Автореферат (Автоматизированное конструирование авиационных генераторов с постоянными магнитами)

На правах рукописиМисютин Роман ЮрьевичАВТОМАТИЗИРОВАННОЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ АВИАЦИОННЫХГЕНЕРАТОРОВ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИСпециальность – 05.09.01«Электромеханика и электрические аппараты»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2015Работа выполнена на кафедре «Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы» федерального государственного бюджетного образовательногоучреждения высшего профессионального образования «Московский авиационныйинститут (национальный исследовательский университет)».Научный руководительЗечихин Борис Семеновичдоктор технических наук, профессор МАИ,заслуженный работник ВШ РФОфициальные оппоненты:Халютин Сергей Петровичдоктор технических наук, профессор,генеральный директор ООО «Экспериментальная мастерская НаукаСофт»Савенко Валерий Ананьевичкандидат технических наук,зам.

гл. конструктора ОАО «Аэроэлектромаш»Ведущая организация:Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» (ФГБОУВПО «НИУ «МЭИ»)Защита состоится «___ » декабря 2015 г.

в __ ч. __ мин. на заседании диссертационного совета Д 212.125.07 в Московском авиационном институте (национальномисследовательском университете) по адресу: 125993, А-80, г. Москва, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4, корп. «Г», ауд. 302 (кафедра 310).С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационногоинститута (национального исследовательского университета).Автореферат разослан «___» __________ 2015 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.125.07к.т.н.Степанов В.С.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.Одной из важных тенденций в развитии авиационных систем электроснабжения является увеличение их мощности и рост мощности генераторов. На широкофюзеляжных самолётах единичная мощность генераторов достигает 250 кВА.

Подобныегенераторы выполняются бесконтактными с электромагнитным возбуждением с подвозбудителем и возбудителем. Для обеспечения высоких массоэнергетических показателей генераторы разрабатываются с предельно допустимыми частотами вращения,электромагнитными, прочностными и тепловыми нагрузками. Повышение частотывращения позволяет снизить массу генератора, но приводит к снижению допустимогопо прочности диаметра ротора, увеличению его длины, снижению диаметра вала,критической частоты и его предельной мощности.Повышенная механическая прочность, отсутствие потерь на возбуждение,жесткость внешних характеристик, высокие значения токов короткого замыкания идостаточно простая реализация стартерного режима позволяют рассматривать генераторы с постоянными магнитами как альтернативу генераторам с электромагнитнымвозбуждением при повышенной мощности.

Недостатки генераторов с постояннымимагнитами состоят в трудности регулирования выходного напряжения, повышенныхпотерях в стали при максимальных частотах вращения в системе без привода постоянных оборотов, относительно невысоких допустимых температурных режимах высокоэнергетических редкоземельных постоянных магнитов и их развозбуждении привнутренних коротких замыканиях.Наиболее эффективно использование генераторов с постоянными магнитами всистемах электроснабжения постоянного тока, в которых генераторы с электромагнитным возбуждением также работают в составе с электронными преобразователямии фильтрами.

При этом для снижения массы фильтров рационально повышение числаполюсов, что существенно проще реализовать в генераторах с постоянными магнитами. Разработка генераторов повышенной мощности близкой к предельной требуетпоиска конструктивных решений, обеспечивающих максимально возможный диаметри длину ротора при допустимых механических напряжениях и температурах.В нашей организации «АКБ «Якорь» (с 2015г. “Технодинамика”) на основевысокоэнергетических постоянных магнитах разработаны авиационный генераторГТ-90 мощностью 90 кВА и электродвигатель ДСВ-100 мощностью 100 кВт. На основе этих разработок и развития методов конструирования могут быть созданы генераторы мощностью в несколько сотен и более кВА.Проблемам конструирования авиационных генераторов с электромагнитнымвозбуждением посвящено значительное количество работ (Клочков О.Г., Науменко3В.И., Поспелов Л.И.

и др.). Конструированию генераторов с постоянными магнитамине уделялось достаточного внимания. Автоматизация конструирования на основекомпьютерных технологий генераторов с постоянными магнитами повышает эффективность их проектирования и является актуальной задачей.Цель работы.Целью работы является повышение эффективности проектирования авиационных генераторов с постоянными магнитами на основе компьютерных технологий автоматизированного конструирования и обоснование целесообразности примененияданных генераторов в авиационных системах электроснабжения постоянного токаповышенного напряжения.Задачи работы.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:- обосновать целесообразность использования генераторов с высокоэнергетическими постоянными магнитами в системах электроснабжения повышенной мощности на уровне сотен и более кВА;- определить области рационального использования многополюсных роторов срадиальными и тангенциальными магнитами в системах электроснабжения переменного и постоянного тока;- разработать технологию конечно-элементного анализа конструкций бандажей крепления магнитов, обеспечивающих прочность роторов генераторов повышенной мощности близкой к предельной;- провести сопоставительный компьютерный анализ тепловых потерь в элементах конструкций крепления магнитов, обусловленных зубчатостью статора длямассивных и шихтованных магнитных и немагнитных бандажей, для обеспечениянеобходимых температурных условий работы редкоземельных магнитов;- разработать технологию конечно-элементного анализа притяжения магнитовс учетом размерных цепей и уточнить аналитическую методику расчета сил притяжения многополюсных генераторов;- на базе современных компьютерных технологий уточнить приближеннуютрадиционную методику проектирования валов сложной конфигурации и повышенной относительной длины, с учетом технологического эксцентриситета ротора и притяжения магнитов, для обеспечения его прочности на изгиб и необходимой критической частоты;- обеспечить допустимые температурные режимы работы статора и ротора засчет использования интенсивной системы охлаждения;- на основе проведенных исследований уточнить традиционную методику конструирования авиационных генераторов с высокоэнергетическими постоянными маг4нитами.Методы исследования.В основе исследования лежит расчетный сопоставительный анализ основныхконструктивных схем генераторов с возбуждением от высокоэнергетических постоянных магнитов в системах с электронными преобразователями, на базе традиционных методов цепей с сосредоточенными параметрами и компьютерных технологийисследования электрических, магнитных, механических и тепловых процессов на основе моделей с распределенными параметрами.

