Рисунок 9

     В пакете статора наряду с пазами, в которых размещается обмотка переменного тока, имеются пазы обычно большего размера, в которых размещаются катушки возбуждения. Дуга расточки статора, на которой расположены пазы с обмоткой переменного тока; должна быть равна целому числу зубцовых делений ротора. Если это условие не выполняется, то при вращении ротора поток, сцепленный с обмоткой возбуждения, должен пульсировать. Эти пульсации будут демпфироваться замкнутым контуром обмотки возбуждения, что приведет к дополнительным потерям. Кроме того, у такого генератора несинусоидальная форма кривой напряжения и повышенная шумность.

     Ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает магнитный поток, направление  которого на рисунке 9 показано пунктиром. Принцип работы такого генератора на участке между двумя большими пазами тот же, что и у одноименнополюсного  генератора; таким образом, участок  дуги статора, заключенный между  двумя большими пазами, соответствует отдельному пакету одноименнополюсного генератора.

     У разноименнополюсных генераторов  на участке между большими пазами могут быть те же модификации зубцовой зоны статора, что и у одноименнополюсных генераторов.

Генераторы с пульсирующим потомком зубца ротора

     1. Разноименнополюсные генераторы

     Пример  конфигурации зубцовой зоны такого генератора с равными зубцовыми шагами на роторе и статоре показан на рисунке 10 (а). Там же показано распределение катушек обмоток возбуждения и якоря, для которых в статоре выполнены специальные большие пазы, а пунктирными линиями показано направление магнитного потока, созданного током возбуждения.

     Примерное распределение потока в воздушном  зазоре при трех последовательных положениях ротора (в каждом последующем случае ротор перемещен на ) показано на рисунке 10 (б). И в этом случае потокосцепление обмотки якоря зависит от положения ротора и при вращении последнего периодически изменяется по величине (без изменения знака), следовательно, в обмотке переменного тока будет наводиться электродвижущая сила. Потокосцепление обмотки возбуждения при вращении ротора практически не изменяется.

Рисунок 10

На рисунке 11 показан генератор, отличающийся от генератора, изображенного на рисунке 10, схемой обмотки переменного тока. В этом случае при вращении ротора потокосцепление обмотки переменного тока в отличие от всех ранее рассмотренных типов генераторов изменяется не только по величине, но и по знаку. Трехфазное исполнение генераторов с пульсирующим потоком зубца ротора показано на рисунке 12. Сдвиг фаз на 120° обеспечивается соответствующим расположением больших пазов статора, в которых размещена обмотка якоря.

Рисунок 11

Рисунок 12

     Разноименнополюсный генератор с пульсирующим потоком  может быть выполнен и при неравных, но близких по величине зубцовых шагах статора. Пример конфигурации зубцовой зоны такого генератора и схема расположения обмоток показаны на рисунке 13. Так как аналогичная зубцовая зона получила практическое применение в одноименнополюсных генераторах, то распределение магнитного потока в зазоре для этого случая рассмотрено ниже. 

Рисунок 13

     2. Одноименнополюсные генераторы

     Наиболее  простая конфигурация зубцовой зоны такого генератора изображена на рисунке 14 (а). Здесь зубцовые шаги ротора и статора близки, но не равны по величине. Ротор имеет 26 пазов, статор — 24 паза. Обмотка якоря, изображенная на рисунке 14, имеет четыре одинаковые катушечные группы. Каждая катушечная группа состоит из двух разных катушек: одна охватывает три зубца, другая — пять зубцов статора. Продольная геометрия активной части такого генератора может быть выполнена так же, как и у генераторов, изображенных на рисунке 1 и рисунке 3.

Рисунок 14

     На  рисунке 14 (б) показано примерное распределение магнитного потока в воздушном зазоре при четырех последовательных положениях ротора. Каждое последующее положение отличается от предыдущего поворотом ротора на 1/4 полюсного деления или 1/8 зубцового шага ротора Потокосцепление обмотки якоря, как это следует из рисунка 14 (б), будет периодически изменяться, причем как и во всех предыдущих случаях, период основной частоты изменения потокосцепления равен времени поворота ротора на одно зубцовое деление. Потокосцепление обмотки возбуждения также должно периодически несколько изменяться, но с более высокой частотой, чем основная частота генератора (в данном случае в 12 раз большей). Однако эти пульсации полного потока практически незаметны вследствие демпфирующего эффекта массивных участков магнитной цепи генератора.

     Описанный генератор очень удобен для многофазного исполнения, так как параметры всех фаз обмотки якоря одинаковы, что обеспечивает симметричное напряжение не только при холостом ходе, но и при симметричной нагрузке.

     Из  рассмотрения принципа работы такого генератора следует, что при выполнении статора с открытыми пазами и зубцовым шагом, близким, но не равным зубцовому шагу ротора, практически исключаются пульсации потока, сцепленного с обмоткой возбуждения. При равных зубцовых шагах статора и ротора и при открытых равномерно распределенных пазах статора будут пульсации не только потока зубца, но и полного потока. Пульсации полного потока интенсивно демпфируются вихревыми токами в массивных участках магнитопровода и обмоткой возбуждения. В результате этого и пульсация потока зубца ротора, и потокосцепления обмотки якоря будут незначительны. Это приведет к резкому уменьшению использования объема активной части генератора.

Рисунок 15

     Исключить этот недостаток можно, выполнив зубцовую зону аналогично зубцовой зоне разноименнополюсного генератора (рисунок 10) и изменив соответственно схему соединения катушек обмотки якоря. Пример зубцовой зоны такого генератора и схема распределения катушек обмотки якоря изображены на рисунке 15. Продольная геометрия активной части такого генератора может быть выполнена в соответствии с рисунком 1 или рисунком 3.

