Герметичный синхронный двигатель для химического производства

на правах рукописи

Федянин Александр Леонидович ГЕРМЕТИЧНЫЙ СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА Специальность 05.09.01 – «Электромеханика и электрические аппараты»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск 2007 2

Работа выполнена на кафедре электрических машин и аппаратов Томского политехнического университета

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Муравлев Олег Павлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, Селяев Александр Николаевич, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники кандидат технических наук, доцент Педиков Виктор Михайлович, Томский государственный архитектурно строительный университет

Ведущая организация: ГНУ НИИ АЭМ при ТУСУР, г. Томск.

Защита диссертации состоится 08 ноября 2007 г. в 1500 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 по адресу: 634034, г. Томск, ул. Белинского, д.

Автореферат диссертации разослан «05» октября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцентЮ.Н. Дементьев Актуальность работы. Герметичные электрические машины предна значены для работы на ядерно-химических производствах для обеспечения безопасности, защиты обсуживающего персонала и окружающей среды от вредного воздействия, в условиях аварийных режимов работы, со стороны технологического оборудования. Эксплуатация герметичных асинхронных двигателей в течение многих лет показала, что они имеют малый срок служ бы, вызванный проникновением внутрь технологических жидкостей вызы вающих разрушающее действие на конструктивные элементы машины.

Одним из слабых мест в герметизации машины является узел сочлене ния валов электродвигателя с исполнительным механизмом. Всевозможные попытки защитить узел сочленения валов различными типами уплотнения не принесли успеха. Наиболее распространенным способом герметизации асинхронных двигателей, получили защитные гильзы, которые устанавлива лись между статором и ротором электрической машины, защищая обмотки статора от воздействия среды. Однако такой способ, в силу уменьшения энергетических показателей ставит вопрос о разработке нового типа герме тичных электрических машин.

Решить данную задачу удалось благодаря успехам в разработке и ос воении редкоземельных постоянных магнитов, с высокой магнитной энерги ей и исследованию торцевых электрических машин. В разработке и исследо вании нового типа двигателя, герметизация осуществляется сплошным не подвижным экраном, который располагается между технологическим обору дованием и двигателем, при этом крутящий момент электродвигателя пере дается к рабочему органу через герметизирующую перегородку, выполнен ную из материалов стойких к агрессивной среде. Электродвигатель такого типа является объектом исследования в настоящей работе.

Использование электродвигателя дискового типа позволяет макси мально упростить конструкцию герметизирующего экрана и выполнить электрическую машину более надежной, так как основная часть двигателя остается вне зоны технологической емкости. Внедрение нового типа двига теля повышает экономическую эффективность за счет уменьшения затрат на ремонт оборудования и увеличения межремонтных сроков.

Однако анализ научно-технического состояния данной области техни ки показал, что разработка такого рода машин требует решения ряда задач, которые в настоящее время недостаточно проработаны и слабо освещены в технической литературе.

В данной работе проводится разработка герметичного синхронного двигателя с двумя магнитосвязанными роторами. За счет использования предложенной нами конструкции предполагается увеличение времени без отказной работы привода за счет герметичного исполнения магнитной сис темы машины.

Задачей разработки нового электродвигателя является исследование электромагнитных процессов, протекающих в электрической машине при двухроторном исполнении с магнитной связью между дисками роторов.

Снижение зубцового эффекта, моделирование процессов при наличии маг нитной связи, анализ динамических характеристик машины является основ ным направлением исследовательской работы. Также не достаточно изучен ным является влияние величины воздушного зазора на форму внешних ха рактеристик вследствие объемного распределения характеристик магнитного поля в рабочем воздушном зазоре электрической машины с аксиальным маг нитным потоком. Данное исследование необходимо проводить с использо ванием методов и алгоритмов, позволяющих анализировать параметры трехмерных магнитных полей и моделировать на базе их характеристики машины при изменении угла положения ротора относительно статора маши ны. Построение, таким образом, динамических характеристик способствует более глубокой проработке конфигурации активной зоны, а значит и разра ботке синхронного двигателя с наилучшими энергетическими показателями при условии герметичного исполнения магнитной системы.

В целом, разработанные математические модели и результаты теоре тических и экспериментальных исследований могут быть использованы при создании герметичных электромашинных для ядерно-химических произ водств.

Диссертационная работа была поддержана грантами:

• Президента Российской Федерации № МК-1128.2004.8, • индивидуального гранта Томского политехнического университета, при каз ректора от 07/05/07 № 2593.

