книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

Между статором и ротором имеется зазор необходимый для вра- щения последнего.

В качестве ротора (вращающегося индуктора) используются элек- тромагниты (надетые на выступы цилиндра ротора). Статор (непод- вижный якорь) снабжён железным сердечником, выполненным из набора тонких изолированных пластин железа, в пазах которого уложены обмотки проводникового элемента. Цилиндр ротора выпол- няется обычно из сплошного железа, а его полюсные наконечники у магнитных полюсов — из набора тонких изолированных пластин, на которые уложены обмотки электромагнитов возбуждения, питае- мые постоянным током от постороннего источника тока с помощью щёток и контактных колец. Такова конструкция синхронных элек- трогенераторов. Синхронность генератора заключается в том, что частота переменного тока согласована с частотой вращения ротора.

Форма полюсных наконечников на выступах ротора (индуктора) выполнена таким образом, чтобы индуцированное напряжение и ток в статоре (якоре) были по форме синусоидальными. Форма полюсных наконечников напоминает зонтик над обмоткой.

Число пар полюсов устанавливается, исходя из числа оборотов ро- тора, чтобы получить промышленную для России частоту изменения тока и напряжения 50 гц (f = p . n/60,где f —частота в герцах,n —число оборотов ротора в минуту, p — число пар полюсов — 2 p).

Многополюсные роторы вращают медленней, чем имеющие одну пару полюсов (2 p = 1).

В трёхфазных генераторах переменного тока (рисунок слева) используют два вида сое- динения фазных обмоток (трёх обмоток расположенных под углом 1200), в которых индуциру- етсятрёхфазныйток: соединение «звездой» (трёхфазная система снейтральнымпроводом)и«тре- угольником» (без нейтрального провода). Трёхфазные соедине- ния показаны на стр. 181.

При соединении обмоток статора «звездой» междуфазное напряжение больше фазного в √3 = 1, 73 раза (если фазное 127 в, то междуфазное будет 220 в).

При соединении «треугольником» междуфазное напряжение равно фазному.

Переключение обмоток статора со «звезды» на «треугольник» при- водит к снижению междуфазного напряжения в √3 = 1, 73 раза.

180

Источниками постоянного тока для питания обмоток индуктора (ротора) являются либо аккумулятор,либо (чаще всего) генератор по- стоянного тока, размещённый на валу самого генератора. Электроге- нератор с отдельным источником постоянного тока называют маши- ной с независимым возбуждением магнитного поля.

Если обмотки ротора не питать постоянным током, а замкнуть накоротко, при этом обмотки статора подключить к источнику трёх- фазного тока,то его обмотки создадут вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с индуцированными токами в обмотках ро- тора, увлечёт его в своё вращение со скоростью несколько меньшей, чем скоростьвращения магнитного поля статора (несинхронно).В ре- зультате синхронный электрогенератор обратится в электродвига-

тель, названный асинхронным.

Вращение магнитного поля статора относительно ротора равно разности скоростей вращения магнитного поля и самого ротора, именно этой разностью определяются величины э. д. с.итока индуци- руемых в роторе.

Наличие обмоток у ротора относит электродвигатель к асинхрон- ному электродвигателю с фазным ротором.Кольца и щётки использу- ются для переключения обмоток ротора со «звезды» на «треугольник»

идля подключения источника постоянного тока при переходе на ге- нераторный режим.

Для плавного пуска мощных электродвигателей к контактным кольцам ротора, обмотки которого, как правило, соединены «звез- дой», через щётки подключаются пусковые реостаты для ослабления

ирегулирования токов в обмотках. После пуска и достижения рото- ром номинальных оборотов его обмотки отключаются от реостатов

иобязательно замыкаются накоротко, оставляя их в этом положении вплоть до выключения электродвигателя.

Электродвигатели с фазным ротором обладаютбольшим пусковым моментом и применяются в грузоподъёмных механизмах, лифтах, кранах и других механизмах работающих под нагрузкой.

Асинхронный трёхфазный электродвигатель сохраняет практиче- ски постоянное число оборотов при очень широких колебаниях на- грузки.

