Размещено на http://www.allbest.ru/

Донецький національний технічний університет

УДК 621.313.33

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Параметричний синтез високовикористаних індукторних машин аксіально-радіальної конфігурації

Спеціальність: 05.09.01 Електричні машини і апарати

Рясков Юрій Іванович

Донецьк 2005

Загальна характеристика роботи

індукторна машина аксіально радіальна

Актуальність теми. У цей час в різних галузях промисловості і на транспорті знайшли застосування електричні машини змінного струму підвищеної частоти для індукційного поверхневого загартування, електроплавки, електрозварювання, електротермообробки, електросушки, а також для автономних транспортних електроенергетичних систем, літальних апаратів і суден на повітряній подушці.

Індукторні машини з барабанним зубчатим ротором, що застосовуються для цих цілей, мають задовільні робочі характеристики, але значно поступаються низькочастотним синхронним машинам за питомими масогабаритними і вартісними показниками внаслідок неповного використання магнітного потоку. Тому задача покращення масогабаритних показників, зменшення вартості машин підвищеної частоти, що використовуються в різних галузях промисловості і транспорту, є актуальною.

У ході розв'язання цієї задачі розроблені індукторні машини нової конструкції - індукторні машини аксіально-радіальної конфігурації (ІМАРК). Вони можуть знайти застосування як генератори, двигуни, перетворювачі частоти і числа фаз. Радикальне зменшення пасивних магнітних і електричних контурів значно покращує масогабаритні і вартісні показники цих машин у порівнянні з індукторними машинами барабанного типу.

До позитивних якостей ІМАРК також можна віднести простоту конструкції, технологічність виконання та укладання зосереджених кільцевих обмоток, покращену якість енергії, що генерується, зниження маси і інерційності ротора, підвищення ресурсу роботи підшипників.

Створення нових машин передбачає розробку метода і методики розрахунку ескізного проектування, оскільки традиційні методи розрахунку не мають застосування через те, що електромагнітне ядро ІМАРК має структуру з комірок, інший просторовий напрям основного магнітного потоку і, на відміну від традиційних машин, містить зосереджені обмотки і розподілену магнітну систему.

Актуальною задачею є розробка метода і методики синтезу індукторного генератора аксіально-радіальної конфігурації (ІГАРК) з максимальною питомою потужністю і мінімальною вартістю, щоб найбільш повно використовувати переваги машин нової конструкції.

Напрям досліджень, отримані наукові і практичні результати від-повідають програмам і планам науково-технічних робіт, що спрямовані на розвиток народного господарства України: Національній енергетичній програмі “Основні напрями розвитку енергетики України на період до 2010 року"; Цільовій комплексній програмі розвитку транспортного комплексу України “Транспорт".

У зв'язку з вищезгаданим, тема даної роботи актуальна, а її реалізація має важливе практичне значення для створення нових електричних машин з покращеними питомими масогабаритними і вартісними показниками.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота пов'язана з науковою тематикою кафедри електротехніка Севастопольського військово-морського ордена Червоної Зірки інституту ім. П.С. Нахімова і планами науково-дослідних робіт НЦ ВМС ЗС України. Дослідження, результати яких приведені в дисертації, пов'язані з виконанням НДР "Розробка методики автоматизованого проектування корабельних двигунів специальної конструкції", шифр "Ротор" №769 (НЦ ВМС ЗС України, 2002 р.), в якій автор брав участь як співвиконавец.

Мета роботи і завдання дослідження. Метою роботи є розробка методів розрахунку і синтезу ІМАРК, які забезпечують значне зниження масогабаритних і вартісних показників при покращенні їх робочих характеристик.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні наукові задачі:

аналіз конструктивних схем і методів розрахунку існуючих електричних машин підвищеної частоти і обгрунтування необхідності їх удосконалення;

розробка нового принципу побудови електромагнітного ядра індукторних машин, що дозволяє радикально зменшити пасивні частини магнітних і електричних контурів;

розробка метода розрахунку електромагнітного ядра ІМАРК, що має зосереджені електричні обмотки і розподілену магнітну систему з урахуванням раціонального співвідношення електротехнічної сталі магнітного кола і міді електричних обмоток;

розробка методики ескізного проектування ІГАРК з покращеними масогабаритними і вартісними показниками;

розробка алгоритму і програми автоматизованого розрахунку ІГАРК на ЕОМ;

розробка метода і методики комплексного параметричного синтеза ІГАРК з максимальною питомою потужністю при різних обмеженнях на вхідні розрахункові параметри;

створення натурних моделей електромагнітної комірки (ЕМК) і ІГАРК для доведення адекватності методики розрахунку реальному об'єкту;

проведення досліджень на ЕОМ і на натурних моделях ЕМК і ІГАРК і вироблення рекомендацій по вибору раціональних розмірів електромагнітного ядра для зменшення потоку розсіювання, збільшення коефіцієнту модуляції основного магнітного потоку і покращення якості напруги, що генерується;

розробка способу вимірювання коефіцієнтів розсіювання і модуляції основного магнітного потоку в натурній моделі ІГАРК з метою перевірки достовірності методики розрахунку.

