Диссертация (Автоматизированное конструирование авиационных генераторов с постоянными магнитами), страница 9

Средиэтих факторов можно выделить сложную геометрию вала и конструктивныхэлементов, расположенных на нем, механические напряжения, определяемыехарактером сопряжения деталей на валу, податливость опор, несимметриямомента инерции вала, влияние гироскопического момента.Для сравнения традиционных методов расчета [1, 85] с методом конечных элементов (МКЭ) выполнен расчет критической частоты ротора магнитоэлектрического генератора, рабочая частота вращения которого 8400об/мин. Результаты расчетов представлены в таблице 3.3.93Таблица 3.3Критическаячастота вращения,об/минРасчет пометодике[1], об/мин.Расчет пометодике[85],об/мин.об/мин.Экспериментальноеисследование,об/мин.38510418402800030240РасчетМКЭ,Из таблицы 3.3 видно, что компьютерные технологии на основе методаконечных элементов (МКЭ) за счет использования более совершенных математических моделей позволяют существенно повысить точность расчетовкритических частот.94Выводы по главе-Разработана технология конечно-элементного анализа притяжения магнитов с учетом размерных цепей и уточнена аналитическая методика расчета сил притяжения многополюсных генераторов.-На базе современных компьютерных технологий уточнена приближеннаятрадиционная методика проектирования валов сложной конфигурации иповышенной относительной длины, с учетом технологического эксцентриситета ротора и притяжения магнитов, для обеспечения его прочностина изгиб и необходимой критической частоты.-Представлено сравнение традиционных методов расчета критической частоты валов с методом конечных элементов.95ГЛАВА 4.

ОСОБЕННОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ.4.1. Обзор существующих систем охлаждения.Как отмечалось в предыдущей главе, при проектировании электрическоймашины тепловой расчет является функциональным ограничением, которыйпоказывает эффективность выбранной системы охлаждения и подтверждаетвозможность использования выбранных электромагнитных нагрузок. Система охлаждения проектируется как часть конструкции электрической машины, в которой конструктивные детали могут являться и деталями системыохлаждения.

Это связано с необходимостью подачи хладагента не просто вмашину, а к тепловыделяющим элементам машины.Существуют следующие системы охлаждения [71, 85]:-системы воздушного охлаждения, являются наиболее надежными, простыми и удобными. В качестве хладагента используется воздух.-естественное охлаждение, широко используется в машинах с кратковременным или повторно-кратковременным режимами работы;-самовентиляция, используется в машинах с длительным режимомработы, подача воздуха осуществляется вентилятором;-продув, охлаждение обеспечивается возникающим скоростнымнапором воздуха при полете, данное охлаждение имеет ограниченияпо высоте и скорости полета, среди систем воздушного охлажденияявляется самым эффективным;-системы жидкостного охлаждения, по интенсивности значительно превосходят продув, обеспечивают работоспособность машины в тяжелыхусловиях и снижают ее массу.

В качестве хладагента используется топливо, масло и спирто-водяные смеси.-испарительное, является самым эффективным охлаждением, в качестве хладагента широко используется спирто-водяная смесь, недо-96статком данного охлаждения является необходимость запаса большого объема жидкости;-циркуляционное, в качестве хладагента используется масло;-распылительное, в качестве хладагента используется масло;-погружение в жидкость, в качестве хладагента используется топливо, недостатком данного охлаждения является необходимость наличия больших емкостей.974.2.

Охлаждение статоров электрических машин с постояннымимагнитами.В электрических машинах с постоянными магнитами основными источниками тепловых потерь являются рабочая обмотка и сталь пакета якоря.В машинах с электромагнитным возбуждением к этим элементам добавляется еще обмотка возбуждения, располагаемая на роторе. В подобных машинахчасто для охлаждения обмоток ротора вал выполняют полым, через которыйхладагент подается на обмотки ротора, тем самым охлаждая их.

Одной изособенностей авиационных электрических машин с постоянными магнитамиявляется отсутствие обмоток на роторе, что упрощает их конструкцию и разработку системы охлаждения.Как отмечалось выше, статор электрической машины с магнитоэлектрическим возбуждением не отличается от статора электрической машины сэлектромагнитным возбуждением.

Следовательно, существующие системыохлаждения статоров машин с электромагнитным возбуждением можно использовать для охлаждения машин с постоянными магнитами. В работе [1]рассматривается система жидкостного охлаждения, в которой статор выполняется с аксиальными каналами различной формы. При использовании такойсистемы охлаждения хладагент заполняет всю полость машины, что увеличивает необходимый объем хладагента, создает дополнительные гидравлические сопротивления и требует большого напора хладагента.

В работе [71]рассматривается система охлаждения, в которой лобовые части обмотки статора закрыты герметизирующими полостями, а корпус машины имеет аксиальные каналы для прохождения хладагента, данная система представлена нарисунке 4.1.98Рисунок 4.1 - Конструктивная схема синхронной машины с жидкостным полостнымохлаждением: 1 - междуполюсный канал, 2 - аксиальный канал, 3 - обмотка возбуждения,4 -цапфа, 5 - торцевая полость, 6 - бочка ротора, 7 - кольцевая полость, 8 - вытеснитель, 9 обмотка якоря.В такой системе хладагент контактирует с лобовыми частями обмоткистатора и наружной поверхностью статора. При такой системе охлаждениятепловые потери от рабочей обмотки, которая является одним из основныхисточников тепловыделения, отводятся через пакет железа статора к егонаружной поверхности, совершая длинный путь, что является недостаткомданной системы охлаждения.Указанный недостаток устраняется в предлагаемой системе охлаждения,которая разработана при участии автора [76].

