ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Современный уровень потребления
электроэнергии определяет повышенные требования к
электромеханическим преобразователям. Появление таких новых
материалов, как высококоэрцитивные постоянные магниты и
высокотемпературные сверхпроводники, позволяет увеличить
удельную мощность до 2-3 кВт/кг для традиционных
электрических машин и до 4-6 кВт/кг для специальных
электрических машин аэрокосмической техники. Темпы роста потребления электроэнергии определяют увеличение генерирующих мощностей. Развитие перспективных транспортных систем, таких как более электрифицированный самолет (БЭС) и полностью электрифицированный самолет (ПЭС), так же увеличивает требования к удельной мощности современных электромеханических преобразователей. Однако, дальнейшее увеличение мощности единичной электрогенерирующей установки зачастую невозможно лишь за счет увеличения массы и габаритов электрического генератора.
Разработка новых типов электромеханических преобразователей (ЭМП), особенно на основе современных высокотемпературных сверхпроводящих материалов (ВТСП), требует, в первую очередь, разработки соответствующих методик расчета и проектирования таких ЭМП.
Большая часть генераторов, используемых в преобразовании механической энергии в электрическую, представляют собой синхронные генераторы различного исполнения.
В настоящее время большое распространение получили синхронные генераторы с постоянными магнитами, благодаря высокому КПД, надежности и простоте конструкции. В то же время генераторы, включенные непосредственно в сеть, требуют регулирования. Для обеспечения регулирования применяются синхронные генераторы с электромагнитным возбуждением.
Основные преимущества синхронной машины обращенной конструкции:
1. Возможность выполнения конструкций, которые не могут быть реализованы при использовании ЭМП традиционной конструкции;
2. Увеличенный кинетический момент ротора;
3. Возможность реализации криогенных ЭМП обращенной конструкции с существенно более высоким показателями удельной мощности.
В литературе широко рассмотрены вопросы расчета и проектирования синхронных машин, как с электромагнитным возбуждением, так и с возбуждением от постоянных магнитов (ПМ) традиционной конструкции (с неподвижным якорем на статоре и вращающимися обмотками возбуждения, или ПМ индуктора в роторе). В литературе отсутствуют данные о сопоставительном анализе машин обращенной конструкции с возбуждением от ПМ и от обмоток возбуждения, не приведены оценки эффективности использования тех или иных типов машин (с ПМ или с электромагнитным возбуждением) обращенной конструкции, отсутствуют методики оценки эффективности использования того или иного типа машин с точки зрения мощности единичного агрегата. В частности вопросы аналитических методик, позволяющих проводить оценку рационального использования в качестве источника магнитодвижущей силы (МДС) ПМ или обмоток возбуждения, выполненных из электротехнических обмоточных проводов, или из сверхпроводящих проводов, освещен недостаточно полно.
Современный уровень развития сверхпроводниковых технологий делает возможным разработку электрических машин обращенной конструкции с улучшенными массогабаритными показателями.
В этой связи тема диссертационной работы является актуальной.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка аналитических методик расчета многополюсных синхронных электрических машин обращенной конструкции с магнитоэлектрическим и электромагнитным возбуждением.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
разработать аналитической методики расчета – синхронных электрических машин обращенной конструкции с возбуждением от постоянных магнитов;
разработать аналитической методики расчета – синхронных электрических машин обращенной конструкции с электромагнитным возбуждением, в том числе на основе сверхпроводников;
– провести сопоставительный анализ машин обращенной конструкции с возбуждением от ПМ и обмоток возбуждения;
Методы исследований. При решении задач диссертации использовались методы математической физики, теории поля, электромеханики и прикладной сверхпроводимости; численные методы решения уравнений в частных производных (метод конечных элементов). Для решения уравнений и построения диаграмм использовался пакет математического моделирования MathCAD 11; для решения задач методом конечных элементов использовался пакет прикладных программ Elcut Professional 5.4;
эскизное проектирование было осуществлено на базе пакета Компас-3D V12; для построения графиков использовалась программа Grapher 7.0.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
– разработана новая методика электромагнитного расчета синхронных машин обращенной конструкции с возбуждением от постоянных магнитов, основанная на решении задач о распределении двухмерных магнитных полей в активной зоне машины;
– разработана новая методика расчета синхронных машин обращенной конструкции с электромагнитным возбуждением, включая возбуждение на основе высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) проводов, основанная на решении задач о распределении двухмерных магнитных полей в активной зоне машины;
– получены аналитические методики, учитывающие магнитные свойства материалов, структуру и геометрию активной зоны, число пар полюсов и обмоточные параметры;
– выведен критерий сравнения и проведен сравнительный анализ синхронных машин обращенной конструкции с возбуждением от ПМ и электромагнитным возбуждением.
Практическая ценность работы.
двухмерных магнитных полей в синхронных электрических машинах обращенной конструкции.
