Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние разработок высокоэффективных синхронных электрических машин на основе постоянных магнитов и массивных высокотемпературных сверхпроводников 11
1.1. Характеристики постоянных магнитов из редкоземельных материалов 12
1.2. Современные, высокотемпературные сверхпроводниковые материалы 17
1.3. Синхронные машины с постоянными магнитами на роторе 21
1.4. Классификация электрических машин на основе сверхпроводников 27
1.5. Основные направления работ по созданию электрических машин с постоянными магнитами и ВТСП элементами на роторе 32
Выводы 42
ГЛАВА II. Аналитические модели расчета двухмерных магнитных полей и параметров синхронных втсп двигателей с радиально-тангенциальными и радиальными магнитами 43
2.1. Постановка двухмерных электродинамических задач 44
2.2. Использование р-полюсного источника для построения аналитических решений задачи 48
2.3. Структура аналитических решений для двухмерных магнитных полей уединенных цилиндров с радиально-тангенциальными магнитами
2.3.1. Структура решения в терминах скалярного магнитного потенциала 56
2.3.2. Структура решения в терминах функции магнитного потока; 59
2.4. Структура аналитических решений для двухмерных магнитных полей в активной зоне ВТСП электродвигателей 63
2.4.1. Синхронный ВТСП двигатель с радиально-тангенциальными магнитами 63
2.4.2. Синхронный ВТСП двигатель с радиальными магнитами
2.5. Векторные диаграммы и основные зависимости для расчета параметров синхронных ВТСП электродвигателей 68
2.6. Результаты расчета и сравнительный анализ параметров синхронных ВТСП двигателей с радиально-тангенциальными магнитами 71
Выводы 81
ГЛАВА III. Численные методы поверочного расчета магнитных полей и параметров многополюсных синхронных двигателей с постоянными магнитами и втсп элементами в роторе 83
Введение 83
3.1. Особенности численного расчета ВТСП двигателей в пакете прикладных программ «Elcut Professional» при заданных токах в обмотке статора 84
3.2. Алгоритмы численного расчета магнитных полей и параметров двухполюсных и четырехполюсных синхронных ВТСП двигателей с ПМ при заданном напряжении фаз обмотки статора 91
3.2.1. Построение картины распределения магнитных полей, в активной зоне ВТСП электродвигателя 92
3.2.2. Вычисление значения магнитного потока от ПМ ротора 95
3.2.3. Определение значений индуктивных сопротивлений 96
3.3. Результаты численных расчетов макетных образцов шестиполюсных ВТСП электродвигателей с радиально-тангенциальными ПМ 98
Выводы 111
ГЛАВА IV. Экспериментальные исследования синхронных втсп двигателей с радиально-тангенциальньіми постоянными магнитами 113
Введение 113
4.1. Автоматизированный испытательный комплекс для экспериментального исследования криогенных электрических машин 114
4.2. Конструкция экспериментального ВТСП электродвигателя с радиально-тангенциальными постоянными магнитами 120
4.3. Результаты экспериментальных исследований макетного образца шестиполюсного ВТСП электродвигателя 126
4.4. Сравнительный анализ результатов экспериментальных исследований макетных образцов синхронных ВТСП двигателей 130
Выводы 131
Заключение 131
Список использованных источников
- Синхронные машины с постоянными магнитами на роторе
- Структура аналитических решений для двухмерных магнитных полей уединенных цилиндров с радиально-тангенциальными магнитами
- Алгоритмы численного расчета магнитных полей и параметров двухполюсных и четырехполюсных синхронных ВТСП двигателей с ПМ при заданном напряжении фаз обмотки статора
- Результаты экспериментальных исследований макетного образца шестиполюсного ВТСП электродвигателя
Введение к работе
Актуальность темы. Совершенствование электроэнергетических систем и повышение их экологичности становятся приоритетными направлениями в развитии электроэнергетики в XXI веке, когда, как ожидается, производство и потребление электроэнергии возрастет в 4-6 раз. Одним из перспективных путей решения этих задач является использование сверхпроводниковых электромеханических преобразователей и устройств, позволяющих существенно повысить экономическую и экологическую эффективность электроэнергетических процессов, а также улучшить параметры электротехнических устройств.
