CC BY
83
УДК 621.313.3
В. Д. Лущик
ВЕНТИЛЬН1 1НДУКТОРН1 ГЕНЕРАТОРИ РАД1АЛЬНОГО ЗБУДЖЕННЯ З СУМ1ЩЕНИМИ ОБМОТКАМИ
Описана конструкцш та принцип ди шдукторних генераторiв з сумщеними обмотками. Приведено теоретичне об-Грунтування переваг розглянутих генераторiв. Наведет данi експериментальних дослджень генераторiв з сумщеними обмотками ^ для порiвняння, генераторiв, що сершно виготовляються.
Описана конструкция и принцип действия индукторных генераторов с совмещенными обмотками. Приведено теоретическое обоснование преимуществ рассматриваемых генераторов. Приведены данные экспериментальных исследований генераторов с совмещенными обмотками и, для сравнения, генераторов, которые изготавливаются сериями.
Серед безконтактних електричних генераторГв най-бшьшого поширення набули генератори шдукторного типу завдяки простои конструкци, надшносп в робот! та невисоко! щни. 1ндукторт генератори знайшли широке застосування на тракторах, вантажних авгомобiлях, сiльгоспмашинах, на вiгроелекгросганцiях, на затзнич-ному транспортi як шдвагонш генератори. Однак бiльш широке поширення !х стримуеться iз-за невисоких масо-габаритних питомих показник1в. Вага !х порiвняно з контактними генераторами в два рази бшьша.
Зарубiжнi i вiтчизнянi вченi та конструктори-дослгдники удосконалюють уже вiдомi типи Гндукто-рних генераторiв, не вносячи ншких принципових змiн у конструкцш та принцип ди [1-3].
1стотного покращення масогабаритних показник1в iндукторних генераторiв можливо досягти, якщо сумiс-тити обмотку збудження з обмоткою якоря. Для цього магнiтопровiд шдукторного генератора потрiбно змi-нити таким чином, щоб обмотка збудження знаходила-ся на тих же зубцях статора, що i обмотка якоря.
Обмотка збудження повинна бути також узго-джена з трифазною обмоткою якоря. Мшмальне число зубцiв якоря, на яких можливо утворити трифазну обмотку, дорiвнюе трьом. З огляду на те, що щ ж зу-бцi повиннi утворювати магнiтне поле збудження, !х число повинно бути парним. Тому мшмально можли-ве число зубщв на статорi 7Х = 6. При 7Х = 6 кожна пара зубщв статора е окремою фазою. Також кожна пара зубщв статора утворюе магнгтний попк збудження. Тому статор iз =6 буде мати шестиполюс-ний магнгтний попк збудження. 2р = 6 - мшмально можливе число полюсГв збудження в розглядуваному Гндукторному генераторi.
Число зубщв ротора 72 повинно бути парним, щоб, по-перше, не було одностороннього магнгтного притягування Г, значить, магнгтних вiбрацiй; по-друге, для збшьшення величини пульсацш магттного потоку в фазах: в певну мить часу щд парою зубщв статора, що е фазою, повинш розмщуватись зубщ ротора, в слгдуючу мить, через швперюду - пази ротора. Цю умову можливо виконати, якщо 72 е парним.
Для бшьш ращонального використання магшто-проводу статора та ротора важливо, щоб 72 як можна менше вщрГзнялось вгд . Найкраще тдходить 72 = 8.
Для того, щоб досягалась максимально можлива пульсащя, необхгдно щоб
Ь71 < Ьш, Ь72. < Ьп1,
де Ь71, Ь72 - ширина зубця статора Г вГдповгдно ротора, Ьш, ЬП2 - ширина паза статора Г вгдповГдно ротора.
Був виготовлений шдукторний генератор, габа-рити Г маса якого були так ж, як Г в сершного автомо-бГльного генератора 37.3701(ВАЗ 2108). Зовшшнш дГаметр статора Б = 124 мм (рис. 1), внутршнш дГа-метр - Б ^ = 81 мм, ширина зубщв Г пазГв Ь71 = 15 мм,
Ь72 = 14,6 мм, ЬП1 = 27,4 мм, ЬП2 = 17 мм.
