Элементарные проводники

Магнитный гистерезис. В ферромагнитных материалах благодаря их особому строению магнитные поля, вызванные вращением электронов вокруг собственной оси, взаимодействуют друг с другом, образуя участки, подобные мельчайшим магнитикам. В обычных условиях такие элементарные магнитики расположены беспорядочно и ферромагнитное тело, например, сталь не проявляет магнитных свойств. Если сталь поместить во внешнее магнитное поле (например, созданное электрическим током), то элементарные магнитики располагаются вдоль внешнего поля. Магнитные поля отдельных магнитиков будут складываться, создавая собственное (внутреннее) магнитное поле. Сталь окажется намагниченной.

Однако если бы положительная и отрицательная магнитные массы имели самостоятельное существование внутри элементарных магнитиков, то все же можно было бы надеяться в каком-либо опыте, в котором осуществлялось бы непосредственное воздействие на эти элементарные магнитики, отделить отрицательную массу от положительной подобно тому, как, воздействуя на молекулу, имеющую суммарный электрический заряд, равный нулю, нам удается расщепить ее на отрицательно и положительно заряженные частицы — так называемые ионы. Но и в элементарных процессах никогда не обнаруживаются раздельно существующие положительная и отрицательная магнитные массы.

Ввиду наличия в ферромагнетиках самопроизвольно намагниченных микроскопических областей, которые можно рассматривать как элементарные магнитики, их используют для изготовления сердечников катушек индуктивности, при изготовлении электродвигателей, трансформаторов и т. д.

Природа гистерезисного момента объясняется наличием у ротора широкой петли гистерезиса (большого остаточного магнетизма). Для выяснения физической сущности гистерезисного момента представим, что ротор гистерезисного двигателя внесен в магнитное поле, созданное двумя полюсами магнита ( 6.11, а). Под действием внешнего поля ротор намагнитится— элементарные магнитики ротора будут ориентироваться по полю. В результате взаимодействия внешнего поля с полем ротора возникнут радиальные силы.

"е °Ес3лиДполюса магнита (внешнее поле) вращать относительно ротора (рис 6.11, б), то элементарные магнитики (поле ротора) будут поворачиваться вслед за полем полюсов. Однако вследствие молекулярного трения, которое у материалов с широкой петлей гистерезиса очень велико, они при вращении будут несколько отставать or поля полюсов. Суммарное поле всех элементарных магнитиков — поле ротора — будет повернуто относительно поля полюсов на некоторый угол 0. Силы взаимодействия между элементарными магнитиками и полем полюсов в этом случае кроме нормальных составляющих Fn будут иметь еще тангенциальные составляющие Ft, которые создадут вращающий гистерезисный момент. Значение этого момента зависит от внешнего поля, намагниченности ротора, свойств материала ротора (В,- и Яс) и не зависит от частоты вращения.

Если внутри статора, обмотка которого создает вращающееся магнитное поле, поместить цилиндр из магнитного материала, то такой ротор будет вращаться и сможет преодолевать нагрузочный момент на валу. Вращение ротора с синхронной скоростью происходит под действием гистерезисного момента, природу которого можно пояснить следующим образом. Пусть в рассматриваемый момент времени поле двухполюсного статора направлено по вертикальному диаметру и ротор вращается без нагрузки и трения в подшипниках. Тогда элементарные магнитики ротора ориентированы так, как показано на 39-12, а, и между статором и ротором существуют только радиальные силы F магнитного притяжения. На поверхности ротора появляется зафиксированная полярность, и перемагничивание материала ротора не происходит,

Для выяснения природы гистерезисного момента рассмотрим физические процессы, происходящие в роторе описанной конструкции при асинхронном вращении, т. е. когда материал ротора непрерывно перемагничивается ( 4.12). Будем считать, что оси м. д. с. FI и потока Ф^ статора совпадают. В момент времени, когда вектор вращающегося магнитного потока статора Ф[ занимает положение А ( 4.12, а), элементарные магнитики ротора ориентируются вдоль этого потока. Силы взаимодействия элементарных магнитиков, например MI и М2, с потоком статора Рам направлены вдоль этого потока и вращающего момента не создают. При перемещении потока статора в положение Б в том же направлении будут поворачиваться и элементарные магнитики ( 4.12, б). Однако вследствие явления гистерезисного запаздывания магнитики MI и М2 не повернутся на тот же угол, что и поток Фь и между ними образуется угол гистерезисного запаздывания уг. После этого силы взаимодействия Рэм будут иметь тангенциальные составляющие Ft, которые и создадут гистерезисный момент асинхронного режима Мг.й. Возникающий гистерезисный момент пропорционален модулю векторного произведения пространственных векто-

Природа гистерезисного момента объясняется наличием у ротора широкой петли гистерезиса (большого остаточного магнетизма). Для выяснения физической сущности гистерезисного момента представим, что ротор гистерезисного двигателя внесен в магнитное поле, созданное двумя полюсами магнита ( 6.11, а). Под действием внешнего поля ротор намагнитится — элементарные магнитики ротора будут ориентироваться по полю. В результате взаимодействия внешнего поля с полем ротора возникнут радиальные силы.

