Классификация бесконтактных электрических машин и их физическая структура

§ 1.2. Классификация БЭМ и их физическая структура

Рассмотрим основные разновидности БЭМ и общие основы протекающих в них физических процессов.

Главные типы БЭМ. На рис. 1.1 показана классификация энергетических БЭМ. По принципу действия большинство БЭМ переменного тока, как и обычные электрические машины, делятся на синхронные и асинхронные (индукционные). Те и другие осно­ваны на использовании явления электромагнитной индукции.

Синхронные БЭМ имеют на статоре обмотку якоря (ОЯ), обычно уложенную на стальном шихтованном сердечнике, а на роторе—магнитные полюсы. На рис." 1.2, а изображено попереч­ное сечение простейшей синхронной машины с явнополюсным. ро­тором, Помимо полюсов ротор может содержать короткозамкну-тую демпферную обмотку (ДО}, служащую для предотвращения колебаний ротора при его вращении, повышения устойчивости работы машины и экранирования полюсов от нестационарных

размагничивающих воздействий. Эта обмотка подавляет гармони­ки поля, вращающиеся с несинхронной скоростью, а также может обеспечивать асинхронный пуск машины в двигательном режиме.

Ротор синхронной БЭМ может выполняться неявнополюсным (рис. 1.2, б), когда обмотка возбуждения (0В) располагается на части цилиндрической поверхности ротора.

В режиме генератора при вращении ротора от приводного уст­ройства потокосцепление в каждой секции ОЯ периодиче­ски меняется, благодаря чему в ОЯ наводится ЭДС, создаю­щая ток в сети или автоном­ной нагрузке, подсоединяемой кОЯ.

В двигательном режиме, наоборот, переменный ток по­дается из сети в многофазную обмотку якоря и создает вра­щающееся магнитное  поле. Полюсы этого поля притягива­ют полюсы ротора с противоположной полярностью, ротор враща­ется вслед за полем с синхронной скоростью и создает полезный вращающий момент на валу, передаваемый механической нагруз­ке. Наводимая благодаря вращению полюсов ЭДС в ОЯ частично компенсирует приложенное к ОЯ напряжение. В обоих режимах ротор синхронной машины вращается с той же (синхронной) час­тотой, что и магнитный поток, сцепленный с ОЯ.

Магнитные полюсы на роторе в обычной синхронной машине охвачены 0В, питаемой постоянным током через щеточный кон­такт. В БЭМ электрическая связь с ротором отсутствует, а маг­нитная полярность полюсов ротора обеспечивается одним из трех возможных способов возбуждения: а) размещением на роторе постоянных магнитов (ПМ); б) размещением на роторе обмотки возбуждения, которая питается постоянным током через вращаю­щийся выпрямитель от дополнительной обмотки на роторе с пере­менной ЭДС, наводимой за счет электромагнит­ной индукции; в) конструктивными приемами, позволяющими использовать для создания ос­новного потока полюсов ротора источник магни­тодвижущей силы (МДС) возбуждения, находя­щийся на статоре.

В соответствии с этими возможностями на рис. 1.1 показаны синхронные БЭМ различных типов: машины с постоянными магнитами на ро­торе различной конструкции (звездообразном роторе, роторе с когтеобразными полюсами и т. п.), в которых реализуется способ возбуж­дения «а»; БЭМ с вращающимся выпрямителем, реализующие способ возбуждения «б»; машины с обмотками воз­буждения или постоянными магнитами на статоре (с когтеобраз­ными полюсами, индукторные, коммутаторные, с осевым возбуж­дением), соответствующие способу возбуждения «в».

Существуют синхронные БЭМ с комбинированным возбужде­нием, у которых поток возбуждения создается одновременно с по­мощью постоянных магнитов и неподвижной обмотки возбужде­ния,

Асинхронная БЭМ состоит из неподвижного индуктора с первичной обмоткой, создающей вращающийся или бегущий маг­нитный поток, и электропроводящего подвижного элемента, кото­рый перемещается со скоростью, отличной от скорости магнитного потока.

Статор простейшей асинхронной БЭМ (рис. 1.3) содержит мно­гофазную (обычно трехфазную) распределенную первичную об­мотку 01. размещенную в пазах стального шихтованного сердеч­ника, а ротор — короткозамкнутую вторичную обмотку 02 в пазах сердечника, закрепленного на валу машины. При питании обмот­ки 01 переменным током создается вращающийся магнитный по­ток. За счет его перемещения относительно проводников обмотки 02 в ней наводится ЭДС, под действием которой в 02 течет ток. Этот ток, взаимодействуя с магнитным полем, создает электромаг­нитную силу, стремящуюся приблизить скорость ротора к скоро­сти вращающегося поля (так, как если бы вращающийся поток и ротор взаимодействовали через силы вязкости). Пусть п\—ча­стота вращения потока, а п.—частота вращения ротора. Относи-

тельное движение ротора в магнитном поле характеризуется сколь­жением я==(п1—п)1п\. Если 5>0 (п\>п), т. е. поле опережает ро­тор, то электромагнитная сила стремится ускорить ротор и машина работает двигателем. Двигатель потребляет реактивную электрическую мощность для создания вращающегося потока и активную электрическую мощность, которая преобразуется в ме­ханическую мощность вращения вала.

Если 5<0 (п\<п), т. е. ротор опережает магнитный поток, то ток в 02 меняет направление, электромагнитная сила стремится затормозить ротор и машина работает генератором, в котором вводимая извне механическая мощность, затрачиваемая на прео­доление тормозной силы, частично преобразуется в электрическую мощность. Таким образом, генератор, так же как и двигатель, потребляет реактивную мощность на создание поля, но выраба­тывает активную электрическую мощность, которая потребляется нагрузками, соединенными со статорной обмоткой. Реактивная мощность потребляется генератором либо от сети, либо от вспо­могательной батареи конденсаторов.

Асинхронная машина может работать в режиме электромаг­нитного тормоза, когда магнитный поток и ротор вращаются в противоположные стороны. Для этого режима 5>1.

Вторичная обмотка 02 в асинхронных БЭМ может отсутство­вать, а ее функции выполняет сплошной ферромагнитный ротор или поток жидкого металла. В последнем случае асинхронная ма­шина может эффективно работать как электромагнитный жидко-металлический насос, обладающий высокой надежностью и про­стотой обслуживания.

;    Разновидностью синхронных и асинхронных машин являются линейные двигатели, у которых подвижный элемент совершает линейные перемещения.

Существуют БЭМ, объединяющие в одном агрегате две (или более) машины, у которых между роторными обмотками имеется прямая электрическая связь и каждая из которых соответствует последовательно включенным каскадам электромеханического преобразования энергии. Такие БЭМ называются каскадными.

Синхронные и асинхронные БЭМ генерируют или потребляют электроэнергию переменного тока, поскольку они основаны на бесконтактном обмене энергией между подвижными и неподвиж­ными элементами с помощью квазистационарного электромагнит­ного поля. Во многих практических случаях необходимо получать или использовать в БЭМ постоянный ток.