WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

При решении электродинамических задач зависимость магнитной индукции от напряжённости магнитного поля задавалась известным соотношением ( B 0H M ).

В работе показано, что задача определения двухмерного магнитного поля в цилиндре из ПМ радиально-тангенциального намагничивания сводится к решению одной или нескольких сопряженных задач типа Неймана относительно скалярного или векторного магнитного потенциала Аz:

1 1 M 1 1 M GMdl G r dS, А 0 2 GMdl 0 2 S dS, (2) G 2 L S L где G - функция Грина для р-полюсного источника 2 p p p 1 r2 p 2r cosp( 1), которая для упрощения расчета преобраG ln 2 p p p r2 p 2r cosp( 1) зуется с помощью разложения в ряд Фурье.

Для уединенного цилиндра из РЗМ ПМ радиально-тангенциального намагничивания с внешней концентрацией магнитного потока в терминах эквивалентных поверхностных токов при условии Mr M M0 решение поставленной задачи имеет вид:

pn 2 2M r r21 pn r11 pnsin( pn )sin( pn ), Аi (r, ) n(1 pn) n1,3,5... (3) при r r1;

2 2M r pnr21 pn r11 pnsin( pn )cos( pn), Аe (r, ) n(1 pn) n1,3,5...

(4) при r r2.

Для уединенного цилиндра из РЗМ ПМ радиально-тангенциального намагничивания с внутренней концентрацией магнитного потока решение задачи при M M M0 имеет вид:

r pn 2 2M r r21 pn r11 pnsin( pn )cos(, Аi (r, ) 0 pn ) n(1 pn) n1,3,5...

(5) при r r1;

2 2M r pnr21 pn r11 pnsin( pn )sin( pn ), Аe (r, ) n(1 pn) n1,3,5...

(6) при r r2.

На рис. 2 а,б приведены картины распределения функции магнитного потока в уединенных цилиндрах из РЗМ ПМ радиально-тангенциального намагничивания с различным числом пар полюсов.

p=1 p=2 p=а) p=1 p=2 p=б) Рисунок 2. Структура магнитных полей в уединенных цилиндрах из РЗМ ПМ радиально-тангенциального намагничивания при p1,2,4:

а - с внешней концентрацией магнитного потока; б – с внутренней концентрацией магнитного потока.

Из рисунка видно, что в зависимости от направления магнитного момента азимутальных ПМ магнитный поток концентрируется внутри или снаружи уединенного цилиндра из РЗМ ПМ радиально-тангенциального намагничивания. При внешней концентрации магнитного потока (рис.2, а) первая гармоника магнитного поля отсутствует при rr2. Влияние высших гармоник, находящихся снаружи цилиндра, незначительно. В случае р=1 концентрация линий уровня внутри цилиндра на рис. 2, б заметно выше, чем на рис. 2, а.

Как отмечалось выше, в силу линейности уравнения для векторного магнитного потенциала А общее решение задачи определения магнитных полей в активной зоне машины можно найти в виде суммы трех слагаемых:

A A Ae AFe. (7) Здесь слагаемое A определяется токовым слоем на радиусе расточки статора, Ae - уединенными постоянными магнитами ротора, а AFe - влиянием ферромагнитопровода машины на распределение полей от ротора СД.

С учетом сделанных замечаний, влияние ферромагнитного экрана статора будет аналогично влиянию цилиндра из РЗМ ПМ радиально-тангенциального намагничивания с внутренней концентрацией магнитного потока. Аналитическое выражение для функции AFe (r, ), учитывающей влияние ферромагнитного экрана в области r Rs, имеет вид:

pn 2 2M r r21 pn r11 pnsin( pn ) cos( pn), AFe (r, ) 0 K Rs 2 pn (8) n(1 pn) n1,3,5...

где К – коэффициент, учитывающий влияние конечной величины относительной магнитной проницаемости магнитопровода статора, определяемый в первом 1.

приближении из соотношения K Аналитическое решение задачи определения двухмерных магнитных полей от трехфазной обмотки с учетом граничных условий на поверхности расточки статора r=Rs записывается как :

p p W ia mф K 0 a a A, a 1 a 1 Rs 2p Rs 1,3,5... (9) sin p.

mф Здесь – число фаз обмотки якоря, коэффициент a учитывает структуру индуктора и определяет реакцию якорных обмоток на нее. Если на внешнем радиусе ротора находится ВТСП оболочка, то из условия равенства векторного потенциала r rнулю при можно получить следующее выражение для коэффициента a :

p p p p Rs r2 Rs r a. (10) r2 Rs r2 Rs 1,3,5...

По существу при наличии на поверхности ротора ВТСП оболочки с 0 ротор представляет собой систему постоянных магнитов с диамагнитными свойствами относительно полей, создаваемых обмоткой статора. Это значительно снижает рассеяние магнитных полей и индуктивное сопротивление Xad линейной зоны машины.

При отсутствии ВТСП экрана на роторе машины значение a 1.

