Автореферат (Автоматизированное конструирование авиационных генераторов с постоянными магнитами), страница 2

Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Шестнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Москва,МЭИ, 2010.2. Московская молодежная научно-практическая конференция «Инновации вавиации и космонавтике – 2012». 17-20 апреля 2012 года. Москва, МАИ.3. Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработкиинформации. ХХI Международный научно-технический семинар, 18-25сентября 2012 г., Алушта.4. Московская молодежная научно-практическая конференция «Инновации вавиации и космонавтике – 2013». 16-18 апреля 2013 года. Москва, МАИ.5. Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработкиинформации: Сборник трудов ХХII Международного научнотехнического семинара, 18-24 сентября 2013 г., Алушта.Публикации.По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, из них 2 – в журнале«Вестник МАИ», входящий в перечень научных изданий, рецензируемых ВАК РФ.На разработанные в рамках диссертационного исследования ротор электрическоймашины и статор электрической машины получены 2 патента.Структура работы.Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка сокращений иусловных обозначений, списка литературы и приложений; основная часть работыимеет 128 страниц, 67 рисунков, 5 таблиц и 104 наименования списка литературы.Основные положения, выносимые на защиту.Рекомендации по выбору бандажей крепления постоянных магнитов.Способ расчета нагрева редкоземельных постоянных магнитов на базе анализапотерь в обоймах роторов, обусловленных зубчатостью статора.7Алгоритм расчета магнитного притяжения ротора на основе анализа размернойцепи электрической машины и аналитической зависимости магнитной индукции взазоре от геометрии активной зоны.Уточненная методика расчета критической частоты вращения ротора генератора с постоянными магнитами с валом сложной конфигурации.Способ снижения концентрации механических напряжений в немагнитнойобойме ротора.Усовершенствованная конструктивная схема канального жидкостного охлаждения статора.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачидиссертации, определена научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены сведения об апробации и публикациях, представлена структурадиссертационной работы.В первой главе рассмотрены последовательность и содержание этапов проектирования авиационных генераторов и определены пути решения проблем разработкигенераторов повышенной мощности более сотен кВА.Данная последовательность представлена на рисунке 1.

В настоящее время вавиации наиболее широко используются системы электроснабжения переменноготока постоянной частоты 400 Гц и переменного тока переменной частоты 360-800 Гц.В качестве перспективной рассматривается система электроснабжения постоянноготока повышенного напряжения. Единичная мощность авиационных генераторовнепрерывно возрастает и достигает сотен кВА. Наиболее эффективными для основных систем электроснабжения являются генераторы с электромагнитным возбуждением с синхронным или асинхронным возбудителем и подвозбудителем на основепостоянных магнитов.

Использование подобных генераторов рационально вплоть допредельно допустимой мощности машин этого типа, ограничиваемой прочностьюротора, прогибом вала и критической частотой вращения. Все другие типы генераторов нужно рассматривать как альтернативные этим генераторам.8Рисунок 1- Схема расчета авиационного синхронного генератора.На рисунке 2 представлен ротор генератора с электромагнитным возбуждением.9а) неявнополюсная конструкцияб) явнополюсная конструкцияРисунок 2- Ротор генератора с электромагнитным возбуждением.Согласно основному расчетному уравнению2S р  Dmaxl и n(1)повышение расчётной мощности генератора S р возможно:- за счет увеличения диаметра ротора Dmax , который ограничен его прочностью60Vдоп(2)n- допустимая окружная скорость и n - частота вращения ротора генератора;Dmax где Vдоп- за счет увеличения длины пакета l , которая ограничена диаметром вала, егопрогибом;- за счет увеличения коэффициента использования генератораи ,которыйограничен предельной линейной нагрузкой и плотностью токаи 260 i k B k o AB(3)где  i - расчетный коэффициент полюсного перекрытия, k B - коэффициент формыЭДС, k o - обмоточный коэффициент , A – линейная нагрузка генератора, B - магнитная индукция в рабочем зазоре.Повышение единичной мощности генераторов с электромагнитным возбуждением возможно за счет использования более прочных материалов и перехода от явнополюсной конструкции с сосредоточенными обмотками на полюсах к более прочной10неявнополюсной с обмотками распределенными по пазам.

На рисунке 3 представлены результаты сопоставительного анализа прочности этих типов роторов.а) эскиз активной зоны ротора неявнополюснойконструкцииб) эскиз активной зоны ротора явнополюсной конструкциив) неявнополюсная конструкцияг) явнополюсная конструкцияРисунок 3- Результаты прочностного расчета ротора с электромагнитным возбуждением.Из рисунка видно, что неявнополюсная конструкция ротора обладает большей прочностью, чем явнополюсная. Если прочность ротора недостаточна, то необходимоснижать частоту вращения генераторов. При этом возможно выполнение двух генераторов с повышенной частотой вращения меньшей суммарной массой, чем одноготой же мощности, но при более низких частотах вращения.Альтернативным решением проблемы повышения единичной мощности генераторов является переход на систему возбуждения от высокоэнергетических постоянных магнитов. Их преимущество состоит не только в повышенной прочности, но ив возможности выполнения генераторов с большим количеством полюсов (до 12 ивыше).

Это важно при работе генераторов в системе электроснабжения постоянноготока. Синхронные генераторы с неявнополюсной системой возбуждения при ограниченных диаметрах ротора рациональны лишь при 4-6 полюсах ротора. Использованиесистем возбуждения на основе постоянных магнитов позволяет решить проблемукритической частоты вращения, поскольку размеры постоянных магнитов в 2-3 раза11меньше эквивалентных по МДС и потоку ферромагнитных полюсов с обмоткой.

