Какова конструкция синхронных машин с явнополюсным и неявнополюсным роторами кратко
Обновлено: 04.07.2024
Конструктивная схема машины. В зависимости от расположения якоря синхронные машины выполняют с неподвижным или вращающимся якорем. Машины большой и средней мощности (рис. 285) выполняют с неподвижным якорем для удобства отвода электрической энергии от обмотки якоря или ее подвода к ней. Поскольку мощность возбуждения невелика, подвод постоянного тока к расположенной на роторе обмотке возбуждения с помощью двух колец не вызывает особых затруднений. В синхронных машинах с неподвижным якорем якорь 3 выполнен так же, как и статор асинхронной машины. На нем имеются пазы, в которых уложена трехфазная обмотка. Сердечник якоря запрессован в остов 2, для крепления машины на остове имеются лапы 6. Возможно также крепление с помощью фланца или другими способами. На валу ротора 4 установлен вентилятор 5, обеспечивающий охлаждение машины. Возбуждение синхронной машины осуществляется в данном случае от возбудителя 1.
Конструкция ротора. В машинах с неподвижным якорем применяют две различные конструкции ротора: явнополюсную (рис. 286, а) и неявнополюсную (рис. 286,б). Явнополюсный (с явновыраженными полюсами) ротор обычно используют в машинах с четырьмя и большим числом полюсов. Обмотку возбуждения выполняют в этом случае в виде цилиндрических катушек 2 прямоугольного сечения, которые размещают на сердечниках 3 полюсов и укрепляют полюсными наконечниками 1.Ротор, сердечники полюсов и полюсные наконечники изготовляют из листовой
Рис. 285. Общий вид синхронной машины с возбудителем
Рис. 286. Расположение обмотки возбуждения на роторе синхронной явнополюсной (а) и неявнополюсной (б) машины
По своему назначению синхронные машины подразделяют на турбогенераторы, гидрогенераторы, дизель-генераторы и синхронные двигатели. Назначение машины в значительной степени определяет и ее конструкцию. Турбогенераторы, приводимые во вращение быстроходными паровыми или газовыми турбинами, выполняют неявнополюсными. Для получения стандартной частоты 50 Гц они должны иметь при двух полюсах частоту вращения 3000 об/мин, а при четырех полюсах—1500 об/мин. Гидрогенераторы приводятся во вращение тихоходными турбинами, частота вращения которых составляет несколько десятков или сотен оборотов в минуту, поэтому они выполняются с большим числом полюсов (16—96) и имеют явнополюсные роторы. Дизель-генераторы, работающие от двигателей внутреннего сгорания, и синхронные двигатели небольшой и средней мощности выполняют обычно явнополюсными, мощные же двигатели — неявнополюсными.
Дизель-генераторы и синхронные двигатели выполняют, как правило, с горизонтальным расположением вала (рис. 287, а). В дизель-генераторе обычно имеется один подшипник; в качестве второй опоры ротора используется подшипник самого дизеля, вал которого жестко соединяется с валом ротора генератора. В синхронных машинах с явнополюсным ротором в полюсных наконечниках (рис. 287, 6) размещаются стержни беличьей клетки, выполненной из меди или латуни. С торцовых сторон ротора стержни соединяются с короткозамыкающими кольцами. В генераторах эту клетку называют демпферной обмоткой; она обеспечивает
Рис. 287. Роторы дизель-генератора: 1 — вал; 2 — обмотка возбуждения; 3 — полюс ротора; 4 — стержни беличьей клетки; 5 — короткозамыкающие кольца
быстрое затухание колебаний ротора, возникающих при резких изменениях режима работы машины. В синхронных двигателях беличья клетка служит в качестве пусковой обмотки.
Практически все синхронные машины имеют одинаковое конструктивное исполнение. Одной из их важнейших характеристик является полюсность. Она определяется конструктивными параметрами устройства.
