CC BY
74
УДК 621.313
А.Ю. Варванський
АНАЛІЗ МАГНІТНОГО ПОЛЯ СТАРТЕР-ГЕНЕРАТОРА ПОСТІЙНОГО СТРУМУ З НЕЯВНОПОЛЮСНИМ СТАТОРОМ ДЛЯ ТЕПЛОВОЗІВ
Проведено розрахунок магнітного поля стартер-генератора постійного струму з неявнополюсним статором для тепловозів в режимі роботи без навантаження на основі рішення польової задачі з використанням програми FEMM.
Выполнен расчет магнитного поля стартер-генератора постоянного тока с неявнополюсним статором для тепловозов в режиме работы без нагрузки на основе решения полевой задачи с использованием программы FEMM.
Сучасний етап розвитку електромашинобудування характеризується значним зростанням використання активного об'єму машин. Для забезпечення надійної роботи новостворюваних типів електричних машин потрібно істотно підвищити точність розрахунків окремих елементів і машини в цілому. В результаті виникає необхідність обліку нових чинників, які раніше або взагалі не бралися до уваги, або враховувалися дуже приблизно.
З розвитком чисельних методів і пакетів прикладних програм, що використовуються для розрахунків магнітних полів і дослідження електричних машин (ЕМ) істотно полегшуються [1]. Розраховувачам залишається адаптувати чисельні методи і прикладні програми до визначення конкретних параметрів і характеристик ЕМ. У зв'язку з цим метою даної роботи є чисельний аналіз магнітного поля стартер-генератора постійного струму з неявнополюсним статором в режимі роботи без навантаження виконаного методом скінчених елементів (МСЕ).
Досліджується стартер-генератор постійного струму з неявнополюсним статором з такими параметрами: потужністю Р2 = 65 кВт, 110 В, 591 А, 1050/3333 об/хв., збудження незалежне 100 В. Конструкція стартер-генератора докладно наведена в [2]. Він має наступні основні параметри: довжина сталі якоря, основних і додаткових полюсів 4 = 205 мм, діаметр якоря 332,4 мм, число пазів якоря Za = 48, кількість колекторних пластин k = 144, секції однови-ткові, число активних провідників N = 288. Кількість полюсів і паралельних віток 2р = 2а = 6, повітряний зазор 5 = 1,3 мм. Залізо статора - з асинхронного двигуна ВАО5П280L4, внутрішній діаметр Di = 340 мм, зовнішній діаметр Dз = 520 мм.
Обмотка незалежного збудження виконана із 2р концентричних котушкових груп, по дві котушки в групі. Великі котушки з кроком у і = 7 мають кількість витків = 90, малі котушки з кроком у2 = 5 мають кількість витків ^2 = 50 (рис. 1). Навантаження на обмотку незалежного збудження модернізованого стартер-генератора значно менше в порівняні з серійним завдяки меншому повітряному зазору, а також завдяки тому, що частина основного магнітного потоку створюється спільною дією МРС обмотки якоря і генераторної статорної обмотки.
Магнітне поле, як це і прийнято для класичних типів ЕМ, розглядається в поперечному перетині (рис. 1) і описується відомим [3] диференціальним рівнянням:
Ух (—1— VхЛ) = J , (1)
д(В)
де А - векторний магнітний потенціал (ВМП); J - густина струму; 5, (і - магнітна індукція і проникність.
Рис. 1. Поперечний перетин стартер-генератора
Область розрахунку (рис. 1) обмежується зовнішньою поверхнею осердя статора, де для векторного магнітного потенціалу задана умова Дирихле [1]. Розв'язання рівняння (1) у позначеній області проводиться методом скінчених елементів [3] з використанням програми FEMM [4]. Стартер-генератор графічно реалізовано в програмі КОМПАС V!! та перенесено в стандартний пакет FEMM, де додатково задана крива намагнічування сталі 2212 і коефіцієнт заповнення нею осердя, а також розподілені струми обмотки збудження по пазах статора (рис. 1).
Струм збудження розрахований при проектуванні ів = 17,2 А, в пазах якоря струм відсутній, так як розглянуто режим роботи без навантаження.
