WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

Однако аналитическое решение задачи поля может быть получено только в случае, когда границы расчетных областей совпадают с осями выбранной системы координат (декартовой или цилиндрической). С целью снятия этого ограничения автором разработаны программы на интерпретируемом языке APDL для пакета ANSYS, позволяющие посредством МКЭ вычислять значения коэффициентов формы поля реакции якоря и формы поля возбуждения, максимальные значения и амплитуды первых гармонических магнитной индукции поля реакции якоря и поля возбуждения, а также зависимости данных коэффициентов (рис. 8) и значений индукции от размеров активной зоны ЭМП для основных конфигураций МС с радиальными и тангенциальными прямоугольными или секторными магнитами с немагнитной обоймой или полюсными наконечниками. В общем случае границы областей из различных материалов не совпадают с осями систем координат.

В главе также рассматривается анализ магнитного поля в активной зоне электродвигателя привода испытательного стенда, имеющего двухсекционный ротор с полюсными наконечниками и крепежными кольцами (рис. 9). С помощью МКЭ на трехмерной модели показано, что данная конструктивная схема приводит к неравномерному использованию статора. Межсекционный провал магнитной индукции может быть учтен в основном расчетном уравнении с помощью коэффициента i, который определяется как отношение максимального значения индукции в продольном сечении к среднему:

.

(6)



Рис. 9. Нормальная составляющая магнитной индукции в продольном сечении МС с двухсекционным ротором



При предварительном расчете ЭМП в качестве начального значения i может быть принято отношение среднего арифметического наибольшей и наименьшей длин полюсного наконечника к полной длине секции, включая крепежный материал.

В третьей главе проведен анализ электромагнитных усилий притяжения и отталкивания в МС ЭМП с повышенной частотой вращения. Расчеты выполнены с помощью традиционных и компьютерных технологий проектирования с использованием аналитических формул и МКЭ. Проведено сравнение усилий одностороннего магнитного притяжения в двухполюсных и многополюсных МС, имеющих эксцентриситет ротора и статора. С помощью МКЭ показано, что в двухполюсной МС среднее значение усилия магнитного притяжения ниже, чем в четырехполюсной с тем же объемом магнитотвердого материала и тем же эксцентриситетом ротора, однако в двухполюсной МС усилие магнитного притяжения при повороте ротора имеет пульсации (рис. 10). В связи с этим при выборе бесконтактных подшипниковых опор для МС с 2p=2 целесообразно учитывать не среднее, а максимальное значение усилия.


Рис 10. Сопоставление зависимостей усилия одностороннего магнитного притяжения от угла поворота ротора для МС с 2p=2 и 2p=4 при одинаковых главных размерах.

а)

б)

Рис. 11. а) Компенсация веса ротора усилием магнитного притяжения при горизонтальном расположении вала. б) Зависимость усилия одностороннего магнитного притяжения от величины эксцентриситета ротора (в процентах от воздушного зазора).

В главе также рассмотрены схемы компенсации веса ротора усилием магнитного притяжения с целью разгрузки подшипниковых опор и увеличения срока службы ЭМП. Так, для многополюсного ЭМП с горизонтальным расположением вала рационально располагать ось симметрии МС ротора выше оси статора. Возникающее при этом вследствие эксцентриситета ротора усилие магнитного притяжения оказывается направленным вверх и компенсирует силу веса ротора, минимизируя воздействие на опоры (рис. 11, а). Необходимое значение эксцентриситета получается из зависимости усилия притяжения от эксцентриситета, которая может быть построена с помощью аналитических формул или МКЭ (рис. 11, б). Для компенсации веса ротора рассматриваемого электродвигателя компрессора системы кондиционирования требуется эксцентриситет, равный 22% воздушного зазора. В ЭМП с вертикальным расположением вала сила магнитного притяжения возникает при смещении ротора вдоль оси вниз и противодействует такому смещению (рис. 12, а). Конструктивная схема с вертикальным расположением вала, использующая этот эффект, может быть применена не только для разгрузки радиальных подшипниковых опор от усилия веса ротора, но и для минимизации воздействия на осевую подшипниковую опору (подпятник). Построена зависимость усилия магнитного притяжения от осевого перемещения ротора для МС генератора системы автономного электропитания и показано, что для компенсации веса ротора необходимо его осевое смещение на 7,3% активной длины (рис. 12, б).

а)

б)

Рис. 12. Компенсация веса ротора усилиями магнитного притяжения и отталкивания. а) Эскиз МС: 1 – корпус, 2 –статор, 3 – вал, 4 – ярмо ротора, 5 – немагнитная обойма, 6 –магнит; б) Зависимость осевого усилия магнитного притяжения от перемещения ротора.

Однако в случае, если смещение ротора из положения по центру статора нежелательно или ротор воспринимает значительное дополнительное осевое усилие (например, возникающее при работе ЭМП на общем валу с газовой турбиной), для данного ЭМП целесообразно использование осевой магнитостатической (пассивной магнитной) подшипниковой опоры, принцип действия которой основан на электромагнитных усилиях отталкивания в МС с РЗМ (рис. 13, а). Рассматривается один из возможных подходов к проектированию такой опоры для ЭМП с известными главными размерами, использующий МКЭ, и сравнение объема магнитного материала опоры с суммарным объемом магнитов в основной МС ЭМП. Показано, что для электродвигателя компрессора системы кондиционирования усилие отталкивания компенсирует вес ротора электродвигателя, имеющего массу 10 кг, при немагнитном зазоре в опоре, равном 7 мм (рис. 13, б). Масса магнитного материала опор при принятом зазоре составляет 15% от массы магнитов основной МС ротора, и может быть снижена при уменьшении зазора. Следует отметить, что при радиальном смещении вала в МС опоры возникает радиальное усилие, поддерживающее это смещение. Однако анализ усилия показывает, что при радиальном смещении ротора, допускаемом радиальными лепестковыми газодинамическими опорами (около 0,2 мм) это усилие составляет незначительную долю (5,5 %) от силы одностороннего магнитного притяжения (рис. 13, в).

