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

ричной обмоткой кольцевого трансформатора, выполненной в виде кольца, индуктивно связанного с неподвижной первичной обмот кой.

Такое выполнение двигателя позволяет обеспечить полную бесконтактность, снизить вес и момент инерции ротора, повысить надежность и уменьшить намагничивающий ток в неподвижной обмотке возбуждения.

Магнитолрород трансформатора может быть совмещен с маг нитной системой статора, причем стенка статора магнитно связана с тороида-1ьными сердечниками и к одному из сердечников приле гает первичная обмотка трансформатора.

Магнитопровод трансформатора может состоять из двух рядом расположенных тороидов, между которыми установлена первичная обмотка, а вторичная обмотка соединена с обмоткой возбуждения

через перемычки, проходящие через кольцевой зазор, выпол пенный в одном из тороидов, На рис. 2.4 дана схема они сываемого двигателя. Статор I двигателя имеет две обмотки - якорную обмотку постоянного тока и трехфазную обмотку] синхронизации переменного тока. Дополнительный тороид 2 служит для замыкания магнит ных потоков, а осевой магнитопровод 3, боковые тороиды и обхватывающие наружные магнитопроводы 5, являющиеся! Одновременно и наружнымй крышками двигателя,- для за мыкания переменного магнит ного потока, создаваемого ка тушкой возбуждения 6. Статор боковые и дополнительный тороиды набраны из разрезны: листов стали (разрезы веерн(; смещены относительно дрУ друга). Ротор 7 крепят на осе вом магнитопроводе 3 при пс мощи подшипников 8, сепа торы которых выполнены ра резными или из неэлектропр

б) 11

Рис. 2.4. Схема конструкции двигате-* а - продольный разрез и схема соедИ нии; б - электрическая схема обм raquo; ротора

водного материала. В витке (или витках) 9 переменным магнитным потоком, проходящим через магнитопровод 3, наводится ЭДС, которая при помощи выпрямителя 10 создает постоянный ток возбуждения в проводах (стержнях или полюсах) . Провода (или стержни) 12 обмотки переменного тока соединены непосредственно с витком (витками) 9.

Двигатель работает следующим образом. Постоянный ток при помощи щеток 13 и колец И подается на подвижные щетки 15, скользящие по вынесенному неподвижному коллектору 16, который кабелем /7 соединен с обмоткой 18 якоря двигателя. Поток возбуждения при помощи катушки возбуждения 6, магнитопрово-доБ 5 и 5, тороидов 4, витков 9, проводов II и выпрямительного мостика Ю вводится в двигатель. Взаимодействие потока возбуждения и тока якорной обмотки создает вращающий момент, который передается нагрузке при помощи шестерни, насаженной на торец 19 ротора, и шестерни 20. Щетки 15 вращаются по коллектору синхронно с вращением ротора при помощи сельсина-двигателя, обмотка синхронизации которого кабелем 21 связана с обмоткой 22 переменного тока, расположенной в тех же пазах, что и обмотка якоря двигателя, ЭДС синхронизации в этой обмотке создаются потоком от переменного тока в проводе 12, причем значения этих ЭДС в точности соответствуют положению ротора в каждый момент. Ротор описываемого двигателя имеет малый момент инерции, что позволяет уменьшить время разгона, остановки и реверса двигателя.

Широко применяемые быстродействующие асинхронные электродвигатели с полым ротором, обладающие высокой динамической добротностью, могут, таким образом, быть дополнены близкими по типу синхронными двигателями и двигателями постоянного тока.

-Пегко показать, что машины с полым токопроводящим ротором могут обеспечить весьма малые значения электромеханической постоянной времени Г ; любопытно, что при этом, если принять в качестве параметра линейную скорость на поверхности ротора vii=(oor и удлинение полого цилиндра ротора К=1/г, значение

не будет зависеть от радиуса машины, а только от принятого значения vo, толщины полого ротора А, плотности материала ротора у и удельного усилия F.

Действительно, Г = моЛ/Мпр, но wo == vo/r; искомый момент инерции полого тонкого цилиндра Л=у-( h+вн), где г - наружный, а г внутренний радиусы полог Ь цилиндра.

Примем J, = mr\ где г=г а т=у211г1А=у2КлгА; У,= У2Кпг\ (2.5)

При принятых допущениях получаем завышенное значение ента инерции J - для компенсации неучтенных моментов РЦии вала ротора и элементов крепления полого цилиндра на

laquo;anv как показывают расчеты конкретных машин, при достаточно Еших значениях удлинений К такие допущения не дают значи-тельных погрешностей. Момент

M ==F2nrlr=F2Knr\

Постоянная времени

(2.6) (2.7)

Для низкоскоростных двигателей безредукторного электропри. вода значение vo намного меньше, чем у высокоскоростных машин соответственно меньше и их электромеханическая постоянная времени Г . Но и для относительно высокоскоростных машин, например, при vo = 30 м/с, у =2,8-10 кг/м (алюминий) \ А =10 м имеем при F=1,5-10 Н/м (у машин с полым ротором значение удельного усилия ниже, чем у традиционных машин) Г = 5,6-10 с г6-10 с - вполне удовлетворительное значение.

Для сравнительного анализа представляет интерес вопрос на дежности редукторов. Во ВНИИ редуктор проведен обстоятельный анализ срока службы изделий, комплектуемых редукторами. Построенная на основе этого анализа гистограмма (рис. 2.5) позво-

тыс.иЩ

т zoo

115 75 Ь 50 25

2,07

11,07

10,5

16,6

11

9,4 Б

8,64-

f,76

1,07

г,дг

До та 5000

юоаа

30000 5000 Сб 50000

га ООО

Срок cjiy gt;t lt;Sbi,4 Рис. 2.5. Гистограмма срока службы редукторов

ляет предположить одномодальную кривую, не слишком отличающуюся от усеченного нормального распределения срока службы с модой и медианой в точке, примерно соответствующей 10 ООО ч.

2 2. НИЗКОСКОРОСТНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

Значительное увеличение числа полюсов для крупной машины хоть и не слишком выгодно, но, как правило, выполнимо. Для малой машины обычной конструкции это практически невыполнимо: при диаметре расточки статора, например, в 100 мм у 60-по-люсной машины имело бы место полюсное деление т ж 5 мм.

Кроме того, даже быстроходная малая машина имеет в несколько раз большую удельную массу, чем более крупная. Так, машина АОЛ-31 мощностью 0,6 кВт при частоте вращения 2950 об/мин (М = 1,94-10 кН-м) имеет массу 12,5 кг и т = = 6185 кг/(кН-м), а машина А101-2 мощностью 160 кВт при той же частоте вращения (Л/=0,52 кН-м) имеет массу 1020 кг, т. е. ш = 1960 кг/(кН-м) -в 3,3 раза меньше. Однако нужны низкоскоростные машины и малой мощности; необходимы, конечно, и микродвигатели. Соответственно широка классификация таких, машин. Укрупненно ее можно представить в следующем виде.

1. Многополюсные машины:

1.1.- обычной конструкции (подробно здесь не рассматриваемые) ;

1.2.- laquo;гребенчатой raquo; конструкции (подробно рассмотренные в гл. 3);

1.3.- тороидальной конструкции с кольцевой обмоткой (рассмотренные ниже в данном параграфе);

1.4.- асинхронные и синхронные микродвигатели с дробными обмотками (рассмотренные ниже).

2. Индукторные машины (рассмотренные ниже): 2.1.- одноименнополюсные;

2.2.- разноименнополюсные;

2.3.- двойного питания - двухобмоточные и однообмоточные.

3. Специальные бесколлекторные двигатели с электронным коммутатором (рассмотрены ниже).

4- Двигатели с катящимся ротором. Волновой laquo;респонсинный raquo; привод (рассмотрены в sect; 2.3).

- Информационные многополюсные машины - двухотсчетные зредукторные бесконтактные сельсины (рассмотрены ниже).

Рассмотрим возможности создания многополюсных машин малой мощности при конструктивных решениях, отличающихся от обычных.

по ание кольцевой обмотки и тороидального статора волило получить в малых габаритных размерах многополюсную тему статора, снизить частоту вращения ротора и создать

плоские электродвигатели, осевая длина которых меньше диаметра [41].