Целью является разработка и исследование герметичного синхронного двигателя с двумя магнитосвязанными роторами для химического произ водства. В связи с этим решаются следующие задачи:

• разработка математических моделей для исследования трехмерного маг нитного поля синхронного двигателя;

• проведение комплекса теоретических исследований для поиска наилуч ших размеров геометрии магнитной системы;

• создание программного комплекса, позволяющего автоматизировать про ектирование синхронных машин с постоянными магнитами;

• разработка конструкции синхронного двигателя;

• изготовление макетного образца синхронного двигателя для эксперимен тальной оценки результатов теоретических исследований.

Научной новизной работы является:

1. Разработана модель электромеханического устройства на основе расчета трехмерного магнитного поля для моделирования дина мических режимов работы синхронных дисковых двигателей с магнитосвязанными роторами, позволяющая исследовать устой чивость работы электрической машины.

2. Предложена новая конструкция герметичного синхронного дви гателя дискового типа с магнитосвязанными роторами.

3. Разработана алгоритмическая модель синхронного двигателя дис кового типа на основе комбинированного метода для исследова ния статических характеристик и геометрии магнитной системы.

4. Создана математическая модель процесса взаимодействия магни тосвязанных роторов в дисковой синхронной электрической ма шине для динамических режимов работы.

Практическую ценность представляют следующие результаты ис следовательской работы:

1. Разработана конструкция герметичного синхронного двигателя с двумя магнитосвязанными роторами для оборудования химиче ского производства.

2. Предложена методика расчета стационарных электромагнитных процессов, позволяющая исследовать внешние характеристики машины с магнитосвязанными полюсами.

3. Разработан алгоритм полевой модели электромеханического уст ройства для моделирования и исследования динамических режи мов работы.

4. Создан программно-вычислительный комплекс моделирования статических и динамических электромагнитных процессов, с уче том использования современных численных методов, которые по зволяют проводить исследования дисковой электрической маши ны с постоянными магнитами.

Методы исследования При исследовании электромагнитных процессов, протекающих в маг нитной системе дискового двигателя, 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 нелинейных уравнений;

мат рично–топологический метод теории графов;

элементы метода Иванова Смоленского, а также эксперименты с макетными образцами синхронного дискового двигателя. Все исследования проведены с применением совре менной вычислительной техники.

Апробация Результаты проведенных исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на следующих конференциях:

• VIII всероссийская научно-техническая конференция “Современные тенденции в развитии и конструировании коллекторных и других электромеханических преобразователей энергии” (г. Омск, 2003г);

• международная научно-техническая конференция “Повышение эффек тивности производства и использования энергии в условиях Сибири” (г. Иркутск, 2005г);

• международная научно-техническая конференция с международным участием “Электротехника, электромеханика и электротехнологии” (г. Новосибирск, 2005г);

• международная научно-техническая конференция “Электромеханиче ские преобразователи энергии ” (г. Томск, 2005г);

• XI международная научно-практическая конференция студентов, ас пирантов и молодых учёных “Современные техника и технологии” (г. Томск, 2005г);

• всероссийская научно-техническая конференция с международным участием “Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий” (г. Екатеринбург, 2006г);

• XI международная конференция “Электромеханика, электротехноло гии, электротехнические материалы и компоненты”, МКЭЭЭ-2006, (г. Алушта2006);

• XII международная научно-практическая конференция студентов, ас пирантов и молодых учёных “Современные техника и технологии” (г. Томск, 2006г);

• всероссийская научно-техническая конференция молодых учёных “Наука. Технологии. Инновации” (г. Новосибирск, 2005г);

• всероссийская конфренция-конкурсного отбора инновационных про ектов студентов и аспирантов “Энергетика и энергосбережение” (г. Томск, 2006г).

Публикации По результатам выполненной работы опубликовано 17 докладов, 1 на учная статья и оформлена заявка на патентование вновь разработанной кон струкции синхронного двигателя, предназначенного для работы в условиях ядерно-химического производства.

Реализация результатов работы Основные выводы, полученные при исследовании синхронного двига теля с магнитосвязанными роторами, используются при разработке син хронных двигателей в насосах для откачки электролитов, по заданию ООО “Завод нестандартного оборудования”.

Разработанная конструкция синхронного двигателя с магнитосвязанны ми роторами, а так же теоретические и экспериментальные исследования используется при совершенствовании конструкций синхронных электриче ских машин в ООО “Тетран”.

