ГЛАВА 4 Магнитная цепь (Копылов И.П., Клоков Б.К., Морозкин В.П., Токарев Б.Ф. Проектирование электрических машин)

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. Магнитная цепь электрической машины

Электромагнитное поле электрической машины образуется МДС обмоток статора и ротора, расположенных в пазах магнитопроводов или на сердечниках явно выраженных полюсов. Неравно­мерность распределения проводников обмотки по объему машины, нелинейность магнитной характеристики и сложность конфигура­ции магнитопроводов, а также наличие воздушного промежутка между статором и ротором делают точный расчет поля в машине, практически, невозможным даже при применении современных вы­числительных средств. Поэтому при проектировании машины поль­зуются рядом упрощающих допущений.

4.1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА МАГНИТНОЙ ЦЕПИ

Поле в машине подразделяют на главное поле и поле рассеяния. Под главным понимают поле, магнитные линии которого сцеплены с витками как первичной, так и вторичной обмотки. Полем рассея­ния называют поле, линии которого сцеплены с витками какой-либо одной из обмоток — статора или ротора (соответственно поле рас­сеяния статора и поле рассеяния ротора).

Магнитные линии главного поля замыкаются по магнитопроводам статора и ротора и пересекают воздушный зазор. Элементы магнитопроводов и зазоры, по которым проходит главный поток каждой пары полюсов, называют магнитной цепью машины. Расчет магнитной цепи заключается в определении суммарного магнитно­го напряжения всех ее участков, соответствующего определенному значению потока [6].

В идеальной симметричной машине потоки каждой пары полю­сов одинаковы, поэтому при расчете пренебрегают возможной асимметрией потоков реальных машин и рассчитывают магнитную цепь только одной пары полюсов. На поперечном сечении магни­топроводов магнитные линии потока пары полюсов располагаются на секторе, составляющем 1/2р часть всего сечения.

На рис. 4.1, а представлен сектор поперечного сечения машины с распределенными обмотками на статоре и роторе, а на рис. 4.1, б — с явно выраженными полюсами на роторе. На этих рисунках пунк­тиром показана средняя линия потока пары полюсов.

Рис. 4.1. Магнитная цепь электри­ческой машины:

а — с распределенными обмотками; б — с явно выраженными полюсами

В целях упрощения расчета магнитная цепь машины подразделя­ется на ряд последовательно расположенных вдоль силовой линии участков, каждый из которых имеет сравнительно простую конфигура­цию и состоит из материала с опре­деленной магнитной характеристи­кой. Предполагается также, что на участках известно основное направление магнитных линий потока. Для машин с распределенными обмотка­ми на статоре и роторе, например, асинхронных, такими участками яв­ляются (см. рис. 4.1, а) ярмо статора (участок 1—2), зубцовые зоны ста­тора (участки 2—3 и 1—5) и ротора (4—5 и 6—7), воздушный зазор (3—4 и 7—5) и ярмо ротора (5—6). Для машин с явно выраженными по­люсами, например синхронных, (см. рис. 4.1, б) — ярмо статора (участок 1—2), зубцовая зона статора (2—3 и 1—12), воздушный зазор (3—4, 11—12), сердечники полюсов (4—6 и 9—11), ярмо ротора (7—8). При на­личии демпферной обмотки отдель­но учитывают участки, соответству­ющие ее зубцовой зоне (4—5 и 10—11). При наличии технологических воздушных промежутков в месте соединения полюсов с остовом ротора добавляются участки, соответствующие этим воздушным зазорам (6—7 и 8—9).

Для расчета магнитной цепи используется уравнение полного тока для замкнутой цепи

(4.1)

Интеграл берется по контуру вдоль линии потока. Правая часть равенства в соответствии с подразделением на участки представля­ется в виде суммы

где n — число участков, на которые подразделена магнитная цепь; l_i — длина средней магнитной линии в пределах каждого из участков; H_i — расчетное значение напряженности магнитного поля на i-м уча­стке.

Магнитное напряжение на каждом из участков цепи определяют приближенно, принимая напряженность поля в пределах границ участка неизменной и равной расчетному для данного участка ее значению H_i. Тогда суммарная МДС магнитной цепи

(4.2)

Методы расчета магнитных напряжений различных участков цепи имеют особенности, обусловленные размерными соотношения­ми, характером распределения потока, необходимостью учета влия­ния потока рассеяния и другими факторами [6].

Ниже приводятся общие для всех рассматриваемых типов ма­шин методы расчета характерных участков магнитной цепи.

4.2. МАГНИТНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА

В воздушном зазоре электрической машины индукция непосто­янна. При распределенной обмотке она изменяется по кривой, близ­кой к синусоиде (рис. 4.2, а), а при сосредоточенных обмотках имеет форму, приближающуюся к прямоугольнику (рис. 4.2, 6). Значение потока на полюсном делении

B_δx dx (4.3)

где l_δ — расчетная длина магнитопровода; В_δх — индукция в зазоре в точке х.

В практических расчетах элект­рических машин производить интег­рирование неудобно, тем более что точное аналитическое выражение распределения индукции вдоль дуги полюсного деления получить труд­но. Поэтому вводится понятие рас­четной полюсной дуги b_δ, на протя­жении которой индукция принима­ется постоянной. Значение b_δ нахо­дится из условия равенства потоков в воздушном зазоре на единицу дли­ны магнитопровода:

B_δx dx (4.4)

где В_δ — максимальное значение ин­дукции в воздушном зазоре.

