Нормализованные внешние диаметры сердечника статора



Составители: Н. Н. Новиков, к. т. н. И. Е. Родионов, к. т. н. В. Ф. Шутько, к. т. н.  

Научный редактор В. Ф. Шутько, к. т. н.

 

СИНТЕЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ЯДРА ЯВНОПОЛЮСНЫХ
СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ:
методические указания по курсовому
и дипломному проектированию / Н. Н. Новиков, И. Е. Родионов,
В. Ф. Шутько. – 2-е изд., перераб. и доп. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2005. – 35 с.

 

 

Описывается методика синтеза электромагнитного ядра мощных синхронных двигателей с явновыраженными полюсами. Задача синтеза решается последовательной коррекцией предварительно выбранных основных конструктивных размеров двигателя. Методика синтеза положена в основу проектных исследований синхронных двигателей на ЭВМ.

Оптимизация электромагнитного ядра двигателя, формулировка задачи оптимизации и ее алгоритм содержатся в методических указаниях «Параметрическая оптимизация явнополюсных синхронных двигателей на персональных компьютерах» [3].

Работа предназначена для студентов факультета ускоренного обучения УГТУ–УПИ.

 

Библиогр.: 12 назв. Рис. 11. Табл. 8.

 

 

Подготовлены кафедрой

«Электрические машины»

 

 

© ГОУ ВПО
«Уральский государственный
технический университет – УПИ»,
2005

 

Введение

Крупные синхронные двигатели нашли широкое применение в металлургической, нефтяной, газовой и горнодобывающей отраслях промышленности, в энергетике и в системах водоснабжения. Достоинствами синхронных двигателей по сравнению с асинхронными являются более высокий КПД и перегрузочная способность, меньшая зависимость момента от посадок напряжения сети, стабильная частота вращения. Решающим преимуществом синхронных двигателей является возможность широкого регулирования реактивной мощности, включая режим ее генерирования в сеть с опережающим коэффициентом мощности. При таком коэффициенте мощности синхронные двигатели имеют лучшие показатели по стоимости и потерям, чем асинхронные с конденсаторными устройствами, обеспечивающими полную компенсацию реактивной мощности.

Достижения последних лет в создании крупных синхронных двигателей связаны с расширением диапазона мощностей, улучшением энергетических показателей, совершенствованием систем возбуждения и схем управления.

В настоящее время при разработке синхронных двигателей широко используется САПР, позволяющая сократить сроки и повысить качество проектирования. Технология проектирования с помощью САПР предполагает, что компьютер выполняет решение чисто расчетных задач, оптимизацию и документирование принятых решений, а инженер ставит задачу, готовит исходные данные, управляет ходом решения в режиме диалога и принимает окончательное проектное решение. Для начинающего инженера САПР дает большие возможности накопления проектного опыта за счет многократного моделирования, в ходе которого анализируется влияние конструктивных параметров на характеристики и показатели двигателей. Современные средства визуализации расчетов дают возможность наглядно представить характер взаимодействия физических полей и процессов в двигателе и детально анализировать их в эксплуатационных и аварийных режимах.

Таким образом, САПР обладает в потенциале мощными обучающими функциями и способствует развитию инженерной интуиции.

Однако использование промышленных САПР в учебном процессе нецелесообразно, так как сложность решаемых в них задач намного превышает аналитические возможности начинающего пользователя.
При подготовке студентов к автоматизированному проектированию более эффективным является использование специальных учебно-исследовательских САПР, в которых введены дидактические элементы, раскрывающие суть расчетной модели и методы ее решения, а также расширены средства визуализации проектных решений в виде эскизов отдельных узлов и деталей, графиков статических и динамических характеристик, картины физических полей, траекторий движения в пространстве, конструктивных параметров при поиске оптимального варианта и др. Но даже и в этом случае работе студента на ЭВМ должен предшествовать расчет одного варианта двигателя с целью изучения методики проектирования на основе эвристических принципов принятия проектных решений. Суть этой методики в сжатой форме излагается в данной работе.

1. Особенности
конструктивного исполнения
явнополюсных синхронных
двигателей

В данной работе рассматриваются вопросы проектирования нерегулируемых синхронных двигателей вертикального и горизонтального исполнений для привода компрессоров, насосов, воздуходувок, шаровых мельниц, вентиляторов и других механизмов. Такие двигатели выпускаются в виде серий. Каждая серия включает машины в определенном диапазоне мощностей и частот вращения. Их выполняют на нормализованных внешних диаметрах сердечника статора, определяющих габарит двигателя (табл. 1).

    Таблица 1

Нормализованные внешние диаметры сердечника статора

Габарит 16 17 18 19 20 21 22
Диаметр, м 1.8 1.43 1.73 2.15 2.60 3.25 3.75

 

Номинальное напряжение двигателей – 6 или 10 кВ. Обмотки статора выполняются из проводов прямоугольного сечения со стекловолокнистой (ПСД) и эмалеволокнистой (ПЭТВСД) изоляцией классов нагревостойкости B (1300C) и F (1550C). Конструкция обмотки – двухслойная катушечная, петлевая. Корпусная изоляция обмоток выполняется непрерывной компаундированной в битумных (термопластичная) или эпоксидных (термореактивная) компаундах.