На основе приведенной методики расчета трехмерных магнитных по лей разработана компьютерная программа, которая используется в учебном процессе при подготовке студентов в ФГОУ ВПО “Северская государствен ная технологическая академия”.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из пяти разделов и заключения, содержащих 145 страниц машинописного текста, 8 таблиц и рисунков, списка литературы из 94 наименований и приложений.

В первом разделе обоснована актуальность задач разработки и иссле дования герметичных электрических машин. Сформулирована цель, постав лены основные задачи, описана научная новизна и практическая ценность диссертационной работы, приведена краткая аннотация выполненной работы по разделам.

Во втором разделе проведен обзор существующих конструкций гер метичных электрических машин ядерно-химических производств, изложены основные технические требования и условия эксплуатации герметичного двигателя.

Для повышения эффективности работы на большинстве ядерно химических предприятий встает вопрос о модернизации технологического оборудования в связи с его износом, а также с непрерывным расширением и увеличением мощности производства. Вопрос модернизации должен затра гивать не только замену основного оборудования, но и решать проблему герметизации вспомогательного электрооборудования, использующего элек тропривода с герметичным электродвигателем. Актуальность герметизации отдельных установок несомненна в связи с высокой степенью химической активности перерабатываемых веществ, представляющих потенциальную опасность не только для технологического оборудования, но и для окру жающей биологической среды.

Таким образом, через место ввода движущихся частей при повышении давления или температуры возникает опасность выброса из технологическо го аппарата в окружающую среду высокотоксичных и агрессивных материа лов. При аварийных ситуациях, вследствие внештатной работы технологиче ского оборудования может быть нанесен непоправимый ущерб здоровью об служивающего персонала.

Анализ научно-технического состояния данной области техники пока зал, что разработка такого рода машин требует решения ряда задач, которые в настоящее время недостаточно проработаны и слабо освещены в техниче ской литературе. Для решения поставленной задачи предложена конструк ция герметичной синхронной электрической машины дискового типа (рис. 1), выполненная на базе аксиальной машины, которая наряду с пере численными достоинствами торцевых двигателей позволяет повысить вы ходную мощность.

В данной работе выбран синхронный двигатель с постоянными магни тами, который может быть применен в качестве приводного двигателя в тя желых условиях эксплуатации. Синхронный двигатель выполнен по класси ческой схеме с радиальным направлением магнитного потока в воздушном зазоре. Магнитное поле двигателя создается постоянными магнитами, рас положенными на роторе электрической машины. Статор машины содержит трехфазную обмотку. Выводы статорной обмотки соединяются с разъемом наконечника, через который осуществляется электропитание синхронного двигателя.

В предлагаемой конструкции двигатель состоит из двух дисков, на ко торых расположены высококоэрцитивные постоянные магниты (рис. 2). По стоянные магниты устанавливаются и удерживаются на дисках посредством сил магнитного притяжения.

10 12 1 14 2 B A B A 8 7 11 3 Рис. 1 Конструкция герметичной синхронной машины дискового типа 1 – ротор;

2,3 – диски;

3 – магниты;

6 – ярмо;

7 – статор;

8 – стержни;

10 – герметичная перегородка;

11 – каркас;

12 – корпус.13 – вал;

14 – часть тех нологического аппарата;

15,17 – щит;

16,18 – подшипники Рис. 2 Эскиз сечения статора и ротора 1 – корпус;

2 – стержень;

3 – обмотка;

4 – постоянные магниты;

5 – упоры Эскизы сечения статора и ротора приведены на рис 2. Упоры служат для предотвращения проскальзывания магнитов относительно ярма маши ны. Между дисками ротора находится статор, содержащий n количество стержней (рис 2) с намотанной на них обмоткой. Стержни статора закреп лены между герметичной перегородкой и каркасом, которые выполнены из немагнитного материала. Статор 7 размещается внутри прочного корпуса.

При этом диск устанавливается на валу внутри технологического аппарата и удерживается щитом с подшипниками. К щиту резьбовым соединением при крепляется прочный корпус. Диски и ротора взаимно притягиваются за счет магнитных сил и функционируют синхронно. Герметичная перегородка 10 и щит имеют сварное соединение с прочным корпусом и со стенками техноло гического аппарата. Постоянные магниты диска закрыты снаружи обечай кой 19 из немагнитного материала. Стержни статора выполняются из лис тов электротехнической стали.

На основании проведенного анализа определены задачи исследований.

