Низкоскоростной торцевой синхронный генератор автономных источников электроснабжения
На правах рукописи
ФЕДИЙ Константин Сергеевич НИЗКОСКОРОСТНОЙ ТОРЦЕВОЙ СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР АВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 05.09.01 Электромеханика и электрические аппараты
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Красноярск – 2007
Работа выполнена в Политехническом институте ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» Научный руководитель кандидат технических наук, доцент, Встовский Алексей Львович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Христинич Роман Мирославович кандидат технических наук, доцент Жуков Сергей Павлович
Ведущая организация: Красноярский государственный аграрный университет (КрасГАУ)
Защита состоится 14 ноября 2007 года в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 212.099.07 при ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» по адресу: 660074, г. Красноярск, ул. Киренского, 26, корпус «А», ауд.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Политехнического ин ститута ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».
Автореферат кандидатской диссертации размещен на официальном сайте ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет». (http://www.sfu kras.ru/science/dissertations).
Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учрежде ния, просьба отправлять по адресу: 660074, г. Красноярск, ул. Киренского, 26, ПИ СФУ, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.099. факс (3912) 43-06-92 (для кафедры ТЭС) e-mail: [email protected] Автореферат разослан «13» Октября 2007 г.
Учёный секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент Е. А. Бойко
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
Проблема дефицита электроэнергии во многих районах нашей страны мо жет быть решена развитием малой энергетики с использованием богатых вод ных ресурсов.
На территории Красноярского края, обладающего колоссальными гидроре сурсами (включая не только большие, но и малые реки), возможно применение свободнопоточных микроГЭС мощностью до 30 кВт и выше.
Турбина свободно-поточной микроГЭС в зависимости от скорости реки и мощности установки вращается с частотой от 80 – 120 об/мин. Производство свободно-поточных микроГЭС сдерживается из-за их относительно высокой стоимости и низкой надежности, вследствие отсутствия герметичного низкоско ростного генератора малой мощности. Анализ надежности микро ГЭС и ветро энергетических установок показывает, что большая часть повреждений вызыва ется выходом из строя генератора и мультипликатора (механизма, повышающе го обороты рабочего колеса от 80-120об/мин до необходимых 750-1000 об/мин серийно выпускаемых генераторов). Эти же элементы составляют определен ную часть стоимости всей установки.
Применение низкоскоростных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов для микро ГЭС и ВЭУ является актуальным с точки зрения обеспече ния хороших массогабаритных показателей, простоты конструкции, отсутстви ем скользящих контактов, с возможностью выполнять генератор низких скоро стей вращения, что обуславливает низкую стоимость и высокую надежность.
Применение низкоскоростных генераторов упрощает конструкцию мультипли катора, а в ряде случаев позволяет обходиться без него.
Область применения торцевых машин не ограничивается только автоном ными микро ГЭС и ВЭУ. Начиная с 50-х годов нашего столетия торцевые ма шины заняли ведущие позиции в технике электроснабжения транспортных средств (авиация и космическая техника, железнодорожный и другие виды транспорта), в ряде промышленных приводов.
Анализ литературных источников свидетельствует о большом интересе ис следователей к торцевому типу машин.
В тоже время торцевая конструкция не позволяет воспользоваться извест ными методами и методиками расчета цилиндрической электрической машины и требует разработки частных подходов к расчету таких видов машин. Низко скоростная конструкция торцевого генератора вызывает необходимость разме щения постоянных магнитов многополюсного ротора, обмоточных структур статора при ограничении радиального габарита машины, обеспечении качества выходного напряжения, формировании достаточно жесткой внешней характери стики. Предлагаемая оригинальная конструкция ротора с постоянными магни тами, при достаточно высокой технологичности, не позволяет регулировать магнитный поток, что требует ограничения сопротивлений статорной обмотки, в частности индуктивного сопротивления пазового рассеяния. Все это говорит о необходимости проведения математического моделирования электромагнитного поля в машине с постоянными магнитами, с целью создания инженерной мето дики расчета машины с постоянными магнитами, отличающейся относительной простотой, гибкостью, универсальностью в сочетании с низкой погрешностью.
Кроме того, опыт проектирования и изготовления торцевых синхронных генераторов показывает необходимость применения современного подхода к моделированию основных физических процессов с использованием детальных твердотельных трехмерных моделей (CAD системы) и решения задач оптимиза ции геометрии низкоскоростного торцевого синхронного генератора (НТСГ).
Настоящая работа посвящена исследованию такого типа машин.
Цель работы – совершенствование конструкции низкоскоростного торце вого синхронного генератора, на основе исследования электромагнитного поля в активном объеме машины путем сочетания численных методов расчета и совре менных компьютерных технологий.
Задачи исследования:
1. На основе анализа существующих конструкций обосновать выбор ма логабаритного герметичного генератора и способы повышения его энергетиче ской эффективности;
2. Разработать математическую модель для исследования активных зон торцевого генератора с постоянными магнитами;
3. Разработать методику исследования НТСГ с помощью современных программных систем конечно-элементного анализа;
4. Провести комплекс теоретических исследований для оптимизации гео метрии магнитной системы методом Соболя-Статникова и разработать про граммное обеспечение в среде Delphi для твердотельного моделирования;
5. Изготовить макетный образец торцевого генератора и эксперименталь но оценить результаты теоретических исследований.