При запуску програми FEMM будується сітка з трикутною кінцевоелементною структурою: у нашому випадку були 653882 елементи. Потім відбувається розрахунок і виходить розподіл векторного магнітного потенціалу (ВМП) по вузлах сітки.
Картина магнітного поля стартер-генератор у режимі роботи без навантаження наведена на рис. 2 у
18
ISSN 2074-272Х. Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №6
вигляді ліній рівного ВМП (максимальне значення ВМП складає 0,0598 Вб/м). Картина відображає реальний розподіл магнітного поля - на відміну від спрощеної його структури, що апріорі задається, відповідної класичному методу розрахунку магнітного кола.
Рис. 2. Поперечний перетин стартер-генератора з картиною магнітного поля обмотки збудження
Між сусідніми лініями поля на рис. 2 розміщується 5 % від повного потоку статора на полюсному діленні. Детальніше картина поля на одному з полюсних ділень в зубцево-пазовій зоні представлена на рис. 3, де між сусідніми силовими лініями розміщено 1 % від повного потоку статора.
Рис. 3. Картина магнітного поля в області зазору на полюсному діленні
У результаті розрахунку магнітного поля можна визначити цілий ряд параметрів ЕМ. Зокрема, легко обчислюється магнітний потік, що проходить через повітряний проміжок на полюсному діленні:
Ф = І5 (Аь - Аа), (2)
де 15 - активна довжина; Аа, Аь - значення ВМП у точках а і Ь (рис. 3), віддалених один від одного на полюсне ділення.
Так, з проведеного розрахунку магнітного поля магнітний потік, створений обмоткою збудження Ф = 0,192-10-2 Вб, що складає 50 % від основного магнітного потоку створеного спільною дією МРС обмотки якоря і генераторної статорної обмотки. Крім того, після розрахунку магнітного поля визначені значення магнітної індукції в повітряному проміжку, проведено розрахунок ЕРС в обмотці якоря. Результа-
ти розрахунків (МСЕ) у порівняні з результатами, що зроблені в [2], та результатами, отриманими при випробуваннях макетного зразка стартер-генератора на ПАТ "Електромашина" наведено у табл. 1.
Таблиця 1
Параметр (МСЕ) Спрошений метод [2] Результати випробувань
Ф, Вб 1,QQ5 • 1Q“2 Q,975 •Ю-2 1,QQ29 •1Q“2
Bs, Тл Q,9 Q,B5 Q,B7
Е, В 114 11З 11З,5
Таким чином, можна зробити висновок, що спрощений метод не дає необхідну точність розрахунку електромагнітних параметрів стартер-генератора з неявнополюсним статором. Потрібно вдосконалити розробку методик розрахунку саме для цього класу ЕМ, яка б враховувала багато режимність роботи стартер-генератора.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Милых В.И., Полякова Н.В. Определение электромагнитных параметров электрических машин на основе численных расчетов магнитных полей // Електротехніка і електромеханіка. - 2QQ6. - №2. - С. 4Q-46.
2. Лущик В.Д., Варванський А.Ю. Стартер-генератр постійного струму з неявнополюсним статором // Електротехніка і електромеханіка. - 2QQ9. - №б. - С. 4Q-46.
3. Сильвестер П., Феррари Р. Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров электриков. Пер. с англ. -М.: Мир, 19Вб. - З1В с.
4. Meeker D. Finite Element Method Magnetics. Version 4.Q. User’s Manual, January 2б, 2QQ4 //http://femm.berlios.de.
Надійшла 20.09.2010
Варванський Артем Юрійович Донбаський державний технічний університет кафедра "Електричні машини і апарати"
942Q4, Алчевськ, пр. Леніна, 1б
тел. (Q5Q) 230-36-49, e-mail: [email protected]
A.Yu. Varvanskyi
Analysis of a locomotive nonsalient-stator DC starter-generator magnetic field.
FEMM-based computation of magnetic field of a locomotive nonsalient-stator DC starter-generator is made for no-load operating mode on the basis of a field problem solution.
Key words - locomotive DC starter-generator, nonsalient stator, magnetic field, no-load operating mode, computation.
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №6
19
