WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

УДК 621.313.323:621.318.2 (043.3) ГОЛОВАНОВ ДМИТРИЙ ВИКТОРОВИЧ «СИНХРОННЫЕ ВТСП ДВИГАТЕЛИ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ» Специальность – 05.09.01 «Электромеханика и электрические аппараты»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва – 2009 2

Работа выполнена на кафедре «Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы» Московского авиационного института (государственного технического университета).

Научный консультант: д.т.н., проф. Ковалев Лев Кузьмич

Официальные оппоненты: д.т.н., проф. Копылов Сергей Игоревич к.т.н., доц. Бочаров Владимир Владимирович

Ведущая организация: ОАО АКБ «Якорь» г. Москва

Защита диссертации состоится « 16 » февраля 2010 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 212.125.07 при Московском авиационном институте (государственном техническом университете) «МАИ» по адресу: 125993, г. Москва, A-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4, Учёный совет МАИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (государственного технического университета) «МАИ».

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью учреждения, просим направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан _ 2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.125.07 к.т.н., доцент А.Б. Кондратьев 3 Общая характеристика диссертационной работы Актуальность темы. Современная энергетика и аэрокосмическая техника предъявляют повышенные требования к системам генерирования, передачи, хранения и преобразования электроэнергии. Для электромеханических преобразователей (ЭМП) наиболее существенными являются такие показатели, как удельная мощность и габариты, которые особенно важны для авиационной и космической техники.

Развитие современной электроэнергетики связано с использованием новых материалов с уникальными свойствами. Для электроэнергетических систем и комплексов наиболее перспективными являются сверхпроводниковые материалы, которые позволяют существенно улучшить энергетические показатели ЭМП.

До недавнего времени широкое внедрение сверхпроводимости (СП) в электроэнергетике было затруднено. Это было связано с низкой критической температурой перехода сверхпроводника в СП состояние и, как следствие, большими затратами на системы криостатирования на основе жидкого гелия. В конце 1980-х годов появление высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) с критическими температурами ~100 K существенно повысило интерес к электрическим машинам на их основе. Это объясняется тем, что переход от жидкого гелия (4,2 К) к относительно дешёвому жидкому азоту (77 К) позволяет существенно сократить затраты в системах криостатирования и делает экономически оправданным применение электромеханических преобразователей, основанных на ВТСП. Наиболее перспективным является применение ВТСП электрических машин в тех системах, где уже имеется криогенное оборудование (например самолёты на водородном топливе, энергетические системы на жидком водороде, перспективная судовая и аэрокосмическая техника и др.).

Ещё один импульс в развитии ЭМП связан с появлением магнитов на основе редкоземельных материалов, обладающих высокой удельной энергией. Применение высокоэнергетических редкоземельных постоянных магнитов (РЗМ ПМ) в ЭМП позволяет получать магнитные поля до 1,5 ТЛ в воздушном зазоре электрической машины, причём эти магниты не размагничиваются на воздухе в отличие от уже устаревших магнитов типа ЮНДК.

Наиболее мощными, обладающими высоким значением КПД и cos являются на сегодняшний день магнитоэлектрические синхронные машины (СМ). Среди них различают СМ с радиальными и тангенциальными магнитами, а также достаточно редко встречающиеся СМ с радиально-тангенциальными магнитами. Применение в роторах синхронных машин ВТСП материалов совместно с РЗМ позволяет существенно повысить параметры таких ЭМП. Объёмные ВТСП элементы благодаря своим диамагнитным свойствам целесообразно применять в роторах СМ с ПМ для создания магнитной анизотропии и повышения реактивной составляющей мощности.

Основные надежды разработчики ВТСП устройств в настоящее время связывают с появившимися в последнее время ВТСП проводами 2-ого поколения на основе иттриевых керамик. Это так называемые «coated tapes» (т.е. пленки с покрытием). Токонесущая способность такой пленки весьма высока (до 300 А/мм2 в сверхпроводнике при температуре жидкого азота). Данные ВТСП материалы можно эффективно применять в индукторе СМ в качестве диамагнитного экрана для экранирования магнитных полей якоря, что позволяет снизить главные индуктивные сопротивления электрической машины, а также в качестве обмотки переменного тока при малых частотах – до 30 Гц. Использование ВТСП проводов в СМ предоставляет значительные конкурентоспособные преимущества, позволяя существенно уменьшать размер, вес и производственные затраты относительно обычных двигателей. Из-за сокращений стоимости производства, связанных с уменьшенным размером ВТСП машин ожидается, что рыночная цена будет эквивалентна обычным машинам с медной обмоткой.

