автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Автоматизированное проектирование электромеханических преобразователей с возбуждением от редкоземельных постоянных магнитов

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ВОЗБУЖДЕНИЕМ ОТ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ

Специальность 05.09.01 Электромеханика и электрические аппараты

На правах рукописи

Куприянов Андрей Дмитриевич

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2004

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

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Зечихин Б.С.

доктор технических наук, профессор Осин И.Л., кандидат технических наук Савенко В. А.

ОАО «АКБ «Якорь».

Защита диссертации состоится «_»_2004 г. в_часов

на заседании диссертационного совета Д 212.125.07 в Московском авиационном институте (государственном техническом университете) по адресу: 125993, А-80, ГСП-3, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4, главный административный корпус, зал заседаний ученого совета.

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

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доце: Кондратьев А.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Электрические машины с редкоземельными постоянными магнитами (РЗМ) находят широкое применение в авиации, на транспорте, в нефтегазодобывающей промышленности, бытовой и медицинской технике и других отраслях народного хозяйства. Это обусловлено достижениями в области производства высокоэнергетических магнитов, а также развитием силовой электроники и микропроцессорных систем управления. Основными преимуществами машин с РЗМ являются бесконтактность, простота конструкции, надежность, отсутствие потерь на возбуждение и высокие энергетические показатели. Одним из перспективных направлений развития электромеханических преобразователей (ЭМП) с РЗМ является использование их в автономных системах электроснабжения (СЭС) с газотурбинным приводом генераторов.

Разработке теории и методов проектирования ЭМП с РЗМ посвящено большое количество работ в нашей стране и за рубежом, однако многие вопросы требуют дальнейшей проработки. Перспективы совершенствования ЭМП с РЗМ связаны с развитием методов автоматизированного проектирования, на основе сочетания традиционных методик и компьютерных технологий. Традиционные методики расчета впитали в себя огромный опыт разработок и эксплуатации различных типов ЭМП и являются надежной базой автоматизированного проектирования. Применение компьютерных технологий дает возможность практического использования в процессе разработки ЭМП методов оптимизации, математического моделирования, компьютерной графики, хранения и обработки информации.

Оптимизационные расчеты позволяют улучшить массоэнергетические показатели ЭМП, при этом качество принимаемых в процессе оптимизации решений во многом зависит от точности используемых математических моделей. Расчетные модели электрических машин включают электромагнитные, механические и тепловые расчеты. Традиционные инженерные методики расчета базируются на моделях с сосредоточенными параметрами, в основе которых лежит теория электрических, магнитных, тепловых и гидрогазодинамических цепей. Недостатком инженерных методов расчета является их невысокая точность, связанная, прежде всего, с приближенным определением параметров схем замещения. Развиваемый в диссертации метод гармонического анализа (МГА) магнитных полей активных зон, позволяет, на базе полученных аналитических решений уточнить традиционные методики электромагнитного расчета ЭМП с РЗМ и более обоснованно подходить к выбору предпочтительного варианта проекта при проведении оптимизационных расчетов. Для автоматизированного расчета и оптимизации ЭМП с РЗМ требуется разработка специализированного программного обеспечен« я ^¿^дццонлльнля I

БИБЛИОТЕКА |

С.Петербург (9 '

ОЭ }

I м ■ I I I II II—гтт*

С целью снижения материальных затрат на экспериментальные исследования ЭМП, рационально проводить дополнительную проработку вариантов проекта до подготовки чертежно-конструкторской документации и до изготовления натурных образцов и макетов с помощью пакетов конечно-элементного (КЭ) анализа. Для проведения КЭ анализа электрических машин с возбуждением от РЗМ необходима разработка частных методик и рекомендаций по моделированию этого типа ЭМП методом конечных элементов (МКЭ). Применение при разработке специализированного ПО методов автоматического создания геометрических моделей позволяет быстро и наглядно оценить результаты расчетов, кроме того, импорт полученной геометрии в пакет КЭ анализа сокращает время, затрачиваемое на построение КЭ модели.

Таким образом, использование в процессе проектирования ЭМП с РЗМ специализированного ПО, предназначенного для автоматизированного расчета и оптимизации электрических машин, а также автоматизированного конструирования активной зоны по результатам оптимизационных расчетов позволяет повысить качество проекта и сократить время на его разработку, а применение мощных систем КЭ анализа дает возможность снизить затраты на экспериментальную доработку ЭМП.

