CC BY
12
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА
Том 229 1972
К ВЫБОРУ ГЕОМЕТРИИ ЗУБЦОВОЙ ЗОНЫ СТАТОРА МНОГОПОЛЮСНОГО УДАРНОГО ГЕНЕРАТОРА
Г. Л. СИПАЙЛОВ, к. А. ХОРЬКОВ, В. 3. ХОРЬКОВА, В. С. БАКЛИН, В. И. АНДРЕЕВ.
(Рекомендована научным семинаром кафедры электрических машин и отделом эл. машин НИИ автоматики и электромеханики)
Многочисленные теоретические исследования двухполюсных генераторов ударной мощности, выполненных в предельных габаритах турбогенераторов [1, 2], показывают, что при работе генератора на индуктивную нагрузку за один импульс тока длительностью 0,02 сек в нагрузку может быть передана энергия порядка 25—30 млн. дж.
Дальнейший рост мощности единичного генератора ударной мощности возможен за счет перехода к многополюсным вариантам конструкции. Именно многополюсными являются крупнейшие современные генераторы разрывной мощности:
а) четырехполюсный ударный генератор фирмы «МИЦУБИСИ» с мощностью симметричного короткого замыкания 4550 Мва, [3];
б) восьмиполюсный ударный генератор фирмы «Сименс-Шуккерт-верке» с мощностью симметричного короткого замыкания 4300 Мва [4];
в) восьмиполюсный ударный генератор фирмы AEG с мощностью симметричного короткого замыкания 3000 Мва [5].
Основным достоинством многополюсных ударных генераторов является более полное использование мощности модели при наименьших механических напряжениях в машине, особенно в лобовых частях обмотки статора.
Имеющаяся литература о многополюсных ударных генераторах посвящена, как правило, описанию конструкции и технико-экономических характеристик генераторов разрывной мощности. Инженерные рекомендации для проектирования носят весьма приближенный характер. Например, в [5] относительно исполнения зубцовой зоны сказано: «открытые пазы выполнены очень широкими, чтобы давление стержня на дно при ударном токе не повредило гильзы» и далее «пазовое рассеяние низко за счет низких и широких пазов».
Для двухполюсных генераторов нами подробно исследовано влияние геометрии зубцовой зоны статора на величину энергии, отдаваемой генератором нагрузке [2]. Установлены оптимальные соотношения между шириной и высотой пазов, между шириной зубца и величиной зуб-цового деления статора. Расчеты показывают, что отклонения от оптимальных значений указанных величин могут привести к уменьшению мощности генератора в 1,5—2 раза и более. Представляет интерес рассмотреть влияние этих основных параметров зубцовой зоны на величину
энергии и для многополюсных генераторов ударной мощности, имеющих ряд отличительных особенностей.
Теоретические исследования по оптимизации геометрии зубцовой зоны многополюсных генераторов проведены на ЭЦВМ.
При расчетах предполагалось, что генераторы ударной мощности выполнены в предельных габаритах многополюсных машин и что явно-полюсные роторы имеют мощную демпферную систему.
Таким образом, нам известны следующие основные размеры генераторов:
т — полюсное деление статора, I — расчетная длина активной части, 6 — величина воздушного зазора машины.
Для 4-полюсного ударного генератора принято т = 1,65 м, для 6- и 8-полюсных— 1,57 м. Возможность построения многополюсных ударных генераторов с указанными полюсными делениями показана в [6], а также подтверждается практикой изготовления быстроходных гидрогенераторов [7].
Для удобства сравнения рассчитанных вариантов исполнения ударных генераторов принято для всех машин I = 6 ж, б = 0,03 м и максимально допустимая индукция в зубце статора Вгт = 2,65 тл. Для сохранения одинаковых электромагнитных нагрузок при расчете различных вариантов исполнений генераторов индукция в воздушном зазоре машины В 8 жестко связывалась с допустимой индукцией в наиболее узком сечении зубца статора через коэффициент
Вь =
где Ке—коэффициент заполнения пакета сталью.
Так же как для 2-полюсных ударных генераторов, за основные переменные величины принимаем
К\ — отношение высоты паза к его ширине, £ — отношение ширины зубца к зубцовому шагу. Основным критерием сравнения рассчитанных вариантов считаем допустимую плотность тока в обмотке статора. Так же как для 2-полюсных ударных генераторов, принимаем максимально возможную величину плотности тока равной 400 а/мм2.
Расчеты показывают полную идентичность зависимостей энергии, отдаваемой ударными генераторами нагрузке, от геометрии зубцовой зоны статора для всех рассмотренных вариантов. Характерные кривые для 4-, 6-, 8-полюсных машин представлены на рис. 1 и 2.
У многополюсных ударных генераторов наблюдается возрастание энергия, передаваемой нагрузке за один импульс тока, с увеличением отношения ширины зубца к зубцовому шагу, то есть с увеличением индукции в воздушном зазоре, рис. 1. На рисунках знаком * показаны значения энергии при плотностях гока в обмотке 400 а/мм2 в пределах изменения числа пазов на полюс и фазу от ¿7— 18 до ¿7 = 6 (при соответствующем увеличении индукции от Въ =0,98 тл до В0 = 1,72 тл.)-Для каждого числа пазов на полюс и фазу имеется какое-то предельное значение определяемое допустимой плотностью тока в обмотке статора. При этом для меньшего значения пазов на полюс и фазу допустимы большие значения Например, для 4-полюсного генератора при ¿/ = 8 наибольшее | = 0,70; при ¿7=12 £ = 0,62; для 6-полюсного генератора при ц = 8 | = 70; при <7= 12 £ = 6,61; для 8-полюсного генератора при Ц = 8 § = 0,70; при я = 12 £ = 0,60.