Открытие высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) материалов с температурой перехода выше температуры жидкого азота (77 К) позволило приступить к разработке, созданию и внедрению нового энергетического оборудования на их основе, основными преимуществами которого по сравнению с аналогами на низкотемпературных сверхпроводниках (НТСП) являются низкая стоимость хладагента и сравнительная простота систем криостатирования и криообеспечения.
Наиболее перспективными на сегодняшний день являются электромеханические преобразователи, в конструкции которых используются постоянные магниты из редкоземельных материалов (РЗМ ПМ) в сочетании с объемными или пленочными ВТСП элементами. На сегодняшний день ВТСП двигатели с массивными элементами из иттриевой керамики уже могут успешно работать при температурах кипения жидкого азота, что недостижимо при применении токонесущих элементов на основе висмутовых керамик и соединений MgB2. Усовершенствование и использование тонкопленочных материалов позволит в ближайшем будущем значительно увеличить массо-габаритные и энергетические показатели электрических машин.
Следует отметить, что повышение эффективности электрооборудования должно быть осуществлено с учетом возрастающих требований к сбережению ресурсов, экономии материалов и энергии, а также к снижению вредного влияния на окружающую среду. Одним из наиболее перспективных направлений решения глобальных энергетических проблем является развитие водородной энергетики, позволяющей радикально решить как проблемные вопросы самой энергетики (включая получение, транспортировку, хранение и распределение электроэнергии и водорода как будущей топливной базы), так и экологические аспекты современных энергоемких технологий и транспортных проблем.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является создание новых типов синхронных электродвигателей с радиально-тангенциальными постоянными магнитами (ПМ) из редкоземельных материалов (РЗМ) и ВТСП элементами в роторе.
Достижение поставленной цели предполагает решение ряда задач, среди которых:
- разработка новых конструктивных схем синхронных ВТСП двигателей с радиально-тангенциальными постоянными магнитами и ВТСП элементами, обладающих высокими массоэнергетическими показателями;
создание аналитических и численных методик расчета двухмерных магнитных полей и параметров синхронных ВТСП двигателей с радиально-тангенциальными ПМ;
создание опытного образца синхронного ВТСП электродвигателя и экспериментальное исследование его характеристик;
сопоставление экспериментальных и расчетных параметров ВТСП электродвигателей и калибровка математических моделей;
разработка рекомендаций по использованию новых типов ВТСП двигателей в перспективных областях промышленности и энергетики.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математической физики, теория поля, электромеханики и прикладной сверхпроводимости; численные методы решения уравнений в частных производных (метод конечных элементов). Для решения уравнений использовался пакет математического моделирования MathCAD 11; для решения задач методом конечных элементов использовался пакет прикладных программ Elcut Professional 5.4; для построения графиков использовалась программа Grapher 5.02; рисунки были подготовлены в программах CorelDraw ХЗ и Adobe Photoshop CS2. Оформление работы было выполнено с использованием программ из пакета MS Office 2007. Проверка аналитических и численных методов расчета производилась на экспериментальных моделях ВТСП электродвигателей.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
предложены новые схемы синхронных ВТСП электродвигателей с радиально-тангенциальными ПМ;
получены аналитические решения задач расчета двухмерных магнитных полей, выходных характеристик и параметров синхронных ВТСП двигателей с постоянными магнитами, учитывающие как свойства материалов, так реальную геометрию двигателей;
разработаны численные алгоритмы расчета магнитных полей, параметров и выходных характеристик ВТСП двигателей при постоянном напряжении фаз статора;
проведен сравнительный анализ конструктивных схем синхронных ВТСП электродвигателей с радиальными и радиально-тангенциальными ПМ;
получены экспериментальные данные, подтверждающие основные положения теории.
