Поисковые исследования характеристик и свойств специальных типов асинхронных машин с массивным ротором на основе наноматериалов

Наиболее широко применяемым на практике классом электрических машин являются машины переменного тока, и особенно асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Данный тип машин изготавливается и применяется на практике до частот вращения 3000−5000 об/мин. Для них существуют регламентирующие показатели энергетической эффективности. В этой связи актуальной задачей проектировщиков новых типов электрических машин на современном этапе развития электромашиностроения является создание оборудования с усовершенствованными характеристиками, повышенной эффективности. Однако существуют области применения электрических машин, в которых достижение высоких показателей эффективности не является первоочередной задачей. На первый план выступают вопросы упрощения технологии или механической прочности.

Например, при необходимости применения высокооборотного двигателя или генератора встает вопрос о конструктивном решении, так как на первый план выступают проблемы обеспечения необходимой механической прочности. В этой связи возникает идея использования конструкции массивного ротора (так как поковка ротора может быть выполнена из высокопрочной стали и выдерживать значительные механические напряжения).

Изучение специфических характеристик массивного ротора началось на ранней стадии машиностроения [78]. Теория и практика расчета машин со сплошным цилиндрическим ротором, их особенности отражены в работах М.О. Доливо-Добровольского, К. И. Шенфера, И. С. Брука, З. Б. Неймана, А. И. Важнова, Е. Я. Казовского, И. М. Постникова, И. А. Сыромятникова, В. А. Марактанова, В. М. Куцевалова, P.A. Лютера. Из зарубежных авторов этими вопросами занимались Р. Рюденберг, А. И. Вудд, К. Конкордия, Д. Ангст, К. П. Ковач, И. И. Рац [3].

Массивный ротор асинхронного двигателя представляет собой сплошной или полый цилиндр, выполненный из ферромагнитного материала без обмотки. Функции обмотки ротора выполняет поверхностный слой ротора, параметры которого зависят от частоты, магнитной проницаемости, удельного электрического сопротивления материала ротора. Вследствие поверхностного эффекта, при пуске поле ротора распределяется в поверхностном слое относительно небольшой глубины. Активное сопротивление ротора, когда частота токов в роторе велика, будет значительно больше, чем сопротивление при нормальной работе, а, следовательно, его начальный пусковой момент будет высок, так как удельное электрическое сопротивление стали в 10−30 раз больше, чем меди или алюминия. При номинальном режиме работы частота наведенных ЭДС и токов в роторе уменьшается (Г2=Г1*з), глубина проникновения поля в роторе увеличивается.

В результате взаимодействия вращающегося магнитного поля, созданного током многофазной обмотки статора, с вихревыми токами ротора образуется электромагнитный момент, вращающий ротор в том же направлении (в режиме двигателя), что и магнитное поле, со скольжением, которое при номинальном режиме значительно больше, чем для двигателя с короткозамкнутым ротором. Так, для двигателей мощностью 50−500 Вт [6] номинальное скольжение лежит в пределах 0,3−0,4, тогда как для двигателей с короткозамкнутым ротором для тех же мощностей номинальное скольжение 0,08−0,1. Значительное номинальное скольжение двигателей с массивным ротором вызвано большим активным сопротивлением вторичной цепи. Механическая характеристика двигателя пологая, что позволяет для регулируемых двигателей устойчиво работать в широком диапазоне изменения частоты вращения.

К основным достоинствам двигателя с массивным ротором можно отнести:

— относительно высокую кратность пускового момента;

— низкую кратность пускового тока;

— практическое отсутствие пульсаций вращающего момента;

— повышенную по сравнению с обычным ротором термическую стойкость в переходных процессах;

— мягкую механическую характеристику, позволяющую в широком пределе регулировать частоту вращения изменением подводимого напряжения;

— простоту конструкции;

— лучшие балансировочные и вибро-шумовые показатели.

Пусковой cos ф выше, чем у машин с короткозамкнутым ротором, что выгодно при повторно-кратковременных режимах работы. Эти свойства особенно проявляются у двигателей малой и средней мощности [61].

