Определение размеров статора

6. По рис. 1.1 для кВ∙А при 2р = 12 предварительно находим внутренний диаметр статора D = 0,92 м.

7. Внешний диаметр статора

D_a=k_ДD = (1,28–1,33)∙0,92 = (1,17–1,22) м.

По табл. 1.1 k_Д = 1,28–1,33.

По табл. 1.2 ближайший нормализованный внешний диаметр статора D_a = 1180 мм = 1,18 м (16-й габарит).

Высота оси вращения h = 0,63 м.

Уточняем внутренний диаметр статора

8. Полюсное деление

9. Расчетная длина статора.

По рис. 1.3 и 1.4 для τ = 0,236 м при 2р = 12 находим:

А=440∙10² А/м; В_δн = 0,89 Тл.

Задаемся: α_δ =0,66; k_В=1,15; k_об1= 0,92; α_δ∙k_В=0,66∙1,15=0,76, тогда

м.

10. Находим λ

По рис. 1.5 устанавливаем, что найденное значение λ лежит в пределах, ограниченных кривыми при р = 6.

11. Действительная длина статора

12. Число вентиляционных каналов при b_К = 0,01м и

l_пак = (0,04–0,05) м

Принимаем n_К=6.

13. Длина пакета

м.

Округляем до целого мм: l_пак=0,045 м.

14. Суммарная длина пакетов сердечника

Расчёт зубцовой зоны статора. Сегментировка

15. Число параллельных ветвей обмотки статора.

Так как I_нф = 1510 А > 200 А, то

Выбираем a₁=6, что кратно 2р=12, при этом

I_нф ∙u_п/ a₁ = 1510∙6/6 = 1510 ≤ 3000А (величина u_п – из п. 20)

16. Из рис. 2.1 (кривые 2) для τ =0,236 м находим:

t_1min=0,031 м, t_1max=0,035 м.

17. Максимальное число пазов (зубцов) магнитопровода статора

18. Минимальное число пазов (зубцов) магнитопровода статора

19. Число пазов магнитопровода статора.

Так как D_a=1180 м> 990 мм, то статор выполняется сегментированным. В диапазоне Z_lmax – Z_lmin требованиям пп. 2.1–2.5 удовлетворяет число пазов Z_l = 90; Z_l/(ma₁)=90/(3∙6)=5; q₁=Z_l/(2pm)=90/(2∙3∙6)=2,5, причем b=2, c=1, d=2, 2р/(a₁d)=2∙6/(2∙6)=1, Z_l=90=2∙3∙3∙5.

Тогда

20. Число проводников в пазу (предварительно)

Так как u_п должно быть четным числом, принимаем u_п=6.

Уточняем:

п. 9 – ;

п. 11 – ;

п. 13 – , где n_к=6 –число каналов (п. 12). Принимаем l_пак= 0,041м;

п. 14 – l_ст1=l_пак(n_к+1)=0,041∙7=0,287 м;

A=Z_lu_пI_нф/(πa₁D) = =90∙6∙1510/(π∙6∙0,9) = 481∙10² А/м.

Длина хорды

Расчёт числа проводников в пазу u_п, числа сегментов S_ст, хорды Н и линейной нагрузки А сводим в табл. 1.

Таблица 1

Наилучший результат дает 3-й вариант, который обеспечивает минимальные отходы при штамповке из стандартного листа размером 600×1500 мм.

Расчёт пазов и обмотки статора

21. Для предварительного определения ширины паза зададимся максимальной индукцией в зубце (рекомендуемый диапазон 1,6–2,0 Тл), тогда

м.

22. Поперечное сечение эффективного проводника обмотки статора (предварительно)

Плотность тока J₁ = AJ₁/A=2150∙10⁸/481∙10²=4,47∙10⁶ А/м².

AJ₁ определено по рис. 4.1 (кривая 2).

23. Возможная ширина изолированных проводников в пазу

мм.

Выбираем изоляцию катушек класса нагревостойкости В по табл. 4.1. Предварительно двусторонняя толщина изоляции δ_ип при напряжении U_H ≤ 660 В принята равной 1,8 мм.