Цель работы - сократить время на разработку, снизить затраты на экспериментальные исследования и улучшить массоэнергетические показатели ЭМП с РЗМ путем развития методов и средств автоматизированного проектирования на базе сочетания традиционных методов расчета и компьютерных технологий.

Задачи. Достижение поставленной цели предполагает решение ряда задач, среди которых:

- построение математических моделей активных зон ЭМП с РЗМ;

- уточнение традиционных расчетных методик ЭМП на основе моделей с распределенными параметрами;

- постановка и решение задачи оптимизации ЭМП с РЗМ;

- разработка алгоритмов и ПО, предназначенного для автоматизированного расчета и конструирования ЭМП с РЗМ;

- разработка методик исследования ЭМП с РЗМ с помощью современных программных систем КЭ анализа;

- разработка проектов ряда высокоскоростных генераторов с приводом от газовой турбины.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы теории электрических и магнитных цепей, метод эквивалентных тепловых схем, теория прочности, методы математической физики и теории поля, методы оптимального проектирования и математического программирования. Разработка ПО велась с применением методов объектно-ориентированного программирования.

Объекты исследования. Объектами исследования являются ЭМП с возбуждением от РЗМ. Основное внимание в работе уделено электрическим машинам с радиально намагниченными магнитами и индуктором на роторе. Развиваемые в диссертации методы автоматизированного проектирования, а также разработанные методики были использованы при разработке перспективных источников электроэнергии: синхронного генератора мощностью 90 кВ-А для автономной системы и ряда 40-г120 кВ-А стартер-генераторов с приводом от газовой турбины.

Научная новизна.

1. Методом гармонического анализа активных зон получено аналитическое решение задачи расчета магнитного поля в активной зоне с кольцевым РЗМ на основе скалярного потенциала, получено решение задачи расчета магнитного поля в активной зоне с призматическим РЗМ на основе векторного потенциала.

2. Проведен анализ точности аналитических моделей путем сопоставления с результатами численных расчетов МКЭ для магнитных систем (МС) с призматическими, секторными и кольцевым магнитами. Оценена степень влияния каждого из допущений, принимаемых при моделировании магнитного поля активных зон МГА. Показано, что при трансформации расчетной области с учетом коэффициентов км и характерных для классических методик, относительная погрешность расчета МГА не превышает 7 %.

3. Разработана методика уточненного электромагнитного расчета синхронных генераторов (СГ) с радиально намагниченными РЗМ на роторе, основанная на сочетании классической теории расчета электрических машин с постоянными магнитами (ПМ) и теории поля.

4. Построена расчетная модель СГ с РЗМ, основой которой является уточненный электромагнитный расчет, тепловой и прочностной расчеты определяют функциональные ограничения.

5. Решепа задача оптимизации СГ на базе уточненной математической модели ЭМП по критерию минимума массы активных материалов и восьми варьируемым параметрам.

Практическая значимость.

1. Разработано специализированное ПО, предназначенное для автоматизированного расчета, оптимизации и построения геометрической модели активной зоны СГ с возбуждением от РЗМ.

2. Разработаны методики расчета и исследования активных зон ЭМП с РЗМ с помощью пакета КЭ анализа MSC.MARC.

3. Разработаны проекты ряда генераторов с приводом от газовой турбины для перспективных СЭС постоянного повышенного напряжения. На основе проведенных расчетов сформулированы рекомендации по значениям электромагнитных нагрузок якоря при охлаждении продувом или самовентиляцией.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в пяти печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа включает в себя введение, четыре главы, заключение и список литературы. Общий объем работы составляет 140 страниц, в том числе 12 таблиц, 53 рисунка и 109 наименований списка литературы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены цель и задачи исследований, приведена краткая аннотация диссертации по разделам.

В первой главе рассмотрены основные характеристики, свойства, а также преимущества и недостатки РЗМ на основе данных, предоставляемых отечественными и зарубежными производителями. Приведены конструктивные схемы роторов с радиально намагниченными магнитами. Проведен анализ математических моделей, используемых для расчета магнитных полей электрических машин.

