Содержание к диссертации
Введение
РАЗДЕЛ 1. Анализ конструкций и проблемы создания электрических машин, работающих в системах нагрева и перемещения жидкостей . 13
1.1. Актуальность вопроса генерации тепловой энергии . 13
1.2. Обзор конструкций электрических машин, работающих в системах нагрева и транспортирования жидкостей . 21
1.3. Общая характеристика нового класса устройств полифункцио- нальных электромеханических преобразователей . 32
1.4. Состояние проблемы моделирования асинхронных двигателей с полым перфорированным ротором . 39
1.5. Постановка задач исследований . 43
РАЗДЕЛ 2. Исследование электромагнитных процессов и характеристик асинхронного двигателя с полым перфорированным ротором . 45
2.1. Математическая модель электромагнитного поля асинхронного двигателя с полым перфорированным ротором . 45
2.2. Практическая реализация численного моделирования электромагнитного поля асинхронного двигателя с полым перфорированным ротором . 54
2.2.1. Построение трехмерной геометрии модели . 57
2.2.2. Исходные данные электромагнитной задачи . 59
2.2.3. Подход к численному расчету электромагнитного поля и механических характеристик асинхронного двигателя с полым перфорированным ротором . 64
2.3. Результаты численного моделирования электромагнитного поля асинхронного двигателя с полым перфорированным ротором 71
2.3.1. Особенности распределения магнитного поля в активной части асинхронного двигателя с полым перфорированным ротором 71
2.3.2. Особенности распределения вихревых токов в полом перфорированном роторе . 84
2.3.3. Определение активного волнового сопротивления полого перфорированного ротора . 92
2.3.4. Исследование статических механических характеристик асинхронного двигателя с полым перфорированным ротором 98
2.3.5. Исследование динамических механических характеристик асинхронного двигателя с полым перфорированным ротором 111
2.4. Выводы по разделу 2 . 117
РАЗДЕЛ 3. Исследование тепловых процессов в асинхронном двигателе с полым перфорированным ротором 119
3.1. Математическая модель электромагнитного и теплового поля асинхронного двигателя с полым перфорированным ротором 122
3.2. Численная реализация математической модели и подготовка исходных данных . 125
3.3. Результаты численного расчета теплового поля асинхронного двигателя с полым перфорированным ротором . 138
3.4. Выводы по разделу 3 . 149
РАЗДЕЛ 4. Экспериментальные исследования и разра- ботка методики проектирования асинхрон- ных двигателей с полым перфорированным ротором . 151
4.1. Экспериментальные исследования асинхронного двигателя с полым перфорированным ротором . 151
4.1.1. Экспериментальное исследование распределения магнитной индукции в воздушном зазоре . 152
4.1.2. Экспериментальное исследование распределения напряжен- ности электрического поля вихревых токов . 156
4.2. Промышленные испытания асинхронных двигателей с полым перфорированным ротором . 158
4.2.1. Опытный образец резонансного насоса-теплогенератора . 158
4.2.2. Опытный образец шнекового асинхронного двигателя- нагревателя 161
4.3. Особенности проектных расчетов асинхронных двигателей с полым перфорированным ротором . 166
4.4. Выводы по разделу 4 . 174
Выводы 176
Список использованной литературы . 179
Приложения 196
- Общая характеристика нового класса устройств полифункцио- нальных электромеханических преобразователей
- Подход к численному расчету электромагнитного поля и механических характеристик асинхронного двигателя с полым перфорированным ротором
- Численная реализация математической модели и подготовка исходных данных
- Экспериментальное исследование распределения магнитной индукции в воздушном зазоре .
