ІНДУКТОРНИЙ ГЕНЕРАТОР ІЗ СУМІЩЕНИМИ ОБМОТКАМИ

Автотракторні генератори випускаються мільйонними серіями щорічно. Тому зрозуміло намагання багатьох дослідників покращити їх показники. Синхронні генератори з обмоткою збудження на роторі досягли своєї досконалості і в існуючих конструктивних формах (обмотка збудження у вигляді котушки з 2p кігтеподібними полюсами, що створюють 2p - полюсне поле) покращити вже практично неможливо [1]. В тракторах використовують переважно індукторні генератори, основна перевага яких перед синхронними генераторами є більш проста та надійна конструкція, відсутність контактних кілець, щіток і обмотки на роторі. Але їх суттєві недоліки: значно гірші, приблизно в 1,5 рази, масогабаритні показники, в 2 рази більші питомі витрати активних матеріалів - перевищують їх достоїнства [2]. Як показують дослідження, істотного покращення масогабаритних показників індукторних генераторів можливо досягнути, якщо сумістити обмотку збудження з обмоткою якоря [3]. Для цього потрібно так змінити конструкцію магнітопроводу індукторного генератора, щоб обмотка збудження знаходилася на тих же зубцях статора, що і обмотка якоря.

За базову конструкцію приймаємо однополюсний індукторний генератор аксіального збудження, який знайшов переважне застосування. Двополюсна обмотка збудження утворює в робочому зазорі магнітне поле одної полярності, пульсація якого завдяки зубчатій конструкції ротора наводить ЕРС в якірній обмотці. При порівнянні базової конструкції з розглядуваним індукторним генератором приймаємо внутрішній діаметр статора, де розміщена якірна обмотка, і довжину пакета статора (робочу поверхню якоря) однаковими.

Беручи до уваги, що МРС збудження пропорційна числу пар полюсів

де - числа витків обмотки одної пари полюсів, необхідно намагатись створити систему збудження з мінімально можливим числом пар полюсів обмотки збудження.

Обмотка збудження повинна бути також узгоджена з трифазною обмоткою якоря. Мінімальне число зубців якоря, на яких можливо утворити трифазну обмотку, дорівнює трьом. З огляду на те, що ці ж зубці повинні утворювати магнітне поле збудження, їх число повинно бути парним. Тому мінімально можливе число зубців на статорі Z₁=6. При Z₁=6 кожна пара зубців статора є окремою фазою. Також кожна пара зубців статора утворює магнітний потік збудження. Тому статор із Z₁=6 буде мати шестиполюсний магнітний потік збудження. 2р_ЗБ=6 - мінімально можливе число полюсів збудження в суміщеному індукторному генераторі.

Наявність в повітряному робочому зазорі магнітного поля одної полярності, як в індукторному генераторі аксіального збудження, чи магнітного поля різнополюсної полярності, як в розглядуваному суміщеному індукторному генераторі, не впливає на величину ЕРС якірної обмотки та її частоту. На величину ЕРС якірної обмотки впливає тільки величина пульсацій магнітного потоку в кожному зубці, незалежно від напряму потоку, а частота ЕРС залежить від швидкості обертання ротора та числа його зубців.

Число зубців ротора Z₂ повинно бути парним. Це потрібно, щоб, по-перше, не було одностороннього магнітного протягування і, значить, магнітних вібрацій; по-друге, для збільшення величини пульсацій магнітного потоку в фазах: в певну мить часу під парою зубців статора, що є фазою, повинні розміщуватись зубці ротора, в слідуючу мить, через півперіоду - пази ротора. Цю умову можливо виконати, якщо Z₂ є парним.

Для більш раціонального використання магнітопроводу статора та ротора важливо, щоб Z₂ як можна менше відрізнялось від Z₁. Найкраще підходить Z₂=8.

Для того, щоб досягалась максимально можлива пульсація, необхідно щоб

де - ширина зубця статора і відповідно ротора;

- ширина паза статора і відповідно ротора.

В розглядуваному генераторі при внутрішньому діаметрі мм, мм, мм, мм, мм.

Збудження зубців статора можливо виконати в двох варіантах.

І-й варіант: перші три зубці мають однакову полярність, наступні три зубці - протилежну полярність (рис. 1, а). На рис. 1, б - схема обмотки збудження.

ІІ-й варіант: зубці мають різнополюсну полярність, їх полярність чергується (рис. 2, а, б).

При Z₂=8 геометричний кут між двома поряд розміщеними зубцями ротора буде складати 360⁰ ел.

На рис. 3 показані на колі статора вісі зубців статора (вони пронумеровані), на колі ротора - вісі зубців ротора. Вісі зубців ротора співпадають з вісями зубців статора 1 та 4, відносно зубців 2 та 5 відстають на 120⁰ ел., відносно зубців 3 та 6 випереджують на 120⁰ ел. Якщо розмістити фазу А якірної обмотки на зубці 1, то фаза В, розміщена на зубці 2, при збудженні по першому варіанту (зубці 1, 2, 3 мають однакову полярність) буде відставати від фази А на 120⁰ ел., фаза С, розміщена на зубці 3, буде випереджувати фазу А на 120⁰ ел.

