WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 ||

Номинальный ток, А Проектируемой экспериментальной машиной является СД мощностью Номинальная плотность тока, А/мм2 150 кВт с частотой вращения вала – Частота вращения, мин-1 6000 мин-1 (рис. 11, а). Параметры проектного варианта ВТСП двигателя показаны в таблице 1.

На рис. 11, б показана зависимость выходной мощности P от угла нагрузки для проектируемого СД с ВТСП пластинами в роторе. Для сравнения на том же графике построены аналогичные характеристики для СД без ВТСП элементов в роторе и для перспективного СД с ВТСП плёнками на поверхности ротора. Наличие ВТСП пластин в полюсе проектируемого двигателя приводит к появлению реактивной составляющей P2 и смещению пиковой точки влево относительно угла = 90. Выигрыш по мощности составляет ~ 20% по сравнению с СД без ВТСП пластин в роторе. При наличии ВТСП плёнки на поверхности ротора, выполняющей роль диамагнитного экрана (экранирование магнитных полей от токов якоря) существенно снижаются главные индуктивные сопротивления в машине, что приводит к росту пиковой мощности до ~ 60% по сравнению с СД без ВТСП.

а) б) Рисунок 11 – ВТСП двигатель ДС-150; (а – сотовая конструкция ротора с ВТСП пластинами и радиально-тангенциальными ПМ; б – результаты расчётов выходной мощности ДС-150) Проведенный сравнительный анализ по мощности показывает перспективность использования объёмных, а также плёночных ВТСП материалов в роторах синхронных двигателей с целью повышения их выходных параметров.

В четвертой главе приведено описание стенда для экспериментального исследования ВТСП электрических машин, даны результаты экспериментальных исследований синхронного двигателя с постоянными магнитами и ВТСП элементами, а также представлено сопоставление экспериментальных и расчётных результатов. Экспериментальные исследования криогенного синхронного ВТСП двигателя с радиально-тангенциальными ПМ проводились на испытательном стенде в НИИЭМ (г. Истра).

Конструкция проектируемого ВТСП электродвигателя показана на рис. 12.

Двигатель представляет собой бесконтактную синхронную машину с общим криостатом и ротором, содержащим постоянные магниты и пластины из ВТСП керамики.

Рисунок 12 – Конструкция экспериментального ВТСП электродвигателя ДС- Ротор двигателя состоит из пакета, набранного из листов нержавеющей стали 12Х18Н10Т толщиной 1 мм (рис. 13, а, б), склеенных компаундом ЭКД-14. Пакет ротора напрессован на вал из той же стали. В пазы пакета ротора установлены постоянные магниты НПМ-38. В шести пазах прямоугольной формы установлено по одному тангенциальному магниту, в других шести пазах – по два радиальных магнита, разделенных ВТСП пластиной из иттриевой керамики.

Охлаждение двигателя осуществляется жидким азотом. Вход жидкого азота осуществляется через штуцер, расположенный в подшипниковом щите. Выброс паров азота производится через трубу на корпусе и систему гофрированных труб в атмосферу. На рис. 13, а показано фото двигателя ДС-150, а на рис. б – фото ДС-и нагрузочной машины.

На основе анализа критических параметров, токонесущей способности и механических свойств современных ВТСП элементов было показано, что при охлаждении жидким азотом (Т = 77 К) наилучшими параметрами обладают объемные ВТСП элементы на основе керамики YBCO. В этой связи были изготовлены объемные блоки из ВТСП керамики YBCO для ротора экспериментального электродвигателя с ПМ.

а) б) Рисунок 13 – Ротор ДС-150; (а – лист пакета ротора; б – внешний вид ротора без ПМ и ВТСП пластин) а) б) Рисунок 13 – Двигатель ДС-150; (а – фото двигателя ДС-150; б – двигатель ДС-на испытательном стенде) На первом этапе экспериментальных исследований были проведены измерения магнитных полей ротора на воздухе. Замеры проводились датчиком холла на поверхности ротора (посередине пакета) с шагом измерений – 5. По результатам измерений был построен график показанный на рис. 15.

