Диссертация (Автоматизированное конструирование авиационных генераторов с постоянными магнитами), страница 3

Высокооборотные авиационные генераторы с электромагнитным возбуждением имеют ограничение предельной мощности без снижения частотывращения. Для СЭС переменного тока плавающей частоты подобные генераторы разработаны на мощность 250 кВА с удельной массой 0.38 кг/ кВА. Насамолете B787 на каждом авиадвигателе установлено по два таких генератора.

Использование одного генератора мощностью 500 кВА того же диаметра,но вдвое большей длины позволяет существенно снизить удельную массу.Однако разработка подобного генератора с максимально допустимой частотой вращения связана с трудностями обеспечения его критической частотыпри вдвое удлиненном вале. Это обусловлено тем, что при ограниченномдиаметре ротора обмотка возбуждения занимает много места, не оставляя необходимого места для вала с диаметром, обеспечивающим необходимуюкритическую частоту. При небольшом количестве полюсов 2p=4 возможноиспользование ротора с неявновыраженной системой полюсов и выполнениеего массивным.

На рисунке 1.6 представлен неявнополюсный ротор с количеством полюсов 2p=4.17Рисунок 1.6 - Неявнополюсный ротор с количеством полюсов 2р=4.а) эскиз активной зоны ротора неявнополюсной конструкцииб) эскиз активной зоны ротора явнополюсной конструкции18в) неявнополюсная конструкцияг) явнополюсная конструкцияРисунок 1.7 - Результаты прочностного расчета ротора с электромагнитным возбуждением.На рисунке 1.7 представлены результаты сопоставительного анализапрочности роторов с электромагнитным возбуждением. Из рисунка 1.7 видно, что неявнополюсная конструкция ротора обладает большей прочностью,чем явнополюсная.

Конструкция явнополюсного ротора представлена на рисунке 1.8.Рисунок 1.8 - Явнополюсный ротор с количеством полюсов 2р=4.Использование генератора с неявновыраженной конструкцией роторарационально в СЭС переменного тока с плавающей частотой при 2р=4, но не19рационально в СЭС постоянного тока, где генераторы выполняются многополюсными для обеспечения необходимого качества напряжения. Снижениечастоты вращения генератора позволяет поднять диаметр ротора и соответственно диаметр вала и критическую частоту, но это приводит к увеличениюудельной массы генератора.

При работе генератора в системе с электронными преобразователями частоты рационально поднимать частоту, котораяпропорциональна числу полюсов и числу фаз обмотки якоря генератора. Приповышенных частотах вращения увеличение количества полюсов с обмотками возбуждения в генераторах с электромагнитным возбуждением становится затруднительно. Для увеличения места под обмотку возбуждения приходится увеличивать высоту полюсов, что приводит к уменьшению места длявала и к понижению критической частоты генератора и его предельной мощности.

В подобной ситуации рационально выполнять генератор, при максимально возможном числе полюсов, с увеличенным числом фаз, но это приводит к увеличению выпрямителей и массы системы генерирования.Недостатками генераторов с электромагнитным возбуждением являются трудность выполнения большого количества полюсов, ограниченная предельная мощность по критической частоте при повышенных частотах вращения и сложность реализации стартерного режима работы. Кроме того подобные генераторы имеют достаточно сложную конструкцию, состоящую изтрех машин - основного генератора, возбудителя и подвозбудителя.Альтернативными генераторам с электромагнитным возбуждением являются генераторы с возбуждением от высокоэнергетических постоянныхмагнитов.Преимущества генераторов с постоянными магнитами, в сравнении с генераторами с электромагнитным возбуждением, состоят в том, что:- имеют более простую конструкцию ротора,- могут выполняться с большим количеством полюсов,- обладают более высокой механической прочностью,20- не требуют затрат мощности на возбуждение и имеют более простуюсистему охлаждения ротора из-за небольших потерь,- для размещения магнитов требуют в несколько раз меньше места, чемдля размещения ферромагнитных полюсов с обмотками возбуждения,- имеют низкие индуктивные сопротивления и соответственно более высокую перегрузочную способность,- наличие стартерного режима.Недостатки этих генераторов состоят:- в трудности изменения магнитного потока и регулирования напряжения генератора,- в трудности развозбуждения при внутренних коротких замыканиях, повышенных потерях в стали при максимальных оборотах,- в невысоких рабочих температурах магнитов [80, 84, 87].На рисунке 1.9 представлена конструкция ротора с постоянными магнитами.Рисунок 1.9 - Ротор генератора с постоянными магнитами.21Из сопоставления поперечных разрезов активных зон генераторов сэлектромагнитным возбуждением и с постоянными магнитами видно, чтопространство для размещения вала в генераторе с постоянными магнитамисущественно больше.