В последнее время интерес к разработке высокооборотных двигателей и генераторов связан со все большим применением в качестве источников энергии топливных элементов. Помимо прямого преобразования химической энергии в электрическую образующиеся в процессе окисления продукты сгорания могут быть использованы в микротурбоустановке в схеме электромеханического цикла преобразования энергии.

Высокотемпературная энергия в виде горячего газа при температуре 1300−1700К поступает в микротурбину, которая вращает микротурбогенератор. Микротурбоустановка состоит из камеры сгорания топлива, сверхбыстроходных компрессора, газовой микротурбины и микротурбогенератора.

Массачусетский технологический институт (MIT) разработал микротурбину мощностью 80 Вт на окружные скорости 300−400 м/с (частота вращения (460−540)* 10 об/мин) [32, 88]. Актуальным является вопрос разработки обратимого микротурбогенератора, который для предварительного разгона микротурбины должен работать и в режиме двигателя. Такая машина может быть выполнена только с массивным ротором.

Помимо явного преимущества для высокооборотных машин асинхронные двигатели с массивным ротором часто являются лучшей конструкцией для ряда специальных целей. Этот тип машин применяется в системах автоматики, управления, ориентации и наведения, в электроприводах судовых грузоподъемных механизмов, в электроприводах швартовых механизмов, в электроприводах с тяжелыми условиями пуска (компрессоры, сепараторы, центрифуги), в приводах с широким диапазоном регулирования частоты вращения в различных системах автоматического управления, в гироскопах, аппаратах звукозаписи, в позиционных электроприводах (запорная аппаратура, дистанционное включение автоматических выключателей).

Исследованию электромагнитного поля электромеханических преобразователей энергии посвящено много работ [1, 2, 3, 4, 9, 14, 15,17,18, 23, 25−29, 31 32, 34, 37−41, 44−46, 53, 55−59, 63, 68−72, 79, 82, 83, 85,86, 90], однако интерес к этой проблеме сохраняется.

В большинстве работ, посвященных исследованию асинхронных машин с массивным ротором [2, 3], рассматривается установившийся режим работы машины, приводятся схемы замещения и эквивалентные параметрыреактивные и активные сопротивления, с той или иной степенью приближения, учитывающие реакцию сплошной проводящей среды ротора. Установлено, что влияние кривизны поверхности ротора возрастает с увеличением отношения глубины проникновения электромагнитной волны к величине полюсного деления и для крупных машин стандартного исполнения обычно невелико. Расчет электромагнитного поля ротора и воздушного зазора сводится к плоской задаче. Исследования эффекта края показали, что его влияние проявляется тем резче, чем больше отношение радиуса ротора к его длине, которое невелико для машин обычного исполнения.

Однако особенности расчета машин этого типа, методов их теоретического и экспериментального исследования постоянно являются объектом изучения [55].

Основным недостатком двигателей с массивным ротором являются низкие энергетические показатели: коэффициент полезного действия (кпд) и коэффициент мощности (cos ср), обусловленные повышенными значениями параметров вторичной цепи. Это связано с тем, что большое сопротивление ротора приводит к увеличению джоулевых потерь, увеличению добавочных потерь, вызванных высшими гармониками поля на поверхности ротора.

Номинальная мощность двигателей с массивным ротором в тех же габаритах, как и обычных, ниже на 25−35% при более низком кпд [61].

Существенный вклад в развитие теории и расчет машин переменного тока (крупных синхронных машин) с массивными элементами был сделан в работах P.A. Лютера, З. Б. Неймана, Я. Б. Данилевича, Е. Я. Казовского, Э. Г. Кашарского, Г. В. Рубисова, Н. Б. Чемодановой, A.C. Шапиро, В. П. Марактанова, И. М. Постникова. Обобщение и систематизация по теории и расчетам были сделаны В. М. Куцеваловым [55−57], детально представившим основные закономерности, характеризующие асинхронную машину с массивным ротором, разработавшим методы расчета параметров и построения круговых диаграмм.

