Специальные асинхронные машины

Понятие «специальные машины» отражает специфику применения машин и связанные с этим конструктивные видоизменения. Применения асинхронных машин непрерывно расширяются, и их многообразие нельзя описать при ограниченном объеме книги, поэтому ниже рассматриваются лишь отдельные основные группы специальных асинхронных машин. Многочисленная группа специальных асинхронных машин, применяемых в системах автоматического управления, описана в параграфе 3.21.

Одной из ветвей конструктивного видоизменения асинхронных машин являются машины с двумя роторами и в пределе машина с п роторами. На рис. 3.100 показана конструкция машины с двумя роторами. Внутренний ротор 1 обычный с короткозамкнутой обмоткой, а второй ротор выполнен в виде полого цилиндра 2. Статор 3 — традиционной конструкции. Первый ротор может использоваться для вращения вентилятора, который обеспечивает отвод тепла, а двигатель с полым ротором используется как исполнительный двигатель. При регулировании напряжения частота вращения вентилятора изменяется мало, так как короткозамкнутый ротор имеет небольшое активное сопротивление, а частота вращения полого ротора при изменении напряжения изменяется в широких пределах.

Система уравнений, описывающая процессы преобразования энергии в машине с двумя роторами, состоит из двух уравнений движения и шести уравнений напряжения.

Рис. 3.100. Асинхронный двигатель с двумя роторами.

Можно представить машину с тремя, четырьмя и п роторами и составить для них математическую модель. Математическая модель машины с несколькими или п роторами подходит для анализа процессов электромеханического преобразования энергии в машинах с жидким ротором. Машины с жидким ротором называются также магнитогидродинамическими машинами (МГД-машинами).

Магнитогидродинамические двигатели — насосы состоят из двух неподвижных статоров — одного с обмоткой и второго (внутреннего статора) без обмотки. Между стальными сердечниками обычно имеются тепловые экраны, предохраняющие сердечники и обмотки от попадания жидкости и снижающие гидравлическое сопротивление. Вращающееся магнитное поле наводит в жидкости — роторе машины — токи, и электромагнитные силы увлекают жидкость. Чтобы получить осевые перемещения жидкости, один из статоров или оба имеют винтовую нарезку. Жидкий ротор, так же как и массивный ротор (см. рис. 3.55), можно разделить на п слоев. Каждый слой имеет механическую связь с другими слоями, и при вращении жидкости имеет место сложное взаимодействие между слоями, определяемое как магнитным полем, так и механическими воздействиями. В первом приближении п слоев жидкости можно заменить одним слоем и рассматривать процессы преобразования энергии, как в асинхронной машине с одним ротором.

Индукционные насосы находят применение в атомных реакторах для отбора тепла из радиоактивного контура. В качестве теплоносителя используются жидкие металлы и сплавы — натрий, калий и их соединения. Находят применение установки для перемешивания жидких металлов в металлургической промышленности и в литейном производстве.

В МГД-машинах жидкий ротор может быть заменен электропроводящим газом или плазмой. Асинхронные двигатели с газообразным ротором не нашли применения.

Как и все электрические машины, МГД-машины обратимы. Прогоняя жидкость или газ в магнитном поле, можно создать МГД-генераторы. В индукционных насосах, чтобы получить генераторный режим работы, достаточно прогонять жидкость со скоростью, большей скорости движения магнитного поля.

Линейные двигатели отличаются от обычных асинхронных двигателей тем, что они имеют разомкнутый магнитопровод, и круговое поле в воздушном зазоре линейных двигателей ни при каких условиях не может быть получено. Если в обычном асинхронном двигателе выполнить магнитопровод в виде дуги, получим машину с дуговым статором (рис. 3.101, а). Такие двигатели удобно встраиваются в механизм, они находят применение в приводах сепараторов и установках для перемешивания металла.

Рис. 3.101. Двигатель с сегментным (дуговым) ротором (я) и линейный двигатель (б).

Принципиальным недостатком таких машин является появление в воздушном зазоре отраженных волн. Если в обычной электрической машине в воздушном зазоре образуются бегущие волны, которые укладываются по окружности статора целое число раз, то в машине с дуговым статором бегущая волна магнитного поля, отражаясь от краев магнитопровода, искажается, порождая бесчисленное число отраженных от обоих краев волн магнитного поля. Это явление принято называть краевым эффектом. Краевые эффекты ухудшают энергетические показатели машины, что ограничивает возможности применения таких машин.