– Разработаны методики поверочного и проектного расчета электромагнитным возбуждением и на основе ПМ;
– Сформулирован критерий оценки целесообразности применения ВТСП проводов при проектировании ЭМП обращенной конструкции;
– На основе решения задач о распределении двухмерных магнитных полей получен критерий, позволяющий проводить оценку целесообразности применения ОВ или ПМ в индкуторе машин обращенной конструкции.
Реализация результатов.
Материалы диссертации используются в курсах лекций по сверхпроводниковые электроэнергетические установки», «Основы научных исследований», читаемых в МАИ, внедрены в ряд НИР и НИОКР, а также вошли в методические пособия по курсовому и дипломному проектированию, предназначенные для студентов электромеханических и энергетических специальностей.
Апробация работы.
Основные результаты обсуждались и докладывались на:
1. Московской молодежной научно-практической конференции «Инновации в авиации и космонавтикеапреля 2012 г., МАИ, г. Москва;
2. Международном межотраслевом молодежном научнотехническом форуме «Молодежь и будущее авиации и космонавтики-2012» (результаты отмечены дипломом третьей степени), г. Москва;
3. Двадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», 27-28 февраля 2014 г., конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия -2014», 16-17 апреля 2014 г., ИГЭУ, г. Иваново;
5. Конкурсе докладов по тематике РНК СИГРЭ, 17 апреля 2014 г., ИГЭУ, г. Иваново.
6. Московской молодежной научно-практической конференции «Инновации в авиации и космонавтикеапреля 2014 г., МАИ, г. Москва По теме диссертации опубликовано 3 работы в журналах, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем основного текста диссертации – 139 страниц, включающих 60 рисунков, таблиц. Список литературы состоит из 87 наименований.
Основные положения, выносимые на защиту.
Аналитическая методика расчета синхронных машин обращенной конструкции с возбуждением от ПМ, учитывающая полюсность машины, геометрию и структуру активной зоны, а также параметры постоянных магнитов индуктора.
Аналитическая методика расчета синхронной машины обращенной конструкции с электромагнитным возбуждением, включая возбуждение на основе современных ВТСП проводов, учитывающая геометрию активной зоны машины, число пар полюсов и параметры ОВ.
Критерий оценки целесообразности применения ОВ или ПМ в индукторах синхронных машин обращенной конструкции, основанный на полученном значении МДС обмотки возбуждения, эквивалентном значению МДС ПМ.
Критерий оценки целесообразности применения ВТСП проводов в обмотке возбуждения при проектировании ЭМП обращенной конструкции.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены области применения синхронных машин обращенной конструкции, определены цели, задачи, методы исследований и основные научные результаты, выносимые на защиту, изложена научная новизна и практическая значимость работы.В первой главе проводится краткий обзор областей применения многополюсных синхронных машин обращенной конструкции с возбуждением от ПМ и с электромагнитным возбуждением. Указана возможность их применения в составе гидроэлектростанций, ветроэнергетических установок (ВЭУ), в качестве моторколес различного назначения, в качестве моторгенераторов кинетических накопителей энергии. Отмечены возможные пути реализации перспективных более электрифицированного и полностью электрифицированного самолета на основе применения синхронных машин с использованием эффекта сверхпроводимости.
Приведены основные преимущества и недостатки рассматриваемых машин. Так магнитоэлектрические многополюсные синхронные машины обладают следующими преимуществами:
– высокая надежность и простота конструкции из-за отсутствия вращающейся обмотки на роторе и возбудителя;
– сниженные эксплуатационные расходы;
– высокий КПД и уменьшенный нагрев из-за отсутствия потерь на возбуждение и в скользящем контакте;
– имеют меньшие по величине радиопомехи, благодаря отсутствию скользящих контактов;
– имеют малую постоянную времени.
Однако такие синхронные генераторы не допускают глубокого регулирования выходного напряжения, имеют относительно низкий предел перегрузочной способности. Вместе с тем машины с электромагнитным возбуждением позволяют осуществлять более глубокое регулирование выходного напряжения путем изменения потока возбуждения.
Также в главе проведен анализ научных публикаций по методикам расчета магнитных полей и параметров многополюсных электрических машин. Показано, что вопросы, связанные с расчетом и проектированием электрических машин обращенной конструкции в литературе рассмотрены недостаточно подробно.
Во второй главе представлена аналитическая методика расчета многополюсных синхронных электрических машин обращенной конструкции с постоянными магнитами. В рассматриваемой конструкции индуктор находится на вращающейся втулке, в которой закреплены постоянные магниты, а внутренний якорь с m-фазной p-полюсной обмоткой неподвижен.
Конструктивная схема синхронной машины обращенной конструкции с ПМ приведена на рисунке 1а. Расчетная схема приведена на рисунке 1б.
