Магнитоэлектрический стартер-генератор в системе электроснабжения самолетов нового поколения

На правах рукописи

Власов Андрей Иванович

Магнитоэлектрический стартер-генератор

в системе электроснабжения самолетов

нового поколения

Специальность 05.09.01 –

"Электромеханика и электрические аппараты"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Чебоксары - 2010

Работа выполнена на кафедре электромеханики и технологии

электротехнических производств ФГОУ ВПО

"Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова" Киров

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Нестерин Валерий Алексеевич
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Копылов Сергей Игоревич
	кандидат технических наук, старший научный сотрудник Никитин Владимир Михайлович
Ведущая организация – электромашиностроительный завод ОАО "Лепсе", г. Киров

Защита диссертации состоится "3" декабря 2010 г. на заседании диссертационного совета Д212.301.06 при ФГОУ ВПО "Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова " в аудитории Г-214 в 15 час. 00 мин. по адресу: 428015, г. Чебоксары, Московский пр., 15.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 428015, г. Чебоксары, Московский пр., 15, Ученый совет ФГОУ ВПО "Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО "Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова".

Автореферат разослан "___ " _________ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.301.06 к.т.н., доцент

Н. В. Руссова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из наиболее перспективных направлений создания конкурентоспособного отечественного самолета является переход к концепции полностью электрифицированного самолета (ПЭС). ПЭС - самолет с единой системой вторичной энергии, в качестве которой используется система электроснабжения (СЭС), обеспечивающая питанием системы управления полетом, привод шасси, системы жизнеобеспечения и кондиционирования, электронные устройства, противообледенительную и другие бортовые системы и устройства. На ПЭС отсутствуют гидравлическая и пневматическая системы.

ПЭС требует увеличения мощности, как электрогенераторов (до 200 кВА и более), так и СЭС (до 1500 кВА) в целом. Кроме того, на ПЭС намечается осуществить переход к СЭС переменного тока напряжением 230/400 В переменной частоты 360-800 Гц, где генераторы приводятся во вращение непосредственно от редуктора авиадвигателя. При этом вместо генераторов на ПЭС планируется использовать бесконтактные стартер-генераторы (СГ), обеспечивающие как запуск авиадвигателя, так и генерацию электрической энергии. К СГ самолетов нового поколения предъявля­ются значительно более высокие требования по мощности, надежности работы в широком диапазоне частот вращения, массогабаритным и энергетическим показателям.

Разработанные на сегодняшний день авиационные генераторы и коллекторные СГ не удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям по надежности, массогабаритным и другим показателям. Так, требуемая масса генератора мощностью 120 кВА для новых магистральных самолетов не должна превышать 50 кг, а масса авиационного генератора соответствующей мощности ГТ120ПЧ6А составляет 67 кг. Кроме того, разработанные отечественные авиационные бесконтактные генераторы переменного тока не позволяют реализовать стартерный режим. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют вентильные магнитоэлектрические машины (МЭМ).

Высокий уровень требований к характеристикам СГ во всех режимах работы заставляет разработчиков совершенствовать известные и создавать новые способы исследования стационарных и переходных электромагнитных процессов, а также разработку методов проектирования и математического моделирования МЭМ.

Таким образом, проблема разработки методов проектирования и создание магнитоэлектрических СГ большой мощности для СЭС самолетов нового поколения имеет важное практическое значение и является актуальной.

Объектом исследования является магнитоэлектрический СГ для СЭС самолетов нового поколения и связанные с этим задачи его проектирования.

Предмет исследования – методы расчета и проектирования, оптимизация массогабаритных и энергетических показателей магнитоэлектрического СГ.

Целью работы является разработка рекомендаций и методов проектирования, а так же выбор и обоснование оптимального варианта конструкции СГ для СЭС самолетов нового поколения.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

- систематизация требований, предъявляемых к СГ для СЭС самолетов нового поколения;

- сравнительный анализ современного состояния и выбор наиболее приемлемого для СГ типа электрической машины (ЭМ);

- исследование и оптимизация массогабаритных и энергетических показателей СГ методами математического моделирования, создание обобщенной математической модели (ОММ);

- проведение экспериментальных исследований на демонстрационном образце (ДО) магнитоэлектрического СГ, подтверждающих достоверность результатов математического моделирования, основных положений и выводов диссертации.