Магнитопровод статора собирается из отдельных сегментов электротехнической стали марок 1511, 1512, 1513 (горячекатаная), 2312, 2411 (холоднокатаная изотропная) или 3412, 3413 (холоднокатаная анизотропная) толщиной 0.35 и 0.5 мм. Число сегментов в слое может быть целым или дробным. Сегменты сердечника статора крепят к корпусу с помощью двух-трех клиньев или шпилек.

Полюсы синхронных двигателей выполняют шихтованными из стали Ст3 толщиной 1.5 мм или массивными. Конструкция ротора с массивными полюсами более надежна. Однако такие двигатели необходимо выполнять с увеличенным воздушным зазором для снижения потерь на поверхности полюсов от зубцовых гармонических магнитного поля. Это неэкономично, т. к. увеличивается МДС обмотки возбуждения и, следовательно, ее масса. Кроме того, в тихоходных двигателях с массивными полюсами вращающий момент на подсинхронной частоте вращения меньше номинального, что затрудняет синхронизацию. Также выше трудоемкость изготовления массивных полюсов. Эти недостатки ограничивают область применения массивных полюсов только для быстроходных двигателей (2p = 4).

Двигатели с шихтованными полюсами для обеспечения требуемых пусковых свойств снабжают демпферной обмоткой в виде круглых медных или латунных стержней, расположенных в полюсных наконечниках. По торцам стержни замыкаются короткозамыкающими кольцами или сегментами. Более подробное описание конструкции синхронных двигателей можно найти в учебниках по проектированию электрических машин [5] либо в каталогах соответствующих серий двигателей, выпускаемых отраслевыми центрами информации.

2. Постановка задачи проектирования

Синхронный двигатель как объект проектирования характеризуется совокупностью конструктивных, электромагнитных и эксплуатационных показателей (параметров). На все множество конструктивных параметров и на некоторые электромагнитные параметры и эксплуатационные показатели накладываются ограничения, обусловленные требованиями ГОСТов [1], [2] и техническим заданием.

При курсовом проектировании техническое задание содержит номинальные данные и технические требования, определяемые условиями эксплуатации.

Номинальные данные:

номинальная активная мощность ................ PН, кВт

номинальное линейное напряжение ............ UН, кВ

номинальный коэффициент мощности ....... Cos φН

номинальная частота напряжения сети ....... fН, Гц

номинальная частота вращения ротора ....... nН, об/мин.

Технические требования:

кратность пускового момента ...................... MП / MН

кратность максимального момента ............. MM / MН

кратность входного момента ........................ MS / MН

кратность пускового тока ............................. IП / IН

Эксплуатационные показатели двигателя связаны с его конструктивными и электромагнитными параметрами, разнообразными аналитическими зависимостями, совокупность которых определяет расчетную модель двигателя.

Целью задачи проектирования синхронных двигателей является синтез электромагнитного ядра (рис. 1) и определение таких его параметров, при которых двигатель удовлетворял бы требованиям ГОСТов и техническому заданию. В такой постановке задача, как правило, имеет множество решений, т. к. число искомых конструктивных параметров значительно превышает число уравнений расчетной модели. В связи с этим возникает необходимость рассмотрения большого числа вариантов двигателя и выбора лучшего из них. Оценка вариантов производится по ряду эксплуатационных показателей, которые в этом случае рассматриваются в качестве критериев оптимальности. 

Для облегчения задачи поиска лучшего варианта выделим из всей совокупности конструктивных параметров, подлежащих определению, группу управляемых параметров. Число управляемых параметров должно быть минимальным. В него должны входить наиболее значимые параметры, отражающие существенные связи в двигателе и удовлетворяющие следующим требованиям:

· однозначность определения конструктивной схемы двигателя;

· простота вычисления конструктивных параметров, необходимых при рабочем проектировании;

· возможность получения эксплуатационных показателей и характеристик.

Анализ уравнений расчетной модели показал, что этим требованиям удовлетворяют следующие конструктивные параметры:

– число эффективных проводников в пазу;

– число пазов статора;

– внутренний диаметр сердечника статора;

– длина сердечника статора;

– высота паза статора;

 

 

 

 

– ширина паза статора;

– величина воздушного зазора под серединой полюса;

– ширина полюсного наконечника;

– ширина сердечника полюса;

– высота сердечника полюса;

– высота проводника обмотки возбуждения;

– ширина проводника обмотки возбуждения;

– кратность пускозащитного сопротивления;

– диаметр стержня демпферной обмотки;

– число стержней демпферной обмотки.

Управляемые параметры определяются по эмпирическим соотношениям, полученным на основе анализа уже изготовленных двигателей. Остальные конструктивные параметры двигателя вычисляются по уравнениям проектирования в соответствии с инженерной методикой расчета.