Рис. 1. Магштопровщ генератора, 7! = 6, 72 = 8
Довжина пакета статора Г ротора 1Ь = 48 мм, але загальна вага статора Г ротора залишились такою ж, як Г в сершному генераторГ за рахунок значно меншо! ваги ротора, вадсутносп контактних к1лець Г щгток. На зубцях 1,4 розмщет котушки фази А, на зубцях 3,6 -фази В, на зубцях 5,2 - фази С.
Фази яшрно! обмотки з'еднаш в трикутник, при цьому в фазах яирно! обмотки послщовно та узго-джено з шшими фазами ввГмкнутГ дюди (рис. 2). На один Гз дюдГв подають напругу вгд джерела постшно-го струму (рис. 3), з тим щоб струм збудження проть кав по вам фазам яшрно! обмотки.
При навантаженш в фазах яирно! обмотки про-тжае одношвперюдний випрямлений струм. Магнгт-ний попк реакци якоря можна вважати тако! ж фор-ми, що Г струм, який його створюе.
Рис. 2. Схема обмотки
© В.Д. Лущик
Рис. 3. Схема вмикання навантаження
Однотвперюдний випрямлений струм, якщо роз-класти його в ряд Фур'е, мае поспйну складову i в два рази меншу основну гармонiчну складову. Основна гармотчна складова магнiтного потоку реакци якоря буде в 2 рази менша магнiтного потоку реакци якоря, створеного синусовдним струмом тако! ж даючо! вели-чини, що i однопiвперiодний випрямлений струм. Тому в 2 рази зменшуються iндуктивнi опори хл та хч i ввдпо-ввдно поздовжня ЕРС реакци якоря Еа та поперечна ЕРС реакци якоря Ег Жорстк1сть зовшшньо! характеристики генератора завдяки дюдам рiзко зростае.
Магнiтний потiк реакци якоря, створений одно-пiвперiодним випрямленим струмом, направлений узгоджено з магнггним потоком, створеним обмоткою збудження, що теж сприяе збiльшенню жорсткостi зовшшньо! характеристики.
Ще бiльш кращi масогабаритш i енергетичнi по-казники показуе генератор, статор якого мае гребш-кову зубцеву зону [6]. Статор в такому випадку мае 12 зубщв, а ротор - 14 зубщв (рис. 4). Число полюав збудження залишаеться незмiнним. Завдяки гребшко-вiй зубцевiй зонi статора частота ЕРС яшрно! обмотки, яка залежить ввд швидкостi обертання п та числа зубцiв ротора 12, /2 = п1ъ зростае в 1,75 рази.
Рис. 5. Фото магштопроводу статора та ротора
Рис. 6. Статор з обмоткою
Рис. 7. Пульсаци магштного потоку, = 12, = 14 11. 2 (00Б2юх 008 4Юх ооб6юх
/(х) =--Н — Б1ПЮх--1--1---1---Н ...
(Х) л 2 ж1 1-3 3 • 5 5 • 7
Т
При х = —
1 1 . 2п Т 11
У =--1--Б1П---=--Н — , тобто
п 2 Т 4 п 2
магнiтний потiк мае постiйну складову 1/ж i в два рази меншу основну гармошчну.
В генераторi з числом зубщв = 6 i 72 = 8 пульсаци вiдбуваються iз значно бiльшим промiжком. Ширина паза ЪП1 = 27,4 мм майже в 2 рази перевершуе ширину зубця Ъ71 = 15 мм. Пульсаци магштного потоку у виглядi iмпульсiв шириною Т/3 i пром1жком мiж ними 2 Т/3 зображеш на рис. 8. У
Рис. 4. Генератор з гребшковою зубцевою зоною, 7! = 12, 72 = 14
Важливим фактором в покращенш процесу елект-ромагнiтного перетворення енерги е незначна рiзниця м1ж числами пазiв статора = 12 i ротора 12 = 14. Малi зубщ статора мають ширину Ъа = 7,8 мм, а паз мгж ними - ЪП = 11,4 мм. На рис. 5 показан магнггопрово-ди статора i ротора, а на рис. 6 - статор з обмоткою.