Величина b_δ определяется как часть полюсного деления машины:

b_δ = α_δ τ (4.5)

где α_δ — коэффициент полюсного перекрытия; его значение, как сле­дует из определения b_δ , зависит от формы кривой поля в воздушном зазоре.

Рис. 4.2. Распределение индукции в воздушном зазоре на полюсном

де­лении электрической машины: а — с распределенной обмоткой;

б — с сосредоточенной обмоткой (с явно выра­женными полюсами)

При синусоидальном распределении индукции по длине полюс­ного деления неявнополюсных машин

α_δ = 2/π ≈ 0,64. (4.6)

При насыщении зубцов кривая поля уплощается и значение α_δ возрастает. Для средненасыщенных машин значение α_δ лежит в пре­делах 0,7 — 0,74, но при больших насыщениях может превышать 0,8.

В машинах с явно выраженными полюсами форма кривой поля зависит от конфигурации, размеров и вида полюсных наконечни­ков, поэтому расчетная длина полюсной дуги b_δ определяется в за­висимости от размерных соотношений полюсных наконечников и зазора. Методы расчета b_δ для машин с явно выраженными полюса­ми приведены в главах книги, в которых рассматривается проекти­рование машин этих типов.

Картина поля в воздушном зазоре в осевой плоскости (рис. 4.3) показывает, что индукция по длине зазора также неодинакова. Про­тив вентиляционных каналов она будет несколько меньше, чем на участках, лежащих против пакетов сердечника. Кроме того, часть магнитных линий потока замыкается через торцевые поверхности сердечника. Так как в расчетах используется постоянное значение В_δ, то для правильного определения потока через зазор вводится по­нятие расчетной длины магнитопровода l_δ, при определении кото­рой учитывается неравномерность распределения В_δ вдоль зазора. Расчетная длина может быть найдена аналитическим решением, графическим построением по картине поля или аналогично опреде­лению b_δ, т. е. из условия

B_δz dz (4.7)

определяющего равенство площадей прямоугольника длиной l_δ и вы­сотой В_δ и площади криволинейной фигуры, ограниченной действи­тельной кривой распределения индукции вдоль зазора (см. рис. 4.3).

Исследования показали, что доля потока полюсного деления, линии которого замыкаются через торцевые поверхности сердечни­ка, зависит в основном от воздушного зазора. В машинах, имеющих малый зазор, например в асинхронных двигателях, эта часть потока незначительна, и в расчетах ее не учитывают. В машинах с больши­ми зазорами увеличение расчетной длины воздушного зазора по сравнению с действительной за счет этой части потока принимается равным 2δ.

Рис. 4.3. Распределение индукции в Рис. 4.4. К расчету коэффициента

воздушном зазоре электрической машины воздушного зазора

по длине магнитопровода

Влияние провалов в кривой индукции, возникающих над радиальными вентиляционными

каналами, учитывается при определении l_δ с ледующим образом. Действительная ширина

радиальных каналов b_k заменяется расчетной b'_k, которая зависит от соотношения b_k/ δ.

Таким образом, расчетная длина магнитопровода в общем случае определяется по формуле

l_δ = l₁ - n_k b'_k + 2δ (4.8)

где l₁ – конструктивная длина магнитопровода; n_k и b'_k – соответственно число и расчетная ширина радиальных вентиляционных каналов.

При наличии каналов только на статоре (или только на роторе)

b'_k = (4.9)

При каналах на статоре, и на роторе

b'_k = (4.10)

Радиальные вентиляционные каналы обычно выполняются шириной b_k = 10 мм. В машинах с малым воздушным зазором (δ << b_k) расчетная ширина канала b'_k ≈ b_k.

В машинах с большим воздушным зазором (δ >> b_k) расчетная ширина канала b'_k ≈ 0.

С учетом рассмотренных особенностей распределения индукции в воздушном зазоре электрической машины расчетная площадь полюсного деления

S_δ = a_δ τ l_δ (4.11)

Тогда индукция в зазоре

B_δ = (4.12)

Магнитодвижущая сила воздушного зазора между гладкими по­верхностями

F_δ = (4.13)

В большинстве машин поверхности статора и ротора, ограничивающие воздушный зазор, не гладкие, а имеют различные неровно­сти: пазы, углубления для размещения бандажей и др. Магнитное сопротивление участков такого зазора в поперечном сечении маши­ны различно, поэтому распределение индукции по площади воздуш­ного зазора неравномерно. Наибольшая неравномерность возникает из-за наличия зубцов на статоре и роторе. Над коронками зубцов магнитные линии сгущаются, а над прорезями пазов плотность линии уменьшается (рис. 4.4). В кривой индукции в воздушном зазоре появляются провалы. Магнитное сопротивление и маг­нитное напряжение воздушного зазора при неравномерной индукции возрастают.

Увеличение магнитного напряжения учитывается введением ко­эффициента воздушного зазора (коэффициента Картера) k_δ. Этот коэффициент, полученный расчетом полей в зазорах с различным соотношением ширины зубцов и пазов, показывает, насколько воз­растает магнитное напряжение зазора при зубчатой поверхности статора или ротора по сравнению с магнитным напряжением зазора между гладкими поверхностями.

Можно использовать также понятие расчетного воздушного зазора

δ' = δ k_δ (4.13 а)

т. е. равномерного воздушного зазора, который имеет магнитную проводимость, равную магнитной проводимости реального воздуш­ного зазора. С учетом k_δ МДС зазора

F_δ = . (4.14)