181

При пуске асинхронного электродвигателя с коротко замкнутым ротором обмотки статора соединяют «звездой»,чтобы уменьшить на- пряжение в √3 = 1, 73 раз, а ток — в почти три раза, затем обмотки переключают на «треугольник».Напряжение на каждой фазе электро- двигателя по схеме «звезда» в √3 = 1,73 раза меньше напряжения сети, а по схеме «треугольник» напряжение на каждой фазе электродвига- теля равно напряжению сети. Поэтому электродвигатель с обозначе- нием напряжений «380/220 вольт» включается в сеть с напряжением 380 вольт по схеме «звезда», а по схеме «треугольник» — в сеть с на- пряжением 220 в. Обмотки статора соединяют «звездой» при включе- нии в сеть с более высоким междуфазным напряжением, а «треуголь- ником» — с меньшим.

При наличии в статоре трёх обмоток, смещённых друг относи- тельно друга на 1200, магнитное поле будет вращаться со скоростью 3000 оборотов в минуту (1 оборот за 1/50 сек), с этой же скоростью будет вращаться и ротор — вал электродвигателя. Такая скорость вра- щения ротора мало применима, поэтому её уменьшают с помощью размещения в статоре большего числа фазных обмоток — 6, 9 или 12, соединяя их так,чтобы северные и южные полюса по окружности ста- тора чередовались. Тогда вал электродвигателя будет вращаться соот- ветственно со скоростью 1500, 1000 или 750 об/мин. (2 p = 60 . 50/n, где 2 p = 1 —три обмотки,при 2 p = 2 —шесть обмоток,2 p = 3 —девять об- моток,2 p = 4 —двенадцать обмоток).Число полюсов обмоток статора и ротора всегда одинаково.

На принципе совмещения в статоре большого числа обмоток скон- струированы многоскоростные электродвигатели.

В металлорежущих и деревообрабатывающих станках, вентилято- рах применяются надёжные и простые асинхронные электродвига-

тели с короткозамкнутым ротором.

Короткозамкнутый ротор (рисунок ниже) собран из набора тонких изолированных железных пластин,как и статор,а сторцов установле- ны замыкающие кольца, через пазы которых уложены стержни (про- водники или обмотки) из меди или алюминия, при этом кольца сдви-

182

нутыдруготносительнодруга на угол,обеспечивающий плавный пуск и работу электродвигателя.

Такой ротор назван «беличье колесо или клетка».

Для изменения направления вращения ротора (валадвигателя)до- статочно поменять местами две любые фазы из трёх питающих элек- тродвигатель, используя двухполюсной переключатель.

В изобретении а. с. 544808 на «Магнитное жидкостное уплотнение вращающегося вала» техническое преимущество достигается в на- дёжности герметизации вала с переменным числом оборотов, когда давление в уплотняемой полости зависит от скорости вращения вала.

Устройство М–Ж уплотнения содержит: 1 — корпус; 2 –уплотняющий магнит; 3 — полюсные наконечники; 4 —уплотняемыйвал;5 —магнитную жидкость; 6 — обмотку электромагнита; 7 — вспомогательный магнит; 8 — обмотку; 9 — выпрямитель.

Уплотняющий постоянный магнит 2 снабжён обмоткой 6 электромагнита. На уплотня- емом валу 4 установлен вспо- могательный магнит 7, а в кор-

пусе 1 над ним — охватывающая его обмотка 8, соединённая через выпрямитель 9 с обмоткой 6 электромагнита.

Величина тока для питания обмотки 6 электромагнита, генерируе- мого в обмотке 8 при вращении вспомогательного магнита 7 вместе с уплотняемым валом 4, зависит от скорости вращения уплотняемого вала 4.После выпрямителя ток поступает в обмотку 6 электромагнита и изменяет величину результирующего магнитного поля между поля- ми электромагнита и уплотняющего магнита 2. В результате измене- ния магнитного поля вязкость магнитной жидкости 5, удерживаемой в зазоре между уплотняемым валом 4 и полюсными наконечниками 3,меняется автоматически в зависимости от числа оборотов вала,что повышает надёжность герметизации вращающегося вала.

В технике бывает часто нужен постоянный ток.

При современных возможностях переменный ток может быть вы- прямлен с помощью полупроводниковых устройств (встраиваемых в электрогенератор переменного тока), однако во многих случа- ях необходимы электрогенераторы постоянного тока.

