Научная статья на тему 'Влияние электромагнитных экранов на параметры лобовых частей обмотки статора ударного генератора'

Влияние электромагнитных экранов на параметры лобовых частей обмотки статора ударного генератора Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
52
11
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Влияние электромагнитных экранов на параметры лобовых частей обмотки статора ударного генератора»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ЭКРАНОВ НА ПАРАМЕТРЫ ЛОБОВЫХ ЧАСТЕЙ ОБМОТКИ СТАТОРА УДАРНОГО ГЕНЕРАТОРА

Л. О. ОГАНЯН

(Представлена объединенным семинаром кафедр электрических машин и аппаратов

и общей электротехники)

Амплитуда импульса тока ударного генератора в значительной степени определяется его сверхпереходным индуктивным сопротивлением, большую часть которого составляет индуктивное сопротивление рассеяния лобовых частей. В генераторах с нормальной зубцовой зоной оно составляет около 50% полного индуктивного сопротивления рассеяния обмотки статора, а в генераторах с вынесенной в воздушный зазор обмоткой статора — 70—80%.

Снижение рассеяния лобовых частей обмотки статора ударного генератора достигается заключением лобовых частей перемычек в экраны из материала с высокой электропроводностью (медь, бронза и т.д.).

Действие экранов на параметры лобовой зоны обмотки статора ударного генератора можно учесть коэффициентами демпфирования и экранирования.

Первый учитывает реакцию вихревых токов, наведенных в теле экрана, на поле рассеяния лобовых частей, приводящее к уменьшению их индуктивного сопротивления, второй определяет степень экранирования конструктивных элементов торцовой зоны ударного генератора (щиты, подшипники), выполненных из ферромагнитного материала от потоков рассеяния лобовых частей. Последнее существенно снижает величину потерь в указанных элементах.

Кроме того, следует учесть, что экраны позволяют надежно крепить лобовую часть и предохраняют ее от разрушения электродинамическими усилиями.

Определение вышеуказанных коэффициентов и исследование их зависимости от факторов, характеризующих лобовую зону машины (геометрии лобовых частей, толщины экрана, частоты возбуждающего поля и т. д.), представляет большой интерес на стадии проектирования ударных генераторов.

В настоящей работе исследование коэффициентов демпфирования и экранирования потоков рассеяния лобовых частей проведено на примере однофазного ударного генератора, имеющего однослойную концентрическую обмотку статора с подразделенными лобовыми частями, отогнутыми на угол 90° относительно оси машины.

Расчет индуктивности рассеяния лобовых частей, заключенных в экраны, приводит к исследованию электромагнитных полей лобовой зо-

ны ударного генератора, так как индуктивность определяется через энергию магнитного поля по известному закону [1].

Следует отметить, что в современных ударных генераторах ширина меди в пазу достигает около 20 мм. При напряжении на зажимах обмотки статора в 15,7 кв двусторонняя толщина изоляции в зоне лобовых частей также составляет около 20 мм. Толщина медных экранов колеблется от 10 до 30 мм. То есть размеры элементов, входящих в рассматриваемую зону, соизмеримы. Пренебрежение любой из них приводит к большим неточностям конечных результатов. По этой причине становится невозможным использование результатов исследования ряда авторов в области экранирования применительно к лобовым частям обмотки статора ударного генератора.

Допущения, принимаемые нами при решении задачи, относятся в основном к конфигурации лобового пространства и лобовых соединений.

Конфигурация лобовых соединений принимается несколько упрощенной: предполагается отсутствие прямолинейных участков обмотки статора, служащих продолжением ее активной части, лобовое пространство считается развернутым в тангенциальном направлении, т. е. в виде прямоугольного бесконечного параллелепипеда.

Принятые допущения не вносят ощутимой погрешности в расчет поля для данной задачи, так как лобовые соедине-I-экраны, II-лобовые перемычки, III— ния концентрической обмотки, торцовый щит, IV — нажимная плита, применяемой в ударных гене-V изоляция, VI железо статора раторах, выполненных в пре-

дельных габаритах, особенно многополюсных, имеют небольшую кривизну, а размер прямолинейных участков лобовых соединений обмотки статора, зависящий от напряжения машины и технологических факторов, для ударных генераторов с отогнутыми на угол 90° лобовыми соединениями мал по сравнению с криволинейной частью.

Принятые допущения о «сверхпроводимости» (7 = 00) экранов по оси у позволяют представить поле в форме тригонометрического ряда. Представление поля в виде суммы ряда пространственных гармоник положено в основу последующего решения, задачи.