Практическая ценность работы:
разработаны алгоритмы расчета двухмерных магнитных полей и параметров ВТСП двигателей с радиально-тангенциальными постоянными магнитами с различным числом пар полюсов;
разработана конструкция шестихполюсного синхронного ВТСП электродвигателей с радиально-тангенциальными постоянными магнитами в роторе;
создан и испытан опытный образец шестихполюсного синхронного ВТСП электродвигателей с радиально-тангенциальными постоянными магнитами мощностью 15 кВт;
сформулированы предложения по использованию новых типов синхронных ВТСП электродвигателей с радиально-тангенциальными постоянными магнитами в качестве высокодинамичных промышленных приводов и приводов криогенных насосов.
Реализация результатов. Разработанные автором алгоритмы и программы расчета синхронных ВТСП двигателей с радиально-тангенциальными ПМ переданы промышленным предприятиям (НИИЭМ, г. Истра и ОАО АКБ «Якорь») и используются при проектных расчетах нового перспективного класса электродвигателей. Результаты диссертационной работы внедрены в НИР по нескольким темам научно-технических программ Минобразования РФ в виде алгоритмов проектирования и методик расчета, новых ВТСП электродвигателей с ПМ. Материалы диссертации используются при чтении курсов лекций по дисциплинам «Электромеханика», «Криогенные и сверхпроводниковые электроэнергетические установки», «Физико-технические основы электрооборудования ЛА» и «Компьютерные технологии» в МАИ, а также вошли в методические пособия по курсовому и дипломному проектированию, предназначенные для студентов электромеханических и энергетических специальностей. Внедрение результатов подтверждено соответствующими актами.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных российских и международных конференциях, в том числе на международной конференции «Авиация и космонавтика» в 2007 и 2008 году; на Всероссийской конференции молодых ученых и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике - 2008», МАИ, г. Москва.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научны[ работ, из них 2 — в журнале «Электричество», рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка используемых источников и 2 приложений; имеет 144 страницы, 62 рисунка, 6 таблиц и 68 наименования списка литературы.
Синхронные машины с постоянными магнитами на роторе
Современные сверхпроводниковые токонесущие элементы могут быть классифицированы на: композитные провода, массивные элементы, листовые композитные материалы и тонкие пленки (coated conductors) из ВТСП провода II поколения. Электрические машины с СП проводами разрабатываются в настоящее время в основном на основе композитных НТСП проводов, а также висмутовых ВТСП проводов (и в перспективе иттриевых ВТСП проводов II поколения) /2, 37/.
Известно, что ВТСП провода на основе висмутовой керамики имеют высокие критические токи при температурных уровнях не выше 40 К /40/. Поэтому до сих пор большинство исследований по ВТСП двигателям с ВТСП проводами проводились для температурного уровня жидкого или газообразного гелия, жидкого водорода и жидкого неона (5-30 К). Структура, технология производства и характеристики композитных ВТСП проводов на основе висмутовых керамик (Ві-2223) для обмоток постоянного тока представлены на рис. 1.2, а,б,в,г /1, 60/.
В" последние годы начаты работы по созданию ленточных композитных ВТСП проводов II поколения на основе иттриевых керамик, способных работать при температурах жидкого азота /41,61,/. Это так называемые «coated tapes» (т.е. пленки с покрытием). В этом случае на гибкой подложке из никелевого сплава или другого подобного металла формируется специальный буферный слой с кристаллической структурой подобной структуре сверхпроводника из иттриевой керамики YiBa2Cu306-7. В дальнейшем на этот слой осаждается сверхпроводник (YBaCuO или подобный ему), который затем покрывается стабилизирующим металлом. Таким образом получается гибкая тонкая монокристаллическая сверхпроводящая пленка на несущей ленте. Токонесущая способность такой пленки весьма высока.(до 3 МА/см2 в сверхпроводнике при температуре жидкого азота). Высока также и конструктивная плотность тока (отнесенная ко всему поперечному сечению ленты). Плотность тока в ВТСП проводах 2-ого поколения в несколько раз выше, чем в ВТСП проводах 1-ого поколения. Они меньше подвержены влиянию внешнего магнитного поля и имеют значительно более высокие механические характеристики. Увеличение плотности тока и использование сравнительно недорогих исходных материалов в ВТСП проводах 2 18 ого поколения, позволяет надеяться (при массовом производстве) на стоимость провода порядка $10-15 за кАм, что уже сравнимо или ниже стоимости меди. В настоящее время интенсивные работы по созданию промышленного производства ВТСП проводов 2-ого поколения ведутся во многих странах (США, Япония, Германия и др.). На рис. 1.2 приведена структурная схема композитного ленточного ВТСП провода 2-ого поколения (промышленный стандарт 344), разработанного компанией American Superconductor (США). Токонесущий элемент представляет собой пленку YBCO, нанесенную на подложку Ni-W сплава через буферные оксидные слои. Основные параметры ВТСП проводника: толщина - 0.20 мм, ширина - 4.35 мм, минимальный критический ток при непрерывной длине 100 м -70 А.