Появляющиеся новые работы [26, 33, 34, 68, 70, 82, 83] в этой области характеризуют важность ее с практической точки зрения.

Интерес и актуальность связаны с расширяющимися областями применения, повышения степени их электромагнитного и теплового использования. Накопленный опыт и применение современной вычислительной техники позволяют повысить уровень проектирования машин с массивными роторами, что способствует поднятию их технико-экономических характеристик и надежности.

Для технически обоснованного проектирования актуальны исследования в направлениях [44]:

— совершенствования методов расчета вихревых токов и потерь в массивном роторе;

— определения рациональных свойств материалов массивного ротора, обеспечивающих требуемые характеристики машины. Для создания новых модификаций машин требуется:

— определение характеристик при повышенных и высоких частотах вращения, -разработка и применение материалов нового типа.

Решение поставленных задач требует разработки и совершенствования методических приемов на основе использования реального распределения электромагнитного поля в элементах магнитопровода, реальной нелинейности характеристик материалов элементов магнитопровода.

В электрических машинах с массивным ротором затруднение вызывает определение активного и реактивного сопротивлений контуров вихревых токов, так как они являются сложными функциями величины и частоты тока, зависят от глубины проникновения поля в тело ротора [65, 66]. В практике расчетов для определения глубины проникновения поля в ферромагнитное проводящее тело пользуются приближенными формулами при ^сог^. Например, по [45] где ю — частота вращения, рад/секцотносительная магнитная проницаемость материала ротораЦомагнитная проницаемость вакуума, Гн/мр — удельное электрическое сопротивление материала ротора, Ом^м.

По известной величине глубины проникновения поля определяют активное и реактивное сопротивления ротора с помощью коэффициентов Неймана для слабых или сильных полей [65].

В [58, 69] в результате анализа общего выражения для параметров массивного ротора устанавливается область, в которой применяются приближенные формулы для определения активного и реактивного сопротивлений ротора и приводятся коэффициенты, учитывающие кривизну ротора. В [70] уточнены методы расчета электромагнитного поля (распределение векторного магнитного потенциала) в массивных элементах ротора, в частности с учетом кривизны бочки ротора, методом конечных разностей.

В [68] отмечается тенденция увеличения числа публикаций, связанных с уточнением расчетов проникновения электромагнитного поля в массивную среду, однако констатируется, что предложенные расчетные формулы дают значительное расхождение с опытом. Эти задачи решают приближенно при допущении о постоянстве магнитной проницаемости ротора и аксиальной направленности токов, из-за большей длины ротора по сравнению с полюсной дугой. Влиянием конечной длины ротора часто пренебрегают. В некоторых работах концевой эффект учитывается аналитическими методами, в других — вводятся эмпирические коэффициенты [2]. Определение тока производится методом последовательных приближений.

Отмечая недостаточную точность известных решений авторы в [68] предлагают более строгий учет изменения магнитной проницаемости, полученный при решении полевой задачи методом конечных разностей.

В [68] предложен комбинированный метод с предварительным аналитическим решением полевой задачи при постоянстве магнитной проницаемости с последующим использованием его в качестве начального приближения для решения полевой задачи методом конечных разностей при учете поверхностного эффекта и изменения магнитной проницаемости. В модели учитываются основные пространственные гармоники магнитодвижущих сил обмоток фаз статораодносторонний зубчатый зазор заменяется эквивалентным гладким, обмотка статора представляется тонким поверхностным слоеммагнитная проницаемость материала статора принимается бесконечно большойцилиндрические поверхности статора и ротора развернуты на плоскости.

В указанной работе приводится расчет параметров асинхронного двигателя с массивным ротором, определение электромагнитного момента. По данным опытов холостого хода, короткого замыкания и нагрузки определены опытные значения параметров ротора в функции тока и скольжения по формулам, основанным на схеме замещения и векторной диаграмме, исследовано соотношение активных и реактивных параметров ротора, уточнена теория учета влияния конечной длины ротора на его параметры, исследована зависимости относительной магнитной проницаемости материала ротора по дуге окружности ротора на различной глубине от его поверхности при 8=1, приводятся расчетные и экспериментальные механические характеристики асинхронного двигателя с массивным ротором.