Объект исследования: низкоскоростной торцевой синхронный генератор с возбуждением от продольно намагниченных постоянных магнитов на основе редкоземельных материалов (РЗМ).
Предмет исследования: электромагнитные поля и процессы в активном объеме торцевого синхронного генератора и способы снижения массы и габари тов, повышения энергетических показателей машины.
Научной новизной является:
1. Математическая модель НТСГ, разработанная на основе аналитическо го исследования магнитного поля, позволяющая осуществлять расчет электро магнитного поля с учетом нелинейности характеристик ферромагнитных мате риалов;
2. Методика расчета и исследования активной зоны торцевого синхрон ного генератора с постоянными магнитами с помощью пакета конечно элемент ного анализа ANSYS;
3. Постановка и решение задачи оптимизации геометрии торцевого син хронного генератора на базе созданной математической модели по критерию минимума массы активных материалов и максимуму перегрузочной способно сти при заданном напряжении.
Практическую ценность представляют следующие результаты работы:
1. Разработана оригинальная конструкция герметичного торцевого гене ратора, обеспечивающая высокую энергетическую эффективность автономных источников питания;
2. На основе комплексных теоретических исследований определена оп тимальная (по минимуму массы и высоким энергетическим показателям) гео метрия электромагнитной системы НТСГ;
3. Разработана методика расчета стационарного электромагнитного поля, являющаяся основой проектирования предлагаемого торцевого синхронного ге нератора.
4. По разработанной методике электромагнитного расчета спроектирова ны и изготовлены опытно-промышленные образцы торцевого генератора, кон струкция которого защищена патентом (Положительное решение о выдаче па тента РФ от 29.05.07. Торцевая электрическая машина. Номер заявки №2006121299 от 15.06.06).
Достоверность научных результатов подтверждена удовлетворительным совпадением результатов численного моделирования, полученных с помощью разработанной математической модели низкоскоростного торцевого синхронно го генератора, с результатами натурных экспериментов, проведенных на опыт ном образце.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Математическая модель электромагнитного поля торцевого синхронно го генератора, позволяет по известным геометрическим размерам и характери стикам материалов статора и ротора найти мгновенное распределение индукции и напряженности, позволяющее определять выходные характеристики и мощ ность.
2. Для получения распределения индукции в активной зоне машины наи более рациональным представляется применение программного комплекса AN SYS.
3. Решение задачи многокритериальной оптимизации торцевого синхрон ного генератора методом Соболя-Статникова, обеспечивает получение опти мальной геометрии по критерию минимума массы активных материалов и мак симума перегрузочной способности при заданном напряжении.
4. Предложенная конструкция эффективного автономного маломощного герметичного генератора с концентрацией магнитного потока обеспечивает наибольшую эффективность по стоимостным и энергетическим показателям.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты докла дывались автором и обсуждались на межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь Сибири науке России», (Красноярск, 2004 г);
на 11 международной научно практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (ТПУ 2005г), межрегиональной научно-практической конференции «Инновационное развитие регионов Сибири», (Красноярск, 2006 г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе статья в издании по перечню ВАК, 1 решение о выдаче патента РФ на полезные модели, 7 публикаций в межвузовских сборниках научных трудов, сборниках международных и межрегиональных научно-практических конференций и се минаров.
Структура и объем диссертации: Диссертационная работа состоит из вве дения, четырех разделов, заключения, списка литературы и двух приложений.
Содержит 157 страницы, из которых 143 стр. – основной текст, иллюстрируется 70 рисунками, 2 стр. – приложения, 12 – библиографический список из 126 на именований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В ведении определены основные тенденции развития микроГЭС, а также ветроэнергетических установок (ВЭУ), обоснована актуальность использования в автономных электрических станциях малой мощности с низкооборотным пер вичным двигателем в качестве источников электрической энергии торцевых синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов. Сформули рованы цель диссертационной работы, научная новизна и практическая цен ность поставленных задач.
В первой разделе проведен обзор существующих малогабаритных авто номных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов, с позиции ис пользования их в указанных установках и рассмотрены проблемы, связанные с их применением.
Выбор торцевой конструкции генератора с постоянными магнитами в каче стве объекта исследования определен важными преимуществами торцевых электрических машин перед машинами классической конструкции. Это связано с простотой конструкции, отсутствием скользящих контактов, возможностью многопакетного исполнения, лучшим охлаждением активной части из-за распо ложения тепловыделяющих узлов вблизи периферийных поверхностей машины.
Малый осевой габарит генератора с возбуждением от постоянных магнитов дает возможность обеспечить конструктивную совместимость их с рядом механиз мов, компактность и удобство эксплуатации и сборки.
В основу НТСГ положен предложенный В.М. Казанским в качестве обмо точной структуры активный распределенный слой (АРС) статора, а возбуждение осуществляется от продольно намагниченных постоянных магнитов на основе редкоземельных материалов.
