Автореферат (Генератор в системе электроснабжения перспективного самолета с повышенным уровнем электрификации)

На правах рукописиКузьмичев Роман ВалерьевичГЕНЕРАТОР В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПЕРСПЕКТИВНОГОСАМОЛЕТА С ПОВЫШЕННЫМ УРОВНЕМ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИСпециальность 05.09.03Электротехнические комплексы и системыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степени кандидата технических наукМОСКВА – 2012ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫАктуальность темы.Мощность авиационных систем электроснабжения (СЭС) постоянно увеличивается, повышается их роль. Это обусловлено тем, что электротехнические устройства выполняют многие функции, которые прежде выполняли гидравлические ипневматические системы, включая запуск авиадвигателей.

Планомерно реализуетсяконцепция создания полностью электрического самолета.На сегодняшний день справедливо утверждать, что дальнейшее развитие авиационных СЭС будет связано с ростом энергопотребления бортового оборудования,обусловленного:возможной реализацией концепции полностью электрического самолета;появлением гиперзвуковых и воздушно-космических ЛА с энергоемким оборудованием;разработкой новых видов оборудования на новых физических принципахдействия.При этом единичная мощность электрогенераторов новейших самолетов ужедостигла сотен кВА и будет продолжать расти.

В связи с этим возникает проблемаэффективной модернизации облика СЭС для новых ЛА. Оценки показывают, чтонаиболее эффективной в таких условиях станет СЭС постоянного тока повышенногонапряжения (270В или выше).В качестве преимуществ такой СЭС над традиционными системами электроснабжения переменного тока можно отметить:снижение удельной массы СЭС на 25 %;снижение массы электронных устройств управления на 40%;улучшение качества электроэнергии;повышение КПД системы на 25 %;отсутствие ограничений по частоте вращения генератора;простоту обеспечения параллельной работы генераторов.Достижение указанных преимуществ – необходимый шаг в повышении энергоэффективности не только авиационной СЭС, но и самолета в целом.

Поэтому ведение активных исследовательских работ в этом направлении целесообразно. Такимиисследованиями занимались и продолжают заниматься научно-исследовательскиеинституты ВНИИЭМ, НИИАО, ЦАГИ и ЦИАМ; предприятия промышленности АКБЯкорь и Аэроэлектромаш; институты МАИ, МЭИ и МАМИ; а также ВВИА им. Жуковского и другие.Перспективная система генерирования постоянного тока повышенногонапряжения включает в себя регулируемый или нерегулируемый по напряжению3бесконтактный генератор переменного тока нестабильной частоты, приводимый вовращение непосредственно от авиадвигателя или через редуктор, и электронный преобразователь стабильного или нестабильного напряжения генератора переменнойчастоты в постоянное напряжение, а также электрический фильтр, устраняющийпульсации выпрямленного напряжения.Существует ряд рациональных вариантов реализации подобной системы генерирования как по конструктивным схемам генераторов и системам их возбуждения,так и по типам электронных преобразователей и фильтров.

Каждый из этих вариантов имеет свои преимущества и недостатки. При этом выбор и обоснование наиболеерациональных вариантов реализации принятой системы генерирования, а также еѐэлементов при проектировании самолѐта являются весьма актуальными. Основноевнимание в диссертации уделяется анализу конструктивных схем и активных зонгенераторов, работающих в системе с электронными преобразователями.Наличие в первичной СЭС электронного преобразователя обуславливаетнеобходимость выполнения компьютерного моделирования канала генерированиясначала для определения выходных параметров электрической машины, а затем дляподтверждения заданных выходных характеристик системы «генератор + выпрямитель».С целью обеспечения возможно лучших массогабаритных и энергетическиххарактеристик генератора требуется не только рассмотрение и выбор наилучших вариантов активной зоны генератора и системы охлаждения, подтверждаемых электромагнитными, тепловыми и прочностными расчетами, но и проведение оптимизационных расчетов геометрии активной зоны машины.Цель работы.Целью работы является развитие теории и методов автоматизированногопроектирования эффективной системы генерирования перспективного самолета сповышенным уровнем электрификации и разработка уточненной методики расчетаэлектрогенератора системы постоянного тока повышенного напряжения мощностьюдо нескольких сотен киловатт с непосредственным приводом от авиадвигателя, работающего в системе с электронным преобразователем, с улучшенными массогабаритными и энергетическими показателями.Задачи работы.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:- проанализировать состав потребителей электроэнергии перспективногосамолета с повышенным уровнем электрификации;- рассмотреть перспективные облики авиационных СЭС и обосновать рациональную структуру канала генерирования СЭС;4- на основе аналитических решений, конечно-элементного и имитационногомоделирования электромагнитных, механических и тепловых процессов уточнитьметодику проектирования авиационных генераторов в системе с электронным преобразователем и разработать алгоритм оптимизационного расчета генератора с постоянными магнитами для принятой системы генерирования;- на основе комплекса расчетного проектирования разработать рекомендациипо выбору конструктивных схем и параметров авиационного генератора и электронного преобразователя СЭС постоянного тока повышенного напряжения.Методы исследований.Методом исследования является расчѐтный сопоставительный анализ различных конструктивных схем генераторов на основе аналитических решений и компьютерного моделирования электромагнитных, механических и тепловых процессовгенераторов, работающих в системе с электронным преобразователем напряжения, сиспользованием методических разработок автора.В работе использованы методы теории поля, расчета электрических и магнитных цепей, прочности, нагрева и охлаждения, методы вычислительной математики и программирования.