Для расчета магнитных полей в инженерной практике широкое распространение получили модели магнитных систем с сосредоточенными параметрами, основанные на построении схемы замещения магнитной цепи и диаграммы состояния магнита. При этом пространство активной зоны приводится к дискретной схеме, включающей конечное число магнитных проводимостей, а постоянный магнит представляется активным элементом магнитной цепи. При определении МДС магнита вводятся понятия фиктивной МДС и фиктивной коэрцитивной силы: FCф = Н^. У РЗМ кривая

размагничивания практически совпадает с линией возврата и Для

построения диаграммы состояния магнита и определения параметров схемы замещения используется метод вероятных путей потока (основан на интуитивном построении картины поля) не имеющий теоретического обоснования и критериев для оценки точности. Достоинствами моделей с сосредоточенными параметрами являются простота, наглядность и компактность, а основным недостатком - невысокая точность, связанная с приближенным определением параметров.

Более точные модели с распределенными параметрами, представляют собой дифференциальные уравнения в частных производных относительно скалярного или векторного потенциала, для решения которых используются аналитические (конформного преобразования, зеркальных изображений, Фурье, гармонического анализа активных зон) или численные (интегральных уравнений, конечных разностей, конечных элементов) методы. Применение численных методов для расчета магнитных полей требует значительных затрат времени на построение моделей и счет. В связи с этим на этапах эскизного проектирования целесообразно использовать аналитические методы. Эффективным аналитическим методом является метод

гармонического анализа активных зон, основанный на методе Фурье, распространенном на области сложной конфигурации. Область сложной конфигурации представляется совокупностью частичных областей с границами параллельными координатным осям. Решение в частичных областях находится методом Фурье.

При анализе активных зон МГА принимаются следующие допущения:

1 - активная зона не насыщена;

2 - зубцовая зона статора заменена гладкой;

3 - магниты однородны, изотропны, равномерно намагничены, ^ =

В ряде известных работ рассмотрены решения задач расчета магнитного поля для МС с призматическими и секторными магнитами на основе скалярного потенциала, в которых модель магнита представлена полосками магнитных зарядов (рисунок 1, а). В диссертационной работе получено аналитическое решение задачи для МС с призматическим магнитом на основе векторного потенциала, в которой модель магнита представлена полосками токов намагниченности (рисунок 1, б). Токовая модель магнита предпочтительней, так как в формулировке задачи Неймана не требуется задавать значения потенциала на границах областей. Выражения для нормальной составляющей индукции на поверхности расточки якоря зарядной и токовой моделей полностью совпадают.

а)

п N в 8 У Им

/

5 1/ Ьм ¿м Т

X

-1 г ! * 5 § Ьм

б т Ьм | (1м 1

Т " 1 т

а - зарядная модель; б - токовая модель.

Рисунок 1 - Зарядная и токовая модели МС с призматическими РЗМ.

Особое внимание в работе уделено расчету МС с кольцевым магнитом, обладающих рядом преимуществ: синусоидальное поле в зазоре, пренебрежимо малое рассеяние, высокая технологичность сборки роторов.

Для высокоскоростных ЭМП представляют интерес двухполюсные магнитные системы, позволяющие снизить частоту перемагничивания, и, следовательно, потери в стали. Ранее МС с кольцевым магнитом не были исследованы МГА. При расчете традиционными методами кольцевой магнит обычно заменялся призматическим, с высотой, равной разности внешнего и внутреннего радиусов, и коэффициентом полюсного перекрытия, выбираемого расчетчиком из геометрических соображений.

В работе получены аналитические решения для МС с магнитным валом, с немагнитным валом, с магнитным валом и технологическим зазором между магнитом и магнитопроводом.

Аналитические выражения для расчета распределения нормальной составляющей индукции на поверхности расточки якоря в МС с призматическими, секторными и кольцевым РЗМ приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Тип магнитной системы Выражение, для определения индукции в воздушном зазоре

<Ф> МС с призматич. магнитами — 4-В (к л ¿Л . (к-х \ В. = > -т-—7-i-¿-7--COS---- -sin--д: Ь г> Ь >

ч\г~гу \1/ МС с секторными магнитами *-U.J.. Г] \Г1 J Г1 ) где r = n (l-o)/2-p

МС с кольцевым магнитом магнитный вал немагнитный вал Е- fer-Л-^Г-Л sinii.p.©); t-U,5_ \ri Г} ) гдеЛ=~ fj(0)-sin(к-р-е\1в; •/(#) = —sin(p-б1) при * 0 Л» осевой, J(0)=— - при радиальной намагниченности РЗМ

В выражениях таблицы 1 для МС с секторными и кольцевым магнитами: Г/ - внутренний радиус ПМ, г>- наружный радиус ПМ, гз -радиус расточки якоря.