Воздушный зазор Рисунок 1. Конструктивная схема обращенной синхронной При постановке задачи расчета двухмерных магнитных полей принимаются следующие основные допущения:
эквивалентным токовым слоем, расположенным на радиусе Ra (Rr>Ra>Rs) с линейной плотностью J0, синусоидально распределенной по угловой координате. В этом случае выражение для эквивалентного токового слоя m-фазной pполюсной обмотки якоря может быть записано как где (-Ra) – дельта-функция, J 0 = mi W K R – линейная плотность тока, Wa – число витков фазы обмотки якоря (ОЯ), im – амплитудное значение тока статора, Ka – обмоточный коэффициент.
магнитов М имеет только радиальную компоненту (М{0,M}). На рисунке 2а показана форма кривой радиальной составляющей магнитной индукции в воздушном зазоре, полученная МКЭ и приближение реального распределения ступенчатой функцией.
Пространственная зависимость магнитной индукции B в области с ПМ от угла по окружности зазора в первом приближении может быть представлена в виде знакочередующейся ступенчатой функции с периодом 2 (рисунок 2б). Здесь – полюсное деление, =p – область, занятая ПМ (область полюсного перекрытия), p – коэффициент полюсного перекрытия, Br – остаточная индукция ПМ.
Рисунок 2. а – форма кривой радиальной составляющей магнитной индукции в воздушном зазоре, б – пространственная зависимость Раскладывая распределение В в ряд Фурье, можно получить выражение для амплитуды первой гармоники ряда.
В данной постановке принимается следующее допущение:
отсутствие потоков рассеяния, что обуславливает сохранение потока по радиальной компоненте. В этом случае намагниченность ПМ может быть задана как:
где M 0 = 4 Br sin( 2 ), так как предполагается, что магнит находится в магнитопроводе с малым зазором и индукция ПМ равна остаточной магнитной индукции; Br – остаточная магнитная индукция ПМ.
ненасыщенным, т.е. их относительная магнитная проницаемость принимается равной бесконечности ( µ я, µ и ).
L 2 оказывается ниже мощности машины с ПМ. Увеличение тока возбуждения выше расчетного значения (if=66.3 А) позволяет при малой полюсности добиться увеличения мощности машины с ОВ и превзойти мощность машины с ПМ.
Также видно, что при расчетном значении силы тока возбуждения, мощность двух машин совпадает при p=1.
Рисунок 7. Влияние числа пар полюсов на мощность машин с электромагнитным и магнитоэлектрическим возбуждением Сравнительный анализ по перегрузочной способности двух типов машин одинаковой конструкции с равной линейной нагрузкой якоря показал целесообразность перехода к электромагнитному возбуждению при уровне тока в обмотках возбуждения близких к 100 А, что достижимо только при использовании ВТСП обмоток возбуждения ротора и криогенном охлаждении до температур жидкого азота и ниже. Проведенные в главе расчетно-теоретические исследования показали, что синхронные генераторы с электромагнитным возбуждением на основе ВТСП проводов имеют в несколько раз большую мощность по сравнению с магнитоэлектрическими машинами при малом числе пар полюсов и при больших частотах вращения ротора.
В четвертой главе представлены результаты численного моделирования магнитных полей и основных параметров машин обращенной конструкции. А также сопоставление результатов расчета машин обращенной конструкции, полученных по аналитическим методикам, разработанным в главах 2 и 3, и конечно-элементному анализу в пакете Elcut 5.4. Построенные в главах 2 и 3 методики позволяют проводить предварительный расчет параметров синхронных машин. Для учета реальной геометрии активной зоны, насыщения, полей рассеяния и пр.
необходимо использовать численные методы расчета магнитных полей.
Поверочный расчет проводился по следующему алгоритму.
Вначале, используя исходные данные, выполнялся аналитический расчет, в ходе которого были определены индукция в зазоре Bm, ЭДС холостого хода E0, главное индуктивное сопротивление Xa по соотношениям, полученным в главах 2 и 3. Также были определены параметры обмотки якоря, которые позволяют в данных габаритах получить требуемые значения выходного напряжения и мощности.
По полученным значениям геометрических размеров генератора строилось поперечное сечение СГ, которое импортировалось в программу для численного моделирования.
В результате численного моделирования были получены картины распределения магнитных полей в активной зоне машины.
Пример распределения показан на рисунке 8. Также определены значения индукции в зазоре, ЭДС холостого хода, Xa и мощность машины с учетом реальной геометрии и нелинейных свойств ферромагнитных материалов.
Рисунок 8. Пример распределения магнитных полей в активной зоне машины, полученных в ходе численного На основе полученных в ходе моделирования в ППП «Elcut Professional» значений магнитного потока 0 и главного индуктивного сопротивления Xa было проведено сравнение результатов численного моделирования и аналитических расчетов (см. таблицу 1). Было установлено, что аналитическая методика, разработанная в главе 2, обладает погрешностью 20% для малых размеров обращенных электрических машин и 5% для больших ЭМП.