а)

б)

Рис 13. а) Эскиз ЭМП с подпятником на постоянных магнитах: 1 – статор, 2 – ротор, 3 – вал, 4 – радиальная бесконтактная опора, 5 - подвижный элемент опоры, 6 – неподвижный элемент опоры, 7 – корпус. б) Зависимость осевого электромагнитного усилия отталкивания Fм от расстояния между магнитами z (перемещения подвижного магнита в осевом направлении); в) зависимость радиального усилия Fм от перемещения подвижного магнита в радиальном направлении (эксцентриситета ротора).

в)

Четвертая глава посвящена анализу прочности и теплового состояния ЭМП с повышенной частотой вращения на основе моделей с распределенными и сосредоточенными параметрами. С помощью уточненного численного анализа подтверждена работоспособность многосекционной конструкции ротора с полюсными наконечниками и крепежными кольцами (рис. 14, а). Представлены предварительный и уточненный расчеты на прочность конструктивной схемы ротора с немагнитной обоймой. Уточненные расчеты на основе МКЭ подтвердили работоспособность конструкций электродвигателя компрессора с немагнитной обоймой (рис. 14, б) и генератора системы автономного электропитания с обоймой, передающей вращающий момент (рис. 15).

а)

б)

Рис. 14. Результаты прочностного расчета (эквивалентные механические напряжения, Па): а) секции ротора с полюсными наконечниками и крепежными кольцами; б) ротора с немагнитной обоймой.

Также проведено сравнение уточненного и предварительного расчетов, вычислена погрешность предварительного расчета, достигающая 15-20% в сторону большего запаса прочности. Предварительный расчет центробежных усилий на основе аналитических формул целесообразно использовать в качестве ограничения в общем цикле с предварительным электромагнитным расчетом ЭМП и выбором крепежного материала ротора. Показано, что использование бандажа из композитного материала позволяет уменьшить немагнитный зазор ЭМП с повышенной частотой вращения.

Рис. 15. Результаты прочностного расчета ротора с немагнитной обоймой.

В главе рассматривается анализ теплового состояния электродвигателя компрессора системы кондиционирования, имеющего повышенное значение относительной длины 1,75. При проектировании подобных ЭМП с осевым движением хладагента целесообразно выполнять тепловые расчеты с учетом подогрева хладагента в каналах по мере его движения вдоль машины, т.е. при составлении тепловой схемы замещения необходим раздельный учет лобовых частей с каждого из торцов статора и разделение активной части статора на несколько частей по длине (рис. 16). Показано, что хотя нагрев статора по длине машины неравномерен, в случае прохождения через каналы в статоре полного объема хладагента системы кондиционирования перепад температур в обмотке не достигает предельных значений, и ЭМП имеет запас по тепловой нагрузке. Это позволяет сделать вывод о целесообразности применения в системах кондиционирования встроенных ЭМП предельной мощности с повышенной частотой вращения и допустимости в таких ЭМП повышенных значений относительной длины  = 1,5 – 2.

Рис. 16. Тепловая схема замещения электродвигателя компрессора

Рис. 17. Сопоставление расчетной и экспериментальной зависимостей ЭДС холостого хода от частоты вращения

В пятой главе рассматриваются результаты экспериментального исследования синхронных машин с повышенной частотой вращения. Для электродвигателя привода испытательного стенда (рис. 18, а) в диапазоне частот вращения n = 2000 ­– 10000 об/мин были в генераторном режиме измерены линейное напряжение, ток фазы и коэффициент мощности. С помощью разработанной автором программы были вычислены расчетные коэффициенты формы поля реакции якоря по продольной и поперечной осям kad и kaq, индуктивные сопротивления Xad и Xaq. На основании экспериментальных и расчетных данных была определена ЭДС холостого хода E0 и проведено ее сравнение с измеренным напряжением холостого хода машины Uхх при указанных частотах вращения (рис. 17). Расчетные значения ЭДС холостого хода, полученные на основе системы расчетных коэффициентов, согласуются с экспериментальными с погрешностью не более 5%. Эксперимент подтверждает обоснованную в главе 2 систему расчетных коэффициентов и достоверность расчета коэффициентов с помощью представленных в работе программ.

а)

б)

Рис. 18. В лаборатории ОАО «АКБ «Якорь»: а) Электродвигатель привода испытательного стенда; б) электродвигатель компрессора системы кондиционирования (в корпусе компрессора).

Работоспособность представленных в главе 3 конструктивных схем с компенсацией веса ротора усилием магнитного притяжения при вертикальном и горизонтальном расположении вала также подтверждена экспериментально. В ходе опытов была исследована МС генератора АГ0,25Д2 разработки ОАО «АКБ «Якорь» (рис. 19, а) путем выведения ротора из статора в осевом направлении с замерами втягивающего электромагнитного усилия.

а)

б)

Рис. 19. а) МС генератора, использованная для измерения силы притяжения ротора к статору: 1 – пакет статора, 2 – антифрикционная прокладка, 3 – ротор с РЗМ. б) Сопоставление расчетной и экспериментальной зависимостей осевого усилия магнитного притяжения Fм от перемещения ротора z.

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






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