авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Магнитные системы синхронных электрических машин с редкоземельными постоянными магнитами и повышенной частотой вращения

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

УДК 621.313

СИТИН ДМИТРИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

МАГНИТНЫЕ СИСТЕМЫ СИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН С РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ И ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТОЙ ВРАЩЕНИЯ

Специальность – 05.09.01

«Электромеханика и электрические аппараты»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена на кафедре «Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы» государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский авиационный институт (государственный технический университет) «МАИ».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Зечихин Борис Семенович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Беспалов Виктор Яковлевич (ГОУ ВПО «Московский энергетический институт (технический университет)»)
кандидат технических наук Савенко Валерий Ананьевич (ОАО «Аэроэлектромаш»)
Ведущая организация: ФГУП «НПП ВНИИЭМ с заводом имени А. Г. Иосифьяна»

Защита состоится «___ » __________ 2009 г. в __ ч. на заседании диссертационного совета Д 212.125.07 в Московском авиационном институте (государственном техническом университете) по адресу: 125993, А-80, г. Москва, Волоколамское шоссе, д.4, главный административный корпус, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (государственного технического университета).

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан «___» __________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.125.07 кандидат технических наук, доцент Кондратьев А.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Как известно, повышение частоты вращения ведет к снижению массы и материалоемкости электрических машин. Для достижения высоких частот вращения и повышения ресурса работы изделий без снижения уровня их надежности в последние годы при разработке электромеханических преобразователей (ЭМП) применяются новые типы подшипниковых опор. Это магнитные подшипниковые опоры, газостатические и лепестковые газодинамические опоры. В настоящее время в электромеханике весьма перспективным является использование лепестковых газодинамических опор. В частности, их применение рационально в центробежных компрессорах систем кондиционирования, где уровень мощности ЭМП может достигать сотен киловатт, а частоты вращения – десятков тысяч оборотов в минуту.

Однако при повышении частоты вращения одновременно со снижением активной массы снижается и предельная мощность ЭМП. Окружные скорости роторов ограничиваются их прочностью, а вытекающее из этого ограничение наружного диаметра роторов ведет к снижению критической частоты вращения, увеличению относительной длины машин и ухудшению условий охлаждения ЭМП. Проектирование ЭМП на мощности до нескольких десятков и сотен кВт на частоты вращения, составляющие десятки тысяч оборотов в минуту, ведется в рамках этих противоречий. В этих условиях рационально использование конструктивных схем синхронных машин с высокоэнергетическими редкоземельными постоянными магнитами (РЗМ), обладающими повышенной механической прочностью и высокими удельными массоэнергетическими показателями. При этом необходимо отметить, что современный уровень развития силовой полупроводниковой и микропроцессорной техники обеспечивает высокие регулировочные свойства ЭМП с РЗМ.



В настоящее время при разработке электрических машин целесообразно совместное использование традиционных (на основе моделей с сосредоточенными параметрами) и компьютерных (на основе моделей с распределенными параметрами) технологий проектирования ЭМП.

Разработка магнитных систем (МС) ЭМП с повышенной частотой вращения требует уточнения электромагнитных расчетов с целью снижения массы магнитов и других вращающихся элементов магнитной системы, нагружающих опоры, а также учёта и ослабления магнитного тяжения. Повышение механических нагрузок на элементы роторов требует также уточнения их расчетов на прочность. Ограничение диаметров роторов, которое приводит к увеличению активной и конструктивной длины ЭМП, требует уточнения тепловых расчетов. Повышение точности расчетов позволяет снизить затраты на экспериментальную доработку ЭМП, особенно при использовании ограниченных по своим возможностям бесконтактных подшипниковых опор.

Теории и проектированию электрических машин с постоянными магнитами (ПМ) посвящено большое количество работ, опубликованных в нашей стране и за рубежом. Здесь необходимо отметить научные школы ВНИИЭМ, МАИ, МЭИ, ВВИА им. Н.Е. Жуковского, предприятия АКБ «Якорь», «Аэроэлектромаш» и многие другие организации. Однако рассмотрению электрических машин с повышенной частотой вращения и редкоземельными магнитами уделено недостаточное внимание. Таким образом, уточнение методов расчета подобных машин является актуальной задачей.

Цель работы.

Целью диссертационной работы является развитие традиционных и компьютерных технологий проектирования и уточнение методик проектирования магнитных систем для создания ЭМП с РЗМ, работающих с повышенной частотой вращения.