Об'єкт дослідження - уніполярні індукторні машини з аксіально-радіальною конфігурацією магнітної системи.

Предмет дослідження - синтез уніполярних індукторних машин аксіально-радіальної конфігурації при різних обмеженнях на розрахункові параметри.

Методи дослідження При виконанні роботи використовувалися наступні методи: математичного моделювання при розробці методу розрахунку; фізичного моделювання при виготовленні натурних моделей; метод подібності при перевірці адекватності методики розрахунку; метод планування експеримента при пошуку оптимальних умов для синтезу ІГАРК з підвищеною питомою потужністю; метод імітаційного моделювання при розробці способу вимірювання величин коефіцієнтів розсіювання і модуляції основного магнітного потоку в натурній моделі; метод кінцевих елементів для перевірки адекватності методики розрахунку.

Наукова новизна отриманих результатів:

Уперше запропонований і теоретично обгрунтований принцип побудови електромагнітного ядра індукторних машин, який відрізняється тим, що машина здійснюється торцевою, багатодисковою, багатошаровою з розподіленою магнітною системою комірчастої структури, що дозволяє радикально зменшити масогабаритні і вартісні показники з покращенням робочих характеристик.

Уперше розроблен метод розрахунку електромагнітного ядра ІМАРК з розподіленою магнітною системою і зосередженими обмотками, котрий відрізняється тим, що основне розрахункове рівняння отримане з розгляду раціонального співвідношення площі перетину обмоток і площі перетину магнітопровода електромагнітних комірок, з яких складається машина, без використання електромашинної сталої і лінійного навантаження.

Отримав подальший розвиток метод комплексного параметричного синтезу, який дає можливість визначення оптимальних значень чинників для отримання максимального значення параметра оптимізації - питомої потужності електромагнітного ядра, в основу якого послідовно покладені синтез в напрямі від електромагнітних навантажень до розмірів генератора, повнофакторний чисельний експеримент і багатокрокова оптимізаційна процедура.

Практичне значення отриманих результатів складають:

Розроблена методика ескізного проектування ІГАРК, відмінна тим, що отримання головних розмірів всієї машини виконується поетапним розрахунком, спершу електромагнітних комірок, що складають елементарну машину (пакет), потім виконується розрахунок елементарних машин, з яких складається весь генератор при чисельному розрахунку тривимірного магнітного поля машини, котра дозволяє розраховувати і виготовляти генератори з підвищеною питомою потужністю та зниженою вартістю.

Розроблені алгоритм і програма автоматизованого розрахунку на ЕОМ, що реалізовує методику розрахунку ІГАРК при ескізному проектуванні.

Розроблені алгоритм і програма на ЕОМ, що реалізовує методику вибору оптимальних розрахункових параметрів при комплексному параметричному синтезі ІГАРК з підвищеною питомою потужністю.

Розроблений імітаційний спосіб визначення параметрів магнітного поля ІГАРК при загальмованому роторі генератора.

Розроблені рекомендації по вибору геометрії активного ядра ІГАРК з метою зменшення втрат і покращення якості напруги, що генерується.

Результати роботи включені в план перспективних конструкторських розробок ВАТ "Південелектромаш" (м. Нова Каховка). Методика і програма ескізного проектування ІГАРК реалізована на базі об'єктно-орієнтованої системи Delphi - 5, використовується в наукових дослідженнях Інституту електродинаміки НАН України.

Результати роботи впроваджені в науково-дослідні роботи НЦ ВМС України та в навчальний процес на кафедрі корабельної енергетики СВМІ ім. П.С. Нахімова.

Особистий внесок здобувача: розроблений і теоретично обгрунтований принцип побудови електромагнітного ядра індукторних машин, що дозволяє радикально зменшити масогабаритні і вартісні по-казники з покращенням робочих характеристик; розроблений метод розрахунку електромагнітного ядра ІМАРК з розподіленою магнітною системою і зосередженими обмотками без використання електромашинної сталої і лінійного навантаження; отримав подальший розвиток метод комплексного параметричного синтезу, який дає можливість визначення оптимальних значень чинників для отримання максимального значення параметра оптимізації - питомої потужності електро-магнітного ядра ІМАРК; розроблені алгоритм і програма автоматизованого розрахунку на ЕОМ, що реалізовує методику розрахунку ІГАРК при ескізному проектуванні.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові і практичні результати дисертаційної роботи освітлені: на міжнародному науково-технічному семінарі "Проблеми підвищення ефективності автономних електромеханічних перетворювачів енергії в електромеханічних системах" (м. Севастополь, жовтень 2002 р.); на науково-технічному семінарі відділу електромеханічних систем Інституту електродинаміки НАН України (м. Київ, грудень 2002 р.); на міжнародній науково-технічній конференції " Проблеми підвищення ефективності електромеханічних перетворювачів в електроенергетичних системах" (м. Севастополь, жовтень 2003 р.); на технічній конференції ВМС Збройних Сил України "Стан і розвиток ВМС Збройних Сил України на сучасному етапі" (м. Севастополь, листопад 2003 р.); на міжнародній науково-технічній конференції " Проблеми підвищення ефективності електромеханічних перетворювачів в електроенергетичних системах" (м. Севастополь, вересень 2004 р.)

