Автореферат (Многополюсные синхронные электрические машины обращенной конструкции)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Современный уровень потребленияэлектроэнергииопределяетповышенныетребованиякэлектромеханическим преобразователям. Появление таких новыхматериалов, как высококоэрцитивные постоянные магниты ивысокотемпературные сверхпроводники, позволяет увеличитьудельную мощность до 2-3 кВт/кг для традиционныхэлектрических машин и до 4-6 кВт/кг для специальныхэлектрических машин аэрокосмической техники.

Темпы ростапотребленияэлектроэнергииопределяютувеличениегенерирующих мощностей. Развитие перспективных транспортныхсистем, таких как более электрифицированный самолет (БЭС) иполностью электрифицированный самолет (ПЭС), так жеувеличивает требования к удельной мощности современныхэлектромеханических преобразователей. Однако, дальнейшееувеличение мощности единичной электрогенерирующей установкизачастую невозможно лишь за счет увеличения массы и габаритовэлектрического генератора.Разработкановыхтиповэлектромеханическихпреобразователей (ЭМП), особенно на основе современныхвысокотемпературных сверхпроводящих материалов (ВТСП),требует, в первую очередь, разработки соответствующих методикрасчета и проектирования таких ЭМП.Большаячастьгенераторов,используемыхвпреобразовании механической энергии в электрическую,представляют собой синхронные генераторы различногоисполнения.В настоящее время большое распространение получилисинхронные генераторы с постоянными магнитами, благодарявысокому КПД, надежности и простоте конструкции.

В то же времягенераторы, включенные непосредственно в сеть, требуютрегулирования. Для обеспечения регулирования применяютсясинхронные генераторы с электромагнитным возбуждением.Основные преимущества синхронной машины обращеннойконструкции:1. Возможность выполнения конструкций, которые немогут быть реализованы при использовании ЭМП традиционнойконструкции;2.

Увеличенный кинетический момент ротора;33. Возможность реализации криогенных ЭМП обращеннойконструкции с существенно более высоким показателями удельноймощности.В литературе широко рассмотрены вопросы расчета ипроектирования синхронных машин, как с электромагнитнымвозбуждением, так и с возбуждением от постоянных магнитов(ПМ) традиционной конструкции (с неподвижным якорем настаторе и вращающимися обмотками возбуждения, или ПМиндуктора в роторе). В литературе отсутствуют данные осопоставительном анализе машин обращенной конструкции свозбуждением от ПМ и от обмоток возбуждения, не приведеныоценки эффективности использования тех или иных типов машин(с ПМ или с электромагнитным возбуждением) обращеннойконструкции, отсутствуют методики оценки эффективностииспользования того или иного типа машин с точки зрениямощностиединичногоагрегата.Вчастностивопросыаналитических методик, позволяющих проводить оценкурациональногоиспользованиявкачествеисточникамагнитодвижущей силы (МДС) ПМ или обмоток возбуждения,выполненных из электротехнических обмоточных проводов, или изсверхпроводящих проводов, освещен недостаточно полно.Современный уровень развития сверхпроводниковыхтехнологий делает возможным разработку электрических машинобращенной конструкции с улучшенными массогабаритнымипоказателями.В этой связи тема диссертационной работы являетсяактуальной.Цель и задачи работы.

Целью диссертационной работыявляетсяразработкааналитическихметодикрасчетамногополюсных синхронных электрических машин обращеннойконструкции с магнитоэлектрическим и электромагнитнымвозбуждением.Для достижения этой цели были поставлены и решеныследующие задачи:–разработатьаналитическойметодикирасчетасинхронных электрических машин обращенной конструкции свозбуждением от постоянных магнитов;–разработатьаналитическойметодикирасчетасинхронных электрических машин обращенной конструкции сэлектромагнитным возбуждением, в том числе на основесверхпроводников;4– провести сопоставительный анализ машин обращеннойконструкции с возбуждением от ПМ и обмоток возбуждения;Методы исследований. При решении задач диссертациииспользовались методы математической физики, теории поля,электромеханики и прикладной сверхпроводимости; численныеметоды решения уравнений в частных производных (методконечных элементов).

