Бесконтактная синхронная машина комбинированного возбуждения Текст научной статьи по специальности «Физика»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

г

Том 228

1974.

БЕСКОНТАКТНАЯ СИНХРОННАЯ МАШИНА КОМБИНИРОВАННОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Ю. И. КРОНЕБЕРГ

(Представлена научно-техническим семинаром кафедры электрооборудования АЭМФ)

Для удовлетворения постоянно растущих требований к качеству выходных параметров машины с постоянными магнитами должны иметь эффективные методы регулирования. Основные перспективы здесь связаны с совершенствованием известных [1, 2, 3] и разработкой новых машин, где удачно сочетались бы достоинства электромагнитного и магнитоэлектрического возбуждения.

По нашему мнению, к ним относится и синхронная машина (рис. 1), часть полюсов которой возбуждается магнитом-звездочкой, а остальные— обмоткой, расположенной на внешнем магнитопроводе [4]. При этом порядок чередования северных и южных полюсов сохраняется не только в целом, по и для каждой системы — электромагнитной и магнитоэлектрической — в отдельности. Когда обмотка возбуждения выключена, э. д. с. наводится практически только в проводниках последовательной обмотки якоря, расположенных против магнитов (рис. 2). С увеличением тока возбуждения поток когтеобразных полюсов увеличи-

1 г з н 5 6

Рис. 1. Бесконтактная синхронная машина. 1 — якорь, 2 — ярмо, 3 — боковой магнито-провод, 4 — обмотка возбуждения, 5 — ког-теобразный полюс, 6— магнит

вается, и соответственно возрастает э. д. с. Как видно из осциллограмм, в поле содержатся низшие гармоники (в данном случае порядка 1/3), однако они не наводят э. д. с. благодаря последовательному соединению катушечных групп.

В первом приближении можно считать, что потоки магнита и обмотки возбуждения независимы (фактически с ростом тока возбуждения поток магнита незначительно увеличивается). Это объясняется тем, что взаимная связь проявляется лишь благодаря падению н. с. в спинке якоря, которое весьма мало, и потокам рассеяния полюсов, которые также относительно невелики. Рассматриваемую машину удобно сравнивать с родственной ей конструктивно электромагнитной машиной с внешнезамкнутым магнитным потоком (по существу, это та же машина, у которой все полюса когтеобразиые).

Рис. 2. Экспериментальные характеристики холостого хода: сплошная линия — комбинированное возбуждение, пунктир — электромагнитное

Допустим, что кривая намагничивания электромагнитной машины является типичной для синхронных машин и близка к нормализованной. Тогда при токах возбуждения, не превышающих в 2,5^-3 раза номинальный, она аппроксимируется гиперболическим тангенсом

■£ — 1,43111 0,87 У~Ы, (1)

где

Е и N — соответственно э. д. с. и мощность возбуждения (за единицу э. д. с. принято номинальное напряжение, а за единицу мощности —ее значение при этой э.д. е.). Аналогично уравнение характеристики холостого хода машины комбинированного возбуждения при допущении о независимости потоков

е= — ет+1Аз! (2)

Р V Р I

где

е и п —э. д. с. и мощность возбуждения; р и т — число пар полюсов и постоянных магнитов; ет — условная э. д. е., равная в относительных единицах отношению потока магнита к среднему арифметическому потоку полюсов при номинальной э. д. с. Глубина регулирования (разность относительных значений номинальной и начальной э. д. с.) в этом случае

1 т

р

(3)

ио

0,8

0,6

ом

ох

\

у**

•

<

0.75 ю ив г$о ж

Рас. 3. 'Мощность возбуждения и глубина регулирования

т

Полагая в уравнении (2) е=ен = 1, найдем номинальную мощность возбуждения;

2

лн=1,32 Аг1Ь 0,7

гр—те1 р- т

(4)

Из уравнений (2) — (4) очевидно, что решающее влияние на показатели машины при выбранной структуре полюсной системы (р и т заданы) оказывает величина условной э.д. с. На рис. (3) в качестве примера представлены указанные зависимости для машины с 2р= 12 и 2т=4, откуда следует, что с ростом ет интенсивно снижается мощность возбуждения и при ет>\ становится уже меньше, чем в электромагнитной машине. Иными словами, выигрыш по мощности возбуждения на холостом ходу обеспечивается тогда, когда поток полюсов магнита превыша-

7 Заказ 9480

77

ет средний поток полюса. Для этого есть реальные основания, поскольку магнит имеет относительно большой объем (длина силовой линии больше, чем в аналогичной магнитоэлектрической машине, в 2,5-^-3 раза).

Отличие в весе обусловлено двумя обстоятельствами: введением магнита и отсутствием части когтеобразных полюсов с соответствующим уменьшением сечения ярма.

С некоторым приближением можно принять, что выигрыш по весу

обеспечивается, когда выполняется неравенство

> (5)

^мёГм^ам Вм

где

—суммарная длина силовой линии в ярме, боковых магнитопро-водах и когтеобразных полюсах; /м —длина силовой линии пары полюсов магнита; ¿Г; и gм— удельные веса материалов ярма (сталь) и магнита; В} и 5М —номинальные индукции в ярме (для сравниваемых машин считаются одинаковыми) и магните; к^ и ком — приведенные коэффициенты рассеяния когтеобразных

полюсов и магнита. В этом неравенстве, которое, как правило, выполняется, обычно

gj>gм, ¿а/>£ам И £;>ВМ.