В третьем разделе представлен анализ методов моделирования элек тромеханических устройств и определены основные допущения математиче ских моделей реализуемых на основе дифференциальных уравнений, чис ленного расчета схемы замещения и полевых методов. В результате было принято решение о разработке математической модели синхронного двига теля дискового типа с двумя магнитосвязанными роторами на основе комби нированного метода расчета использующего достоинства полевого метода и универсального метода зубцовых контуров.

Данное обстоятельство обусловлено следующими критериями: возмо жен расчет трехмерного магнитного поля с учетом нелинейности характери стик ферромагнитных материалов;

высокая эффективность решения полевой задачи и сравнительно несложное определение интегральных характеристик магнитной системы. Составление расчетных уравнений производится только для элементов магнитной системы, т.е. возможно описание открытых маг нитных 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.

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 после дифференцирования по частным производным и перехода к конечным раз ностям в матрично-векторной форме принимает вид:

hq = hст A m, (2) [ ] hq = H x (q ), H y (q ), H z (q ) T [ ]T m = M x1, M y1, M z1, K, M z n T J m rgqz lgy rgqy lgz J m rgqx lgz rgqz lgx J m rgqy lgx rgqx lgy hcm = ст j j 3 j j, ст j j 3 j j, ст j j 3 j j 4 j=1 4 j=1 4 j= rgqj rgqj rgqj ( ) rpqyi + rpqzi 2rpqxi M xi Vi 3rpqxi rpqzi M zi Vi 3rpqxi rpqyi M yi Vi 2 2...

5 5 rpqi rpqi rpqi ( ) rpqx + rpqz 2rpqy M y Vi 3rpqyi rpqzi M zi Vi 3rpqyi rpqxi M xi Vi 2 2...

i i i i A= 5 5 rpqi rpqi rpqi ( ) r 2 + r 2 2r 2 M V 3rpqzi rpqyi M yi Vi 3rpqzi rpqxi M xi Vi pqxi pqyi 5 pqzi zi i...

5 rpqi rpqi rpqi где hq вектор проекций напряженности магнитного поля в точке наблюде ния q ;

hcm вектор проекций напряженности поля, создаваемого сторонним током в точке наблюдения q ;

A матрица коэффициентов, в которой пер вый индекс переменной обозначает номер точки и показывает, по какой оси рассматривается влияние намагниченности, а второй – точку оси, на кото рую это воздействие создаётся;

B qi – вектор индукции магнитного поля в пределах Vi, совпадающий по направлению с H qi ;

m вектор компонент намагниченности, модуль которого определяется по характеристике мате риала B = f (H ) ;

r pqx, r pqy, r pqz, rnqx, rnqy, rnqz – проекции радиус-векторов r pq и r nq 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 намаг ниченности M i малого объема Vi ;

H xq, H yq, H zq – проекции вектора на пряженности поля в точке наблюдения q.

B qi M qi = H qi. (3) o При расчете вектор намагниченности высокоэнергетических магнитов принимается постоянным и совпадающим с направлением первоначального намагничивания.

Согласно с основными задачами разработки математической модели для описания электромагнитных процессов в статоре синхронного двигате ля, необходим переход к трехмерной схеме замещения магнитной цепи.

Описание электромагнитных процессов в статоре производится путем разбиения расчетной области на элементарные объемы и описания в преде лах каждого объема характеристик поля в виде сосредоточенных параметров рис. 3. При этом элементарный объем магнитопровода представлен в виде ветвей соединяющих нелинейные элементы и МДС.

Рис. 3 Участок магнитной системы на разделе сред магнитнопровод – воздух Участки статора, описывающие области возможного прохождения ос новного магнитного потока представлены в виде линейных проводимостей.

В результате магнитную систему статора можно представить в виде трех мерной схемы замещения, проводимости которой главным образом зависят от магнитной проницаемости среды.

На рис. 4 приведена трехмерная схема замещения статора синхронно го двигателя.

Рис. 4 Трехмерная схема замещения статора синхронного двигателя Исходными данными при расчете машины по данной схеме замещения является распределение характеристик магнитного поля полюсной системы ротора. При переходе к сосредоточенным параметрам, определяются магнит ные потоки, входящие в стержни статора. Далее аналогично подходам при моделировании электрической машины по схеме замещения с сосредоточен ными параметрами с учетом характеристик ферромагнитных сред.