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 15 друкарських наукових працях: 7 статей в наукових журналах; 3 роботи в матеріалах і тезах конференцій; 5 патентів України на винаходи.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота склається зі вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел зі 105 найменувань, списку умовних скорочень, додатків. Загальний обсяг роботи становить 384 сторінок, з яких 200 додатки. Робота також включає 5 сторінок таблиць і 28 сторінок рисунків.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі дослідження, наукові результати і їхня новизна, наведені відомості про апробацію і публікації роботи.

У першому розділі представлений огляд літератури, що стосується електричних машин підвищеної частоти, показані їх переваги і недоліки. Зроблений висновок про те, що індукторні машини з барабанним зубчатим ротором значно поступаються класичним синхронним машинам відповідної потужності по масогабаритним і вартісним показникам. Однак важко отримати високу частоту напруги за допомогою електричних машин інших типів через конструктивні особливості.

Аналіз існуючих методів розрахунку електричних машин індукторного типу показав, що ці методи застосовуються тільки до машин із зосередженою магнітною системою і розподіленими електричними обмотками та грунтуються на поняттях машинної сталої і лінійного навантаження.

Показано, що в якості машин підвищеної частоти перспективно використати індукторні машини нової конструкції, що мають покращені масогабаритні і вартісні показники. На відміну від індукторних машин класичного типу, ці машини мають зосереджені обмотки і розподілену магнітну систему.

Найпростіший генератор такого типу, являє собою машину, у якій ротор виконаний у вигляді гладкого пластмасового диску з феромагнітними вставками, що виконують роль зубців. Магнітна система виконана у вигляді зубчатих кілець, що складаються з комірок, встановлена в підшипникові щити машини, а обмотка збудження постійного струму і обмотка якоря змінного струму кільцевого типу укладені в зубчаті кільця магнітної системи.

Магнітна система машини в такій конструкції при загальних обмотках розпадається на ряд електромагнітних комірок, число яких визначається частотою напруги при заданій частоті обертання ротора. У свою чергу, кожна комірка складається з двох однакових модулів.

При обертанні ротора феромагнітні вставки періодично замикають магнітні коло комірок, змінюється магнітна провідність, внаслідок чого змінюється взаємна індуктивність між нерухомою обмоткою якоря і нерухомою обмоткою збудження постійного струму і в обмотці якоря індукується змінна ЕРС необхідної частоти.

Оскільки електромагнітне ядро ІМАРК має структуру з комірок, інший напрям робочого магнітного потоку, містить розподілену магнітну систему і зосереджені обмотки, традиційні методи розрахунку для такої машини не придатні. Це приводить до необхідності розробки оригінального методу розрахунку, що враховує раціональне співвідношення між залізом магнітного кола комірки і міддю електричних обмоток машини.

У другому розділі розроблен метод розрахунку електромагнітного ядра ІМАРК, який представляє собою поетапний ітераційний розрахунок. На першому етапі проводиться розрахунок електромагнітної комірки, на другому етапі - розрахунок елементарної машини, яка складається з ЕМК, а на останньому етапі виконується розрахунок головних розмірів всієї машини, що складається з декількох елементарних машин.

Для забезпечення раціонального співвідношення міді електричних обмоток і електротехнічної сталі магнітного кола комірки при заданій індукції в магнітопроводі і щільності струму в обмотках розраховується раціональне співвідношення площі перетину магнітопровода і площі перетину обмоток. Це раціональне співвідношення дозволяє розрахувати геометричні розміри комірки.

Розрахунок ЕМК виконується за умовою максимума магнітного потоку для ненасиченого магнітного кола.

Форма ЕМК без урахування товщини ротора і висоти зубців вибирається квадратної, оскільки квадрат має найменший периметр (не вважаючи кола). У цьому випадку витрата стали і падіння магнітного потенціалу для такої конфігурації комірки будуть мінімальними.

Таким чином перетин магнітопроводу комірки і електричних обмоток приймають квадратними зі сторонами відповідно А і а.

Задавшись умовою постійності габаритів магнітної системи (А = const), вирішується задача по визначенню співвідношення а / А, при якому магнітний потік максимальний.