Методы исследования. При выполнении работы были использованы аналитические и численные методы математического моделирования электромагнитных процессов в ЭМ, сочетающие в себе аналитическую, полевую и имитационные математические модели, а также метод планирования эксперимента (МПЭ). Для реализации этих моделей применялись известные программные продукты: Maxwell, Elcut, AutoCad, Inventor, Matlab Simulink, MathCAD. Экспериментальные исследования проводились на ДО магнитоэлектрического СГ методом сопоставительного анализа.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- обоснована целесообразность применения МЭМ, как наиболее подходящей для использования в качестве СГ СЭС самолетов нового поколения;

- на основе анализа схемотехнических решений МЭМ показано, что для ПЭС преобразователь запуска СГ целесообразно выполнять многофункциональным с целью использования его возможностей для управления различными электроприводами, работающими на других режимах полета, например, органов управления самолета, СКВ, шасси и др.;

- получена аналитическая зависимость полной массы СГ от его параметров, позволяющая выявить основные и дополнительные пути одновременного снижения массы и повышения КПД магнитоэлектрического СГ;

- выработаны рекомендации оптимального проектирования и улучшения массогабаритных и энергетических показателей СГ с учетом понятий "полетной массы" и "полетного КПД". Найдены аналитические выражения дополнительной мощности и дополнительного расхода топлива, необходимого для охлаждения СГ на борту самолета;

- разработана ОММ, сочетающая в себе аналитическую, полевую и имитационные математические модели, а также МПЭ, которая позволяет осуществить оптимизацию геометрии и обмоточных данных СГ а так же найти оптимальные параметры для обеспечения заданных характеристик проектируемого СГ.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- разработаны рекомендации по улучшению массогабаритных и энергетических показателей магнитоэлектрического СГ, реализованные в ДО с учетом особенностей их применения в СЭС самолетов нового поколения;

- выявлены конструктивные особенности и получены рекомендации проектирования магнитных систем (МС) роторов для обеспечения максимального магнитного потока;

- разработана методика анализа и оптимизации массогабаритных и энергетических показателей магнитоэлектрического СГ МПЭ, которые могут использоваться в инженерной практике для расчета выходных характеристик и показателей СГ с малыми затратами времени и приемлемой точностью.

Достоверность полученных результатов исследования заключается в сравнении результатов, полученных различными методами, используемыми автором и подтверждается экспериментальными исследованиями на ДО.

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации методы и рекомендации использовались при подготовке технических материалов НИР по темам: "Исследования в обеспечение создания системы электроснабжения, системы запуска маршевых двигателей и электроприводов системы кондиционирования воздуха полностью электрифицированного самолета. Система генерирования и запуска маршевого двигателя"; "Концептуальная разработка проекта стартер-генератора для двигателей НК-33/43: компоновка стартер-генератора и блоков управления", который выполнялся по договору между ОАО "Электропривод" и "СНТК имени Кузнецова".

Связь работы с научными программами, темами. Работа выполняется в направлении развития научной концепции ПЭС, включенной в программу "Развитие гражданской авиационной техники России на период до 2015 года". Работа непосредственно связана с проведением НИР "Исследования в обеспечение создания электроэнергетического комплекса самолета с полностью электрифицированным оборудованием" по техническому заданию ФГУП "НИИАО", а так же с разработкой технических материалов по теме: "Концептуальная разработка проекта стартер-генератора для двигателей НК-33/43: компоновка стартер-генератора и блоков управления".

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Всероссийская научно-техническая конференция "Наука-производство-технологии-экология", Киров, Россия, 2008; XII Международной конференции "Электромеханика, электротехнологии, электрические материалы и компоненты" МКЭЭЭ-2008, Крым, Алушта, 2008; XVII Международная конференция по постоянным магнитам МКПМ XVII, 21-25 сентября, Суздаль, 2009.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.

Структура и состав диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 316 наименований и 20 приложений. Основная часть работы изложена на 224 страницах, включает 102 рисунка и 39 таблиц.

На защиту выносятся основные положения:

1) выбор и обоснование наиболее подходящего типа ЭМ для СГ СЭС ПЭС;

2) аналитическое выражение массы СГ, исследование оптимальности массогабаритных и энергетических показателей СГ с учетом понятий "полетной массы" и "полетного КПД";

3) результаты исследования и оптимизации массогабаритных и энергетических показателей магнитоэлектрического СГ методами математического моделирования;

4) результаты математического моделирования, позволившие создать действующий образец магнитоэлектрического СГ для СЭС ПЭС, а также результаты экспериментальных исследований ДО.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлен обзор современного состояния проблемы, определена ее цель и обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы задачи исследования и методы его проведения, отмечена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проведена систематизация требований к СГ для СЭС самолетов нового поколения. Осредненные систематизированные требования к СГ для самолетов нового поколения приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Осредненные систематизированные требования к СГ

Наименование параметра	Значение параметра
Генераторный режим
Номинальная мощность, кВА	от 100 до 250
Выходное напряжение, В	230/400
Частота генерирования, Гц	360 - 800
Частота вращения, об/мин	от 10800 до 16000
Режим работы*)	продолжительный
Стартерный режим
Мощность на валу, кВт	до 100
Максимальный момент, Нм	200
Частота вращения выходного вала в момент отключения, об/мин	9600
Режим работы	кратковременный
Механические параметры
Вид охлаждения	принудительное
Удельная масса, кг/кВт	0,25
Вероятность отказа (без системы управления), 1/ч, не более	210-6

*) 85 % времени от общего ресурса СГ работает при нагрузке 50 % от номинальной; 15 % времени от общего ресурса СГ работает при номинальной нагрузке.