Расчетная схема лобовой зоны, составленная на основе принятых допущений, представлена на рис. 1. Поле в пространстве между лобовыми частями и экранами в полученной системе можно считать плоскопараллельным. Решение задачи производится с помощью функции векторного потенциала магнитного поля А. При принятой конфигурации рассматриваемой системы удобно электромагнитное поле исследовать в декартовой системе координат, а так как система расположена симметрично относительно оси х, то достаточно рассчитать и исследовать поле только в одной из частей рассматриваемого пространства. Распределение индукции в лобовой зоне можно найти, предварительно определив векторный потенциал магнитного поля как функцию координат. Определение векторного потенциала производится в четырех областях, на

Ю

которые развибается исследуемое пространство [2]. В области 1 при

Ь

0<С//<С"2~справедливо уравнение

д2А, , д2А,

|х08. (1)

дх2 ду2

ь н м

В областях II и IV при и ^—^^У^00 справедливо

уравнение

дх2 ду2

И Н

0. (2)

В области III при справедливо уравнение

д2Ая d2Á3

дх2 + ду2

—>тМз> (3)

где

б — плотность тока,

Y, ¡i — электрическая и магнитная проводимость материала экрана,

со — круговая частота.

Представим плотность тока в виде тригонометрического ряда

сю

3=2 Ъп(у) sin кх, (4)

п=1

где оп(у) в общем случае зависит от у и определяется известными формулами Фурье.

Векторный потенциал магнитного поля является периодической функцией от х с тел! же периодом, что и б, тогда общее выражение для векторного потенциала будет

оо

Á^Án{y)s\nkx. (5)

Решение уравнений (1)4-(3) с учетом (4) и (5) не вызывает особых затруднений. Используя равенства нормальных и тангенциальных составляющих векторов индукций на границах смежных зон, а также

учитывая, что при у—+оо Л4 = 0 и при У = определяются пос-

тоянные интегрирования для векторных потенциалов соответствующих областей.

Составляющие индукции в любой точке рассматриваемого пространства определяются как

R dÁ R dÁ

Индуктивность экранированной системы проводников определяется интегрированием квадрата индукции и в пространстве, занятом полем, то есть в областях 1, 2, 3 и 4.

1 ¿р^ь,

где

Ы2 ¿=1 V

В%==Вх£-\-В2У1 —индукция в исследуемой области. I — номер рассматриваемой области. После преобразований получаем

N

(7)

(8)

где

К — проводимость потока рассеяния лобовых частей.

э1

00 1 ■ V —

л^Ь 3 П1

М 1

2 2 2 2

соэ 2к&;

Хэ2= V —{[2 кк+

пМ,.. П5

(9)

сЬ 2к-

М]

соъ2 к А;

^3= 2

1

«=1,3,.. П-

(10)

—(1+яг4)(2 р сг-эЬ 2 р а)——(2 р 2 М) + 4 2

+ (1 +яг2)(сЬ 2 р й— 1)

ьКЧс-

М2

-сое2 к

1

772'

м2

соэ2

(11)

(12)

яЛГз,.. п°

В полученных выше выражениях (8) — (12) приняты следующие обозначения:

н

%__I ^

М = те 2 сЬр£/-(- / бЪк--^тР-сЬк-— (вЬ р^;

Н

2~

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

±к

Мх

N.

н

Ме

7"4 /2

1г5 (аЬ)2

; к=

П 7Г

Г '

т

Индуктивность является комплексной величиной. Мнимая ее часть обусловлена потерями от вихревых токов в экране. Она составляет до 10% полной индуктивности лобовых частей.

При отсутствии экранов 1 (рис. 1) выражения для (9) и (10) принимают вид

-к-

ии

1

я=1,3,.. П'

~к~2~ в

— сЪк—-1№к—+к— 2 2 у 2 2

—е-м^к—соэ2 к А. 2

п=Т,з,.. п-

Индуктивность в этом случае, согласно (8), равна

/

соз2А:Д; (13)

(14)

(15)

Из уравнений (8) и (15) можно найти общее выражение для коэффициента, учитывающего уменьшение индуктивности лобового рассеяния

2 *э£

А

и коэффициента экранирования

кэ=Яе^

Э4

(16)

(17)

э2

Следует отметить, что выражение (17) при принятых допущениях решения задачи справедливо лишь в том случае, когда ферромагнитные поверхности щитов удалены на сравнительно большое расстояние от поверхности лобовых перемычек. В связи с этим целесообразнее коэффициентом экранирования характеризовать степень уменьшения потоков рассеяния лобовых частей в области торцового щита и других ферромагнитных поверхностей в торцовой зоне ударного генератора

В,

В

(18)

э2

где

I Вэ41 > I 1 — соответственно модули индукции в областях 4 и 2 при заключении лобовых частей в экраны.

