ГЛАВА ПЕРВАЯ
ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ
СВЕРХВЫСОКОСКОРОСТНЫХ И ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ МАШИН
1-1. УРАВНЕНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ПО ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ НАГРУЗКАМ И МОЩНОСТИ
Конструктивные особенности зубцовых зон и схемы рассматриваемых здесь машин условно изображены на рис. 2-1, 2-2, 3-1, 4-2, 5-1, 5-3. Принцип наведения э. д. с. в обмотках таких машин изложен в гл. 2.
В данной главе кратко рассмотрены особенности определения основных размеров высокочастотных и сверхвысокоскоростных электрических машин. Основные размеры: внутренний диаметр D и активная длина I пакетов статора, воздушный зазор между ротором и статором δ. Объем машины по внутреннему диаметру статора связан с ее электромагнитной расчетной мощностью Р', выраженной произведением э. д. с. Е, тока I и числом фаз обмотки т. Расчетная мощность связана известным образом с номинальной мощностью на валу электродвигателя через коэффициент мощности cos φ и к. п. д. η, а для генератора — с электрической выходной мощностью. Электродвижущая сила, индуктируемая в обмотке переменного тока, определяется величиной магнитного потока, а также изменением потокосцепления с указанной обмоткой. Потокосцепление с катушкой переменного тока зависит от ширины шага. Так, при двусторонней зубчатой поверхности индукторной машины с гребенчатой зубцовой зоной на статоре и роторе катушка охватывает несколько зубцовых делений гребенки, а при гладкой поверхности расточки статора и зубчатом роторе минимальная ширина катушки переменного тока определяется одним зубцовым делением статора. Указанная специфика индукторных машин при определении их основных размеров была впервые учтена Μ. М. Алексеевой [Л. 47], которая при проектировании таких машин ввела коэффициенты в аналитические уравнения, учитывающие и геометрию зазора, и особенность выполнения обмоток.
Во ВНИИЭМ под руководством Т. Г. Сорокера и Л. Я. Альпера была разработана методика расчета индукторных машин с применением коэффициентов использования по магнитному потоку [Л. 48]. Такой подход к определению основных размеров индукторных машин имеется и в трудах А. И. Бертинова [Л. 50].
В сверхвысокоскоростном двигателе с гладкой поверхностью ротора и расточки статора основные размеры связаны с расчетной мощностью Р', линейной нагрузкой А, магнитной индукцией в зазоре В1δт и частотой вращения магнитного поля n1 уравнением
Из уравнений (1-4), (1-5) следует, что определение основных размеров связано с выбором индукции Вδт и линейной нагрузки А. В тех участках магнитопровода, где поток изменяется с повышенной частотой, значения индукции выбираются меньше, чем в обычных генераторах промышленной частоты 50 Гц. Это обусловлено двумя причинами: во-первых, с увеличением частоты возрастают потери в стали, что влияет на к. п. д. и нагрев машины, во-вторых, при насыщении зубцовой зоны уменьшается ее проводимость, уменьшается переменная составляющая магнитного потока, снижается индуктируемая э. д. с. в обмотке якоря, понижается использование машины, ухудшаются ее характеристики. Из сказанного следует, что правильный выбор магнитных нагрузок в индукторной машине имеет существенное значение. При расчете индукторной машины толщину стального листа и допустимое значение индукции в зубцах можно предварительно выбрать по кривым рис. 1-1, 1-2 с учетом неравномерного распределения потока по сечению стали при повышенной частоте. В участках магнитной цепи, в которых поток не изменяется во времени, величины индукции выбираются по условиям насыщения. Индукция в воздушном зазоре может быть найдена по величине магнитного потока на зубцовом делении ротора. Можно задаться и индукцией в зазоре с последующей ее проверкой по допустимому значению в зубцах. Вторым не менее важным фактором, определяющим такие свойства машины, как нагрев, срок службы и др., является линейная нагрузка. При выборе линейной нагрузки можно исходить из следующих ориентировочных данных, приведенных в табл. 1-1, которая составлена по данным вентилируемых индукторных генераторов защищенной конструкции. Следует указать, что допустимые магнитные и электрические нагрузки в значительной степени зависят от конструкции и системы охлаждения индукторного генератора.
Рис. 1-1. К выбору
Рис. 1-3. К выбору A и В.