Если полюса магнита (внешнее поле) вращать относительно ротора ( 6.11, б), то элементарные магнитики (поле ротора) будут поворачиваться вслед за полем полюсов. Однако вследствие молекулярного трения, которое у материалов с широкой петлей гистерезиса очень велико, они при вращении будут несколько отставать ог поля полюсов. Суммарное поле всех элементарных магнитиков — поле ротора — будет повернуто относительно поля полюсов на некоторый угол 6. Силы взаимодействия между элементарными магнитиками и полем полюсов в этом случае кроме нормальных составляющих Fn будут иметь еще тангенциальные составляющие Ft, которые создадут вращающий гистерезисный момент. Значение этого момента зависит от внешнего поля, намагниченности ротора, свойств материала ротора (Вт и Яс) и не зависит от частоты вращения.

Однако если бы положительная и отрицательная магнитные массы имели самостоятельное существование внутри элементарных магнитиков, то все же можно было бы надеяться в каком-либо опыте, в котором осуществлялось бы непосредственное воздействие на эти элементарные магнитики, отделить отрицательную массу от положительной подобно тому, как, воздействуя на молекулу, имеющую суммарный электрический заряд, равный нулю, нам удается расщепить ее на отрицательно и положительно заряженные частицы — так называемые ионы. Но и в элементарных процессах никогда не обнаруживаются раздельно существующие положительная и отрицательная магнитные массы.

элементарные проводники; 2- проводниковая изоляция; 3 — витковая изоляция; 4 — пазовая изоляция

Если эффективный проводник обмотки состоит из нескольких элементарных, витковая изоляция охватывает одновременно все элементарные проводники ( 3.7). Толщина витковой изоляции для обмоток машин высокого напряжения приведена в табл. 3.6.

Для уменьшения действия эффекта вытеснения тока элементарные проводники при сборке стержня переплетают между собой определенным образом так, чтобы каждый из них на протяжении пазовой части занимал попеременно все возможные положения по высоте стержня. Такое переплетение называют транспозицией. С расчетом и методами выполнения транспозиции можно ознакомиться в литературе по проектированию крупных машин переменного тока [26, 28].

1 - прокладка на дно паза; 2 - корпусная изоляция стержня; 3 - элементарные проводники; 4 - пазовый клин; 5 - прокладка под клин; б - зубец статора; 7 - проводниковая изоляция элементарных проводников; 8 - стержни обмотки; 9 - прокладка между стержнями; 10 - прокладка между столбиками

Особенностью конструкции изоляции высокого напряжения стержневых обмоток статоров машин переменного тока является отсутствие специальной витковой изоляции, так как при двух эффективных проводниках в пазу между ними находятся два слоя корпусной изоляции стержней. Это в значительной степени унеличивает надежность стержневых обмоток по сравнению с катушечными. Элементарные проводники стержней изготавливают из обмоточного провода марки ПСД или ПСДК.

Переменные магнитные поля характеризуются наличием в токопроводящих элементах поверхностного эффекта, заключающегося в том, что магнитное поле и вызванные им вихревые токи сосредоточиваются у поверхности токопроводящих сред. При поверхностном эффекте увеличиваются добавочные потери, для снижения которых предусматриваются различные меры: магнитопровод машины набирается из отдельных листов электротехнической стали, а стержни обмоток подразделяются на изолированные друг от друга элементарные проводники малого сечения. В то же время явление поверхностного эффекта применяется, например, для улучше-

В целях непосредственного охлаждения в элементах конструкции, выделяющих теплоту, принципиально выполняются каналы, по которым циркулирует охлаждающая среда. Такая конструктивная схема наиболее точно соблюдается, например, при непосредственном охлаждении обмотки статора водой, когда все элементарные проводники обмотки или определенная часть их выполнены в виде полых медных трубок прямоугольного сечения ( 5-1).

Для уменьшения добавочных потерь в катушечных обмотках транспонируются выводные концы катушек и межгрупповые соединения. В стержневых обмотках транспонируются элементарные проводники. На проводники обмотки; статора при переходных процессах при пуске или коротких замыканиях действуют значительные усилия. Необходимо тщательное крепление лобовых частей обмоток. Лобовые части обмотки укрепляются с помощью дистанционных распорок и бандажных колец, к которым лобовые части крепятся прочным шнуром. В пазах стержни обмотки укрепляются клиньями из изоляционных материалов.

Рассматривая магнитное поле токов одного направления в двух параллельно расположенных проводах, легко показать, что те элементарные проводники, принадлежащие разным проводам, которые наиболее удалены друг от друга, сцеплены с наименьшим магнитным потоком; следовательно, плотность тока в них наибольшая.

2.12. Разрез паза генератора типа ТВМ: / — клин обмотки статора; 2 — изоляционная теплостойкая бумага; 3 — элементарные проводники обмотки статора; 4 — канал охлаждающего масла

Подразделенные провода марок ПБП и ПБПУ состоят из двух или трех элементарных изолированных проводников, которые располагаются в проводе параллельно и имеют общую бумажную изоляцию, удвоенная толщина которой составляет 0,96—2,96 мм. Элементарные проводники для подразделенных проводов изготовляются в диапазоне сечений 13,5—68,8 мм2.