Динамо-машины  Электрические машины, экономичность 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 [ 24 ] 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

и ротором i, а i - относительное перемещение выступов винтовы); нарезок на их поверхности), колесо статора 1 начнет поворач, ваться вместе с выходным валом 2 вокруг своей оси с линейной скоростью поверхности полюса, во столько же раз меньшей линей, ной скорости на поверхности ротора 5, насколько приходящее на один оборот ротора смещение выступа винтовой нарезки (щд резьбы) меньше длины окружности ротора 3. Соответственно касательное усилие будет во столько же раз больше касательного усилия на поверхности ротора 3. Отношение угловых скоростей вала 2 колеса статора 1 к угловой скорости вала 4 ротора 3 будет еще меньше отношения упомянутых линейных скоростей (пропорционально отношению радиусов поверхности ротора 3 и поверхности полюсов 10 колеса статора /) и во столько же раз больше момент на выходном валу.

Таким образом, в машине реализуется двойное раздельное движение: статор / осуществляет поворот или медленное вращение вокруг оси 2, перпендикулярной к оси 4 ротора J, совершающего быстрое вращение.

Медленное вращательное движение статора при быстром вращении ротора позволяет существенно уменьшить количество необходимых для осуществления такого привода активных материалов, в частности проводниковой меди, уменьшить габаритные размеры и металлоемкость конструкции, резко снизить шум.

Применение МДД может оказаться особенно эффективным при передаче движения внутрь герметизированного объема; возможно ее использование в качестве генератора, особенно гидрогенератора, с медленным вращением рабочего колеса. Для повышения мощности в заданном габарите возможно помещение нескольких роторов вокруг одного статора.

Рассмотрим еще несколько конструктивных модификаций МДД. Наиболее простой в выполнении и эффективной по полученным характеристикам оказалась машина с медленным поступательным движением статора при быстром вращательном движении ротора [76]. На рис. 4.4 показана принципиальная конструктивная схема (разрез) такой машины, выполненной по типу двухфункциональной машины постоянного тока с возбужденными безобмоточными полюсами, подробно рассмотренной в гл. 3. Двигатель содержит ротор 1, статор 2, направляющие 3, которые расположены на статоре 2. Вал 4 ротора / снабжен радиальными подшипниками и опорно-осевыми подшипниками (на рисунке показаны), препятствующими смещению ротора / вдоль оси вала 4. На статоре 2 размещена обмотка 5 и может быть размещена дополнительная обмотка 6, наматываемая на зубцы статора 2. J

Работает двигатель следующим образом. Обмотка 5 статора выполнена двухфункциональной. Коммутационная система показана на рисунке) подключает секции обмотки 5 к Uf

4.4. Принципиальная конструк-1дая схема МДД с поступательным движением

якорного напряжения и напряжения возбуждения таким образом, что секции, в данный момент находящиеся под полюсом ротора /, выполняют роль якорных, а секции, находящиеся над межполюсным пространством,- роль обмотки возбуждения ротора 1.

При включении ротор 1 начинает вращаться, возникает смещение между выступами винтовых нарезок (на рисунке не показаны) ротора 1 и статора 2 и создается сила, действующая на ротор и статор в осевом направлении. Однако ротор, ограниченный опорно-осевыми подшипниками, не имеет соответствующей степени свободы - перемещение осуществляется статором, снабженным направляющими 3 в сторону, соответствующую при данном наклоне винтовой нарезки направлению вращения ротора. Линейная скорость движения статора 2 буде! во столько же раз меньше линейной скорости окружности ротора, во сколько раз шаг винтовой нарезки меньше длины окружности поверхности ротора, а приводное усилие примерно во столько же раз больше.

В подобной электрической машине двойного движения может laquo;-пользоваться в качестве базовой любая известная электрическая машина. Работать МДД может в любом из известных режимов: двигательном, генераторном, в качестве шагового линейного двигателя, сельсина. На рис. 4.5 фото МДД поступательного движения, выполненной по типу асинхронной машины ферромагнитным Массивным ротором.

