cos x,

где Ф₀ = 0,5 (Ф_max + Ф_min) – постоянная составляющая магнитного потока,

Ф₁ = 0,5 (Ф_max - Ф_min) – амплитуда первой гармоники.

В этом случае магнитное поле под пазом ротора имеет один знак (относительно Ф₀), а под зубцом ротора - противоположный. Следова­тельно, зубец и паз ротора для потока первой гармоники можно рассматривать как полюсы разноименной полярности.

Число пар полюсов в рассматриваемом случае равно числу зубцов ротора, т. е.

p = z_з.

При вращении ротора со скоростью ω = 2πf (х = ωt) измене­ние потока в зазоре можно представить формулой

Ф = Ф₀ + Ф₁cos ωt.

Изменение магнитного потока в зубце статора индуктирует в обмотке, расположенной на зубце статора, ЭДС,

e = wdФ/dt = wdФ₁cosωt/dt = wωФ₁sinωt,

где w – число витков в обмотке статора.

Сумарное значение ЭДС в фазе обмотки статора равно

e_с = z_we = z_wωwФ₁sinωt = U_m sinωt,

где z_w – число последовательно включенных обмоток.

U_м = z_wwωФ₁ = z_ww2πfФ₁ = z_ww2π(pn/60)Ф₁ = z_ww2π(z_зn/60)Ф₁ , (ω = 2πf),

а действующее значение,

U_d = U_м/√2 = z_ww2π(z_зn/60)Ф₁/√2 = 4,44wfФ₁ = 4,44wf(Ф_max – Ф_min)/2 =

= 2,22wf(Ф_max – Ф_min),

Таким образом, при вращении ротора в витках катушки ста­тора индуктируется переменная ЭДС с частотой, пропорциональ­ной частоте вращения ротора.

На рассмотренном принципе и работает индукторный генера­тор.

Итак, индукторной называется такая электрическая машина, у которой основной магнитный поток в произвольной точке статора изменяется только по величине, и изменение потока, вызвано вращеним ротора.

Рис. 64. Индукторный генератор с двусторонним возбуждением:

1 — обмотка возбуждения; 2 — магнитные системы индуктора (втулка с фланцем); 3 — вал; 4 — звездочка ротора; 5 — магнитопровод якоря; 6 — крышки;

7 — обмотка якоря

Обмотка возбуждения (рис. 64) 1, по которой протекает постоянный ток, создает в магнитной системе поток, который при вращении ротора остается постоянным по величине и направлению. Этот поток за­мыкается, проходя через воздушный зазор между втулкой и ва­лом 3, звездочку 4, воздушный зазор между ротором и статором, магнитопровод якоря 5, крышку 6, толстостенную шайбу втулки.

Путь и направление магнитного потока указаны пунктирной линией и стрелками. Все зубцы роторного, пакета имеют одну по­лярность (в данном случае северную).

В индукторном генераторе обмотка якоря и обмотка возбуждения расположены неподвижно, т. е. не требуют подвижных контактов. Следовательно, индукторные генераторы являются бесконтактными.