Оглавление

Введение 3

Классификация индукторных генераторов 4

Генераторы с постоянным потоком зубца ротора 5

Генераторы с пульсирующим потомком зубца ротора 12

Сравнение различных типов исполнения индукторных генераторов 16

Особенности конструкции и технологии производства индукторных генераторов 18

Области применения индукционных генераторов 24

Список использованной литературы 26 

 

Введение

     Высокочастотный электромеханический генератор - это электрическая машина, преимущественно однофазная, генерирующая ток в диапазоне частот от 100 до 10000 Гц (иногда выше) и применяющаяся главным образом в качестве источника питания установок индукционного нагрева металлов, ультразвуковой и транспортной аппаратуры. При частотах до 500 Гц и больших мощностях (500 кВт и более) применяют обычные явнополюсные синхронные генераторы с увеличенным числом пар полюсов. На более высокие частоты, особенно при малых мощностях, изготовляют только индукторные генераторы.

     Индукторные генераторы известны уже около 150 лет. Особенно широкое распространение они получили за последние 40—50 лет как источники питания повышенной частоты.

     Индукторный генератор - электрическая машина переменного тока, у которой изменение магнитного потока, пронизывающего обмотки статора, вызывается перемещением ферромагнитного зубчатого ротора. Поток возбуждения создаётся обмоткой, питаемой постоянным током. Обмотка возбуждения и рабочая обмотка неподвижно располагаются на статоре. По конструкции магнитной системы различают гомополярные и гетерополярные индукторные генераторы. Гомополярные машины (называются также одноимённополюсными, кольцевого типа или генераторами с продольным полем) имеют обмотку возбуждения постоянного тока в виде кольца, размещаемого между зубчатыми пакетами статора, и рабочую обмотку, заложенную в продольные пазы статора. Каждый пакет статора и зубчатый венец ротора таких машин намагничены по всей окружности полярностью одного знака. Гетерополярные генераторы (называются иначе разноимённополюсными, сегментного типа или генераторами с поперечным полем) имеют обмотку возбуждения и рабочую обмотку, заложенные в продольные пазы статора. Число магнитных полюсов чередующейся полярности по окружности расточки статора таких машин равно числу пазов обмотки возбуждения. Периодическая составляющая потока индуктирует переменную ЭДС в рабочей обмотке с частотой f = Zn/60 , где Z — число зубцов на роторе, n — частота вращения в об/мин.

     Индукторный генератор первого типа выполняются  как однофазными, так и трёхфазными; частота генерируемого тока достигает 10 кГц. Индукторный генератор второго типа выполняются только однофазными; частота от 10 до 20 кГц. Индукторный генератор всегда спарен с приводным двигателем и применяется главным образом для преобразования частоты электрического тока.

Классификация индукторных генераторов

     Существует  большое количество модификаций  генераторов индукторного типа, причем это разнообразие касается не столько конструктивных элементов, сколько конфигурации магнитной цепи и схем обмоток. Некоторые исполнения настолько отличны одно от другого, что говорить о единой методике анализа процессов во всех типах индукторных машин на первый взгляд довольно трудно. Поэтому необходимы четкое определение индукторной машины и классификация различных типов исполнений.

     Конфигурация  пакета статора различна для различных  исполнений генератора. Ротор во всех случаях выполняется в виде зубчатого колеса. Различия в форме зубца ротора (скругление углов, прямоугольная или трапецеидальная форма паза) принципиального значения не имеют.

     Индукторной машиной будем называть электрическую машину переменного тока, у которой при холостом ходе магнитная индукция в любой точке поверхности расточки якоря изменяется только по величине без изменения знака. В индукторной машине всегда все обмотки неподвижны, а изменение магнитного потока, пронизывающего обмотку якоря, вызывается перемещением ферромагнитных масс.