Задачи.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

  • обоснования традиционных и нетрадиционных конструктивных схем роторов магнитных систем для ЭМП с повышенной частотой вращения;
  • уточнения электромагнитного расчета магнитных систем синхронных машин с целью снижения массы роторов и усилий, действующих на подшипниковые опоры;
  • анализа электромагнитных сил притяжения и отталкивания в магнитных системах синхронных машин с повышенной частотой вращения с целью обоснования конструктивных мероприятий по разгрузке подшипниковых опор;
  • исследования прочности роторов и теплового состояния синхронных машин с повышенной частотой вращения с целью обеспечения работоспособности предложенных в диссертации конструктивных схем;
  • экспериментальной проверки уточненных методик расчета и нетрадиционных конструктивных схем магнитных систем ЭМП с повышенной частотой вращения.

Методы исследования.

В работе использованы методы теории поля, теории электрических и магнитных цепей, теории прочности, методы математической физики, методы вычислительной математики и программирования. Для аналитического решения задач электромагнитного поля в активной зоне ЭМП методом гармонического анализа использовался многофункциональный математический пакет MathCAD. Для численного решения задач электромагнитного поля в активной зоне ЭМП и напряженно-деформированного состояния вращающихся роторов использовались программные пакеты конечно-элементного анализа (ANSYS EMAG, COSMOSWorks).

Объекты исследования.

Объектами исследования являются синхронные ЭМП с повышенной частотой вращения с РЗМ. Рассматриваются конструктивные схемы с постоянными магнитами на роторе. Исследования связаны с задачами, возникшими при проектировании двигателей электропривода центробежного компрессора мощностью P=100 кВт с частотой вращения n=30000 об/мин, электропривода испытательного стенда мощностью P=100 кВт, n=12000 об/мин, генераторов для системы автономного электропитания с S=3 кВА, n=160000 об/мин и аварийного канала электропитания постоянного тока с P=3 кВт, работающего в диапазоне n=9500–12000 об/мин.

Изложенные в диссертации рекомендации и методики проектирования могут быть использованы при проектировании двигателей силового электропривода мощностью от нескольких десятков до нескольких сотен кВт и генераторов для систем автономного электропитания мощностью от единиц до нескольких сотен кВА.

Предмет исследования.

Предметом диссертационного исследования являются традиционные и компьютерные технологии проектирования и методики проектирования магнитных систем ЭМП с РЗМ, работающих с повышенной частотой вращения.

Научная новизна.

  • Методом гармонического анализа (МГА) магнитных полей активных зон ЭМП на основе векторного магнитного потенциала получено аналитическое решение задачи расчета поля реакции якоря синхронной машины с тангенциальными редкоземельными магнитами и ферромагнитными наконечниками полюсов;
  • Методом конечных элементов (МКЭ) получено численное решение задачи расчёта поля реакции якоря синхронной машины с тангенциальными редкоземельными магнитами на основе векторного магнитного потенциала, подтвердившее с высокой точностью результаты аналитического решения, а также показано условие эквивалентности прямоугольной и секторной моделей магнитов;
  • На основе аналитического и численного исследований магнитных полей обоснована система расчетных коэффициентов ЭМП с РЗМ, позволяющая уточнить электромагнитный расчет, массы роторов и усилия, действующие на опоры, с учетом особенностей конструкций магнитных систем;
  • Обоснована нетрадиционная конструктивная схема ротора с полюсными наконечниками и крепежными кольцами, позволяющая выполнить ЭМП с малым немагнитным зазором без применения сложной технологии сварки ферромагнитного и немагнитного сплавов;
  • Показано, что магнитное притяжение в ЭМП с двухполюсным ротором существенно ниже, чем в ЭМП с четырьмя и более полюсами, а также дана количественная оценка его пульсаций при двухполюсном и четырёхполюсном роторах;
  • С помощью МКЭ показано, что влияние зубчатости статора и насыщения стали при расчете сил магнитного притяжения существенно и может достигать 10-15%;
  • С помощью МКЭ показано, что погрешность приближенного механического расчета магнитной системы с крепежными кольцами на роторе методами сопротивления материалов по сравнению с расчетом численным методом составляет 15-20% в сторону запаса прочности конструкции;
  • Предложена и обоснована конструкция генератора с вертикальным расположением вала, где для компенсации веса ротора и разгрузки опоры-подпятника используется вывешивание ротора в статоре под действием электромагнитных сил притяжения;
  • Обоснована конструкция ЭМП с вертикальным расположением вала и осевой магнитостатической подшипниковой опорой.