При цьому приймаються наступні допущення і умови:

Матеріал магнітопровода ЕМК вважається ненасиченим, оскільки машина має збільшений повітряний зазор і працює на прямолінійній дільниці кривої намагнічення.

Щільність струму в обмотках не залежить від площі їх перетину.

Довжина, площа зубців і повітряний зазор залишаються незмінними.

Співвідношення а / А не впливає на відношення магнітної провідності стали і повітряного зазора , тобто .

Тоді вираз для магнітного потоку Ф(а) при згідному включенні обмоток генератора можна записати у вигляді:

, (1)

де - відношення магнітної провідності стали до магнітної провідності повітряного зазора;

- постійна; D_ср - середній діаметр магнітной системы; j - щільність струму в обмотках; к_з - коефіцієнт заповнення вікна комірки міддю обмоток; a_z - зубчасте перекриття статора.

Дослідження функції Ц на максимум при прийнятих умовах і допущеннях дає

. (2)

Зрівнявши похідну (2) до нуля, отримують рівняння

. (3)

В розв'язоку рівняння (3) фізичне значення має тільки перший додатний корінь , який дає умову отримання найбільшого магнітного потоку, звідки

а = 0,61 А, або А = 1,61 а. (4)

Тоді радіальна ширина зубця індуктора

. (5)

Розглянута задача лише встановлює відповідність двох розмірів а і А електромагнітної комірки ядра машини. При проектуванні машини потужність, частота струму і частота обертання вважаються заданими, а величина повітряного зазора, індукція в зазорі і щільність струму можуть бути вибрані з урахуванням рекомендацій по проектуванню. Отримані раціональні співвідношення дозволяють вирішити задачу по визначенню розмірів вікна комірки під мідь обмоток і розмірів кожної обмотки в функції вказаних величин.

На основі дослідних даних і чисельних розрахунків на ЕОМ визначено раціональне співвідношення між тангенціальною довжиною і радіальною шириною

(6)

нижнього зубця статора (рис. 3) при збереженні отриманих виразів (4, 5). При підстановці співвідношень (4 - 6) в формулу для розрахункової потужності елементарної машини отримують вираз

(7)

де j_p - щільність струму в якірній обмотці; Z₁ - число пар зубців статора; В_д - магнітна індукція в повітряному зазорі; к_л = Ф_max / Ф_min - коефіцієнт модуляції основного магнітного потоку; S_в - перетин обмотки збудження.

Задача попереднього розрахунку машини зводиться до визначення довжини нижнього зубця статора розв'язком рівняння (7) відносно . Визначивши заздалегідь

отримують алгебраїчне рівняння четвертого ступеню

(8)

Визнавши через , , отримують квадратне рівняння

. (9)

Коріння рівнянь (8), (9) мають вигляд

; ,

де .

З урахуванням раніше прийнятих позначень і того факту, що фізичне значення в даному розв'язку має тільки перший дійсний, додатний корінь, отримують основний розрахунковий вираз для визначення тангенціального розміру нижнього зубця статора

. (10)

Нарешті, використовуючи співвідношення (4 - 6) визначають радіальний розмір магнітопровода b_Z1 і розміри вікна а і А ЕМК.

З використанням вищезгаданого методу розроблена методика ескізного проектування ІГАРК, що дозволяє розраховувати геометричні розміри машини, параметри обмоток, магнітне коло, характеристики і ККД. Особливістю методики є розгляд тривимірної картини магнітних полів ЕМК для визначення коефіцієнтів розсіювання і модуляції основного магнітного потоку. При цьому використаний аналітичний метод обчислення провідності областей елементарних магнітних потоків в трьох координатах (рис. 4), що дозволяє отримати нескладні вирази.

Зокрема, провідність елементарних шляхів магнітного поля розсіювання в областях у вигляді півкільця по обох боках модуля ЕМК Л₁ (див. рис. 4 б) визначиться виразом

, (11)

За допомогою аналогічних формул розраховують провідність всіх областей магнітного поля ЕМК.

За даними геометрії електромагнітної комірки здійснений чисельний розв'язок польової задачі на площині в двох перетинах машини (рис. 5, 6) методом кінцевих елементів за допомогою програми GE.2D, що розроблена в Інституті електродинаміки НАН України. Це зроблене з метою уточнення геометричних розмірів, індукції в різних частинах магнітного кола ЕМК, коефіцієнтів розсіювання і модуляції основного потоку.

Створена автоматизована програма на ЕОМ на основі об'єктно-орієнтованої системи Delphi - 5, що реалізовує методику ескізного проектування ІГАРК і що дозволяє отримати 160 розрахункових параметрів. Блок визуалізації програмно зображає в масштабі ескіз модуля ЕМК і ескізні креслення електричної машини, що дозволяє покращити наочність і своєчасно корегувати вхідні дані.