     В основу классификации индукторных  генераторов целесообразно положить характер изменения потока зубца  ротора при вращении последнего. Могут  быть следующие случаи: а) поток зубца  индуктора по абсолютной величине практически постоянен; б) поток зубца индуктора периодически изменяется по абсолютной величине с частотой, близкой или равной основной частоте генератора.

     Соответственно  будем называть такие генераторы генераторами с постоянным или пульсирующим потоком.

     В каждом из указанных типов генераторов  возможны следующие исполнения:

     1) поток зубца индуктора за один  оборот последнего не изменяет  знака - такой тип генератора называется одноименнополюсным;

     2) поток зубца индуктора изменяет  знак - такой тип генератора называется разноименнополюсным.

     Наиболее  существенным при анализе рабочего процесса и разработке методики расчета является различие между генераторами с постоянным и пульсирующим потоком зубца ротора. Одноименно- и разпоименнополюсные генераторы в основном отличаются конструктивными особенностями.

     Для каждого из рассмотренных выше типов генераторов могут применяться различные схемы обмоток статора. Наряду с нормальными одно- или двухслойными обмотками, имеющими шаг, равный или близкий к полюсному делению, в генераторах индукторного типа широкое применение имеют обмотки с удлиненным шагом, равным нечетному числу полюсных делений.

Генераторы с постоянным потоком зубца ротора

     1. Одноименнополюсные генераторы

     Активная  часть такого однофазного генератора в случае простейшей конфигурации зубцовой зоны изображена на рисунке 1. Пакеты статора всегда набираются из листовой электротехнической стали. Ротор в некоторых случаях выполняется также шихтованным, а иногда, особенно при больших окружных скоростях, массивным. Корпус машины и втулка ротора всегда вы полняются массивными из ферромагнитного материала.

Рисунок 1 – Активная часть однофазного генератора

     Ток возбуждения создает магнитный  поток, путь которого обозначен на рисунке 1 пунктирной линией. Катушки обмотки якоря имеют шаг, равный или близкий к зубцовому делению статора или половине зубцового деления ротора.

     

     Рисунок 2 – Кривая распределения магнитного потока в воздушном зазоре

     Кривая  распределения магнитного потока в  воздушном зазоре, изображенная на рисунке 2, имеет периодический характер и, очевидно, период, или 2π эл. рад будет соответствовать зубцовому делению ротора. Полюсным делением τ индукторной машины является половина зубцового шага ротора п, следовательно, зубец и паз ротора можно рассматривать как разноименные полюса индуктора. Эта особенность индукторной машины определяет ее основное    преимущество: возможность выполнения весьма малых полюсных делений и соответственно большого числа полюсов при малом диаметре ротора. Поэтому обычно индукторные генераторы используются для получения переменного тока повышенной частоты. Катушка переменного тока охватывает дугу, равную или близкую π электрических радиан. Приняв величину раскрытия пазов статора достаточно малой, мы можем считать, что при повороте ротора кривая распределения потока в воздушном зазоре не изменится, а переместится на тот же угол, что и ротор. Это приведет к изменению по величине (без изменения знака) потокосцепления катушки переменного тока, в то время как потокосцепление катушки возбуждения остается неизменным. Можно принять, что магнитный поток, созданный обмоткой возбуждения, вращается вместе с ротором.

     Так как потокосцепление катушки  переменного тока является периодической функцией угла, то при вращении ротора происходит периодическое изменение потокосцепления и, следовательно, в катушке статора наводится переменная ЭДС. Отдельные катушки переменного тока всегда можно соединить согласно и тем самым использовать весь полезный поток поверхности расточки обоих пакетов статора. Подключенная к такой обмотке нагрузка будет питаться переменным током.

     Из  принципа работы генератора следует, что поток зубца не изменяется ни по величине, ни по направлению.