Современные электрогенераторы постоянного тока в общем виде те же индукционные электрогенераторы, где преобразуется ме- ханическая энергия в переменный ток, но для его выпрямления при-

183

меняют специальное приспособление называемое коллекторами, пе- реводящие переменное напряжение в постоянное.

Коллектор это установленная на валу якоря электрогенератора ци- линдрическаявтулка,состоящаяизнабораизолированных(например, прессованной слюдой) друг от друга и вала проводниковых (обычно медных) пластин,к которым подсоединяются свободные концы обмо- ток якоря (ротора) и индуктора (статора). Коллектор, щётки и держа- тели щёток образуют щёточно-коллекторный узел.

В отличие от устройства статора электрогенератора переменного тока в электрогенераторе постоянного тока статор (ярмо) это индук- тор,выполненныйввидемассивного(обычнолитого)корпуса,навну- тренней поверхности которого установлены полюсные сердечники (зонтичной формы) с обмотками возбуждения, плотно охватываю- щие ротор. Монолит статора необходим для того, чтобы без внешне- го питания обмоток возбуждения внутри статора после разового на- магничивания полюсных сердечников электромагнитов образовалось минимальное остаточное намагничивание достаточное для запуска процесса самовозбуждения магнитного поля индуктора. Обмотки возбуждения индуктора соединены при этом последовательно, чтобы чередовалась полярность полюсных сердечников.

Величину зазора между индуктором и ротором выбирают из усло- вия обеспечения свободного вращения ротора.

Ротор является якорем,то есть частью,где в обмотках индуцирует- ся э. д. с., но он имеет ряд конструктивных отличий от фазного ротора электрогенератора переменного тока.

Якорь электрогенератора постоянного тока имеет вид барабана, набранныйизотдельныхизолированныхдруготдругаштампованных пластин железа (чтобы уменьшить токи Фуко) с прорезями по внеш- нему диаметру. Прорези образуют пазы, предназначенные для раз- мещения в них активных многовитковых проводниковых обмоток, которые представляют собой отдельные рамки (секции) из витков изолированных проводников, уложенных в пазы на сердечнике бара- бана якоря.Обмотки секций соединеныдругсдругом через коллектор так, что образуют одну замкнутую цепь.

Фактически, якорь барабанного типа это короткозамкнутая арма- тура рамочных обмоток намотанных на наборный сердечник якоря, свободные концы которых припаяны к паре пластин коллектора та- ким образом, что каждая из их половин ветвей при вращении якоря всегда оказывается на противоположных полюсах щёток, чем обеспе- чивается одно единственное направление тока во внешней цепи.

Электрические заряды под действие магнитного поля индукто- ра (статора) раздвигаются между началом и концом обмоток секций с частотой вращения якоря. Количество (16, 24 и более) отдельных об-

184

моток секций выбирается из расчёта получения электрического тока очень малых пульсаций, в результате чего с коллектора при помощи угольных щёток может сниматься практически постоянный электри- ческий ток.

Устройство генератора постоянного тока содержит: 1 — задний подшипниковый фланец; 2 — зажимы генератора; 3 — корпус; 4 — полюсные сердечники; 5 — обмотки полюсных сердечников; 6 — колесо вентилятора; 7 — обмотки якоря; 8 — сердечник якоря; 9 — коллектор; 10 — вал; 11 — траверсу щёточно — коллекторного узла; 12 — передний подшипниковый фланец.

Если в генераторах переменного тока индуктором являются преи- мущественно обмотки ротора, к которым через кольца и щётки под- ключён источник постоянного тока, то в генераторах постоянного тока индуктором являются только обмотки статора, к которым под- ключается источник постоянного тока.

Важным техническим преимуществом генераторов постоянного тока является то, что для создания постоянного магнитного поля ин- дуктора (статора) нет необходимости иметь посторонний источник постоянного тока, для этого может использоваться постоянный ток, вырабатываемый самим генератором.

Наличие же в устройстве щёточно-коллекторного узла является существенным техническим ограничением его технические возмож- ностей по выработке электроэнергии.

