Диссертация (Автоматизированное конструирование авиационных генераторов с постоянными магнитами), страница 6

Механический и электромагнитный анализ удерживающихобойм роторов с постоянными магнитами.Одной из особенностей электрических машин с постоянными магнитамиявляется наличие на роторе обоймы, удерживающей постоянные магниты[19, 56, 57].

На примере ротора радиальной намагниченности проводится исследование удерживающих обойм широко используемых магнитных системпо допустимым значениям механических напряжений и перемещений. Прианализе используется следующий алгоритм: при неизменном наружном диаметре ротора, размерах магнита и постоянной частоте вращения подбираетсяминимально необходимая толщина удерживающей обоймы, каждой рассматриваемой магнитной системы, для обеспечения требуемого запаса прочности.При проведении анализа используются стандартные программы конечно-элементного исследования. Для сокращения времени прочностного расчета будем моделировать часть ротора путем использования граничного условия циклической симметрии [2]. Полагаем, что при работе на обойму роторадействуют собственные центробежные силы, центробежные силы постоянных магнитов и центробежные силы полюсных наконечников, для роторов сослоистой магнитно-немагнитной обоймой.

Поэтому ко всем элементам конечно-элементной модели была приложена центробежная нагрузка, а на поверхностях между деталями ротора установлено контактное взаимодействие.На рисунке 2.20 представлены результаты прочностного расчета роторас немагнитной цилиндрической обоймой. В рассматриваемой конструктивной схеме обойма представляет собой тонкостенный цилиндр, воспринимающий все нагрузки, возникающие при вращении ротора и выполненный изнемагнитного материала, для исключения возможности замыкания магнитного потока ротора через обойму. В связи с этим ее целесообразно выполнятьиз титанового сплава марки ВТ-14, имеющим большой предел текучести ималую магнитную проводимость. При вращении ротора обойма воспринимает максимальные эквивалентные изгибные напряжения на участке междумагнитами, а максимум ее перемещений располагается по оси магнита.55а) эквивалентные механическиенапряжения, Па.б) перемещения в радиальном направлении,мм.Рисунок 2.20 - Результаты численного прочностного расчета немагнитнойцилиндрической обоймы.На рисунке 2.21 представлены результаты прочностного расчета роторасо слоистой магнитно-немагнитной обоймой.

В рассматриваемой конструктивной схеме удерживающая обойма выполнена в виде двух концентричныхколец соединенных между собой перемычками, образуя, таким образом, окнадля установки постоянных магнитов с полюсными наконечниками, которыерасполагаются над магнитами. Такая форма позволяет воспринимать большие нагрузки за счет использования в работе сечения внутреннего кольца ииспользуетсяпреимущественновроторахсослоистоймагнитно-немагнитной структурой обоймы. Как и в предыдущей конструкции, для исключения возможности шунтирования магнитов и обеспечения требуемогозапаса прочности, обойма выполнена из титанового сплава ВТ-14.

В этомслучае на обойму, кроме центробежных сил от магнита и самой обоймы, ещедействует центробежная сила от полюсного наконечника. При этом максимум механических напряжений обоймы наблюдается в месте соединения перемычек с кольцами и представляет собой концентратор напряжений, максимум перемещения обоймы располагается по оси магнитного полюса, но величина перемещения обоймы меньше перемещения полюсного наконечника.56а) эквивалентные механическиенапряжения, Па.б) перемещения в радиальном направлении,мм.Рисунок 2.21 - Результаты численного прочностного расчета обоймы со слоистоймагнитно-немагнитной структурой.На рисунке 2.22 представлены результаты прочностного расчета роторас обоймой из градиентного материала.

Форма рассматриваемой обоймы повторяет форму обоймы предыдущей конструктивной схемы с тем отличием,что геометрия окна под магнит полностью совпадает с геометрией магнита,так как в этой схеме нет необходимости установки над магнитом полюсногонаконечника. В связи с этим на обойму действуют только центробежные силы от магнита и от самой обоймы, поэтому обойма может быть выполнена изградиентного материала, представляющим собой магнитную сталь, обеспечивая необходимый запас прочности за счет использования в работе сечениявнутреннего кольца. Как и в предыдущей схеме максимум механическихнапряжений обоймы наблюдается в месте соединения перемычек с кольцамии представляет собой концентратор напряжений, максимум перемещенияобоймы располагается по оси магнита.57а) эквивалентные механическиенапряжения, Па.б) перемещения в радиальном направлении,мм.Рисунок 2.22 - Результаты численного прочностного расчета обоймы из градиентногоматериала.Величина и характер удерживающей обоймы ротора оказывают существенное влияние на электромагнитные характеристики электрической машины.

Обойма может удовлетворять всем требованиям по прочности, но приэтом уменьшать магнитный поток в рабочем зазоре и, как следствие, мощность машины, так как представляет собой дополнительный немагнитный(паразитный) зазор. Поэтому исследование прочности удерживающих обоймроторов и выбор наиболее оптимальной целесообразно проводить в сочетании с электромагнитным анализом.Для электромагнитного исследования обойм роторов использовался конечно-элементный анализ, позволяющий учитывать нелинейности В-Н характеристик электротехнических сталей. При этом В-Н характеристики постоянных магнитов приняты линейными. В качестве геометрии активной зоны использовались размеры магнитных систем, полученные после выполнения прочностного расчета.