Практическая ценность.

  • Обоснованная система расчётных коэффициентов проверена при расчётах основных геометрических размеров рассмотренных в диссертации машин и может быть рекомендована для использования при расчёте синхронных машин с РЗМ, имеющих ферромагнитные наконечники полюсов;
  • Даны рекомендации по выбору рациональных конструктивных схем и крепежных материалов для роторов ЭМП с повышенной частотой вращения;
  • Разработаны программы на языке APDL, позволяющие посредством МКЭ рассчитывать зависимости магнитной индукции поля возбуждения и реакции якоря, а также расчётных коэффициентов поля возбуждения и реакции якоря от геометрических размеров магнитных систем для основных конфигураций ЭМП с радиальными и тангенциальными прямоугольными или секторными магнитами с немагнитной обоймой или полюсными наконечниками;
  • Показано, что использование ЭМП с повышенной частотой вращения рационально для центробежных компрессоров в системах кондиционирования с использованием рабочей среды в качестве хладагента ЭМП.
  • Показано, что хотя ЭМП предельной мощности с повышенной частотой вращения требуют более интенсивной системы охлаждения из-за увеличения активной длины, при работе в системе кондиционирования с использованием рабочей среды в качестве хладагента ЭМП перепад температур в обмотке незначителен;
  • Предложены и обоснованы конструктивные схемы ЭМП с использованием возникающих между статором и ротором сил магнитного притяжения для разгрузки опор при горизонтальном и вертикальном расположении вала ЭМП;
  • Разработана автоматизированная методика расчета осевой магнитостатической подшипниковой опоры для ЭМП с вертикальным расположением вала;
  • Обоснованы направления дальнейшего развития ЭМП с повышенной частотой вращения: снижение массы роторов за счет выбора рациональных конструктивных схем, уточнение электромагнитного и прочностного расчетов, учет и использование сил магнитного притяжения и отталкивания для разгрузки подшипниковых опор.

Реализация результатов.





Разработанные автором методики и сформулированные им рекомендации по проектированию ЭМП используются в ОАО АКБ «Якорь» при расчетном проектировании и конструкторской проработке синхронных электродвигателей и генераторов с повышенной частотой вращения мощностью до нескольких сотен кВт. С использованием уточненных методик и конструктивных решений, представленных в данной работе, при непосредственном участии автора разработаны три ЭМП с повышенной частотой вращения: электродвигатель компрессора системы кондиционирования, электродвигатель привода испытательного стенда и генератор автономной системы электропитания.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность результатов определяется использованием положений теории поля, теории электрических и магнитных цепей, теории прочности, методов математической физики, методов вычислительной математики и программирования и подтверждается сходимостью результатов решения рассматриваемой задачи с результатами полунатурных и натурных испытаний, внедрением полученных автором решений в конкретные разработки и образцы электрических машин.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных российских и международных конференциях, в том числе: на международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиотехника, электроника и энергетика» в МЭИ, г. Москва, в 2005, 2006, 2007 годах; на международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах автоматики, управления и обработки информации» в г. Алуште в 2006, 2007, 2008 годах; на всероссийской научно-технической конференции «Научно-технические проблемы электропитания» в МАИ, г.Москва, в 2006 году; на всероссийской конференции молодых ученых и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике – 2008», в МАИ, г. Москва, в 2008 году.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, из них 1 – в журнале «Электричество», рекомендованном ВАК РФ. На разработанную в рамках диссертационного исследования конструктивную схему ЭМП получен 1 патент.

Структура работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы и 4 приложений; основная часть работы имеет 145 страниц, 44 рисунка, 13 таблиц и 108 наименований списка литературы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертации, определена научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены сведения об апробации и публикациях, представлена структура диссертационной работы.

В первой главе дан обзор используемых и перспективных конструктивных схем, магнитных материалов и типов подшипниковых опор для ЭМП с повышенной частотой вращения.

Анализируя основное расчетное уравнение синхронной машины, можно показать, что предельная мощность ЭМП Sпред пропорциональна третьей степени окружной скорости ротора vдоп, допускаемой его конструкцией:

, (1)




Рис. 1. Зависимости предельной мощности от частоты вращения для конструктивных схем с различными предельными окружными скоростями:   v=100 м/с,     v=130 м/с, • • •   v=180 м/с.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.