Общая характеристика нового класса устройств полифункцио- нальных электромеханических преобразователей
Необходимость существенного пересмотра энерго- и материалоемких технологий и оборудования, рост цен на энергоносители, особенно на природ-ный газ, побуждает к поиску направлений формирования технологий, а также к созданию оборудования, которое бы обеспечивало значительное уменьшение затрат энергии и материалов на единицу продукции и загрязнений окружающей среды, повышение производительности труда. Одним из направлений создания таких технологий является максимальная интеграция структурных и функцио-нальных свойств отдельных устройств технологической цепи и воспроизведе-ние их в одном ЭМП, интеграция и полное использование его диссипативных составляющих энергии, а также использование перерабатываемых веществ и смесей, как охлаждающей среды для ЭМП.
Комплексами, которые объединяют в себе эти свойства, являются элек-трические комплексы на базе ПЭМП технологического назначения, предусмат-ривающих эффективное использование диссипативной составляющей энергии, структурную, функциональную и тепловую интеграцию [8]. ПЭМП технологи-ческого назначения – это ряд модификаций ЭМП различного применения, имеющих общую техническую основу и единую идеологию создания. Одним из наиболее перспективных представителей нового класса уст-ройств ПЭМП является резонансный насос-теплогенератор (РНТ), который представляет собой совмещенную техническую систему с полифункциональ-ными свойствами, объединяющую электромеханическую, механическую, теп-ловую и гидравлическую системы для реализации интегральной функции по совокупности функциональных признаков электродвигателя, исполнительного механизма, нагревателя и кавитационного генератора. В основу создания РНТ положены результаты предыдущих разработок и исследований ПЭМП техноло-гического назначения, а также их внедрения на предприятиях горно-металлургического комплекса.
Применение РНТ на базе ПЭМП позволяет устранить недостатки сущест-вующих схем преобразования энергии с использованием ГТ. РНТ, объединяю-щий в одном корпусе АД и ГТ, непосредственно преобразует электрическую энергию в тепловую и механическую энергию вращательного движения без ис-пользования промежуточных механических передач. В РНТ используется конструкция полого перфорированного ротора (ППР), который выполняет одновременно функции ротора АД, ротора кавита-ционного генератора, нагревателя и насоса. При этом ротор охлаждается рабо-чей жидкостью, которая за цикл прохождения через аппарат подогревается за счет кавитационных процессов, основных электрических и магнитных потерь в роторе и статоре, резонансных колебаний, а также внутреннего трения жидко-сти при гидродинамических перемещениях в воздушном зазоре. Роль перфора-ций ротора заключается в формировании гидродинамических воздействий, воз-никающих вследствие периодического совмещения отверстий ротора с отвер-стиями тангенциальных каналов, выражающихся в пульсациях давления и ско-рости потока жидкости, развитой турбулентности, интенсификации кавитаци-онных процессов [64-67]. Кроме того, наличие перфораций обеспечивает созда-ние дополнительного контура циркуляции рабочей жидкости, осуществляюще-го отбор тепловой мощности от внешней поверхности ротора и внутренней по-верхности немагнитной гильзы (вдоль оси РНТ).
Рассмотрим принцип работы РНТ на примере устройства [13]. Продоль-ный и поперечный разрезы РНТ показаны соответственно на рисунке 1.12 и рисунке 1.13. РНТ состоит из корпуса 1 внутри которого располагаются магни-топровод 2 с обмоткой 3, выполненные в виде статора классической асинхрон-ной машины, а также тонкостенная немагнитная гильзы 4 и ротор 5. Ротор со-стоит из полого ферромагнитного цилиндра 6 со сквозными радиальными от-верстиями 9, а также лопастей 7 с углом установки = 80о (рисунок 1.14). Пе-регородка 8 разделяет ротор на две равные половины, делая подвод жидкости двухсторонним. С торцов к ротору примыкают резонансные диски 10 с всасы-вающими отверстиями 11 и нагнетательными отверстиями 12. Резонансные диски выполнены зеркально. С противоположных сторон от торцов ротора к резонансным дискам примыкают корпуса 13 с уплотнениями 14, камер 15 по-ниженного давления и камер нагнетания. Всасывающие отверстия 11 располо-жены напротив камер пониженного давления, а нагнетательные отверстия 12 – напротив камер нагнетания. Зазор между ротором и резонансными дисками, а также между ротором и немагнитной гильзой составляет 0,2 - 0,4 мм. К корпу-сам камер пониженного давления и нагнетания крепятся патрубки всасывания 16 и патрубки нагнетания 17 с тройными патрубками 18 и вентилями 19. В кор-пусе 1 выполнены аксиальные, радиальные и тангенциальные каналы 20, 21, 22, а в одном из корпусов 13 камер пониженного давления и нагнетания выполне-ны аксиальные каналы 23, соединенные с коллектором 24, имеющим дополни-тельный нагнетательный патрубок 25. В полости радиальных каналов 21 раз-мещены центрирующие конусы 26, основные трубы Вентури 27, а в полости аксиальных каналов 20 установлены дополнительные трубы Вентури 28 и ус-покоители 29.