Целью диссертации является разработка высокоэффективных синхронных двигателей с ротором, содержащим объёмные и плёночные ВТСП элементы и ПМ, методов их расчёта и рекомендаций по их применению. Поставленная цель была достигнута на основе решения следующих задач:

1. Разработка в рамках единого подхода аналитических методик расчёта двухмерных магнитных полей и параметров синхронных двигателей (СД) с радиальными, радиально-тангенциальными и тангенциальными ПМ и плёночными ВТСП элементами в роторе.

2. Проведение сравнительного анализа энергетических параметров магнитоэлектрических ВТСП двигателей различного конструктивного исполнения: с радиальными, радиально-тангенциальными и тангенциальными магнитами.

3. Поиск рациональных конструктивных схем СД с радиально-тангенциальными ПМ и объёмными ВТСП элементами в роторе, и частичная оптимизация геометрии и активных элементов ротора.

4. Создание и экспериментальное исследование опытного образца криогенного синхронного двигателя с радиально-тангенциальными ПМ и объёмными ВТСП элементами в роторе и проверка математических моделей.

Методы исследования. При решении поставленной задачи в диссертации использовались методы математической физики, теория поля, электромеханики и прикладной сверхпроводимости; численные методы решения уравнений в частных производных (метод конечных элементов). Для численного расчёта, построения диаграмм, графиков, и рисунков, а также для решения уравнений использовался пакет математического моделирования MathCAD 11; для решения задач методом конечных элементов использовался пакет прикладных программ Elcut Professional 5.4;

«твердотельное» моделирование и эскизное проектирование было осуществлено на базе пакета Solidworks 2007, а также AutoCAD 2004; для построения графиков использовалась программа Grapher 5.02; рисунки были подготовлены в программах ACDSee 3.0 и Adobe Photoshop CS2; оформление работы производилось с помощью программ из пакета MS Office 2003.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Предложены перспективные схемы СД с постоянными магнитами и плёночными и массивными ВТСП элементами в роторе.

2. В рамках единого подхода разработаны аналитические методы расчёта ВТСП СД с радиальными, радиально-тангенциальными и тангенциальными магнитами и плёночными ВТСП элементами в роторе. На основе аналитического подхода с последующей численной калибровкой создана методика расчёта СД с тангенциальными ПМ без ВТСП элементов.

3. Проведён сравнительный анализ энергетических параметров различных конструктивных схем ВТСП двигателей с радиальными, радиальнотангенциальными и тангенциальными магнитами и выполнена частичная оптимизация геометрии и активных элементов ротора машины с радиальнотангенциальными и тангенциальными магнитами.

4. Подробно рассмотрены различные конструктивные схемы СД с радиальнотангенциальными магнитами и объёмными ВТСП элементами в роторе.

5. Проведены испытания разработанного криогенного СД с объёмными ВТСП элементами в роторе и получены экспериментальные результаты, подтверждающие разработанные теоретические модели.

6. Показана возможность создания высокоэффективных магнитоэлектрических ВТСП двигателей с ПМ и композитными тонкоплёночными и листовыми элементами в роторе, обладающими в 1.5 – 2 раза более высокими массоэнергетическими показателями по сравнению с традиционными СД с ПМ.

Практическая ценность работы:

1. Разработаны алгоритмы и программы расчёта характеристик ВТСП СД различного конструктивного исполнения.

2. Определены области рационального использования для трёх типов СД с ПМ:

радиальными, радиально-тангенциальными и тангенциальными постоянными магнитами (как с ВТСП экраном в роторе, так и без него).

3. Создан первый отечественный экспериментальный образец криогенного ВТСП СД с ПМ и объёмными ВТСП материалами в роторе мощностью 150 кВт.

Проведены его испытания.

Реализация результатов. Результаты диссертационной работы внедрены в НИР по теме «Исследования по созданию высокоэффективных систем электроснабжения на основе сверхпроводящих компонентов для военной техники нового поколения», шифр «Машук-М» (№210703/6237).

Апробация работы:

Отдельные результаты обсуждались и докладывались на следующих конференциях:

1. Всероссийская конференция молодых учёных и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике – 2008», 21 –24 апреля г., МАИ, г. Москва.

