Генераторы нетрадиционного исполнения

Название: генераторы нетрадиционного исполнения

Автор: Чубраева Л.И.

Формат: djvu

Страниц: 246

Издатель: Л.: Наук

Описание:

В книге рассматриваются вопросы, связанные с разработкой и созданием генераторов нетрадиционного исполнения, к которым относятся электрические машины с использованием сверхпроводников и чистых металлов, беспазовые генераторы и др. Излагаются основные достижения в области создания таких машин как в СССР, так и за рубежом, а также перспективы их применения. Освещаются основные вопросы теории и расчета электромагнитных и тепловых процессов, приводятся результаты экспериментальных исследований, выполненных для ряда генераторов нетрадиционного исполнения.
Представляет интерес для научных работников и инженеров, специализирующихся в области электромашиностроения, а также для студентов высших учебных заведений.

Беспазовые и сверхпроводниковые турбогенераторы имеют одинаковую конструкцию статора, у которого отсутствует ферромагнитная зубцовая зона, обмотка вынесена в зазор, а система крепления выполнена из неметаллических материалов. В беспазовых машинах беззубцовая конструкция статора обусловлена, в частности, стремлением к рациональному использованию большого воздушного зазора мощных турбогенераторов, в сверхпроводниковых — наличием сверхпроводящей обмотки возбуждения, создающей в зоне обмотки статора магнитные поля повышенной интенсивности, приводящие к насыщению ферромагнитных зубцов.

Однако технические решения являются общими для обоих типов машин, поэтому основные проблемы, связанные с созданием беспазовых статоров, относятся к машинам с любым температурным уровнем хладагента ротора. Поскольку наибольший опыт накоплен при создании статоров для сверхпроводниковых турбогенераторов, именно на нем базируется изложение вопросов, связанных с разработкой таких конструкций.

Опыт разработки сверхпроводниковых турбогенераторов показал, что создание статора беспазовой конструкции является не менее сложной проблемой, чем создание ротора со сверхпроводящей обмоткой возбуждения. Именно этим объясняется повышенный интерес, проявляемый в последние годы в СССР и за рубежом к развитию теории и методов расчета, а также к вопросам принципиально новых конструктивных и технических решений для статоров таких машин.

Размещение обмотки статора в воздушном зазоре позволяет увеличить количество меди в активной зоне, в результате чего повышаются линейная нагрузка обмотки статора и мощность турбогенератора. Кроме того, отсутствие стального зубцового слоя позволяет устранить добавочные потери, связанные с зубчатостью статора, и применить упрощенную конструкцию изоляции стержней. Перечисленные особенности беспазового статора приводят к дополнительному снижению массы и повышению коэффициента использования турбогенератора. Однако такому решению присущи и определенные недостатки, связанные с увеличением добавочных потерь в обмотке и усложнением ее крепления.

В оптимально спроектированном турбогенераторе обычного исполнения потери в обмотке статора составляют только часть общих потерь и не оказывают решающего влияния на КПД машины. В сверхпроводниковом генераторе картина распределения потерь существенно меняется. На долю обмотки статора приходится основная часть потерь машины; таким образом, вопрос оптимизации статора с точки зрения снижения потерь приобретает существенное значение для повышения КПД генератора.

Высокие электромагнитные нагрузки, которые обеспечивает сверхпроводящая обмотка возбуждения, позволяют снизить размеры ротора по сравнению с турбогенератором обычного исполнения. Однако недостаточно эффективные мероприятия по оптимизации статора могут привести к тому, что эти преимущества будут в определенной степени утрачены. Это хорошо видно из сопоставления размеров сверхпроводниковых турбогенераторов мощностью 20 MB - А (СССР и США), где в американском варианте, несмотря на меньшие размеры ротора при повышенной частоте вращения, в целом генератор имеет большие габариты.

Как известно, в турбогенераторе обычного исполнения статор представляет собой более трудоемкое изделие, чем ротор. Кроме того, именно при изготовлении статора преобладает ручной труд, поскольку целый ряд технологических процессов механизировать пока не представляется возможным. Ротор сверхпроводникового турбогенератора несомненно является более сложным по конструкции и технологии изготовления, чем ротор классической конструкции. В этих условиях существует опасность получить в результате более сложную и трудоемкую машину, чем существующие генераторы. Таким образом, беспазовый статор необходимо разрабатывать из условия, что он должен быть значительно более простым в изготовлении, чем статор обычного турбогенератора.

Все это говорит о том, что вопросам конструкции и технологии изготовления беспазовых статоров должно уделяться большое внимание. Проблемы разработки роторов сверхпроводниковых генераторов рассмотрены очень подробно в ряде трудов, изданных в последние годы [10—12], однако вопросам создания статоров в них не уделялось достаточного внимания. В связи с тем что в настоящее время ведутся работы, направленные на создание промышленных образцов сверхпроводниковых машин большой мощности, представляется целесообразным проанализировать опыт, накопленный в процессе разработки и экспериментальных исследований сверхпроводниковых машин, с точки зрения оптимизации статоров и статорных обмоток.

Основные требования, предъявляемые к статорам беспазового исполнения с обмотками, вынесенными в воздушный зазор, могут быть сформулированы следующим образом:

—    минимальный уровень потерь и надежное крепление,

—    минимальные массогабаритные показатели,

—    простота конструкции и технологических процессов изготовления.

Стержни обмотки статора беззубцовой конструкции располагаются в зоне действия радиальных, тангенциальных и аксиальных составляющих магнитных полей, создаваемых обмотками статора и ротора. Сложная конфигурация магнитных полей в сочетании с их повышенной интенсивностью может приводить к существенному увеличению добавочных потерь в обмотке, которые принято разделять на потери от вихревых токов, обусловленные вихревыми токами в пределах одного элементарного проводника, и потери от циркуляционных токов, обусловленные токами, протекающими между отдельными параллельно соединенными элементарными проводниками стержня.

Снижение уровня добавочных потерь в обмотке беспазового статора может осуществляться несколькими путями:

—    уменьшением добавочных потерь от вихревых токов — за счет использования многожильных проводов, состоящих из элементарных проводников малого диаметра (1 мм и менее), от циркуляционных токов — посредством различных схем многоступенчатой транспозиции в активной зоне и лобовых частях и усложнением системы скрутки между собой элементарных проводников;

—    применением интенсивного охлаждения стержней, позволяющего существенно повысить плотность тока в обмотке и тем самым снизить долю добавочных потерь в общих потерях в меди;

—    пропиткой стержней из многожильных проводов компаундами с целью повышения теплопроводности в поперечном направлении, в результате чего также может быть повышена плотность тока в обмотке.