Таким чином, уперше розроблен метод розрахунку ІМАРК з роз-поділеною магнітною системою і зосередженими обмотками без використання традиційних понять машинної сталої і лінійного навантаження.

У третьому розділі наведені результати експериментальних досліджень, які доводять ефективність нової конструкції індукторних машин з аксіально-радіальною конфігурацією магнітної системи, що мають структуру з комірок і покращені робочі характеристики.

Вимірювання параметрів магнітного поля здійснювалися пере-творювачами Холла типу ПХЕ, ТУ ПЯ МО.345.502 і імітаційним способом при загальмованому роторному диску. Схема з'єднання обмоток ЕМК при вимірах коефіцієнтів розсіювання і модуляції основного магнітного потоку імітаційним способом показана на рис. 7.

До якірних обмоток лівого і правого модулів підключені, відповідно вольтметри V₂ і V₁. На обмотку збудження ОЗ₂ лівого модуля комірки подавалася напруга від зовнішнього джерела змінного струму з частотою, що дорівнює частоті модуляції основного потоку в робочому режимі при роторі, що обертається. При цьому підключенні показ вольтметра V₂ залежить від величини основного магнітного потока Ц_р і потока розсіювання Ц_у , а показ вольтметра V₁ тільки від величини основного магнітного потоку. Відношення показів цих дає значення коефіцієнта розсіювання магнітного потоку у відносних одиницях. При покроковому повороті роторного диска в межах одного зубцьового розподіла показ вольтметра V₁ дає у відносних одиницях розподілення магнітної провідності в робочому зазорі і коефіцієнт модуляції основного магнітного потоку.

Аналіз зовнішньої характеристики при активному навантаженні (рис. 8), отриманої при роторі, що обертається, показує зменшення статизму і збільшення перевантажувальної здатності по струму (з 1,5 до 2,5 в.о.) в порівнянні з традиційними індукторними генераторами (ІГ). Вигляд осцилограми (рис. 9) підтверджує можливість отримання синусоідальної форми кривої ЕРС без паралельного підключення ємності.

Підтверджена адекватність методу розрахунку електромагнітного ядра машини і методики розрахунку ІГАРК при ескізному проектуванні. Похибка збігу розрахункових даних з експериментальними складає від 8 до 12%.

У четвертому розділі на основі аналізу відомих методів синтезу електричних машин запропонован комплексний метод параметричної оптимізації, що грунтується на поєднанні оптимізаційної процедури, з синтезом в напрямі від електромагнітних навантажень до розмірів генератора, реалізованих в автоматизованій програмі розрахунку ІГАРК на ЕОМ. За параметр оптимізації ІГАРК прийнята питома потужність по масі електромагнітного ядра машини, як величина, що відповідає головній меті роботи - розробці індукторних машин з мінімальною масою і габаритами.

Натурні і чисельні експерименти показали, що при вибраному параметрі оптимізації значущими чинниками є номінальна частота генератора, частота обертання генератора, величина індукції в повітряному зазорі, граничне значення індукції в нижньому зубці статора.

На основі цього методу розроблені методика, алгоритм і програма оптимізації, що дозволяє полегшити і прискорити обробку результатів чисельного експеримента і знайти екстремум параметра оптимізації.

Методика комплексного параметричного синтезу включає чотири етапи. На першому етапі розробляється автоматизована програма розрахунку ІГАРК на ЕОМ, що реалізовує синтез в напрямі від електромагнітних навантажень до розмірів генератора.

На другому етапі складається матриця повнофакторного чисельного експерименту на основі заздалегідь вибраних значущих чинників, що впливають на параметр оптимізації, і виконуються чисельні експерименти з визначенням параметра оптимізації.

По заповненню матриці проводиться третій етап - статистична обробка результатів чисельного експеримента з отриманням моделі оптимізації. У разі адекватної моделі проводиться четвертий етап - оптимізаційна процедура на ЕОМ методом крутого сходження із знаходженням більш вузької зони варіювання чинників, при яких параметр оптимізації є максимальним.

Аналіз результатів синтезу однофазного ІГАРК по запропонованому методу показує можливість отримання оптимального генератора з питомою потужністю, що перевищує питому потужність ІГ класичної конструкції в 18,9 разів. Проект ІГАРК з параметрами як у класичного ІГ без синтеза дає виграш в питомій потужності тільки в 4,4 рази (Таблиця 1).

