Стартовая >> Оборудование >> Эл. машины >> Использование постоянных магнитов для улучшения аксиальных индукторных машин

Использование постоянных магнитов для улучшения аксиальных индукторных машин

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК АКСИАЛЬНЫХ ИНДУКТОРНЫХ МАШИН
Ю. Н. КРОНЕБЕРГ, канд. техн. наук

Аксиальные индукторные (пульсационные) машины (АИМ) чаще всего применяются в качестве источников питания повышенной частоты с регулируемым (стабилизированным) напряжением [1, 2]. Они просты и надежны (рис. 1, а), однако из-за отсутствия половины полюсных выступов (рис. 1, б) и расположения обмотки возбуждения (ОВ) вне полюсной зоны магнитная индукция воздушного зазора В6 пульсирует, не меняя знака (рис. 1, в), и поэтому полезная э. д. с., пропорциональная первой гармонике индукции Βι, наводится только в половине проводников обмотки якоря, а в остальных пазовые потоки индуктора наводят встречную паразитную э. д. с. В итоге по сравнению с альтернативными (переменно-полюсными) машинами в АИМ объем якоря значительно больше, а наличие осевых магнитопроводов, масса которых достигает 30—60 % общей массы, дополнительно снижает использование машины.
Успехи в разработке постоянных магнитов (ПМ), в частности редкоземельных, открывают новый подход к улучшению удельных показателей АИМ. Подобно тому, как в свое время стала возможной замена обмотанных полюсов радиальными ПМ, так полюсные выступы из современных ПМ в ряде случаев уже могут обеспечить магнитный поток не ниже, чем создает ОВ в зубцах ротора АИМ.
полюсная система  и поле воздушного зазора аксиальной  индукторной машины
Рис. 1. Общий вид (а), полюсная система (б) и поле воздушного зазора аксиальной (в) индукторной машины
Причем источниками м. д. с. в этом случае являются сами выступы, что заметно улучшает использование магнитного потока, который во впадинах резко снижается и даже может изменить знак. Кроме того, полюсные выступы можно выполнить с разной полярностью, уменьшив тем самым осевой поток.
Однако АИМ, став магнитоэлектрической, теряет важное свойство — регулируемость. Поэтому, например, для источников питания предпочтительнее вариант с комбинированным возбуждением (КВ), когда сохраняется ОВ вместе с частью зубцов и осевыми магнитопроводами уменьшенного сечения. Выбор структурного построения таких машин во многом зависит от числа полюсов 2р, полюсного деления т и требований к регулированию напряжения. Последние достаточно полно характеризуются необходимым диапазоном изменения э. д. с. холостого хода, который удобно оценивать относительной величиной
где В10, В1 — первые гармоники индукции, соответствующие э. д. с. Е0, Е при отключенной ОВ и при ее номинальном токе.
Рассмотрим наиболее рациональные варианты полюсных систем. Когда полюсное деление τ велико (более 20—35 мм) и необходим относительно широкий диапазон регулирования(А=30-:-50 %), лучше всего между зубцами ротора 1 (рис. 2) установить ПМ 2 противоположной полярности, что соответствует одному из вариантов машин КВ альтернативно-пульсационного типа [2, 3].

Полюсная система альтернативно-пульсационной машины
Рис. 3. Полюсная система альтернативно-пульсационной машины с усиленной магнитоэлектрической частью и поле воздушного зазора при отключенной ОВ (а) и при номинальном токе ОВ (б)

Рис. 2. Полюсная система и поле воздушного зазора альтернативно-пульсационной машины при отключенной О В (а) и при номинальном токе О В (б)

Рис. 4. Полюсная система машины с магнитоэлектрической частью и поле воздушного зазора при отключенной О В (а) и при номинальном токе О В (б)

Их принцип действия ясен из рис. 2, а и б. При мощностях до нескольких десятков киловатт они по удельным характеристикам значительно превосходят АИМ и вполне сопоставимы с любыми бесконтактными машинами, но отличаются простотой конструкции и экономичным регулированием, причем в однопакетных машинах Δ=35-Μ5 в двухпакетных Δ=40-:-55 %.
Такие диапазоны, например для источников питания со стабильной частотой вращения, обычно избыточны, и часть зубцов 1 (рис. 2) можно заменить ПМ 1 той же полярности (рис. 3), сохранив при этом все ПМ 2 противоположной полярности. При отключенной ОВ (рис. 3, а) потоки разноименных ПМ частично замкнутся по спинкам индуктора и якоря, разгружая осевые магнитопроводы, а при номинальном токе ОВ поле примет обычный вид (рис. 3,6).
При меньших τ (15—25 мм) выполнить полюсную систему по рис. 2 или 3 уже затруднительно, но разноименные ПМ еще можно разместить на расстоянии τ. В этом случае окружность индуктора целесообразно разбить (рис. 4) на ряд чередующихся участков двух типов (1, 2) и на первых сосредоточить одноименные зубцы 3, а на вторых — разноименные ПМ 4 и 5. По удельным характеристикам такие машины, принцип действия которых ясен на рис. 4, а. б, занимают промежуточное положение между альтернативными магнитоэлектрическими машинами и АИМ.
В случае еще меньших τ (10—15 мм), когда невыгодно устанавливать полюсные выступы на расстоянии, меньшем 2т, изменением структуры можно добиться только снижения потока и сечения осевых магнитопроводов [5]. Для этого полюсную систему (рис. 5) нужно разбить на участки типа 1 и 2 и сосредоточить на первых зубцы 3 и ПМ 4 одной полярности, а на вторых — ПМ 5 противоположной полярности. Число зубцов 3 должно соответствовать заданному Δ, а число ПМ 4 и 5 выбирается из условия минимизации сечений осевых магнитопроводов. Иными словами, нужно стремиться, чтобы осевые потоки, соответствующие э. д. с. Е0 и Е, были близки по абсолютным значениям, но противоположны по направлению.