Высокотемпературные сверхпроводники для работы на постоянном токе: а - ленточные проводники на основе Ві-2223; б - проводники с круглым поперечным сечением на основе Ві-2223; в, г - зависимости критической плотности тока от температуры и магнитного поля; д - структура ленточного проводника на основе YBCO; е - зависимость критической плотности тока от температуры и магнитного поля для ВТСП проводов II поколения. На рис. 1.3 приведен типичный вид ВТСП проводников для обмоток переменного тока /1/. Для успешного применения ВТСП проводников на переменном токе необходимо снижать гистерезисные потери в СП жилах и потери на вихревые токи в металлической матрице. В качестве способа уменьшения потерь на вихревые токи в лентах на основе Bi-2223/Ag композита предлагается введение резистивных слоев карбоната стронция в серебряную матрицу. а) б) В[Т] Field amplitude (Т] В) Г) Рис. 1.3. Высокотемпературные сверхпроводники для работы на переменном токе. а - продольное сечение 19-жильного сверхпроводника Bi-2223/Ag с тестированными жилами; б - продольное сечение 19-жильного сверхпроводника Bi-2223/Ag с барьерами из карбоната стронция; в - зависимость критической плотности тока от магнитного поля для 84-жильной Bi-2223/Ag ленты; г зависимость потерь от амплитуды магнитного поля (50 Гц) для нетвистированной и твистированной 19-жильной Bi-2223/Ag ленты. І Для СП электрических машин с объемными ВТСП материалами используются массивные YBCO элементы различной формы. На рис. 1.4 приведены основные этапы термомеханических процессов изготовления объемных ВТСП элементов из иттриевой керамики (соединения Y123), необходимый температурный профиль во время спекания керамики и готовые YBCO блоки /64/. Стандартные объемные блоки, которые использовались для создания ВТСП роторных элементов, могут иметь монодоменную и поликристаллическую структуру с большими доменами. Следует отметить, что в настоящее время с использованием технологии MELT успешно изготовлены новые объемные сверхпроводники на основе YBCO и NdBCO /64/. Они имеют монодоменную структуру с размерами до 36 мм (и более) и способны "захватывать" магнитный поток с индукцией -12 Тл при 20 К и до 3 Тл при 77 К.
В настоящее время для ВТСП электрических машин разрабатываются также новые ВТСП элементы на базе больших композитных пластин из Ві-2223 в серебряной матрице с использованием технологии «порошок в трубе» /1, 14/, а также композитные пластины с пленками из иттриевой керамики.
Структура аналитических решений для двухмерных магнитных полей уединенных цилиндров с радиально-тангенциальными магнитами
Одной из главных задач электромеханики на сегодняшний день является адекватный подбор и применение таких методов исследования электромеханических систем, которые могли бы отвечать современным требованиям, предъявляемым к точности и скорости расчета. На этапе технического предложения большую роль играют аналитические методы расчета магнитных полей и выходных характеристик электрических машин. Такие методы позволяют проводить расчет интересующих параметров машины без перебора большого числа возможных вариантов конструкций, что имеет место при использовании численных методов расчета электромеханических систем.
Вследствие значительно возросших требований к точности расчета, большое значение приобретает применение трехмерных методов аналитического моделирования. Однако чрезвычайная сложность и громоздкость таких методов не позволяет использовать их достаточно широко. В этой связи актуальным является использование двухмерных аналитических моделей.