Поскольку соотношения для определения управляемых параметров являются приближенными и не гарантируют выполнения в полной мере технологических ограничений и технических требований, то на определенных стадиях расчета возникает необходимость их коррекции. Во избежание многократной коррекции одних и тех же параметров каждое ограничение или требование связывается с определенной группой конструктивных параметров. Коррекция осуществляется внутри соответствующей группы методов направленного перебора.

Блок-схема алгоритма решения задачи синтеза электромагнитного ядра двигателя представлена на рис. 2. Последний этап расчета выполняется с помощью ЭВМ.

3. Расчет номинальных величин

3.1. Номинальная полная мощность, кВА:

,

где  – среднее значение КПД крупных синхронных двигателей; .

 

 

3.2. Номинальный фазный ток статора, А:

.

4. Расчет сердечника статора

Расчетную модель сердечника статора представим в виде функционального графа, вершины которого соответствуют переменным модели, а ребра – функциональным зависимостям между переменными (рис. 3). Функциональный граф иллюстрирует связи между переменными и определяет последовательность расчета.

Рис. 3. Граф расчета сердечника статора

4.1. Число пар полюсов

.

4.2.* Внутренний диаметр статора, м:

,

где Da – внешний диаметр сердечника статора, м, выбирается по табл. 1.

 

4.3. Полюсное деление, м:

.

4.4.* Длина сердечника статора, м:

.

4.5. Высота спинки сердечника статора, м:

.

4.6. Высота паза статора, м:

.

4.7.* Ширина паза статора, м:

,

при термореактивной изоляции; при термопластичной изоляции.

Чтобы получить удовлетворительный вариант двигателя, целесообразно уже на стадии предварительных расчетов обеспечить выполнение соотношений

путем соответствующей коррекции внутреннего диаметра .

4.8. Число параллельных ветвей.

В синхронных двигателях применяются двухслойные катушечные обмотки (рис. 4). По технологическим причинам ток одной катушки не должен превышать 250–275 А. Если номинальный ток статора превышает эти значения, то обмотку выполняют из нескольких параллельных ветвей. Число параллельных ветвей aвыбирается из ряда чисел, кратных числу полюсов (например, при 2p= 24 возможны числа параллельных ветвей 24, 12, 8, 6, 4, 3, 2, 1). Как правило, выбирается наименьшее число из ряда возможных чисел так, чтобы удовлетворялось условие

 А.

4.9.* Минимальное зубцовое деление, м:

.

4.10. Максимально возможное число пазов статора

.

4.11. Число пазов на полюс и фазу

.

Если q> 4, то его округляют до целого, в противном случае число q выбирают дробным, состоящим из целого числа b и правильной дроби c/d:

.

Знаменатель d выбирают из ряда чисел, кратных отношению числа полюсов к числу параллельных ветвей, но не кратным трем (например, при 2p= 24 и а= 1 возможными значениями знаменателя дробной части q могут быть числа 8, 4, 2, 1). Рассматриваются все значения d из ряда возможных чисел. Каждому выбранному значению d может соответствовать несколько значений числителя c. Величину c выбираем так, чтобы отношение с/d представляло собой несократимую дробь. Из всех возможных значений c и d предпочтение отдается такому сечению, при котором обеспечивается наилучший раскрой стали на сегменты. Сегменты штампуются из листов электротехнической стали размером 750 x 1500, 1000 x 2000, 860 x 1720 и 600 x 1500 мм или из рулонов шириной 500, 530, 600, 670, 750, 860 и 1000 мм, как показано на рис. 5.

4.12. Число пазов статора

 .

4.13. Число пазов в сегменте.

Число выбирается кратным числу пазов Z в диапазоне . Если большая хорда сегмента

меньше ширины A или половины ширины стандартного листа на величину припуска (5–10 мм), то деление на сегменты можно считать удовлетворительным.

4.14. Зубцовое деление, м,

.

Рис. 4. Конструкция двухслойной катушечной обмотки

Рис. 5. Раскрой листа электротехнической стали

5. Расчет обмотки статора

Расчет выполняется в соответствии с графом (рис. 6).

Рис. 6. Граф расчета обмотки статора

5.1.* Линейная нагрузка, А/м:

.

5.2. Число эффективных проводников в пазу

.

Величина Uп округляется до ближайшего целого четного числа.

5.3. Число элементарных проводников в одном эффективном

,

где    – предварительное значение плотности тока в обмотке статора, А/мм2; ;

– предварительная площадь сечения элементарного проводника; мм2 .

Число n0 может принимать значения 1, 2, 3, 4, 6.

5.4. Ширина элементарного проводника, мм:

 

,

где – толщина витковой изоляции по табл. 2;

– толщина корпусной изоляции по табл. 3;

– число элементарных проводников по ширине паза; m0 = 1, если n0 – нечетное; при четном n0 величина m0 вначале принимается равной 2. Если при этом ширина элементарного проводника b0 < 3.6 мм, то целесообразно по ширине паза укладывать не два, а один элементарный проводник – m0 = 1.

Таблица 2


Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 531;