24. Сечение эффективного проводника обмотки статора

q_эф=56,3 мм² > (18–20) мм², поэтому необходимо принять q_эл=56,3/4=14,1 мм².

Выбираем проводник марки ПЭТВСД с двусторонней толщиной изоляции 0,5 мм, тогда ширина неизолированного проводника

Однако в связи с тем, что проводник с размером одной из сторон ≈4,55 мм и сечением ≈14,1 мм² в табл. 4.2 отсутствует, принимаем По табл. 4.2 окончательно размеры медного проводника принимаем:
a₁ × b₁ = 2,5 × 4; q_эл = 9,45 мм²; размеры проводника с изоляцией
a_1из × b_1из = 3 × 4,5 мм. Сечение эффективного проводника
q_эф = n_эл q_эл = 6 ∙ 9,45 = 56,7 мм².

25. Ширина паза (уточненная)

где δ_рш = 0,05n_ш=0,05∙2 мм.

26. Высота паза (уточненная)

где δ_рв =0,05u_пn_в=0,05∙6∙3=0,9 мм.

Масштабный эскиз паза приведен на рис. 1, спецификация паза – в табл. 2.

Отношение h'_п1/b'_п1 =66,8/11,3=5,9 находится в допустимых пределах.

27. Плотность тока в проводнике обмотки статора (уточненное значение)

28. Проверка индукции в зубце (приближенно)

29. Проверка индукции в ярме статора (приближенно)

где

Так как значение индукции в ярме статора меньше допустимого (1,2 –
1,45 Тл), увеличиваем внутренний диаметр статора до величины D = 0,925 м при прочих равных условиях. Уточняем следующие параметры:

Рис. 1. Паз статора

b'_п1 × h'_п1 = 11,3∙10^-3м × 66,8∙10^{-3 м;}

Таблица 2

30. Перепад температуры в изоляции

31. Градиент температуры в пазовой изоляции

Окончательно принимаем:

D=0,925 м; D_a=1,18 м; τ=0,242 м; t₁=0,0323 м;

b_п1=11,1∙10^-3м; h_п1=66,6∙10^-3м; l_δ=0,326 м; l_ст1=0,287 м;

l₁.= 0,342 м; А= 4,68∙10⁴ А/м; J₁= 4,44∙10⁶А/м²; h_а=0,0607 м.

Рис. 2. Схема обмотки

Рис. 2. Продолжение

32. Полное число витков фазы обмотки статора

33. Шаг обмотки

;

τ_п = mq₁=3q₁=3∙2,5=7,5.

Принимаем шаг обмотки y₁=6 (из первого в седьмой паз), тогда β=y₁/τ_п=6/7,5=0,8. Схема обмотки приведена на рис. 2.

34. Коэффициент укорочения шага обмотки статора

35. Коэффициент распределения обмотки статора

Так как обмотка имеет q₁ дробное, то в формулу вместо q₁ подставим bd+с = 2∙2+1=5.

36. Обмоточный коэффициент

Выбор воздушного зазора. Расчёт полюсов ротора

Задавшись перегрузочной способностью генератора М_м/M_н = =2,2, по рис. 5.1 находим x_d* =1,3.

37. Приближенное значение воздушного зазора

где В_δ0 = 0,95 В_δн = 0,95·0,89=0,846 Тл.

38. Округляем предварительную величину зазора с точностью до 0,1 мм и принимаем воздушный зазор под серединой полюса 0,003м. Зазор под краями полюса
δ_м=1,5·δ=1,5·0,003=0,0045 м.

Среднее значение воздушного зазора

39. Находим длину полюсной дуги. Примем α = 0,7, тогда

40. Радиус дуги полюсного наконечника

41. Высота полюсного наконечника при τ = 0,242 м по

табл. 5.1

h = 0,035 м.

42. Длина сердечника полюса и полюсного наконечника

l_m = l_р = l₁ =0,342 м.

