Магнитные системы синхронных электрических машин с редкоземельными постоянными магнитами и повышенной частотой вращения

Актуальность темы

.

Как известно, повышение частоты вращения ведет к снижению массы электромеханических преобразователей (ЭМП). В последние годы при разработке ЭМП применяются новые типы подшипниковых опор, которые позволяют поднять частоту вращения и повысить ресурс работы изделий. Это магнитные подшипниковые опоры, газостатические и лепестковые газодинамические опоры. В настоящее время в электромеханике весьма перспективным является использование лепестковых газодинамических опор. В частности, их применение рационально в центробежных компрессорах систем кондиционирования, где уровень мощности ЭМП может достигать сотен киловатт, а частоты вращения — десятков тысяч оборотов в минуту.

Однако при повышении частоты вращения одновременно со снижением активной массы снижается и предельная мощность ЭМП. Окружные скорости роторов ограничиваются их прочностью, а вытекающее из этого ограничение наружного диаметра роторов ведет к снижению критической частоты вращения, увеличению относительной длины машин и ухудшению условий охлаждения ЭМП. Проектирование ЭМП на мощности до нескольких десятков и сотен кВт на частоты вращения, составляющие десятки тысяч оборотов в минуту, ведется в рамках этих противоречий. В этих условиях рационально использование конструктивных схем синхронных машин с высокоэнергетическими редкоземельными постоянными магнитами (РЗМ), обладающими повышенной механической прочностью и высокими массоэнергетическими показателями. При этом необходимо отметить, что современный уровень развития силовой полупроводниковой и микропроцессорной техники обеспечивает высокие регулировочные свойства ЭМП с РЗМ.

В настоящее время при проектировании электрических машин целесообразно совместное использование традиционных и компьютерных технологий на основе сосредоточенных и распределённых параметров.

Разработка магнитных систем (МС) ЭМП с повышенной частотой вращения требует уточнения электромагнитных расчетов с целью снижения массы магнитов и других вращающихся элементов магнитной системы, нагружающих опоры, а также учёта и ослабления магнитного тяжения. Повышение механических нагрузок на элементы роторов требует также уточнения их расчетов на прочность. Ограничение диаметров роторов, которое приводит к увеличению активной и конструктивной длины ЭМП, требует уточнения тепловых расчетов. Повышение точности расчетов позволяет снизить затраты на экспериментальную доработку ЭМП, особенно при использовании строго ограниченных по своим возможностям нетрадиционных бесконтактных подшипниковых опор.

Теории и проектированию синхронных электрических машин посвящено большое количество работ, опубликованных в нашей стране и за рубежом. Здесь необходимо отметить труды научных школ ВНИИЭМ [80, 97], МАИ [11, 18, 37, 44−50, 65], МЭИ [8, 12, 51−53, 57−59, 70−72, 94], ВВИА им. Н. Е. Жуковского [62, 92], предприятий АКБ «Якорь» [2, 5, 38, 68, 69], «Аэроэлектромаш» [76, 87] и многих других организаций [23, 60, 79, 88, 106], работы которых отмечены в списке литературы. Вместе с тем, уточнение методов расчета синхронных машин с постоянными магнитами и повышенной частотой вращения является актуальной задачей.

Цель работы.

Целью диссертационной работы является развитие традиционных и компьютерных технологий и уточнение методик проектирования магнитных систем для создания ЭМП с РЗМ, работающих с повышенной частотой вращения.

Задачи.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач: обоснования традиционных и нетрадиционных конструктивных схем роторов магнитных систем для ЭМП с повышенной частотой вращения;

— уточнения электромагнитного расчета магнитных систем синхронных машин с целью снижения массы роторов и усилий, действующих на подшипниковые опоры;

— анализа электромагнитных сил притяжения и отталкивания в магнитных системах синхронных машин с повышенной частотой вращения с целью обоснования конструктивных мероприятий по разгрузке подшипниковых опорисследования прочности роторов и теплового состояния синхронных машин с повышенной частотой вращения с целью обеспечения работоспособности предложенных в диссертации конструктивных схемэкспериментальной проверки уточненных методик расчета и нетрадиционных конструктивных схем магнитных систем ЭМП с повышенной частотой вращения.

Методы исследования.

В работе использованы методы теории поля, теории электрических и магнитных цепей, теории прочности, методы математической физики, методы вычислительной математики и программирования. Для аналитического решения задач электромагнитного поля в активной зоне ЭМП методом гармонического анализа использовался многофункциональный математический пакет MathCAD. Для создания трехмерных моделей магнитных систем ЭМП был использован пакет трехмерного моделирования SolidWorks [4]. Для численного решения задач электромагнитного поля в активной зоне ЭМП и напряженно-деформированного состояния вращающихся роторов использовались программные пакеты конечно-элементного анализа (ANSYS EMAG, COSMOS-Works) [16, 55, 104].

Объекты исследования.

