В СССР осуществляется плановое развитие всех отраслей промышленности, ее автоматизация, внедрение новых машин и электроприводов. Развитие современной техники и автоматизации производственных установок привело к появлению целого ряда новых конструкций электрических машин специального назначения, работающих при высокой частоте тока. Особенно следует отметить расширяющееся применение сверхвысокоскоростного электропривода. Во многих случаях высокие скорости являются необходимым условием нормального технологического процесса.
В настоящее время появилось много новых конструктивных форм так называемых бесконтактных (без скользящего контакта) машин, в том числе различные модификации индукторных машин, работающих как в синхронном, так и в асинхронном режимах, а также машины с ферромагнитными роторами.
За последние годы получили развитие высокочастотные асинхронные электродвигатели, которые применяются для внутришлифовальных станков, различного рода центрифуг в химической и медицинской промышленности, в качестве гиродвигателей в авиации и на судах, в схемах высокоскоростного автоматизированного электропривода с частотой вращения до 150-103 об/мин, с частотой тока до 2 500 Гц, а для микрокриогенной техники и для шлифовальных станков уже необходимы машины с частотой вращения до (300—600) · 103 об/мин, с частотой тока 5—10 кГц.
Такие электродвигатели изготовляются в СССР и за границей.
Однако при питании установок от источников тока высокой частоты нередко требуется иметь также пониженные скорости вращения механизмов. Применение в этом случае механических редукторов нежелательно из-за снижения надежности и срока службы, а также повышенного шума. Этих недостатков в значительной мере лишены тихоходные асинхронные индукторные двигатели (АИД) с магнитной редукцией скорости. В асинхронных индукторных двигателях отсутствуют обмотки и контактные кольца на роторе, поэтому они имеют преимущество при использовании в специальных условиях окружающей среды: в жидкостных, агрессивных, радиоактивных средах и в вакууме; они более выгодны по массе и сроку работы, чем асинхронные двигатели обычной конструкции с механическими редукторами.
Кроме того, в АИД возможно бесконтактное плавное регулирование скорости вращения ротора путем изменения параметров вторичного контура с помощью управляемого магнитного усилителя.
Первое упоминание в печати о принципиальной возможности создания АИД было сделано в патенте фирмы AEG в 1933 г. [Л. 64].
Исследование индукторной машины без обмоток на роторе (без контуров тока на роторе) в асинхронном режиме работы было впервые осуществлено советскими учеными Г. И. Штурманом и Η. Н. Левиным [Л. 58]. Для этой цели ими была взята индукторная машина с обмоткой, имеющей шаг, равный двойному зубцовому делению статора.
В 1962 г. в МЭИ коллективом авторов [Л. 11] был создан новый тип АИД, существенно отличающийся по конструкции обмоток от двигателя, описанного в [Л. 58].
Асинхронный индукторный двигатель, созданный в МЭИ, выполнен на базе обычной асинхронной машины, вторичная трехфазная обмотка которой перенесена с ротора на статор и выполнена с другим числом полюсов, чем первичная статорная обмотка. Результаты испытания АИД были сообщены на научно-технической конференции по бесконтактным машинам в г. Риге [Л. 11]. Исследования АИД различных конструкций в настоящее время проводятся в Москве, Риге, Киеве, Воронеже и др. Значительный вклад в развитие теории индукторных двигателей, работающих на зубцовых гармониках магнитного поля, сделали А. С. Куракин и Ф. М. Юферов [Л. 69].
С теоретической точки зрения АИД представляет собой реальную обобщенную электрическую машину, которая может работать не только в асинхронном режиме, как двигатель, генератор, индукторный преобразователь частоты, но и в синхронном режиме при питании постоянным током одной из обмоток статора [Л. 11]. Исследования такой машины в асинхронном режиме позволяют выяснить целый ряд закономерностей, относящихся и к асинхронным машинам обычной конструкции, в частности влияние емкостного сопротивления, включенного последовательно во вторичную обмотку, на токи и электромеханические характеристики в установившемся и переходном режимах; влияние зубцовых магнитных полей на характеристики и др.
В настоящее время получили широкое применение источники питания высокой частоты большой мощности в основном двух видов: вращающиеся электромашинные высокочастотные генераторы индукторного типа и статические преобразователи частоты на полупроводниковых элементах. Электромашинные индукторные генераторы широко применяются для индукционного нагрева металлов; в качестве возбудителей синхронных машин (питание обмотки возбуждения через полупроводниковые выпрямители); в качестве источников питания сверхвысокоскоростных электродвигателей; в современной вычислительной технике.
Конструктивные формы высокочастотных вращающихся электрических машин в настоящее время весьма разнообразны и многочисленны. Однако их можно разделить на две группы: 1) с зубчатой поверхностью, ротора и 2) с гладкой поверхностью ротора. По этой конструктивной особенности в первую группу объединены все электрические машины индукторного типа с возбуждением либо постоянным током (генераторы и асинхронные муфты скольжения), либо переменным током (АИД, асинхронные преобразователи частоты).
Высокая частота тока обусловливает специфику конструкции таких машин, их параметров и характеристик. Общим конструктивным признаком электромашин индукторного типа является наличие зубчатого воздушного зазора.