На основании сравнительного анализа различных типов ЭМ для СГ показано, что МЭМ наиболее полно удовлетворяют требованиям, предъявляемым к СЭС самолетов нового поколения и по всем основным показателям: предельной мощности, перегрузочной способности, КПД, надежности, удельной массе m* (в 2,3 - 2,6 раза для ЭМ средней мощности), удельному моменту q* (в 1,2 - 1,3 раза для ЭМ средней мощности) превосходят ближайшего претендента асинхронную машину (АМ). На рисунке 1 представлены зависимости m*, q*=f(P2) авиационных АМ и вентильных МЭМ при идентичных режимах работы, подтверждающие данные выводы.

Проведен анализ специальных требований к материалам постоянных магнитов (ПМ), магнитным и техническим свойствам ПМ, МС авиационных СГ. ПМ на основе самария и кобальта имеют высокие значения удельной магнитной энергии, температурной стабильности, а также обладают устойчивостью по отношению к процессам коррозии. Ограничения по температурной стабильности ПМ из сплавов Nd-Fe-B, а также их невысокая коррозионная стойкость и способность поглощать водород из окружающей среды, сдерживают их использование в авиационных МЭМ. Приведены классификация, достоинства и недостатки МС роторов: с обязательной комбинацией магнитомягкого материала (МММ) и магнитотвердого материала - сборные МС с тангенциальным и радиальным намагничиванием ПМ и исключающие МММ - цельные и сборные мозаичные магнитные системы (СМС). Наиболее предпочтительными являются СМС.

С целью повышения удельной мощности все авиационные ЭМ являются высокоскоростными. Кроме того, в последнее время наметилась устойчивая тенденция к дальнейшему повышению частоты вращения (до десятков тысяч оборотов в минуту) как авиационных генераторов, СГ, так и ЭМ исполнительных электромеханизмов.

Основными проблемами при этом являются обеспечение механической прочности ротора и снижение потерь. Механическая прочность ротора обеспечивается оптимизацией выбора материалов ПМ, размеров ротора (отношение диаметра к длине), упрочняющего бандажа, других элементов конструкции ротора с помощью совместного анализа прочностных и электромагнитных параметров ЭМ.

Для снижения потерь в высокоскоростных МЭМ, вызванных как основной частотой, так и высшими гармониками тока и магнитного потока, можно рекомендовать: МС, исключающие МММ в роторе; при наличии МММ сердечника в роторе выполнять его шихтованным; предусматривать в конструкции сердечника ротора аксиальные каналы с целью снижения массы и улучшения условий охлаждения; для упрочняющего бандажа использовать материал с высоким удельным электрическим сопротивлением; при значительной частоте вращения ротора предусматривать сегментирование полюсов ротора; выбирать число пар полюсов не более трех; толщину листов шихтованного сердечника статора 0,15 мм и ниже; материал статора - железокобальтовый сплав с содержанием кобальта 49 или аморфные стали; снижение потерь и пульсаций момента, вызванных зубовыми гармониками, уменьшением открытия паза и увеличением воздушного зазора.

Представлены варианты схемотехнического выполнения стартерного и генераторного режимов СГ на базе МЭМ и принципы управления. В стартерном режиме работы СГ системы скалярного или частотного управления формируют фазные напряжения на основании заданных значений амплитуды и частоты, получаемых путем широтно-импульсной модуляции выходных напряжений инвертора. Для СГ на базе МЭМ применяется метод частотного управления с самосинхронизацией (в строгом соответствии с положением ротора).

Показано, что для магнитоэлектрического СГ ПЭС преобразователь запуска целесообразно выполнять многофункциональным с целью использования его возможностей для управления различными электроприводами, работающими на других режимах полета, например, органов управления самолета, СКВ, шасси и др.

В генераторном режиме СГ должен обеспечивать как стабилизацию, так и регулирование выходного напряжения. В СГ на базе МЭМ регулятор напряжения может быть реализован по принципу преобразователя матричной структуры, который обеспечивает преобразование параметров источника переменного тока (амплитуды и частоты) в напряжение, необходимое для питания нагрузки, без накопления энергии в промежуточном звене постоянного тока, что позволяет выполнить регулятор напряжения малогабаритным.

Выполнен анализ математических методов исследования электромагнитных полей, переходных процессов магнитоэлектрического СГ, на основании которого определен порядок процесса проектирования СГ.

Во второй главе проведено исследование массогабаритных и энергетических показателей магнитоэлектрических СГ с целью их улучшения. Известно, что повышение частоты вращения n ведет к снижению как габаритов, так и массы ЭМ (при Р=const), о чем дает представление формула постоянной Арнольда (машинная постоянная).

Рисунок 2 – Зависимость массы активных материалов СГ от частоты вращения