Явнополюсные и неявнополюсные синхронные машины
Чтобы понять, как устроены явнополюсная и неявнополюсная синхронные машины необходимо знать из чего состоит их конструкция. Она включает в себя неподвижный элемент – статор, представлящий собой корпус, внутри которого размещен цилиндрический сердечник с тонкими пластинами, а также пазами, предназначенными для укладки обмотки статора. Сердечник с обмоткой называют якорем. В середине статора расположен ротор и именно он определяет тип машины: явнополюсный или неявнополюсный. На изображении визуально видны их отличия:
Явнополюсной ротор синхронной машины и неявнополюсный
Уже понятно, какая синхронная машина называется явнополюсной и как она выглядит. Теперь необходимо понять, где применяются явнополюсные роторы в синхронных машинах. Они применяются на низких частотах вращения, например, в гидрогенераторах. Как правило, их используют в агрегатах с 4 полюсами и более. Обмотку возбуждения в таком исполнении создают в виде цилиндрических катушек, которые устанавливают на сердечниках полюсов и фиксируют с помощью полюсных наконечников. Машины с таким исполнением ротора широко используются в качестве дизель-генераторов.
Что касается представителей неявнополюсных машин, то самыми популярными являются турбогенераторами, которые, как правило, используются для соединения с паровыми турбинами.
Синхронной называется машина переменного тока, ротор которой вращается с частотой, равной частоте вращения магнитного поля статора. Частота вращения синхронной машины в установившемся режиме не зависит от ее нагрузки и определяется частотой тока сети ƒ числом пар полюсов р машины: n = 60ƒ/р. Синхронные машины выпускаются с двумя типами роторов: явнополюсными и неявнополюсными.
Рис. 84. Синхронная машина:
1 — сердечник статора; 2 — обмотка статора; 3 — полюс ротора; 4 — контактные кольца; 5 — подшипниковый щит; 6 — подшипник (корпус); 7 — вал; 8 — станина.
В станину синхронной машины с явнополюсным ротором запрессован сердечник 1 статора, в пазах которого уложена трехфазная обмотка 2 (рис. 84). В расточке сердечника статора размещен ротор. На валу явнополюсного ротора укреплены полюса 3 с обмотками возбуждения. Питание к обмоткам возбуждения подводится с помощью щеток и колец 4, изолированных от вала и друг от друга. Вал 7 опирается на подшипники 6, расположенные в подшипниковых щитах 5.
Явнополюсные роторы применяют при сравнительно невысоких частотах вращения синхронных машин (до 1500 об/мин) (рис. 85, а). Станина 13 имеет цилиндрическую форму и изготовляется литьем из серого чугуна, силумина. Внутри станина имеет продольные ребра 14, между которыми запрессован с помощью нажимных колец 10, пальцев 11 и шпилек 15 сердечник статора 12.
Сердечник статора изготовляют шихтовкой листов, штампованных из электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Внешняя окружность листов имеет выступы или впадины для фиксации их в ребрах станины при сборке. По внутренней окружности заготовок сердечников равномерно предусмотрены пазы, в которых располагают активные проводники обмотки 9 статора. При сборке сердечника между пакетами 12 прокладывают листы с приваренными дистанционными прокладками, образующими вентиляционные каналы.
Рис. 85. Устройство явнополюсного (а) и неявнополюсного (б) роторов:
1 — отвод обмотки возбуждения; 2 — пакет ярма ротора; 3 — вентиляционный канал; 4 — нажимная шека полюса: 5 — полюс; 6 — обмотка возбуждения; 7 — замыкающее кольцо успокоительной обмотки; 8 — стержень успокоительной обмотки; 9 — обмотка статора; 10 — нажимное кольцо статора; 11 — нажимной палец; 12 — пакет статора; 13 — станина; 14 — ребро-клин; 15 — шпилька; 16 — корпус ротора; 17 — клин; 18 — хвостовик полюса ротора; 19 — паз ротора; 20 — стальные клинья; 21 — осевой охладительный канал; 22 — бандаж; 23 - центрирующее кольцо; 24 — контактные кольца; 25 — бочка ротора; 26 — большой зуб; 27 — осевой канал.
Сердечник явнополюсного ротора состоит из полюсов 5 и ярма 2, укрепленных на корпусе 16 (рис. 85, а). Полюса набирают из листов стали толщиной 1 — 1,5 мм и прессуют между литыми или кованными нажимными щеками 4 с помощью шпилек 15.
Ярма роторов машин малой и средней мощности выполняют массивными. В этом случае полюсы крепят к ярму радиальными болтами. В машинах большой мощности ярма выполняют шихтованными из штампованных листов стали СтЗ толщиной до 6 мм. Из листов образуют пакеты 2, разделенные каналами 3, и прессуют их стяжными шпильками. Полюсы соединяют с ярмом креплением Т-образных хвостовиков 18 в пазах ярма клиньями 17. На каждом полюсе установлена катушка 6 обмотки возбуждения. Выводы 1 от обмотки возбуждения соединены с контактными кольцами (не показаны).