43. Находим расчётную длину сердечника полюса. Принимаем l_f =0,02 м, тогда

44. Предварительная высота полюсного сердечника

45. Определяем коэффициент рассеяния полюсов. Из

табл. 5.2 имеем k ≈ 7,0, тогда

46. Рассчитаем ширину полюсного сердечника, задавшись

B_m = 1,45 Тл; k_cp = 0,95 (полюсы выполнены из стали Ст3 толщиной 1 мм):

Так как v_р= πDn_н/60=π·0,925·500/60=24,2 м/с<30 м/с, то используем способ крепления полюсов к ободу шпильками.

47. Длина ярма (обода) ротора

где Δl_c= 0,1 м.

48. Минимальная высота ярма ротора

где B_j =1,17 Тл.

Округляем с точностью до 1 мм и принимаем h_j =0,05 м.

Расчёт демпферной обмотки

49. Выбираем число стержней демпферной обмотки на полюс N_с = 6.

50. Поперечное сечение стержня

51. Диаметр медного стержня

Округляем d_с =10,5·10^{-3 м, тогда} q_c=86,6·10^{-6 м2}.

52. Определяем зубцовый шаг ротора. Принимаем

Z=3·10^{-3 м}, тогда

53. Проверяем условия

t₂ =0,0307<t₁=0,0323;

t₂=0,0307>0,8∙t₁=0,8·0,0323=0,0258.

Условия выполняются.

54. Пазы ротора выбираем круглые полузакрытые.

Диаметр паза d_s=d_c+ 0,1=10,5+0,1=10,6 мм.

Раскрытие паза b_s = 3 мм, высота шлица h_s = 2 мм.

55. Длина стержня

l_c=l_p+(0,2–0,4)τ=0,342+0,34·0,242=0,424 м.

56. Сечение короткозамыкающего сегмента

q_кз=b_ксh_кс=1,15·0,5N_cq_c=1,15·0,5·6·86,6·10^-6 = 299·10^-6 м².

По табл. 6.1 выбираем прямоугольную медь 7×45 мм

(сечение q_кз=314 мм²), причем b_кс ≥2d_c /3=2·10,5·10^-3/3=7·10^{-3 м =}

=7 мм.

Эскизы активных частей генератора представлены на рис. 3.

Рис. 3. Синхронный генератор. Продольный (верхний рисунок) и поперечный (нижний рисунок) разрезы активных частей генератора

Расчет магнитной цепи

В данном разделе готовим расчётные выражения, необходимые для расчёта магнитной цепи (табл. 3).

Таблица 3

Параметр	Е* и Ф*
0,5		1,1	1,2	1,3
Е, В	66,5
Ф=3,21∙10-4Е, Вб	0,0213	0,0427	0,0469	0,0514	0,0555
Вδ=6,18∙10-3Е, Тл	0,411	0,822	0,902	0,989	1,07
Fδ=22Е, А
=10,8∙10-3Е, Тл	0,718	1,44	1,58	1,73	1,87
, А/м
FZ1=6,68∙10-2 , А	13,4
Ва=9,9∙10-3Е, Тл	0,66	1,32	1,45	1,58	1,71
ξ	0,62	0,38	0,33	0,31	0,27
На, А/м
Fa=14,7∙10-2ξ На, А	15,7	67,0			555,7
ВZ2=9,4∙10-3Е, Тл	0,63	1,25	1,37	1,5	1,63
НZ2, А/м
FZ2=11,5∙10-3 НZ2, А	3,45	10,8	15,5	26,1	54,6
FδZa= Fδ+ FZ1+ Fa+ FZ2, А
Фσ=2,83∙10-6 FδZa, Вб	0,0042	0,0089	0,0106	0,0138	0,0172
Фm= Ф + Фσ=3,21∙10-4Е+ +2,83∙10-6∙FδZa, Вб	0,0255	0,0516	0,0575	0,065	0,0727
Вm=8,97∙10-3Е+7,9∙10-5∙FδZa,Тл	0,714	1,44	1,61	1,82	2,04
Нm, А/м
Fm=0,181∙ Нm, А	67,0
Fδmj = 250 Вm, A
Вj =7,26∙10-3Е+6,4∙10-5FδZa, Тл	0,57	1,16	1,3	1,47	1,63
Нj, А/м
Fj= 6,63∙10-2Нj , А	43,0	80,0
Fmj= Fm+ Fδmj+ Fj , А
Fвo= FδZo+ Fm+ Fδmj+ Fj , А
Fвo*	0,45		1,22	1,78	2,68
Фm*	0,595	1,2	1,34	1,52	1,70
FδZa*	0,38	0,809	0,95	1,245	1,55
Fmj*	0,07	0,19	0,26	0,54	1,123
Фσ*	0,098	0,208	0,248	0,323	0,402

