Подход к проектированию электрических машин

В индуктивных электрических машинах энергия магнитного поля концентрируется в подавляющей мере в воздушном зазоре и зубцовой зоне, поэтому выбор объема воздушного зазора и расчет зубцовой зоны при синтезе — проектировании электрических машин имеют основное значение.

Удельная плотность энергии в воздушном зазоре может быть определена как отношение активной мощности машины Р к объему воздушного зазора Р§:

где.

здесь Vg — объем полого цилиндра высотой 5 = R — г и сред- R +г

ним радиусом р = ——.

В сериях электрических машин р_уд при изменении мощности в широких пределах почти не изменяется. Так, для асинхронного двигателя серии 4А с параметрами Р> = 13 кВт, п = 1500 об/мин р_Уд = 0,47- 10^е Вт/м³, с параметрами Р> = = 250 кВт, п = 1000 об/мин р_уд = 0,52−10° Вт/м³. В турбогенераторе мощностью Р₂ = 1,2 млн кВт р_уд ~ 1−10⁶ Вт/м³. При различии в конструкции и различии мощностей в 105 раз р_Уд отличается меньше чем в 2 раза. Синтез электрической машины удобно начинать с выбора удельной мощности воздушного зазора, а затем, определив объем воздушного зазора, проектировать магнитную систему и обмотки. Проектирование неотделимо от конструирования и технологии изготовления электрических машин.

Расчетные методы развивались и совершенствовались вместе с развитием теории электрических машин. В основе большинства их лежит выбор машинной постоянной, которая определяется из допустимых электромагнитных нагрузок:

где D — диаметр якоря машины постоянного тока или внутренний диаметр статора машины переменного тока, м; п — частота вращения, об/мин; Р' — расчетная мощность, Вт;

k — коэффициент, учитывающий полюсное перекрытие а₈, обмоточный коэффициент и коэффициент формы поля k_n (k = na₅k_o6k_B) [7].

Проектирование электрических машин начинают с выбора электромагнитных нагрузок — индукции в воздушном зазоре В₆, и линейной нагрузки А, А/м, определяемой током всех витков обмотки на единицу длины окружности статора:

Значения С_Л, В₆ и А для машин с различной мощностью и частотой вращения приводятся в книгах по проектированию электрических машин.

Индукция в воздушном зазоре выбирается таким образом, чтобы в зубцах она не превышала 1,4—1,8 Тл, а линейная нагрузка в машинах общего назначения должна быть не более 40 000 А/м.

Чем выше электромагнитные нагрузки, тем меньше габариты, а следовательно, и стоимость машины, которая определяется в основном массой активных материалов — стали и меди. Однако с ростом электромагнитных нагрузок растут потери, снижается КПД, поэтому существуют оптимальные соотношения между А, В₆ и размерами машины.

Наиболее нагретой частью машины являются обмотки ротора и статора. Допустимая температура изоляции обмоток в зависимости от класса изоляции колеблется в пределах 105— 180 °C. При проектировании необходимо рационально распределить активные материалы, выбрать конструкцию и систему охлаждения машины.

Температура отдельных частей машины зависит от конструкции машины, системы охлаждения и режима работы. Количество тепла, которое может быть отведено в окружающее пространство при естественном охлаждении, определяется поверхностью электрической машины, при других системах охлаждения — объемом охлаждающего агента, проходящего внутри машины.

При проектировании серий электрических машин стремятся машины различной мощности делать геометрически подобными. В геометрически подобных электрических машинах отношение активной длины /§ к диаметру магиитопровода статора или якоря машины D при изменении мощности машины остается постоянным.

В геометрически подобных электрических машинах, рассчитанных для одной и той же частоты сети и частоты вращения и при одних и тех же электромагнитных нагрузках, мощность машины пропорциональна базисному размеру / в четвертой степени: Р ~ 1^А. Это следует из того, что при увеличении длины машины /_й ~ / и диаметр машины D ~ I. При увеличении длины и диаметра машины сечение магнитопровода пропорционально /², что дает возможность увеличить пропорционально квадрату приложенное напряжение U². При этом и сечение меди увеличивается пропорционально /².

Стоимость машины можно считать пропорциональной массе машины, т. е. стоимость пропорциональна /³. Потерн в электрических машинах пропорциональны массе активных материалов, т. е. они пропорциональны /³. Поэтому выгодно строить одну мощную электрическую машину, в которой ниже удельные потери и которая требует меньше активных материалов на единицу мощности, чем несколько машин на ту же мощность. В последние десятилетия наблюдался значительный рост единичной мощности турбои гидрогенераторов. Мощность турбогенераторов досгила 1 млн 600 тыс. кВт в единице, гидрогенераторов — более 800 тыс. кВт, трансформаторов — 1 млн кВ • А на фазу.

Достигнуты значительные успехи в проектировании и производстве электрических машин. Однако число новых машин, которые надо создавать, непрерывно растет и необходимо улучшать энергетические показатели и снижать массу машины. В последние годы для ускорения проектирования и повышения качества расчетных работ созданы автоматизированные системы проектирования электрических машин [11, 17]. Автоматизированные системы проектирования — это комплекс ЭВМ, позволяющий производить расчетные и проектно-конструкторские работы. Система алгоритмов и пакетов прикладных программ обеспечивает проектирование электрических машин при взаимодействии человека с ЭВМ.