Сопоставление с двухполюсными ударными генераторами [2] показывает полную идентичность закономерностей соотношения I и /7. Оптимальная ширина пазов статора многополюсных ударных генераторов
<
80
60
40
20
II
оо|
ю \
11 V \ //
к 1 XV/
& У
™___ ___
80
б 0
40
20
2Р = 6
8_
Ю_ \ \
12_
{4_ (
✓ й ф У
0,4 0,5 0,6 0,7
0,4 0,5 0,6 0,7
0,5 0,6
Рис. 1. Зависимость энергии, отдаваемой ударным генератором в нагрузку, от I для генераторов разной полюсности
w 2р~-8
8 / Л ! 10112 / 1
й м \
/ V \ V -л— \ \ N \ \ к 'ч \ ' _ \ \ ; ч ч --ч ч
X ч х ч \ ч
400 %мг
К<
Рис. Зышсимосгь энергии, огданаеглои ударным генератором и нагрузку от К1 для генераторов разной полюсности
зависит от числа пазов на полюс и фазу и не превосходит половины зуб-цового деления. Таким образом, вопрос о снижении индуктивного сопротивления пазовой части обмотки статора за счет изменения геометрии паза сводится к выбору целесообразного уменьшения высоты паза.
На рис. 2 представлены зависимости энергии, передаваемой ударным генератором нагрузке за один импульс тока, от соотношения между высотой и шириной пазов статора. Из рисунка очевидно, что уменьшение высоты паза (уменьшение К[) ведет к возрастанию энергии только до определенного предела. Кроме того, уменьшение высоты паза ведет к уменьшению сечения меди обмотки и сопровождается значительным возрастанием плотности тока. Значения энергии, соответствующие плотностям тока 400 а/мм2, отмечены знаком (*).
Очевидно, что для каждого числа пазов на полюс и фазу имеется свое оптимальное значение К\. Для различных чисел пазов на полюс и фазу можно подобрать такие значения ки при которых энергия ударных генераторов этого ряда будет одинакова.
Сравнение вариантов расчета многополюсных ударных генераторов показывает, что имеется некоторая тенденция в сторону углубления пазов с увеличением полюсности машины, например, для 4-полюсного генератора при q = 8 оптимальное К\ = 1,0, при q = 12 к{ = 1,9, для 6-по-люсного генератора при q = 8 оптимальное К\ = 1,20, при q = 12 кх = = 1,95, для 8-полюсного генератора при q = 8 оптимальное кх = 1,20, при ¿7=12 К\ — 2,0.
По сравнению с 2-полюсными ударными генераторами оптимальная глубина пазов многополюсных генераторов больше на 10—20%.
Расчеты показывают, что при оптимальной геометрии зубцовой зоны статора и допустимых электромагнитных нагрузках Во =1,5 тл; Bz = 2,3 тл; j =.400 а/мм2 можно передать от ударного генератора индуктивной нагрузке за один импульс следующую энергию: от 4-полюсного ударного генератора 30 мдж, от 6-полюсного ударного генератора 45 мдж, от 8-полюсного ударного генератора 60 мдж.
При дальнейшей форсировке возбуждения, при увеличении индукции в зазоре до 1,7 тл получаем соответственно: от 4-полюсного ударного генератора 40 мдж, от 6-полюсного ударного генератора 55 мдж, от 8-полюсного ударного генератора 75 мдж.
ЛИТЕРАТУРА
1. Г. А. С и п а й л о в, К. А. Хорьков. Удельная энергия ударного генератора. «Известия ТПИ», т. 132, 1965.
2. Г. А. Си п а й л о в, К. А. Хорьков, В, 3. X о р ь к о в а, В. С. Баклин, В. И. Андреев. К выбору геометрии зубцовой зоны статора ударного генератора. «Известия ТПИ», т. 211. 1970.
3. Mitsubisi Denki Giho, 1964, V. 38, № 9; 1963, V. 37, ЛЬ 8. Ударный генератор большой мощности лаборатории разрывных мощностей.
4. J. Tittie. Der neue 4300 mva Stoßleistungsgenerator für das Schaltwerk der Siemens — Schuckertwerke Siemens — Zeitschrift, 1962, 36, 48.
5. G. Hagedorn. Der neue Stoßkurzchlußgenerator der AEG electrotechnisch betrachtet; AEG — Mitt, 1962, 52 № 7—8.
6. Г. А. С и п а й л о в, В. Ф. Кулаков. О возможностях многополюсных ударных генераторов. Сборник трудов VII межвузовской конференции по электронным ускорителям. Атомиздат, 1969.
7. М. П. К о с т е и к о, В. X. С а ф и у л и н а, Л. А. Суханов. Особенности конструкции и параметры мощных высокоскоростных генераторов. Сб. Исследование электромагнитных полей, параметров и потерь в электрических машинах. «Наука», 1966.
