Проблема обеспечения постоянства воздушного зазора в торцевых синхронных генераторах Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Механика специальных систем

УДК 62.192

ПРОБЛЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОСТОЯНСТВА ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА В ТОРЦЕВЫХ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРАХ

Е. В. Карпенко, Д. И. Морозов, Н. А. Колбасина

Сибирский федеральный университет Россия, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79. e-mail: cat.kras@gmail.com

Неуравновешенная сила магнитного притяжения между статором и ротором торцевого синхронного генератора предъявляет высокие требования к точности обработки поверхностей. В данной статье делается попытка оценить зависимость между погрешностями обработки деталей и величиной перекоса ротора под действием силы магнитного притяжения в генераторе с одним ротором и двумя статорами. Влияние других факторов возможного перекоса ротора, таких как деформации, перемещения и др., в данной статье не рассматривается.

Ключевые слова: торцевая электрическая машина, воздушный зазор.

THE PROBLEM OF PROVIDING THE UNIFORMITY OF THE SYNCHRONOUS GENERATOR'S AIR GAP WITH AXIAL FLUX

E. V. Karpenko, D. I. Morozov, N. A. Kolbasina

Siberian Federal University 79, Svobodnyi prosp., Krasnoiarsk, 660041, Russia. e-mail: cat. kras@gmail.com

Unbalanced magnetic attraction force between the stator and the rotor of synchronous generator with axial flux leads to high requirements for precision surface treatment. In this paper an attempt is made to assess' the relationship between the machining errors and the magnitude of the rotor imbalance under the force of magnetic attraction in a generator with a rotor and two stators. The influence of other factors of a possible rotor imbalance are not considered in the article.

Keywords: generator with axial flux, air gap.

Торцевые генераторы получили широкое распространение в ветро- и гидроустановках, и поэтому актуально обеспечение их непрерывной и надежной работы. В известной конструкции торцевой электрической машины [1] между двумя роторами и статором возникает неуравновешенная сила магнитного притяжения, что ведет к изменению величины воздушного зазора в таком генераторе и его неравномерности по диаметру машины, что является причиной колебания величины выходного напряжения, а в конечном счете -выхода из строя электрической машины.

Как посадка подшипников, так и биение отверстия под подшипник влияют на точность позиционирования подшипника в радиальном направлении, следствием этого является перепад воздушного зазора между ротором и статором [2]. Оценить влияние этих факторов можно следующими способами: вывести аналитически взаимосвязь геометрических размеров либо решить данную задачу с помощью инструментальных средств SolidWorks. Аналитическое решение данной задачи весьма трудоемко, причем нет возможности оценить все факторы, влияющие на результат, поэтому был проведен расчет в СЛБ-среде, кроме того, он обладает хорошей наглядностью. Важно, что полученные аналитически зависимости будут верны только для схемы ротора с разнесенными дисками.

Решение поставленной задачи разбивается на этапы:

- создание эскиза, используя отрезки для прорисовки геометрии ротора и осевые линии, отображающие положение системы при нулевой погрешности;

- проставление размеров, которые можно варьировать в зависимости от величины заданных погрешностей;

- проставление так называемых «управляемых размеров», значение которых покажет величину влияния каждого из факторов на изменение воздушного зазора, размеры проставляются на линии, соответствующей средней окружности магнитов.

По чертежу вала была построена расчетная схема (рис. 1) позиционирования вала в зависимости от величины отклонения размера вала под подшипник.

Приняты обозначения: Ь - длина вала; Ь1, Ь2 -размеры позиционирования диска ротора на валу; Я -радиус диска ротора; dy1, dy2 - отклонение размеров в зависимости от выбранной посадки; dx1, dx2 - отклонение положения диска ротора; а1, а2 - углы отклонения положения вала; Р1, Р2 - углы отклонения диска ротора.

При известных величинах dy1, dy2, Ь1, Ь2 углы наклона вала определяются по формулам

Za1 = arcsin | dy1 L1

Za2 = arcsin

dy 2 L 2 ,

Если пренебречь смещением диска ротора относительно оси вала и считать эту систему жесткой, то угол отклонения горизонтальной оси вала будет равен углу отклонения вертикальной оси диска ротора, т. е.

Za1 = ZP1, Za2 = Zp2.

Решетневскуе чтения. 2013

Рис. 1. Схема оценки влияния на перепад зазора погрешности позиционирования подшипников

Поскольку радиус диска ротора Я известен, то смещение диска ротора по горизонтальной оси можно найти по формулам:

dx1 = R ■ arctg^Р1),

dx2 = R ■ arctg^р2).

В случае если на валу установлено два диска ротора, расчетная схема позиционирования вала при перекосе будет другой (рис. 2).

sin а =■

а с другой стороны -

sin а =

L1

dy2 L2 '

Тогда учитывая, что левые стороны уравнений равны Бша и длина Ь2 выражена через Ь1, получим:

dy1 dy2 L1 = L - VI Теперь можно выразить неизвестную Ь1:

су2 ■ VI + dy1 ■ VI = dy1 + V,

VI = .

dy1 + dy2

Таким образом, зная предельные отклонения вала в местах посадки подшипника и общую длину вала, можно определить координату перекоса вала и угол перекоса:

sin а =

dyl Ll '

cos а =-

Llx

Рис. 2. Расчетная схема позиционирования вала для двух роторов

Для схемы с двумя роторами точка пересечения вала с горизонтальной осью будет плавающей. Расстояние Ь1 является искомым. Общая длина вала равна

V = VI + L2.

С одной стороны угол а равен

dyl

Разработанная модель позволяет рассчитать начальное отклонение диска ротора с учетом допусков и технологических погрешностей. Таким образом, учет технологических погрешностей позволяет на начальном этапе определить перекос воздушного зазора и дать рекомендации по усовершенствованию конструкции. Также особенно важно соблюдать точность изготовления и позиционирования деталей, входящих в конструкцию.

Библиографические ссылки

1. Пат. 2313888 РФ. Торцевая электрическая машина / А. Л. Встовский, М. П. Головин, Н. Е. Полош-ков, Л. Н. Головина, С. А. Коков ; опубл. 27'12'2007' Бюл. № 36. 6 с.

2. Мягков В. Д., Палей М. А., Романов А. Б., Брагинский В. А. Допуски и посадки : справочник. Ч. 1, 2. Л. : Машиностроение. Ленингр. отд-ние. 1982. Ч. 1. 543 с.

References

1. Pat. 2313888 RF. Tortsevaya elektricheskaya mashina / A. L. Vstovskiy, M. P. Golovin, N. E. Poloshkov, L. N. Golovina, S. A. Kokov ; opubl. 27.12.2007. Byul. № 36. 6 s.

2. Myagkov V. D., Paley M. A., Romanov A. B., Braginskiy V. A. Dopuski i posadki: Spravochnik. Ch. 1, 2. L. : Mashinostroenie. Leningr otd-e. 1982. Ch. 1. 543 s.

© Карпенко Е. В., Морозов Д. И., Колбасина Н. А., 2013