Подход к численному расчету электромагнитного поля и механических характеристик асинхронного двигателя с полым перфорированным ротором
Поскольку точность расчета электромагнитного поля существенно зави-сит от дискретизации расчетной области, уменьшать количество КЭ не целесо-образно. Преимуществом по сравнению с автоматическим построением СКЭ обладает возможность задания параметров сетки «вручную». Используя коман-ду Mesh Selected возможно формировать неоднородную СКЭ, повышая плот-ность построения КЭ на участках с большим градиентом изменения полевых функций и выбирая КЭ достаточно больших размеров на участках с относи-тельно равномерным распределением поля. В рассматриваемой электромагнит-ной задаче наибольший интерес представляет распределение поля в зоне воз-душного зазора АД, а также в зоне активного слоя перфорированного ротора. В работах [108-110] даются рекомендации об оптимальной дробности сетки в воздушном зазоре (не менее трех слоев элементов). Кроме того, требования по степени дискретизации предъявляются к проводящим элементам конструкции, в которых рассчитываются ВТ. В литературе [73] указывается на то, что шаг сетки в них должен быть не более 1/4 глубины проникновения поля. Одновре-менно, для обеспечения точности решения, отношение максимального шага к минимальному, не должно быть больше 8 – 10. В диссертационной работе расчет механических характеристик АД с ППР выполнен с помощью метода тензора магнитного натяжения, реализуемого продолжением электромагнитного расчета, поэтому, выбор оптимальных пара-метров СКЭ проводился с учетом требований данного метода.
Опыт расчетов [110] показывает, что приемлемая точность определения момента по максвелловским натяжениям обеспечивается, если на участке пло-ской модели, соответствующем воздушном зазору, имеется два-три слоя тре-угольных КЭ. В работе [111] предложена модификация метода магнитных на-тяжений, названная методом «eggshell», идея которого состоит в построении семейства концентрических эквивалентных поверхностей для расчета электро-магнитного момента через тензор натяжений с последующим его усреднением. Достоинством этого метода является его точность при «нечувствительности» к степени дискретизации области воздушного зазора ЭМ. Подобным образом в работе [110] массивный ротор представляется как многослойная структура, в которой каждый слой обладает постоянной магнитной проницаемостью. При этом точность метода натяжений снижается незначительно, однако существен-но сокращается объем вычислений.
Перечисленные методы и рекомендации к выбору оптимальных парамет-ров СКЭ подсказывают возможность использования подобного подхода при решении трехмерных полевых задач. Выполнение областей воздушного зазора и полого ротора в виде многослойных, состоящих из нескольких эквивалент-ных с точки зрения магнитных и электрических свойств коаксиальных цилинд-ров, позволяет получить СКЭ с необходимой степенью дробности и провести корректное сопоставление полученных результатов. Все цилиндры сохраняют связь в узлах СКЭ, поэтому введение особых граничных условий не требуется. Чтобы получить необходимое количество слоев КЭ при автоматическом или выборочном построении сетки требуется существенное повышение уровня дискретизации конкретных участков трехмерной модели, что приводит к невоз-можности выполнения расчета на современном персональном компьютере.