Одним из наиболее простых и точных методов является метод функций Грина, рассматриваемый в данной главе применительно к СД с радиально-тангенциальными ПМ и ВТСП элементами в роторе.
Как отмечалось выше, при использовании синхронных двигателей этого типа возможно получение лучших мощностных характеристик при сохранении всех достоинств СД с радиальной намагниченностью ПМ. Несмотря на важность, аналитические методы, позволяющие рассчитывать магнитные поля и параметры таких ВТСП электродвигателей, в литературе рассмотрены не достаточно полно. В данной главе приводятся аналитические модели расчета двухмерных магнитных полей и параметров синхронных ВТСП двигателей с радиально-тангенциальными и радиальными магнитами, описывается постановка двухмерных электродинамических задач, дается структура решений задачи для уединенных цилиндров из ПМ радиально-тангенциального намагничивания в терминах скалярного магнитного потенциала и функции магнитного потока, рассматриваются двухмерные магнитные поля в активной зоне ВТСП электродвигателей с радиально-тангенциальными и радиальными ПМ, приведены векторные диаграммы и основные параметры синхронных ВТСП электродвигателей, даны результаты расчета и сравнительный анализ параметров синхронных ВТСП двигателей с радиально-тангенциальными магнитами.
Поперечное сечение одной из возможных конструкций четырехполюсного СД с радиально-тангенциальными ПМ на роторе, обеспечивающей «внешнюю» концентрацию магнитного потока, показано на рис. 2.1а. Здесь стрелками обозначено направление намагниченности ПМ. Ротор содержит постоянные магниты секторной формы радиального и тангенциального намагничивания 1, для удержания которых на роторе используются титановые пластины 2. Пластины составляют немагнитный шихтованный пакет ротора и напрессовываются на полый вал 3. Статор электрической машины 4 представляет собой шихтованный сердечник из электротехнической стали, в пазах которого располагается трехфазная обмотка, питаемая переменным током. а) б)
Как отмечалось выше (см. п. 1.3) к достоинствам таких машин можно отнести легкость ротора, не содержащего стальных элементов во внутренней области, высокоиндуктивные магнитные поля в воздушном зазоре машины, а также высокие удельные энергетические характеристики при относительной простоте конструкции.
Для проведения сравнительного анализа СД с радиально-тангенциальными постоянными магнитами выбрана машина с радиальной намагниченностью ПМ. Это объясняется как наиболее широкой распространенностью данного типа машин, так и ее техническими достоинствами, как-то: технологичность, простота конструкции и высокие значения удельной мощности при р 2.
На рис. 2.1,6 приведено поперечное сечение конструкции СД с радиальными магнитами 1, примыкающими своими внутренними торцами к ферромагнитному сердечнику 2, а наружными торцами - к магнитомягким участкам биметаллической обоймы 3. Статор 4 машины также выполняется шихтованным и аналогичен рассмотренному ранее.
На рис. 2.2, а приведена расчетная схема СД с радиально-тангенциальными магнитами. В данной постановке статор электрической машины заменяется кольцевым ферромагнитным экраном / с внутренним радиусом Rs, на поверхности которого расположен эквивалентный токовый слой 2. Магнитопровод статора считается ненасыщенным, и его относительная магнитная проницаемость jur »1. В этом случае для анализа структуры магнитных полей в зоне расточки статора (г RS) можно воспользоваться методом отражений в бесконечно толстом экране, согласно которому статор заменяется цилиндрическим «магнитным зеркалом». С учетом сделанных замечаний магнитное поле в области г Rs можно представить в виде суммы полей от токового слоя, реальных магнитов индуктора и соответствующих им отраженных магнитов 4, расположенных соответственно на радиусах /4/:
Таким образом, учет влияния магнитопровода статора на поля, создаваемые магнитами ротора, сводится к расчету двухмерных магнитных полей, создаваемых радиально-тангенциальными магнитами, собранными по схеме, обеспечивающей внутреннюю концентрацию магнитного потока (рис. 2.2 а). В такой схеме направление намагниченности тангенциальных магнитов изменяется на противоположное по сравнению со схемой с внешней концентрацией магнитного потока, размещенной на роторе. При этом радиальная координата из условия соответствия областей при конформных преобразованиях заменяется как r = Rs /г1. Следует отметить, что аналогичные результаты можно получить из условия отсутствия касательных составляющих напряженности магнитного поля на поверхности ферромагнитного экрана (г =RS) с цРе »1 /4/. В дальнейшем величина магнитного момента каждого единичного магнита принимается постоянной (М = const), что вполне допустимо для постоянных магнитов на основе редкоземельных материалов. Двигатель полагается достаточно длинным (L/D 3-4).