Картина поля в воздушном зазоре асинхронного линейного двигателя определяется во многом длиной дуги статора, а (см. рис. 3.101, а). При числе пар полюсов р и частоте сети /1 частота вращения.

При, а = 2л, когда статор полностью охватывает ротор, получается обычная машина и синхронная частота вращения П =f/p.

Условия электромеханического преобразования энергии, близкие к условиям в машинах с дуговым статором, имеются в обычных асинхронных двигателях, когда используется только часть обмотки статора. Если в трехфазном двигателе отключить одну фазу, а две оставшиеся подключить к двухфазной системе напряжений, то вращающееся поле будет создано лишь на части статора, занятой обмоткой, обтекаемой токами. В этом случае появятся отраженные волны магнитного поля от участков статора, занятых секциями обмотки отключенной фазы. Хотя в этом случае пет явно выраженных границ магнитопровода, краевые эффекты проявляются почти так же, как в машинах с дуговым статором.

При проектировании электрических машин необходимо стремиться как к магнитной симметрии, так и к электрической симметрии, когда обмотки статора и ротора занимают всю зубцовую зону. Если в машине с дуговым статором увеличить радиус до бесконечности, получим линейный двигатель, показанный на рис. 3.101, б. В линейном двигателе может быть статор 1 длиннее ротора или наоборот. Ротор в линейных двигателях часто называют бегуном 2.

В воздушном зазоре линейного двигателя, так же как и в двигателе с дуговым статором, за счет отраженных волн магнитное поле сильно искажается и не может быть круговым. В первом приближении магнитное поле в зазоре линейного двигателя можно рассматривать как эллиптическое поле с достаточно большой амплитудой обратного поля.

Конструкции линейных асинхронных двигателей весьма разнообразны. Бегун может выполняться в виде массивного ротора или с короткозамкнутой обмоткой, расположенной в пазах. Чтобы избежать магнитных тяжений, линейный двигатель может иметь ротор, расположенный между двумя статорами. Возможно применение обращенной конструкции, когда короткозамкнутый ротор неподвижен, а движется статор с фазной обмоткой.

Линейные двигатели находят применение для получения возвратно-поступательного движения. Однако в этом случае применение их целесообразно там, где допустимы низкие энергетические показатели. Коэффициент полезного действия в этом случае низкий из-за искажения поля в воздушном зазоре, а также из-за того, что при пусках и остановках двигателя большая часть энергии, забираемая из сети, преобразуется в тепло. Непрерывные переходные процессы при реверсировании двигателя резко снижают КПД и costp.

Прежде чем пойти на применение линейного двигателя для получения возвратно-поступательного движения, необходимо сравнить его с обычным двигателем и механической системой для получения возвратно-поступательного движения.

Линейные двигатели могут использоваться для различных транспортных устройств. Одним из возможных вариантов является использование в качестве бегуна экипажа, перемещающегося вдоль полотна, представляющего собой статор длиной в десятки и сотни километров. При магнитном подвесе экипажа могут быть достигнуты скорости в несколько сотен километров в час. Однако такие установки требуют большие мощности, необходимые для высокоскоростного транспорта, что и осложняет их массовое применение. Большие перспективы, на наш взгляд, имеет грузовой транспорт с линейными двигателями при сравнительно низких скоростях движения.

Важным направлением применения линейных двигателей является использование их для ускорения или замедления больших масс движущихся объектов.

Линейные асинхронные двигатели используются в качестве насосов, когда ротором является жидкость. Плоские насосы имеют два статора с обмоткой 1, между которыми находится канал прямоугольного сечения 2 с жидким металлом (рис. 3.102). Для линейных асинхронных двигателей с жидким ротором недостатки из-за турбулентного течения жидкости в канале только усугубляются.

Линейные электрические машины применяются практически только в двигательном режиме. В генераторном режиме находит применение МГД-геператор — электромеханический преобразователь энергии. МГД-генератор на выходе обычно дает постоянные напряжение и ток (параграф 5.12). Но при пульсациях магнитного поля или скорости плазмы на выходе можно получить переменные напряжение и ток. Такой генератор по принципу действия и конструкции близок к линейным двигателям и МГД-насосам.

Рис. 3.102. Насос, выполненный на базе линейного двигателя.

Во всех машинах, которые рассматривались до сих пор, вращалась только одна часть машины — ротор. Однако можно сделать машину, у которой будут вращаться и ротор, и статор (рис. 3.103).

Рис. 3.103. Двухмерная электрическая машина.

