Классификация авиационных бесконтактных генераторов

  Электроэнергетика в наше время неразрывно связана с качественным улучшением показателей электрических машин. Один из радикальных путей такаго улучшения – разработка и внедрение бесконтактных электрических машин (БЭМ), обладающих высокой надёжностью, повышенными электромагнитными и механическими нагрузками и соответственно улучшенными массогабаритными показателями. Благодаря способности работать при повышенных температурах, пониженных давлениях, в вакууме, при больших динамических перегрузках, в присутствии химически активных веществ БЭМ с каждым годом всё шире используются в транспортных установках, на летательных аппаратах различных типов, в технологических устройствах, в робототехнике, медицине и других важных областях современной техники. 

Главная особенность БЭМ – отсутствие подвижных электрических контактов, широко используемых в обычных электрических машинах. БЭМ обладают существенными особенностями расчётно-теоретического характера, определяемыми выбором предельных электромагнитных, тепловых и механических нагрузок, учётом динамических показателей, широким применением постоянных магнитов, спецификой регулирования и стабилизации выходных параметров, расширенными функциональными возможностями и т.п. Ряд особенностей БЭМ связан с их конструктивным исполнением.

Один из радикальных путей повышения надёжности, расширение функциональных возможностей и улучшение общих характеристик электрических машин – отказ от использования щёточных электрических контактов и переход к БЭМ.

Во-первых, по имеющимся статистическим данным щёточный контакт при нормальных условиях работы наряду с изоляцией и подшипниковыми узлами вызывает наибольшее число отказов в работе электрических машин.

Во-вторых, при нестандартных условиях окружающей среды щёточный контакт в электрических машинах либо резко ухудшает свою работу, либо вообще становится неработоспособным. Наличие щёточного контакта недопустимо в присутствии воспламеняющихся газов или паров. Работоспособность контактных устройств резко ухудшается при воздействии ионизирующего излучения, они плохо работают при наличии вибраций.

В-третьих, щёточный контакт существенно ограничивает допустимую скорость ротора электрической машины.

В-четвёртых, щёточный контакт создаёт дополнительные электрические и механические потери, является источником шумов и помех.

В-пятых, щёточный контакт значительно сокращает срок службы электрической машины.

Щеточный контакт усложняет обслуживание машины, загрязняет внутренние полости машины графитовой пылью, снижающей электрическую прочность изоляции  препятствуя применению в машине высокоэффективного струйного жидкостного охлаждения, ухудшает стабильность параметров машины и т.п.

 Создание высокоэффективных БЭМ – одна из наиболее актуальных задач, выдвигаемых перед специалистами в области энергетики летательных аппаратов.

Классификация авиационных бесконтактных  генераторов (АБГ)

АБГ классифицируются следующим образом:

·  по принципу действия:

            – индуктор­ные с электромагнитным возбуждением или с постоянными маг­нитами;

            – синхронные с электромагнитным    возбуждением;

            – магнито­электрические, возбуждаемые постоянными магнитами,

            – индукционные;

·  по конструкции ротора:

         – с клювообразным ротором

         – с ротором типа «звездочка»

·  по роду тока:

                        – постоянного тока

                        – переменного тока

1  Индукторные АБГ

Индукторнойназывается машина, у которой магнитная индук­ция в каждой точке рабочего зазора изменяется только по вели­чине, а ее направление остается постоянным. Отсюда следует, что индукция в зазоре индукторных машин (ИМ) имеет пульсирую­щий характер и содержит переменную и постоянную составляющие. Обмотки якоря и возбуждения в ИМ находятся на статоре, а изменение во времени магнитного потока, сцепленного с обмоткой якоря, достигается за счет перио­дического изменения магнитного сопротивления на пути рабочего потока при вращении зубчатого ротора. Так как число зубцов на роторе можно сделать большим, ИМ характеризуются повышен­ными частотами тока (f≈400... 30000 Гц).

Достоинствами индукторных машин помимо способности гене­рировать или использовать токи повышенной частоты являются простота конструкции ротора, высокая надежность, хорошее регу­лирование, работоспособность в сложных окружающих условиях (при повышенных температурах, низких давлениях, присутствии агрессивных сред и т. п.).

Главный недостаток ИМ проявляется в наличии постоянной составляющей магнитного потока, которая не участвует в наве­дении рабочей ЭДС, но загружает магнитопровод и требует су­щественного увеличения его объема и массы по сравнению с обычными синхронными машинами.

Основные типы индукторных машин:

1) одноимённополюсные;

2) разноимённополюсные.

В одноименнополюсных ИМ к якорю примыкают маг­нитные полюсы только одной полярности. На рис. 1. а показа­на однопакетная одноименнополюсная ИМ.

Рисунок 1 – Однопакетная (а) и двухпакетная (б) одноименно полюсно индукторные машины:

1– шихтованный пакет якоря; 2 – якорная обмотка; 3 – корпус; 4 – кольцевая обмотка возбуждения;                             5 – магнитомягкая втулка; 6 – пакет с выступами.

При работе ИМ в генераторном режиме благодаря вращению ротора с каждой секцией ОЯ будет поочередно сцеплен то поток Ф_mах, то Ф_min, вследствие чего в ОЯ наводится рабочая ЭДС. Отличие рассмотренной ИМ от обычной синхронной машины СМ заключается в том, что в СМ при идентичной форме ротора его соседние выступы имеют противоположную полярность и поток Ф_в изменяется не от Ф_mах до Ф_min с сохранением полярности, а от Ф_max до -Ф_mах с изменением полярности. Следовательно при одинаковой предельной загрузке магнитопровода (Ф_max) ис­пользование потока в ИМ хуже, чем в СМ.

Рисунок 2– Одноименнополюсная индукуторная машина с двусторонним возбуждением

Недостатком ИМ, изображенной на рис. 1.а, является на­личие зазора δ_доп. Его можно устранить в двухпакетной ИМ (рис. 1.б). В такой конструкции активные зоны с ОЯ и зубчатым ротором размещаются по обеим сторонам от ОВ, а принцип дей­ствия тот же.

Рисунок 3 – Разноименнополюсная индукторная машина:

   1– шихтованный пакет; 2 – обмотка возбкждения; 3 – обмотка якоря.

Симметричная конструкция одноименнополюсной ИМ может быть реализована в однопакетной машине с двусторонним воз­буждением (см. рис. 2, где обозначения те же, что и на рис. 1).

Принципы, заложенные в ИМ на рис. 2, можно эффективно реализовать в рассмотренной ранее АВГ с внешнезамкнутым потоком, если обмотки возбуждения включить не согласно, а встречно. Тогда создается два симметричных потока, охватывающих обе ОВ подобно тому, как это имеет место на рис. 2, причем под когтеобразными выступами имеем Ф_max, а в областях между ними – Ф_min. Такой режим включения ОВ для АБГ с внешнезамкнутым потоком и ее перевод в режим индук­торной машины позволяет удвоить частоту тока в ОЯ.