Объектами исследования являются синхронные ЭМП с повышенной частотой вращения с РЗМ. Рассматриваются конструктивные схемы с постоянными магнитами на роторе. Исследования связаны с задачами, возникшими при проектировании двигателей электропривода испытательного стенда мощностью Р=100 кВт с частотой вращения «=12 000 об/мин, электропривода центробежного компрессора мощностью Р=100 кВт, «=30 000 об/мин, генераторов для системы автономного электропитания с S=3 кВА, «=160 000 об/мин и аварийного канала электропитания постоянного тока с Р=3 кВт, работающего в диапазоне «=9500−12 000 об/мин.

Изложенные в диссертации рекомендации и методики проектирования могут быть использованы при проектировании двигателей силового электропривода мощностью от нескольких десятков до нескольких сотен кВт и генераторов для систем автономного электропитания мощностью от единиц до нескольких сотен кВА.

Предмет исследования.

Предметом диссертационного исследования являются методики электромагнитных, прочностных и тепловых расчетов синхронных электрических машин с повышенной частотой вращения.

Научная новизна.

Методом гармонического анализа магнитных полей активных зон ЭМП на основе векторного магнитного потенциала получено аналитическое решение задачи расчета поля реакции якоря синхронной машины с тангенциальными редкоземельными магнитами и ферромагнитными наконечниками полюсов;

Методом конечных элементов (МКЭ) получено численное решение задачи расчёта поля реакции якоря синхронной машины с тангенциальными редкоземельными магнитами на основе векторного магнитного потенциала, подтвердившее с высокой точностью результаты аналитического решения, а также показано условие эквивалентности прямоугольной и секторной моделей магнитов;

На основе аналитического и численного исследований магнитных полей обоснована система расчетных коэффициентов ЭМП с РЗМ, позволяющая уточнить электромагнитный расчет, массы роторов и усилия, действующие на опоры, с учетом особенностей конструкций магнитных систем;

Обоснована нетрадиционная конструктивная схема ротора с полюсными наконечниками и крепежными кольцами, позволяющая выполнить ЭМП с малым немагнитным зазором без применения сложной технологии сварки ферромагнитного и немагнитного сплавов;

Показано, что магнитное притяжение в ЭМП с двухполюсным ротором существенно ниже, чем в ЭМП с четырьмя и более полюсами, а также дана количественная оценка его пульсаций при двухполюсном и четырёхполюсном роторах;

С помощью МКЭ показано, что влияние зубчатости статора и насыщения стали при расчете сил магнитного притяжения существенно и может достигать 10−15%;

С помощью МКЭ показано, что погрешность приближенного механического расчета магнитной системы с крепежными кольцами на роторе методами сопротивления материалов по сравнению с расчетом численным методом составляет 15−20% в сторону запаса прочности конструкции;

Предложена и обоснована конструкция генератора с вертикальным расположением вала, где для компенсации веса ротора и разгрузки опоры-подпятника используется вывешивание ротора в статоре под действием электромагнитных сил притяжения;

Обоснована конструкция ЭМП с вертикальным расположением вала и осевой магнитостатической подшипниковой опорой.

Практическая ценность.

Обоснованная система расчётных коэффициентов проверена при расчётах основных геометрических размеров рассмотренных в диссертации машин и может быть рекомендована для использования при расчёте синхронных машин с РЗМ, имеющих ферромагнитные наконечники полюсов;

Даны рекомендации по выбору рациональных конструктивных схем и крепежных материалов для роторов ЭМП с повышенной частотой вращения;

Разработаны программы на языке APDL, позволяющие методом конечных элементов рассчитывать зависимости магнитной индукции поля возбуждения и реакции якоря, а также расчётных коэффициентов поля возбуждения и реакции якоря от геометрических размеров магнитных систем для основных конфигураций ЭМП с радиальными и тангенциальными прямоугольными или секторными магнитами с немагнитной обоймой или полюсными наконечниками;

Показано, что использование ЭМП с повышенной частотой вращения рационально для центробежных компрессоров в системах кондиционирования с использованием рабочей среды в качестве хладагента ЭМП.

Показано, что хотя ЭМП предельной мощности с повышенной частотой вращения требуют более интенсивной системы охлаждения из-за увеличения активной длины, при работе в системе кондиционирования с использованием рабочей среды в качестве хладагента ЭМП перепад температур в обмотке незначителен;

Предложены конструктивные схемы ЭМП с использованием возникающих между статором и ротором сил магнитного притяжения для разгрузки опор при горизонтальном и вертикальном расположении вала ЭМП;

Разработана автоматизированная методика расчета осевой магнитостатиче-ской подшипниковой опоры для ЭМП с вертикальным расположением вала;

Обоснованы направления дальнейшего развития ЭМП с повышенной частотой вращения: снижение массы роторов за счет выбора рациональных конструктивных схем, уточнение электромагнитного и прочностного расчетов, учет и использование сил магнитного притяжения и отталкивания для разгрузки подшипниковых опор.

Реализация результатов.

