Преобразование энергии в электрической машине происходит в пространстве, занятом электромагнитным полем. Части электрической машины, непосредственно предназначенные для энергопреобразовательного процесса, называются активными частями. К ним относятся магнитопроводы, проводники обмоток, промежутки между магнитопроводами и проводниками обмоток.
Однако для того чтобы машина могла осуществлять свое назначение, в ней должен быть предусмотрен еще целый ряд важных деталей, называемых конструктивными частями, которые не принимают непосредственного участия в процессе преобразования энергии. Конструктивные части выполняют в машине следующие функции: придают частям статора и ротора определенное положение в пространстве и обеспечивают (или ограничивают) их необходимые степени свободы перемещения;
передают электрическую энергию от сети к активной зоне машины; передают механическую энергию от активной зоны к сопряженной машине;
осуществляют охлаждение машины;
электрически изолируют витки проводников обмоток друг от друга, от магнитопроводов и конструктивных частей;
защищают активные части машины от повреждений в результате воздействия окружающей среды (влаги, вредных газов, попадания в машину посторонних предметов);
обеспечивают безопасную эксплуатацию машины, предотвращая прикосновение обслуживающего персонала к ее вращающимся или находящимся под напряжением частям;
делают возможным монтаж машины на месте установки.
Рис. 1а. Конструктивная схема электрической машины (продольный разрез)
Характерные части конструктивной схемы электрической машины иллюстрируются рис. 1, на котором представлена явно полюсная синхронная машина. Несмотря на то что рассматриваемая конструкция вполне конкретна, устройство и назначение многих ее элементов характерны для большинства электрических машин вообще.
На рис. 1 изображены активные части машины — обмотка статора 7, обмотка ротора 7, магнитопровод статора 2, магнитопровод ротора, состоящий из сердечников полюсов 3 и ярма В данном исполнении магнитное поле в полюсах 3 и ярме ротора 18 постоянно и не изменяет направления; перемагничивание этих частей отсутствует, и они могут быть сделаны сплошными из цельной стальной заготовки.
В магнитопроводе статора магнитное поле периодически изменяется с частотой сети. В целях уменьшения потерь магнитопровод статора набирается из изолированных листов электротехнической стали, которые плотно сжимаются нажимными гребенками 50, нажимными плитами 4 и шпонками 5, вставленными в кольцевые выточки в станине 48.
Рис. 16. Конструктивная схема электрической машины (поперечный разрез)
Тангенциальные электромагнитные силы, воздействующие на активные части статора, приложены в основном к зубцам статора. Эти силы передаются на фундамент по следующей цепочке сопряженных деталей статора: зубцы статора и ярмо статора 2, шпонка 57, станина 48, лапы станины 19, фундаментные болты 25, фундаментная плита 24, фундамент 20 (электромагнитные силы и силы, передающие внешний момент через фиксирующие детали, показаны на рис. 1 стрелками 54 и 53 соответственно).
Довольно значительные электромагнитные силы (особенно при переходных процессах) воздействуют и на проводники обмоток. Поэтому активные части проводников закрепляются в пазах клиньями 49, а лобовые части крепятся при помощи бандажей или обмоткодержателей.
Тангенциальные электромагнитные силы, воздействующие на активные части ротора, приложены в основном к наконечникам полюсов 3. Фиксация полюсов относительно вала, на который действует внешний момент, уравновешивающий момент тангенциальных электромагнитных сил, осуществляется при помощи хвостового сопряжения 23, ярма ротора 18 и шпонки 16.
В фиксации активных частей ротора в осевом направлении принимают дополнительное участие: накладки 26, препятствующие смещению выступов хвостов во впадинах 23, а также кольцевая шпонка 15. Правильное положение оси ротора в пространстве и возможность его поворота относительно статора обеспечиваются при помощи осевых и радиальных опор. Последние выполнены в данной конструкции в виде роликовых подшипников 13,29, укрепленных в подшипниковых щитах 6, 46 при помощи крышек 14,12.
Вес ротора передается на фундамент через подшипниковые щиты б, 46 и станину 48, к которой щиты прифланцованы. К силе веса ротора добавляется сила веса статора (эти силы показаны на рис. 1 стрелками 22).
Направления вращающих моментов, сил и потоков мощностей соответствуют при принятом направлении вращения ротора П режиму генератора. Потоки мощностей показаны стрелками 41.
Передача механической мощности Рмех (направление потока которой показано стрелкой 41) от двигателя, сопряженного с генератором, к активным частям ротора происходит через ряд механически напряженных вращающихся деталей. От полумуфты 9 через шпонку 10 поток механической мощности поступает в вал 17, далее через шпонку 16 передается к активным частям ротора: далее к магнитному ярму ротора 18, хвостовому сопряжению 23 и полюсам 3, к которым приложены в основном электромагнитные силы, показанные на поперечном разрезе стрелками 54.
Поток электромагнитной мощности Р' передаваемый через зазор между магнитопроводами, направлен от ротора к статору.
Передача электрической мощности от катушек обмотки статора 1, располагающейся в пазах статора 2, производится через выводы 47, выводные зажимы 44 и кабели 40.
Электрическая энергия к катушкам обмотки ротора 7 поступает по кабелям 28 через проводящие сегменты 30, выводные канатики 38 щеток 37, имеющих возможность перемещаться в щеткодержателях 36, контактные кольца 32, выводные контакты колец 33 и выводы 27, пропущенные через отверстие в валу (сегменты 30 крепятся через изолирующие детали на траверсе 39; кольца насаживаются на втулку 34, изолированную цилиндром 35).
Потери I.P, выделяющиеся в машине в виде тепла, удаляются из нее потоком охлаждающего воздуха, направление движения которого показано стрелками 52. Напор, необходимый для создания циркуляции охлаждающего воздуха, образуется осевым вентилятором 42. Воздух попадает в машину через отверстия в подшипниковом щите 46, проходит через направляющий кожух 43, захватывается вентилятором и, пройдя через каналы в активных частях, выбрасывается из машины через отверстия в подшипниковом щите 6 и жалюзи в щитке 8.
Специально предусмотренные щитки и короба (8, 45, 31, 11) выполняют в машине двойные функции: предотвращают попадание в машину посторонних предметов, капель воды и исключают возможность прикосновения обслуживающего персонала к ее вращающимся и неизолированным токоведущим частям.
Кроме того, для безопасной эксплуатации корпус электрической машины должен быть надежно заземлен при помощи болта 21, исключающего возможность поражения током при прикосновении к машине с нарушенной изоляцией.
Наконец, в конструкции машины должен учитываться способ ее монтажа на месте установки. В частности, должны быть предусмотрены выступы, к которым крепятся подъемные средства. На рис. 1 для этой цели служат скобы 55.
Представленная здесь типичная конструкция сохраняется в основных чертах во всех вращающихся электрических машинах независимо от их принципа действия; изменяются лишь конфигурация магнитопроводов и схемы обмоток статора и ротора (конструкция различных типов электрических машин рассматривается детально в соответствующих разделах).
Устройство и размеры активных и конструктивных частей определяются способом охлаждения, способом защиты от воздействия окружающей среды, расположением оси вала и т.п.
Конструкция активных и конструктивных частей машины должна быть выбрана таким образом, чтобы она удовлетворяла техническим требованиям и могла надежно работать во всех режимах, для которых она предназначена.