Выполнив машину по рис. 4.4 обращенной, т. е. разместив laquo;обмоточные полюса на статоре, а обмотки - на роторе и поместив между ротором и статором герметическую обойму из не-Магнитопроводного материала, можно было бы осуществлять мед- енное безредукторное перемещение рабочего органа в совершен-терметизированном помещении.

Вполне возможно в герметизированной капсуле располагать и Ротор двигателя, изображенного на рис. 4.4. Затруднения с подвоем тока к обмотке возбуждения могут быть предолены приме-нием в качестве этой обмотки кольца сверхпроводящего кабеля

Рис. 4.5. Макетный образец МДД с поступательным движением

С током; если один из полюсов 8 колеса / съемный, то смена таких колец через заданное время не представляет трудностей. Однако самым простым решением и в этом случае будет использование безобмоточных полюсов - либо выполнить обмотку 7 ротора 3 двухфункциональной, как уже указывалось вьшхе, либо использовать принцип подведения к полюсам потока, примененный у машин с когтеобразными полюсами; можно выполнить полюса 8 из постоянных магнитов. Наконец, если выполнить обмотку 7 на жестком каркасе, укрепить этот каркас с помощью отдельных стоек неподвижно и предусмотреть зазор между поверхностью кольца и каркасом обмотки 7, не потребуется щеток и колец для питания этой неподвижной катушки.

Разберем еще некоторые принципиальные варианты выполнения МДД по [78]. Ротор может быть выполнен в виде полого цилиндра, состоящего из не связанных между собой продольных зубцов, мелсду которыми размещены электропроводящие стержни, соединенные по торцам цилиндра электропроводящими кольцами, а в полости ротора размещен неподвижный индуктор с обмоткамн (рис. 4.6).

Электрическя машина содержит полюса 7 и 2 статора, прикрепленные к ободу колеса 3, установленного на валу 4, вращающегося в подшипниках 5. На внутренней поверхности полюсов 1 и нанесена винтовая нарезка 6. На валу 7, неподвижно закрепле* ном в стойках 8 и 9, укреплена внутренняя неподвижная част

общий

Рис. 4.6. МДД с ротором в виде полого цилиндра:

I вид с одним снятым полюсом; б - разрез А ~ А; laquo;-продольный разрез; - полый цилиндр ротора без стержней и замыкающих торцевых колец

машины 10, в пазах которой уложена обмотка , связанна через токоподводы 12, проходящие внутри вала 7 и вдоль стойки 9 с зажимами 13. На обоих концах вала 7 внутри пространства ограниченного стойками 8 ч 9, установлены опорно-осевые под. шипники 14 и 15, на наружные обоймы которых насажен полый цилиндрический ротор 16, состоящий из магнитно не связанных между собой зубцов 17 (сплошных или набранных из магнитопроводящих листов). На наружной поверхности этих зубцов выполнена винтовая нарезка 18, аналогичная нарезке б на полвд. сах / и 2; токопроводящие стержни 19 уложены (например, з. литы) в пространстве между зубцами 17 (в пазах ротора 16) замкнуты с обоих торцов ротора 16 токопроводящими кольца-ми 20 и 21. Выполнение ротора 16 легко осуществить, например, установив в соответствующий кокиль магнитопроводящие зубцы П с наружной винтовой нарезкой 18 и залив кокиль токопроводящим материалом с внутренним и наружным припусками и последующей проточкой по обеим поверхностям ротора 16.

При выполнении наиболее простой модификации предлагаемой машины (асинхронной) полюса / и 2 выполняют роль спинки вторичной машины. При подаче многофазного напряжения к зажимам 13 токи в обмотке создадут вращающийся магнитный поток, проходящий по пути (штрихпунктирная линия на рис. 4.6); внутренняя неподвижная часть машины 10, внутренний воздушный зазор, зубцы 17 полого цилиндрического ротора 16, их выступы винтовой нарезки 18, внешний воздушный зазор, выступы винтовой нарезки 6 полюса (например, полюса /), спинка полюса 1, спинка полюса 2, снова выступы винтовой нарезки б полюса 2, снова внешний воздушный зазор, выступы винтовой нарезки 18, зубцы 17 ротора 16, снова внутренний воздушный зазор и, замыкая путь, снова внутренняя неподвижная часть машины 10.