Таблиця 1. Порівняльні характеристики індукторних генераторів

Машина	S	UH	IH	f	nH	cosц	Bд		Gст
ИГ классической конструкции	кВА	В	А	Гц	об/мин	в.о.	Тл	Тл	кг
	111	750	148	2700	3000	0,9	0,6	0,67	848
ИГАРК	111	750	148	2700	3000	0,9	0,6	1,2	202 4,2раз
Оптимальный ИГАРК	111	750	148	5700	22200	0,9	0,4	1,9	42,2 20раз
Машина					Пв		з
ИГ классической конструкции	кг	кг	м	м	грн/кВт	кВт/кг	о.е
	150	1200	0,740	0,432	36,4	0,10	0,89
ИГАРК	24 6,5раз	271 4,4раз	0,836 -1,5раз	0,366 1,2раз	7,6 4,8раз	0,43 4,4раз	0,88
Оптимальный ИГАРК	10,4 14раз	63 19раз	0,338 2,2раз	0,355 1,2раз	2,1 17,3раз	1,89 18,9раз	0,93

Додатки містять приклад розрахунку ІГАРК, за методикою яка розроблена, лістинги програм, роздруки вихідних файлів з результатами розрахунків і акти про впровадження основних результатів дисертації.

Висновки

В дисертації здійснене нове рішення наукової задачі розробки методів розрахунку і синтезу індукторних машин аксіально-радіальної конфігурації з розподіленою магнітною системою і зосередженими обмотками, для яких не придатні традиційні методи розрахунку індукторних машин. Розроблені методи забезпечують значне зниження масогабаритних і вартісних показників з покращенням їх робочих характеристик.

Проведені теоретичні і експериментальні дослідження дозволили зробити наступні основні висновки:

Уперше запропонований і теоретично обгрунтований принцип побудови електромагнітного ядра індукторних машин, який відрізняється тим, що машина здійснюється торцевою, багатодисковою, багатошаровою з розподіленою магнітною системою комірчастої структури, що дозволяє радикально зменшити масогабаритні і вартісні показники з покращенням робочих характеристик.

Уперше розроблен метод розрахунку електромагнітного ядра ІМАРК з розподіленою магнітною системою і зосередженими обмотками, котрий відрізняється тим, що основне розрахункове рівняння отримане з розгляду раціонального співвідношення площі перетину обмоток і площі перетину магнітопровода електромагнітних комірок, з яких складається машина, без використання електромашинної сталої і лінійного навантаження.

Уперше розроблена методика ескізного проектування ІГАРК, відмінна тим, що отримання головних розмірів всієї машини здійснюється поетапним розрахунком, спершу електромагнітних комірок, що складають елементарну машину (пакет), потім виконується розрахунок елементарних машин, з яких складається весь генератор при чисельному розрахунку тривимірного магнітного поля машини.

Експериментальними дослідженнями натурних моделей електромагнітної комірки і ІГАРК підтверджена ефективність індукторних машин комірчастої структури при поліпшених робочих характеристиках і високій питомій потужності.

Отримав подальший розвиток метод комплексного параметричного синтезу стосовно до ІГАРК, який дає можливість визначення оптимальних значень чинників для отримання максимального значення параметра оптимізації - питомої потужності електромагнітного ядра, в основу якого послідовно покладені синтез в напрямі від електромагнітних навантажень до розмірів генератора, повнофакторний чисельний експеримент і багатокрокова оптимізаційна процедура.

Розроблені рекомендації для науково-дослідних і проектуючих організацій по створенню індукторних машин нової конструкції, направлені на зниження вартості, втрат і покращення якості енергії, що генерується.

Список опублікованих праць

Рясков Ю.И. Электрические машины аксиально-радиального типа // Сб. научн. тр. СВМИ. - Севастополь: СВМИ, 2000. - Вып.1. - С. 197 - 203.

Шайтор Н.М., Рясков Ю.И. Перспективы применения на судах магнитокоммутируемых индукторных генераторов // Науч.-техн. сб. ОГМА. - Одесса: ОГМА, 2001. - Вып. 6. - С. 118 - 120.

Шайтор М.М., Рясков Ю.І., Якупов Є.В. Вплив гармонiйного складу магнiтноп провiдностi на характеристики магнiтокомутуючих генераторiв // Зб. наук. пр. СВМІ. - Севастополь: СВМІ, 2001. - Вып.1. - С. 97 - 100.

Рясков Ю.И. Исследование ячейки магнитокоммутируемого генератора // Сб. научн. тр. СНИЯЭ и П. - Севастополь: СНИЯЭ и П, 2002. - Вып.6. - С. 45 - 48.

Шайтор М.М., Рясков Ю.І., Воробйов О.С. Оптимізація електромагнітного ядра аксіально-радіальних індукторних машин // Зб. наук. пр. СВМІ. - Севастополь: СВМІ, 2003. - Вып.3. - С. 98 - 101.

Рясков Ю.И. Магнитокоммутируемые индукторные машины с аксиально-радиальной конфигурацией магнитной системы // Вестник СевГТУ. Механика, энергетика, экология. - Севастополь: СНТУ, 2003. - №48. - С. 94 - 101.