Для магнитопровода статора выбираем сталь 1511 толщиной 0,5 мм. Полюсы ротора выполняем из стали Ст3 толщиной

1 мм. Толщину обода (ярма ротора) принимаем h_j =0,05 м.

57. Магнитный поток в зазоре

По рис. 1.2 при δ_м/δ=1,5; α=0,7; δ/τ=0,003/0,242=0,0124 находим k_в=1,14 и α_δ=0,66.

58. Уточненное значение расчетной длины статора

где b'_к=γδ=1,33·3·10^-3=3,99·10^-3;

γ= (b_к/δ)²/(5+ b_к/δ)=(1·10^-2/3·10^-3)²/(5+1·10^-2/3·10^-3) = 1,33.

59. Индукция в воздушном зазоре

60. Коэффициент воздушного зазора статора

61. Коэффициент воздушного зазора ротора

62. Результирующий коэффициент воздушного зазора

63. Магнитное напряжение воздушного зазора

64. Ширина зубца статора по высоте 1/3 h′_п1 от его коронки

где

65. Индукция в сечении зубца по высоте от его коронки

66. Магнитное напряжение зубцов статора

При Е=1,3Е_н =1,87 > 1,8 Тл, поэтому соответствующую напряженность определяем по кривым намагничивания, рис. 7.1, с учётом коэффициента

67. Индукция в спинке статора

68. Магнитное напряжение спинки статора

где

ξ определяем по рис. 7.2.

69. Высота зубца ротора

70. Расчетная ширина зубца ротора (для круглых пазов)

71. Индукция в зубце ротора

72. Магнитное напряжение зубцов ротора

73. Удельная магнитная проводимость рассеяния между внутренними поверхностям сердечников полюсов

74. Удельная магнитная приводимость рассеяния между внутренними поверхностями полюсных наконечников

где

75. Удельная магнитная проводимость рассеяния между торцевыми поверхностями

76. Удельная магнитная проводимость для потока рассеяния

77. Магнитное напряжение ярма статора, зазора и зубцов полюсного наконечника, А,

78. Поток рассеяния полюса, Вб,

79. Поток в сечении полюса у его основания, Вб,

Ф_m=Ф+Ф_σ=3,21∙10^-4Е+2,83∙10^-6F_δZa.

80. Индукция в полюсе, Тл,

Так как при Е от 1,1 U_н до 1,3U_н В_m>1,6 Тл, то в табл. 3 расчёт падения магнитного напряжения на полюсе F_m производим по эквивалентной напряженности Н_mр, которую определяем по трем сечениям полюса, табл. 4.

Таблица 4

При этом Ф_m=Ф+Ф_σ; Ф'_m=Ф+Ф_σλ_pl/λ_mσ=Ф+0,43Ф_σ;

Ф_mcp=(Ф_m+Ф'_m)/2;

81. Магнитное поле напряжения полюса, А,

где h_mp=h_m⁺h_p=0,146+0,035=0,181 м.

82. Магнитное напряжение стыка между полюсом и ярмом ротора, А,

83. Индукция в ярме ротора, Тл ,

84. Магнитное напряжение в ярме ротора, А,

85. Магнитное напряжение сердечника полюса, ярма ротора и стыка между полюсом и ярмом, А,

86. Магнитодвижущая сила обмотки возбуждения на полюс, А,

Результаты расчета магнитной цепи сводим в табл. 3. При переводе значений F_δZa, F_mj, Ф_m в относительные единицы за базовые соответственно приняты F_во и Ф при Е_*=1.

По табл. 3 на рис. 4 строим в относительных единицах характеристику холостого хода.

Рис. 4. Характеристика холостого хода

На этом же рис. 4 приведена нормальная (типовая) характеристика холостого хода.