Торцевая электрическая машина содержит два статора 1 (рис. 1) смонтиро ванных на подшипниковом щите 2 машины, закрепленном в корпусе 3, и ротор.
Ротор включает составной диск 4, и ступицу 5. Диск 4 закреплен на ступице 5.
соединенной с валом 6, который установлен в подшипниках 7 и 8 подшипнико вых щитов 2 и 9. Основой диска 4 ротора является кольцо 10 (рис. 2), на кото ром по периметру закреплены радиально ориентированные магнитомягкие по люсы 11, имеющие в радиальном направлении форму трапеции, обращенной меньшим основанием к кольцу, и - двояковогнутого шестиугольника в попереч ном сечении. Между полюсами 11 размещены постоянные магниты 12 (рис. 2, 3), имеющие в поперечном сечении форму выпуклого неправильного шести угольника, сопряженную с поверхностями двух соседних полюсов в радиальном и осевом направлениях, для фиксации магнитов на диске ротора, так, что сосед ние магниты обращены друг к другу одноименными полюсами.
Рис. 2 – Ротор НТСГ.
Рис. 1 – Торцевая электрическая машина. Рис. 3 – Статор и ротор НТСГ.
Также в разделе проведен сравнительный анализ численных и аналитиче ских методов моделирования магнитного поля в электрических машинах. Пока зано, что для решения определенного класса задач целесообразно применять аналитический метод конечных элементов. Выбор метода конечных элементов обусловлен следующими критериями: возможен расчет магнитного поля с уче том нелинейности характеристик ферромагнитных материалов;
высокая эффек тивность решения полевой задачи и сравнительно несложное определение инте гральных характеристик магнитной системы;
составление расчетных уравнений производится только для элементов магнитной системы, т.е. возможно описание открытых магнитных систем.
Второй раздел посвящен разработке математической модели и теоретиче скому исследованию магнитного поля возбуждения торцевого синхронного ге нератора с концентрацией магнитного потока. Поставлена и решена задача рас чета магнитного поля возбуждения торцевого синхронного генератора с концен трацией магнитного потока методом конечных элементов.
Исходными данными для решения являются развертка машины с постоян ными магнитами (рис. 4), семи зонная расчетная модель, а также общие реше ния уравнений магнитостатики для дискретно-однородной полосы с постоян ными магнитами в виде рядов по кусочным функциям и для однородных полос по гладким собственным µ = Остов ротора тригонометрическим функ µ0 циям. Уравнения магнито Конструктивный зазор статики для любой зоны Магнит Полюс 6 y машины имеют вид:
µ0 Hx = ;
Hy = ;
Зубцовый слой статора x y µ0 -J +J Воздушный зазор Bx B y b + =0;
hм 2 Полю с Магнит x y 2t Bx = B ( x ) + µ x ( x )H x ;
р 1 Конструктивный зазор µ B y = µ y ( x )H y.
µ = Остов ротора где µ x ( x ), µ y ( x ) – ступен Рис. 4 – Развертка машины с постоянными магнитами.
чатые функции координаты x;
H x, Bx – компоненты векторов магнитной индук ции и напряженности по оси х;
H y, B y – по оси y;
B ( x ) – функция остаточной индукции магнита.
Структура активного объема торцевой электрической машины, используе мая для построения расчетной модели, представлена в общепринятом виде по перечным разрезом на рис. 3.
Выражение для составляющей вектора магнитной индукции в воздушном зазоре (зона 3, 5) расчетной модели, полученная из решений уравнений магни тостатики имеет вид:
k k k k, B3 y = µ = µ M k sin x = С3 y sin x (1) ch y где M k – постоянные интегрирования определяемые из условия непрерывности потенциала, – полюсное деление по среднему диаметру, – величина воз душного зазора.
Поле возбуждения В3 y, созданное магнитами ротора и поле реакции якоря В4 y относительно неподвижны, а поле реакции якоря является периодическим, с периодом равным периоду поля возбуждения. Пространственно эти поля сдви нуты друг относительно друга на внутренний угол нагрузки. Тогда поле ре акции якоря этой же поверхности будет описываться выражением:
k В 4 у ( x, y ) = C 4 y sin x + k, (2) где C 4 y – постоянная интегрирования являющаяся функцией настила тока:
u псл I ф J=. (3) t где u псл – число проводников в пазу статора, t1 – зубцовый шаг статора по внут реннему диаметру.
Соотношение для фазного тока статора может быть получено из уравне ния, составленного по второму закону Кирхгофа для одной из фаз.
I Ф z Н = I Ф (rа + j x Л ) j.
...
(4).
где I Ф – ток фазы статора;
rа – активное сопротивление фазы статора;
x Л – ин дуктивное сопротивление лобового рассеяния, неучтенное в модели (рис. 3);
.
– потокосцепление в активной зоне фазы;
z Н – сопротивление нагрузки.
Составляющая j в соответствии с законом электромагнитной индук & ции определяется:
j ф = j Wф B y l dx.
& (5) где B y – сумма векторов магнитной индукции реакции якоря В4 у (2) и ротора B3 y (1);
Wф – число витков фазы статора;
l – активная длина пакета статора.