Полученные выражения позволяют определить систему коэффициентов, необходимых для расчета ЭМП с радиально намагниченными РЗМ на роторе, и подходить к проектированию этих электрических машин на единой методологической основе.

Вторая глава посвящена расчету и анализу магнитных полей активных зон с РЗМ методом конечных элементов. В этом разделе изложены основы МКЭ, показано, что расчет поля МС этим методом сводится к решению системы нелинейных алгебраических уравнений высокого порядка. Рассмотрены наиболее эффективные методы решения таких систем. Приведена методика расчета МС с РЗМ в системе MSC.MARC, включающая этапы построения КЭ модели, расчет и анализ результатов.

Известно, что при расчете МС МКЭ не используются допущения, принимаемые при исследованиях аналитическими методами, а точность расчета во многом определяется плотностью и качеством КЭ сетки. В связи с этим полученные МКЭ решения можно считать «точными». Такое предположение позволяет сопоставить результаты расчетов по формулам, полученным аналитически и приведенным в таблице 1, с результатами расчетов МКЭ и оценить погрешность аналитических решений. Для анализа адекватности аналитических выражений были построены КЭ модели ЭМП с призматическими, секторными и кольцевым РЗМ.

Объектом исследования при анализе погрешности расчета МС с призматическими магнитами является генератор ГТ - 90, разрабатываемый в настоящее время в ОАО «АКБ «Якорь». Для возбуждения генератора используются ПМ на основе Nd-Fe-B (Д. = 1 Тл, Не = 700 кА/м). При анализе МС с секторными и кольцевым магнитами объектами исследования являются высокоскоростной синхронный генератор, мощностью 60 кВ-А,, и двигатель, мощностью 150 Вт соответственно. Для возбуждения генератора используются магниты марки КС-37 (Вг = 0.77 Тл, Не = 540 кА / м), для возбуждения двигателя - магнитопласты на основе интерметаллида Sm и Со (Вг = 0.65 Тл, Не = 410 кА / м).

Для оценки точности МГА использовано значение удельного потока в рабочем зазоре (на единицу длины активной зоны), определяемого путем численного интегрирования кривой индукции на поверхности расточки якоря.

В качестве примера, на рисунке 2 приведены КЭ модель МС с призматическими магнитами и распределение нормальной составляющей индукции на поверхности расточки якоря полученное МКЭ и МГА.

-о 1

Рисунок 2 - КЭ модель и результаты расчета МС с призматическими РЗМ.

Значения удельных потоков в зазоре исследуемых магнитных систем полученные МГА и МКЭ, а также значения относительных погрешностей расчета МГА сведены в таблицу 2.

Таблица 2

Тип магнитной системы Удельный поток в зазоре, Вб/м Относительная погрешность, %

МГА МКЭ

МС с призмат. магнитами 0.0312 0.0301 3.7

МС с секторн. магнитами 0.0241 0.0218 10.6

МС с кольцевым магнитом 0.0237 0.0201 18

Как видно из таблицы 2, относительная погрешность расчета магнитного поля МГА исследуемых МС находится в диапазоне от 3 до 18 %, в связи с чем, представляет интерес оценка степени влияния на погрешность каждого из принятых при аналитическом решении допущений. С этой целью был проведен ряд численных экспериментов.

Для оценки влияния допущения 1 (о бесконечной магнитной проницаемости магнитомягких участков магнитопровода), сопоставлены результаты расчетов КЭ моделей с экспериментальными В-Н характеристиками сталей, и КЭ моделей с «бесконечной», равной 1'109-Цо» магнитной проницаемостью стали.

Чтобы оценить влияние на погрешность расчета допущения 2 (о замене зубчатой поверхности якоря гладкой), необходимо исключить допущение 1 и допущение 3 (о равенстве магнитной проницаемости РЗМ магнитной проницаемости вакуума), и произвести расчет магнитного поля в зазоре при идеализированной и реальной В-Н характеристиках магнита. Влияние насыщения магнитопровода на характер распределения поля было

исключено путем использования материала с «бесконечной» магнитной проницаемостью. Третье допущение не будет оказывать влияния на погрешность, если сравнивать между собой только результаты КЭ анализа.