Афонин А.А., Шайтор М.М., Рясков Ю.И. Расчет индукторных генераторов аксиально-радиальной конфигурации // Техн. електродинамика. - Киев: 2003. - №4. - С. 41 - 45.

Пат. 49630А Україна, МКИ 7 Н02К19/18, Н02К19/20, Н02К19/10. Електромеханічна система аксіально-радіальної конфігурації: Пат. 49630А Україна, МКИ 7 Н02К19/18, Н02К19/20, Н02К19/10 / Шайтор М.М., Афонін А.О., Рясков Ю.І. Опубл. 16.09.2002, Бюл. №9. - 6с.

Пат. 62802А Україна, МКИ 7 Н02К19/18, Н02К19/20, Н02К19/10, Н02М7/40. Магнітокомутуючий двомережевий генератор з самозбудженням: Пат. 62802А Україна, МКИ 7 Н02К19/18, Н02К19/20, Н02К19/10, Н02М7/40 / Шайтор М.М., Рясков Ю.І., Березовенко О.В. Опубл. 15.12.2003, Бюл. №12. - 4с.

Пат. 62556А Україна, МКИ 7 Н02К19/18, Н02К19/20, Н02К19/10. Магнітокомутуюча дискова машина з кігтеподібним індуктором: Пат. 62556А Україна, МКИ 7 Н02К19/18, Н02К19/20, Н02К19/10 / Шайтор М.М., Рясков Ю.І. Опубл. 15.12.2003, Бюл. №12. - 4с.

Пат. 68262А Україна, МКИ 7 F02B75/32, Н02К19/00. Безшатуновий безщітковий генераторний агрегат: Пат. 68262А Україна, МКИ 7 F02B75/32, Н02К19/00 / Шайтор М.М., Рясков Ю.І., Жидков В.О. Опубл. 15.07.2004, Бюл. №7. - 5с.

Пат. 69069А Україна, МПК 7 Н02К1/06, Н02К3/00. Трифазний двигун аксіально-радіальної конфігурації: Пат. 69069А Україна, МПК 7 Н02К1/06, Н02К3/00 / Шайтор М.М., Рясков Ю.І., Шєвцов Є.І. Опубл. 16.08.2004, Бюл. №8. - 6с.

Рясков Ю.И. Метод расчета и синтеза магнитокоммутируемых индукторных генераторов // Мат. междунар. научн.-техн. конф. “Проблемы повышения эффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах”. - Севастополь: СевНТУ, 2003. - С. 76 - 77.

Рясков Ю.И. Корабельные электроэнергетические системы повышенной частоты // Тезисы докладов на 3 научн.-техн. конф. “Состояние и развитие ВМС Украины на современном этапе”. - Севастополь: СВМИ им. П.С. Нахимова, 2003. - С. 195- 197.

Рясков Ю.И. Параметрический синтез индукторных генераторов аксиально-радиальной конфигурации // Мат. междунар. научн.-техн. конф. “Проблемы повышения эффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах”. - Севастополь: СевНТУ, 2004. - С. 85 - 86.

Анотація

Рясков Ю.І. Параметричний синтез високовикористаних індукторних машин аксіально-радіальної конфігурації. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук. Спеціальність 05.09.01 - електричні машини і апарати. Донецький національний технічний університет, м. Донецьк, 2005 р.

Дисертація присвячена розв'язанню науково-практичної задачі створення методів розрахунку і синтезу індукторних машин нової конструкції з аксіально-радіальною розподіленою магнітною системою і зосередженими обмотками. Для таких машин не застосовні традиційні методи розрахунку індукторних машин.

У основу методу розрахунку встановлене розрахункове рівняння. Це розрахункове рівняння отримане уперше. Воно дозволяє визначити геометричні розміри машини, розрахувати обмотки. При цьому, в розрахунку не використовуються такі параметри як, електромашинна стала і лінійне навантаження.

На основі отриманого методу розрахунку розроблена методика, алгоритм та автоматизована програма розрахунку на персональній електронно-обчислювальній машині.

Отримав подальший розвиток метод комплексного параметричного синтезу застосовно до індукторних генераторів аксіально-радіальної конфігурації, реалізований в програмі на персональній електронно-обчислювальній машині.

Рекомендовані області визначення значущих чинників для отримання генераторів з підвищеною питомою потужністю.

Результати експериментальних досліджень на натурних моделях індукторних генераторів аксіально-радіальної конфігурації підтверджують адекватність отриманих методів розрахунку і синтезу.

Ключові слова: індукторна машина аксіально-радіальної конфігурації, індукторний генератор аксіально-радіальної конфігурації, елементарна електрична машина, електромагнітна комірка, питома потужність електромагнітного ядра.

Аннотация

Рясков Ю.И. Параметрический синтез высокоиспользованных индукторных машин аксиально-радиальной конфигурации Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Специальность 05.09.01 - электрические машины и аппараты. Донецкий национальный технический университет, г. Донецк, 2005 г.