Подставив в (5) выражение вектора магнитной индукции реакции якоря В4 у (2) и ротора B3 y (1) решаем уравнение (4) относительно тока. После несложных преобразований выражение для фазного тока статора примет вид:
j Wф B 3 y l I ф. = (6) rа + j x л + j Wф l µ0 u псл Y ( X + Z ) z Н h + x + x sh М sin k sin, где Y= x t1 cos cos( ) ch Z = sh (hМ + ) sh, X = ch (hМ + ) ch 1, здесь hМ – высота магнита.
Так как числитель представляет собой ЭДС магнитного поля ротора, тогда синхронное индуктивное сопротивление равно:
xd = j Wф l µ0 u псл Y ( X + Z ) + j x л, (7) Электромеханическая мощность, развиваемая ротором синхронной маши ны с беспазовым статором, равна приращению действительной части потока вектора Пойнтига при переходе через границу ротор – воздушный зазор. Учи тывая, что на граничной поверхности касательные составляющие напряженно.....
сти магнитного поля равны H 3 x = H 4 x, а E 4 E 3 = B yp для первой гармоники можно записать:
/ b * P = 2 p l Re Byp sin + H dx. (8) Используя это выражение, аналитически рассчитывается номинальное зна чение мощности PН, подставлением в выражение (8) значение угла, рассчи танного при номинальном значении фазного тока I Ф. Угловая характеристика торцевого синхронного генератора и позволяет проанализи-ровать влияние геометрических параметров на P,кВт перегрузочную способность генера- тора.
данные, Экспериментальные показали, что расчетная математиче- ская модель гарантирует хорошую сходимость расчетных и экспери- ментальных характеристик проекти 4, рад руемого генератора. 0 1 2 Расчетная характеристика Расчетная и экспериментальная Экспериментальная характеристика угловая характеристики активной Рис. 5 – Угловые характеристики генератора генератора P = 2 кВт мощности представлены на рис. 5.
В третьем разделе проведен анализ степени неоднородности магнитного поля торцевого синхронного генератора и его моделирование методом конечных элементов (МКЭ) с помощью специализированного комплекса ANSYS.
Применение при разработке специализированного программного обеспече ния Solid Works 2006 для создания геометрических моделей позволяет быстро и наглядно оценить результаты расчетов.
В большинстве проводимых иссле дований в среде ANSYS пользователи сводят свою задачу к плоско параллельной модели. Такое моделиро вание наиболее простое и, наименее тру доемкое. Однако при таком подходе нет полной картины распределения магнит ного поля. В данном же случае примене ние плоско-параллельной задачи невоз можно из-за специфически сложной гео метрической модели.
Рис. 6.- Твердотельная расчетная модель. При решении трехмерной полевой задачи обычный пользовательский компьютер не в состоянии произвести расчет сетки магнитной системы генератора с большим количеством элементов без ее преобразования.
Расчетная модель (рис. 6) была упрощена по сравнению с реальной конст рукцией приведенной на рисунках 1,2 за счет проведения исследования одной фазы модели с PH = 1000 Вт, p = 12, а также за счет замены слоев провода в об моточном модуле распределенной обмотки статора намотанных на пластины геометрическими объемами прямоугольной формы.
При построении КЭ модели материалы постоянных магнитов и электротех нических сталей задавались с использованием В-H характеристик. При этом В-H характеристики РЗМ приняты линейны, а магниты однородными, изотропными, равномерно намагниченными. Таким образом, КЭ модели не используют допу щения о бесконечной магнитной проницаемости магнитопровода и построены на основе реальной геометрической конфигурации исследуемых электрических машин. В связи с этим, полученные МКЭ решения можно считать «точными».
Такое предположение позволяет сопоставить результаты расчетов по формулам с результатами расчетов МКЭ, и перейти к анализу погрешности аналитических решений. Для оценки точности аналитического решения использованы значения магнитной индукции в зазоре машины.
Преобразованная геометрическая модель, полученная в результате кон струирования активной зоны синхрон ного генератора, в конечно элементную модель представлена на рис. 7. Полученная модель использует ся как основа для конечно-элементного анализа и реализации решения.
Наличие зубцов статора приводит к тому, что кривая магнитной индук ции имеет волнообразный характер и ЭДС, индуцируемая в проводнике, ле Рис. 7 – Конечно элементная модель.
жащем в пазу якоря, имеет такой же вид. Для сравнения качества выходного напряжения в зависимости от числа зубцов в статоре проведен анализ изменения магнитной индукции генераторов ( P = 1000 Вт, p = 12 ) с различным исполнением магнитной системы таблица 1.
Таблица 1. – Исследуемые магнитные системы.
Вариант Uф, В X П, Ом B, Тл PMAX, Вт GМ, кг Di,м Z 1 0,229 216 45,256 0,668 1148 199,11 0, 2 0,343 324 7,52 0,659 3303 229,48 0, 3 0,458 432 2,405 0,638 5,301 226,56 0, Исследование неоднородности магнитного поля в торцевом син хронном генераторе выполнено на основе рассмотрения изменения маг нитной индукции вдоль поверхности полюсов ротора и статора на одну фазу машины. Распределение маг нитной индукции в фазе статора с числом зубцов Z = 324 представлено на рис.7.
Анализ рис. 8 показывает, что результаты расчета магнитной ин дукции в зазоре МКЭ соответствует Рис. 8 – Распределение магнитной индукции в фазе статора. аналитическим решениям. Получен ные результаты, несмотря на упрощение расчетной трехмерной модели, имеют хорошую сходимость с двухмерной математической моделью, разброс получен ных результатов составляет не более 5%, что подтверждает правильность мате матического аппарата для проектирования ТСГ. Так же подтверждается теоре тическое заключение о том, что в машине с продольно намагниченными магни тами большая часть поля вытесняется в область рабочего зазора.
На основе полученных данных была вычислена относительная погрешность расчета. Полученные значения магнитной индукции в зазоре и погрешностей рассчитанных генераторов сведены в таблицу 2.
Таблица 2. – Относительная погрешность методов расчета.
Метод конечных Относительная Вариант Аналитический элементов погрешность, % 1 0,668 0,691 3, 2 0,659 0,661 0, 3 0,648 0,638 1, Результаты расчета качественно отражают значительную неоднородность поля в роторе и статоре синхронного генератора и этим подтверждают необхо димость рассмотрения трехмерного распределения магнитной индукции в зазо ре (рис. 8) при проектировании машин с постоянными магнитами.
Дальнейшее решение поставленной задачи сводится к рассмотрению рас пределения нормальной составляющей вектора магнитной индукции в зубцах статора исследуемой фазы (фаза А) для трех вариантов. Полученные результаты конечно-элементного расчета для магнитной индукции в фазе статора с числом зубцов Z = 324 представлены на рис. 9.
Анализ кривых распределения магнитной индукции показал, что с увели чением числа зубцов в фазе, форма кривой наиболее близка к синусоидальной, что свидетельствует о качестве выходного напряжения (рис. 9). Однако увели чение зубцов в статоре зачастую не оправдано из-за значительного увеличения массогабаритных показателей и соответственно массы дорогостоящих материа лов. Выполнение генератора с В, Тл малым активным диаметром не 1, оправдано из-за увеличения 0, высоты зубца статора и, как 0, следствие, значительного 0, влияния сопротивления пазо вого рассеяния на энергетиче 0, ские показатели машины. В 55, м связи с этим возникает необ 5 10 15 20 25 30 35 40 45 ходимость поиска компромис Идеальная форма магнитной индукции Конечно-элементный расчет са между энергетическими и Рис. 9 – Кривые распределения индукции массогабаритными показате в фазе статора.
лями ТСГ.
Принимая во внимание, что для получения генератора на низкие частоты вращения, возникает необходимость в увеличении числа полюсов машины и, как следствие, в увеличении количества магнитов в роторе. Поэтому возникает необходимость в определении оптимального диапазона скоростей генератора в зависимости от массы магнитов.
Кривая зависимости частоты вращения от массы магнитов в роторе для ге нератора мощностью PН = 1000 Вт представлена на рис.10.
Из графика зависимости часто G м, кг ты вращения ТСГ от массы магни 1, тов видно что в диапазоне скоро 0, стей от 800 до 187,5 об/мин (от р= 0, до р=8) масса магнитов в роторе 0, изменяется от 0,31 до 0,52 кг т.е.
увеличение массы магнитов в рото 0, ре всего лишь на 0,21 кг позволяет 0, снизить число оборотов более чем в 0, 4 раза, тогда как, при проектирова 0, нии генератора на более низкие обороты от 187,5 до 93.75 об/мин 0, (от р=8 до р=16) происходит резкое 0, увеличение массы магнитов от 0, 100 200 300 400 500 600 700 800 n, об/м ин до 1 кг, что ведет не только к значи тельному увеличению радиального Рис. 10 – График зависимости частты вращения от массы магнитов размера и массы генератора, но и к существенному возрастанию стоимости проектируемой машины.
Таким образом, с целью получения удовлетворяющих массогабаритных, энергетических и стоимостных показателей возникает необходимость, в деталь ном подходе к выбору постоянных магнитов, в исследовании их режимов рабо ты, а также в применении методов оптимизации геометрических параметров ге нератора.
Проведенный обзор существующих материалов, используемых при изго товлении постоянных магнитов, показал, что наиболее перспективными для сис темы возбуждения ТСГ являются спеченные магниты Nd-Fe-B.
Специфические свойства этих магнитов в сочетании с проведенным иссле дованием диаграммы магнитов позволили добиться повышения КПД и сниже ния удельной массы, а также обусловили появление новых типов конструктив ного исполнения торцевого генератора, в частности машины с совокупностью чередующихся продольно намагниченных магнитов.
В четвертом разделе на основе полученных результатов приведена разра ботанная инженерная программа многокритериальной оптимизации методом Соболя-Статникова и экспериментальные исследования торцевого синхронного генератора с постоянными магнитами.
Целью поиска оптимальных геометрических параметров торцевого син хронного генератора является выбор наилучшего варианта, что подразумевает наличие критерия оптимальности – количественной оценки оптимизируемого показателя качества низкоскоростного торцевого синхронного генератора. К по казателям качества НТСГ можно отнести: массогабаритные показатели, техно логичность, надежность, качество вырабатываемой электроэнергии, суммарные затраты на изготовление и эксплуатацию и т.д.