Этодает возможность выполнять генераторы с большим диаметром вала и уменьшить егопрогиб от массы, дисбаланса ротора и магнитного притяжения. При проектированииподобных генераторов необходимо обеспечить работу постоянных магнитов притемпературе в пределах 200 °С за счет снижения потерь в роторе, обусловленных впервую очередь зубчатостью статора, и их охлаждения.Развитию методов конструирования генераторов с постоянными магнитамипосвящены последующие главы.Во второй главе рассматривается проектное конструирование генераторов спостоянными магнитами и пути повышения прочности обойм их роторов.Рассмотрены схемы с радиальными и тангенциальными призматическими магнитами, их преимущества и недостатки (рисунок 4-5).

Генераторы с тангенциальными магнитами обеспечивают более высокие значения магнитной индукции в рабочемзазоре, что позволяет сократить длину генератора при неизменном диаметре ротора,однако имеют более тяжелые ротор и статор по сравнению с радиальными магнитамипри одинаковой мощности. Учитывая увеличение массы ротора за счет необходимости использования ферромагнитных полюсов и увеличение массы ярма якоря в генераторах с тангенциальными магнитами, в диссертации предпочтение отдается генераторам с радиальными магнитами.Рисунок 4 - Схема ротора с радиальнымимагнитами.Рисунок 5 - Схема ротора с тангенциальнымимагнитами.В главе проанализированы преимущества и недостатки основных конструктивных схем крепления магнитов на роторе (рисунок 6-9) с учетом опыта проектирования генератора ГТ-90 и двигателя ДСВ-100.Весьма эффективно использование немагнитных, например титановых обойм.

Какпоказывают исследования использование немагнитных обойм, толщина которых реально составляет несколько миллиметров, не сильно влияет на снижение магнитногопотока в рабочем зазоре. Применение биметаллических обойм или обойм из градиентного материала не снижает магнитный поток магнитов, но увеличивает поперечное индуктивное сопротивление и продольную составляющую МДС реакции якоря.12Для снижения потерь в бандажах и нагрева редкоземельных магнитов, допустимыерабочие температуры которых находятся в пределах двухсот градусов, бандажи рационально выполнять шихтованными.Рисунок 6 - Эскиз магнитной системы ротора радиальной намагниченности со слоистой магнитнонемагнитной обоймой: 1 – фланец, 2 – постоянныймагнит, 3 – полюсный наконечник, 4 – немагнитнаякольцевая пластина (силовой элемент), 5 – ярмо, 6 –вал.Рисунок 7 - Эскиз магнитной системы ротора радиальной намагниченности с градиентным материалом: 1- вал, 2 – постоянный магнит, 3 – обойма.Рисунок 8 - Эскиз магнитной системы ротора снемагнитной массивной обоймой: 1- вал (ярмо), 2 –немагнитная обойма, 3 – постоянный магнит.Рисунок 9 - Эскиз магнитной системы ротора радиальной намагниченности с биметаллической обоймой: 1 – вал (ярмо), 2 – постоянный магнит, 3 –биметаллическая обойма.Дан механический и электромагнитный анализ удерживающих обойм роторовс постоянными магнитами.

Результаты анализа представлены в таблице 1. Из результатов анализа видно, что наибольшие радиальные перемещения имеет немагнитнаяобойма из титана. Это необходимо учитывать при выборе величины рабочего зазора.Исследовано также использование обойм, представляющих собой два концентричных кольца, между которыми устанавливаются магниты и перемычки колец, так13как при этом в работе задействуется сечение обоих колец. Недостатком рассматриваемой формы обоймы является концентрация механических напряжений в месте соединения перемычек с кольцами.

Разработан способ уменьшения концентрации механических напряжений в обойме ротора (патент № 2516440). Результаты исследования обоймы представлены на рисунке 10.Таблица 1.ТипобоймыротораТолщинаобоймы,ммМеханические напряжения, МПаПеремещения,ммслоистаяструктура7,010000,42немагнитная обойма3,110000,7градиентный материал5,38000,1514Частотавращения,об/минУдельный магнитный поток врабочем зазоре,Вб/м0,01620 0000,0140,017а) концентричная форма обоймыб) эксцентричная форма обоймыРисунок 10 – Способ уменьшения концентрации механических напряжений.Эффективность предлагаемого способа подтверждена физическим экспериментом.

Проведена проверка механической прочности ротора электродвигателя, силовой бандаж которого был спроектирован с использованием предлагаемого способауменьшения концентрации механических напряжений. Данный двигатель являетсяразработкой «АКБ «Якорь». Прочность ротора (рисунок 11) рассматриваемого двигателя проверялась на стенде испытательной лаборатории «АКБ «Якорь» (рисунок12), путем его вращения со скоростью на 20% больше рабочей.Рисунок 11 - Ротор синхронного электродвигателя.Рисунок 12 - Испытательный стенд для проверкимеханической прочности ротора.Проведенные исследования позволяют обоснованно выбрать наилучшую конструктивную схему крепления магнитов.В третьей главе проведено исследование прочности роторов генераторов спостоянными магнитами.На основе традиционных методов расчета и конечно-элементного анализа былразработан алгоритм автоматизированного расчета прогиба и критических частотвращения роторов электрических машин с постоянными магнитами.