Актуальность проводимых в диссертационной работе исследований связана с решением фундаментальной научной проблемы по приоритетным направлениям «Энергетика и энергосбережение» и «Индустрия наносистем и материалы» Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002;2006 годы, с выполнением работ по перспективному плану Фундаментальных исследований РАН по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники на 2006;2010 гг. и период до 2025 г. -Химические науки и науки о материалах по п. 4.5. Химическая энергетика. Проблемы, рассматриваемые в диссертационной работе, связаны с непрерывно растущими техническими требованиями к эксплуатируемому и вновь создаваемому оборудованию. Проектировщики ориентируются при создании оборудования как на усовершенствование характеристик, повышение эффективности для энергетических установок различного назначения, так и на поиск рациональных решений на основе синтеза новых материалов с требуемыми прогнозируемыми свойствами и разработкой оборудования, предназначенного для специальных целей (космической и военной техники) и, в частности, для высокооборотных приводов. При использовании элемента конструкции — массивного ротора — к материалу ротора предъявляются определенные требования, связанные с необходимостью обеспечения заданных электромагнитных параметров машины и высоким уровнем прочности, обусловленным большими действующими центробежными силами.

Одной из важных научных проблем, возникающих при создании электрических машин с применением материалов с прогнозируемыми заданными свойствами, является исследование электромагнитного поля машины и напряженно-деформированного состояния ротора с привлечением современных аналитических и численных методов анализа электромагнитного поля при многовариантных исследованиях с различными комбинациями электрофизических свойств материала ротора.

Используемые на практике методы расчета электромагнитного поля не учитывают в полной мере нелинейность характеристик материалов, реальную геометрию машины, сложный гармонический состав электромагнитной волны. При использовании комбинированных методов (аналитических по схемам замещения и численных расчетов для уточнения характеристик) применяется ряд допущений. Учет зубчатости воздушного зазора производится введением эквивалентной величины равномерного воздушного зазора. В расчетах учитывается только основная гармоника магнитного поля, относительная магнитная проницаемость ферромагнитных материалов принимается постоянной.

Разработка различных расчетных методов обусловлена разнообразием практических задач [85].

Распределение электромагнитного поля с учетом электрофизических свойств материалов, определяющих глубину проникновения электромагнитного поля в массивный ротор, и напряженное состояние ротора под действием приложенных центробежных нагрузок можно определять единым численным методом — методом конечных элементов (МКЭ).

Для качественного улучшения характеристик двигателей с массивным ротором и создания образцов опытных машин с применением новых материалов в качестве активной зоны ротора, необходимо провести тщательный анализ факторов, влияющих на параметры и характеристики двигателя.

Цель работы.

Поисковые исследования, направленные на создание новой модификации асинхронных машин с массивным ротором, для подтверждения принципиальной возможности обеспечения требуемых характеристик электрической машины путем применения материалов массивного ротора с прогнозируемыми свойствами, получаемых с применением нанотехнологий и позволяющих существенно изменить характеристики и параметры машины.

Задачи исследования.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие задачи:

1. Исследования на основе решения уравнений электромагнитного поля переменных токов влияния магнитной проницаемости и удельного электрического сопротивления материала ротора на характеристики создаваемых модификаций асинхронных машин.

2. Исследования объемного напряженно-деформированного состояния массивного ротора при применении фуллеренов в качестве наноструктур, способных придавать материалу ротора свойства, необходимые для высокооборотных машин.

3. Определение предельных значений диаметра ротора в зависимости от частоты вращения и различных уровней прочности материалов и определение возможности создания сверхбыстроходных асинхронных машин повышенной единичной мощности с наноматериалами в роторе.

4. Проведение экспериментальных исследований характеристик асинхронного двигателя с массивным ротором на опытном образце, выполненным из нового материала, полученного с применением нанотехнологийанализ результатов моделирования и экспериментальных данных.