На рис. 2.2, б приведена расчетная схема традиционного СД с радиальными магнитами. При построении аналитических решений для распределения магнитных полей радиальных магнитов 1 обмотка статора также заменяется эквивалентным токовым слоем 4. Ферромагнитный сердечник ротора 2 и спинка статора 3 считаются ненасыщенными с juFe »1. Это допущение позволяет с достаточной точностью полагать, что внешний радиус спинки статора на параметры машины не влияет (т.е. R— оо). Величины магнитных моментов радиальных магнитов принимаются постоянными Mr = const, а линейная зона машины считается достаточно длинной. Для данной схемы двигателя с радиальными магнитами решение задачи нахождения распределения магнитных полей в активной зоне машины ищется в виде трех слагаемых. Первое слагаемое определяется токовым слоем 4 на радиусе расточки статора (рис. 2.2, б). Второе слагаемое определяется полем ПМ ротора. Третье слагаемое учитывает влияние магнитопроводов ротора и статора.
Следует отметить, что поскольку конструктивные особенности машины в полном объеме учитываются при численном поверочном расчете и в аналитической модели не затрагиваются, использование в значительной степени упрощенных расчетных схем, приведенных выше, является возможным и целесообразным.
Алгоритмы численного расчета магнитных полей и параметров двухполюсных и четырехполюсных синхронных ВТСП двигателей с ПМ при заданном напряжении фаз обмотки статора
На основе полученных выше решений двухмерных электродинамических задач в рамках единого подхода можно провести сравнительный анализ СД с ПМ радиально-тангенциального намагничивания и СД классического, наиболее распространенного типа с ПМ радиального намагничивания.
Сравнительный анализ предполагает сопоставимость изучаемых объектов и позволяет определить преимущества СД с радиально-тангенциальными ПМ по сравнению с выбранным для сравнения традиционным СД с радиальными магнитами. Таким образом, сравнительный анализ позволяет точно определить, является ли СД с ПМ радиально-тангенциального намагничивания более выгодным в энергетическом отношении и при каких режимах работы.
На основе полученных выше аналитических решений для распределения магнитных полей в активной зоне машины можно найти выражения для расчета ЭДС и индуктивных параметров Xad и Xd СД с радиально-тангенциальными и СД с радиальными магнитами и построить их выходные характеристики. ЭДС двигателей определяется как /б/: Ей=ЛтфоКоФ0, (2.67) где Ф0 ={Brm)rLs - магнитный поток на один полюс, (Вгт) 2Вгт/ж- среднее значение магнитной индукции,. Вгт = дАш ]гд9 - максимальное значение магнитной индукции на радиусе расточки статора, определяемое по первой гармонике рядов (2.58) и (2.66) для СД с радиально-тангенциальными и СД с радиальными магнитами соответственно. Параметры электродвигателей с радиально-тангенциальными ПМ. Энергию поля от токов обмотки статора, необходимую для определения индуктивных параметров машины, находят по первой гармонике ряда для А5 из соотношения /6/: 9 2 2 Wx =\\ja{0U5{0)dV = ]jAe)A5{e)de L m iaW" Klx (2.68) где Ag соответствует выражению (2.55) при p — Rs. С использованием известных выражений для энергии магнитного поля Wx = —— и индуктивного сопротивления X — coL, индуктивное сопротивление линейной зоны двигателя Xad по первой гармонике определяется как 161: Xad = " » " Кл. (2.69) яр Таким образом, видно, что влияние ВТСП оболочки ротора, учитываемое коэффициентом ау (см. 2.56 и 2.62), приведет к снижению значения индуктивного сопротивления машины, что, согласно выражению (1.1) приведет к росту выходной мощности СД. Полное индуктивное сопротивление Xd определяется как: Xd = Xad + Ха, (2.70) где Ха - индуктивное сопротивление рассеяния. Электромагнитный момент и электромагнитная мощность СД с радиально-тангенциальными магнитами определяется из следующих соотношений /6, 12/: Мэм=К \jaBsrdB9 (2.71) о где Ja определяется согласно (2.53), Bs = dAs/rd6- радиальная компонента вектора магнитной индукции. После интегрирования электромагнитную мощность Рэм машины можно представить в следующем виде: к п(\ + рп) sin(/), где со = 27rf, f — частота напряжения питающей сети. рпа XCOS (2.72) Параметры электродвигателей с радиальными ПМ. Аналогичное выражение Рэм для СД с радиальными магнитами записывается как: эм эм а\ а \ \ а )) -- __Л ?Г (2.73) xsin(/?nor)sin(/), где a, b и d определяются согласно (2.65). Индуктивное сопротивление и магнитный момент СД с радиальными магнитами определяется полностью аналогично из выражений (2.69), (2.70) и (2.71).