Асинхронный двигатель индукторного типа без обмоток на роторе органически сочетает в себе свойства как асинхронной, так и индукторной электрических машин. Наведение э. д. с. в одной из обмоток индукторной машины осуществляется зубцовыми гармониками магнитного поля.
Высокочастотные вращающиеся электрические машины, рассмотренные в данной книге, можно подразделить на две группы: машины индукторного типа без обмоток на роторе; машины с контурами тока на роторе. Первая группа машин выполняется с зубчатой поверхностью ротора; вторая — с гладкой поверхностью ротора. По указанным признакам составлена классификационная схема таких машин (рис. В-1).
Развитие и расширяющееся применение высокочастотных машин привело к появлению целого ряда новых конструктивных форм, к эволюции известных конструкций. В книге «Проектирование электрических машин» проф. И. М. Постников пишет: «Нельзя считать, что установившиеся формы электрических машин не подлежат изменению и что методы расчетов всех машин являются вполне удовлетворительными. Требуются дальнейшее развитие и обобщение этих методов» [Л. 76].
Выскочастотные машины по своей специфичной конструкции, параметрам и характеристикам отличаются от общепромышленных машин на частоту 50 Гц. Проектирование высокочастотных машин должно осуществляться с учетом взаимосвязи электромагнитных и прочностных факторов, системы охлаждения и подшипниковых узлов. Особенности расчета высокочастотных сверхвысокоскоростных машин не отражены в книгах по проектированию электрических машин общего применения.
Теория электрических машин исторически формировались отдельно для каждого вида машин по мере их конструктивного развития и внедрения в промышленность.
На современном этапе появилась необходимость в уточнении, дополнении и развитии теории электрических машин применительно к новым высокочастотным машинам.
В настоящее время должна вестись работа в направлении обобщения теории различных типов машин. На новую тенденцию в развитии науки об электрических машинах справедливо указывает член-корр. АН СССР, проф. Г. Н. Петров: «Характерным для развития теории электрических машин и, в частности, асинхронных машин в последние годы является стремление к максимальному ее обобщению».
Электрическая машина представляет собой сложный объект для исследования. В ней взаимосвязаны магнитные и электрические явления, которые обусловливают ее параметры, ее характеристики при данной выбранной конструкции и частоте тока. Особенно много за последнее время появилось работ, в которых рассматриваются переходные и установившиеся режимы работы вращающихся машин [Л. 28—35]. В указанных работах вращающаяся электрическая машина рассматривается как система магнитносвязанных контуров, перемещающихся относительно друг друга, для которых составляется система линейных дифференциальных уравнений. Метод Крона, где используется теория тензоров не получил в современной практике распространения, однако его идея обобщенной электрической машины получила признание. В вышеуказанных трудах используется матричная алгебра, система линейных дифференциальных уравнений, уравнения в комплексной форме. Однако любая электрическая машина настолько сложна, что невозможно решить многие задачи без применения ряда допущений, пренебрежений, идеализаций. Поэтому в вышеуказанных трудах по современной теории электрических машин применены допущения, в частности реальная зубцовая зона заменяется идеализированными поверхностями, реальные m-фазные обмотки — двухфазными синусными обмотками. При этом сокращается число дифференциальных уравнений, описывающих явления в машине.
Введение комплексных обобщенных величин приводит к дальнейшему сокращению числа уравнений, облегчает их решение.
Совмещение пространственных координате комплексной плоскостью позволяет ввести обобщенные векторы токов, потокосцеплении, напряжений.
В книге рассмотрены методы определения магнитных проводимостей и полей в воздушном зазоре применительно к машинам индукторного типа, включая учет кривизны поверхности расточки статора и ротора. В качестве математического аппарата используется метод конформных преобразований с экспериментальной проверкой па вращающейся модели и электропроводящей бумаге. На базе уравнения магнитного поля аналитическим путем найдены значения параметров АИД в асинхронном режиме работы, дана универсальная схема замещения АИД и уравнения для коэффициентов приведения, построены в комплексной плоскости диаграммы — годографы токов при роторах различной конструкции. На аналоговых вычислительных машинах решен ряд задач для индукторных высокочастотных двигателей с конденсаторами во вторичной обмотке. Даны характеристики и конструкции основных высокочастотных машин, рассмотрены вопросы, касающиеся их проектирования и эксплуатации. Наряду с высокочастотными машинами с цилиндрическим ротором в настоящее время появились новые электрические машины с дисковым безвальным ротором. Можно уже сейчас назвать три области применения таких машин: криогенные электротурбодетандеры с газовой турбиной, совмещенной с ротором как одно целое; привод электроверетен прядильных текстильных машин; электроцентрифуги. Конструктивные особенности таких машин также рассмотрены в книге.
Индукторные машины в настоящее время используются в качестве генераторов, тахогенераторов, вращающихся индукторных преобразователей, точных датчиков угла поворота в следящих автоматических системах, а также в качестве индукторных двигателей, работающих в асинхронном и синхронном режимах. Высокая частота и сверхвысокие частоты вращения обусловливают конструктивные особенности указанных выше машин и специфичность их электромеханических характеристик, особенности электромеханических и электромагнитных расчетов.
В книге приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований, конструкции современных высокочастотных машин.