Точность моделирования достигается за счет расчета поля в воздушном зазоре и определения величины потока с учетом геометрических особенно стей магнитной системы. С другой стороны переход к схеме замещения с со средоточенными параметрами не вносит существенных затруднений в мо дель при условии, что паз исполняется с одинаковой шириной.

Далее для расчета составляется система алгебраических уравнений описывающих электромагнитные процессы в статоре двигателя. Из (рис.4) видно, что даже при таком количестве разбиений магнитной системы состав ление уравнений без привлечения дополнительного математического аппара та носит весьма сложных характер, а при разбиении более пяти принципи ально не возможно.

В связи с этим учитывая сложность задачи и с целью автоматизации расчета нами предложено, использовать матрично–топологический метод графов, способствующий записи расчетных уравнений методом контурных токов для магнитных цепей с большим количеством узлов и объемной кон фигурации ветвей.

Топологические (геометрические) свойства электрической цепи не за висят от типа и свойств элементов, из которых состоит ветвь. Поэтому целе сообразно каждую ветвь схемы магнитной цепи изобразить отрезком линии.

Условное изображение схемы, в котором каждая ветвь заменяется от резком линии, называется графом магнитной цепи. Система уравнений мат рично–топологического метода.

A Ф = 0 ;

B U = 0 (4) ( B) ( A) (Ф K )T = ( B) [( F ) (Фm ) ( A)] где А – узловая матрица соединений;

В–матрица главных контуров;

Ф – столбцовая матрица потоков ветвей;

Um – матрица магнитных напряжений участков цепи.

Приведенная математическая модель синхронного двигателя позволяет моделировать статические и динамические режимы работы, проводить ана лиз выходных характеристик, исследовать дисковые электрические машины с большим воздушным зазором, проводить поиск наилучших геометрических соотношений магнитной системы.

В четвертом разделе приведены результаты теоретических исследо ваний математической модели торцевой машины.

Описание расчетной области проводится следующим образом. Опре деляются симметрии магнитопровода статора и полюсной системы ротора с целью минимизации размерности решаемой задачи. Затем, в зависимости от основных размеров геометрии машины, выбирается величина дискретизации элементов магнитной системы, участвующих в расчетной области. Построе ние расчетной области дискового двигателя производится путем разбиения компонентов магнитной системы на элементарные объемы, в пределах кото рых параметры магнитного поля принимаются постоянными. Достаточным шагом разбиения h считается то значение, при котором расстояние между текущей точкой расчета и источником поля не менее 3 – 5 h (см. раздел 3).

В общем случае, разрядность математической модели дисковой маши ны значительно возрастает при увеличении элементов магнитной системы и количества разбиений, участвующих при описании расчетной области.

С помощью разработанного программного комплекса был проведен расчет синхронного двигателя. При этом были определены данные о реаль ных магнитных потоках, потокосцеплениях каждого витка обмотки, полу ченные на основе комбинированного метода моделирования трехмерного магнитного поля машины.

В ходе теоретических исследований с помощью алгоритмической мо дели была определена степень неоднородности магнитного поля в стержне статора электрической машины, а так же обосновано выбор метода модели рования трехмерных магнитных полей при проектировании машин с акси альным магнитным потоком, влияние величины воздушного зазора на вы ходные характеристики электрической машины для определения возможно сти герметичного исполнения магнитной системы электрической машины.

Исследование неоднородности магнитного поля в стержне статора дискового двигателя выполнено на основе рассмотрения изменения характе ристик поля вдоль аксиальных и радиальных размеров статора машины.

.

Рис. 5 Магнитное поле в стержне дискового двигателя На рис. 5 представлены результаты расчета магнитной индукции в пре делах элементарного объема, расчета которые качественно отражают значи тельную неоднородность поля в стержне машины и этим подтверждают не обходимость рассмотрения трехмерного распределения параметров магнит ного поля при проектировании синхронного двигателя с аксиальным маг нитным потоком.

Для дальнейшего исследования математической модели были рассмот рены режимы работы двигателя при пуске и набросе нагрузки на приводной диск ротора. В результате исследования выявлено, что изменение нагрузки влияет на угол сдвига дисков ротора относительно друг друга в переходных режимах работы. Угол сдвига может достигать величины не более одной третей полюсного деления и в ряде случаев снижает момент сопротивления на валу обусловлен зубцовым эффектом.