Процесс самовозбуждения магнитного поля индуктора осущест- вляется за счёт наличия минимального остаточного намагничивания (остаточного магнитного поля) в железе индуктора (статора). При вращении якоря (ротора) в его обмотках индуцируется слабый ток, который, поступая в обмотки индуктора (статора), усиливает его маг- нитное поле, а оно усиливает индуцированные э. д. с. и ток в обмот- ках якоря (ротора).Процесс взаимного усиления протекаетдотех пор, пока не установиться штатное значение напряжённости магнитного поля индуктора (статора). То есть, весь или часть рабочего тока инду- цированного в обмотках якоря создаёт в обмотках индуктора внеш- нюю системутоков,благодаря которым в железе статора формируется

185

результирующее магнитное поле одного направления, а оно индуци- рует полный рабочий ток в обмотках якоря. В первый момент генера- тор выдаёт низкое напряжение, пока идёт процесс самовозбуждения магнитного поля индуктора (статора), затем, по мере установления штатной напряжённости магнитного поля,выходное напряжение бы- стро возрастает до номинальных значений.

Такой тип генераторов назван машинами с самовозбуждением или динамо-машинами.

Направление вращения якоря (ротора) втаких электрогенераторах строго установлено по направлению магнитного поля остаточного намагничивания сердечников индуктора. Если вращать ротор в об- ратную сторону, то индуцированный ток будет создавать магнитное поле противоположное магнитному полю остаточного намагничива- ния сердечников индуктора (статора), сердечники индуктора размаг- нитятся, и процесс самовозбуждения магнитного поля не запустится, электрогенератор перестанет работать.

Для восстановления его работоспособности необходимо обмотки индуктора подключить на короткое время к постороннему источнику постоянного тока таким образом, чтобы его сердечники намагнити- лись в направлении,требуемом для вращения ротора.

Соединять цепи индуктора, якоря и внешней сети можно различ- ными способами: последовательно (сериесная динамо-машина), па- раллельно (шунтовая динамо-машина) и совмещать в одном генера- торе оба способа соединения (компаунд-машина).

Соединяя последовательно цепь индуктора, цепи отдельных сек- ций якоря и внешней сети с помощью щёточно-коллекторного узла в единую цепь,то получают электрогенератор с последовательным возбуждением (рисунок ниже), в котором индуцированный рабочий ток в обмотках якоря, пройдя через обмотки индуктора, поступает во внешнюю сеть. Ток во внешней сети равен току, проходящему че- рез индуктор, поэтому его обмотки имеют небольшое число витков из проводника большого сечения.

186

Генератор с последовательным возбуждением без нагрузки во внешней сети (вхолостую) невозможно запустить,единая цепьока- зывается разомкнутой и ток, индуцируемый в якоре, не может идти через обмотки индуктора (статора). При коротком замыкании внеш- ней сети напряжение на зажимах генератора падает до нуля, а ток возрастает в несколько раз по сравнению с номинальным (рабочим) током в обмотках якоря, что может привести к его повреждению. С ростом нагрузки во внешней сети напряжение и ток вначале растут до наступления магнитного насыщения сердечников индуктора, до- стигая номинальных (рабочих) значений, после магнитного насыще- ния сердечников, когда практически не усиливается магнитное поле индуктора, которое могло бы компенсировать рост нагрузки, напря- жение на зажимах генератора падает с увеличением тока, проходя- щего через обмотки индуктора. Зависимость напряжения на зажимах генератора от величины тока, направляемого во внешнюю сеть, объ- ясняет редкое применение такого электрогенератора на практике.

Применяется для питания вентиляторов, насосов, электропривода станков со строго постоянной нагрузкой.

Соединяя параллельно цепь индуктора, цепи отдельных секций якоря и внешней сети с помощью щёточно-коллекторного узла,то по-

лучают электрогенератор с параллельным возбуждением (рису-

нок ниже), в котором индуцированный рабочий ток в обмотках якоря разветвляется на цепь индуктора и внешнюю сеть. Небольшая часть тока якоря проходит через обмотки индуктора, создавая магнитное поле, а другая значительная часть поступает во внешнюю сеть. Вели- чина тока, проходящего через индуктор, позволяет выполнять его об- мотки из большого числа витков проводника более тонкого сечения (чем у сериесной машины).