В

Вэ1\=Кг ^ — е п=\,3,.. П2

1 [ 1

эЬ к-

М

соэ к А;

(19)

э2

N1 2

/¡=1,3,.. П'

+2 т2 бЬ 2 к\

Н

У

(1+/и4)сЬ 2 к эЬ2 р й-\-те

Н \

---у|+(1—т4)соэ2Ь +

бЬА:| — (сое2 кх+т2$т2кх)(:\1к[ -^— — у

[(Б1й2кх-{-т2совкх) • эЬ 2 М+

и, ь

¡п2е 1 " сЬ2 Э 2-собЛгЛ;

М

А=

(20) (21)

В частности, при определении величины индукции Вэ1 и Вэ2

Н Н

п а

границах (соответственно У

2

-\--cl) и подстановки их значений

Таблица 1

в выражение (18), коэффициент /еэ будет характеризовать проникновение поля в тело экрана.

Аналитические выражения при определении коэффициентов к д и к по формулам (16) и (18) получились довольно громоздкие, однако реализация их на ЭЦВМ не представляла большой трудности.

Расчеты показывают исключительное влияние расстояния между лобовыми частями обмотки статора и экранами, а та,кже и геометрических размеров стержней лобовых перемычек на величину индуктивности рассеяния. В табл. 1 приведены расчетные данные индуктивности рассеяния при увеличении к от 0,1 Ь (/г=0,1 Ь соответствует минимально допустимой толщине изоляции лобовой части обмотки) до 1 Ь (где Ь — ширина стержня лобовой перемычки принята за единицу), при А —0,5 и 0,6 при отношении поперечных размеров стержня а

— = 3 и 6. Расчеты приведены при частоте возбуждающего поля

1000 гц и толщине медного экрана ¿¿=12 мм.

Как видно из таблицы, с возрастанием величины К в указанных пределах индуктивность системы увеличивается почти в 4—4,5 раза.

/г (о. е К

0,5 л--!

6 3 0

од 0,5 0,35 0,6 0,4

0,5 1,45 0,9 . 1,6 1,08

1,0 2,25 1,42 2,45 1,51

Ю

ол 0,6 оа 0,2

Ю 0,8 0,6 ОА 0,2

Кэ

\ ПЬ5щ

\ у 50гц

\

\ ЧО 4

о /5 30 60 гц 0/234 <м

Рис. 2. Зависимость коэффициента кя Рис. 3. Зависимость коэффициента л:э

от частоты от толщины экранов

На рис. 2 показана зависимость коэффициента демпфирования в

функции от частоты при отношении ~ =4. Как видно, с уменьшением

частоты эффективность применения экранов снижается. Так, при одинаковой толщине экранов и геометрии лобовой части индуктивность уменьшается при 50 гц в 1,3—1,4 раза, чем при 25 гц и в 1,9 — 2, чем при 12,5 гц. Зависимость коэффициента экранирования от толщины экрана й представлена на рис. 3. Из рисунка видно, что применение экранов с толщиной, равной 3—4 значениям глубины проникновения электромагнитной волны, практически полностью экранирует окружающее пространство от потоков рассеяния лобовых частей.

С целью проверки теоретических положений и расчетов на ЭЦВМ были проведены экспериментальные исследования на физической модели лобовой части обмотки статора ударного генератора. При отноше-

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

нии_—0,5 и ~ =4 (данные модели) результаты экспериментальных исследований дали удовлетворительное совпадение с результатами расчета (на рис. 2 экспериментальные данные показаны знаком*).

Таким образом, коэффициенты демпфирования и экранирования являются сложными функциями от многих величин, характеризующих лобовую зону генератора ударной мощности, основными из которых являются материал экрана и его толщина, частота, расстояние между стенками экрана и лобовыми перемычками.

ЛИТЕРАТУРА

1. В. А. Говорков. Электрические и магнитные поля. М., «Энергия», 1968.

2. К. Б и н с, П. Л а у ренсон. Анализ и расчет электрических и магнитных полей. М., «Энергия», 1970.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.