Рис. 6 Изменение магнитного потока в воздушном зазоре приводного и подмагничивающего ротора В результате, образование угла сдвига обусловлено инерционностью приводного диска ротора, а так же колеблющимся относительно него под магничевающего диска. Величина колебаний зависит от силового взаимо действия роторов между собой. Теоретическое исследование показало, что при недостаточном взаимодействии дисков роторов возможен выход из син хронизма приводного ротора из-за резкого снижения величины основного магнитного потока.

Для проверки силового взаимодействия в основном воздушном зазоре, была построена зависимость момента от изменения величины воздушного зазора.

На рис. 7 представлена зависимость момента двигателя работающего под статической нагрузкой, при изменении величины воздушного зазора.

Из рис. 7 видно, что при увеличения воздушного зазора с 0,5 по 1 мм при внесении герметизирующей перегородки происходит уменьшение электро магнитного момента на 10 %. Увеличение зазора влияет на жесткость харак теристики и делает ее круто падающей из-за влияния потока рассеяния в воздухе. Величина воздушного зазора зависит от толщины и материала изго товления немагнитной перегородки, которая определяется давлением и аг рессивностью рабочей среды.

М Н*м 0,0005 0,0006 0,0007 0,0008 0,0009 0, м Рис. 7 График зависимости момента от изменения величины воздушного зазора Представленная конструкция дискового электродвигателя обладает с одной стороны высокой технологичностью и простотой сборки, с другой стороны наличием зубцового эффекта, обусловленного построением магнит ной системы. Статический момент сопротивления от зубцового эффекта со ставляет 0,48 Hм при воздушном зазоре 1 мм.

В пятом разделе представлены результаты экспериментальных иссле дований макетных образцов синхронных двигателей. Для дальнейших иссле дований и оценки адекватности результатов теоретических расчетов был сконструирован и испытан макетный образец рис. 8 герметичного синхрон ного двигателя с аксиальным магнитным потоком.

Рис. 8 Конструкция макетного образца дискового двигателя с магнитосвязанными роторами 1 – ротор;

2 – стержень статора двигателя;

3 – подшипниковый узел;

4 - контргайка;

5 – опора с подшипниковым узлом;

6 – гайка прижимного щита;

7 – шпилька;

8 – вал;

9 - прижимной щит Для проведения исследований было изготовлено и испытано шесть ма кетных образцов для сравнения энергетических характеристик при двух спо собах изготовления магнитопровода статора. На основании полученных дан ных в результате экспериментального исследования, построены характери стики рис. 9, зависимости критического момента, при котором электрическая машина работает на грани устойчивости, от скорости вращения.

М м*н Рис. 9 - Зависимость величины критического момента от скорости вращения, при постоянной нагрузке 1 – СД с двумя жестко связанными роторами, с ферромагнитными стержня ми;

2 – СД с двумя магнитносвязанными роторами с ферромагнитными стержнями;

3 – СД с двумя жестко связанными, с монолитными стержнями;

4 – СД с двумя магнитносвязанными роторами, с монолитными стержнями;

5 – СД с одним ротором, с ферромагнитными стержнями;

6 – СД с одним ро тором, с монолитными стержнями По кривым (1,2,3,4) видно, что энергетика машины с двумя дисками выше более чем в 1,5 раза по сравнению с двигателем, с одним ротором.

Так же такого типа машины позволяют монолитное исполнения стержней в связи с тем, что потери в магнитопроводе низкие на малых скоростях.

Уменьшение критического момента на малых скоростях за счет действия инерционных сил обусловлено массивным исполнением роторов машины с одной стороны и малым количеством стержней статора влияющих на ста бильность скорости вращения.

Для дальнейшего исследования были рассмотрены режимы работы двигателя при пуске и внезапном набросе нагрузки рис.10 на приводной диск ротора. В результате экспериментального исследования выявлено, что изменение нагрузки влияет на угол сдвига дисков ротора относительно друг друга в переходных режимах работы. Угол сдвига может достигать величи ны не более одной третей полюсного деления. При значительном увеличе нии угла сдвига дисков ротора относительно друг друга возможен выход двигателя из синхронизма.

а) б) Рис. 10 Изменение магнитной индукции при пуске двигателя (а) и набросе нагрузки (б) Из рис. 10 видно, что подмагничевающий диск ротора опережает при водной диск ротора на некоторый угол. Данное обстоятельство обусловлено увеличением нагрузки на валу приводного диска ротора.