     Наличие двух пакетов не является характерным для одноименнополюсного генератора. В некоторых случаях при небольших габаритах генератора один из пакетов статора и ротора заменяется массивным магнитопроводом и последний может быть совмещен с подшипниковым щитом (рисунок 3). В этом случае статор и ротор имеют по одному пакету, конструкция генератора упрощается и стоимость его снижается. Очевидно, что нет принципиального отличия такого однопакетного генератора от рассмотренного ранее двухпакетного.

     

     Рисунок 3

     Конфигурация  зубцовой зоны статора может иметь  разнообразные исполнения. На рисунке 1 представлена простейшая геометрия однофазного генератора. Число пазов статора, если это позволяют размеры полюсного деления, может быть значительно больше. Так, например, на рисунке 4 показана конфигурация зубцовой зоны генератора, имеющего четыре полузакрытых паза на одно полюсное деление. Для простоты изображения поверхность расточки развернута на плоскость. Принцип работы такого генератора не требует специального объяснения, так как ничем не отличается    от    рассмотренного выше.

Рисунок 4

     В некоторых случаях с целью  упрощения технологии изготовления обмотки статора пазы выполняют открытыми. Пример такой конфигурации

для однофазного  генератора изображен на рисунке 5. На рисунке 6 изображено примерное установившееся распределение магнитного потока в зазоре для двух фиксированных положений ротора: ось зубца ротора в первом случае (а) совпадает с осью зубца, а во втором случае (б) с осью паза статора. Потокосцепление обмотки статора при вращении ротора, как и во всех рассмотренных выше генераторах, будет периодически изменяться, и поэтому в обмотке статора будет наводиться переменная ЭДС.

Рисунок 5 – Статор с открытыми пазами

     Вследствие  большого раскрытия пазов полный поток, сцепленный с обмоткой возбуждения, при вращении ротора должен изменяться, так же как и поток, проходящий по зубцу ротора. Однако эти изменения практически незаметны вследствие демпфирующего действия массивных участков магнитной цепи и обмотки возбуждения. Кроме того, обычно с целью улучшения формы кривой напряжения пазы ротора выполняют скошенными, что также уменьшает пульсацию полного потока, сцепленного с обмоткой возбуждения.

     

     Рисунок 6

     При большом числе открытых пазов статора на полюс ширина паза становится малой по сравнению с полюсным делением; такой случай аналогичен рассмотренной выше конфигурации зубцовой зоны с полузакрытыми пазами. В некоторых случаях требования, предъявляемые к индукторному генератору, заставляют при выборе конфигурации зубцовой зоны остановиться на настолько малом зубцовом шаге ротора, что выполнение упоминавшихся выше конфигураций зубцовой зоны становится технологически невозможным. В таких случаях геометрия зубцовой зоны статора может   быть   выполнена аналогично показанной на рисунке 7, т. е. зубцовый шаг статора может быть равен нечетному числу полюсных делений. Для  конфигурации однофазного генератора, изображенного на рисунке 7, катушка переменного тока, охватывающая зубец статора, имеет шаг Зπ. Принцип работы такого генератора тот же, что и в случае простейшей конфигурации зубцовой зоны по рисунку 1. В отличие от последнего он имеет меньшее относительное изменение потокосцепления обмотки переменного тока, хотя величина абсолютного изменения потокосцепления одна и та же. Кроме того, как позднее будет показано, при рассматриваемой конфигурации зубцовой зоны реактивность обмотки якоря значительно выше.

Рисунок 7

     Рисунок 8Пазовый шаг для статора может быть и неодинаковым для всех пазов. Пример такой конфигурации, предложенной В. П. Вологдиным, изображен на рисунке 8. Катушки обмотки переменного тока расположены только на узких прямых зубцах.

     2. Разноименнополюсные генераторы

     Геометрия активной части такого однофазного  генератора при простейшей конфигурации зубцовой зоны изображена на рисунок 9. В разноименнополюсном генераторе ротор при вращении перемагничивается, и поэтому он всегда выполняется шихтованным. Пакет статора обычно также выполняется шихтованным, хотя спинка статора может быть выполнена и массивной.