Многослойная дискретизация позволяет получить необходимое количе-ство слоев КЭ на участках трехмерной модели, соответствующих воздушному зазору и полому ротору (рисунок 2.11), в то время как автоматическое построе-ние СКЭ с той же степенью дискретизации обеспечивает получение только од-ного слоя КЭ на участке воздушного зазора и двух слоев КЭ на участке ППР (рисунок 2.12). Кроме того, многослойная дискретизация позволяет получить более мелкую СКЭ на внутренней поверхности ППР по сравнению с автомати-ческим разбиением при том же уровне дробности сетки. Анализ цветовой гам-мы картин распределения плотности тока в сечении ферромагнитного ротора, полученных с использованием многослойной дискретизации позволяет гово-рить о корректности разбиения на КЭ, поскольку имеют место плавные цвето-вые переходы и отсутствуют резко выбивающиеся точки. Наличие резких цве-товых переходов и выбивающихся точек, как правило, противоречит физиче-ской картине моделируемых процессов и вызвано неудачным разбиением на КЭ и упрощениями геометрии конструкции.
Предложенный подход к исследованию электромагнитного поля и меха-нических характеристик АД с ППР на основе решения уравнений поля числен-ными методами опробован путем сопоставления расчетных и опытных данных, полученных для физической модели АД с ППР малой мощности. Окончательный выбор параметров и оптимизация структуры СКЭ осуще-ствляются в ходе численных экспериментов путем установления компромисса между точностью моделирования и временными затратами на выполнение рас-четов. На рисунке 2.13 представлен вариант трехмерной СКЭ, полученный в результате поиска компромисса между отмеченными выше обстоятельствами и обеспечивающий приемлемую точность моделирования. Сетка воздушных об-ластей, прилегающих к торцам модели, не показана. СКЭ, представленная на рисунке 2.13 содержит 149716 КЭ.
Численная реализация математической модели и подготовка исходных данных
Взаимосвязь уравнений электромагнитного и теплового полей проявляет-ся во взаимном влиянии температуры, электропроводности, плотности ВТ и удельных тепловых потерь, и отображается в выражениях (3.2), (3.6)-(3.9), чис-ленная реализация которых выполнена на базе программного комплекса Comsol Multiphysics 3.5a, позволяющего рассматривать физические свойства материа-лов как зависящие от температуры. Для решения взаимосвязанных задач в дан-ном программном комплексе предусмотрен специализированный модуль – Multiphysics. Благодаря идентичности формы математической записи уравне-ний электромагнитного и теплового поля расчет выполняется с использованием единой СКЭ, однако, следует отметить обстоятельства усложняющие использо-вание такой СКЭ [98]. Во-первых, тепловая инерция для элементов конструк-ции АД с ППР существенно выше электромагнитной инерции. Во-вторых, про-странственный градиент изменения полевой функции значительно больше для электромагнитного поля. Указанные различия требуют адекватного учета при численной реализации взаимосвязанной задачи. Так, минимальный размер рас-четного временного шага и минимальный размер КЭ в СКЭ необходимо при-нимать исходя из условий достижения необходимой точности решения элек-тромагнитного поля, хотя выбранные размеры будут чрезмерно малыми для достижения такой же точности анализа теплового поля. На рисунке 3.2. показа-на СКЭ модели совместно с двумя панелями настроек. Одна из панелей (Per-pendicular Induction Currents) соответствует настройкам электромагнитной зада-чи, вторая (Heat Transfer by Conduction) – настройкам тепловой задачи. Первым программным этапом решения взаимосвязанной задачи является расчет квази-стационарного поля, позволяющий определить распределение мощности тепло-выделений в роторе и статоре в условиях установившегося режима работы АД с ППР. В качестве исходных для расчета электромагнитного поля использовались экспериментальные данные о токах статора и частоте вращения ротора в режи-ме нагрузки (частотные характеристики).