Рассматриваемая система представляет собой статор с аксиальными каналами, формирователь потока хладагента и герметизирующие полости, в которых размещаются лобовые частиобмотки статора. Центры аксиальных каналов располагаются на оси зубца уего основания. Размеры и расположение аксиальных каналов выбрано с учетом электромагнитных процессов в электрической машине. Форма и размерыформирователя потока были спроектированы из условия обеспечения равномерной скорости потока хладагента по всей длине гидравлического тракта сиспользованием конечно-элементного анализа.

На рисунке 4.2 представленаконфигурация предлагаемой системы охлаждения.99Рисунок 4.2 - Конструктивная схема статора синхронной машины с канальной системойохлаждения: 1 – корпус, 2 – магнитопровод, 3 – обмотка, 4 - формирователь потока.Формирователь потока изготовлен из токонепроводящего материала.Это связано с тем, что использование магнитных материалов приводит к увеличению коэффициента магнитного рассеяния лобовых частей обмоток, а токопроводящего - к увеличению потерь на вихревые токи в формирователе.1004.3.

Анализ теплового состояния роторов электрических машин спостоянными магнитами.В настоящее время в электрических машинах широкое распространениеполучили постоянные магниты на основе редкоземельных сплавов Sm-Co иNd-Fe-B, отличающиеся высокой коэрцитивной силой и отсутствием возможности их размагничивания током короткого замыкания электрическоймашины [88, 94, 95]. Одним из недостатков таких магнитов является их размагничивание при действии тепловых нагрузок, превышающих максимальную рабочую температуру. На рисунках 4.3 – 4.4 представлены измененияхарактеристик постоянных магнитов в зависимости от их температуры. Поэтому при проектировании машин с постоянными магнитами необходимовыполнять анализ теплового состояния ротора.Рисунок 4.3 Изменение характеристик постоянного магнита Nd-Fe-B в зависимости от еготемпературы.101Рисунок 4.4 Изменение характеристик постоянного магнита Sm-Co в зависимости от еготемпературы.Разработана методика расчета нагрева ротора с постоянными магнитами (рисунок 4.5).Рисунок 4.5 – Алгоритм теплового расчета ротора с постоянными магнитами.102Одним из основных источников тепловыделений в роторе с постоянными магнитами являются поверхностные потери в его обойме.

Они вызываются колебаниями магнитного поля в поверхностном слое обоймы из-за наличия пазов на статоре. Эти колебания поля происходят с большой частотойfz zn60(4.1)где – число пазов статора, – частота вращения машины. Возникающиепотери зависят от амплитуды колебаний индукции, которая возрастает суменьшением зазора и увеличением открытия паза. Кроме того, они зависятот толщины листов, из которых собрана обойма, проницаемости материалаобоймы, его удельного сопротивления [89].Расчет теплового состояния ротора представляет собой связанный электромагнитный и тепловой расчет. В электромагнитном анализе вычисляютсяпотери от вихревых токов в обойме ротора и магнитах. Далее эти потери используются в качестве источников тепловыделений в тепловом расчете, задачей которого является определить температуру нагрева постоянных магнитов.

Расчет теплового состояния ротора с использованием конечноэлементного анализа следующий:- создается электрическая машина в программном модуле RMxprt, который входит в программу Ansoft Maxwell;- выбирается тип машины;- задается число полюсов, тип ротора – внешний/внутренний, тип обмотки, генератор/двигатель, частота вращения;- задаются параметры статора;- задаются параметры ротора;- выполняется расчет;- созданная машина импортируется в Maxwell 3D;- проверяются свойства материалов;- будет моделироваться часть машины, задаются граничные условиясимметрии;103- задается электрическая проводимость постоянных магнитов;- задается электрическая проводимость материала обоймы;- задается учет вихревых токов в обойме;104- в свойствах материала статора указывается ось, по направлению которой выполнена шихтовка;- выполняется расчет потерь в обойме;- задается учет вихревых токов в магнитах;- выполняется расчет потерь в магнитах;- сохраняются результаты расчета;105- создается 3D модель ротора в CAD программе: создается часть ротораисходя из условия тепловой симметрии;- для моделирования используется приложение Thermal Analysis программы COSMOSWorks;- задаются граничные условия;- задаются источники тепла;- строится сетка конечных элементов;- выполняется расчет.Для анализа теплового состояния ротора объектом исследования былвыбран синхронный генератор мощность 3 кВА.Номинальные данные синхронного генератора мощность 3 кВА:- число фаз m=3,- частота вращения n=32500 об/мин.,- число полюсов 2р=8,- постоянные магниты КС25ДЦ.На рисунке 4.6 представлен график зависимости потерь в обойме ротораот величины открытия паза статора, построенный для синхронной машинымощность 3 кВА с немагнитной (массивной) обоймой ротора.Рисунок 4.6 - График зависимости потерь в обойме от ширины пазовой щели.106Проведем анализ влияния типа обоймы на величину возникающих в нейпотерь.

При проведении исследования меняется тип обоймы ротора и какследствие - материал обоймы, остальные параметры машины остаются неизменными. При проведении анализа используются стандартные программыконечно-элементного исследования. Для сокращения времени расчета будетмоделироваться часть машины, используя периодические граничные условия. Задача будет решаться в 3d постановке для замыкания вихревых токов.Для анализа будет использована немагнитная шихтованная обойма, немагнитная массивная обойма, биметаллическая обойма и обойма со слоистоймагнитно-немагнитной структурой.