Неподвижную часть принято называть статором, поэтому лучше говорить о машине с двумя роторами. В двухмерной машине или машине с двумя степенями свободы внутренний 1 и внешний роторы 2 вращаются относительно друг друга в противоположные стороны. На валу имеется двойной комплект контактных колец 3, через которые обеспечивается связь с вращающимися обмотками. Электромагнитный момент приложен к внутреннему и внешнему роторам. При этом угловые скорости внешнего со_вш и внутреннего со_вт роторов в сумме примерно равны синхронной угловой скорости ПОЛЯ <�О_с.

Машина с двумя вращающимися роторами имеет две степени свободы и описывается системой четырех уравнений напряжений, двумя уравнениями движения и уравнением, связывающим угловые скорости:

Уравнения двухмерной электрической машины (3.143) — (3.146) отличаются от уравнений одномерной машины тем, что в уравнениях напряжений, относящихся к внутреннему и внешнему роторам, есть члены, определяющие ЭДС вращения, гак как обе части вращаются. В уравнения движения входят моменты инерции внешнего /_вш и внутреннего J_BH статоров, а также моменты сопротивлений, приложенные к обоим роторам, М_вш и М_ви.

Рис. 3.104. Трехмерный асинхронный двигатель.

Трехмерная электрическая машина, показанная на рис. 3.104, имеет два полукольцевых статора 2 и 3 и ротор 1 в виде шара. Ротор подвешен над статорами и в зависимости от моментов, создаваемых статорами, вращается в трехмерном пространстве.

Если в трехмерной машине (рис. 3.104) вращаются и ротор, и статор, это будет шестимерная машина. Изучение процессов преобразования энергии в многомерных электрических машинах имеет важное значение для космической электромеханики, когда масса, с которой соединен статор электрической машины, соизмерима с массой ротора и вращение электрических машин влияет на ориентацию корабля.

Процессы электромеханического преобразования в многомерных электромеханических преобразователях описываются гораздо более сложными уравнениями. Уравнения машин с одной вращающейся частью являются частным случаем уравнений машин с несколькими степенями свободы. Подходить к уравнениям многомерных машин, наращивая их сложность и двигаясь от уравнений обычных одномерных машин, надо очень осторожно. Уже в двухмерной машине понятие скольжения — относительной частоты вращения — усложняется, а момент инерции влияет на значение установившейся частоты вращения. Многомерная электрическая машина с и степенями свободы не может преобразовывать энергию в механическую и обратно, так как из выражения (3.146) следует, что частота вращения в такой машине стремится к нулю, «-мерная машина работает как электромагнитный преобразователь [71.

За счет несимметричного расположения ротора внутри статора можно получить электрические машины с новыми качествами.

В двигателях с катящимся ротором ротор с короткозамкнутой обмоткой расположен эксцентрично относительно статора (рис. 3.105).

Рис. 3.105. Двигатель с катящимся ротором.

Вращающий момент в таком двигателе создается за счет сил одностороннего магнитного притяжения Из-за большой несимметрии воздушного зазора электромагнитный момент формируется из произведений токов в обмотках статора и ротора, расположенных в разных осях и по одной оси. и уравнении момента обобщенной машины появляются произведения токов в обмотках статора R_ai'_a и ротора г’рг’р, расположенных по одной оси.

Несимметричное магнитное поле поворачивает ротор в точке касания его со статором, а также будет перемещаться ось ротора по малой окружности, показанной на рис. 3.105 штриховой линией. При этом частота вращения ротора зависит от разности длин окружности статора и ротора или разности радиусов статора R_s и ротора R, :

или.

Несимметрия магнитного поля в двигателях с катящимся ротором достигается не только за счет несимметрии зазора, но и за счет схем обмоток и схем питания. Недостатками таких двигателей являются большой шум, износ катков, по которым перемещается ротор, и необходимость в специальных передачах от вала двигателя к приводному механизму.

В двигателях с волновым ротором ротор деформируется под действием сил магнитного тяжения. При вращении ноля волны деформации перемещаются синхронно с полем и происходит обкатывание статора 2 ротором 1. При этом, когда поле сделает один оборот, ротор повернется вокруг своей оси на угол, равный разности длин окружностей статора и ротора (рис. 3.106). По принципу действия этот двигатель аналогичен двигателю с катящимся ротором и ему присущи те же недостатки.

Рис. 3.106. Двигатель с волновым ротором.

Здесь кратко рассмотрены только основные конструктивные видоизменения асинхронных машин, которые далеко не исчерпывают всего многообразия специальных асинхронных машин.