Завдяки бшьш рацюнальному сшввщношенню розмiрiв зубцево! зони статора пульсаци магнiтного потоку в генераторi з числом зубщв = 12 i 12 = 14 зобра-жуються у вигляд однотвперюдних синусоподiбних iмпульсiв (рис. 7), яш можна розкласти в ряд Фур'е з допомогою перюдично! функци/х) з перiодом Т
Рис. 8. Пульсаци магнiтного потоку, = 6, Х2 = 8
Перюдична функцiя /х) з перюдом Т для цього випадку
а да
/ (х ) = —0 + ^ (а,£ ооб кюх + Ък б1п кюх), 2 к=1
де
2ю0 1 + ообкют , 2ю0 бшкют /. , , \
°к =~Т ■ 2 , 2 2 , Ък =~Т • 2 ,2 2 , ( = Т Ю 2 - к 2ю 2 Т ю 0 - к2ю 2
а0 _ 2х _ ж _ 2л
Т=Иг, ю 0 ~~, ю = ~Т '
Згiдно з рис. 8 т=Т/2. В результaтi одержуемо для
к = 1
2 9 3^3 .
У =--1--00БЮХ Н--Б1ПЮХ .
3ж 5ж 5ж
При х = Т/4 у = — + 3л^ , тобто мaгнiтний потiк 3ж 5ж
мае постiйну складову 2/3ж i основну гaрмонiчну, яка 3>/3
дорiвнюе-= 0,331.
5ж
В reHepaTopi i3 спiввiдношенням na3iB ZJ =6 i Z2 = 8 основна гармошчна магнггного потоку змен-шуеться в 0,5/0,331 = 1,51 рази пopiвнянo з генератором з гребшковою зубцевою зоною.
В табл. 1 приведет результати експерименталь-них дослвджень iндуктopних гeнepaтopiв з сумщеними обмотками при швидкосп обертання ротора n = 5000 об/хв., а також, для пopiвняння, сершного iндуктopнoгo генератора Г-306 та автомобшьного синхронного генератора з контактними к1льцями. Маси всiх дослвджува-них гeнepaтopiв приблизно oднaкoвi - 4,2 кг.
Таблиця J
Результати експериментальних дoслiджeнь генераторш
Тип генератора Ud Id Pd U,« 1зб P L ма n GM
В А Вт В А Вт % грам
1ндукторний ZJ = 6, Z2 = 8 J 90 3,95 750 J 8,5 4,6 J4 77,5 470
1ндукторний ZJ = 12, Z2 = 14 J99 4,57 9J0 J 8,7 4,8 J8 78,25 340
1ндукторний Г-306 14 28,6 400 13 5 49 66,8 700
Автомобшьний синхронний J 3,64 55 750 J3 5 662 47 560
Кoeфiцiент корисно! ди гeнepaтopiв вираховува-вся за формулою
Pd
•100%.
Pd Рма рст рмех
Як можна бачити i3 табл. 1, iндукторнi генератори з сумщеними обмотками мають кращ показники пор1в-няно з шдукторними генераторами сершного виконання по вам параметрам: питомому показнику кг/кВт (масо-габаритному показнику), коефiцieнту корисно! до, пи-томiй витратi мiдi. Кращ показники i в порiвняннi з ав-томобiльним синхронним генератором, який мае конта-ктнi кшьця, щ^тки i обмотку збудження на ротор!
Оскшьки в автомоб1льних генераторах струм збудження i яюрний струм в1дазняються на порядок, об'еднання обмоток в таких генераторах нерацюнальне. МРС збудження буде на порядок меншою за потрiбну.
Iндукторнi генератори шестиполюсного збудження i з дюдами в фазах якiрноï обмотки, з'еднано! в трикутник, у випадку виготовлення двох окремих обмоток втрачають потужнiсть до 30 %. Так генератори переважають по всiм показникам iндукторнi генератори сершного виконання, але поступаються синхронним генераторам з контактними кшьцями по ма-согабаритному показнику, який автомобiлебудiвники вважають найважливiшим.
ВИСНОВКИ
1. Сконструйовано, виготовлено i дослщжено де-к1лька експериментальних зразкiв вентильного шдукторного генератора ращального збудження принципо-во ново!' конструкцiï: на зубцях статора розмщеш концентричнi котушки яшрно!' обмотки i котушки обмотки збудження, яш можуть сумiщуватись з яшр-ною обмоткою.
2. Завдяки кращим масогабаритним показникам та бiльш високому ККД дослiдженi вентильнi iндукторнi генератори з окремими обмотками можуть бути вико-ристаш для застосування на тракторах, сшьгоспмаши-нах, будiвельних машинах, на важких автомобiлях -скрiзь, де на тепершнш час використовують вентильш iндукторнi генератори традицiйного конструкцiï.
