Диссертация (Многополюсные синхронные электрические машины обращенной конструкции)

Министерство образования и науки РФФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшегопрофессионального образования «Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)»На правах рукописиИванов Николай СергеевичМНОГОПОЛЮСНЫЕ СИНХРОННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫОБРАЩЕННОЙ КОНСТРУКЦИИСпециальность 05.09.01«Электромеханика и электрические аппараты»Диссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководительПроф., д.т.н. Ковалев Константин ЛьвовичСоискательМосква – 20142  СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ ......................................................................................................................

5ГЛАВА 1. Состояние разработок в области многополюсных электрических машинобращенной конструкции ............................................................................................. 121.1. Области применения многополюсных синхронных машин обращеннойконструкции ................................................................................................................

141.2. Классификация синхронных электрических машин обращеннойконструкции. ............................................................................................................... 321.3. Сравнительный анализ электрических машин с возбуждением отпостоянных магнитов и с электромагнитным возбуждением. .............................. 38Выводы ........................................................................................................................ 41ГЛАВА 2.

АНАЛИТИЧЕСКАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА МНОГОПОЛЮСНЫХЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ОБРАЩЕННОЙ КОНСТРУКЦИИ СПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ ............................................................................. 422.1. Постановка двухмерных задач о распределении магнитных полей .............. 422.2. Аналитические решения задачи расчета двухмерных магнитных полей вактивной зоне неявнополюсной синхронной машины обращенной конструкциис постоянными магнитами ........................................................................................ 502.2.1 Структура решения в воздушном зазоре ..................................................... 502.2.2. Структура решения в области постоянных магнитов ............................... 512.3.

Основные параметры неявнополюсной синхронной электрическоймашины обращенной конструкции с постоянными магнитами............................ 562.4. Результаты расчета параметров синхронной машины обращеннойконструкции с постоянными магнитами ................................................................. 592.5.

Методика расчета синхронной машины обращенной конструкции спостоянными магнитами ........................................................................................... 64Выводы ........................................................................................................................ 73ГЛАВА 3. Аналитическая методика расчета многополюсных синхронныхэлектрических машин обращенной конструкции с электромагнитнымвозбуждением ................................................................................................................ 743.1 Постановка задачи расчета двухмерных магнитных полей в синхронноймашине обращенной конструкции с электромагнитным возбуждением .............

76  3  3.2 Аналитическое решение задачи расчета двухмерных магнитных полей вактивной зоне неявнополюсной синхронной машины обращенной конструкциис электромагнитным возбуждением ......................................................................... 793.2.1Решение о распределении магнитных полей от токов индуктора ........ 793.2.2Решения о распределении магнитных полей от токов якоря ................ 833.2.3 Суперпозиция двухмерных магнитных полей в активной зонесинхронной машины от токов обмотки возбуждения и обмотки якоря ........... 843.3 Основные параметры неявнополюсной синхронной машины обращеннойконструкции с электромагнитным возбуждением.................................................. 893.4 Результаты расчета параметров синхронной машины с электромагнитнымвозбуждением .............................................................................................................

953.5 Сравнительный анализ синхронной машины обращенной конструкции спостоянными магнитами и электромагнитным возбуждением на основевысокотемпературных сверхпроводящих проводов .............................................. 983.5.1Машина №1 ............................................................................................... 1003.5.2Машина №2 ...............................................................................................

1033.5.3Машина №3 ............................................................................................... 106Выводы ...................................................................................................................... 109ГЛАВА 4. ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ИПАРАМЕТРОВ МНОГОПОЛЮСНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С Постояннымимагнитами И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ ................................ 1114.1. Поверочный расчет и сравнение с существующими машинами ............... 1134.1.1.

Методика расчета синхронного генератора с постоянными магнитамиобращенной конструкции .................................................................................... 1144.1.2. Высокотемпературный сверхпроводниковый синхронный двигатель спостоянными магнитами мощностью 4 кВт. ..................................................... 1184.1.3. Выскокотемпературный сверхпроводниковый синхронный двигательмощностью 200 кВт для электротранспорта ...................................................... 1264.1.4. Высокотемпературный сверхпроводниковый синхронный генератордля ветроэнергетической установки мощностью 1 МВт .................................. 1304.1.5.

Синхронный генератор «ВИНДЭК» 1 кВт ............................................ 1344.1.6. Синхронный гиромотор «ГМС-200» ...................................................... 138Выводы ...................................................................................................................... 143  4  Заключение ..................................................................................................................

144Список литературы ..................................................................................................... 147     5  ВВЕДЕНИЕАктуальность темы. Современный уровень потребления электроэнергииопределяет повышенные требования к электромеханическим преобразователям.Появление новых материалов, таких как сверхпроводники, позволяет увеличитьудельную мощность до 2-3 кВт/кг для традиционных электрических машин и до4-6 кВт/кг для специальных электрических машин аэро-космической техники [47,56, 62].

Темпы роста потребления электроэнергии определяют увеличениегенерирующих мощностей. Развитие перспективных устройств, таких как болееэлектрифицированный самолет (БЭС) и полностью электрифицированныйсамолет (ПЭС), так же увеличивает требования к удельной мощностисовременныхэлектромеханическихпреобразователей.Однако,дальнейшееувеличение мощности единичной электрогенерирующей установки зачастуюневозможно лишь за счет увеличения массы и габаритов электрическогогенератора.Кроме того, в последние годы большое внимание уделяется вопросамзащитыокружающейсредыиодновременномуповышениюэнергоэффективности. Возобновляемые и альтернативные источники энергии(ВИЭ) могут быть перспективной заменой традиционным углеводороднымтопливам.

Ветроэнергетика является одним из наиболее важных ВИЭ. Внастоящеевремястоимостьвыработки1кВтэлектроэнергииветроэнергетическими установками (ВЭУ) постоянно снижается. [55] Вместе стем АИЭ по сравнению с традиционными, имеют более слабую технологическуюбазу, их использование требует освоения новых типов электромеханическихпреобразователей.Разработка новых типов электромеханических преобразователей (ЭМП),особенно на основе современных высокотемпературных сверхпроводящихматериалов, требует, в первую очередь, разработки соответствующих методикрасчета и проектирования таких ЭМП.  6  Внастоящеевремябольшаячастьгенераторов,используемыхвпреобразовании механической энергии в электрическую, представляют собойсинхронные генераторы различного исполнения.Большоераспространениеполучилисинхронныегенераторыспостоянными магнитами, благодаря высокому КПД, надежности и простотеконструкции.