Герметичный источник питания для геофизической скважинной аппаратуры
на правах рукописи
КАРАНКЕВИЧ Андрей Геннадьевич ГЕРМЕТИЧНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ СКВАЖИННОЙ АППАРАТУРЫ 05.09.01 – «Электромеханика и электрические аппараты»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Томск 2004
Работа выполнена на кафедре электрических машин и аппаратов Том ского политехнического университета
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Муравлев Олег Павлович
Официальные оппоненты: -доктор технических наук, профессор Бекишев Р.Ф.
-кандидат технических наук, старший научный сотрудник Абдрахманова Т.Б.
Ведущая организация: ГНУ НИИ АЭМ при ТУСУР, г. Томск.
Защита диссертации состоится 22 декабря 2004 г. в 15 00 часов на заседании диссертационного совета К212.269.03 в 331 аудитории 8 корпуса Томского политехнического университета (634034, г. Томск, пр. Ленина, 30, ТПУ).
С диссертацией можно ознакомится в научно-технической библиотеке ТПУ
Автореферат диссертации разослан « » ноября 2004 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцентЮ.Н. Дементьев Актуальность работы. Развитие передовых промышленных техноло гий с возросшими потребностям в новых источниках электрической энергии, а также ужесточение требований по качеству вырабатываемого напряжения и тока автономными электромашинными установками инициировало инте рес к разработке и оптимизации существующих видов электрических машин.
Такие устройства необходимы для электропитания комплексов, не имеющих централизованного энергоснабжения. Например, удаленные сейсмологиче ские и метеорологические станции, радиопередатчики устройств распреде ленного контроля, а также ретрансляторы средств мобильной связи и многое др. Также существует ряд промышленных объектов и устройств, где в соот ветствии с технологическим процессом необходимо применять автономные источники питания. Так, например, герметичный синхронный генератор мо жет применяться при бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин на нефть и газ;
стартер – генераторное устройство находит приме нение для питания автомобиля;
маломощный тихоходный генератор исполь зуется для питания буйка в речном пароходстве и т.п. Создание таких уст ройств во многих случаях требует герметичного исполнения магнитной сис темы.
В диссертационной работе проводится разработка герметичного элек тромашинного источника питания забойной инклинометрической системы, применяемого при бурении наклонно-направленных и горизонтальных сква жин на нефть и газ.
В ходе эксплуатации забойных телесистем специалисты отмечают не достаточную продолжительность работы скважинного прибора. Регламент ный период работы прибора ограничен низкой надежностью автономного электромашинного синхронного генератора, применяемого в качестве ис точника питания забойной телесистемы. Данный недостаток связан с негер метичным исполнением конструкции электрической машины, что приводит к механическим разрушениям устройства. Буровой раствор, содержащий аб разивные частицы, попадая во внутреннюю полость электрической машины, приводит к разрушению деталей магнитной системы и изоляции обмотки якоря. В результате этого, при проведении буровых работ периодически не обходимо поднимать всю буровую колонну на поверхность земли и произве дении текущего ремонта или замены скважинного генератора, что влечет за собой простой оборудования и увеличение затрат при построении новой скважины.
Улучшить показатели надежности и решить вышеописанную проблему предлагается посредством использования новой конструкции скважинного источника питания выполненного на базе дискового генератора. Предпола гается увеличение времени безотказной работы скважинного генератора за счет герметичного исполнения магнитной системы электрической машины.
Применение генератора дисковой конструкции дает возможность наряду с высокими энергетическими показателями данной машины установить не магнитные экраны между ротором и статором, защищающие активные эле менты магнитной системы (постоянные магниты, изоляцию обмоток) от раз рушающего воздействия агрессивной среды [2, 8].
Задачей разработки нового электромашинного генератора является ис следование электромагнитных процессов, протекающих в электрической машине при малом количестве полюсов и стержней статора. Именно в опти мизации зубцовой зоны и в снижении зубцового эффекта с анализом дина мических характеристик машины просматривается основное направление исследовательской работы. Также не достаточно изученным является влия ние величины воздушного зазора на выходные параметры, вследствие объ емного распределения характеристик магнитного поля в рабочем воздушном зазоре электрической машины с аксиальным магнитным потоком. Данное исследование необходимо проводить с использованием методов и алгорит мов, позволяющих анализировать параметры трехмерных магнитных полей и моделировать на базе их характеристики машины при изменении угла по ложения ротора относительно статора машины. Построение, таким образом, динамических характеристик способствует более глубокой проработке кон фигурации активной зоны, а значит и разработке скважинного генератора с наилучшими энергетическими показателями при условии герметичного ис полнения магнитной системы.