Векторные диаграммы и угловые характеристики СД. Используя векторные диаграммы, представленные на рис. 2.12, можно получить при Rcm = 0 и Xd=Xq следующие простые соотношения для расчета фазного тока 1(0), коэффициента мощности со$ф(в) и электромагнитной мощности Рт{&), рассматриваемого СД 16/: C0S Р(в) = ,. 42 / 42 (2.74)
Это соотношение позволяет установить связь между углом у, используемым в задачах расчета двухмерных магнитных полей, индуктивными коэффициентами Xd и Хд и углом нагрузки 9, используемым при расчете характеристик СД.
Таким образом, основное различие СД с радиально-тангенциальными и радиальными ПМ заключается в распределении индукции магнитного поля от ПМ ротора в зазоре машины (см. 2.58 и 2.66). Влияние ВТСП экрана, как видно из выражений (2.56), (2.62) и (2.69) позволяет значительно повысить выходную мощность СД.
Сводные таблицы формул для аналитического расчета СД с радиально-тангенциальными и радиальными ПМ приведены в Приложениях 1 и 2 соответственно.
Одним из достоинств рассмотренной выше теоретической модели является возможность проведения проектных расчетов и предварительного сравнительного анализа синхронного ВТСП двигателя с радиально-тангенциальными постоянными магнитами. В расчетах использовались следующие исходные параметры модельных двигателей: диаметр расточки статора Ds = 84 мм, длина пакета статора Ls = 78 мм, внутренний радиус цилиндра из РЗМ гх = 18,5 мм, внешний радиус цилиндра - г2=А\ мм, воздушный зазор = 1 мм, число пар полюсов р = 2, число пазов на полюс и фазу q = 3, число витков фазы якоря Wa — 200, напряжение питающей сети U = 220 В, частота тока / = 200 Гц. Предполагалось, что магнитный момент постоянных магнитов равен М - 780000 АI м. При принятых исходных данных обеспечивается перевозбужденный режим работы двигателя как для СД с радиально-тангенциальными магнитами, так и для СД с радиальными магнитами с є = EQ/U - 2,099 и є = 2,162 соответственно. В качестве примера на рис. 2.13 представлены зависимости максимальных значений радиальной составляющей первой гармонической магнитной индукции Вг на радиусе расточки статора Rs = 42 мм от относительной магнитной проницаемости магнитопровода статора juFe для экспериментальных моделей СД с радиально-тангенциальными и СД с радиальными магнитами. Видно, что при /лРе 10 значение Вг меняется незначительно.
Результаты экспериментальных исследований макетного образца шестиполюсного ВТСП электродвигателя
Теоретические расчеты синхронных ВТСП двигателей с радиально-тангенциальными постоянными магнитами, рассмотренные в предыдущих главах, показали, что они обладают более высокими энергетическими показателями по сравнению с электродвигателями традиционного исполнения. Как отмечалось выше, использование объёмных ВТСП элементов позволяет существенно повысить магнитную анизотропию ротора вдоль осей d и q и, соответственно, увеличить удельные энергетические показатели реактивных ВТСП двигателей. Кроме того, величина токовой нагрузки ВТСП двигателя может быть существенно повышена за счет охлаждения обмотки статора криоагентом. Для проверки полученных теоретических результатов необходимо провести исследования опытной модели ВТСП электродвигателя с последующим сравнением их результатов с расчетами.