Разработанные автором методики и сформулированные им рекомендации по проектированию ЭМП используются в ОАО АКБ «Якорь» при расчетном проектировании и конструкторской проработке синхронных электродвигателей и генераторов с повышенной частотой вращения мощностью до нескольких сотен кВт. С использованием уточненных методик и конструктивных решений, представленных в данной работе, при непосредственном участии автора разработаны три ЭМП с повышенной частотой вращения: электродвигатель компрессора системы кондиционированияэлектродвигатель привода испытательного стенда и генератор автономной системы электропитания.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность результатов определяется использованием положений теории поля, теории электрических и магнитных цепей, теории прочности, методов математической физики, методов вычислительной математики и программирования и подтверждается сходимостью результатов решения рассматриваемой задачи с результатами полунатурных и натурных испытаний, внедрением полученных автором решений в конкретные разработки и образцы электрических машин.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных российских и международных конференциях, в том числе: на международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиотехника, электроника и энергетика» в МЭИ, г. Москва, в 2005, 2006, 2007 годахна международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах автоматики, управления и обработки информации» в г. Алуште в 2006, 2007, 2008 годахна всероссийской научно-технической конференции «Научно-технические проблемы электропитания» в МАИ, г. Москва, в 2006 годуна всероссийской конференции молодых ученых и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике — 2008», в МАИ, г. Москва, в 2008 году.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 10 научных работ [3, 19, 20, 35, 36, 43, 61, 68, 77, 96], из них 1 — в журнале «Электричество» [48], рекомендованном ВАК РФ. По теме диссертации получен 1 патент на изобретение [81].

Структура работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы и 4 приложенийимеет 167 страниц, 44 рисунка, 13 таблиц и 108 наименований списка литературы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Развитие традиционных (на основе моделей с сосредоточенными параметрами) и компьютерных (на основе моделей с сосредоточенными параметрами) методов проектирования ЭМП позволяет эффективно решать задачи, возникающие при разработке ЭМП с повышенной частотой вращения.

2. Методом гармонического анализа магнитных полей активных зон ЭМП на основе векторного магнитного потенциала получено аналитическое решение задачи расчета поля реакции якоря синхронной машины с тангенциально намагниченными редкоземельными магнитами и ферромагнитными наконечниками полюсов. Результаты данного решения с высокой точностью подтверждены с помощью метода конечных элементов.

3. На основе аналитического и численного исследований магнитных полей обоснована система расчетных коэффициентов ЭМП с редкоземельными магнитами, позволяющая уточнить электромагнитный расчет, массы роторов и усилия, действующие на опоры, с учетом особенностей конструкций магнитных систем.

4. Обоснованная система расчетных коэффициентов проверена при расчетах основных геометрических размеров рассмотренных в диссертации машин и может быть рекомендована для использования при расчете синхронных машин с редкоземельными магнитами, имеющих ферромагнитные наконечники полюсов.

5. Обоснована нетрадиционная конструктивная схема ротора с полюсными наконечниками и крепежными кольцами, позволяющая выполнить ЭМП с малым немагнитным зазором без применения сложной технологии сварки ферромагнитного и немагнитного сплавов.

6. Показано, что магнитное притяжение в ЭМП с двухполюсным ротором существенно ниже, чем в ЭМП с четырьмя или более полюсами, а также дана количественная оценка пульсаций усилия магнитного притяжения при двухполюсном и четырехполюсном роторах.

7. С помощью метода конечных элементов показано, что в случае, если при расчете сил магнитного притяжения не учтено влияние зубчатости статора, насыщения стали и несинусоидальности распределения магнитной индукции в зазоре, это дает погрешность, равную 5−15%.

8. Предложена и обоснована конструкция ЭМП с осевой магнитоста-тической подшипниковой опорой для ЭМП с вертикальным расположением вала. Разработана методика автоматизированного расчета подобной опоры.

9. Разработаны программы, позволяющие методом конечных элементов рассчитывать зависимости амплитуды поля возбуждения и реакции якоря, расчетных коэффициентов поля возбуждения и реакции якоря от геометрических размеров магнитных систем для основных конфигураций ЭМП с радиальными и тангенциальными прямоугольными или секторными магнитами с немагнитной обоймой или полюсными наконечниками.

10. Показано, что использование ЭМП предельной мощности с повышенной частотой вращения рационально для центробежных компрессоров в системах кондиционирования с использованием рабочей среды в качестве хладагента ЭМП. Хотя ЭМП предельной мощности с повышенной частотой вращения требуют более интенсивной системы охлаждения из-за увеличения активной длины, при работе в системе кондиционирования с использованием рабочей среды в качестве хладагента ЭМП перепад температур в обмотке незначителен.

11. Обоснованы конструктивные схемы ЭМП с использованием для разгрузки опор сил магнитного притяжения между статором и ротором при горизонтальном и вертикальном расположении вала ЭМП.

12. Таким образом показано, что основными направлениями совершенствования ЭМП с повышенной частотой вращения являются: снижение массы роторов за счет разработки рациональных конструктивных схем, уточнение электромагнитного и прочностного расчетов, учет и использование сил магнитного притяжения и отталкивания для разгрузки подшипниковых опор.