На рис. 15 вдоль кривой распределения магнитной индукции показана развёртка магнитных полюсов ротора. Стрелочками условно обозначено направление намагниченности ПМ, а серой полосой – ВТСП элементы в полюсе ротора. Как видно из рисунка, результаты измерений очень хорошо согласуются с результатами численного расчёта. Наличие пиков в аналитических решениях объясняется принятым в модели азимутальным направлением магнитного момента тангенциальных ПМ. В Рисунок 15 – Радиальная составляющая экспериментальном опытном магнитной индукции поля ротора образце ротора использовались магниты с постоянным (измерено на воздухе) направлением намагниченности (эти же свойства ПМ задавались и в программе «Elcut 5.4» при численном расчёте.

Наличие ВТСП элементов приводит к появлению характерных провалов магнитной индукции над серединой полюса.

Результаты испытаний СД в генераторном режиме показаны на рис. 16, в двигательном режиме – на рис. 17.

С целью определения эффективности применения массивных ВТСП элементов в роторе двигателя ДС-150 с радиально-тангенциальными а) б) магнитами были проведены испытания при криогенных Рисунок 16 – Экспериментальные характеристики температурах выше ВТСП машины ДС-150 в генераторном режиме (а – критических для ВТСП холостой ход; б – внешняя характеристика) керамики (T>120 К).

Испытания проводились при кратковременном отключении подачи жидкого азота и фиксированной нагрузки на валу.

Сопоставление измерений мощности при частично отогретом роторе машины, когда иттриевая керамика теряет свои сверхпроводящие свойства с мощностью ВТСП двигателя в номинальном режиме (при T = 77 К) показало, что применение в составе ротора массивных ВТСП элементов позволяет увеличить мощность на 20% (рис. 17, г).

а) б) в) г) Рисунок 17 – Экспериментальные характеристики ВТСП машины ДС-150 в двигательном режиме работы (а – частота вращения вала n = 6000 мин-1; б – частота вращения n = 6600 мин-1; в – частота вращения n = 7000 мин-1; г – частота вращения n = 6000 мин-1 – номинальный режим) На рис. 17, г представлено сравнение результатов расчёта с экспериментальными данными. Из построенных зависимостей видно, что результаты расчёта и экспериментальных исследований совпадают с достаточно высокой точностью – до 10%. Некоторое превышение расчётных значений над экспериментальными связано с геометрическими особенностями и физическими свойствами изготовленных ПМ (небольшое отклонение геометрии изготовленных магнитов от проектных размеров и варьирование намагниченности ПМ в пределах 510%).

Основные выводы и результаты 1. На основе решения двухмерных электродинамических задач получены аналитические решения, позволяющие проводить сравнительный анализ распределений магнитных полей в активной зоне электрических машин с радиальными, радиально-тангенциальными и тангенциальными постоянными магнитами при наличии и отсутствии ВТСП элементов в роторе.

2. На базе найденных аналитических решений получены математические модели для расчёта параметров магнитоэлектрических машин с различными схемами расположения постоянных магнитов при наличии и отсутствии ВТСП элементов.

3. Проведён сравнительный анализ энергетических параметров магнитоэлектрических двигателей различных конструктивных схем исполнения, выделены области оптимального использования для каждой из конструкций. Так двигатели с радиальными постоянными магнитами эффективны в широком диапазоне полюсности при относительно тонких ПМ, использование двигатели с радиально-тангенциальными магнитами предпочтительно при среднем числе пар полюсов – p = 2-4 при относительно толстом слое ПМ, двигатели с тангенциальными магнитами имеют преимущество при большом числе пар полюсов – p >5 и относительно толстом слое магнитов.

4. Проведённые теоретические исследования показали, что при использовании тонкоплёночных ВТСП элементов на поверхности ротора магнитоэлектрических машин позволяет существенно увеличить (в 1,5 – 2 раза) их выходную мощность.

5. Выполнен сопоставительный анализ ВТСП двигателей с радиальнотангенциальными магнитами различного конструктивного исполнения.

Выявлены рациональные конструктивные схемы выполнения роторов таких двигателей.