Таблица

Тип возбуждения

Параметры Един, измер. электромагнитное комбинированное

Мощность " ква 0,85 0,85

Напряжение в 40 40

Число фаз — 3 3

Скорость вращения об\мия 10000 10000

Частота гц 1000 1000

Коэффициент мощности 1 1

Внутренний диаметр статора м 0,075 0,075

Длина пакета статора м 0,025 0,025

Полное число полюсов — 12 12

Число полюсов из магнитов — — 4

Коэффициент полюсного пе-

рекрытия когтеобразных по- 0,56

люсов — 0,66

Коэффициент полюсного пе- 0,56

рекры тия магнитов — —

Вес внешнего магнитопробода кг 0,99 0,60

Вес магнита кг — 0,3

Вес когтеобразных полюсов кг 0,44 0,25

Общий вес активных частей кг 2,84 2,56

При работе под нагрузкой проявляется еще одно важное преимущество машины комбинированного возбуждения — повышенная жесткость внешней характеристики, что связано с уменьшением индуктивных сопротивлений. Действительно, 2 т полюсных участков последовательной обмотки якоря будут иметь продольные и поперечные индуктивные сопротивления хайи и хади, соответствующие магнитоэлектрической машине, и только оставшиеся 2 (р — т) участков — сопротивления хайъ и хаЯэ» соответствующие электромагнитной машине. Тогда сопротивления машины комбинированного возбуждения:

~ [(Р—т)хаа9+тха(Ы], Р

Если различие поперечных индуктивных сопротивлений относительно невелико и не вносит существенных отличий, то разница между хааэ и ха(Ш всегда значительна. Например, если принять [1], что хас1ы/хааэ= = 0,5-^0,05, то согласно уравнению (6) при 2р= 12 и 2т=4 продольная индуктивность хаАк=* (0,68-5-0,83) хайэ и хайк = (1,67 -г- 13,7) хайи .

щ----------

50

40

30

го ю

о 0,5 0,68 0,961,0 15 1&а

Рис.4. Нагрузочные характеристики: сплошная линия -— комбинированное возбуждение, линия — комбинированное возбуждение, пунктир — электромагнитное

Экспериментальные исследования проводились на двух лабораторных образцах, основные данные которых приведены в таблице. По ряду посторонних причин, связанных с условиями изготовления, полюса электромагнитной машины оказались шире, чем у машины комбинированного возбуждения, в 1,18 раза, что отрицательно сказывается на характеристиках последней. Однако и в этом случае при номинальном напряжении холостого хода (рис. 2) ток возбуждения снизился в 2,11 раза, а мощность возбуждения — в 4,47 раза. Столь большой выигрыш обусловлен тем, что в испытанном образце магниты развивали весьма значительный поток. Судя по осциллограммам поля (рис. 2), он превышает средний примерно в 1,9 раза, что согласно уравнению (3) должно вести к снижению мощности примерно в 5 раз. Расхождение порядка 12% в первую очередь, вероятно, объясняется различиями в ширине полюсов.

Под нагрузкой (рис. 4) выигрыш по току возбуждения составляет 1,29 раза, а по мощности—1,67 раза. При номинальных токах возбуждения 0,88 и 0,68 а э.д. с. холостого хода машин электромагнитного и комбинированного возбуждения составляют 52,3 в и 55,2 в, а токи ко-

—---

/ / / / 1-- 1г,3а

> / /

/ !

/ /

7

79

50 40 30

го ю

О 5 Ю12¿15 го 15 30 Т,а

Рис. 5. Внешние характеристики: сплошная линия — комбинированное возбуждение, пунктир — электромагнитное.

роткого замыкания (рис. 5) 24,8 а и 31 а, т. е. действительно внешняя характеристика машины комбинированного возбуждения заметно жестче.

Таким образом, исследованная машина комбинированного возбуждения обладает рядом важных достоинств и в отдельных случаях может рассматриваться как один из основных вариантов при проектировании, например, маломощных источников питания с глубиной регулирования э. д. с. порядка 0,4-^0,7. Одновременно встает вопрос о более детальном изучении машины и разработке методов ее расчета.

ЛИТЕРАТУРА

1. А. И. Б е р т и н о в. Авиационные электрические генераторы. Оборонгиз, 1959.

2. Л. М. Паластин. Регулируемые электрические машины с возбуждением от постоянных магнитов. ЦИНТИ электротехнической промышленности и приборостроения, 1962. *

3. В. А. Б а л а г у р о в, Ф. Ф. Г а л т е е в, А. Н. Ларионов. Электрические машины с постоянными магнитами. «Энергия», 1964.

4. Ю. Н. Кронеберг. Бесконтактная синхронная машина. Авт. свид. СССР кл. 21 3 № 188563, 18/УП, 1962.

\

\ \ V \

V

1 1 \