Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Требования к материалам массивного ротора
1-1 Требования к материалам магнитопровода электрической машины 20
1.2. Традиционные материалы, применяемые для совершенствования характеристик двигателей с массивным ротором 21
1 -3. Перспективы наноматериалов 23
1.4. Характеристики различных материалов, использованных для исследования электромагнитных параметров и напряженного состояния массивных роторов асинхронных машин 25
1.4.1. Характерные особенности материала, полученного с использованием нанотехнологий 28
Выводы 32
Глава II Исследование характеристик электромагнитного поля асинхронной машины с массивным ротором
2.1. Физическая и математическая модели 35
2.2. Граничные условия 40
2.3. Вычисление локальных и интегральных величин магнитного поля 41
2.4. Подход к расчету характеристик асинхронного двигателя с массивным ротором по результатам решения задачи распределения электромагнитного поля численным методом 43
2.4.1. Определение исходных величин токовой нагрузки и задание
исходных данных 46
2.5. Этапы практической реализации задач распределения поля на ЭВМ с помощью МКЭ '
2.6. Результаты исследований электромагнитного поля асинхронных машин с массивным ротором 48
2.6.1. Описание моделей для расчетов электромагнитного поля 49
2.6.2. Основные проектные и исходные данные для моделирования характеристик сверхвысокоскоростного генератора-двигателя и асинхронного двигателя малой мощности
50
2.6.3. Построение сетки 53
2.6.4. Определение рационального соотношения свойств материала ротора 54
2.6.5. Результаты расчетов 55
2.7. Сравнительный анализ расчетных характеристик различных асинхронных двигателей с массивным ротором 59
2.8. Оценка погрешности электромагнитных расчетов 68
Выводы 72
Глава III. Исследование напряженного состояния массивного ротора асинхронной машины 3.1 Моделирование напряженного состояния массивного ротора 74
3.2. Исследование напряженного состояния конструкции массивного ротора асинхронных машин, выполненного из различных материалов
3.2.1. Модель для исследования механической прочности 80
3.2.2. Анализ напряженного состояния массивного ротора, выполненного из материалов различных типов 81
3.3. Погрешности прочностных расчетов 87
Выводы 87
Глава IV. Результаты эксперимента
4.1. Программа испытаний. Режим холостого хода 89
4.2. Режим короткого замыкания 93
4.3. Оценка результатов эксперимента 95
Выводы 100
Заключение ЮЗ
Литература 105
Приложения 1
- Традиционные материалы, применяемые для совершенствования характеристик двигателей с массивным ротором
- Вычисление локальных и интегральных величин магнитного поля
- Исследование напряженного состояния конструкции массивного ротора асинхронных машин, выполненного из различных материалов
- Режим короткого замыкания
Введение к работе
Наиболее широко применяемым на практике классом электрических
машин являются машины переменного тока, и особенно асинхронные
двигатели с короткозамкнутым ротором. Данный тип машин изготавливается
и применяется на практике до частот вращения 3000-5000 об/мин. Для них
существуют регламентирующие показатели энергетической эффективности.
В этой связи актуальной задачей проектировщиков новых типов
электрических машин на современном этапе развития
электромашиностроения является создание оборудования с усовершенствованными характеристиками, повышенной эффективности. Однако существуют области применения электрических машин, в которых достижение высоких показателей эффективности не является первоочередной задачей. На первый план выступают вопросы упрощения технологии или механической прочности.
Например, при необходимости применения высокооборотного двигателя или генератора встает вопрос о конструктивном решении, так как на первый план выступают проблемы обеспечения необходимой механической прочности. В этой связи возникает идея использования конструкции массивного ротора (так как поковка ротора может быть выполнена из высокопрочной стали и выдерживать значительные механические напряжения).
Изучение специфических характеристик массивного ротора началось на ранней стадии машиностроения [78]. Теория и практика расчета машин со сплошным цилиндрическим ротором, их особенности отражены в работах М.О. Доливо-Добровольского, К.И. Шенфера, И.С. Брука, З.Б. Неймана, А.И. Важнова, Е.Я. Казовского, И.М. Постникова, И.А. Сыромятникова, В.А. Марактанова, В.М. Куцевалова, Р.А. Лютера. Из зарубежных авторов этими вопросами занимались Р. Рюденберг, А.И. Вудд, К. Конкордия, Д. Ангст, К.П. Ковач, И.И. Рац [3].
Массивный ротор асинхронного двигателя представляет собой сплошной или полый цилиндр, выполненный из ферромагнитного материала без обмотки. Функции обмотки ротора выполняет поверхностный слой ротора, параметры которого зависят от частоты, магнитной проницаемости, удельного электрического сопротивления материала ротора. Вследствие поверхностного эффекта, при пуске поле ротора распределяется в поверхностном слое относительно небольшой глубины. Активное сопротивление ротора, когда частота токов в роторе велика, будет значительно больше, чем сопротивление при нормальной работе, а, следовательно, его начальный пусковой момент будет высок, так как удельное электрическое сопротивление стали в 10-30 раз больше, чем меди или алюминия. При номинальном режиме работы частота наведенных ЭДС и токов в роторе уменьшается (f2=fi*s), глубина проникновения поля в роторе увеличивается.
В результате взаимодействия вращающегося магнитного поля, созданного током многофазной обмотки статора, с вихревыми токами ротора образуется электромагнитный момент, вращающий ротор в том же направлении (в режиме двигателя), что и магнитное поле, со скольжением, которое при номинальном режиме значительно больше, чем для двигателя с короткозамкнутым ротором. Так, для двигателей мощностью 50-500 Вт [6] номинальное скольжение лежит в пределах 0,3-0,4, тогда как для двигателей с короткозамкнутым ротором для тех же мощностей номинальное скольжение 0,08-0,1. Значительное номинальное скольжение двигателей с массивным ротором вызвано большим активным сопротивлением вторичной цепи. Механическая характеристика двигателя пологая, что позволяет для регулируемых двигателей устойчиво работать в широком диапазоне изменения частоты вращения.
К основным достоинствам двигателя с массивным ротором можно отнести:
- относительно высокую кратность пускового момента;
низкую кратность пускового тока;
практическое отсутствие пульсаций вращающего момента;
повышенную по сравнению с обычным ротором термическую стойкость в переходных процессах;
мягкую механическую характеристику, позволяющую в широком пределе регулировать частоту вращения изменением подводимого напряжения;
простоту конструкции;
лучшие балансировочные и вибро-шумовые показатели.
Пусковой cos ф выше, чем у машин с короткозамкнутым ротором, что выгодно при повторно-кратковременных режимах работы. Эти свойства особенно проявляются у двигателей малой и средней мощности [61].
В последнее время интерес к разработке высокооборотных двигателей
и генераторов связан со все большим применением в качестве источников
энергии топливных элементов. Помимо прямого преобразования химической
энергии в электрическую образующиеся в процессе окисления продукты
сгорания могут быть использованы в микротурбоустановке в схеме
электромеханического цикла преобразования энергии.
Высокотемпературная энергия в виде горячего газа при температуре 1300-1700К поступает в микротурбину, которая вращает микротурбогенератор. Микротурбоустановка состоит из камеры сгорания топлива, сверхбыстроходных компрессора, газовой микротурбины и микротурбогенератора.
Массачусетский технологический институт (MIT) разработал микротурбину мощностью 80 Вт на окружные скорости 300-400 м/с (частота вращения (460-540)* 103 об/мин) [32, 88]. Актуальным является вопрос разработки обратимого микротурбогенератора, который для предварительного разгона микротурбины должен работать и в режиме двигателя. Такая машина может быть выполнена только с массивным ротором.
Помимо явного преимущества для высокооборотных машин асинхронные двигатели с массивным ротором часто являются лучшей конструкцией для ряда специальных целей. Этот тип машин применяется в системах автоматики, управления, ориентации и наведения, в электроприводах судовых грузоподъемных механизмов, в электроприводах швартовых механизмов, в электроприводах с тяжелыми условиями пуска (компрессоры, сепараторы, центрифуги), в приводах с широким диапазоном регулирования частоты вращения в различных системах автоматического управления, в гироскопах, аппаратах звукозаписи, в позиционных электроприводах (запорная аппаратура, дистанционное включение автоматических выключателей).
Исследованию электромагнитного поля электромеханических преобразователей энергии посвящено много работ [1, 2, 3, 4, 9, 14, 15,17,18, 23, 25-29, 31 32, 34, 37-41, 44-46, 53, 55-59, 63, 68-72, 79, 82, 83, 85,86, 90], однако интерес к этой проблеме сохраняется.
В большинстве работ, посвященных исследованию асинхронных машин с массивным ротором [2, 3], рассматривается установившийся режим работы машины, приводятся схемы замещения и эквивалентные параметры -реактивные и активные сопротивления, с той или иной степенью приближения, учитывающие реакцию сплошной проводящей среды ротора. Установлено, что влияние кривизны поверхности ротора возрастает с увеличением отношения глубины проникновения электромагнитной волны к величине полюсного деления и для крупных машин стандартного исполнения обычно невелико. Расчет электромагнитного поля ротора и воздушного зазора сводится к плоской задаче. Исследования эффекта края показали, что его влияние проявляется тем резче, чем больше отношение радиуса ротора к его длине, которое невелико для машин обычного исполнения.
Однако особенности расчета машин этого типа, методов их теоретического и экспериментального исследования постоянно являются объектом изучения [55].
Основным недостатком двигателей с массивным ротором являются низкие энергетические показатели: коэффициент полезного действия (кпд) и коэффициент мощности (cos ф), обусловленные повышенными значениями параметров вторичной цепи. Это связано с тем, что большое сопротивление ротора приводит к увеличению джоулевых потерь, увеличению добавочных потерь, вызванных высшими гармониками поля на поверхности ротора.
Номинальная мощность двигателей с массивным ротором в тех же габаритах, как и обычных, ниже на 25-35% при более низком кпд [61].
Существенный вклад в развитие теории и расчет машин переменного тока (крупных синхронных машин) с массивными элементами был сделан в работах Р.А. Лютера, З.Б. Неймана, Я.Б. Данилевича, Е.Я. Казовского, Э.Г. Кашарского, Г.В. Рубисова, Н.Б. Чемодановой, А.С. Шапиро, В.П. Марактанова, И.М. Постникова. Обобщение и систематизация по теории и расчетам были сделаны В.М. Куцеваловым [55-57], детально представившим основные закономерности, характеризующие асинхронную машину с массивным ротором, разработавшим методы расчета параметров и построения круговых диаграмм.
Появляющиеся новые работы [26, 33, 34, 68, 70, 82, 83] в этой области характеризуют важность ее с практической точки зрения.
Интерес и актуальность связаны с расширяющимися областями применения, повышения степени их электромагнитного и теплового использования. Накопленный опыт и применение современной вычислительной техники позволяют повысить уровень проектирования машин с массивными роторами, что способствует поднятию их технико-экономических характеристик и надежности.
Для технически обоснованного проектирования актуальны исследования в направлениях [44]:
-совершенствования методов расчета вихревых токов и потерь в массивном
роторе;
-определения рациональных свойств материалов массивного ротора,
обеспечивающих требуемые характеристики машины.
Для создания новых модификаций машин требуется:
-определение характеристик при повышенных и высоких частотах вращения,
-разработка и применение материалов нового типа.
Решение поставленных задач требует разработки и совершенствования методических приемов на основе использования реального распределения электромагнитного поля в элементах магнитопровода, реальной нелинейности характеристик материалов элементов магнитопровода.
В электрических машинах с массивным ротором затруднение вызывает определение активного и реактивного сопротивлений контуров вихревых токов, так как они являются сложными функциями величины и частоты тока, зависят от глубины проникновения поля в тело ротора [65, 66]. В практике расчетов для определения глубины проникновения поля в ферромагнитное проводящее тело пользуются приближенными формулами при |_i=const. Например, по [45]
где ю - частота вращения, рад/сек;
\х -относительная магнитная проницаемость материала ротора;
Но -магнитная проницаемость вакуума, Гн/м;
р - удельное электрическое сопротивление материала ротора, Ом;м.
По известной величине глубины проникновения поля определяют активное и реактивное сопротивления ротора с помощью коэффициентов Неймана для слабых или сильных полей [65].
В [58, 69] в результате анализа общего выражения для параметров массивного ротора устанавливается область, в которой применяются приближенные формулы для определения активного и реактивного
сопротивлений ротора и приводятся коэффициенты, учитывающие кривизну ротора. В [70] уточнены методы расчета электромагнитного поля (распределение векторного магнитного потенциала) в массивных элементах ротора, в частности с учетом кривизны бочки ротора, методом конечных разностей.
В [68] отмечается тенденция увеличения числа публикаций, связанных с уточнением расчетов проникновения электромагнитного поля в массивную среду, однако констатируется, что предложенные расчетные формулы дают значительное расхождение с опытом. Эти задачи решают приближенно при допущении о постоянстве магнитной проницаемости ротора и аксиальной направленности токов, из-за большей длины ротора по сравнению с полюсной дугой. Влиянием конечной длины ротора часто пренебрегают. В некоторых работах концевой эффект учитывается аналитическими методами, в других - вводятся эмпирические коэффициенты [2]. Определение тока производится методом последовательных приближений.
Отмечая недостаточную точность известных решений авторы в [68] предлагают более строгий учет изменения магнитной проницаемости, полученный при решении полевой задачи методом конечных разностей.
В [68] предложен комбинированный метод с предварительным аналитическим решением полевой задачи при постоянстве магнитной проницаемости с последующим использованием его в качестве начального приближения для решения полевой задачи методом конечных разностей при учете поверхностного эффекта и изменения магнитной проницаемости. В модели учитываются основные пространственные гармоники магнитодвижущих сил обмоток фаз статора; односторонний зубчатый зазор заменяется эквивалентным гладким, обмотка статора представляется тонким поверхностным слоем; магнитная проницаемость материала статора принимается бесконечно большой; цилиндрические поверхности статора и ротора развернуты на плоскости.
В указанной работе приводится расчет параметров асинхронного двигателя с массивным ротором, определение электромагнитного момента. По данным опытов холостого хода, короткого замыкания и нагрузки определены опытные значения параметров ротора в функции тока и скольжения по формулам, основанным на схеме замещения и векторной диаграмме, исследовано соотношение активных и реактивных параметров ротора, уточнена теория учета влияния конечной длины ротора на его параметры, исследована зависимости относительной магнитной проницаемости материала ротора по дуге окружности ротора на различной глубине от его поверхности при s=l, приводятся расчетные и экспериментальные механические характеристики асинхронного двигателя с массивным ротором.
Актуальность проводимых в диссертационной работе исследований связана с решением фундаментальной научной проблемы по приоритетным направлениям "Энергетика и энергосбережение" и "Индустрия наносистем и материалы" Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы, с выполнением работ по перспективному плану Фундаментальных исследований РАН по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники на 2006-2010 гг. и период до 2025г. -Химические науки и науки о материалах по п. 4.5. Химическая энергетика. Проблемы, рассматриваемые в диссертационной работе, связаны с непрерывно растущими техническими требованиями к эксплуатируемому и вновь создаваемому оборудованию. Проектировщики ориентируются при создании оборудования как на усовершенствование характеристик, повышение эффективности для энергетических установок различного назначения, так и на поиск рациональных решений на основе синтеза новых материалов с требуемыми прогнозируемыми свойствами и разработкой оборудования, предназначенного для специальных целей (космической и военной техники) и, в частности, для высокооборотных приводов. При
использовании элемента конструкции - массивного ротора - к материалу ротора предъявляются определенные требования, связанные с необходимостью обеспечения заданных электромагнитных параметров машины и высоким уровнем прочности, обусловленным большими действующими центробежными силами.
Одной из важных научных проблем, возникающих при создании электрических машин с применением материалов с прогнозируемыми заданными свойствами, является исследование электромагнитного поля машины и напряженно-деформированного состояния ротора с привлечением современных аналитических и численных методов анализа электромагнитного поля при многовариантных исследованиях с различными комбинациями электрофизических свойств материала ротора.
Используемые на практике методы расчета электромагнитного поля не учитывают в полной мере нелинейность характеристик материалов, реальную геометрию машины, сложный гармонический состав электромагнитной волны. При использовании комбинированных методов (аналитических по схемам замещения и численных расчетов для уточнения характеристик) применяется ряд допущений. Учет зубчатости воздушного зазора производится введением эквивалентной величины равномерного воздушного зазора. В расчетах учитывается только основная гармоника магнитного поля, относительная магнитная проницаемость ферромагнитных материалов принимается постоянной.
Разработка различных расчетных методов обусловлена разнообразием практических задач [85].
Распределение электромагнитного поля с учетом электрофизических свойств материалов, определяющих глубину проникновения электромагнитного поля в массивный ротор, и напряженное состояние ротора под действием приложенных центробежных нагрузок можно определять единым численным методом - методом конечных элементов (МКЭ).
Для качественного улучшения характеристик двигателей с массивным ротором и создания образцов опытных машин с применением новых материалов в качестве активной зоны ротора, необходимо провести тщательный анализ факторов, влияющих на параметры и характеристики двигателя.
Цель работы
Поисковые исследования, направленные на создание новой модификации
асинхронных машин с массивным ротором, для подтверждения
принципиальной возможности обеспечения требуемых характеристик
электрической машины путем применения материалов массивного ротора
с прогнозируемыми свойствами, получаемых с применением
нанотехнологий и позволяющих существенно изменить характеристики и параметры машины.
Задачи исследования
В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие задачи:
1. Исследования на основе решения уравнений электромагнитного поля
переменных токов влияния магнитной проницаемости и удельного электрического сопротивления материала ротора на характеристики создаваемых модификаций асинхронных машин.
2. Исследования объемного напряженно-деформированного состояния
массивного ротора при применении фуллеренов в качестве
наноструктур, способных придавать материалу ротора свойства,
необходимые для высокооборотных машин.
3. Определение предельных значений диаметра ротора в зависимости от
частоты вращения и различных уровней прочности материалов и определение возможности создания сверхбыстроходных асинхронных машин повышенной единичной мощности с наноматериалами в роторе.
4. Проведение экспериментальных исследований характеристик
асинхронного двигателя с массивным ротором на опытном образце,
выполненным из нового материала, полученного с применением
нанотехнологий; анализ результатов моделирования и
экспериментальных данных.
5. Разработка рекомендаций для применения полученных результатов в
практике проектирования модифицированных двигателей переменного
тока. Методы исследования
Применение во вновь разрабатываемых конструкциях новых материалов требует определения их рациональных электромагнитных и механических свойств, что возможно при проведении тщательного численного исследования, создания адекватных математических моделей и разработки методики расчетных исследований.
При решении указанных задач использовались методы теории электрических машин, ТОЭ, теории упругости материалов, метод конечных элементов (МКЭ) при использовании пакетов расчетных программ (COSMOS, ANSYS), методы экспериментальных исследований на опытных образцах.
В диссертационной работе полевая задача распределения электромагнитного поля в магнитопроводе асинхронной машины с массивным ротором и исследование напряженного состояния массивного ротора под воздействием центробежных нагрузок решается единым численным методом.
Среди численных методов расчета развитую теоретическую базу и примеры практической реализации имеют универсальные методы решения: метод конечных разностей и метод конечных элементов. По оценке [52] МКЭ имеет преимущество, состоящее в простоте расчета распределения поля в телах, состоящих из материалов с различными свойствами, простоте аппроксимации сложных криволинейных областей модели, возможностей
необходимого измельчения сетки в областях повышенных градиентов поля и учета граничных условий различного типа.
Применение пакетов программ COSMOS, ANSYS и др., в которых используется МКЭ для решения полевых задач, позволяет решать задачу распределения поля с реальной геометрией магнитопровода, с учетом нелинейных характеристик материалов статора и ротора.
Кроме того, применение численных расчетов позволяет существенно сократить время, требуемое для проектирования и поиска оптимальных вариантов конструкции, позволяет осуществлять электромагнитный и механический расчеты. Численные методы незаменимы при моделировании новых типов электрических машин и особенно при применении новых материалов, позволяя осуществить быстрое решение при переборе вариантов материалов с различными свойствами. Численное моделирование позволяет в конкретных случаях эффективно, без проведения дорогостоящего натурного эксперимента, определить требуемые исследуемые параметры.
Модель двигателя с массивным ротором для анализа электромагнитного поля машины численными методами построена на базе конструкции асинхронного короткозамкнутого двигателя, ротор которого был заменен на массивный. Исследовано влияние свойств материала массивного ротора на его рабочие характеристики.
Выполнены экспериментальные работы для определения реальных характеристик асинхронного двигателя с массивным ротором, изготовленным из материала с применением нанотехнологий.
Результаты численного моделирования сопоставлены с результатами экспериментальных исследований и произведена оценка полученных данных.
Научная новизна заключается в результатах поисковых исследований асинхронных машин с ротором, выполненным с применением нанотехнологий. При исследованиях использован новый подход к определению характеристик асинхронной машины с массивным ротором на основе решения уравнений электромагнитного поля без традиционно
применяемых упрощений (с учетом реальной геометрии магнитопровода машины, нелинейности характеристик материалов). Исследованы различные варианты конструкции асинхронной машины при использовании материалов с различными свойствами.
Впервые проведены численные и экспериментальные исследования асинхронного двигателя с массивным ротором, выполненным из материала с применением нанотехнологий.
Достоверность полученных расчетных результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается строгостью используемого математического аппарата, использованием теоретически обоснованного современного численного метода - МКЭ, сопоставлением полученных численных решений с данными экспериментальных исследований. Защищаемые автором положения диссертационной работы апробированы на международных и отечественных конференциях и семинарах специалистов, а также в публикациях.
Практическая ценность и внедрение результатов работы
Обоснована возможность создания модификации асинхронных машин с массивным ротором на основе применения новых нанокомпозитных материалов, обеспечивающих требуемые электромагнитные и прочностные характеристики машин.
Результаты теоретических разработок определения локальных и интегральных характеристик электромагнитного поля, рациональных электромагнитных и механических свойств материала ротора имеют практическое значение и направлены на усовершенствование характеристик асинхронного двигателя путем моделирования свойств материала ротора.
Выполнены расчетные и экспериментальные исследования опытного асинхронного двигателя с массивным ротором, выполненным из материала с повышенным содержанием кремния, полученным с применением нанотехнологий.
Работа выполнялась по требованиям заказчика и совместно с заказчиком при привлечении технологов ЗАО "ЭКОС".
Научно-инженерным центром "Керамические тепловые двигатели им. А. М. Бойко" разрабатывается микроустановка с газовой турбиной нового поколения на базе керамических материалов мощностью 200 Вт, с частотой вращения 500 000 об/мин. Теоретически обоснована принципиальная возможность достижения мощности микротурбогенератора порядка 100 Вт в заданных габаритах при прогнозируемых электромагнитных свойствах металлокерамического массивного ротора. Высокие окружные скорости ограничивают для данного материала величину диаметра ротора. При требуемой мощности это приводит либо к необходимости повышения удельных электромагнитных нагрузок (линейной нагрузки, магнитной индукции, плотности тока), либо к увеличению диаметра ротора при применении более прочного материала ротора, что возможно при использовании нанокомпозитного материала.
Исследования проводились в рамках выполнения проектов: гранта
РФФИ № 04-02017005 "Теоретические исследования по обоснованию
возможности создания нового типа сверхбыстроходных
электромеханических преобразователей энергии", гранта № 05-02-08235 ОФИ-а " Исследования по созданию нового типа электромеханического преобразователя энергии на основе использования новых материалов с заданным комплексом механических и электромагнитных свойств, созданных с помощью нанотехнологии", выполнения инициативного проекта научной Программы 2004-2005г. Санкт-Петербургского Научного Центра "Разработка принципиально нового типа электромеханического преобразователя энергии с использованием нанотехнологии."
На основании сравнительного анализа данных численного и натурного эксперимента разработаны рекомендации по требуемым электромагнитным
и механическим свойствам материала ротора для получения новых образцов материалов и изготовления из них массивных роторов асинхронных машин.
Апробация работы
Результаты исследований докладывались на V международной
конференции "Электромеханика, электротехнологии и
электроматериаловедение"( Алушта, 22-26 сентября 2003г.), на международной конференции "Nanoparticles, Nanostructures & Nanocomposites" (Санкт-Петербург, 5-7- июля 2004г.), на международных конференциях Северо-западной секции IEEE Chapters (Санкт-Петербург 2003г.,2004г., 2005г.), на первой международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности" (30.05-02.06 2005г. Санкт- Петербург), на секции "Электромеханики и автоматики " Дома Ученых "Новые материалы - основа развития современного электромашиностроения ". (Санкт Петербург, 25 ноября 2004г.).
Результаты численных исследований магнитного поля и напряженно-деформированного состояния роторов быстроходных машин использовались для подготовки материалов к конференциям: "Математическое моделирование в механике сплошных сред" (Санкт-Петербург, 2001), II международной конференции "Современная энергетика - основа экономического развития". (Санкт-Петербург 09.04.03., РЭСТЭК, 2003), международной конференции "Возобновляемая энергетика-2003. Состояние, проблемы, перспективы" (Санкт-Петербург, 4-6 октября 2003г.).
По тематике исследований опубликовано 12 печатных работ, включая тезисы докладов в трудах международных конференций, 9 статей, в том числе в журналах "Известия РАН. Энергетика", "Электротехника", "Тяжелое машиностроение", " Энергия: экономика, техника, экология ", в сборнике "Проблемы создания и эксплуатации новых типов электроэнергетического оборудования", выпуск 4 (2002г.), выпуск 5, (2003), выпуск 6 (2004г.).
#
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 118 страницах машинописного текста, иллюстрируется рисунками (34), таблицами (15) и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 90 наименований и Приложения.
Традиционные материалы, применяемые для совершенствования характеристик двигателей с массивным ротором
Для уточнения расчетов рабочих характеристик асинхронных машин необходимо исследование влияния на параметры машины магнитных и электрических свойств материала ротора.
По имеющимся в литературе данным это влияние учитывалось опытными поправками. Установлена [55, 56, 61] зависимость значений параметров ротора от скольжения.
Одним из способов улучшения параметров вторичной цепи является применение материала ротора со вполне определенными, рациональными для конкретной конструкции машины электромагнитными свойствами.
Установлено в [61] для машин малой и средней мощности специального назначения, что подбором материалов можно улучшить рабочие характеристики.
Свойства магнитных материалов зависят от химического состава, способа их получения и вида термической обработки. Существенно изменяют свойства легирующие элементы. Исследованы возможности получения заданных электромагнитных свойств сплавов на основе: никель-медь, алюминий-железо, железо-никель, железо - медь с легирующими элементами: марганцем, кремнием, алюминием.
Никель может быть использован для массивных роторов двигателей малой мощности, но он относится к дорогим материалам, плохо подвергается механической обработке, что ограничивает возможность его применения в электрических машинах. Материал №5 применялся для изготовления опытного образца массивного ротора и экспериментально была доказана возможность улучшения характеристик двигателя с массивным ротором, однако его малая величина индукции насыщения, дороговизна не позволяют его использовать для практического применения [61].
В каждом конкретном случае конструктивного исполнения и в зависимости от заданного режима работы необходимо определение требуемых значений магнитной проницаемости и удельного электрического сопротивления, а также обеспечения требуемого уровня прочности.
В высокооборотных машинах прочность применяемого для массивного ротора сплава должна быть не ниже прочности высоколегированной стали.
Однако все вышеуказанные материалы имеют, в основном, плотность на уровне плотности стали, а для высокоскоростных машин желательно иметь плотность материала ротора в 2-4 раза ниже.
Относительно обеспечения электромагнитных свойств материала ротора и прочностных требований в настоящее время появились новые возможности, позволяющие существенно изменить характеристики материалов, применяемых в электрических машинах.
Это связанно с производством наноразмерных объектов (объекты величиной от долей нанометра до 100 нм). Сначала это были нанотрубки -тончайшие полые нити из углерода, придающие присущие им свойства композитам, в которые их вводят. Нанотехнологии родились на стыке физики, химии, биологии, электронной и компьютерной техники и получили интенсивное развитие в последние 10-15 лет. Они являются новым направлением в технологии и конструировании материалов и нашли применение в первую очередь в микроэлектронике. В настоящее время отмечается тенденция к миниатюризации и в энергетике, как стремление придать объектам и материалам новые свойства, которым можно затем найти различные технические применения [64 ].
Особенно перспективно применение этих материалов в электромашиностроении для машин малой мощности, обусловленное уникальными физическими и химическими свойствами наноматериалов. Нанокомпозитные материалы обладают способностью изменять удельное сопротивление от удельного сопротивления полупроводников до удельного сопротивления, меньшего, чем у меди, теплопроводностью лучшей, чем у алмаза, прочностью, превышающей прочность стальной проволоки, а плотностью в 4 раза ниже [75]. Материал, полученный с помощью нанотехнологий, может быть легкий, сверхпрочный и проводящий. Одной из главных причин изменения свойств малых частиц по мере уменьшения их размеров является возрастание в них относительной доли "поверхностных" атомов, находящихся в иных условиях, чем атомы объемной фазы [16]. В магнитных свойствах наиболее отчетливо проявляются различия между объемным материалом и наноматериалом. Отличия в температурах Кюри наночастиц и макрофаз достигают сотен градусов. Изменяя размеры, форму, состав и строение частиц, можно в определенных пределах управлять магнитными свойствами материалов на их основе [16]. Новые возможности нанотехнологий проявились с 1991 года с появлением новой молекулярной структуры углерода - фуллеренов. Фуллерен - молекула углерода Сбо с размещенным внутри нее атомом с ярко выраженными магнитными свойствами (редкоземельными элементами: тербий, гадолиний, диспрозий). Фуллерен обладает свойствами магнитного диполя, ориентацией которого можно управлять внешним магнитным полем. Именно эти достижения в области нанотехнологий позволяют создавать новые материалы с особыми, специально заданными и прогнозируемыми свойствами (например, с высокой прочностью и ударной вязкостью, электропроводностью и магнитной проницаемостью).
Новые вещества обладают улучшенными эксплуатационными свойствами, обусловленными морфологическими особенностями поверхности наноразмерных элементов структуры. Регулирование числа, размеров и границ кристаллических зерен в стали повышает ее прочность и другие характеристики. Конструкция из такой стали может быть тонкой и
Вычисление локальных и интегральных величин магнитного поля
По заданному распределению плотности тока в обмотках определяются составляющие векторного магнитного потенциала для любых точек области, интерполируется значение векторного магнитного потенциала для замкнутого пути и суммируется для получения потока согласно уравнению:
Вычисление интегральных величин магнитного поля МДС - F, потоков - Ф, электромагнитного момента - М, потерь -Р связано с построением контуров и сечений в расчетной модели.
В проведенных расчетах вращающий электромагнитный момент на единицу аксиальной длины определялся по формуле: где г - радиус-вектор положения точки от продольной оси двигателя до поверхности интегрирования, Jr - вектор полной плотности тока ротора, s- площадь поверхности интегрирования. Интеграл по поверхности преобразован к интегралу по контуру и результирующее значение вычислено на единицу длины в аксиальном направлении (продольной длины по оси Z).
Поверхность интегрирования или путь в плоскости модели (в поперечной плоскости двигателя) охватывали тело ротора, для которого определялся вращающий момент. Если выбранный контур интегрирования совпадал с поверхностью расточки статора, момент имел противоположный знак.
Результатом суммирования по всем выбранным элементам массивного тела являлись полные потери в роторе, вычислявшиеся в каждом элементе проводящего массива, находящегося под воздействием переменного электромагнитного поля, для заданных материальных свойств - значения удельного электрического сопротивления и текущей результирующей плотности тока.
Результатом интегрирования по всем выбранным элементам массивного тела являлись полные тепловые потери ротора, вычисленные на единицу аксиальной длины машины.
Модель результирующего магнитного поля при заданном распределении плотности токов однозначно определяет магнитное поле в нелинейных системах, воспроизводит распределение индукции, напряженности, текущие плотности тока во всех областях поля, позволяет вычислить интегральные величины магнитного поля: МДС - F, потоки - Ф, электромагнитный момент - М, силы, действующие на элементы конструкции расчетной модели, Р - тепловые потери в проводящих элементах конструкции.
Механическая характеристика асинхронной машины строилась по результатам вычисления численным методом величины электромагнитного момента из решения уравнений электромагнитного поля переменного тока при различных значениях скольжения. Соответствующее значение скольжения задавалось приложенной угловой частотой вращения, как мгновенное распределение скоростей в теле ротора.
Подход исследования характеристик асинхронных машин на основе решения уравнений поля численными методами опробован на примере сопоставления расчетных и экспериментальных результатов, полученных для опытного двигателя малой мощности.
Исходными данными для электромагнитного расчета поля являются электрические и магнитные свойства материалов каждой зоны модели и токовая нагрузка статора.
Для задания токовой нагрузки требуются предварительные расчеты.
Массивный магнитопровод рассматривается многими авторами как совокупность большого числа параллельных контуров с постоянными параметрами, созданными вихревыми токами ротора [41, 44,45].
Схема замещения массивного ротора может состоять из одного контура, содержащего последовательно включенные активное и индуктивное сопротивления массива [r(fs)+jx(fs)]/s. При этом полное сопротивление [31,61]:
Первоначально производился предварительный расчет асинхронного короткозамкнутого двигателя аналитическим методом. Т-образная схема замещения (рис.2.1.1J преобразована к Г-образной схеме замещения асинхронного двигателя (рис.2.1.2)применяемой для прикладных расчетов [13, 15,48,61] для определения эквивалентных параметров ротора. сх = J 1 2 - поправочный коэффициент для уточненной схемы замещения. Исследования характеристик асинхронного двигателя с массивным ротором проводились при использовании статора исходного короткозамкнутого двигателя с заменой короткозамкнутого ротора на массивный.
Параметры схемы замещения обмотки статора сохранялись неизменными, параметры массивного ротора определялись из эксперимента по опытам короткого замыкания и холостого хода для опытной машины.
Ток статора, зависящий от скольжения, может быть рассчитан по опытным параметрам ротора и известным параметрам статора и использован далее в качестве токовой нагрузки для расчета поля при соответствующих скольжениях.
Полученное численными методами распределение наведенной плотности тока в поперечном сечении ротора позволяло определять интегральные величины. По поверхности интегрирования - поперечному сечению ротора определялись - джоулевы потери в роторе, ток в массивном
Исследование напряженного состояния конструкции массивного ротора асинхронных машин, выполненного из различных материалов
Использование асинхронной машины с массивным ротором наиболее приемлемо при высоких частотах вращения. В этом случае основной проблемой становится напряженное состояние ротора.
В данной главе диссертационной работы приведен сопоставительный анализ результатов исследования напряженного состояния ротора, выполненного из материалов пяти типов: -высоколегированной стали; - алюмоборонитридной керамики; - железомедного сплава СМ20 (с 20% содержанием меди); - кремнистой стали с уровнем содержания кремния до 4,8 % ; - кремнистой стали с уровнем содержания кремния до 12 % и нанообъектами.
Рассматриваемые варианты роторов из различных материалов сравнивались по критерию - предельной частоте вращения, не вызывающей превышения допустимых механических напряжений. Численные результаты исследований приведены для двух вариантов конструкций: сверхбыстроходного двигателя, рассчитываемого на частоту вращения 500000об/мин, 100 Вт; - асинхронного двигателя с массивным ротором, в статоре серийного короткозамкнутого серии 4А, 2700об/мин, 250Вт. Особенностью конструкции асинхронной машины является наличие концентраторов механического напряжения (типа галтель), что требует обязательного учета при проведении исследования напряженного состояния. С этой связи представляется важным рассмотреть области сочленения тела ротора с валом. На рис. 3.2.1. представлена картина напряженного состояния данной области, из которой следует, что в области концентрации напряжений - шейке вала - величина механического напряжения достигает 661 МПа.
При исследовании использовался тип восьмиузлового трехмерного прямоугольного элемента.
Конструкция или отдельные ее части делятся на множество типичных конечных элементов, соединенных между собой в вершинах. Силы действуют в узлах. Предполагается, что напряжения и деформации имеются и вне данного конечного элемента. В модели поле перемещений определяется по перемещениям узлов с помощью интерполяционных функций. По вычисленным перемещениям определяются поля напряжений и деформаций.
На элементы конструкции действуют поверхностные силы (внутреннее давление) и объемные силы (вес, инерционное воздействие), являющиеся распределенной нагрузкой. В соответствии с принципами метода конечных элементов эти силы не могут быть приложены к элементам, а должны быть трансформированы к узлам. Такое приведение основано на сравнении энергии упругих деформаций.
Внешним воздействием являлась инерционная нагрузка, вызванная вращением ротора машины. Так как рассматриваемый элемент симметричен, при анализе достаточно рассматривать 1/8 часть конструкции ротора. По плоскостям, отсекающим 1/8 часть модели, в качестве граничных условий ставятся условия симметрии.
Более частая сетка требуется в зоне, где ожидается большой градиент деформаций или напряжений. При этом размеры соседних элементов вблизи концентраторов напряжения не должны существенно отличаться, чтобы не уменьшить точность вычислений. Более редкая сетка может применяться в областях с практически постоянными деформациями или напряжениями.
Граничные условия в узлах служат для соответствия перемещений указанных узлов модели перемещениям тех же узлов натурной конструкции с учетом наложенных на них связями ограничений. Граничные условия (перемещения или силы) прикладываются только к узлам. Максимальное число граничных условий, приложенных в узле, равно числу его степеней свободы - 3 силы и 3 перемещения.
Мизеса [12]: необходимо, чтобы эквивалентное напряжение GV не достигало предела текучести os, а для хрупких материалов - предела прочности при растяжении ов, : crv as ав.
Эквивалентное напряжение выражается в общем виде по гипотезе постоянства работы пластической деформации уравнением:
Результаты исследования показали, что при применении алюмоборонитридной керамики, физические свойства которой приведены в табл. 1.2, (гл.І) диаметр ротора при частоте вращения 500000об/мин не может превышать 10-11 мм.
Данные исследований показали, что при необходимости подобный ротор может быть выполнен из высоколегированной стали. При этом диаметр ротора для высокопрочной стали с as =600 МПа можно увеличить до 15,6 мм. На рис. 3.2.2-3.2.3 представлены эквивалентные напряжения, вычисленные по критерию Мизеса, для ротора, выполненного из высоколегированной стали (рис. 3.2.2) и выполненного из алюмоборонитридной керамики (рис. 3.2.3) Области равных значений имеют на графических объектах вид цветных полос или изоповерхностей. На шкале - значения эквивалентных напряжений, кГ/см .
Режим короткого замыкания
При проведении опыта короткого замыкания ротор асинхронного двигателя заторможен. Снимались зависимости тока короткого замыкания и мощности от напряжения короткого замыкания.
Графически результаты опыта короткого замыкания отражены на рис. 4.4. для двигателя с короткозамкнутым ротором и на рис. 4.5. для двигателя с массивным ротором.
Мощность Рк, подводимая к асинхронному двигателю при коротком замыкании, покрывает потери в обмотке статора РМ] и в роторе Рм2.
В асинхронном двигателе с массивным ротором существенно насыщение и велика роль индуктивного сопротивления X к. С увеличением напряжения индуктивное сопротивление падает.
Ток короткого замыкания для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором при номинальном напряжении определялся экстраполяцией верхней прямолинейной части кривой Ik=f(U/J и равен 1к=2,35А.
Ток короткого замыкания для асинхронного двигателя с массивным ротором при номинальном напряжении определялся из характеристики короткого замыкания, представленной на рис. 4.6.Ik=0,754 А.
Данныеопыта короткого замыкания показывают, что отношение активного и индуктивного сопротивлений короткого замыкания при различных значениях напряжения не остается постоянным. При наибольшем напряжении параметры имеют меньшие значения. Чем ниже напряжение, тем больше значения параметров ротора, происходит снижение электромагнитного момента.
Электромагнитная мощность при коротком замыкании, передаваемая со статора на ротор, идет на покрытие потерь в роторе.
Момент короткого замыкания для двигателя с массивным ротором, определенный по потерям короткого замыкания в роторе, Мкп=0,66 Н-м.
Проверка полученных результатов моделирования производилась сопоставлением их с результатами экспериментов на опытных образцах асинхронных машин с массивным ротором.
По результатам опытов короткого замыкания и холостого хода определены ток намагничивания, механические потери и потери в стали, параметры короткого замыкания Zk, Rk, Xk.
По известным параметрам статора и по параметрам, определенным из опытов, произведен расчет номинального режима по [15].
Результаты расчета номинального режима по параметрам, определенным в опытах холостого хода и короткого замыкания показывает, что только для короткозамкнутого двигателя при номинальном напряжении достигаются номинальная мощность и частота вращения. При испытаниях двигателя с ротором из нового материала происходило снижение частоты вращения.
Расчетный электромагнитный момент по формуле для момента через параметры схемы замещения [13, 49] при s=l и опытных параметрах ротора, составляет 0,69 Н-м (М =0,86). Расчетный электромагнитный момент, определенный в результате решения задачи распределения электромагнитного поля в роторе численными методами составил 0,74 Н-м (М =0,93).
Для обеспечения максимального момента при s=l активное сопротивление вторичного контура должно быть близким по значению индуктивному сопротивлению короткого замыкания. При таком соотношении параметров М=0,76 Н-м. (М =0,95) Различие расчетных величин момента по результатам опыта и расчета составляет (7-9) %.
Решение полевой задачи позволяет определить варьированием свойств материала ротора р и ц, при каком их соотношении можно получить величину момента, соответствующую моменту опытного двигателя М=(0,69-0,76) Н.м. Знание этого диапазона свойств материала ротора позволяет для получения требуемых техническим заданием механических характеристик двигателя применить материал с определенными заданными свойствами. В табл. 4.2 приведены результаты решения полевой задачи в отношении расчета величины электромагнитного момента при различных вариациях соотношений свойств материала ротора р и ц при s=l.
Для улучшения характеристик двигателя в отношении увеличения максимального электромагнитного момента активное сопротивление первичной цепи необходимо уменьшать. Для уменьшения критического скольжения желательно параметры массивного ротора иметь с пониженным активным сопротивлением ротора. При скольжении s=l необходимы значения параметров, обеспечивающие максимальный момент при пуске. Исследования показали, что рекомендуемые рациональные значения эквивалентных параметров ротора должны быть R 2 =500-600 Ом (R 2 = 0,58 С помощью расчетов численными методами установлено, что для улучшения характеристики диапазон изменения \х смещается в сторону больших величин:
При таком соотношении свойств материалов величину момента можно увеличить в 1,375 раза относительно расчетного момента при s=l. Для каждого варианта соотношения р и ц из картины распределения плотности наведенного тока ротора можно определить глубину проникновения поля в массивный ротор. Толщина этого слоя определяет активную зону для каждого варианта соотношения свойств материала ротора. При рациональной комбинации свойств материала ротора в отношении получения максимального электромагнитного момента рекомендуется