Рис. 5. Полюсная система АИМ с разноименными полюсными выступами и поле воздушного зазора при отключенной ОБ (а) и при номинальном токе ОБ (б)

Если удается обеспечить такой реверс потока, то сечения осевых магнитопроводов снижаются до значения, пропорционального Δ/2, компенсируя, часто с избытком, уменьшение общего числа полюсных выступов, обусловленное увеличенным пространственным сдвигом между выступами (до 3τ) на границах участков 1 и 2 (рис. 5). Например, при полюсной системе согласно рис. 5 приведенная масса машины КВ будет на 20—40 % меньше, чем у АИМ.
В случае предельно малых τ (менее 10 мм) выполнять полюсные выступы в виде отдельных брусков из ПМ (рис. 5) нерационально, так как ухудшаются их удельное использование и технологичность. Более приемлем видоизмененный вариант (рис. 6). Подобно показанной на рис. 5, полюсная система разбивается на участки 1 и 2, причем зубцы 3 имеют обычную конструкцию, а все отличие — в магнитоэлектрической части. Ее одноименные полюсные выступы 4 и 5, принадлежащие участкам 1, объединены магнитомягкими гребенками 6 и 7, одноименные выступы 8, принадлежащие участкам 2,— аналогичными гребенками 9. Между гребенками 6,7,9 и ярмом 10 установлены соответствующим образом намагниченные ПМ 11, 12 и 13.
Полюсная система АИМ с разноименными гребенчатыми полюсными выступами
Рис. 6. Полюсная система АИМ с разноименными гребенчатыми полюсными выступами.

Такая конструкция при малых τ технологичнее, обеспечивает хорошую концентрацию магнитных потоков ПМ, но в отличие от представленной на рис. 5 пазы гребенок, как и пазы индукторов обычных АИМ, имеют одинаковый со своими зубцами магнитный потенциал, что ухудшает использование магнитного потока.
Таким образом, анализ вариантов систем КВ показывает, что при наличии ПМ, которые в равном объеме могут обеспечить эквивалентную по полезному магнитному потоку замену зубцов АИМ, имеется возможность, сохраняя необходимый диапазон регулирования выходного напряжения, существенно повысить удельные характеристики машины. Конструктивно это связано с переходом к КВ при размещении ПМ в полюсной зоне индуктора либо в виде одиночных полюсных выступов, либо в виде общего для ряда одноименных зубцов источника м. д. с. При относительно больших τ (15—35 мм) удельные характеристики машины можно улучшить одновременным действием трех факторов: увеличить общее число полюсных выступов индуктора, улучшить использование магнитного потока двойного полюсного деления (на всей окружности индуктора или ее части) и, наконец, уменьшить сечение осевых магнитопроводов (рис. 2—4). При меньших τ (10—15 мм) остаются два последних фактора, а при предельно малых τ (менее 10 мм) — только последний.
В целом изложенное свидетельствует о перспективности предложенного направления усовершенствования
АИМ, способствующего созданию высокоиспользованных регулируемых источников питания повышенной частоты.

Список литературы

  1. Альпер Н. Я., Терзян А. А. Индукторные генераторы. М.: Энергия, 1970.
  2. Домбур Л. Э. Аксиальные индукторные машины. Рига: Зинатне, 1984.
  3. Кронеберг Ю. Н. Классификация регулируемых электрических машин альтернативно-пульсационного типа // Электротехника. 1986. № 6.
  4. А. с. 877721 СССР. Синхронная машина / Ю. Н. Кронеберг // Открытия. Изобретения. 1981. № 40.
  5. А. с. 890526 СССР. Индукторный генератор / Ю. Н. Кронеберг // Открытия. Изобретения. 1981. № 46.
 
« Исполнения электрических машин по уровню шума   Испытание активной стали статора »
электрические сети