В целом, разработанные математические модели и результаты теоре тических и экспериментальных исследований могут быть использованы при создании герметичных электромашинных источников питания с применени ем электрической машины дисковой конструкции.
Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Фе дерации № МК-1128.2004.8.
Целью работы является разработка и исследование электромашинно го синхронного генератора дисковой конструкции, предназначенного для электропитания скважинного прибора. В связи с этим решаются следующие задачи:
• разработка математических моделей для исследования трехмерного маг нитного поля дискового генератора;
• проведение комплекса теоретических исследований для поиска наилуч ших размеров геометрии магнитной системы;
• создание программного комплекса, позволяющего наглядно моделиро вать стационарные и квазистационарные электромагнитные процессы в нелинейных магнитных системах;
• разработка конструкции скважинного генератора;
• изготовление макетного образца дискового генератора для эксперимен тальной оценки результатов теоретических исследований.
Научной новизной является:
1. Разработана полевая модель электромеханического устройства на осно ве расчета трехмерного магнитного поля для моделирования динамиче ских режимов работы дисковых генераторов, которая позволяет прово дить исследование дисковых электрических машин с большим воздуш ным зазором.
2. Создана трехмерная статическая математическая модель магнитного по ля для оценки влияния геометрических характеристик магнитной систе мы на энергетические показатели дискового генератора.
3. Определены наилучшие геометрические размеры активной части с це лью получения наибольших удельных показателей мощности дискового генератора.
4. Исследован характер распределения магнитного поля в зубце статора дискового генератора при статической нагрузке для оценки неоднород ности магнитного поля, определения потоков рассеяния и влияния гео метрических характеристик статора на энергетические параметры дис кового генератора.
Практическую ценность представляют следующие результаты иссле довательской работы:
1. Разработана перспективная конструкция герметичного дискового гене ратора для автономных источников питания.
2. Предложена методика расчета стационарного магнитного поля, которая позволяет исследовать магнитное поле в активном объеме электриче ских машин.
3. Разработан алгоритм полевой модели электромеханического устройства для моделирования и исследования динамических режимов работы.
4. Создан программный комплекс моделирования статических и динами ческих электромагнитных процессов, который позволяет проводить ис следования дискового генератора для автономных систем электропита ния.
Методы исследования. При исследовании электромагнитных процес сов, протекающих в магнитной системе дискового генератора, в настоящей работе использовались: теория электрических машин, метод интегрирования по источникам поля, трехмерные математические модели электромагнитного поля, метод простых итераций и метод Зейделя для решения систем нели нейных уравнений, а также эксперименты с макетными образцами дискового электромашинного генератора.
Все исследования проведены с применением современных ПЭВМ.
Апробация работы. Результаты проведенных исследований доклады вались, обсуждались и получили одобрение на следующих конференциях:
• VII научно-техническая конференция Сибирского химического комби ната, (г. Северск, 2002г);
• IX международная научно-практическая конференция студентов, аспи рантов и молодых ученых “Современные техника и технологии” (г. Томск, 2003г.);
• международная научно-техническая конференция “Электроэнергетика, Электротехнические системы и комплексы” (г. Томск, 2003г.);
• международная научно-техническая конференция с международным участием “Электротехника, Электромеханика и электротехнологии” (г. Новосибирск, 2003г.);
• всероссийская научно-техническая конференция “Современные тен денции в развитии и конструировании коллекторных и других электро механических преобразователей энергии” (г. Омск, 2003г.);
• научно-техническая конференция “Технология и автоматизация атом ной энергетики” (г. Северск, 2003г.);
• X юбилейная международная научно-практическая конференция сту дентов, аспирантов и молодых ученых “Современные техника и техно логии” (г. Томск, 2004г.).
Публикации. Общее количество публикаций по теме диссертации – 10, из них: 1 статья в центральном издании, 9 опубликовано в трудах и сбор никах конференций.
Реализация результатов работы. Основные результаты исследований и разработок, проведенных в диссертационной работе, внедрены в ООО «Томск Нефтегазинжниринг» и используются при разработке и совершенст вовании электромашинных источников питания для геофизической сква жинной аппаратуры. Разработанная компьютерная программа для расчета трехмерных магнитных полей используется в ООО ПФК “Экси-Кей” Центр магнитных технологий при исследовании и разработке устройств магнитной обработки воды, оптимизации магнитной системы и улучшении технико экономических показателей. Также созданная программа используется в учебном процессе при подготовке студентов в Северском государственном технологическом институте по специальности 180400 «Электропривод и ав томатика промышленных установок и технологических комплексов».
Структура и объем диссертации. Работа состоит из пяти разделов и заключения, содержащих 112 страниц машинописного текста, 8 таблиц и рисунка, списка литературы из 114 наименований и приложений.
В первом разделе обоснована актуальность задач разработки и иссле дования дисковых электромашинных генераторов. Сформулирована цель, поставлены основные задачи, описана научная новизна и практическая цен ность диссертационной работы, приведена краткая аннотация выполненной работы по разделам.
Во втором разделе проведен обзор существующих малогабаритных автономных генераторов, изложены основные вопросы выбора конструкции и последующего проектирования магнитной системы скважинного генерато ра.
Обзор литературы и последних патентов показал, что в настоящее время проблеме созданию автономных маломощных генераторов уделяется большое внимание. В данной работе выбран малогабаритный магнитоэлек трический синхронный генератор с постоянными магнитами, который может быть применен для питания геофизической скважинной аппаратуры в тяже лых условиях эксплуатации.
Для повышения эффективности вскрытия нефтяных пластов буровыми компаниями в настоящее время достаточно широко применяются современ ные технические средства, способствующие построению кустов и разбури ванию стволов старых скважин. Данные технологии успешно применяются с началом бурения горизонтальных и наклонно-направленных скважин, по строение которых затруднительно без использования автоматизированного оборудования повышающего уровень инженерного сопровождения буровых работ. Одним из наиболее перспективных направлений автоматизации при построении скважин специального профиля является применение забойных инклинометрических телесистем способных непрерывно отслеживать траек торию движения буровой колонны.
В общем случае, принцип действия забойных телесистем основан на определении характеристик, описывающих траекторию движения скважины и турбобура. Данные характеристики определяются инклинометрическим оборудованием скважинного прибора, включаемого в состав компоновки ни за буровой колоны. Полученная информация по беспроводному каналу связи транслируется со скважинного прибора на поверхность земли, где происхо дит расшифровка, регистрация и обработка полученных данных [8].
При эксплуатации забойных телесистем отмечается низкая надежность синхронного генератора, применяемого в качестве источника питания инк линометрической и передающей аппаратуры. Недостаток связан с негерме тичным исполнением конструкции электрической машины. Присутствие вы сокого давления бурового раствора, содержащего абразивные частицы, ме ханических вибраций приводит к увеличению технологических зазоров в сальниковых уплотнителях генератора, что влечет за собой попадание буро вой жидкости внутрь электрической машины, следствием этого является разрушение изоляции обмотки и магнитной системы.
Синхронный генератор выполнен по классической схеме с радиальным направлением магнитного потока в воздушном зазоре. Магнитное поле гене ратора создается постоянными магнитами, расположенными на роторе элек трической машины. Статор машины содержит двухфазную обмотку, у кото рой одна из фаз выполнена силовой для питания излучателя скважинного прибора, а вторая подключена к электронным блокам инклинометра. Выво ды статорной обмотки соединяются с разъемом наконечника, через который осуществляется электропитание инклинометра скважинного прибора. Для обеспечения устойчивой передачи данных на поверхность земли генератор должен вырабатывать электрическую мощность не менее 250 Вт.
Для решения поставленной задачи предложена дисковая конструкция скважинного генератора (рис. 1), выполненная на базе аксиальной машины, которая наряду с перечисленными достоинствами торцевых генераторов по зволяет повысить выходную мощность и исключить силы одностороннего магнитного тяжения. В предлагаемой конструкции генератор состоит из двух вращающихся роторов 6, выполненных в виде двух дисковых магнито проводов и статора 8, расположенного между ними. Герметичность статора достигается установкой в воздушном зазоре немагнитной перегородки 7 (эк рана), препятствующей попаданию бурового раствора в полость статора и предотвращающей разрушение изоляции обмотки агрессивной средой.
Рис. 1. Конструкция скважинного генератора:
1 - гидротурбина;
2 - масленый контейнер;
3 - поршневой компенсатор;
4 - торцевое уплотнение;
5 - вал электрической машины;
6 - ротор;
7 - немагнитная перегородка;
8 - статор;
9 - разъем На магнитопроводах ротора установлены аксиально намагниченные высококоэрцитивные постоянные магниты 3 с чередующейся полярностью, создающих аксиальный магнитный поток (рис. 2). Из-за использования двух роторной конструкции повышается выходная мощность. Магнитопроводом статора являются ферромагнитные стержни 2, закрепленные между изоляци онными пластинами.
Для надежного крепления магнитов в ярмо ротора устанавливается цилиндрическая арматура из немагнитного материала. Снаружи полюсная система надежно закрывается обечайкой, которая прикрепляется болтовыми соединениями к ярму ротора.
Рис. 2. Дисковая конструкция скважинного генератора:
1 – статорная обмотка;
2 – стержень;
3 – постоянные магниты Немагнитная перегородка закрывает активную зону статора и этим препятствует попаданию бурового раствора со стороны ротора электриче ской машины. Для максимального заполнения активного объема статора стержни магнитопровода 1 имеют трапециидальное сечение. На стержни уложена обмотка статора 2. Для выравнивания температурного поля и соз дания динамических усилий, противодействующих буровому раствору, об разовавшиеся полости статора машины заполняются трансформаторным маслом.
На основании проведенного анализа определены задачи исследований.
В третьем разделе представлен анализ методов расчета электромаг нитных полей, на основе которого был выбран метод интегрирования по ис точникам поля. Описаны методика и алгоритмы программы расчета трех мерного магнитного поля дискового генератора.
Выбор метода интегрирования по источникам поля обусловлен сле дующими критериями: возможен расчет трехмерного магнитного поля с уче том нелинейности характеристик ферромагнитных материалов;
высокая эф фективность решения полевой задачи и сравнительно несложное определе ние интегральных характеристик магнитной системы;
составление расчет ных уравнений производится только для элементов магнитной системы, т.е.
возможно описание открытых магнитных систем.
Метод интегрирования по источникам поля заключается в решении общего интегрального выражения напряженности через намагниченность элементов магнитной системы [5, 6, 7, 9]:
[ ] dl g, r gq M p r pq J H (q ) = ст dV p, (1) grad q dS g 3 4 V rgq V rpq где H (q ) напряженность магнитного поля в вакууме, A/м;
dl g вектор, равный по модулю элементарному участку тока и совпадающий с ним по направлению, м;
J ст плотность стороннего тока, А/м2;
M p намагничен ность элементарного объема dV p, A/м;
r gq радиус-вектор, проведенный от участка элементарного тока dl g в точку наблюдения q, м;
r pq радиус вектор, проведенный из элементарного намагниченного объема dV p в точку наблюдения q, м;
rgq, rpq модуль соответствующего радиус-вектора, м;
dS g площадь поперечного сечения элементарного проводника, м2.
Решение уравнения (1) производится численным методом. При этом пространство, занимаемое намагниченным веществом, разбивается на малые объемы Vi, в пределах каждого из которых плотность тока и намагничен ность считаются постоянными и сосредоточенными в центре элементарного объема. После преобразований выражения (1) система расчетных уравнений принимает вид:
J (dlyrnqzdlzrnqy) 1 m rpqx rpqz rpqy dS Mxi 3 dV + Myi 3 dV + Mzi 3 dV, Hxq = c n p p p 4 V 4 i=1 x Vi rpq 3 x Vi rpq x Vi rpq rnq o Jc (dlzrnqx dlxrnqz) 1 m rpqx rpqz rpqy dS Mxi 3 dV + Myi 3 dV + Mzi 3 dV, (2) Hyq = n p p p 4 Vo 4 i=1 y Vi rpq y Vi rpq y Vi rpq rnq Jc (dlxrnqydlyrnqx) 1 m rpqx rpqz rpqy dS Mxi 3 dV +Myi 3 dV + Mzi 3 dV, Hzq = n p p p 4 Vo 4 i=1 z Vi rpq z Vi rpq z Vi rpq rnq где m – количество разбиений на элементарные объемы намагниченного вещества;
r pqx, r pqy, r pqz, rnqx, rnqy, rnqz – проекции радиус-векторов rpq и rnq на оси декартовой системы координат;
dl x, dl y, dl z – проекции элемента длины проводника d l ;
M xi, M yi, M zi – проекции вектора намагниченности M i малого объема Vi ;
H xq, H yq, H zq – проекции вектора напряженности поля в точке наблюдения q.
При принятии незначительных допущений, что проводники обмотки разбиваются на векторы конечной длины l j совпадающие с осью соответ ствующего проводника и направленные по току, система уравнений (2) по сле дифференцирования по частным производным и перехода к конечным разностям в матрично-векторной форме принимает вид:
hq = hст A m, (3) [ ] hq = H x (q ), H y (q ), H z (q ) T вектор проекций напряженности магнит где [ ] ного поля в точке наблюдения q ;
hст = H x (q ), H y (q ), H z (q ) вектор T ст ст ст проекций напряженности поля, создаваемого сторонним током в точке на блюдения q ;
A матрица коэффициентов, в которой первый индекс пере менной обозначает номер точки и показывает, по какой оси рассматривается влияние намагниченности, а второй – точку оси, на которую это воздействие создаётся;
B qi – вектор индукции магнитного поля в пределах Vi, совпа [ ] T дающий по направлению с H qi ;
m = M x1, M y1, M z1, K, M z n вектор ком понент намагниченности, модуль которого определяется по характеристике материала B = f (H ) :
B qi M qi = H qi. (4) µo При расчете вектор намагниченности высокоэнергетических магнитов принимается постоянным и совпадающим с направлением первоначального намагничивания.
Алгоритм расчета стационарного магнитного поля дискового генера тора содержит следующую последовательность действий [4]:
1. Описание расчетной области, которое заключается в разбиении магнит ной системы на элементарные объемы с последующим определением их координат.
2. Расчет напряженности поля по (4) в точках qi, расположенных в центре тяжести элементарных объёмов Vi магнитопровода, а затем посредст вом метода простых итераций находится вектор намагниченности. Вы ход из итерационного процесса осуществляется при выполнении усло вия G (G – разность между текущим и предыдущим значениями намагниченности вещества;
– заданная точность в абсолютных значе ниях). Также условием завершения итерационного процесса может слу жить уравнение Максвелла divB = 0.
3. Определение интегральных характеристик магнитного поля выполняет ся путем разбиения занимаемого исследуемой областью пространства на элементарные трубки магнитного потока, в пределах которых магнитное поле считается однородным. В результате интегрирования распределен ных характеристик магнитного поля в исследуемой области пространст ва возможно определение магнитного потока, магнитного напряжения, потокосцепления обмотки и электромагнитных сил.
Магнитный поток пронизывающий произвольную поверхность опре деляется по следующему выражению:
Ф = Bn dS, (5) S Bn нормальная составляющая индукции магнитного поля, Тл;
где dS элементарная площадь, м2.
Потокосцепление обмотки определяется соотношением:
wk = Фk, (6) k = wk число витков в катушке;
Фk магнитный поток, пронизываю где щий k-ый виток (диаметр провода полагается много меньше размеров вит ка), Вб.
Приведенная стационарная модель магнитного поля позволяет прово дить исследование трехмерного магнитного поля электромеханических уст ройств любой конфигурации с учетом нелинейности характеристик B(H ) посредством метода интегрирования по источникам поля.
При построении полевой модели электромеханического устройства описание расчетной области и определение интегральных характеристик производится аналогично статической модели.
Алгоритм данной модели содержит следующую последовательность действий: 1) ввод исходных данных: угол поворота ротора, описание рас четной области магнитной системы, задание магнитных характеристик мате риалов;
2) итерационный расчет по определению первичных и вторичных источников магнитного поля по системе уравнений (3) при начальном поло жении ротора r=0;
3) итерационный расчет по определению вторичных ис точников магнитного поля по системе уравнений (3) при повороте ротора на некоторый угол r=1, расчет поля в исследуемой области магнитной систе мы и определение ее интегральных характеристик;
4) определение измене ния ЭДС по выражению B E=, (7) t На основании ЭДС и известной нагрузки в цепи генератора, находится ток I в обмотке генератора. 5) итерационный расчет по определению вторичных источников магнитного поля при повороте ротора на следующий угол r= и т.д.
Окончание численного расчета производится по отработке заданного угла поворота ротора.
Итерационный расчет по определению первичных и вторичных источ ников состоит в определении вектора намагниченности элементов магнит ной системы.
Приведенная полевая модель электромеханического устройства позво ляет моделировать динамические режимы работы, проводить анализ выход ных характеристик электромашинных генераторов, исследовать дисковые электрические машины с большим воздушным зазором для моделирования герметичных автономных источников питания, проводить поиск наилучших геометрических соотношений магнитной системы.
Стационарная модель магнитного поля и полевая модель электромеха нического устройства позволяют провести полное исследование работы дис кового генератора в различных режимах и действующих факторах.
В четвертом разделе приведены результаты теоретических исследо ваний магнитного поля торцевой машины.
Расчетные области полюсной системы одного ротора и магнитопрово да статора с разбиением магнитной системы на элементарные объемы пока заны на рис. 3, а, б.
С помощью разработанного программного комплекса был проведен расчет нескольких дисковых генераторов с различным исполнением магнит ной системы.
а) б) Рис. 3. Расчетная область полюсной системы (а) и магнитопровода статора (б): 1 полюс машины;
2 ярмо ротора Исследование неоднородности магнитного поля в стержне статора дискового генератора выполнено на основе рассмотрения изменения харак теристик поля вдоль аксиальных и радиальных размеров статора машины.
Неравномерность электромагнитного поля в активной зоне машины оказы вает существенное влияние на характеристики дискового генератора. В связи с этим, при проектировании машин с аксиальным потоком необходимо учи тывать неоднородность поля в магнитопроводе посредством расчета объем ных магнитных полей.
На рис. 4 представлена картина распределения магнитного поля внут ри стержня торцевого генератора при величине МДС поля якоря Fa = 900 А/м.
Плоскость, проходящая через точку x = 0 и x = 0.04 м, соответствует границе раздела сред (воздушный зазор ферромагнитный стержень). Если зубцы не насыщены и отсутствует МДС поля якоря, то силовые линии маг нитного поля распределены параллельно длине зубца, причем на картину магнитного поля не оказывает существенного влияния изменение ширины зубца и величины воздушного зазора, потоки рассеяния незначительны. С увеличением МДС возрастает неоднородность магнитного поля, а при Fa = 620 А/м в центральном сечении зубца происходит разворот векторов поля в сторону, противоположную основному магнитному потоку.
Рис. 4. Магнитное поле в стержне дискового генератора, при величине МДС поля якоря Fa = 900 А/м Результаты расчета качественно отражают значительную неоднород ность поля в стержне машины и этим подтверждают необходимость рас смотрения трехмерного распределения параметров магнитного поля при проектировании электрических машин с аксиальным магнитным потоком.
Исследование магнитного поля вдоль стержня статора выполнено по величине результирующего магнитного потока Ф p. Для определения Ф p, стержень статора разбивается на элементарные участки, в пределах которых интегрируются распределенные параметры магнитного поля. В результате на рис. 5 представлены зависимости результирующего потока Ф p = f (Lz ) при нескольких значениях МДС поля якоря.
Оценка влияния геометрических характеристик статора на энергетиче ские параметры дискового генератора проводились на основе определения характера влияния основных размеров магнитопровода статора на величину магнитного потока в стержне машины, по которому можно судить об энерге тических показателях генератора. Нахождение последнего определяется как среднее значение нормальной составляющей потока по нескольким попереч ным сечениям стержня равномерно распределенным в аксиальном направле нии. В результате расчетов получено, что наибольшее влияние на энергети ческие показатели генератора оказывают: длина стержня Lz, ширина паза bo, ширина стержня статора bz и величина воздушного зазора.
На рис. 6 приведена поверхность, отражающая мощность машины при изменении относительной ширины и абсолютной длины стержня.
Относительная ширина стержня статора определяется по выражению:
b R b* = z = z, z Rvn bz ширина стержня статора, м;
z зубцовое деление машины, м.
где Рис. 5. Изменение величины основного магнитного потока по длине стержня статора Рис.6. Поверхность, отражающая мощность машины при изменении относительной ширины и абсолютной длины стержня В результате проведенных исследований установлено максимальное значение выходной мощности генератора с внешним диаметром 0.1 м со сле дующей конфигурацией геометрии статора: длина стержня Lz= 0,038 м;
от носительная ширина стержня b* = 0,18.
С целью сравнения характеристик электрической машины при двух способах изготовления магнитопровода статора (шихтованный и цельноме таллический) с помощью полевой модели электромеханического устройства были получены кривые выходного напряжения. Зависимости получены с помощью расчета стационарного и квазистационарного трехмерного маг нитного поля.
Сравнение характеристик при различном материале магнитопровода статора показывает, что в цельнометаллических стержнях присутствуют по тери от вихревых токов;
величина потерь составляет 16 %. Однако примене ние цельнометаллических стержней в маломощных дисковых магнитоэлек трических генераторах может быть оправдано из-за простоты и низкой стои мости изготовления, если массогабаритные и энергетические показатели не принимаются за основной критерий проектирования электрической машины.
В пятом разделе представлены результаты экспериментальных иссле дований макетных образцов скважинного генератора. Для проведения иссле дований было изготовлено и испытано два макетных образца для сравнения энергетических характеристик машины при двух способах изготовления маг нитопровода статора. В результате проведенных испытаний определены внешние характеристики генератора при изменении величины воздушного зазора и скорости вращения ротора машины.
На рис. 7 приведены расчетная и полученная экспериментально осцил лограммы выходного напряжения трехфазного генератора в режиме холо стого хода. Совпадение кривых как по форме, так и по численным значениям удовлетворительное.
Рис. 7. Осциллограммы выходного напряжения:
1 – экспериментальная кривая напряжения;
2 – расчетная кривая напряжения В режиме холостого хода были определены значения ЭДС катушек и слоев секций обмотки якоря, которые дают возможность оценить количест венное изменение основного магнитного потока в аксиальном и радиальном направлении машины.
Известно, что свойства постоянных магнитов ухудшаются с повыше нием температуры, что может привести к значительному снижению выход ной мощности генератора. Во время определения экспериментальных вы ходных характеристик была произведена оценка теплового нагрева магнит ной системы дискового генератора при длительной работе с постоянной на грузкой. Установлено, что при нагрузке 4 Ом и токе в обмотке статора 6,3 А, превышение температуры меди статора не превышает 40° С. Выбор посто янных магнитов осуществляется с большей коэрцитивной силой чем получе но при расчетах, примерно в 1,4 раза. Предполагается, что температурная стабилизация магнитного материала при высоких температурах (90 граду сов) позволит получить требуемые значения коэрцитивной силы.
На рис. 8 показаны внешние характеристики дискового генератора при изменении воздушного зазора.
Рис. 8. Внешние характеристики генератора при изменении воздушного зазора При увеличении воздушного зазора происходит снижение преобразуе мой генератором активной мощности в допустимых пределах, что подтвер ждает возможность установки немагнитного экрана в воздушном зазоре.
Выполненный анализ экспериментальных характеристик при двух спо собах изготовления магнитопровода статора показал возможность примене ния цельнометаллических стержней статора, при этом индукционные потери составляют 16,4 %.
Сравнение полученных характеристик при экспериментальном иссле довании с результатами теоретических расчетов показало хорошую сходи мость, что подтверждает адекватность используемых математических моде лей. Предельная погрешность не превышает 10 %.
В заключении приведены основные результаты выполненных научных исследований, которые состоят в следующем:
1. Анализ литературы и патентов показал, что дисковые магнитоэлектри ческие генераторы обладают рядом положительных качеств, которые позволяют успешно применять их в маломощных герметичных авто номных источниках питания. В качестве объекта исследования выбран дисковый электрический генератор с возбуждением от постоянных магнитов. Генератор выполнен с двумя роторами и расположенным между ними статором.
2. Разработана стационарная модель магнитного поля, которая предна значена для исследования трехмерного магнитного поля дискового ге нератора. Создана полевая модель электромеханического устройства, разработан алгоритм и программа расчета для исследования работы дисковых генераторов в динамических режимах.
3. Исследовано распределение трехмерного магнитного поля в стержне статора дисковой машины. Проявления неоднородности поля в стерж не машины значительны, что подтверждают необходимость рассмот рения трехмерного распределения параметров магнитного поля.
4. Оценен характер влияния основных геометрических размеров магни топровода статора на энергетические показатели дисковой машины.
Проведен анализ изменения энергетических характеристик при изме нении воздушного зазора, относительной ширины и абсолютной дли ны стержня дискового генератора. Установлено максимальное значе ние выходной мощности генератора со следующей конфигурацией геометрии: внешний диаметр 0.1 м, длина стержня Lz= 0,038 м, отно сительная ширина стержня b* = 0,18.
5. Герметичность дискового электрического генератора достигается ус тановкой немагнитного экрана между статором и ротором. Анализ по лученных результатов расчета выходной мощности при увеличении воздушного зазора показал, что допустимо выполнение электрической машины с большим воздушным зазором. Возможна установка немаг нитного экрана, толщиной до 2 мм в воздушном зазоре, который пре пятствует попаданию бурового раствора в полость статора и ротора и существенно повысить время безотказной работы скважинного прибо ра.
6. Сравнение характеристик при расчете и экспериментальных исследо ваниях дискового генератора с цельнометаллическими и шихтованны ми стержнями статора показало допустимость использования моно литного исполнения стержней при изготовлении маломощных диско вых генераторах. Потери от вихревых токов в этом случае составляют:
при расчетах 16 %, при экспериментальных исследованиях 16,4 %.
7. Экспериментально определена оптимальная величина сдвига дисков роторов друг относительно друга, которая составляет 1517 градусов, при которой форма выходного напряжения близка к синусоидальной.
В этом случае также снижаются проявления зубцового эффекта и ста тического момента сопротивления в 2,5 раза. Снижение энергетиче ских характеристик дискового генератора происходит на 57 %.
8. Разработаны и переданы в ООО “Томск Нефтегазинжиниринг” (г. Томск) программа, алгоритмы, математические модели и результа ты теоретических и экспериментальных исследований дисковой кон струкции электромашинного генератора, направленные на увеличение безотказной работы за счет герметичного исполнения магнитной сис темы электрической машины. Разработана и передана в Северский го сударственный технологический институт (г. Северск) компьютерная программа, предназначенная для расчета трехмерных магнитных по лей электромеханических устройств. Данная программа используется студентами специальности 180400 «Электропривод и автоматика про мышленных установок и технологических комплексов». Разработанная программа для расчета магнитных полей используется в ООО ПФК “Экси-Кей” Центр магнитных технологий при исследовании и разра ботке устройств магнитной обработки воды.
Автор благодарит научного консультанта, кандидата технических наук Леонова Сергея Владимировича за внимательное отношение к работе и практическую помощь в решении поставленных задач.
Результаты исследований и основное содержание работы отражены в следующих публикациях:
1. Каранкевич А.Г., Щипков А.А., Леонов С.В. Программа расчета маг нитных систем из постоянных магнитов и магнитопроводов различной кон фигурации // Материалы седьмой научно-технической конференции Си бирского химического комбината. Часть 1. Северск, 2003. – с.248.
2. Каранкевич А.Г. Макеев Л.С., Щипков А.А., Леонов С.В., Первушин А.В. Герметичная электрическая машина для технологических аппаратов // Материалы седьмой научно-технической конференции Сибирского химиче ского комбината. Часть 2. Северск, 2003. – с.152.
3. Каранкевич А.Г., Леонов С.В. Электромашинный генератор для пи тания геофизической аппаратуры // Современные техника и технологии:
Труды 9-ой международной научно-практической конференции. Часть 2.
Томск, 2003. – с. 269.
4. Каранкевич А.Г., Леонов С.В., Калаев В.Е. Исследование магнитного поля электрических машин с аксиальным магнитным потоком // Электро энергетика, Электротехнические системы и комплексы: Материалы между народной научно-технической конференции. - Томск, 2003. – с. 120.
5. Каранкевич А.Г., Муравлев О.П., Леонов С.В. Моделирование трех мерного магнитного поля торцевого электромашинного генератора // Элек тротехника, Электромеханика и электротехнологии: Материалы научно технической конференции с международным участием. Новосибирск, 2003. – с. 16.
6. Каранкевич А.Г., Муравлев О.П., Леонов С.В., Лялин А.В., Федянин А.Л., Калаев В.Е. Моделирование трехмерного магнитного поля торцевого электромашинного генератора // Современные тенденции в развитии и кон струировании коллекторных и других электромеханических преобразова телей энергии: Материалы восьмой всероссийской научно-технической кон ференции. Омск, 2003. – с. 83.
7. Каранкевич А.Г., Леонов С.В., Калаев В.Е., Мишин М.В., Федянин А.Л. Моделирование динамических процессов электрических машин // Тех нология и автоматизация атомной энергетики: Материалы отраслевой науч но-технической конференции. Северск, 2003.- с. 60.
8. Каранкевич А.Г., Леонов С.В. Торцевое исполнение скважинного электромашинного источника питания инклинометрической системы // НТЖ Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. – М.:
ОАО “ВНИИОЭНГ”, 2003. – № 4.
9. Karankevich A., Leonov S., Muravlev O. Calculating program of three dimentional magnetic fields // Proceedings of the 7th Korea-Russia International Symposium, KORUS 2003. – p.268.
10. Каранкевич А.Г., Леонов С.В., Муравлев О.П. Квазистационарная полевая модель аксиальной электрической машины // Современные техника и технологии: Труды 10-ой юбилейной международной научно практической конференции. Томск, 2004.
Подписано в печать 10.11.2004 г.
Формат бумаги 60ч84/16. Бумага ксероксная.
Плоская печать. Печ. л.
Тираж 100 экз. Заказ 122. Цена свободная.
Изд. СГТИ. Лицензия ИД № 00407 от 02.11.99 г.
636035, Северск, пр. Коммунистический,