6. На основе аналитических и численных методов расчёта проведена частичная оптимизация геометрии ротора с радиально-тангенциальными и с тангенциальными магнитами при числе пар полюсов p = 3. Так для созданного ВТСП двигателя мощностью 150 кВт с радиально-тангенциальной схемой расположения магнитов в роторе оптимальная относительная толщина магнитов = 0,4. Для заданного значения = 0,4 оптимальный угол раскрытия радиальных магнитов составляет = 15.

7. Определена рациональная схема размещения пластин из ВТСП элементов в роторе. Показано, что схема с радиальным расположением ВТСП пластин в полюсе позволяет улучшить выходную на 20-25% по сравнению с обычной конструкцией ротора (без ВТСП и одинаковом режиме охлаждения).

8. Проведены сопоставления расчётов двухмерного распределения магнитных полей по полученным аналитическим зависимостям с результатами численных расчётов в пакете прикладных программ «Elcut 5.4». Показано их хорошее соответствие в пределах 5-10%. Результаты экспериментального измерения магнитного поля ротора СД с радиально-тангенциальными магнитами хорошо согласуются с результатами расчётов магнитных полей по разработанным аналитическим и численным методикам (с точностью до 10%). Это позволяет рекомендовать аналитические методики для расчёта параметров исследуемых ВТСП двигателей на начальных этапах проектирования. Численные методы расчёта целесообразно использовать на заключительном этапе поверочного расчёта ВТСП двигателя.

9. Спроектирован и изготовлен криогенный ВТСП синхронный двигатель ДС150 с радиально-тангенциальными постоянными магнитами и объёмными ВТСП элементами в роторе со следующими основными характеристиками:

расчётная мощность – N = 150 кВт, число пар полюсов – p = 3, частота вращения вала – n = 6000 мин-1, напряжение питания – Uф = 220 В, количество фаз – m = 3, размеры активной зоны – DxL = 130x130 мм.

10. Проведены испытания изготовленной ВТСП машины ДС-150 при различных режимах работы: двигательный режим (при различных частотах и амплитуде питающего напряжения: f = 300 –350 Гц, Uл = 300 –350 В) и генераторный режим (при частоте f = 300 Гц и f = 150 Гц). Результаты соответствуют заданным проектным параметрам.

11. Проведено сопоставление результатов экспериментальных исследований ВТСП двигателя ДС-150 с результатами аналитических и численных расчётов.

Получено согласование эксперимента с расчётами с точностью до 10%, что позволяет рекомендовать разработанные методики на этапе проектных и поверочных расчётов.

12. Результаты расчётов и экспериментальных исследований показывают целесообразность применения схемы с радиально-тангенциальным расположением ПМ совместно с ВТПС пластинами при количестве пар полюсов p = 3. Эксперименты показали, что испытанный электродвигатель обладает большим запасом по перегрузочной способности (до ~ 2,6).

13. Использование в роторе ВТСП пластин из иттриевой керамики позволило увеличить мощность опытного образца синхронного двигателя ДС-150 на 20%.

Основные положения диссертации нашли отражение в работах 1. Ковалев Л.К., Ковалев К.Л., Кавун Ю.Ю., Альтов В.А., Пенкин В.Т., Голованов Д.В. Предельные характеристики синхронных двигателей с постоянными магнитами и ВТСП – элементами в роторе // Известия академии электротехнических наук РФ. – 2009. – №1. – С. 1–9.

2. Ковалев Л.К., Кавун Ю.Ю., Голованов Д.В. Предельные характеристики синхронных машин с постоянными магнитами и ВТСП – элементами в роторе // Электричество. – 2008. – №12. – С. 16–23.

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

4. 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) 5. Тезисы доклада. 7-я международная конференция «Авиация и космонавтика – 2008», 20 – 23 октября 2008 г., МАИ, г. Москва.

6. Тезисы доклада. 8-я международная конференциия «Авиация и космонавтика – 2009», 26 – 28 октября 2009 г., МАИ, г. Москва.

Pages:     | 1 | 2 ||






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