Исследование заключалось в определении удельного магнитного потока в воздушном зазоре, который был вычислен путемчисленного интегрирования нормальной составляющей индукции.На рисунке 2.23 а, б, в, представлены распределения нормальной составляющей магнитной индукции в рабочем зазоре и выделение первой гармонической кривой индукции для рассматриваемых роторов.58а) ротор с немагнитной цилиндрической обоймойб) ротор со слоистой магнитно-немагнитной структурой обоймыв) ротор с обоймой из градиентного материалаРисунок 2.23 - Распределение нормальной составляющей индукции в рабочем зазоре ипервая гармоническая кривой индукции.59В таблице 2.1 представлены результаты проведенных механических и электромагнитных расчетов роторов.градиентныйматериалнемагнитнаяобоймаслоистаяструктураТип обоймы ротораТаблица 2.1.Толщинаобоймы,ммМеханические напряжения, МПаПеремещения,мм7,010000,42Частотавращения,об/минУдельный магнитный поток врабочем зазоре,Вб/м0,01620 0003,110000,70,0145,38000,150,017Из таблицы 2.1 видно, что наибольшие радиальные перемещения имеетнемагнитная обойма из титана.

Это необходимо учитывать при выборе величины рабочего зазора. Одним из преимуществ конечно-элементного анализаявляется наглядность его результатов, которая позволяет исследовать концентраторы механических напряжений при выполнении прочностных расчетов.602.4. Исследование концентраторов механических напряжений вобойме ротора.Для уменьшения величины и устранения концентраторов механическихнапряжений было проведено исследование влияния формы обоймы на характер и величину возникающих механических напряжений.При проведении исследования использовался универсальный программный комплекс конечно-элементного анализа. Для уменьшения времени расчета моделировался сегмент ротора с магнитом путем использования граничного условия циклической симметрии.

Полагаем, что на обойму действуетцентробежная сила самой обоймы и магнита. В связи с этим, ко всем элементам конструкции была приложена нагрузка в виде центробежной силы, между элементами установлено контактное взаимодействие. При исследованииследующие величины были постоянными: наружный диаметр ротора, частотавращения ротора, ширина магнита, высота магнита, толщина обоймы по осимагнита.На рисунке 2.24 представлен эскиз концентричной обоймы. В такойобойме наружный радиус обоймы R1 и радиус R2 наружной цилиндрическойповерхности магнитов имеют общий центр, при этом R1>R2.

На рисунке 2.25представлены результаты численного прочностного расчета концентричнойобоймы. Из рисунка 2.25 видно, что максимум механических напряжений вместе концентрации составляет 695 МПа.61Рисунок 2.24 - Эскиз концентричной обоймы (R1>R2).Рисунок 2.25 - Результат численного прочностного расчета концентричной обоймы.На рисунке 2.26 представлен эскиз эксцентричной обоймы. В рассматриваемой обойме центр радиуса R2 наружной цилиндрической поверхностимагнитов смещен относительно центра наружного радиуса обоймы R1 вдольпродольной оси магнита в сторону наружной поверхности обоймы на величину У, образуя плавное увеличение сечения обоймы над магнитом от продольной оси магнита к его боковым сторонам, при этом R1>>R2.62Рисунок 2.26 - Эскиз эксцентричной обоймы (R1>>R2).На рисунке 2.27 представлены результаты численного прочностного расчетаэксцентричной обоймы.Рисунок 2.27 - Результаты численного прочностного расчета эксцентричной обоймы.Из рисунка 2.27 видно, что максимум механических напряжений в местеконцентрации составляет 433 МПа, при этом толщина обоймы над магнитомсоответствует концентричной обойме.При работе ротора, величина концентраторов механических напряженийменьше, максимальные напряжения приближаются по модулю к средним,63что дает возможность дальнейшего повышения частоты вращения ротора и,как следствие, увеличение мощности при неизменных размерах электрической машины.

Представленный способ уменьшения концентрации напряжений разработан с участием автора [75].Для проверки работоспособности предлагаемого способа уменьшенияконцентрации механических напряжений, был использован ротор синхронного двигателя с редкоземельными постоянными магнитами, который спроектирован с использованием предлагаемого способа. Данный двигатель является разработкой ОАО «АКБ «Якорь». Прочность ротора (рисунок 2.28) рассматриваемого двигателя проверялась на стенде (рисунок 2.29) испытательной лаборатории ОАО «АКБ «Якорь», путем его вращения со скоростью на20% больше рабочей.Рисунок 2.28 - Ротор синхронного двигателя.64Рисунок 2.29 - Испытательный стенд для проверки механической прочности ротора.Перед проведением испытаний был выполнен замер наружного диаметра обоймы ротора. После завершения испытаний путем замера было установлено, что наружный диаметр обоймы ротора не изменился.