Для решения уравнений и построениядиаграмм использовался пакет математического моделированияMathCAD 11; для решения задач методом конечных элементовиспользовался пакет прикладных программ Elcut Professional 5.4;эскизное проектирование было осуществлено на базе пакетаКомпас-3D V12; для построения графиков использоваласьпрограмма Grapher 7.0.Научная новизна диссертационной работы заключаетсяв следующем:– разработана новая методика электромагнитного расчетасинхронных машин обращенной конструкции с возбуждением отпостоянных магнитов, основанная на решении задач ораспределении двухмерных магнитных полей в активной зонемашины;– разработана новая методика расчета синхронных машинобращенной конструкции с электромагнитным возбуждением,включаявозбуждениенаосновевысокотемпературныхсверхпроводящих (ВТСП) проводов, основанная на решении задачо распределении двухмерных магнитных полей в активной зонемашины;– получены аналитические методики, учитывающиемагнитные свойства материалов, структуру и геометрию активнойзоны, число пар полюсов и обмоточные параметры;– выведен критерий сравнения и проведен сравнительныйанализ синхронных машин обращенной конструкции свозбуждением от ПМ и электромагнитным возбуждением.Практическая ценность работы.–Разработаныметодикирасчетараспределениядвухмерных магнитных полей в синхронных электрическихмашинах обращенной конструкции.– Разработаны методики поверочного и проектного расчетаобращеннойсинхроннойэлектрическоймашинысэлектромагнитным возбуждением и на основе ПМ;5– Сформулирован критерий оценки целесообразностиприменения ВТСП проводов при проектировании ЭМПобращенной конструкции;– На основе решения задач о распределении двухмерныхмагнитных полей получен критерий, позволяющий проводитьоценку целесообразности применения ОВ или ПМ в индкуторемашин обращенной конструкции.Реализация результатов.Материалы диссертации используются в курсах лекций подисциплинам«Электромеханика»,«Криогенныеисверхпроводниковые электроэнергетические установки», «Основынаучных исследований», читаемых в МАИ, внедрены в ряд НИР иНИОКР, а также вошли в методические пособия по курсовому идипломному проектированию, предназначенные для студентовэлектромеханических и энергетических специальностей.Апробация работы.Основные результаты обсуждались и докладывались на:1.

Московскоймолодежнойнаучно-практическойконференции «Инновации в авиации и космонавтике2012». 17-20 апреля 2012 г., МАИ, г. Москва;2. Международном межотраслевом молодежном научнотехническом форуме «Молодежь и будущее авиации икосмонавтики-2012» (результаты отмечены дипломомтретьей степени), г. Москва;3. Двадцатоймеждународнойнаучно-техническойконференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника,электротехника и энергетика», 27-28 февраля 2014 г.,МЭИ, г.

Москва;4. ДевятойМеждународнойнаучно-техническойконференции студентов, аспирантов и молодых ученых«Энергия -2014», 16-17 апреля 2014 г., ИГЭУ, г. Иваново;5. Конкурсе докладов по тематике РНК СИГРЭ, 17 апреля2014 г., ИГЭУ, г. Иваново.6. Московскоймолодежнойнаучно-практическойконференции «Инновации в авиации и космонавтике2014», 22-24 апреля 2014 г., МАИ, г. МоскваПубликации.По теме диссертации опубликовано 3 работы в журналах,входящих в перечень ВАК.Структура и объем диссертации.6Диссертация состоит из введения, четырех глав,заключения, списка литературы и приложения.

Объем основноготекста диссертации – 139 страниц, включающих 60 рисунков, 14таблиц. Список литературы состоит из 87 наименований.Основные положения, выносимые на защиту.1.Аналитическая методика расчета синхронныхмашин обращенной конструкции с возбуждением от ПМ,учитывающая полюсность машины, геометрию и структуруактивной зоны, а также параметры постоянных магнитовиндуктора.2.Аналитическая методика расчета синхронноймашиныобращеннойконструкциисэлектромагнитнымвозбуждением, включая возбуждение на основе современныхВТСП проводов, учитывающая геометрию активной зоны машины,число пар полюсов и параметры ОВ.3.Критерий оценки целесообразности примененияОВ или ПМ в индукторах синхронных машин обращеннойконструкции, основанный на полученном значении МДС обмоткивозбуждения, эквивалентном значению МДС ПМ.4.Критерий оценки целесообразности примененияВТСП проводов в обмотке возбуждения при проектировании ЭМПобращенной конструкции.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы диссертации,определены области применения синхронных машин обращеннойконструкции, определены цели, задачи, методы исследований иосновные научные результаты, выносимые на защиту, изложенанаучная новизна и практическая значимость работы.В первой главе проводится краткий обзор областейприменения многополюсных синхронных машин обращеннойконструкции с возбуждением от ПМ и с электромагнитнымвозбуждением.

Указана возможность их применения в составегидроэлектростанций, ветроэнергетических установок (ВЭУ), вкачестве моторколес различного назначения, в качестве моторгенераторов кинетических накопителей энергии. Отмеченывозможныепутиреализацииперспективныхболееэлектрифицированного и полностью электрифицированногосамолета на основе применения синхронных машин сиспользованием эффекта сверхпроводимости.7Приведены основные преимущества и недостаткирассматриваемыхмашин.Такмагнитоэлектрическиемногополюсные синхронные машины обладают следующимипреимуществами:– высокая надежность и простота конструкции из-за отсутствиявращающейся обмотки на роторе и возбудителя;– сниженные эксплуатационные расходы;– высокий КПД и уменьшенный нагрев из-за отсутствия потерь навозбуждение и в скользящем контакте;– имеют меньшие по величине радиопомехи, благодаря отсутствиюскользящих контактов;– имеют малую постоянную времени.Однако такие синхронные генераторы не допускаютглубокого регулирования выходного напряжения, имеютотносительно низкий предел перегрузочной способности.

Вместе стем машины с электромагнитным возбуждением позволяютосуществлятьболееглубокоерегулированиевыходногонапряжения путем изменения потока возбуждения.Также в главе проведен анализ научных публикаций пометодикам расчета магнитных полей и параметров многополюсныхэлектрических машин.