Диссертация (Автоматизированное конструирование авиационных генераторов с постоянными магнитами)

2СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 4ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИПЕРСПЕКТИВНЫХ СИСТЕМ ГЕНЕРИРОВАНИЯ. ....................................... 111.1. Основные системы электроснабжения повышенной мощности иобоснование использования в них генераторов с возбуждением отпостоянных магнитов. .......................................................................................

111.2. Преимущества и недостатки авиационных генераторов сэлектромагнитным возбуждением и с постоянными магнитами.................. 161.3. Этапы проектирования авиационных генераторов. ................................ 22Выводы по главе................................................................................................. 28ГЛАВА 2. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И ПРОЕКТИРОВАНИЯАВИАЦИОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С ВОЗБУЖДЕНИЕМ ОТПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ. ............................................................................ 292.1. Особенности проектирования генераторов с постоянными магнитами...............................................................................................................................

292.2. Конструктивные схемы роторов с редкоземельными ............................. 44магнитами. .......................................................................................................... 442.3. Механический и электромагнитный анализ удерживающих обоймроторов с постоянными магнитами..................................................................

542.4. Исследование концентраторов механических напряжений в ................ 60обойме ротора. .................................................................................................... 60Выводы по главе.................................................................................................

65ГЛАВА 3. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА КРИТИЧЕСКИХ ЧАСТОТ ВРАЩЕНИЯРОТОРОВ АВИАЦИОННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН СПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ. .................................................................... 663.1. Блок расчета размерной цепи электрической машины. .......................... 683.2. Блок расчета силы одностороннего магнитного притяжения. ............... 703.3. Определение силы от остаточной неуравновешенности ........................

783ротора. ................................................................................................................. 783.4. Расчет жесткости опор................................................................................ 813.5. Расчет критической частоты вращения ротора........................................ 85Выводы по главе................................................................................................. 94ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНС ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ..................................................................

954.1. Обзор существующих систем охлаждения. ............................................. 954.2. Охлаждение статоров электрических машин с постоянными магнитами............................................................................................................................... 974.3. Анализ теплового состояния роторов электрических машин спостоянными магнитами.

................................................................................ 100Выводы по главе............................................................................................... 109ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................... 110СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ...................... 111СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................... 118ПРИЛОЖЕНИЕ ................................................................................................... 1294ВВЕДЕНИЕАктуальность 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. Подобные генераторы 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 частоты вращения позволяет снизить массу генератора, но приводит к снижению допустимого попрочности 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 короткогозамыкания и достаточно простая реализация стартерного режима позволяютрассматривать генераторы с постоянными магнитами как альтернативу генераторам с электромагнитным возбуждением при повышенной мощности. Недостатки генераторов с постоянными магнитами состоят в трудности регулирования выходного напряжения, повышенных потерях 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 в системах электроснабжения постоянного тока, в которых генераторы с электромагнитным возбуждением также работают в составе с электронными преобразователями и фильтрами.

При этом для снижения массы фильтров рационально повышение числа полюсов, что существенно проще реали-5зовать в генераторах с постоянными магнитами. Разработка генераторов повышенной мощности близкой к предельной требует поиска конструктивныхрешений, обеспечивающих максимально возможный диаметр и длину роторапри допустимых механических напряжениях и температурах.В нашей организации «АКБ «Якорь» (с 2015г. “Технодинамика”) на основе высокоэнергетических постоянных магнитах разработаны авиационныйгенератор ГТ-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 болеекВА.Проблемам конструирования авиационных генераторов с электромагнитным возбуждением посвящено значительное количество работ (КлочковО.Г., Науменко В.И., Поспелов Л.И. и др.). Конструированию генераторов спостоянными магнитами не уделялось достаточного внимания. Автоматизация конструирования на основе компьютерных технологий генераторов с постоянными магнитами повышает эффективность их проектирования и является актуальной задачей.Цель работы.Целью работы является повышение эффективности проектированияавиационных генераторов с постоянными магнитами на основе компьютерных технологий автоматизированного конструирования и обоснование целесообразности применения данных генераторов в авиационных системах электроснабжения постоянного тока повышенного напряжения.Задачи.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 ро-6торов с радиальными и тангенциальными магнитами в системах электроснабжения переменного и постоянного тока;- разработать технологию конечно-элементного анализа конструкцийбандажей крепления магнитов, обеспечивающих прочность роторов генераторов повышенной мощности близкой к предельной;- провести сопоставительный компьютерный анализ тепловых потерь вэлементах конструкций крепления магнитов, обусловленных зубчатостьюстатора для массивных и шихтованных магнитных и немагнитных бандажей,для обеспечения необходимых температурных условий работы редкоземельных магнитов;- разработать технологию конечно-элементного анализа притяжениямагнитов с учетом размерных цепей и уточнить аналитическую методикурасчета сил притяжения многополюсных генераторов;- на базе современных компьютерных технологий уточнить приближенную традиционную методику проектирования валов сложной конфигурациии 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 за счет использования интенсивной системы охлаждения;- на основе проведенных исследований уточнить традиционную методику конструирования авиационных генераторов с высокоэнергетическими постоянными магнитами.Методы исследования.В основе исследования лежит расчётный сопоставительный анализ основных конструктивных схем генераторов с возбуждением от высокоэнергетических постоянных магнитов в системах с электронными преобразователями, на базе традиционных методов цепей с сосредоточенными параметрами и компьютерных технологий исследования электрических, магнитных,механических и тепловых процессов на основе моделей с распределенными7параметрами.