Исходным для исследований являетсяэлектромагнитный расчет генератора, а тепловой и механический расчеты выступаютв качестве функциональных ограничений при обосновании наиболее рациональноготехнического решения.Объекты исследования.Объектами исследования являются авиационные синхронные генераторы системы электроснабжения повышенной мощности с возбуждением от высокоэнергетических постоянных магнитов с непосредственным приводом от авиадвигателя в системе с электронными преобразователями, как альтернативные традиционным генераторам с электромагнитным возбуждением с синхронными возбудителем и подвозбудителем.Научная новизна.Научная новизна исследований состоит в том, что:- обоснована целесообразность использования генераторов с высокоэнергетическими постоянными магнитами в системах электроснабжения постоянного токаповышенной мощности на уровне сотен и более кВА, как альтернативных генераторам с электромагнитным возбуждением;- на основе разработанной технологии конечно-элементного анализа определены области рационального использования многополюсных роторов с радиальными итангенциальными магнитами, различных конструкций их бандажей и предложен способ снижения концентрации механических напряжений в немагнитном бандаже,обеспечивающий повышенную прочность ротора;- на базе численного анализа потерь в массивных и шихтованных магнитных инемагнитных обоймах роторов с постоянными магнитами, обусловленных зубчатостью статора, предложен способ расчета нагрева редкоземельных магнитов;- на основе аналитического представления магнитного поля возбуждения постоянных магнитов разработана методика расчета сил притяжения многополюсныхгенераторов с постоянными магнитами, подтвержденная результатами конечноэлементного анализа;5- на базе современных компьютерных технологий уточнена приближеннаятрадиционная методика проектирования валов сложной конфигурации и повышеннойотносительной длины с учетом технологического эксцентриситета ротора и притяжения магнитов, обеспечивающая разработку валов необходимой прочности на изгиб икритической частоты вращения;- на основе проведенных исследований уточнена традиционная методика конструирования авиационных генераторов с высокоэнергетическими постоянными магнитами.Практическая ценность.Представлена возможность оценки эффективности бандажей с биметаллической и шихтованной обоймой по обеспечению температурных условий работы редкоземельных постоянных магнитов.Алгоритм уточненного расчета критической частоты вала сложной геометрии сучетом магнитного притяжения позволяет обосновать создание генераторов с постоянными магнитами повышенной мощности.Уточненный расчет магнитного притяжения с учетом размерной цепи и реальной геометрии вала дает возможность обосновать принятую конструкцию ротора.Предложенный способ снижения концентрации механических напряжений внемагнитной обойме ротора позволяет повысить частоту вращения и максимальнуюмощность генератора.Усовершенствованная конструктивная схема канального жидкостного охлаждения статора обеспечивает повышение допустимой плотности тока в обмотке статора.Использование результатов полученных в диссертации и опыта разработокмашин ГТ-90 и ДСВ-100 дает возможность создания генераторов с постоянными магнитами мощностью несколько сотен кВА и выше, альтернативных генераторам сэлектромагнитным возбуждением.Реализация результатов.Предложенные рекомендации по выбору наиболее рациональной конструктивной схемы ротора, с учетом теплового состояния редкоземельных магнитов, уточнение расчета критической частоты и магнитного притяжения на основе анализа размерной цепи и реальной геометрии вала, а также рекомендации по повышению прочности и охлаждению генератора, реализованы в предложенной уточненной методикеконструирования генераторов с постоянными магнитами, позволяющей более обоснованно разрабатывать перспективные генераторы с возбуждением от высокоэнергетических постоянных магнитов, альтернативные генераторам с электромагнитнымвозбуждением.6Достоверность полученных результатов.Достоверность полученных результатов диссертационной работы определяетсякорректностью использования методов теории цепей и положений теории поля, апробированных традиционных методов электромагнитного, теплового и механическогорасчетов, а также их уточнения на основе использования компьютерных технологийисследования.Апробация работы.Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждалисьна следующих конференциях:1.