3. Експериментальш вентильнi iндукторнi генератори з сумщеними обмотками переважають за сво-1ми основними показниками синхронш машини з контактними кшьцями, i тому можуть бути рекомендова-нi в серiйне виробництво як шдвагонш генератори залiзничних вагонiв, для лиальних апаратiв, для вгт-роелектроустановок, для гiдроелектростанцiй невелико! потужносп.
СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ
1. Петренко А.Н. Методика расчета геометрии и параметров активной зоны одноименнополюсных индукторных автотракторных генераторов // Вестник НТУ "ХПИ". - 2005. - №5.
2. Ваткин В.А. Разработка вентильных индукторных электромеханических систем автотракторного назначения: автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: специальность 05.09.01 "Электромеханика и электрические аппараты". - Москва, 2007. - 20 с.
3. Шлегель А.О. Повышение надежности электромеханических систем автотракторного генератора: автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: специальность 05.09.01 "Электромеханика и электрические аппараты". - Самара, 2007. - 20 с.
4. Лущик В. Д. Патент № 86352 Укра!на. 1ндукторний три-фазний рiзнополюсний вентильний генератор. Опубл. 27.04.09, Бюл. №8.
5. Лущик В. Д. Трифазш вентильш шдукторш генератори з сумщеною обмоткою // Материалы межд. науч.-техн. конф. "Проблемы повышения электромеханических преобразователей в электромеханических системах", Севастополь: Сев-НТУ, 2010. - С. 25-27.
6. Лущик В.Д. Патент № 98261 Укра!на. 1ндукторний три-фазний рiзнополюсний вентильний генератор. Опубл. 25.04.12. Бюл. №8.
REFERENCES: 1. Petrenko A.N. Method of calculating the geometry and parameters of the core homopolar inductor automotive generators. Visnyk NTU "KhPI" - Bulletin of NTU "KhPI", 2005, no.5. 2. Vatkin V.A. Raz-rabotka ventil'nykh induktornykh elektromekhanicheskikh sistem avtotrak-tornogo naznacheniia. Avtoref. diss. kand. techn. nauk [Development of valve inductor electromechanical systems autotractor destination. Abstracts of cand. tech. sci. diss.]. Moscow, 2007. 20 p. 3. Shlegel' A.O. Povyshenie nadezhnosti elektromekhanicheskikh sistem avtotraktornogo generatora. Avtoref. diss. kand. techn. nauk [Improving the reliability of electromechanical systems autotractor generator. Abstracts of cand. tech. sci. diss.]. Samara, 2007. 20 p. 4. Lushchik V.D. Induktornyj tryfaznyj riznopoljusnyj ventyl'nyj generator [Three-phase inductor had polar valve generator]. Patent UA, no.86352, 2009. 5. Lushchik V.D. Three-phase valve inductor generators with combined winding. Materialy mezhd. nauchn.-tekhn. konf. "Problemy povysheniia elektromekhanicheskikh preobrazovatelei v elek-tromekhanicheskikh sistemakh" [Materials Int. sci.-techn. conf. "Problems of increase of electromechanical transducers in electromechanical systems"]. Sevastopol, SevNTU, 2010, pp. 25-27. 6. Lushchik V.D. Induk-tornyj tryfaznyj riznopoljusnyj ventyl'nyj generator [Three-phase inductor had polar valve generator]. Patent UA, no.98261, 2012.
Надшшла (received) 25.09.2014
ЛущикВЯчеславДанилович, д.т.н., проф., Нацюнальний ушверситет бюресурав i природокористування Укра!ни, 03041, Кшв, вул. Геро!в Оборони, 12, корпус 8, тел/phone +38 099 7654495, e-mail: V.D.Luschik@yandex.ua
V.D. Lushchik
National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine 12, Heroyiv Oborony Str., Build 8, Kiev, 03041, Ukraine Valve induction generators of radial excitation with combined windings.
The design and principle of operation of inductor generators with combined windings are described. The theoretical substantiation of advantages of considered generators is presented. The data of experimental investigations of generators with combined windings and, for comparison, generators, which are made in series are presented.
Key words - type of generators, combined winding, magnetic circuit, experimental research.