Исходным для исследований является электромагнитный расчет генератора, а тепловой и механический расчеты выступают в качествефункциональных ограничений при обосновании наиболее рациональноготехнического решения.Объекты исследования.Объектами исследования являются авиационные синхронные генераторы системы электроснабжения повышенной мощности с возбуждением отвысокоэнергетических постоянных магнитов с непосредственным приводомот авиадвигателя в системе с электронными преобразователями, как альтернативные традиционным генераторам с электромагнитным возбуждением ссинхронными возбудителем и подвозбудителем.Научная новизна.Научная новизна исследований состоит в том, что:- обоснована целесообразность использования генераторов с высокоэнергетическими постоянными магнитами в системах электроснабжения постоянного тока повышенной мощности на уровне сотен и более кВА, как альтернативных генераторам с электромагнитным возбуждением;- на основе разработанной технологии конечно-элементного анализаопределены области рационального использования многополюсных роторовс радиальными и тангенциальными магнитами, различных конструкций ихбандажей и предложен способ снижения концентрации механических напряжений в немагнитном бандаже, обеспечивающий повышенную прочность ротора;- на базе численного анализа потерь в массивных и шихтованных магнитных и немагнитных обоймах роторов с постоянными магнитами, обусловленных зубчатостью статора, предложен способ расчета нагрева редкоземельных магнитов;- на основе аналитического представления магнитного поля возбужденияпостоянных магнитов разработана методика расчета сил притяжения много-8полюсных генераторов с постоянными магнитами, подтвержденная результатами конечно-элементного анализа;- на базе современных компьютерных технологий уточнена приближенная традиционная методика проектирования валов сложной конфигурации иповышенной относительной длины с учетом технологического эксцентриситета ротора и притяжения магнитов, обеспечивающая разработку валов необходимой прочности на изгиб и критической частоты вращения;- на основе проведенных исследований уточнена традиционная методикаконструирования авиационных генераторов с высокоэнергетическими постоянными магнитами.Практическая ценность.Представлена возможность оценки эффективности бандажей с биметаллической и шихтованной обоймой по обеспечению температурных условийработы редкоземельных постоянных магнитов.Алгоритм уточненного расчета критической частоты вала сложной геометрии с учетом магнитного притяжения позволяет обосновать создание генераторов с постоянными магнитами повышенной мощности.Уточненный расчет магнитного притяжения с учетом размерной цепи иреальной геометрии вала дает возможность обосновать принятую конструкцию ротора.Предложенный способ снижения концентрации механических напряжений в немагнитной обойме ротора позволяет повысить частоту вращения имаксимальную мощность генератора.Усовершенствованная конструктивная схема канального жидкостногоохлаждения статора обеспечивает повышение допустимой плотности тока вобмотке статора.Использование результатов полученных в диссертации и опыта разработок машин ГТ-90 и ДСВ-100 дает возможность создания генераторов с постоянными магнитами мощностью несколько сотен кВА и выше, альтернативных генераторам с электромагнитным возбуждением.9Реализация результатов.Предложенные рекомендации по выбору наиболее рациональной конструктивной схемы ротора, с учетом теплового состояния редкоземельныхмагнитов, уточнение расчета критической частоты и магнитного притяженияна основе анализа размерной цепи и реальной геометрии вала, а также рекомендации по повышению прочности и охлаждению генератора, реализованыв предложенной уточненной методике конструирования генераторов с постоянными магнитами, позволяющей более обоснованно разрабатывать перспективные генераторы с возбуждением от высокоэнергетических постоянных магнитов, альтернативные генераторам с электромагнитным возбуждением.Достоверность полученных результатов.Достоверность полученных результатов диссертационной работы определяется корректностью использования методов теории цепей и положенийтеории поля, апробированных традиционных методов электромагнитного,теплового и механического расчетов, а также их уточнения на основе использования компьютерных технологий исследования.Апробация работы.Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:1.