С учетом полученных соотношений распределение суммарного магнитного поля от ПМ индуктора и токов статора можно представить как:

Ar, A r, AM r,, (11) где - угол между изображающим вектором тока статора и осью d ротора, а векторный потенциал индуктора AM с учетом влияния магнитопровода машины находится как AM r, Ae(r, ) AFe(r, ).

Таким образом, все слагаемые в уравнении (7) известны, что позволит получить общее решение задачи распределения магнитных полей в активной зоне синхронного электродвигателя с радиально-тангенциальными постоянными магнитами и тонкой ВТСП оболочкой на внешней поверхности ротора.

Аналогичным образом ищется решения задачи определения двухмерных магнитных полей в синхронном двигателе с радиальными ПМ.

Конструктивная и расчетная схемы СД с радиальными ПМ приведены на рисунке 3.

а) б) Рисунок 3. Четырехполюсный синхронный двигатель с радиальными ПМ:

а — конструктивная схема; б — расчетная модель.

Ротор СД (рис. 3, а) содержит постоянные магниты 1, примыкающие своими внутренними торцами к ферромагнитному сердечнику 2, а наружными торцами – к магнитомягким участкам биметаллической обоймы 3. Статор 4 машины также выполняется шихтованным и аналогичен рассмотренному ранее.

При построении аналитических решений для распределения магнитных полей радиальных магнитов 1 обмотка статора также заменяется эквивалентным токовым слоем 4 (рис. 3, б). Ферромагнитный сердечник ротора 2 и спинка статора 3 считаются ненасыщенными с Fe 1. Это допущение позволяет с достаточной точностью полагать, что внешний радиус спинки статора на параметры машины не влияет (т.е.

R ). Величины магнитных моментов радиальных магнитов принимаются постоянными M const, а линейная зона машины считается достаточно длинной.

r Как и в предыдущем случае, общее решение задачи представимо в виде трех слагаемых:

A A Ae AFe (12) Здесь слагаемое A определяется токовым слоем не статоре, Ae - уединенными постоянными магнитами ротора, а AFe - влиянием магнитопровода машины.

Задачу расчета распределения магнитных полей в активной зоне машины с радиальными магнитами можно свести к уравнению Пуассона:

A 0Ja (r Rs), (13) где - дельта-функция.

В качестве граничных условий используются следующие соотношения:

А А А А ; 0M, при r1 r r, (14) r r r p A A А А ;, при r r1, ;

(15) r r 2 p А 0, при r r1, r Rs. (16) r Векторный потенциал токового слоя A описывается рядом (9), в котоr rром константа a при наличии ВТСП экрана на поверхности ротора ( ) определяется из соотношения (10), а при отсутствии ВТСП экрана – из условия отсутствия компоненты поля В (А r 0 ) на поверхности ферромагнитного сердечника ротора ( r r1) как p p p p r1 1 Rs r1 1 Rs.

a (17) p p p p 1,3,5 Rs r1 1 Rs r1 Ae Ai Векторный потенциал магнитов индуктора и для уединенного p полюсного цилиндра из РЗМ радиального намагничивания определяется из решения уравнения Лапласа (13) с граничными условиями (14, 15) и условия отсутствии поля при r.

Аналитическое решение задачи имеет вид:

pn 2M0 r r21 pn r11 pnsin( pn)sin( pn ), (18) Ai (r, ) n(1 pn) n1,3,5...

при r r1;

2M0 r pnr21 pn r11 pnsin( pn )sin( pn ), (19) Аe(r, ) n(1 pn) n1,3,5...

при r r2.

AFe Величина, определяющая влияние магнитопровода статора машины на ха рактеристики поля в воздушном зазоре, удовлетворяет уравнению Лапласа АFe 0 с (Ai AFe ) 0 r r1 (Ae AFe ) граничными условиями (16): при и 0 r Rs при.

r r r Rs На радиусе расточки статора ( ) выражение для AFe может быть представлено в виде 2M pn pn АFe(RS, ) b sin( pn)sin( pn ), R 2da bRas n1,3,5...

(20) r21 pn r11 pn, b r21 pn r11 pn, d где a.

n(1 pn) n(1 pn) Ra 2 pn r12 pn Имея все слагаемые в уравнении (12), можно получить общее решение задачи распределения магнитных полей в активной зоне синхронного электродвигателя с радиальными ПМ и ВТСП экраном на внешней поверхности ротора.

На основе полученных выше решений двухмерных электродинамических задач в рамках единого подхода можно провести сравнительный анализ СД с ПМ радиально-тангенциального намагничивания и СД классического, наиболее распространенного типа с ПМ радиального намагничивания.