В круглых пазах на поверхности полюсов уложены стержни 8 проводников успокоительной (демпферной) обмотки ротора, замкнутые на торцах накоротко кольцами 7.
Неявнополюсный ротор представляет собой цельную массивную цилиндрическую поковку, в которой сердечник ротора совмещен с валом (рис. 85, б). Для изготовления ротора (если его диаметр не превышает 800 мм) применяют углеродистую сталь. При больших размерах для повышения механической прочности конструкции используют специальную легированную сталь.
Неявнополюсный ротор (рис. 85, б) подвергается обработке, в процессе которой высверливается осевой канал 27, который необходим для контроля качества поковки и уменьшения внутренних напряжений в металле. Наружная поверхность бочки 25 имеет винтовую канавку глубиной и шириной около 5 мм для улучшения условий охлаждения. По образующим активной части профрезерованы пазы 19 и осевой охладительный канал 21 в большом зубе 26, свободном от обмотки. Пазы 19 с обмоткой 6 и аксиальные каналы забиты клиньями 20, которые держат обмотки. Выводы обмотки возбуждения соединены с контактными кольцами 24. Лобовые части обмотки укреплены бандажами 22 из высокопрочной немагнитной стали. Бандажи охватывают центрирующие кольца 23, которые выполняют упругими.
admin
Синхронные машины выполняют с неподвижным или вращающимся якорем. Машины большой мощности для удобства отвода электрической энергии со статора или подвода ее выполняют с неподвижным якорем (рис. 1, а). Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3—2%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух колец не вызывает особых затруднений. Конструкция синхронных машины небольшой мощности выполняется как с неподвижным, так и с вращающимся якорем. В обращенной синхронной машине с вращающимся якорем и неподвижным индуктором (рис. 1, б) нагрузка подключается к обмотке якоря посредством трех колец.
Рис. 1. Конструктивная схема синхронной машины с неподвижным и вращающимся якорем:
1 – якорь; 2 – обмотка якоря; 3 – полюсы индуктора; 4 – обмотка возбуждения; 5 – кольца и щетки.
Рис. 2. Конструкция роторов синхронных машин.
а) неявнополюсная; б) явнополюсная.
1 — сердечник ротора; 2 — обмотка возбуждения.
В конструкции ротора синхронных машин различают два вида: неявнополюсный — с неявновыраженными полюсами (рис. 2, а) и явнополюсную — с явновыраженными полюсами (рис. 2, б).
Двух- и четырехполюсные машины большой мощности, работающие при частоте вращения ротора 1500 и 3000 об/мин, изготовляют, как правило, с неявнополюсным ротором. Применение в них явнополюсного ротора невозможно по условиям обеспечения необходимой механической прочности крепления полюсов и обмотки возбуждения. Обмотку возбуждения в такой машине размещают в пазах сердечника ротора, выполненного из массивной стальной поковки, и укрепляют немагнитными клиньями. Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные центробежные силы, крепят с помощью стальных массивных бандажей. Для получения приблизительно синусоидального распределения магнитной индукции обмотку возбуждения укладывают в пазы, занимающие 2/3 полюсного деления.
Конструкция явнополюсного ротора, обычно применяется в машинах с четырьмя полюсами и более. Обмотку возбуждения в этом случае выполняют в виде цилиндрических катушек прямоугольного сечения, которые размещают на сердечниках полюсов и укрепляют с помощью полюсных наконечников. Ротор, сердечники полюсов и полюсные наконечники изготовляют из листовой стали.
Рис. 3. Устройство явнополюсной машины: 1 — корпус; 2 — сердечник статора; 3— обмотка статора; 4 — ротор; 5 — вентилятор; 6 — выводы обмоток; 7 —контактные кольца; 8 — щетки; 9 – возбудитель
Рис. 4. Устройство пусковой обмотки в синхронных двигателях:
В синхронной машине (рис. 3) сердечник статора собирают из изолированных листов электротехнической стали и на нем располагают трехфазную обмотку якоря. На роторе размещают обмотку возбуждения. В явнополюсных машинах полюсным наконечникам обычно придают такой профиль, чтобы воздушный зазор между полюсным наконечником и статором был минимальным под серединой полюса и максимальным у его краев, благодаря чему кривая распределения индукции в воздушном зазоре приближается к синусоиде.