В заключении приведены основные результаты выполненных научных исследований, которые состоят в следующем:

1. Анализ состояния существующих герметичных электродвигателей по казал, что для обеспечения надежных условий эксплуатации электро двигателей в составе технологического оборудования ядерно химического производства, необходимо заменить общепринятые сис темы герметизации, герметичные электродвигатели, на более совер шенные конструкции, обеспечивающие высокие показатели надежно сти работы при аварийных ситуациях.

2. Проведенный анализ литературы и патентов показал, что дисковые магнитоэлектрические двигатели обладают рядом положительных ка честв, которые позволяют успешно применять их в составе регулируе мого электропривода. В качестве объекта исследования выбран диско вый синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов.

Двигатель содержит два магнитосвязанных ротора один из которых приводной, а второй подмагничивает и увеличивает магнитное поле машины.

3. Для обеспечения более высокой надежности герметичность дискового синхронного двигателя целесообразно обеспечивать установкой не магнитного экрана между статором и ротором, закрывающего уязви мые элементы магнитной системы машины (пазы статора, обмотки и полюсную систему ротора).

4. Сравнительный анализ расчётных методов показал, что аналитическое решение уравнений магнитного поля ротора затруднительно. Для чис ленного решения задачи моделирования магнитного поля ротора целе сообразно использовать метод интегрирования по источникам поля, позволяющий производить расчет трехмерного магнитного поля с уче том нелинейности характеристик ферромагнитных материалов.

5. Анализ математических моделей показал, что при расчете статора син хронного двигателя, наиболее оптимальным решением будет примене ние универсального метода Иванова–Смоленского позволяющего с допустимой точностью моделировать процессы в статоре.

6. Разработанная математическая модель, синхронного двигателя диско вого типа с магнитосвязанными, на основе комбинированного метода расчета использующего достоинства полевого метода и универсально го метода зубцовых контуров позволяет рассчитать параметры син хронного двигателя, исследовать статические и динамические режимы работы, получить зависимости положения дисков полюсной системы относительно статора машины.

Результаты теоретического исследования показали, что во время рабо 7.

ты машины сдвиг дисков ротора равен нулю, это обусловлено тем, что радиальные силы притяжения полюсов значительно больше электро магнитных сил создающих приводной момент.

В результате теоретического исследования выявлено, что в дисковой 8.

машине с магнитосвязанными полюсами момент критический на ма лых скоростях незначителен и зависит от колебаний дисков ротора при набросе нагрузке, а так же повешенной инертностью роторов.

Теоретическое исследование статической устойчивости при разных 9.

скоростях работы двигателя позволило сделать вывод о том, что выход из синхронизма возможен и проявляется при совпадении частот вра щения роторов с частотой их колебаний относительно друг друга.

Полученные, по результатам проведенных экспериментальных иссле 10.

дований, зависимости подтвердили правильность выбранных методов и адекватность созданных математических моделей. В результате сравнения расчетных характеристик с экспериментально полученными данными, определена погрешность математических моделей дискового двигателя, значение которой не превышает 10%.

Выполненный анализ статических характеристик, при двух способах 11.

изготовления магнитопровода статора показал возможность примене ния цельнометаллических стержней в составе статора синхронного двигателя, при этом потери составляют не более 15 %.

Выполнено экспериментальное исследование внешних характеристик 12.

дискового двигателя при изменении скорости вращения вала и вели чины воздушного зазора дисковой машины. Определен характер изме нения энергетических характеристик дискового двигателя. При увели чении воздушного зазора происходит снижение преобразуемой двига тельной мощности в допустимых пределах, что подтверждает возмож ность установки немагнитного экрана в воздушном зазоре.

Исследовано положение дисков полюсной системы при пуске двигате 13.

ля и ступенчатой нагрузке на максимальный момент. Установлено, что в динамическом режиме подмагничевающий ротор опережает привод ной ротор на пятнадцать градусов, при этом в установившемся режиме работы сдвиг роторов равен нулю.

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. Федянин А.Л., Муравлев О.П., Леонов С.В., Калаев В.Е., Лялин А.В.

Исследование герметичной синхронной машины дискового типа // Изв. ву зов. Электромеханика, 2006. - №3. С. 23-25.

2. Федянин А.Л., Каранкевич А.Г., Леонов С.В., Муравлев О.П., Кала ев В.Е., Лялин А.В. Моделирование трехмерного магнитного поля торцевого электромашинного генератора // Материалы VIII всероссийской НТК «Со временные тенденции в развитии и конструировании коллекторных и других электромеханических преобразователей энергии» Омский государственный университет путей сообщения. Омск, 2003. С. 83 – 87.