Кольцевая обмотка позволяет воспользоваться наиболее простым из способов понижения скорости вращения - созданием многополюсной обмотки в виде тороида с беспазовым вьшолнением статора.

Максимально возможное число полюсов, которое можно полу, чить, например, при внутреннем диаметре обычного статора 12 мм, равно 8, в то время как при использовании тороидальной обмотки с беспазовым тороидом при таком же диаметре тороида можно получить число полюсов, равное нескольким десяткам. Конструкция торцевого двигателя с возбуждением от постоянных магнитов показана на рис. 2.6 [41]. Постоянный магнит / разделен на две части, каждая из которых расположена на оси между парой дисков 3, 4 raquo; 5, 6. Зубцы 3 и 4, а также 5 и сдвинуты между собой на угол 180/р эл. град. Пластины 4 6 плоские, а пластины J и 5 фигурные. При такой схеме посто янная составляющая индукции в воздушном зазоре отсутствует, так как с обеих сторон тороида имеются полюсы южной и северной полярности. Высшие гармоники при этом незначительны Двигатели с постоянными магнитами питаются либо от источ ника синусоидального сигнала, либо однополярными и разно полярными прямоугольными сигналами. Двигатели рассчитыва

ются на самозапуск.

Для обеспечения однонаправленного движения на оси двигателя помещают храповой механизм. По изложенному принцип; выполнен двигатель с числом полюсов 2р = 72, имеющий наруж ный диаметр 30 мм и длину 8 мм. Возможно и обычное выпол нение тороидальных двигателей. На рис. 2.7 показана соответству ющая принципиальная конструктивная схема для многополюсноп асинхронного тороидального двигателя с полым ферромагнитнь raquo; ротором 2, устанавливаемым на оси 3, привода мым во вращение магнитным полем, создавае мым кольцевой обмоткой 4, намотанной тороид /.

В монографии [41] приводится теоретич ский анализ таких машин, даются рекоменд; ции по определению их основных размере! исследуется индукция в их воздушном зазои в диапазоне мощностей I -10 Вт это 0,3! 0,4 Тл для асинхронных машин и 0,1-0,35 * для гистерезисных. Интересно сравнение одно из исследованных тороидальных двигателей обычным гистерезисным двигателем Г-31. П! практически одинаковом объеме тороидальН

Рис. 2.6. Торцевой тороидальный двигатель

Рис. 2.7. Многополюсный тороидальный двигатель

Рис. 2.8. Характеристики макетного образца

МОЩНОСТЬ

двигатель создает равную с обычным гистерезисным (4 Вт) при вдвое более низкой скорости; лишь энергетический фактор меньше tj cos ф= 0,068 у тороидального двигателя против 0,09 у Г-31.

Асинхронный тороидальный двигатель с массивным ферромагнитным ротором и ферритовым тороидом относительно несложен в изготовлении, но имеет невысокие показатели, что видно из характеристик такого маломощного двигателя (рис. 2.8): Р = = 0,125 Вт и Г) =0,04 при объеме 45 см; если предположить среднюю плотность машин 7=4 кг/дм, то ее масса должна составить около 0,18 кг, что соответствует удельной массе т = = 1440 кг/кВт - много, но не чрезмерно, для столь малой мощности. Потребляемая мощность двигателя Pi =3 Вт. Ряд тихоходных электродвигателей малой мощности исследован в работах П. Ю. Каасика [33, 34], главным образом в части многополюсных асинхронных и синхронных микродвигателей с дробными обмотками. Результаты опытного исследования характеристик макетные образцов приведены в табл. 2.3. Не рассмотрены массогабаритны показатели, они не очень характерны для микродвигателей полезной мощностью в несколько ватт.

Исследовался также субсинхронный реактивный двигатель. Этот двигатель имеет статор, в открытые пазы которого уложена многофазная обмотка, и зубчатый ротор. В открытые пазы ротора может быть уложена фазная или короткозамкнутая пусковая обмотка, имеющая сравнительно большое активное сопротивление.

При выборе числа пазов ротора по формуле

1ые с

ротор б р = с + 2р (2.8)

ора с чя? вращаться в сторону основной гармоники поля ста-ч1ст0т0и вращения

(2.9) 43