На рис. 4 показані вектори ЕРС котушок. Котушка, розміщена на зубці 4 (котушка 4), співпадає за напрямком з ЕРС котушки 1, але буде в протифазі, так як зубець 4 має протилежну полярність збудження. Аналогічно визначаються вектори котушок 5 та 6. тому якірна обмотка при збудженні по І-му варіанту має вигляд (рис. 5).

При різнополюсному збудженні вектори котушок 2 та 5 повертаються на 180⁰ (рис. 6) і якірна обмотка має вигляд (рис. 7).

По першому варіанту збудження потрібна дещо більша висота спинки статора та ротора, зате в роторі будуть менші втрати в сталі із-за меншої в три рази частоти перемагнічування. При цьому частота пульсацій в зубцях ротора залишається незмінною.

Довжина витка котушки збудження, що охвачує зубець, в два рази менша, ніж в індукторному генераторі аксіального збудження з однаковою робочою поверхнею якоря. Приймаючи до уваги, що в індукторному серійному генераторі аксіального збудження магнітний потік більшу частину свого шляху проходить по стальним масивним конструктивним елементам (кришка, втулка, вал), а також поперек шихтованих пластин в спинці статора, - для створення однакового значення індукції В_д в повітряному робочому зазорі в розглядуваному індукторному генераторі на пару полюсів потрібно в 2,5 рази менше міді, а на всю обмотку збудження (на три пари полюсів) піде в рази більше міді, ніж в індукторному генераторі аксіального збудження.

Щоб мати можливість пропустити струм збудження по обмотці якоря, фазні обмотки якоря необхідно з'єднати по схемі трикутника, в кожну із фаз ввімкнути послідовно узгоджено діоди, а струм збудження від окремого джерела збудження подавати на діод в одній із фаз, завдяки чому по обмотці якоря має можливість протікати струм збудження. При навантаженні в якірній обмотці протікає випрямлений однопівперіодний струм, і його МРС направлена узгоджено з МРС струму збудження.

Рисунок 8

Однак більш перспективною виявилась схема з одним діодом в одній із фаз, наприклад, в фазі С (рис. 8). При збільшенні числа витків фази С в обмотці якоря з'являється додатковий однопівперіодний струм, який буде протікати послідовно по всіх фазах обмотки якоря, з'єднаних в трикутник, і цей струм буде збільшувати магнітне поле зубців. Додатковий струм І_Д в контурі можливо вирахувати за формулою

де - комплексний опір всіх послідовно з'єднаних в трикутник фаз обмотки якоря для однопівперіодного струму, - комплексні значення однопівперіодних ЕРС, зміщених одна відносно іншої на кут

Сумістивши початок координат з максимальним значенням ЕРС фази С (рис.9), одержимо для миттєвого значення струм

де , , .

Так як в фазі С протікає однопівперіодний струм навантаження (в фазах А та В - синусоїдний струм), а також постійний струм збудження і додатковий струм, який попередньо приймемо рівним половині струму збудження, можна вважати, що фаза С порівняно з іншими двома фазами навантажена приблизно на 70% менше, поперечний переріз її проводу можна на стільки ж зменшити і пропорційно збільшити число витків фази С.

Така схема, як показують дослідження, є найбільш перспективною.

Рисунок 9

Розглянемо, як збільшується потужність генератора при суміщенні обмоток. Приймаючи, що вага міді обмотки збудження та вага міді якірної обмотки однакові і мають однакові числа витків, при суміщенні обмоток із збереженням тих же чисел витків поперечний переріз провідників збільшується в 2 рази, а опір обмотки зменшується в 2 рази.

Тому струм збудження можливо збільшити в рази (потужність, що йде на збудження, при цьому не змінюється), пропорційно збільшуються індукція В_д, напруга U на якірних виводах, і при незмінному струмові навантаження потужність генератора збільшується в рази. Але збільшення поперечного перерізу провідників обмотки дозволяє збільшити також і струм навантаження (струм якоря) теж приблизно в рази. Враховуючи падіння напруги, що виникає при збільшенні струму якоря, корисна електрична потужність генератора збільшується приблизно в 1,7 рази. Такий генератор по масогабаритним та питомим показникам наближається до серійного синхронного генератора з обмоткою на роторі та контактними кільцями.

Слід мати на увазі, що в розроблюваному генераторі ротор з огляду на його просту та надійну конструкцію не має обмежень при збільшенні швидкості обертання. Номінальну швидкість обертання для даного генератора слід збільшити в 2 рази і установити n=10000 об/хв., що ще дозволяє збільшити потужність в 1,7-1,8 рази. Тобто розроблюваний генератор може перевершити по масогабаритним та питомим показникам серійний синхронний генератор з контактними кільцями і обмоткою збудження на роторі.

Література

Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей. - М., 1989. - 287 с.

Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока. М., 1982. - 272 с.

Лущик В.Д. Вентильні генератори індукторного типу з суміщеними обмотками // Вісник Національного технічного університету „Харківський політехнічний інститут”. - 2000. - № 84. - С. 129-130.

Лущик В.Д., Гречко М.В. Дослідження індукторного генератора з несиметричною суміщеною обмоткою // Вісник Національного технічного університету „Харківський політехнічний інститут”. - 2002. - № 14. - С. 49-52.