Расчетная модель реализована в CAE-среде в форме приложения, реали зующего расчет дифференциальных параметров электромагнитного поля в ак тивном объеме машины и выходных ее характеристик: полезной мощности, внешней характеристики как функциональных зависимостей от реальной гео метрии машины. Расчетная модель включает блок оптимизации, позволяющий сформулировать критериальные ограничения и критерии качества для конкрет ного случая, выполнить поиск с учетом их опти мального решения, а так же построить твердо тельную модель по вы ходным оптимизацион ным параметрам, позво ляющую автоматически выполнить рабочие чер тежи генератора. Интер фейс расчетной модели (рис. 11) реализован в соответствии со стандар тами Windows, включает все виды меню, контей неры кнопок, построи тель графиков и другие стандартные средства.
Приложение позво Рис. 11 – Интерфейс расчетной модели ляет вводить данные, читать их из файла, сохранять протоколы расчетов в виде документов, выводить их на печать, передавать подсистеме конструирования генератора и твердотельного моделирования. Ввод данных защищен от ошибок пользователя стандартными средствами и специальными алгоритмами.
Расчетная модель позволяет сформировать выходной поток данных:
• энергетические характеристики (мощность, КПД, напряжение, ток ста торной обмотки);
• массогабаритные показатели, необходимые для производителя машины (массы электротехнической стали, обмоточной меди, магнитов) • массогабаритные показатели, необходимые для потребителя (общая масса машины ее габаритные размеры);
• геометрические параметры машины (внутренний активный диаметр, ак тивная длина статора и ротора, диаметр обмоточного провода, количество вит ков обмотки статора, размеры магнита, высота ярма статора и ротора, воздуш ный зазор);
• конструктивные параметры машины (число пазов, число полюсов, раз меры полюсов и магнитов ротора, количество зубцов в обмоточном модуле).
Варьируемыми параметрами для синтеза НТСГ выбраны: внутренний ак тивный диаметр D i, активная длина машины l, рабочий зазор, индукция в зазоре машины B, плотность тока в проводниках обмотки статора j.
Качественные характеристики и количественная величина влияния каждого из перечисленных варьируемых параметров на характеристики генератора зави сит от того, какое значение имеют при этом остальные параметры.
На первом этапе пользователь устанавливает значения параметрических ог раничений. Программа автоматически формирует множество решений, удовле творяющих заданным ограничениям.
На втором этапе, основываясь на коллекции допустимых решений, назнача ются критерии качества и приоритеты, которые устанавливают весомость каждо го из критериев. Далее программа автоматически выполняет проверку получен ного множества на непустоту. При положительном результате проверки, на вы ходе получается ранжированная коллекция, с минимальным количеством реше ний, удовлетворяющих всем ограничениям и критериям качества.
После минимизирования коллекции, пользователь выбирает из неё оконча тельные варианты и сохраняет их в файле или передает на моделирование.
Сравнение результатов полученных методами многокритериальной опти мизации и однофакторного анализа, приведены в таблице 3.
Таблица 3. – Сравнительный анализ методов оптимизации.
Однофакторный Выходные параметры Соболь-Статников % анализ Воздушный зазор, м 0,001 0,001 Индукция в воздушном зазоре, Тл 0,69 0,7 1, Активная диаметр, м 0,36 0,349 3, Активная длина, м 0,039 0,04 2, Плотность тока, А/мм2 4,1 4,5 8, Напряжение, В 226,818 222,481 0, Мощность, Вт 4541 4164 9, Масса генератора, кг 30,069 32,377 7, Масса магнитов, кг 1,4256 1,513 6, Наружный диаметр, м 0,4467 0,4383 1, Индуктивное сопротивление, Ом 4,198 5,335 21, Из таблицы 3 видно, что применение метода Соболя-Статникова не только позволило снизить массу дорогостоящих магнитов и суммарную массу практи чески на 8%, но и увеличить энергетические показатели машины на 9% за счет снижения влияния индуктивного сопротивления пазового рассеяния.
После оптимизационного расчета выходной поток данных, формируемый математической моделью электромагнитного поля, может быть сохранен в фай ле обмена данными или передан в среду проектирования ТСГ.
Среда проектирования ТСГ реализует алгоритмы конструирования элемен тов генератора. Кроме основного функционала SolidWorks2006, приложение ис пользует библиотеку API, параметризацию, уравнения связи параметров и таб лицы параметров.
Конструирование статора начинается с расчета параметров эскиза (рис. 12) и твердотельной модели обмоточного модуля (рис. 13) по формулам (9) и (10):
tn 2 arctg 3* Di a = tn 2 + Di 2 * sin p*m, (9) tn 2 arcsin 3* De p*m b = De * sin где tn - толщина пакета, рассчитываемая по формуле:
* (bz1 + dn * z _ sl + 0,2), Z tn = (10) 6* p m - число фаз;
p -число пар полюсов;
Di - активный внутренний диаметр;
De активный наружный диаметр;
Z1 -число зубцов статора;
bz1 - толщина зубца статора;
dn - диаметр изолированного провода;
z _ sl - число слоев провода в па зу.