Диссертация посвящена решению научно-практической задачи создания методов расчета и синтеза индукторных машин новой конструкции с аксиально-радиальной распределенной магнитной системой и сосредоточенными обмотками.

Радикальное уменьшение пассивных магнитных и электрических контуров значительно улучшает массогабаритные и стоимостные показатели этих машин в сравнении с индукторными машинами барабанного типа. К их положительным качествам также можно отнести простоту конструкции, технологичность укладки сосредоточенных кольцевых обмоток, улучшенное качество генерируемой энергии, снижение массы и инерционности ротора, снижение шумности, повышение ресурса работы подшипников.

Для таких машин не применимы методы расчета традиционных индукторных машин, имеющих сосредоточенную магнитную систему и распределенные электрические обмотки.

В основу метода расчета положено полученное впервые основное расчетное уравнение. Оно позволяет определить геометрические размеры машины и рассчитать обмотки без использования понятий электромашинная постоянная и линейная нагрузка.

Предложено вместо этих понятий, при заданных значениях магнитной индукции в магнитопроводе ячейки и плотностей тока в обмотках, определять рациональное соотношение площади сечения магнитопровода ячейки и площади сечения электрических обмоток, и в результате, получать геометрические размеры электромагнитных ячеек, из которых состоит машина.

Впервые на основе полученного метода расчета разработаны методика, алгоритм и автоматизированная программа расчета ИГАРК на ЭВМ, особенностью которых является поэтапный расчет сначала электромагнитной ячейки, затем элементарной машины и, наконец, всего генератора, состоящего из нескольких элементарных машин, при численном расчете трехмерного магнитного поля, позволяющие рассчитывать и изготавливать генераторы с повышенной удельной мощностью и пониженной удельной стоимостью.

По данным геометрических размеров электромагнитных ячеек выполнялось численное решение полевой задачи методом конечных элементов с помощью программы GE.2D, разработанной Институтом электродинамики НАН Украины. Это делалось с целью уточнения геометрических размеров, величин магнитной индукции в различных частях электромагнитной ячейки, полученных предварительно с помощью разработанной автором программы на ЭВМ.

Приведены результаты экспериментальных исследований, которые подтверждают эффективность новой конструкции индукторных машин ячеистой структуры и улучшенные рабочие характеристики.

Получил дальнейшее развитие метод комплексного параметрического синтеза применительно к ИГАРК, дающий возможность определения оптимальных значений значащих факторов для получения максимального значения параметра оптимизации - удельной мощности электромагнитного ядра машины, в основу которого последовательно положены синтез в направлении от электромагнитных нагрузок к размерам генератора, полнофакторный численный эксперимент и многошаговая оптимизационная процедура.

Разработан имитационный способ, позволяющий с высокой точностью определять параметры магнитного поля ИГАРК при заторможенном роторе генератора.

Разработаны рекомендации для научно-исследовательских и проектирующих организаций по созданию индукторных машин новой конструкции, направленные на снижение стоимости, потерь и улучшение качества генерируемой энергии.

Результаты экспериментальных исследований на натурных моделях индукторных генераторов аксиально-радиальной конфигурации подтверждают адекватность полученных методов расчета и синтеза.

Ключевые слова: индукторная машина аксиально-радиальной конфигурации, индукторный генератор аксиально-радиальной конфигурации, элементарная электрическая машина, электромагнитная ячейка, удельная мощность электромагнитного ядра.

Annotation

Rjaskov Ju.I. Synthesis inductive machines of the axial radial configuration with high use of active materials. The manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci.. A speciality 05.09.01 - electric machines and apparatus. Donetsk national technical university , Donetsk, 2005 y.

Dissertation is devoted to the decision of a scientific problem of creation of methods of calculation and synthesis inductive machines special to a design with the axial radial distributed magnetic system and the concentrated windings. For such machines traditional methods of calculation inductive machines are not applied.

In a basis of a method of calculation equation is necessary. This settlement equation is received for the first time. It allows to define the geometrical sizes of the machine, to calculate windings. Thus, in calculation such parameters as, electromachine constant and linear loading are not used.

On the basis of the received method of calculation the technique, algorithm and the automated program of calculation on a computer is developed.

The further development a method of parametrical synthesis with reference to inductive generators of the axial radial configuration has received, realized in the program on a computer.

Ranges of definition of significant factors for reception of generators with high use of active materials are recommended. Results of experimental researches on natural models inductive generators of the axial radial configuration confirm adequacy of the received methods of calculation and synthesis.

Key words: inductive machines of the axial radial configuration, inductive generator of the axial radial configuration, elementary electric machine, an electromagnetic cell, specific power of the electromagnetic nucleus.

Размещено на Allbest.ru