В этой связи был спроектирован и изготовлен макетный образец шестиполюсного ВТСП электродвигателя и модифицирован испытательный комплекс для проведения экспериментальных исследований разработанной электрической машины.
В данной главе описан макетный образец шестиполюсного ВТСП электродвигателя с радиально-тангенциальными постоянными магнитами, представлены этапы проведения экспериментов, рассмотрен автоматизированный испытательный комплекс для исследования криогенных электрических машин. Приведены результаты сопоставления опытных данных с теоретическими расчетами.
Для экспериментальных исследований синхронных ВТСП двигателей был модернизирован криогенный стенд Центра «Сверхпроводниковых электрических машин и устройств» МАИ, на котором проводились испытания двигателя при температуре жидкого азота. В состав стенда входят криогенные системы, обеспечивающие охлаждение электродвигателей в диапазоне от 77 до 65 К с использованием жидкого азота при нормальном или пониженном давлении.
Система силового электропитания. Поскольку синхронные электродвигатели не обладают собственным пусковым моментом, для обеспечения их запуска, выхода на заданный режим работы и поддержания стабильной скорости вращения используются частотные преобразователи. Они позволяют осуществлять прямой запуск синхронного двигателя за счёт плавного нарастания электрической частоты напряжения питания ft подаваемой на обмотки статора, от 0 до fpa6. За счет времени нарастания значения частоты возможна регулировка плавности пуска. В составе стенда использовалась система питания на основе трехфазного синусоидального статического преобразователя Mitsubishi FR-F740-00770EC, мощностью 37 кВт. Система управления преобразователя построена на основе микропроцессора. Регулирование по частоте и амплитуде синусоидального напряжения осуществляется методом широтно-импульсной модуляции. Таким образом, разгон и поддержание заданной частоты вращения экспериментальных ВТСП двигателей осуществляется полностью в автоматическом режиме.
Тормозное устройство. Для проверки работы ВТСП двигателей под нагрузкой и снятия в этом режиме его характеристик, в состав автоматизированного измерительного стенда было включено тормозное устройство, выполненное на базе двигателя постоянного тока МЛ-25 (рис. 4.1 справа). Для обеспечения возможности регулирования мощности нагрузки, управление машиной осуществляется путем изменения тока в обмотках возбуждения и управления. Тормозное устройство закреплено на стенде таким образом, чтобы его корпус мог совершать колебания относительно продольной оси двигателя. Для измерения момента, действующего со стороны испытуемого ВТСП двигателя, использовался датчик силы, который был прикреплен одной стороной к несущей раме, а другой к корпусу тормозного устройства. Также данная система способна работать в режиме электропривода в тех случаях, когда необходимо измерить параметры ВТСП машины с ПМ в генераторном режиме.
Система автоматизированного контроля и регистрации параметров. Для экспериментальных исследований ВТСП электродвигателей используется специализированный автоматизированный измерительный комплекс (ИК). ИК состоит из системы датчиков, усилителей и преобразователей сигнала, двух плат АЦП, персонального компьютера и специально разработанного программного обеспечения. ИК позволяет осуществлять регистрацию, сбор, визуализацию и сохранение результатов измерений параметров ВТСП электродвигателей в режиме реального времени.
Помимо контроля основных электрических параметров испытуемого электродвигателя (токов и напряжений по трем фазам), система измерений содержит специальные каналы для регистрации следующих величин: - частоты вращения вала ВТСП электродвигателя; - механического момента, развиваемого ВТСП электродвигателем; - давления внутри криостата; - магнитного поля, измеряемого датчиком Холла; - мощности на нагрузке. Измеряемые величины, их диапазоны и используемые для этого датчики приведены в таблице 4.1.