2. Открытый конкурс 2008 г. на лучшую работу студентов по разделам «Электротехника и электрические аппараты, материалы и изделия.

Энергетическое машиностроение» и «Энергосберегающие технологии» (работа отмечена медалью Минобрнауки РФ) 3. 7-й международной конференции «Авиация и космонавтика – 2008», 20 – октября 2008 г., МАИ, г. Москва.

4. 8-й международной конференциии «Авиация и космонавтика – 2009», 26 – октября 2009 г., МАИ, г. Москва.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 научные работы, из них — в журнале «Электричество», рекомендованном ВАК РФ и 1 в журнале «Известия академии электротехнических наук РФ».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка используемых источников и приложения; имеет 140 страниц, рисунка, 13 таблиц и 107 наименований списка литературы.

Краткое содержание работы Во ведении обоснована актуальность выбора темы диссертационной работы, связанная с перспективностью применения ВТСП элементом совместно с ПМ при создании высокоэффективных СД с постоянными магнитами, сформулированы цель и задачи диссертации, определена научная новизна и практическая ценность работы, дана информация о структуре и объёме диссертации.

В первой главе рассматриваются современные токонесущие элементы на базе ВТСП: объёмные материалы на основе иттриевой керамики, диборида магния, листовые композитные материалы на основе соединений висмута, и композитные ВТСП провода 2-го поколения. Приводится классификация СП электрических машин:

с СП проводами в индукторе, с СП проводами на якоре, с массивными и композитными листовыми ВТСП материалами. Приведены описания отечественных и зарубежных разработок в области СП электрических машин. Рассмотрены перспективы использования современных ВТСП материалов в наиболее перспективных магнитоэлектрических ЭМП с РЗМ с целью улучшения их энергетических характеристик.

Во второй главе рассмотрены аналитические модели расчёта магнитных полей и параметров синхронных магнитоэлектрических ВТСП двигателей.

Можно выделить следующие три основные конструктивные схемы роторов магнитоэлектрических ВТСП двигателей – с радиальной, радиально-тангенциальной и тангенциальной намагниченностью (рис. 1, а, б, в). Каждая из них имеет свои особенности, преимущества и недостатки, в связи с чем проблема выбора конкретной схемы при проектировании машины становится весьма актуальной.

Возможные пути улучшения выходных параметров синхронных машин с возбуждением от ПМ путем использования в роторе массивных или пленочных ВТСП элементов можно проиллюстрировать на основе известной угловой зависимости электромагнитной мощности машины:

mф E0U mфU 1 P = P1 + P2 = sin + - sin 2. (1) xd 2 xq xd Здесь xd и xq - полные индуктивные сопротивления по продольной и поперечной осям ротора; mф - число фаз; - угол между направлениями векторов ЭДС E0 ротора и напряжением питания U. Составляющая P`1 определяется возбуждением машины от ПМ в роторе и индуктивным сопротивлением xd вдоль оси d. Величина P``2 связана с взаимодействием явнополюсного ротора с токами якоря и существенно зависит от соотношения индуктивных сопротивлений вдоль осей d и q (соответственно xd и xq).

- постоянные магниты - ферромагнитная сталь - ВТСП Рисунок 1 – Перспективные схемы магнитоэлектрических ВТСП двигателей с постоянными магнитами а) б) Рисунок 2 – Угловые характеристики явнополюсных (а) и неявнополюсных (б) синхронных двигателей Для неявнополюсной машины (xd = xq) это слагаемое отсутствует.

На рис. 2 приведены типичные зависимости P=P() для неявнополюсной (xd = xq) (рис. 2, б) и явнополюсной (xd xq) (рис. 2, а) конструкций синхронных машин.

Так как индуктивные сопротивления машины по осям d и q существенно зависят от структуры ротора, то использование в его составе диамагнитных массивных ВТСП элементов позволяет заметно менять их значения. Анализ физических процессов в ВТСП элементах показывает, что при комнатных температурах керамические элементы не имеют диамагнитных свойств и магнитные поля от ПМ ротора не экранируются. При понижении температуры ниже критической (T

Среди трёх представленных типов СД с ПМ, синхронные машины с радиальными магнитами являются наиболее распространёнными. Это связано с относительно простой конструкцией (рис. 4, а). В представленной конструкции постоянные магниты 1 удерживаются биметаллической обоймой 3.

Pages:     || 2 | 3 |






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