Для сверхскоростных электродвигателей закрытой конструкции с водяным охлаждением при классе изоляции А значения индукции Вδ в функции частоты могут быть выбраны по рис. 1-2. Индукцию в зубцах можно ориентировочно выбрать по кривой Βz=φ(f), приведенной на том же рисунке. Индукции в спинках статора и ротора не должны превышать значения индукции в зубцах.
Что касается выбора линейной нагрузки для сверхвысокоскоростных двигателей, то можно исходить из кривой построенной на рис. 1-3 по данным изготовленных ВНИПП двигателей.
1-2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАМЕТРА РОТОРА ПО УСЛОВИЯМ ПРОЧНОСТИ
Рис. 1-4. Усилия в элементе объема вращающегося ротора.
Согласно уравнению (1-4) для определения диаметра по мощности, магнитным и электрическим нагрузкам необходимо знать величину β. которая определяется отношением активной длины пакетов статора I к диаметру D. Чем больше длина I, тем меньше диаметр D. При данной расчетной мощности это благоприятно в отношении запаса прочности ротора по пределу текучести его материала, но при этом снижается жесткость ротора.
Желательно иметь первую критическую скорость выше номинальной скорости вращения, что при весьма больших скоростях возможно только при сравнительно коротком роторе и достаточно большом его диаметре. В сверхвысокоскоростном двигателе целесообразно определять диаметр D исходя из допустимого коэффициента запаса материала ротора по пределу текучести.
При вращении ротора возникают центробежные силы, обусловленные собственной массой ротора, которые создают растягивающие напряжения в его материале. Если пакет ротора выполнен с закрытыми пазами или с цилиндрическим бандажом из немагнитной стали или массивным стальным, его можно представить состоящим из отдельных тонких колец (рис. 1-4).
Допустим, что стержни обмоток ротора жестко заделаны в торцевые кольца и их масса не влияет на стальные мостики над пазом.
В. этом случае тангенциальная составляющая напряжения σt, возникающая в элементе объема от действия центробежных сил, определяемых собственной массой ротора при значении r/R→O согласно [Л. 84], равна:
В сверхвысокоскоростных двигателях полезный объем машины оказывается весьма мал вследствие ограничения диаметра ротора по запасу прочности и длины ротора — по условиям жесткости. Увеличение мощности сверхвысокоскоростного двигателя можно получить за счет применения водяного охлаждения, новейших электротехнических материалов, а также за счет некоторого увеличения допустимого коэффициента запаса прочности по пределу текучести. Например, исследования турбогенераторов предельных мощностей показали, что ротор без внутренних и внешних дефектов (без флокенов и трещин) даже при достижении скорости, которой соответствуют расчетные напряжения, равные пределу текучести материала, имел достаточный запас прочности. Напряжения на расточке центрального отверстия ротора турбогенератора могут быть выше предела прочности. Величина механических напряжений в турбогенераторах при испытании на разгон достигает 75—80% от величины предела текучести материала ротора.
1-4. ВОЗДУШНЫЙ ЗАЗОР
По технологическим условиям в сверхвысокоскоростной электрической машине желательно выбирать воздушный зазор несколько большим по сравнению с обычными машинами. Но при увеличенном воздушном зазоре в индукторной машине происходит уменьшение переменной составляющей потока, э. д. с., наводимой в обмотке якоря, и мощности генератора. При этом потребуется большая н. с. возбуждения. Масса и размеры генератора возрастут. Такая машина неэкономична. Поэтому индукторные генераторы стремятся строить с воздушным зазором, минимально возможным по условиям технологии изготовления машины, причем чем больше частота генератора, тем меньше выбирается воздушный зазор с целью получения большей переменной составляющей индукции, а следовательно, и э. д .с. в обмотке якоря. В индукторных машинах зазор δ=0,2-1,3 мм, большие значения относятся к генераторам большей мощности. Следует отметить технологические трудности, которые возникают при изготовлении машины с указанными зазорами. Так, например, зазор 0,7 мм при диаметре ротора 600 мм и частоте вращения 3 000 об/мин был выполнен английской фирмой ВТН в генераторе на 10000 Гц. При таком зазоре в первых машинах, изготовленных этой фирмой, ротор задевал за статор, в результате чего повреждалась часть листов пакета статора и обмотка якоря. При столь малом зазоре небольшой эксцентриситет приводит к резкому возрастанию несбалансированной силы магнитного притяжения. В таких машинах необходимо также обеспечивать тщательную динамическую балансировку.
Величину зазора, мм, индукторных машин и сверхвысокоскоростных двигателей ориентировочно можно определять по формуле
(1-14)