Анализ магнитных полей в активной зоне выполнен на баземетода гармонического анализа, разработанного на кафедре 310 МАИ.Объект исследований.Объектом исследований является система генерирования постоянного токаповышенного напряжения перспективного самолета с повышенным уровнем электрификации на базе синхронного генератора (СГ) с высокоэнергетическими постоянными магнитами (ПМ) с непосредственным приводом от авиадвигателя, работающего в системе с электронным преобразователем (выпрямителем).Научная новизна.Научная новизна исследований состоит в том, что:- для указанного состава потребителей перспективного самолета с повышенным уровнем электрификации обоснована система электроснабжения постоянноготока мощностью до нескольких сотен кВт на основе генераторов с РЗ магнитами снепосредственным приводом от авиадвигателя с электронными преобразователями;- разработана имитационная модель системы генерирования, позволяющаясвязать заданные параметры нагрузки с параметрами электромеханического и электронного преобразователя;- предложены конструктивные схемы активной зоны статора генератора с РЗмагнитами с q = 0.25 и q = 0.5, встраиваемого в авиадвигатель, и активной зоны ротора с радиальными магнитами с немагнитными вставками в полюсных наконечниках;5- методом гармонического анализа и конечно-элементного моделированиярешена задача магнитного поля в активной зоне с немагнитными вставками, позволяющая определить расчетные коэффициенты магнитной цепи;- разработана методика автоматизированного расчета СГ с радиальными РЗмагнитами на основе аналитических решений и конечно-элементного моделирования.

Разработаны компьютерные модели для данной методики с целью исследованияэлектромагнитных, механических и тепловых процессов в активной зоне СГ;- разработана программа оптимизации расчета активной зоны генератора срадиальными РЗ магнитами;- показано, что генератор с РЗ магнитами и электронным преобразователемэффективен в стартерном режиме для электрозапуска авиадвигателей.Практическая ценность.Разработаны рекомендации по выбору конструктивных схем генераторов системы генерирования постоянного тока повышенного напряжения как встраиваемыхв авиадвигатель, так и вынесенных, приводимых от повышающего редуктора.Показана принципиальная возможность создания генератора постоянноготока напряжением 270В для СЭС мощностью до нескольких сотен кВт с лучшимиудельными массогабаритными и энергетическими показателями, чем у имеющихсяавиационных привод-генераторов систем переменного тока.Разработаны проекты СГ мощностью 150 и 180 кВА с возбуждением от ПМдля встроенного в авиадвигатель варианта исполнения.

Разработан проект СГ мощностью 200 кВА с возбуждением от ПМ, вынесенного на коробку самолетных агрегатов авиадвигателя с приводом от редуктора.Разработанная методика расчета системы генерирования на основе компьютерных технологий может быть использована для расчетов аналогичных СЭС.Реализация результатов.Разработанные проекты генераторов, рекомендации, а также методики расчета системы генерирования и оптимизации активной зоны СГ могут быть использованы предприятиями отрасли при разработке систем генерирования и основных источников СЭС постоянного тока напряжением 270В для перспективных самолетов сповышенным уровнем электрификации.Достоверность полученных результатов.Достоверность результатов определяется корректным использованием методов математической физики и вычислительной математики, положений теории поля,методов расчета электрических и магнитных цепей, прочности, нагрева и охлаждения6и подтверждается сходимостью результатов исследований с результатами численныхи натурного экспериментов.Апробация работы.Основные положения и результаты диссертационной работы докладывалисьи обсуждались на следующих конференциях:1.Всероссийская конференция молодых ученых и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике – 2008», г.Москва, МАИ, 2008 г.2.Всероссийская молодежная научно-техническая конференция молодыхученых и специалистов системы среднего и высшего профессиональногообразования «Молодые ученые – авиастроению России», конкурсная работа, г.