Любая синхронная машина состоит из двух главных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора (рис.5.1). Статор и ротор разделены воздушным промежутком, который в больших синхронных машинах, как правило, значительно больше, чем в асинхронных машинах, одинаковых по мощности.
По конструкции статор синхронной машины принципиально не отличается от статора асинхронной машины.
Сердечник статора 1 набирают из штампованных изолированных листов электротехнической стали. В пазах статора располагают обмотку переменного тока 2 (как правило, трехфазное). На валу 4 закрепляют ротор 3 с обмоткой возбуждения. Концы этой обмотки подводят к контактным кольцам 5. Для подачи постоянного тока в обмотку возбуждения по контактным кольцам скользят щетки 6. Источником постоянного тока в рассматриваемой машине служит возбудитель 7, представляет собой генератор постоянного тока, якорь которого закреплен на общем валу с ротором синхронной машины.
Рис. 5.1. Устройство явнополюсной синхронной машины
Постоянный ток, проходя по обмотке возбуждения, создает магнитное поле ротора-поле возбуждения.
Роторы синхронных генераторов бывают с явно выраженными и неявно выраженными полюсами.
Явнополюсный ротор (рис.5.2) состоит из вала 1, на котором закреплены сердечники полюсов с полюсными катушками 2. Сердечники полюсов заканчиваются полюсными наконечниками 3, обычно обрабатывают таким образом, чтобы воздушный промежуток между полюсным наконечником и статором получался неравномерным. Он минимальный под серединой полюса и максимальный у его краев (рис.5.3, d 2> d 1). Делается это для того, чтобы кривую магнитной индукции В 0 в воздушном промежутке, имеет форму трапеции при равномерном промежутка 1, максимально приблизить к синусоиде 2.
Синхронные машины с явно выраженными полюсами, как правило, многополюсные. Они обычно рассчитываются на небольшие частоты вращения.
Роторы генераторов имеют большой диаметр (для размещения полюсов) и малую длину.
Турбогенераторы являются быстроходными синхронными машинами. Объясняется это высокой частотой вращения турбин, КПД которых увеличивается с повышением частоты вращения. Как правило, турбогенераторы изготавливаются двухполюсный (2р = 2) и имеют частоту вращения n 1 = 3000 об / мин.
При такой большой частоте вращения явнополюсна конструкция ротора непригодна из-за недостаточной механической прочности. Поэтому турбогенераторы должны неявнополюсными ротор — кованый стальной цилиндр профрезованимы продольными пазами для укладки обмотки возбуждения (см. рис.5.7, б). Неявнополюсными роторы имеют сравнительно небольшой диаметр при значительной длине.
Рис. 5.2. Явнополюсный ротор Рис. 5.3. Распределение магнитной индукции в промежутке синхронной машины
В синхронных машинах используются два способа возбуждения: электромагнитное возбуждение и возбуждение постоянными магнитами.
В зависимости от способа питания обмотки возбуждения постоянным током различают независимое возбуждение и самовозбуждение.
При независимом возбуждении для получения постоянного тока используют возбудитель С (см. рис.5.1), который располагается на одном валу с синхронной машиной и представляет собой генератор постоянного тока, мощность которого не превышает 2 ¸ 5% от мощности синхронной машины.
При самовозбуждении для питания обмотки возбуждения постоянным выпрямленным током, получаемой от генератора, используются выпрямители.
В случае возбуждения постоянными магнитами ротор не имеет обмотки возбуждения, а его полюса представляют собой постоянный магнит. Это дает возможность получить машину без контактных колец, а потому, повысить ее надежность и КПД.
На полюсных наконечниках явно выраженных полюсов ротора имеются пазы, в которых укладывают стержни демпферной короткозамкнутой обмотки. Эта обмотка служит для успокоения ротора в генераторах, а также для пуска в синхронных двигателях.
Синхронные машины небольшой мощности иногда изготовляют обратными (по типу машин постоянного тока).
У таких машин обмотка переменного тока располагается в пазах ротора и выводится до трех контактных колец, а обмотка возбуждения располагается на явно выраженных полюсах статора. Мощными эти машины не производятся, так как при такой конструкции через контактные кольца приходится пропускать большой переменный ток (главный ток машины) при высоком напряжении, тогда как в машинах обычного исполнения через контактные кольца ротора приходит небольшой по величине ток возбуждения при напряжении до 440 В.
Синхронные двигатели малых мощностей разнообразны по конструкции.
Читайте также: