Диссертация (Автоматизированное конструирование авиационных генераторов с постоянными магнитами), страница 7

Данный результатсвидетельствует об отсутствии остаточных деформаций обоймы ротора, чтоподтверждает достоверность численного эксперимента ипредлагаемого способа.эффективность65Выводы по главе-Особенности конструкций генераторов с возбуждением от постоянныхмагнитов обусловлены конструкциями роторов, а их статоры не отличаются от статоров классических синхронных генераторов с электромагнитным возбуждением.-Расчетное проектирование генераторов с постоянными магнитами, каки классических синхронных базируется на электромагнитном расчете, атепловой и механический расчеты определяют функциональные ограничения.-На основе проведенных исследований уточнена методика конструирования авиационных генераторов с высокоэнергетическими постояннымимагнитами.-Показаны преимущества и недостатки основных конструктивных схемроторов с постоянными магнитами.-Предложен один из возможных способов уменьшения концентрации механических напряжений в обойме ротора.66ГЛАВА 3. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА КРИТИЧЕСКИХ ЧАСТОТ ВРАЩЕНИЯ РОТОРОВ АВИАЦИОННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН СПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ.На основе объединения традиционных методов расчета с методом конечно-элементного анализа был разработан алгоритм автоматизированногорасчета критических частот вращения роторов электрических машин с постоянными магнитами (рисунок 3.1).Исходными данными для выполнения расчета критических частот вращения ротора являются:-геометрия электрической машины;-используемые материалы и их свойства;-тип используемых подшипниковых опор;-характер посадки сопрягаемых деталей.Основные факторы, оказывающие влияние на величину критической ча-стоты вращения ротора:-расстояние между опорами;-вес ротора;-податливость опоры;-сила магнитного притяжения;-гироскопический момент;-различная жесткость ротора в главных плоскостях изгиба.67Рисунок 3.1 - Алгоритм расчета критических частот вращения роторов электрических машин с постоянными магнитами.На основе исходных данных проводится расчет.

Алгоритм расчета содержитряд блоков:683.1. Блок расчета размерной цепи электрической машины.Расчет размерной цепи позволяет определить наихудшее возможное сочетание размеров деталей и узлов электрической машины. Стартовой точкойдля выполнения расчета силы магнитного притяжения является расчет размерной цепи. Расчет размерной цепи для электрических машин с радиальными постоянными магнитами отличается от расчета для машин с тангенциальными магнитами, что связано с конструктивными особенностями их роторов.На рисунке 3.2 представлена схема расчета размерной цепи машины с постоянными магнитами для определения максимально возможной величины эксцентриситета ротора и статора и минимально возможной величины немагнитного зазора.

Конечной точкой данного расчета является величина минимально возможного немагнитного зазора между ротором и статором и максимально возможного эксцентриситета.Рисунок 3.2 - Схема размерной цепи для машины с постоянными магнитами.Δ1 – максимальный зазор в месте посадки подшипника, Δ2 – максимальный радиальныйзазор в подшипнике, Δ3 – максимальный зазор в месте посадки подшипника в щит, Δ4 –максимальный зазор в месте посадки щита в корпус, Δ5 – максимальный зазор в месте посадки магнита в обойму, a – радиальное биение посадочного бурта щита относительногнезда под подшипник, b – радиальное биение посадочного места под щит относительнорасточки статора, n – радиальное биение шейки вала под подшипник относительнонаружного диаметра пакета ротора.69Максимально возможная величина эксцентриситета е ротора и статора электрической машины с постоянными магнитами может быть вычислена как:e  1 2a  b  n  1  2  3  4 .(3.1)Если в машинах с электромагнитным возбуждением величина немагнитногозазора равна воздушному, то в машинах с магнитоэлектрическим возбуждением эти величины разные.Для машин с тангенциальными постоянными магнитами величина минимально возможного немагнитного зазора может быть вычислена как: min    e .(3.2)где  - номинальная величина воздушного зазора.В машинах с радиальными постоянными магнитами для удержаниямагнитов на роторе используются силовые бандажи, как правило, из немагнитного материала.

При расчете величины минимально возможного немагнитного зазора в машинах с таким ротором необходимо учитывать толщинунемагнитного силового бандажа. Для таких машин величина минимальновозможного немагнитного зазора может быть вычислена как: min     БАН  e  5 .(3.3)где  БАН - толщина немагнитного силового бандажа.Полученная величина минимального немагнитного зазора используетсяпри создании конечно-элементной модели в блоке расчета силы одностороннего магнитного притяжения [16, 48, 97], а величина максимально возможного эксцентриситета используется для аналитического определения силы одностороннего магнитного притяжения.703.2. Блок расчета силы одностороннего магнитного притяжения.При конструировании электрических машин с постоянными магнитаминеобходим учет силы одностороннего магнитного притяжения, увеличивающей прогиб вала и снижающей критическую частоту вращения ротора.

Указанная сила обусловлена, главным образом, наличием эксцентриситета между осями ротора и статора. При сборке электрических машин с постояннымимагнитами данная сила создает технологические трудности при установкеротора в статор, которые решаются путем использования специальных технологий. Сила одностороннего магнитного притяжения зависит не только отвеличины эксцентриситета, но и от числа полюсов. С увеличением числа полюсов магнитное притяжение возрастает это связано с увеличением магнитной индукции из-за уменьшения расчетного коэффициента полюсного перекрытия.Аналитически сила одностороннего магнитного притяжения можетбыть определена по методике [1].

В данной методике используются следующие допущения: внутренний диаметр статора и наружный диаметр ротораприняты идеально цилиндрическими. Рассмотрим схему, представленную нарисунке 3.3. Наличие эксцентриситета приводит к уменьшению величинырабочего зазора под одним полюсом и его увеличению под диаметральнопротивоположным, что влечет за собой увеличение магнитной индукции подполюсом с меньшим рабочим зазором и как следствие возникает сила притяжения к этому полюсу.

Соответственно направление силы одностороннегомагнитного притяжения определяется направлением возникающего экцентриситета.71Рисунок 3.3 - Силы одностороннего магнитного притяжения при 2р=6.Начальная величина силы одностороннего магнитного притяжения Роможет быть определена как [1]:P0  3  Da l ae0 K 0 e0(3.4)Начальное значение силы одностороннего магнитного притяжения, отнесенное к 1 см величины начального эксцентриситета:K0  3 Da la(3.5)где  - односторонний зазор машины в см; Da и la - диаметр и активнаядлина сердечника машины в см.Под действием силы одностороннего магнитного притяжения вал машины прогибается, вызывая одновременно с увеличением прогиба и увеличениедействующей силы.

По мере увеличения прогиба вала возникает сила упругого сопротивления.Конечная величина силы одностороннего магнитного притяжения равна:Pм. уст. KK 0e0K  K0(3.6)72гдеK- жесткость вала, в кг/см.Для расчета начальной силы одностороннего магнитного притяжения вэлектрических машинах с постоянными магнитами автором предлагаетсяаналитическая методика, учитывающая изменение индукции в рабочем зазоре при эксцентриситете с учетом потоков рассеяния.Предлагаемая методика состоит в следующем:- определяется средняя величина немагнитного зазора под каждым полюсом;- используя выражение для активной зоны с радиальными редкоземельными постоянными магнитами, определяется величина магнитной индукциипод каждым полюсом по среднему немагнитному зазору; n sinhhм4 Br N   1n  n  n B x  sin x    sin 2     sin 2   n n1,3  n   sinh  hм    (3.7)- строится график распределения нормальной составляющей магнитнойиндукции под полюсами (рисунок 3.4);- определяется удельная сила;B  F    2  02(3.8)где   B    B      2   (3.9)73Рисунок 3.4-Нормальная составляющая магнитной индукции под полюсом.- строится график изменения магнитной индукции при изменении=x/(p);Рисунок 3.5 - Изменение магнитной индукции в зависимости от угла.- определяется составляющая удельной силы по направлению эксцентриситета74Fx    F ( )  cos( )(3.10)- определяется сила одностороннего магнитного притяжения по направлению эксцентриситета, кг2Fx l R   Fx ( )0(3.11)10где R – радиус расточки якоря.- строится график изменения силы магнитного притяжения по расточкеякоряРисунок 3.6 – График изменения силы магнитного притяжения по расточке якоря.Для проверки корректности предлагаемой методики выполнен расчетсилы одностороннего магнитного притяжения методом конечно-элементногоанализа.

Расчет выполнен для электрических машин с числом полюсов 4, 6,12. Результаты расчета представлены в таблице 3.1.75Число полюсовМКЭ8,1018,41методметодМКЭ12предлагаемый6предлагаемыйметодпредлагаемый4[1]cуществующий методТаблица 3.1МКЭсила одностороннего магнитного притяже-12,19977,629,354 8,896ния, кгРезультаты таблицы 3.1подтверждают корректность предлагаемого способа и необходимость учета числа полюсов при расчете силы одностороннего магнитного притяжения.На рисунках 3.7-3.9 представлены картины распределения магнитнойиндукции в активной зоне машины с числом полюсов 4, 6, 12.Рисунок 3.7 - Картина распределения магнитной индукции в активной зоне машины с2р=4.76Рисунок 3.8 -Картина распределения магнитной индукции в активной зоне машины с2р=6.Рисунок 3.9 - Картина распределения магнитной индукции в активной зоне машины с2р=12.77Расчет установившейся величины силы одностороннего магнитногопритяжения при использовании метода конечных элементов выполняется поалгоритму, представленному на рисунке 3.10.