Непосредственный учет перфораций ротора в двухмерной геометрии мо-дели не представляется возможным. Поэтому увеличение активного сопротив-ления ротора вследствие наличия перфораций учитывалось с помощью задания эквивалентной удельной электропроводности для соответствующей расчетной подобласти согласно выражению где kr – коэффициент, учитывающий увеличение активного сопротивле-ния ротора вследствие введения перфораций. Процедура численного расчета электромагнитного поля аналогична той, что рассматривается в разделе 2. Затем, данные расчета электромагнитного по-ля средствами программы передаются в подчиненную задачу нестационарной теплопередачи для расчета процесса нагрева.
Начальными условиями для теплового расчета являются значения темпе-ратуры внутри расчетной области в начальный момент времени t С целью повышения точности расчета учтены зависимости теплофизиче-ских свойств активных материалов и нагрузочно-охлаждающей среды (воды) от температуры, а так же зависимости магнитной проницаемости массивного ро-тора и сердечника статора от величины магнитной индукции. Как для уравнения электромагнитного поля, так и для уравнения тепло-проводности системы (3.2) задаются граничные и начальные условия. Выбор граничных условий обусловлен особенностями охлаждения АД с ППР. Основ-ным видом теплообмена ротора и рабочей жидкости является конвективный те-плообмен. Тепловая мощность, отдаваемая конвекцией рабочей жидкости, оп-ределяется в соответствии с законом Ньютона-Рихмана, а на соответствующих границах задается граничное условие третьего рода [130]
На рисунке 3.3 а показана расчетная геометрическая модель, которая вос-производит конструкцию АД с ППР в поперечном разрезе. Граничное условие (3.12) задается на внешней и внутренней поверхностях ротора A и B, на внут-ренней поверхности герметизирующей гильзы C, на внешней поверхности кор-пуса D и на поверхностях охлаждающих аксиальных каналов E (рисунок 3.3 б). Потери на трение вращающихся деталей о газ или жидкость, которые в действительности выделяются в пограничном слое, принято считать поверхно-стными и представлять в виде идеализированных источников поверхностного тепловыделения, приписывая им интенсивность qF, Вт/м2 [131]. В этом случае граничное условие третьего рода принимает вид
Ввиду сложной гидравлической конфигурации АД с ППР, основной про-блемой теплового расчета является определение коэффициентов теплоотдачи конвекцией, значения которых зависят от целого ряда факторов (формы кана-лов, состояния их поверхности, параметров охлаждающей среды и т.п.) и в слу-чае охлаждения жидкой средой могут достигать нескольких тысяч [132]. Точ-ное установление значений коэффициентов теплоотдачи является отдельной, весьма сложной научной задачей.
Экспериментальное исследование распределения магнитной индукции в воздушном зазоре .
Сопоставление экспериментальных данных с расчетными зависимостями и характеристиками, полученными в разделах 2, 3 показало качественное и ко-личественное соответствие. Распределение магнитной индукции в воздушном зазоре АД с ППР вполне соответствует данным, полученным в ходе численных расчетов. Характер расчетной кривой напряженности электрического поля ВТ на поверхности ППР хорошо согласуется с данными физического эксперимен-та, а так же с результатами исследований других авторов. Незначительное ко-личественное расхождение значений численного и физического экспериментов обусловлено идеализацией геометрических параметров и физических процессов в конечно-элементной модели. Сопоставление результатов экспериментального исследования механических характеристик АД с ППР с расчетными характери-стиками показывает, что расхождения во всем исследуемом диапазоне измене-ния скольжений не превышают 4-8%, в зависимости от степени перфорации ро-тора. Такое расхождение вызвано погрешностью задания исходных данных, т.е. отклонением реальных магнитных и электрических свойств материалов от при-нятых в основу расчета, а также погрешностью дискретизации, возникающей при замене реальной конструкции ограниченным числом КЭ.
