Магнитное поле торцевого щита электрической машины обусловлено токами в проводниках лобовых и пазовых частей обмоток статора и ротора, а также полем воздушного зазора и конфигурацией ферромагнитных элементов в ней. Его точное моделирование в произвольном режиме работы машины достаточно сложно [1].

На рис. 1а приведена схема распределения магнитных потоков в ферромагнитных элементах торцевой зоны синхронного генератора (СГ), которая учитывает особенности конструкции СГ, где 1 - торцевой щит; 2 – стенка вентиляционного канала; 3 и 4 - сечение обмоток статора и ротора. Из схемы видно, что в одна из стенок прямоугольного ферромагнитного канала расчетной зоны заменяется двумя.

Рис. 1. Расчетная схема

Первая является стенкой вентиляционного канала. Именно ее обычно используют при расчете магнитного поля статора, ротора и воздушного зазора в торцевой зоне. Ее края не доходят в верхней точке до корпуса на (точка ), а в нижней до вала на (точка ). Поэтому считается, что через нее замыкается магнитный поток , обусловленный магнитными потоками через ее внутреннюю поверхность [2-5]. На этой стенке измерительные преобразователи обычно не размещают [6; 7], а поток не рассчитывают.

Вторая поверхность образована торцевым щитом. Ее при расчете магнитного поля торцевой зоны СГ от статора, ротора и воздушного зазора не учитывают, так как ее экранирует стенка вентиляционного канала. Она примыкает к корпусу практически без зазора, а к валу СГ с зазором .

Считается, что именно через нее замыкается магнитный поток , образованный магнитными потоками через три остальные стенки призматического канала. Моделирование осуществляют следующим образом.

В соответствии с граничными условиями [1-5] тангенциальная составляющая поля от обмоток статора и ротора и на любой из пограничных плоскостей равна нулю. Поэтому магнитные потоки через стенку определяют только по и - их нормальной составляющей. В соответствии с рис. 1а на стенках и это и , а на стенке - и .

На рис. 2а приведены кривые (▬) и (—) распределения нормальной составляющей магнитной индукции и , по пограничным поверхностям торцевой зоны СГ ТВВ-500-2ЕУ3, рассчитанные для режима номинальной нагрузки.

Так как и известно, то распределение магнитных потоков от нее вдоль пограничных поверхностей моделируется по расчетной схеме на рис. 2б при следующих допущениях:

а) падением магнитного напряжения в ферромагнитных элементах, а также воздушными зазорами и пренебрегается;

б) величина магнитного потока -го элемента через -й элемент считается прямо пропорциональной - магнитному потоку -го элемента и обратно пропорциональной воздушному промежутку между -м и -м элементами;

в) составляющие магнитного потока по контуру вдоль пограничных поверхностей и против часовой стрелки равны по величине. Положительным направлением при суммировании магнитных потоков в этом случае считается направление по часовой стрелке.

Моделирование магнитных потоков вдоль поверхности ферромагнитных элементов торцевой зоны осуществляется в следующем порядке. Первоначально в соответствии с рис. 1 ферромагнитные поверхности вдоль обхода контура разбиваются на элементарные площадки с размерами и , где размер площадки вдоль оси . Затем определяются их координаты и воздушный промежуток по торцевой зоне между ними

.

Затем находится расчетное расстояние между -м и всеми -ми элементами

,

и определяется часть магнитного потока через -й элемент

.

Рис. 2. Распределение магнитной индукции от обмоток статора и ротора ТВВ-500-2ЕУ3 по поверхности ферромагнитных стенок торцевой зоны (а) и магнитных потоков по ферромагнитным стенкам (б).

Магнитный поток вдоль -й элементарной площадки определяется как сумма потоков в ее границах. На рис. 2б кривыми (▬) и (—) показано рассчитанное распределение магнитных потоков от обмоток статора и ротора вдоль граничных поверхностей СГ ТВВ-500-2ЕУ3, где - магнитный поток в торцевом щите проходит по отрезку на кривой.

Поле в торцевом щите токов в проводниках, расположенных в пазах статора и ротора, моделируется по известному распределению магнитной индукции в воздушном зазоре СГ. При этом считается, что падение магнитного напряжения в ферромагнитных элементах конструкции торцевой зоны равно нулю. Тогда для магнитной цепи “a”÷“d” на рис. 1а магнитное напряжение по основной гармонической

.

В области уплотнения

и , (1)

а магнитный поток

. (2)

Магнитный поток в торцевом щите от в основном зависит от . Определение их величин затруднено тем, что значительная часть в области уплотнения замыкается через воздух, в том числе и через наружную сторону торцевого щита. Поэтому для упрощения расчетов, как показали эксперименты, следует принимать =(0,05...0,2).

Экспериментальная проверка (1, 2) проводилась на СГ ТВВ-500-2ЕУ3 в режиме нагрузки. Магнитный поток вблизи уплотнения измерялся катушкой индуктивности без сердечника, а в щите катушкой с П-образным сердечником. Погрешность метода моделирования не превысила 20%.

Работа выполнена в рамках исполнения Госзадания «Наука» ГК № 7.2826.2011

Рецензенты:

Лукутин Б.В., д.т.н., профессор кафедры ЭПП ЭНИН ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск.

Исаев Ю.Н., д.ф.-м.н., профессор кафедры ЭСиЭ ЭНИН, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск.