WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

При решении электродинамических задач в активной зоне синхронного ВТСП двигателя реальная структура композитного слоисто-блочного ротора (см. рис. 1б) заменялась эквивалентной анизотропной средой с тензором усредненных относительных магнитных проницаемостей и эквивалентной намагниченностью (см. рис. 1в). В работе изложена методика определения компонент тензора относительных магнитных проницаемостей вдоль соответствующих осей —, и вектора намагниченности эквивалентной среды по заданным характеристикам ВТСП элементов, ПМ и ферромагнитных вставок, их геометрии и концентрациям.

Структура комбинированного слоистого ротора и эквивалентной однородной анизотропной среды показана на рис. 2а и 2б, соответственно. Там же показаны геометрические размеры блоков, выделены характерные области композитного ротора и эквивалентной однородной анизотропной среды (прямоугольники abcd и ; ABCD и ), используемые для определения параметров,  и по локальным значениям относительной магнитной проницаемости — и магнитного момента — в каждом блоке композитного ротора.

Полученные аналитические выражения для компонент магнитного поля, и параметров эквивалентной однородной анизотропной среды имеют вид:

, (1, 2)

Здесь — магнитный момент анизотропной среды;,,, — линейные концентрации, полученные из размеров блочных элементов композитного слоистого ротора (см. рис. 2а);, и — относительные магнитные проницаемости ВТСП элементов, ПМ и ферромагнитных блоков, соответственно.

а)

б)

Рисунок 2. Структура: а слоисто-блочной конструкции ротора;
б эквивалентной однородной анизотропной среды

При анализе параметров синхронных ВТСП двигателей в ряде случаев вместо линейных концентраций вдоль соответствующих слоев, и, использовались величины относительных объемных концентраций для ВТСП —, ПМ — и ферромагнитных вставок — композитного слоисто-блочного ротора:

(3)

С учетом принятых допущений, распределение магнитных полей B в линейной зоне ВТСП двигателей с относительно длинным ротором (L/D>34) могут быть найдены из решения двухмерных электродинамических задач, описываемых уравнениями Максвелла:

(4)

Здесь: и — для области воздушного зазора; и — для ярма статора; и — для зоны композитного ротора с эквивалентной анизотропной средой, где,  — компоненты тензора, являющиеся заданными функциями концентраций активных элементов ротора и их локальных относительных магнитных проницаемостей, в ВТСП пластинах и ферромагнитных блоках соответственно.

При сопряжении сред с различными магнитными проницаемостями используются следующие условия:

на границе статор воздушный зазор: H+ - H+ = J0; Bn+ = Bn-; (5)

на границе воздушный зазор ротор: H+ = H+; Bn+ = Bn-. (6)

Здесь индексы «+» и «» относятся к параметрам по разные стороны границы раздела с различными магнитными проницаемостями.

В данной постановке построение двухмерных распределений усредненных магнитных полей сводится к решению задачи (4 – 6) для двух областей: слоистого ротора [0   Rr с и ] и воздушного зазора (Rr    Rs c и ).

Распределение усредненных магнитных полей в указанных областях находится на основе решения эллиптического уравнения для осевой компоненты векторного потенциала:

. (7)

с условиями (5 – 6) на границах раздела сред. Поправку на параметры двигателя за счет конечного размера зубцовой зоны и ярма статора можно найти из теории магнитных цепей.

Решение уравнения (7) в композитном слоисто-блочном роторе, с магнитными проницаемостями  и  и магнитным моментом, проводится в декартовой системе координат, связанной с ротором (см. рис. 1б). В этом случае уравнение (7) записывается в следующем виде:

. (8)

Положение системы координат ротора {xR, yR} относительно системы координат статора {xs, ys} задается углом  = (yR, xs). Углы, и, отсчитываемые от оси X' ротора и X статора, соответственно (см. рис. 1в), связаны следующим соотношением:.

Решение для векторного магнитного потенциала в роторе может быть представлено в виде:

, (9)

где cR1 и cR2 — константы интегрирования, определяющие компоненты магнитного поля.

Уравнение Лапласа для осевой компоненты векторного потенциала A в воздушном зазоре в цилиндрической системе координат, связанной со статором запишется как:

. (10)

С учетом граничных условий задачи на внутренней поверхности статора решение (10) для первой гармоники имеет вид:

. (11)

Где, и — число витков и обмоточный коэффициент фазы; — число фаз, — амплитудное значение тока фазы. Константы интегрирования а, с определяются из граничных условий задачи на поверхности ротора.

Полученные из граничных условий выражения для констант интегрирования имеют вид:

(12)

(13)

; ; (14), (15)

где,, ;.

В диссертации показано, что действующее значение ЭДС ротора Е0 может быть найдено с помощью следующего соотношения:

,

где  — угловая скорость вращения магнитного поля; Ls — активная длина машины.

Главные индуктивные сопротивления xаd и xаq линейной зоны ВТСП двигателя и его электромагнитная мощность Pэм записываются как:

; ;

.

Расчет выходных характеристик проводится на основе векторных диаграмм синхронного ВТСП двигателя с композитным слоисто-блочным ротором для недовозбужденного и перевозбужденного режимов работы.

Найденные аналитические выражения для параметров ВТСП двигателя позволяют построить графические зависимости мощности и cos  от величин концентраций материалов ротора (SM, SFe и SS). Они представлены на рис. 3.

По горизонтальной оси на представленных диаграммах отложена объемная концентрация постоянных магнитов (SM), а по вертикальной оси — объемная концентрация ВТСП элементов (SS). Рис. 3а, 3б и 3в соответствует определенному значению относительной магнитной проницаемости ВТСП (ВТСП): 1, 0.5 и 0, соответственно.

Видно, что существует область, где выходная мощность (P2) принимает наибольшие значения при заданных концентрациях. Указанная область расположена близко к предельным значениям этих параметров. Однако, помимо ПМ и ВТСП, в роторе должны содержаться ферромагнитные материалы для увеличения реактивности

Выходная мощность (P2)

Коэффициент мощности (cos )

а)

б)

в)

Рисунок 3. Диаграммы мощности и cos ВТСП двигателя с композитным ротором в зависимости
от концентраций ВТСП и ПМ: а при ВТСП = 1; б при ВТСП = 0,5; в при ВТСП = 0

и конструктивные элементы для придания прочности. В работе показано, что выбор значений концентраций ВТСП и ПМ необходимо проводить с учетом данной особенности. Анализ влияния ферромагнитных элементов показал, что при их наличии энергетические параметры синхронного ВТСП двигателя с композитным слоисто-блочным ротором увеличились на 15 – 20%.

Теоретические расчеты показали, что использование в композитном слоисто-блочном роторе ВТСП керамики с высокими диамагнитными свойствами (S < 0,5) позволяет в 1,3 – 1,5 раза увеличить электромагнитную мощность синхронного двухполюсного ВТСП двигателя по сравнению с двигателем со слоями из обычных немагнитных материалов.

В третьей главе рассмотрены аналитические модели двухполюсных ВТСП двигателей с радиальными ПМ и слоистым сердечником в роторе. Такая конструкция является более простой по сравнению с композитным слоисто-блочным ротором, что с технологической точки зрения, важно для практики.

Конструктивная схема двухполюсного синхронного ВТСП двигателя с радиальными ПМ и слоистым сердечником в роторе представлена на рис. 4а. Ротор состоит из центральной части с чередующимися ВТСП и ферромагнитными пластинами, и кольцевой оболочки, содержащей намагниченные в радиальном направлении ПМ.

Расчет магнитных полей в активной зоне ВТСП двигателя и его электромагнитных характеристик проводился на основе решения двухмерных электродинамических задач, описываемых уравнениями Максвелла (4). При этом общее решение задачи сводится к решению соответствующих эллиптических уравнений Лапласа (или Пуассона) для осевой компоненты векторного потенциала в каждой зоне ВТСП двигателя с последующей сшивкой решений на границах зон с различными магнитными проницаемостями.

Рисунок 4. Двухполюсный синхронный ВТСП двигатель с радиальными ПМ
и слоистым сердечником в роторе: а конструктивная схема;
б переход к токовому слою; в расчетная модель

Аналитические решения задач строились при тех же основных допущениях, что и в главе 2. При этом, магнитный момент оболочки с ПМ имел радиальную компоненту с синусоидальным распределением по угловой координате :

, (16)

где M0 — магнитный момент постоянных магнитов.

Распределение магнитного поля в областях анизотропного сердечника, оболочки из ПМ и воздушного зазора находились на основе решения уравнения Лапласа для осевой компоненты векторного потенциала с использованием соответствующих граничных условий (5 – 6) на границах раздела сред с различными магнитными проницаемостями.

С учетом (16) решение уравнения (7) в оболочке записывается в виде:

.

Структура решения уравнения (7) в композитном сердечнике ротора и воздушном зазоре аналогична рассмотренным выше зависимостям для двухполюсного ВТСП двигателя с композитным слоисто-блочным ротором (выражения (9) и (11), соответственно). После подстановки выражений (9, 11 и 16) в граничные условия (6) можно определить выражения для констант.

Структура решения для векторного потенциала в области воздушного зазора (в системе координат статора) имеет вид:

;

Здесь

где, ; ; ; ;

;;;;.

С учетом полученных решений для, главные индуктивные сопротивления по продольной Xad и поперечной Xad осям и электромагнитная мощность двухполюсного ВТСП двигателя с радиальными ПМ и слоистым сердечником могут быть найдены из:

; ;

.

Величина ЭДС определяется как:

.

Для данной схемы ВТСП двигателя одним из основных параметров, влияющих на выходную мощность, является толщина оболочки с ПМ. Как показал проведенный анализ, при малой толщине слоя, мощность определяется, в основном, реактивной компонентой и слабо зависит от величины магнитного момента. Вместе с тем, при большой толщине оболочки, влияние реактивной компоненты ослабевает. Проведенные теоретические исследования позволили определить рациональную толщину оболочки с ПМ для достижения требуемой мощности при заданных свойствах ВТСП материалов и ПМ.

Расчеты по разработанным аналитическим моделям показали, что при использовании в составе ротора ВТСП вставок с S  0 мощность электродвигателя может быть увеличена в 1,5 – 2 раза.

В четвёртой главе рассмотрены численные методы поверочного расчета магнитных полей и параметров двух- и четырехполюсных ВТСП двигателей с ПМ с учетом геометрии и насыщения магнитопровода машин. Для получения решений методом конечных элементов (МКЭ) использовался пакет прикладных программ «Elcut Professional». Особенности численного расчета ВТСП двигателей при заданном напряжении фазы подробно рассмотрены в диссертационной работе.

По разработанным алгоритмам были проведены численные расчеты двух- и четырехполюсных синхронных ВТСП двигателей. Для двухполюсного двигателя с композитным слоисто-блочным ротором после сравнительного анализа ряда конструктивных схем была выбрана наиболее рациональная конструкция машины и определены ее основные параметры (см. рис. 5).

SВТСП = 25,6%; SПМ = 37,1%; SFe = 16,3%;

E0 = 181,1 В;

Xad = 4,2 Ом;

Xaq = 3,5 Ом;

P2max = 15 кВт;

cos = 0,85.

Рисунок 5. Конструктивная схема и основные параметры двухполюсного
ВТСП двигателя с композитным слоисто-блочным ротором

На рис. 6 в качестве примера представлены зависимости выходных характеристик машины от тока фазы статора при наличии и отсутствии ВТСП элементов. Видно, что использование в роторе массивных ВТСП элементов существенно улучшает мощность двигателя (примерно, на 50%) и увеличивает КПД ВТСП двигателя.

Сравнительный анализ показал, что созданные в работе аналитические методики расчета синхронного ВТСП двигателя с композитным слоисто-блочным ротором в целом хорошо согласуются с численными моделями в пределах 10 – 15% (см. рис. 7).

а)

б)

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»