CC BY
9
УДК 621.31
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-3-149-152
ВЛИЯНИЕ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА НА ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТЯГОВОГО СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА ТЕПЛОВОЗА ВСЛЕДСТВИЕ ЭЛЛИПСНОСТИ СТАТОРА
В.Н. Козловский, А.С. Саксонов, Е.В. Стрижакова
В работе рассматривается влияние эллипсности статора вследствие просадки электротехнической стали синхронного тягового генератора тепловоза на его выходные характеристики.
Ключевые слова: тяговый генератор, тепловоз, статорная ЭДС.
Из-за жесткости механической характеристики и возможности управлять возбуждением, синхронные машины получили широкое распространение в качестве генераторных установок, в том числе и на автономных объектах, таких как автомобили и тепловозы.
Известно, что конструктивные параметры активной зоны электромеханических преобразователей энергии (ЭПЭ) сильнейшим образом влияют на выходные параметры (статорная ЭДС) [1, 2, 3]. Один из таких параметров - величина воздушного зазора (ВЗ). Согласно [4] от величины ВЗ сильно зависят значения амплитуд магнитной индукции и магнитного потока в этом ВЗ (1), (2):
где ^о - магнитная проницаемость вакуума, Гн/м; к$ - коэффициент ВЗ; к^а - коэффициент насыщения магнитной цепи по продольной оси; 5 - величина ВЗ, м; /у - МДС обмотки возбуждения, А; к^ - коэффициент формы поля возбуждения.
= , (2)
где т - полюсное деление машины, м; Iг - активная длина машины, м.
Логично, что при изменении амплитуды магнитного потока будет изменяться и амплитуда статорная ЭДС [4] (3):
Ет = ш1мгай1г, (3)
где - угловая частота вращения магнитного поля создаваемого обмоткой возбуждения; - взаимоиндуктивность фазной обмотки и обмотки возбуждения, Гн; ¿^ - ток возбуждения, А.
Логично, что в том случае, если ВЗ неравномерный, то и магнитная индукция, магнитный поток и соответственно, статорная ЭДС будут также неравномерны. Такое поведение этих трех параметров характерно при несоосности статора и ротора ЭПЭ или эллипсности статора ЭПЭ.
Для небольших ЭПЭ, таких как автомобильные генераторы более характерно возникновение несоосности статора и ротора вследствие некачественной расточки посадочных мест подшипниковых щитов. Для больших ЭПЭ, например тяговых генераторов тепловозов искажение ВЗ возможно не только вследствие несоосности, но и вследствие эллипсности статора (рис. 1).
Рис. 1. Эллипсность статора 149
Такие крупные ЭПЭ как тяговые генераторы имеют значительную массу. Например, тяговый генератор ГС-504А магистрального пассажирского тепловоза ТЭП70БС имеет полную массу 6500 кг. Статор этого ЭПЭ имеет массу порядка 3500 кг. При такой значительной массе, со временем возможна просадка стали статора под действием собственного веса (4):
М = , (4)
2ЕА У '
где Q - собственный вес статора ЭПЭ, кг; I - длина ярма статора, м; Е - модуль Юнга, для электротехнической стали принимается равным 210; А - площадь сечения статора.
Для расчета собственного веса статора тягового генератора нужно использовать выражение (5):
Q = гпд, (5)
где т - масса стали статора, кг; д - ускорение свободного падения, м/с2.
Таким образом, максимальная просадка стали статора согласно (4), (5) составит:
. , 3500-1,79 . .
М =-= 4,4 мм.
2-210-3,38
Для задания эллипсности нужно использовать математический аппарат [5], который приводится ниже.
Как геометрическую фигуру, эллипс можно характеризовать его радиусом (6):
гэ = ^ , (6)
•\1 А 4/
где а, Ь - большая и малая полуоси эллипса соответственно, м; £ - эксцентриситет эллипса.
В силу того, что эллипс неравномерная геометрическая фигура, то и в разных точках его радиус будет иметь разные значения.
Если известны максимальное и минимальное значения радиусов эллипса, то можно вычислить амплитудное значение (7):
Аэ = га-гь, (7)
где га - радиус эллипса по большой полуоси, м; гь - радиус эллипса по малой полуоси, м.
Можно заметить, что диаметр статора с эллипсностью изменяется циклично, значит , изменение диаметра статора ЭПЭ можно описать гармоническим законом (8):
Аэ(гг) = АЭ зт(2-п • ш) + Д, (8)
где ш - циклическая частота вращения ротора ЭПЭ, рад/с; - номинальный диаметр статора, м.
Соответственно, для расчета неравномерного ВЗ вводится выражение (9):
5 = (9)
где - диаметр ротора машины, м.
Для апробации результатов создания математического аппарата была разработана компьютерная модель статора тягового генератора типа ГС-504А (рис. 2-3).
Gain
Рис. 2. Математический аппарат для задания эллипсности статора тягового генератора
Таким образом, при наличии эллипсности статора циклически изменяется диаметр статора, соответственно циклически изменяется и ВЗ (рис. 4).
В соответствии с выражениями (1), (3) происходит циклическое изменение амплитуд магнитной индукции и статорной ЭДС (рис. 5).
150
Рис. 3. Компьютерная модель для моделирования статорной ЭДС ЭПЭ
хКГ3
Рис. 4. Изменение внутреннего диаметра статора (слева) и ВЗ (справа) вследствие эллипсности статора ЭПЭ
Таким образом, эллипсность накладывает свое влияние на выходные характеристики ЭПЭ тяговой генераторной установки, последние становятся нестабильными, что в свою очередь оказывает влияние на входные параметры тяговых электродвигателей тепловоза.
Список литературы
1. Козловский В.Н. Имитационная модель селективной сборки электромеханических преобразователей // Электроника и электрооборудование транспорта. 2008. № 4. С. 36-39.
2. Козловский В.Н., Ютт В.Е. Оценка влияния размерных параметров активной зоны автомобильного стартер-генераторного устройства на его технические характеристики // Электроника и электрооборудование транспорта. 2009. № 2-3. С. 14-16.
3. Козловский В.Н., Малеев Р.А. Ключевые параметры активной зоны типовых конструкций генераторной установки - определение и оценка значимости // Грузовик. 2008. № 6. С. 27-30.
4. Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины. Машины переменного тока : учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки "Электротехника, электромеханика и электротехнологии" и "Электроэнергетика". М.: Питер, 2008. 349 с.
5. Саксонов А.С., Крицкий А.В., Козловский В.Н. Разработка математического аппарата для оценки влияния эллипсности статора на выходные характеристики автомобильной генераторной установки // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 7. С. 338-341.
Козловский Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Саксонов Александр Сергеевич, аспирант, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Стрижакова Елена Владимировна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
THE EFFECT OF THE UNEVEN AIR GAP ON THE OUTPUT PARAMETERS OF THE TRACTION SYNCHRONOUS GENERATOR OF THE LOCOMOTIVE DUE TO THE ELLIPSIS OF THE STATOR
V.N. Kozlovsky, A.S. Saksonov, E.V. Strizhakova
The paper considers the effect of the stator ellipsis due to the subsidence of the electrical steel of the synchronous traction generator of the locomotive on its output characteristics.
Key words: traction generator, diesel locomotive, stator EMF.
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Saksonov Aleksandr Sergeevich, postgraduate, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Strizhakova Elena Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University