3. Федянин А.Л., Леонов С.В., Каранкевич А.Г., Муравлев О.П. Про граммный комплекс моделирования электромагнитных процессов // Межвуз.

Сб.науч.трудов «Оптимизация режимов работы электромеханических сис тем». Красноярск. ИПЦ КГТУ, 2004. С.127-132.

4. Федянин А.Л., Леонов С.В., Муравлев О.П., Лялин А.В. Исследова ние характеристик герметичного электродвигателя дискового типа // Мате риалы Международной НТК «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» Иркутск, ИрГТУ, 2005. С. 182 186.

5. A.L. Fedyanin, S.V. Leonov, O.P. Muravlev, V.E. Kalaev. The Engineer ing Support of Technologies of the Power Complex // The 9-th Korean –Russian International Symposium on Science & Technology (KORUS 2005) -т.Vol.2 Novosibirsk: Novosibirsk State Technical University (NSTU), 2005. - c. 268-272.

6. Федянин А.Л., Леонов С.В., Лялин А.В., Щипков А.А. Герметичная электрическая машина // Материалы второй НТК с международным участи ем «Электротехника, электромеханика и электротехнологии». Новосибирск.

Изд-во НГТУ, 2005. – С. 8-10.

7. Федянин А.Л., Леонов С.В., Муравлев О.П. Программный комплекс моделирования электромеханических устройств // Материалы международ ная НТК «Электромеханические преобразователи энергии», Томск: Изд.

ТПУ, 2005. С.163-165.

8. Федянин А.Л., Леонов С.В., Муравлев О.П. Герметичный двигатель переменного тока для химического производства // Труды XI Международ ной НПК студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии» (СТТ’2005), Томск: Изд. ТПУ, 2005. С. 346-347.

9. Федянин А.Л., Лялин А.В., Леонов С.В., Муравлев О.П. Влияние эк ранирующей перегородки на энергетические характеристики синхронной машины // Труды Всероссийской НТК с международным участием «Акту альные проблемы энергосберегающих электротехнологий» Екатеринбург:

УГТУ-УПИ, 2006. С. 216 – 221.

10. Fedyanin A.L., Leonov S.V., Muravlev O.P. Experimental Investigation of a sealed A.C. Motor of Disk Type // Proceedings of the 11th International Sci entific and Practical Conference of Students, Post-graduates and Young Scientists “Modern Technique and Technologies” (MTT’2005), Tomsk, Tomsk Polytechnic University, 2005. P. 92-94.

11. Федянин А.Л., Леонов С.В., Муравлев О.П. Исследование режимов работы низкоскоростных синхронных двигателей // Материалы XI-ой Меж дународной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электро технические материалы и компоненты», (МКЭЭЭ-2006), г. Алушта 2006. С.

34 – 37.

12. Федянин А.Л. Низкоскоростной синхронный электродвигатель // Материалы Всероссийской конфренции-конкурсного отбора инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению «Энерге тика и энергосбережение». Томск: ТПУ, 2006. С. 137-142.

13. Федянин А.Л., Лялин А.В., Леонов С.В. Исследование синхронного двигателя дискового типа со смещением полюсов // Материалы XII Между народной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (СТТ’2006), Изд. ТПУ, 2006. С. 297 300.

14. Федянин А.Л., Леонов С.В. Информационные технологии в модели ровании электромеханических систем // Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», Новоси бирск: НГТУ, 2006. С. 258-259.

15. Федянин А.Л., Леонов С.В., Муравлев О.П. Анализ применения дис ковой машины с магнитной связью двух роторов в составе оборудования ядерно-химической отрасли // Материалы XIII Международной НПК студен тов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии» (СТТ’2007), Изд. ТПУ, 2007. С. 346-347.

Личный вклад автора В работах написанных в соавторстве, автору принадлежит: исследо вание влияние угла сдвига дисков роторов [1,13] (55%), алгоритм математи ческой модели магнитного поля [2] (40%), разработка основных расчетных модулей программного комплекса [3,7,14] (60%), разработка математической модели взаимодействия дисков ротора [15,8] (65%), разработка алгоритми ческой модели для исследования статических и динамических характеристик [4,5,6,11] (65%), обзор существующих конструкций герметичных двигателей [9,10,12,15] (75%).

Подписано в печать.

Формат бумаги 60ч84/16. Бумага ксероксная.

Плоская печать. Печ. л.

Тираж 100 экз. Заказ 122. Цена свободная.