Это позволяет поднять диаметр вала для обеспеченияувеличения мощности при предельно допустимом по прочности диаметре засчет увеличения длины машины. В генераторе ГТ-90 мощностью 90 кВА придиаметре якоря 195 мм высота магнитов составляет 12мм и с учетом толщины обоймы равной 2.5 мм и ярма ротора под магнитами – 24 мм, внутреннийдиаметр ярма индуктора составляет более 100 мм, который определяет максимальный возможный диаметр вала. При использовании магнитного валамагниты можно размещать на валу без ярма.

Генератор ГТ-90 выполнен сотносительной длиной l/D меньше единицы. При диаметре вала в 100 мм относительная длина генератора может быть выполнена в несколько раз больше, а его мощность увеличена до нескольких сотен и более кВА.Таким образом, для авиационных генераторов повышенной мощности науровне нескольких сотен и более кВА возможно и рационально использование системы возбуждения на основе постоянных магнитов, позволяющейобеспечить повышенную критическую частоту и соответственно повышениемаксимальной частоты вращения генератора.221.3.

Этапы проектирования авиационных генераторов.Последовательность проектирования авиационных синхронных генераторов может быть представлена схемой, приведенной на рисунке 1.10.Номинальные данные определяют уровень номинальной мощности,напряжение, характер нагрузки, число фаз и другие данные, входящие вГОСТ на авиационные синхронные генераторы. Номинальные данные связаны с системой электроснабжения, для которой предназначается разрабатываемый генератор. Система генерирования является частью системы электроснабжения, которая включает в себя генератор, электронные преобразователи, регулятор напряжения и механический привод.

Размещение генератораможет быть как вне, так и внутри авиадвигателя или в составе ВСУ. Системаохлаждения двигателя с использованием встречного потока воздуха, маслаили водяной смеси существенно определяют конструкцию генератора.Среди наиболее перспективных типов синхронных генераторов необходимо рассмотреть и выбрать наиболее рациональный по принятым критериям.

Наиболее важными являются масса, КПД, ресурс, при соблюдении ограничений по мощности и нагреву.23Рисунок 1.10 – Схема расчета авиационного синхронного генератора.Наиболее эффективными являются классические синхронные генераторы с электромагнитным возбуждением с подвозбудителем и возбудителем,24обеспечивающими их бесконтактность. Все другие типы синхронных машинрационально сравнивать с этими генераторами [6, 8, 10, 17, 50, 74]. В частности при относительно небольшой мощности до 10-15 кВА конструкция этихгенераторов весьма сложна. При мощности более нескольких сотен кВА затруднительно выполнение классических синхронных генераторов при частоте вращения выше 16 000…20 000 об/мин., так как из-за большого объема системы электромагнитного возбуждения, они не проходят по критической частоте вращения даже при использовании неявнополюсной конструкции ротора.

Кроме того неявнополюсные генераторы допускают небольшое количество полюсов, порядка 4-6. В то время как для систем электроснабжения постоянного тока для снижения массы фильтров рационально количество полюсов порядка 8-12.Для генераторов мощностью в сотни и более кВА рациональны генераторы с постоянными магнитами, которые из-за относительно небольших размеров магнитов, по сравнению с ферромагнитными полюсами с обмотками,могут выполняться с существенно большим диаметром вала, обеспечивающим более высокое значение критической частоты.

Генераторы с постоянными магнитами широко используются в авиации, как в виде отдельнойэлектрической машины, так и в сочетании с другими видами электрическихмашин. На рисунке 1.11 представлен машинный преобразователь, в которомгенератор с постоянными магнитами размещен на одном валу с двигателемпостоянного тока для преобразования постоянного тока в переменный.25Рисунок 1.11 - Машинный преобразователь.На рисунке 1.12 представлен генератор с комбинированной системойвозбуждения, в котором генератор с постоянными магнитами служит для питания потребителей однофазным и трехфазным переменным током.Рисунок 1.12 – Генератор с комбинированной системой возбуждения.26На рисунке 1.13 представлен внешний вид генератора с постояннымимагнитами, который служит для питания потребителей переменным трехфазным током.Рисунок 1.13 – Внешний вид генератора ГТ-90 разработки «АКБ «Якорь»В системах генерирования повышенной частоты выше 2 кГц рационально использование индукторных генераторов.В системах электроснабжения небольшой мощности до 30 кВА рационально применение генераторов с комбинированным возбуждением, представляющих собой объединение генератора с постоянными магнитами и одного из типов бесконтактных генераторов – индукторного или с внутризамкнутым магнитопроводом.В диссертации в качестве альтернативы синхронному генератору с электромагнитным возбуждением рассматривается генератор с постояннымимагнитами.