5. Разработка рекомендаций для применения полученных результатов в практике проектирования модифицированных двигателей переменного тока.

Методы исследования.

Применение во вновь разрабатываемых конструкциях новых материалов требует определения их рациональных электромагнитных и механических свойств, что возможно при проведении тщательного численного исследования, создания адекватных математических моделей и разработки методики расчетных исследований.

При решении указанных задач использовались методы теории электрических машин, ТОЭ, теории упругости материалов, метод конечных элементов (МКЭ) при использовании пакетов расчетных программ (COSMOS, ANSYS), методы экспериментальных исследований на опытных образцах.

В диссертационной работе полевая задача распределения электромагнитного поля в магнитопроводе асинхронной машины с массивным ротором и исследование напряженного состояния массивного ротора под воздействием центробежных нагрузок решается единым численным методом.

Среди численных методов расчета развитую теоретическую базу и примеры практической реализации имеют универсальные методы решения: метод конечных разностей и метод конечных элементов. По оценке [52] МКЭ имеет преимущество, состоящее в простоте расчета распределения поля в телах, состоящих из материалов с различными свойствами, простоте аппроксимации сложных криволинейных областей модели, возможностей необходимого измельчения сетки в областях повышенных градиентов поля и учета граничных условий различного типа.

Применение пакетов программ COSMOS, ANSYS и др., в которых используется МКЭ для решения полевых задач, позволяет решать задачу распределения поля с реальной геометрией магнитопровода, с учетом нелинейных характеристик материалов статора и ротора.

Кроме того, применение численных расчетов позволяет существенно сократить время, требуемое для проектирования и поиска оптимальных вариантов конструкции, позволяет осуществлять электромагнитный и механический расчеты. Численные методы незаменимы при моделировании новых типов электрических машин и особенно при применении новых материалов, позволяя осуществить быстрое решение при переборе вариантов материалов с различными свойствами. Численное моделирование позволяет в конкретных случаях эффективно, без проведения дорогостоящего натурного эксперимента, определить требуемые исследуемые параметры.

Модель двигателя с массивным ротором для анализа электромагнитного поля машины численными методами построена на базе конструкции асинхронного короткозамкнутого двигателя, ротор которого был заменен на массивный. Исследовано влияние свойств материала массивного ротора на его рабочие характеристики.

Выполнены экспериментальные работы для определения реальных характеристик асинхронного двигателя с массивным ротором, изготовленным из материала с применением нанотехнологий.

Результаты численного моделирования сопоставлены с результатами экспериментальных исследований и произведена оценка полученных данных.

Научная новизна заключается в результатах поисковых исследований асинхронных машин с ротором, выполненным с применением нанотехнологий. При исследованиях использован новый подход к определению характеристик асинхронной машины с массивным ротором на основе решения уравнений электромагнитного поля без традиционно.

15 применяемых упрощений (с учетом реальной геометрии магнитопровода машины, нелинейности характеристик материалов). Исследованы различные варианты конструкции асинхронной машины при использовании материалов с различными свойствами.

Впервые проведены численные и экспериментальные исследования асинхронного двигателя с массивным ротором, выполненным из материала с применением нанотехнологий.

Достоверность полученных расчетных результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается строгостью используемого математического аппарата, использованием теоретически обоснованного современного численного метода — МКЭ, сопоставлением полученных численных решений с данными экспериментальных исследований. Защищаемые автором положения диссертационной работы апробированы на международных и отечественных конференциях и семинарах специалистов, а также в публикациях.

Практическая ценность и внедрение результатов работы.

Обоснована возможность создания модификации асинхронных машин с массивным ротором на основе применения новых нанокомпозитных материалов, обеспечивающих требуемые электромагнитные и прочностные характеристики машин.

Результаты теоретических разработок определения локальных и интегральных характеристик электромагнитного поля, рациональных электромагнитных и механических свойств материала ротора имеют практическое значение и направлены на усовершенствование характеристик асинхронного двигателя путем моделирования свойств материала ротора.