В генераторах с параллельным возбуждением при коротком за- мыкании внешней сети ток уменьшается до минимального значения, что не может привести к повреждению генератора и это является его техническим преимуществом перед генератором с последователь-

187

ным возбуждением.При увеличении нагрузки во внешней сети растёт ток во внешней сети, но плавно падает напряжение, так как меняет- ся соотношение токов в пользу внешней сети. Ток в цепи индуктора уменьшается,медленно слабеет его магнитное поле,а значит,и инду- цируемая в якоре э. д. с. В полюсных сердечниках индуктора магнит- ное насыщение происходит медленно, поэтому ток и напряжение до- стигаютноминальныхзначений,приэтомнапряжениеменяетсямало вдовольно широком интервале изменений нагрузки во внешней сети. При выше двукратной нагрузке ток вначале растёт, пока не наступит магнитное насыщение полюсных сердечников индуктора, а затем ток падает до минимума.

Применяется в передвижных сварочных аппаратах, в технике свя- зи для питания радиоустановок,для питания зарядных устройств.

Генератор,укоторогонаполюсныхсердечникахиндуктораимеются две обмотки, подключённые через щёточно-коллекторный узел с об- мотками якоря одна последовательно,а другая параллельно,относится к электрогенератору со смешанным возбуждением (рисунок ниже).

Техническим преимуществом такого устройства генератора является практически полное постоянство напряжения на зажимах генератора при очень больших изменениях величинытока во внешней сети.

Взаимное влияние обоих схем соединения на величину э. д. с. в об- мотках якоря позволяет достигнуть постоянства напряжения.

Современные электрогенераторы постоянного тока промышленно изготавливаются в широкомдиапазоне мощностей и напряжений при соответствующих скоростях вращения вала.

Генераторы постоянного тока нашли применение на городском электротранспорте (трамваи,троллейбусы),в автотранспорте,атакже для питания низковольтных цепей управления и в технике электро- связи.

Характерным техническим преимуществом генераторов постоян- ноготокаявляетсялёгкая(безсущественныхизмененийконструкции)

188

обратимость в двигатели постоянного тока. Для этого достаточно присоединить щётку «+» с положительным полюсом сети,щётку «-» — с отрицательным полюсом. Ток в якоре (роторе) будет течь в обрат- ном направлении,и сила взаимодействиятока якоря с магнитным по- лем индуктора (статора) не будет препятствовать его вращению, как

вгенераторном режиме, а наоборот, будет способствовать вращению

вту же сторону, какое было в режиме генератора. Якорь (ротор) при- ходит в движение за счёт того, что его магнитное поле отталкивается от магнитного поля индуктора (статора) за счёт силы Ампера, дей- ствующей на проводник с электрическим током, находящийся в маг- нитном поле.

Направление вращения якоря (ротора) зависит от направления магнитного поля индуктора и направления тока якоря. Чтобы изме- нить направление вращения якоря (ротора), необходимо изменить направлениетока либо в якоре,либо в индукторе.Одновременное из- менение направлений тока в якоря и в индуктор не меняет направле- ние вращения вала якоря.

Этот процесс обеспечивается щёточно — коллекторным узлом, ко- торый является одновременно и датчиком углового положения рото- ра и переключателем тока в обмотках якоря и индуктора.

Врежиме генератора щёточно-коллекторный узел выпрямляетвы- рабатываемый переменнымток,а в режимедвигателя —устанавлива- ет одно направление вращающего момента, заставляющего вал якоря вращаться в одну сторону, которое было в режиме генератора.

Наличие щёточно-коллекторного узла позволяет двигателям по- стоянноготока работатькак отсети постоянноготока,так и сети пере- менного тока (изменение направления переменного тока сети одно- временно меняет направление тока и в якоре и в индукторе, поэтому направление вращения вала якоря не меняется), что позволяет им быть универсальными.

Универсальные коллекторныедвигатели постоянноготока неболь- шой мощности применяют в ручных электроинструментах (электро- дрели, электролобзики, электрорубанки, электропилы), пылесосах, кофемолках, швейных машинах, блендерах, электробритвах.

Коллекторные двигатели постоянного тока считаются синхронны- ми машинами постоянного тока, обладающие самосинхронизацией, и способны в определённых условиях работать как генераторы посто- янного тока.

Если индуцированная в якоре э. д. с. меньше напряжения внешней сети, то электрическая машина работает в режиме двигателя — отби- рает из сети энергию, если индуцированная в якоре э. д. с. больше на- пряжения внешней сети,то электрическая машина работает в режиме генератора — отдаёт энергию в сеть.

189