Созданы опытные образцы РНТ и шнекового АД-нагревателя с ППР, а так же разработан и реализован комплекс физических моделей, метрологического обеспечения и методологии обработки результатов экспериментальных исследо-ваний АД с ППР. Результаты экспериментальных исследований РНТ подтвер-ждают возможность его использования в качестве теплогенератора. Результаты расчетов, проведенных по предложенной методике проекти-рования дают удовлетворительную сходимость с результатами эксперимен-тальных исследований, как физических моделей, так и опытных, а также серии промышленных образцов АД с ППР с погрешностью 8-12%, допустимой при инженерных расчетах.
В диссертационной работе представлено теоретическое обоснование и решение научно-практической задачи, заключающееся в разработке комплекса научно-технических средств направленных на создание высокоэффективных асинхронных двигателей для систем автономного теплоснабжения и горячего водообеспечения. 1. Выполнен анализ конструкций и проблем создания электрических ма-шин, работающих в системах нагрева и перемещения жидкостей, который по-казал, что объединение в одном блоке АД, гидродинамического теплогенерато-ра и насоса позволяет рассматривать данное устройство как новый тип элек-трической машины. 2. Получены зависимости пространственного распределения и гармони-ческого состава магнитной индукции, а также плотности тока в активной части АД с ППР на базе трехмерной математической модели электромагнитного поля, учитывающей краевой эффект и амплитудную модуляцию пространственных составляющих плотности вихревых токов, что позволяет выполнять более обос-нованный расчет электромагнитных усилий и тепловыделений в активных час-тях. 3. Получены зависимости активного волнового сопротивления от сколь-жения для ферромагнитного ППР при различных значениях конструктивных параметров с учетом реальной геометрии массива, а также предложены выра-жения для определения параметров ППР на основе результатов полевых расче-тов. Основное влияние на величину активного волнового сопротивления ППР оказывает коэффициент перфорации ротора. 4. Получены семейства механических и частотных характеристик АД при различных схемах перфорации ППР, а также при различных значениях его кон-структивных параметров. Чем больше количество рядов, диаметр и количество отверстий в ряду, тем ниже проходит соответствующая механическая характери-стика. Величина шага перфорации в ряду при прочих равных условиях не влияет на механическую характеристику АД с ППР. Выполнение полого ротора с чет-ным количеством рядов отверстий (4, 8, 16, 20, 24, 40) при количестве отверстий в ряду 1…4 диаметром 2…4 мм позволяет получить механическую характери-стику эквивалентную механической характеристике АД с гладким ротором. Установлено, что зависимости MН = f(Z2, d, n) для АД с прямыми рядами от-верстий с достаточной точностью аппроксимируются соответствующими кри-выми MН = 1 – kперф. 5. На базе обобщенной математической модели взаимосвязанных элек-тромагнитных и тепловых процессов АД с ППР, учитывающей разницу скоро-стей движения электропроводящей охлаждающей среды и ротора, разработаны основные положения методики расчета температурного поля, а так же получе-ны результаты, позволяющие выбирать размерные соотношения элементов конструкции с целью оптимизации параметров системы охлаждения и получе-ния заданных показателей производительности. При учете взаимосвязи электро-магнитного и теплового полей АД с ППР изменяется не только амплитуда плотности ВТ на поверхности ротора, но и полный ток ротора. Так, при нагреве ротора до установившейся температуры – 64 С, средняя плотность ВТ умень-шается до величины 5,2 А/мм2 (на 11%). Величина магнитной индукции в ло-патках при их количестве 8…15 и толщине 3,5...7 мм принимает значения 0,77...1,24 Тл.