Выполнены расчетные и экспериментальные исследования опытного асинхронного двигателя с массивным ротором, выполненным из материала с повышенным содержанием кремния, полученным с применением нанотехнологий.

Работа выполнялась по требованиям заказчика и совместно с заказчиком при привлечении технологов ЗАО «ЭКОС» .

Научно-инженерным центром «Керамические тепловые двигатели им. А. М. Бойко» разрабатывается микроустановка с газовой турбиной нового поколения на базе керамических материалов мощностью 200 Вт, с частотой вращения 500 ООО об/мин. Теоретически обоснована принципиальная возможность достижения мощности микротурбогенератора порядка 100 Вт в заданных габаритах при прогнозируемых электромагнитных свойствах металлокерамического массивного ротора. Высокие окружные скорости ограничивают для данного материала величину диаметра ротора. При требуемой мощности это приводит либо к необходимости повышения удельных электромагнитных нагрузок (линейной нагрузки, магнитной индукции, плотности тока), либо к увеличению диаметра ротора при применении более прочного материала ротора, что возможно при использовании нанокомпозитного материала.

Исследования проводились в рамках выполнения проектов: гранта РФФИ № 04−2 017 005 «Теоретические исследования по обоснованию возможности создания нового типа сверхбыстроходных электромеханических преобразователей энергии», гранта № 05−02−8 235 ОФИ-а «Исследования по созданию нового типа электромеханического преобразователя энергии на основе использования новых материалов с заданным комплексом механических и электромагнитных свойств, созданных с помощью нанотехнологий», выполнения инициативного проекта научной Программы 2004;2005г. Санкт-Петербургского Научного Центра «Разработка принципиально нового типа электромеханического преобразователя энергии с использованием нанотехнологий.» .

На основании сравнительного анализа данных численного и натурного эксперимента разработаны рекомендации по требуемым электромагнитным и механическим свойствам материала ротора для получения новых образцов материалов и изготовления из них массивных роторов асинхронных машин.

Апробация работы.

Результаты исследований докладывались на V международной конференции «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловед ение» (Алушта, 22−26 сентября 2003 г.), на международной конференции «Nanoparticles, Nanostructures & Nanocomposites» (Санкт-Петербург, 5−7- июля 2004 г.), на международных конференциях Северо-западной секции IEEE Chapters (Санкт-Петербург 2003 г., 2004 г., 2005 г.), на первой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (30.05−02.06 2005г. СанктПетербург), на секции «Электромеханики и автоматики «Дома Ученых «Новые материалы — основа развития современного электромашиностроения «. (Санкт Петербург, 25 ноября 2004 г.).

Результаты численных исследований магнитного поля и напряженно-деформированного состояния роторов быстроходных машин использовались для подготовки материалов к конференциям: «Математическое моделирование в механике сплошных сред» (Санкт-Петербург, 2001), II международной конференции «Современная энергетика — основа экономического развития». (Санкт-Петербург 09.04.03., РЭСТЭК, 2003), международной конференции «Возобновляемая энергетика-2003. Состояние, проблемы, перспективы» (Санкт-Петербург, 4−6 октября 2003 г.).

По тематике исследований опубликовано 12 печатных работ, включая тезисы докладов в трудах международных конференций, 9 статей, в том числе в журналах «Известия РАН. Энергетика», «Электротехника», «Тяжелое машиностроение», «Энергия: экономика, техника, экология «, в сборнике «Проблемы создания и эксплуатации новых типов электроэнергетического оборудования», выпуск 4 (2002г.), выпуск 5, (2003), выпуск 6 (2004г.).

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 118 страницах машинописного текста, иллюстрируется рисунками (34), таблицами (15) и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 90 наименований и Приложения.

Выводы.

Впервые экспериментально исследована асинхронная машина с ротором, изготовленным с применением наноматериалов.