Сравнение различных типов исполнения индукторных генераторов

     Выше  были приведены только основные исполнения генераторов индукторного типа. Существующее большое разнообразие геометрии активной части индукторных машин представляет собой то или иное видоизменение изложенных выше исполнений.

     Рассмотрение  принципа работы различных исполнений индукторных машин подтверждает, что в индукторном генераторе при холостом ходе магнитная индукция в любой точке поверхности расточки якоря всегда изменяется только по величине, без изменения знака. Следствием этой определяющей особенности является худшее использование объема активной части по сравнению с обычными переменнополюсными синхронными генераторами.

     На  основании приведенных выше описаний активной части и принципа работы индукторных генераторов различного исполнения можно сделать следующие предварительные выводы:

     1. Частота ЭДС, наведенной в обмотке якоря генератора, независимо от конфигурации зубцовой зоны, определяется только числом зубцов ротора и его скоростью вращения. Эти величины связаны соотношением , где   — частота, Гц; Z₂—число зубцов ротора; п — скорость вращения ротора, об/мин.

     Таким образом, время поворота ротора на одно зубновое деление для всех исполнений генераторов независимо от геометрии статора соответствует одному периоду наведенной ЭДС, поэтому угол, соответствующий зубцовому шагу ротора, удобно обозначать через 2π эл. рад или через двойное полюсное деление 2τ.

     2. Потокосцепление обмотки якоря  в большинстве исполнений изменяется  только по величине, без изменения знака, хотя могут быть случаи, когда оно изменяется как по величине, так и по знаку, например у генератора с пульсирующим потоком (рисунок 11).

     3. Для одноименнополюсного генератора  характерны следующие особенности:

     а) наличие осевой н. с. возбуждения  и соответствующего осевого магнитного потока;

     б) наличие массивных участков в  магнитной цепи: корпус и втулка ротора, а в некоторых случаях  и сам ротор. Зубцовая зона статора  должна быть выполнена обязательно  из шихтованной стали, так как  зубцы статора перемагничиваются по частичному циклу с основной частотой;

     в) поведение одноименнополюсного  генератора в неустановившемся режиме вследствие наличия массивных участков магнитной цепи должно отличаться от поведения разноименнополюсного генератора.

     4. В разноименнополюсном генераторе, как. правило, вся магнитная  цепь выполняется шихтованной.  Ротор должен быть шихтованным,  так как при вращении он  перемагничивается. Зубцовая зона  статора, так же как и в  случае одноименнополюсного генератора, должна быть выполнена из шихтованной  стали. Массивным может быть  только ярмо статора, но технологически  проще выполнять зубцовую зону  и ярмо статора как одно  целое из шихтованной стали.

     В разноименнополюсном генераторе вследствие наличия больших пазов на статоре необходимо выполнение некоторых специальных требований, предъявляемых к числу пазов ротора и ширине большого паза статора. Кроме того, многофазный разноименнополюсный генератор может иметь несимметрию по фазам из-за наличия больших пазов. Для ее устранения должны быть приняты специальные меры.

Особенности конструкции и  технологии производства индукторных генераторов

     Хотя  конструкция современных индукторных  генераторов проще конструкции асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, производство, их в силу целого ряда специфических особенностей является трудоемким, требующим большой тщательности и точности при обработке и сборке.

     Высокая частота пульсации потока в стали  индукторного генератора приводит к росту потерь в основном за счет составляющей от вихревых токов. Для снижения потерь в стали необходимо уменьшать объем, подвергающийся перемагничиванию, и использовать тонколистовую электротехническую сталь с относительно высоким содержанием кремния. Оптимальная толщина листа для частот 1000—3000 Гц составляет 0,35 мм, для частот 3000—10000 Гц следует использовать листы толщиной 0,2 мм. Дальнейшее уменьшение толщины листа нецелесообразно, ибо при этом резко повышается трудоемкость сборки пакета и уменьшается коэффициент заполнения пакета сталью.

     Для высокочастотных индукторных генераторов  первостепенное значение приобретает тщательная зачистка заусениц, надежная изолировка листов и отжиг листов после штамповки. Последнее требование обусловлено тем, что зубцы индукторных генераторов с пульсирующим потоком имеют малые геометрические размеры (ширина зубцов доходит до 1,1 мм) и в результате штамповки почти по всему сечению подвергаются наклепу, что может служить дополнительным источником повышения потерь.

     Несмотря  на то что обмотка якоря высокочастотного индукторного генератора содержит небольшое  число витков и, как следствие, потери в меди составляют небольшую часть полных потерь в машине, необходимо принять меры, предотвращающие повышение потерь из-за вытеснения тока в проводниках. При повышенных частотах целесообразно использовать круглые либо прямоугольные многожильные провода (литцы). Обмотки могут быть выполнены также из изолированной тонкой ленты, расположенной горизонтально в пазу. В ряде случаев могут быть применены полые (трубчатые) проводники.

     Потери  от трения ротора о воздух вместе с  потерями в стали в индукторных  генераторах составляют основную часть потерь. Повышенные потери от трения являются следствием высоких окружных скоростей и зубчатого строения ротора. Трение зубчатого ротора о воздух является также источником большого шума.

     Уменьшить потери от трения и снизить шум  можно, заполнив пазы ротора немагнитным  материалом, однако это связано с  конструктивными и технологическими затруднениями. Кроме того, заполнение пазов ротора приведет к ухудшению теплоотдачи поверхности ротора. Существенное уменьшение потерь от трения может дать вращение ротора в среде водорода, что одновременно улучшит условия охлаждения генератора.