В расчетах использовались следующие исходные параметры модельных двигателей: диаметр расточки статора Ds 84 мм, длина пакета статора Ls 78 мм, внутренний радиус цилиндра из РЗМ r1 18,5 мм, внешний радиус цилиндра - r2 41 мм, воздушный зазор 1 мм, число пар полюсов p 2, число пазов на Wa q полюс и фазу, число витков фазы якоря, напряжение питающей сети U 220 В, частота тока f 200 Гц. Предполагалось, что магнитный момент постоянных магнитов равен М 780000 А / м. При принятых исходных данных обеспечивается перевозбужденный режим работы двигателя как для СД с радиальнотангенциальными магнитами, так и для СД с радиальными магнитами с E0 U 2,099 2, и соответственно.

На рис. 4 представлены результаты сопоставления угловых характеристик СД с радиально-тангенциальными и радиальными магнитами.

а) б) Рисунок 4. Сравнение угловых характеристик СД при наличии и отсутствии ВТСП экрана а - СД с радиально-тангенциальными магнитами; б – с радиальными магнитами.

Результаты расчетов параметров таких двигателей показали, что применение ПМ радиально-тангенциального намагничивания повышает выходную мощность по сравнению с традиционными СД с радиальными магнитами. Отсутствие магнитопровода ротора машины позволяет также снизить его массу, что особенно важно для электромашиностроения, авиационно-космической отрасли и высокодинамичных промышленных приводов. Использование в роторе ВТСП оболочек из иттриевых керамик и композитных ВТСП листовых материалов позволяет существенно (в 2-2,раза) увеличить максимальную мощность сверхпроводниковых электродвигателей и возможности высокодинамичного привода. (В данной модели сверхпроводник счиs тался идеальным диамагнетиком с ). В диссертации показано, что выигрыш по мощности имеет место вследствие значительного снижения индуктивного сопротивления машины. Указанное обстоятельство позволяет заключить, что СД с тонкими ВТСП оболочками могут оказаться перспективными при их использовании в качестве электроприводов криогенных насосов в системе криостатирования силовых СП кабелей и водородной энергетике, а также в качестве высокодинамичных приводов.

Следует отметить, что полученные аналитические модели позволяют проводить сравнительный анализ рассматриваемых машин как при кратковременном, так и при длительном режиме работы с заданными ограничениями по плотности тока В третьей главе рассмотрены численные методы поверочного расчета магнитных полей и параметров ВТСП двигателей с ПМ радиально-тангенциального намагничивания с учетом геометрии и насыщения магнитопровода машин. Кроме того, развитые в главе II аналитические подходы предназначены для неявнополюсных вариантов конструкций ВТСП двигателей с радиально-тангенциальными магнитами. В ряде случаев представляет также интерес явнополюсные конструкции синхронных двигателей со вставками из иттриевых керамик. Расчет параметров таких ВТСП СД может быть проведен лишь численными методами.

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 синхронных двигателей с радиально-тангенциальными ПМ. На рис. 5 показаны результаты численных и аналитических расчетов СД с ПМ радиально-тангенциального намагничивания.

а) б) Рисунок 5. Графические зависимости выходных параметров СД с радиально-тангенциальными ПМ от угла нагрузки:

а – аналитический расчет, б – численный расчет.

Видно, что разработанные аналитические методики расчета синхронного ВТСП двигателя с радиально-тангенциальными постоянными магнитами хорошо согласуются с численными моделями в пределах 5 – 10%.

Численный расчет серии ВТСП двигателей показал, что использование вставок из массивных ВТСП элементов, а также тонких ВТСП пленок в конструкции роторов шестиполюсных синхронных электродвигателей с радиально-тангенциальными ПМ позволяет при одинаковых режимах охлаждения заметно увеличить их мощность.

Так, наиболее перспективными моделями синхронных ВТСП электродвигателей с радиально-тангенциальными ПМ являются модели с использованием ВТСП пластин вдоль оси d машины (рис. 6) и модели с тонкими ВТСП пленками на внешнем радиусе цилиндра из РЗМ (рис.7).

а) б) Рисунок 6. Результаты расчета СД с радиально-тангенциальными ПМ и пластинами из иттриевой керамики:

а – картина магнитного поля, б –зависимости параметров СД от угла нагрузки.

а) б) Рисунок 7. Результаты расчета СД с радиально-тангенциальными ПМ и тонокй ВТСП пленкой на внешнем радиусе ротора:

а – картина магнитного поля, б –зависимости параметров СД от угла нагрузки.

Пятая глава диссертации посвящена экспериментальным исследованиям синхронных ВТСП двигателей с радиально-тангенциальными постоянными магнитами. В работе детально описан спроектированный и изготовленный макетный образец ВТСП двигателя, а также этапы проведения экспериментов на автоматизированном испытательном комплексе для криогенных электрических машин.

На основе созданных теоретических моделей и расчетных программ был спроектирован, изготовлен и испытан экспериментальный образец шестиполюсного синхронного ВТСП электродвигателя с радиально-тангенциальными постоянными магнитами и радиальными вставками из иттриевой керамики.

Макетный образец синхронного ВТСП электродвигателя с радиальнотангенциальными постоянными магнитами представлен на рис. 8.

Pages:     | 1 || 3 |






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