Для опытного образца использована асинхронная машина с короткозамкнутым ротором. Сравнение характеристик асинхронной машины с короткозамкнутым ротором и с массивным ротором основано на принятии в качестве исходного условия идентичности статоров сравниваемых машин, а также значений параметров обмоток статора.

Результаты, полученные по параметрам, определенным из экспериментальных исследований, с достаточной точностью совпадают с результатами решения полевой задачи численными методами. Это позволяет применять численные методы расчета распределения электромагнитного поля для многовариантных расчетов при выборе материалов ротора, обеспечивающих требуемые характеристики проектируемых машин.

Полученные по результатам опытов параметры соответствуют параметрам ротора, определенным из распределения магнитного поля через глубину проникновения поля в массивный ротор при решении плоскопараллельной задачи.

Получен диапазон соотношения свойств материала ротора, определяющий параметры ротора, при которых достигается полученный по опытным данным момент: р =(70−80)-10″ 8, ц= (20−40) — цор =(40−60)-10'8, ц= (30−60).цор =(20−30) 10 8, ц= (50−90) — Цо.

Определены возможности влияния на значение момента варьирования свойств материала ротора и, как следствие, возможности моделирования материалов с заданными свойствами.

Особая актуальность моделирования материалов с рациональными электромагнитными свойствами связана с необходимостью разработки легких и проводящих материалов для роторов высокооборотных машин специальных типов.

Погрешность при сопоставлении характеристик, построенных по расчетным и опытным данным, находится в пределах 9%.

Параметры, определенные по опытам холостого хода и короткого замыкания являются приближенными, так как существуют искажающие факторы, которые при их расчете не могут быть строго учтены: -вытеснение тока в роторе при пуске;

— насыщение путей потоков рассеяния при токах, соответствующих максимальному вращающему моменту и пуску двигателя- -нелинейность характеристики намагничивания стали, вследствие чего в электродвигателях с насыщенными путями главного магнитного потока расчетный ток холостого хода меньше опытного тока холостого хода.

Невысокие магнитные показатели материала ротора связаны с состоянием нового материала, который не подвергался обработкам. Для улучшения свойств материала предполагается поэтапное изменение его состояния с помощью термообработкипластической обработкитермообработки на выращивание кристалловнанесения материала с высокой проводимостью на торцы массивного ротора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Работа направлена на создание научных основ разработки новых модификаций конструкций асинхронных машин специальных типов на основе развития применения численных методов расчета электромагнитного поля.

Исследования проводились применительно к асинхронным двигателям с массивным ротором, при этом полученные результаты и разработанные подходы могут быть распространены на любой тип электромеханических преобразователей.

На основании результатов моделирования электромагнитного поля и решения полевой задачи численными методами исследовано влияние свойств материала ротора — магнитной проницаемости и удельного электрического сопротивления на механическую характеристику двигателя. Исследовано напряженнодеформированное состояние ротора и резервы увеличение частоты вращения за счет уменьшения плотности и увеличения прочности материала ротора. Проанализирована зависимость предельно возможного диаметра ротора от частоты вращения и предельных значений прочностных характеристик материалов ротора.

К числу наиболее существенных относятся следующие результаты:

1. Выполнены поисковые исследования, в результате которых выявлены возможности влияния на характеристики и параметры асинхронных машин путем применения наноструктурных материалов в конструкции машин.

2. Проведен анализ характеристик асинхронных машин с различными материалами массивного ротора численным методом. Разработан на основе МКЭ способ определения возможных и желательных электрофизических свойств материалов, выполняемых с наноструктурными элементами, для обеспечения требуемых параметров специальных типов асинхронных машин.

3. Исследованы зависимости предельно допустимых размеров диаметра ротора от частоты вращения и прочностных свойств материала.

4. Создан и испытан опытный образец асинхронной машины с ротором, содержащим наноструктурные элементы.

5. Результаты проведенных в работе теоретических и экспериментальных исследований обосновывают перспективность применения материалов, полученных с использованием нанотехнологий, и намечают направления совершенствования свойств новых материалов, для формирования требуемых параметров и характеристик проектируемых электрических машин.