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

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.