Взаимодействие вращающегося потока, создаваемого обмоткой 11с токами в короткозамкнутой клетке, образуемой стержнями 19 и замыкающими кольцами 20 и 21, приводит во вращение ротор 16. При этом возникает изменение магнитной энергии W во внешнем воздушном зазоре между выступами винтовых нарезок 1 (ротора 16) и 6 (полюсов 7 и 2) и появляется касательное усилие, пропорциональное dW/dl, где I - относительное смещение упомянутых выступов. Но ротор 16 вдоль своей оси перемещаться не может из-за наличия опорно-осевых подшипников 14 и 15. ПоД воздействием указанного касательного усилия полюса / и 2 начинают перемещаться и поворачивать колесо 3 вместе с рабочие валом 4 в подшипниках 5 с моментом, примерно равным моменту-возникающему на внутренней поверхности ротора 16, умноженному на произведение отношения длины окружности поверхност raquo;* ротора 16 к шагу винтовой нарезки 18 (6) и отношения радиУ колеса 3 к радиусу ротора 16 - это произведение может достигать весьма значительной величины. При необходимости moiH

1 1

установить вокруг колеса 3 несколько роторов 16 с внутренними неподвижными частями 10 и получить требуемый момент в задан-joM габарите.

Аналогично могут быть выполнены модификации машины двойного движения с промежуточным ротором синхронного и звтосинхронного (постоянного тока) типов, в этом случае колесо с прикрепленными полюсами и внутренний статор практически остаются такими же, но полый цилиндр ротора выполняется из шагнитно-разделенных полюсов, на наружной поверхности которых нарезается винтовая нарезка. Полюсы возбуждаются размещенными на них обмотками, и ток возбуждения к этим обмоткам подается с помощью двух колец и щеток либо через кольцевой трансформатор сельсинного типа (при установке на роторе вращающихся выпрямительных элементов), либо (предпочтительней) поток возбуждения подводится к этим полюсам от неподвижных обмоток возбуждения аналогично, например, системе подачи потока в бесконтактном сельсине. Для синхронной машины вывод обмотки внутреннего статора к зажимам производится так же, как и в рассмотренной выше асинхронной машине. Для автосинхронной (постоянного тока) машины отличие состоит только в том, что на зажимы выводятся все коммутируемые секции якоря и на валу внутреннего статора устанавливается датчик положения, управляемый коммутатором, переключающим секции якорной обмотки в функции их положения относительно полюсов ротора. Если при этом установить на якоре так называемую двухфунк-циональную обмотку, у которой коммутатор подключает секции, в данный момент находящиеся против полюсов, к якорной цепи, а секции, находящиеся в межполюсном пространстве, к цепи возбуждения, то отпадает необходимость в размещении обмотки возбуждения на роторе или подведении к его полюсам потока извне.

Преимущества введения промежуточного ротора представляются существенными и в этом случае. Используются традиционные для электромашиностроения основные узлы - фазный ротор асинхронной машины или ротор машины постоянного тока с якорной обмоткой, но без коллектора.

Для синхронной машины снимаются затруднения, которые Могло вызвать применение колец и щеток в якорной цепи, что особенно важно для высоковольтных машин. В модификации с Промежуточным ротором не только сохраняются все достоинства Прямого выхода якорных обмоток во внешнюю цепь, но и возни-ет дополнительная возможность при наличии значительного количества раздельных якорей у одного агрегата включать обмотки

желанию, например последовательно, в целях повышения об- его напряжения.

Для автосинхронной (постоянного тока) машины введение Промежуточного ротора и выполнение якоря неподвижным созда-