Рис. 12. – Эскиз статора. Рис. 13 – Твердотельная модель статора.
После того, как обмоточный модуль сформирован, конструируются элемен ты сборки, имеющие зависимые от него параметры. Одним из таких элементов является сборка обмоточных модулей, показанных на рис. 13. Обмотки статора формируются как сборка двух однотипных обмоточных модулей в круговой массив этого компонента с числом элементов, соответствующим числу полюсов торцевого синхронного генератора.
Использование приложения, реализованного в CAE-среде и метода много критериальной оптимизации Соболя-Статникова, позволило не только выявить оптимальное сочетание геометрических параметров генератора, с учетом задан ных КПД и мощности генератора, но и многократно сократить сроки проекти рования на этапе от технического задания до комплекта рабочей документации, при сокращении численности разработчиков на изделие, включающее в себя не сколько тысяч компонентов (сокращение трудоемкости по сравнению с норма тивной в 3–7 раз).
Используя созданное приложение, был проведен анализ влияния геометри ческих параметров на индуктивное сопротивление пазового рассеяния. Резуль таты исследования показали, что наибольшее влияние на нелинейность характе ристик оказывает величина индукции в рабочем зазоре B и активная длина ста тора l, при этом влияние остальных параметров имеет вполне определенную зависимость.
Анализ изменения индуктивного сопротивления пазового рассеяния X П. от активной длинны пакета статора l (рис. 14) показал, что вид кривой обусловлен уменьшением высоты зубца hZ1, вследствие уменьшения числа проводников в пазу статорной обмотки U ПСЛ. Разработанная программа электромагнитного расчета ТСГ построена таким образом, что после предварительного расчета чис ла проводников фазы статора происходит округление полученного результата до ближайшей четной величины, обусловленной условием построения обмоточ ного модуля. Это изменение происходит скачком, что определяет скачкообраз ное изменение X П. при увеличении индукции.
G ген, кг G маг, кг Pмах, В X П, Ом G ген Pмах Gмаг XП l, м Рис. 14. – Влияние геометрических параметров на сопротивление пазового рассеяния.
С увеличением активной длинны пакета статора l увеличивается магнит ный поток Ф, число витков фазы статора уменьшается W1 и как следствие уменьшается число проводников в пазу статора. Таким образом, после каждого округления и уменьшения числа проводников в пазу статора на 2 происходит скачкообразное снижение уточненного числа витков, что объясняет ступенча тый вид характеристик X П. = f ( l ).
Непропорциональность изменения числа витков и увеличения индукции приводит к возрастанию массы магнитов Gm, за счет увеличения высоты магни тов hM, и соответственно полюсов.
Уменьшение числа витков в свою очередь приводит к снижению ЭДС EO и выходного напряжения U1 машины.
Для дальнейших исследований и оценки адекватности результатов теорети ческих расчетов был сконструирован и испытан макетный образец генератора с аксиальным магнитным потоком со следующими номинальными данными:
Мощность PН, Вт НапряжениеU H, В Частота f, Гц Число полюсов 2 p.
2000 220 50 Цель стендовых испытаний: проверка работоспособности торцевого син хронного генератора: снятие внешней характеристики и выходных параметров (мощности, тока), его вибродиагностика рис. 15.
(а) (б) Рис. 15 – Стенд для испытаний генератора (а) фото, (б) твердотельная модель.
В таблице 4 приведены рабочие характеристики генератора (значения на пряжений, тока мощности, частоты и коэффициента мощности), полученных при стендовых испытаниях.
Таблица 4 – Экспериментальные характеристики генератора № cos U Ф, В I Ф, А Р АФ,Вт РВФ,Вт РСФ,Вт Р3Ф, Вт f замера 1 245 0 0 0 0 0 53 2 235 1,7 380 376 380 1136 50 0, 3 225 2,7 595 590 595 1780 50 0, 4 222 3,05 668 663 667 1998 50 0, 5 220 3,6 808 806 809 2423 50 0, 6 205 3,95 889 890 886 2665 50 0, Испытания подтвердили работоспособность конструкции. Получены ре зультаты весьма близкие к расчетным. Расхождение с расчетными характери стиками в рабочем режиме не превышают 7 %. Перегрузочная способность ге нератора оказалась ниже расчетной на 12 %, что объясняется прежде всего по грешностями технологии производства опытного образца и высокими значения ми индуктивных сопротивлений пазового рассеяния. Более точный учет послед них требует уточнений в электромагнитной модели генератора. Температура обмоток во время испытаний не превышала допустимые 850 и составила 750, что подтверждает правильность выбранных тепловых параметров и позволит в дальнейшем уменьшить сечение (а следовательно, и массу) проводников обмот ки статора.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. На основе анализа существующих конструкций обоснован выбор малогаба ритного герметичного низкоскоростного торцевого синхронного генератора по вышенной энергетической эффективности;
2. Разработана математическая модель расчета электромагнитного поля в объ еме торцевой синхронной электрической машины с применением слоистых рас четных моделей и кусочно-неперерывных собственных функций, для исследо вания активных зон торцевого генератора с постоянными магнитами;
3. На основании решения уравнений магнитостатики и уравнения равновесия для одной из фаз аналитические выражения для магнитной индукции реакции якоря, фазного тока и синхронного индуктивного сопротивления, необходимые для расчета (выходных внешней и угловой) характеристик генератора.