Таблица 1. Сравнение результатов численного моделирования и аналитического расчета.
Параметр Аналитический Численное Погрешность Хорошая сходимость результатов, полученных методом конечных элементов и по аналитической методике позволяет сделать вывод о том, что разработанные аналитические методики могут быть использованы на раннем этапе проектирования электрических машин обращенной конструкции.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
распределении двухмерных магнитных полей в активной зоне многополюсных синхронных электрических машин обращенной конструкции с постоянными магнитами и с электромагнитным возбуждением. Полученные аналитические решения учитывают геометрию активной зоны машины, число пар полюсов, обмоточные параметры и параметры индуктора.На основе полученных решений о распределении магнитных полей найдены аналитические выражения для расчета основных параметров синхронных электрических машин обращенной конструкции с ПМ и с электромагнитным возбуждением, их зависимость от геометрии ротора, в частности от толщины ПМ, полюсности машины и коэрцитивной силы магнитов.
На основе полученных аналитических решений построены угловые характеристики магнитоэлектрических синхронных машин обращенной конструкции, которые показывают, что применение ВТСП криомагнитов в роторе позволяет увеличить перегрузочную способность данного класса машин в несколько раз.
показали целесообразность увеличения числа пар полюсов магнитоэлектрической синхронной машины обращенной конструкции, а так же высоты ПМ магнитов индуктора, до определенного предела, так как это позволяет увеличить мощность машины.
Разработана методика предварительного расчета основных параметров синхронной машины обращенной конструкции с ПМ.
синхронных электрических машин обращенной конструкции с электромагнитным возбуждением данные показали, что существует оптимум максимальной мощности по значению МДС, связанный с потоками рассеяния, что позволяет проводить экспертные оценки МДС при заданных размерах машины.
На основе анализа полученных аналитических решений сформулирован критерий сравнения машин обращенной конструкции с электромагнитным возбуждением и от ПМ по максимальной мощности (перегрузочной способности). Получено аналитическое выражение для данного критерия, позволяющее проводить сопоставление машин обращенной конструкции по значению МДС.
Полученные аналитические соотношения, а также проведенные расчетные исследования показали, что для двух машин с одинаковой геометрией активной зоны и обмоточными параметрами при неизменной частоте вращения ротора мощность машины с электромагнитным возбуждением при малом числе пар полюсов (p2) может быть выше, чем для машины с возбуждением от ПМ, но с увеличением полюсности ее значение резко падает и при р>2 оказывается ниже мощности магнитоэлектрической машины.
способности двух типов машин одинаковой конструкции с равной линейной нагрузкой якоря показал целесообразность перехода к электромагнитному возбуждению при уровне тока в обмотках возбуждения близких к 100 А, что достижимо только при использовании ВТСП обмоток возбуждения ротора и криогенном охлаждении до температур жидкого азота и ниже.
Сформулирован критерий, по которому можно проводить оценку целесообразности применения ВТСП проводов при проектировании ЭМП обращенной конструкции.
исследования показали, что синхронные генераторы с электромагнитным возбуждением на основе ВТСП проводов имеют в несколько раз большую мощность по сравнению с магнитоэлектрическими машинами при малом числе пар полюсов и при больших частотах вращения ротора.
На основе полученных в ходе моделирования в пакете «Elcut Professional» значений магнитного потока 0 и главного индуктивного сопротивления Xa было установлено, что аналитическая методика, разработанная в главе 2, обладает погрешностью 20% для малых размеров обращенных электрических машин и 5% для больших ЭМП.
Хорошая сходимость результатов, полученных методом конечных элементов и по аналитической методике позволяет сделать вывод о том, что разработанная аналитическая методика может быть использована на раннем этапе проектирования электрических машин обращенной конструкции.
ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
синхронных генераторов для ветроэнергетических установок, используемых для электроснабжения аэродромов малой авиации в отдаленных районах России. Московская молодежная научнопрактическая конференция «Инновации в авиации и космонавтике – 2012» 17-20 апреля 2012 года. Москва. Сборник тезисов докладов.М.: ООО «Принт-салон». С. 42.
Ковалев Л.К., Ковалев К.Л., Тулинова Е.Е., Иванов Н.С. «Многополюсные синхронные генераторы с постоянными магнитами для ветроэнергетических установок». Известия РАН.
Энергетика. №6, 2012 г.
Ivanov Multipolar permanent-magnet synchronous generators intended for wind power plants. Thermal Engineering, December 2012, Volume 59, Issue 14, pp 1035-1043.
методика расчета распределения магнитных полей в активной зоне синхронного генератора с электромагнитным возбуждением, используемого в автономных электроэнергетических установках».
«