4. Разработана методика исследования НТСГ с применением программного комплекса ANSYS, основанного на методе конечных элементов, позволяющего не только уменьшить затраты при разработке новых изделий, сократить объем дорогостоящих стендовых испытаний (или отказаться от них).
5. С помощью разработанного программного комплекса в пакете ANSYS был проведен расчет нескольких торцевых синхронных генераторов с различным числом зубцов в фазе статора. Для сравнения качества выходного напряжения, проведены исследования и определена зависимость изменения магнитной ин дукции от величины воздушного зазора для возможности выбора в каждом кон кретном случае их значений, с целью получения удовлетворяющих энергетиче ских показателей.
6. Используя созданное приложение, реализованное в CAE-среде, и метода многокритериальной оптимизации Соболя-Статникова, проведен комплекс тео ретических исследований для оптимизации геометрии магнитной системы по критерию минимума массы активных материалов и максимума перегрузочной способности при заданном напряжении, разработано программное обеспечение в среде Delphi для твердотельного моделирования 7. Формируемый математической моделью электромагнитного поля выходной поток геометрических и энергетических показателей НТСГ, является компонен том среды его проектирования, реализующей алгоритмы конструирования эле ментов генератора, многократно сокращающие сроки проектирования на этапе от технического задания до комплекта рабочей документации.
8. Исследована зависимость требуемой массы магнитов от частоты вращения ротора, с целью получения оптимальных массогабаритных, энергетических и стоимостных показателей.
9. Результатами проведенных натурных испытаний подтверждены правиль ность выбранных методов и адекватность созданных математических моделей.
Расхождение экспериментально полученных данных с расчетными характери стиками в рабочем режиме не превышают 12 %.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
1. Головин, М. П. Разработка конструкции и технологии производства микро ГЭС, изготовление опытной партии. Отчет по проекту, регистрационный № 0120.0503869/ М. П. Головин, А. Л. Встовский, К. С. Федий и др.// Красноярск, 2005г. – 268 С.
2. Решение о выдаче патента на изобретение по заявки №2006121299 Торце вая электрическая машина. / М. П. Головин, А. Л. Встовский, К. С. Федий, Е. А.
Спирин. - Заявленно 15.06.06. – 7 С.
3. Федий, К. С. Генератор возобновляемых источников энергии. / К. С. Фе дий, А. Л. Встовский. //. Молодежь сибири - науке России. Сборник материалов Межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодух ученых. – Красноярск 2004 г. – С. 215–217.
4. Федий, К.С. Некоторые особенности расчета электрических машин с по стоянными магнитами. / К.С. Федий, А.Л. Встовский. //. Межвуз. сб. науч. тр.
Оптимизация режимов работы электротехнических систем. - Красноярск, ИПЦ КГТУ 2004. – С. 15 – 18.
5. Федий, К. С. Математическое моделирование синхронного генератора тор цевой конструкции. /К. С. Федий// В сб. тр. XI Международная научно практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. - ТПУ 2005. – С. 172 – 175.
6. Федий, К.С. Современные технологии проектирования низкоскоростного синхронного генератора для свободнопоточной микроГЭС. / М.П. Головин, А.Л.
Встовский, С.С. Кузьмин, К.С. Федий // В сб. Инновационное развитие регионов Сибири: Материалы Межрегиональной научно-практической конференции, Красноярск: ИПЦ КГТУ 2006. – С. 271–275.
7. Федий, К.С. Анализ и расчет синхронных машин с возбуждением от посто янных магнитов./К.С. Федий, А.Л. Встовский. //. В межвуз. сб. статей. Оптими зация режимов работы электротехнических систем.- Красноярск 2006 г. – С.
272–276.
8. Федий, К. С. Свободнопоточные микроГЭС, как эффективный вариант энергоснабжения удаленных территорий. /К.С. Федий, М. П. Головин, Л. Н.
Головина, Н. А. Колбасина, В. Д. Мокеев. // Труды КГТУ №3. Красноярск ИПЦ КГТУ, – 2006. – С. 252–256.
9. Федий, К. С. Поиск оптимальных электромагнитных параметров торцевого синхронного генератора./ К.С. Федий Н.В. Атрохова Д. И. Морозов//.
CAD/CAM/CAE/CALS Бюллетень №2(8) 2006г. – С. 15–19.
10. Федий, К.С. Оптимизационный синтез геометрических параметров торце вой синхронной машины./ К.С. Федий, Н.В. Атрохова, Д.И. Морозов// «Извес тия Вузов Электромеханика» №5 – 2007г. – С. 24–29.
Федий Константин Сергеевич Низкоскоростной торцевой синхронный генератор автономных источников электроснабжения Автореф. дисс. на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Подписано в печать 11.10.2007. Заказ № _.
Формат 6090/16. Усл. Печ. Л. 1. Тираж 100 экз.