Для оценки влияния допущения 3 достаточно сопоставить результаты расчетов магнитного поля активных зон МКЭ при принятых допущениях 1, 2 с результатами расчетов МГА.

Значения относительных погрешностей, определяемых принятыми при аналитическом решении задач теории поля допущениями, для исследуемых МС сведены в таблицу 3.

Таблица 3

Тип магнитной системы. Относительная погрешность, %

Допущение 1 Допущение 2 Допущение 3 I

МС с призмах, магнитами 1.184 1.193 1.261 3.638

МС с секторн. магнитами 2.16 3.984 4.307 10.451

МС с кольцевым магнитом 7.46 4.944 4.778 17.182

Значения суммарной погрешности таблиц 2 и 3 достаточно близки, что позволяет признать достоверными результаты проведенного исследования.

Точность расчета МГА зависит от степени насыщения магнитной системы, В-Н характеристики магнита и положения рабочей точки, а также конфигурации зубцовой зоны и величины немагнитного зазора.

Исключить влияние на погрешность допущений 1 и 3 можно, используя понятие приведенного воздушного зазора, характерного для теории цепей и определяемого по формуле:

где коэф. воздушного зазора, км - коэф. насыщения магнитной цепи.

При расчете поля МС с кольцевым магнитом и использованием приведенного зазора погрешность составила 6%, т.е. была снижена более чем в три раза по отношению к исходному варианту.

Таким образом, проведенные исследования показали, что полученные в первой главе диссертации аналитические модели МС с радиально намагниченными РЗМ позволяют с удовлетворительной погрешностью (3-7%) производить расчеты магнитных полей активных зон. Объявленная точность достижима, в случае если используются постоянные магниты с магнитной проницаемостью не более что соответствует

существующим маркам РЗМ.

Конечноэлементный анализ дает исчерпывающую картину распределения поля в активной зоне и позволяет определять ЭДС и

индуктивные параметры ЭМП. В данной главе на примере расчета генератора ГТ-90 приведены методики расчета ЭДС и индуктивных параметров в зависимости от тока нагрузки с учетом нелинейности МС. Показано, что на основе решения полевых задач можно достоверно определить параметры ЭМП нетрадиционных конструкций, что дает возможность использования при проектировании электрических машин априорных знаний, полученных по результатам расчетов МКЭ.

Третья глава посвящена разработке специализированного программного обеспечения (СПО), предназначенного для автоматизированного расчета СГ с возбуждением от высокоэнергетических магнитов. Обоснована необходимость автоматизации начальных этапов проектирования СГ с РЗМ, во многом определяющих качество будущих проектных решений. Сформулированы основные задачи, возникающие при разработке специализированного ПО и включающие: построение расчетной модели СГ; постановку и решение задачи оптимизации; определение и реализацию наиболее рационального способа автоматизации конструирования активной зоны; разработку структуры программы и реализацию полученных методик и алгоритмов на одном из языков программирования; апробацию расчетной методики и ПО посредством сопоставления результатов расчета и экспериментальных данных, полученных для уже имеющихся машин исследуемого типа.

Расчетная модель СГ включает электромагнитный, тепловой и прочностной расчеты, при этом электромагнитный расчет является основным, а тепловой и прочностной определяют функциональные ограничения.

Предлагаемая методика электромагнитного расчета, как и классические методики, базируется на теории цепей - построении векторной диаграммы и диаграммы состояния магнитов, для определения параметров которых рассчитывается система коэффициентов, связывающих сосредоточенные параметры магнитных цепей и индуктивные параметры электрических цепей с магнитными полями. В систему расчетных коэффициентов входят: коэффициент зазора , расчетный коэффициент полюсного перекрытия , коэффициенты формы кривой поля возбуждения , коэффициенты

формы поля продольной и поперечной реакции якоря а также

коэффициент межполюсного рассеяния магнитного потока . В отличие от традиционных методик, в которых определение проводимостей производится методом вероятных путей потока, а коэффициентов - по графикам, таблицам и эмпирическим формулам, полученным в результате обобщения экспериментальных данных, в предлагаемой методике система расчетных коэффициентов определяется на основе аналитических решений полевых задач для исследуемых типов МС. Это позволяет уточнить методику

электромагнитного расчета и избавиться от ряда эмпирических формул и таблиц.

Методика теплового расчета построена на базе метода эквивалентных тепловых схем. Тепловой расчет сводится к построению тепловой схемы замещения, отысканию параметров этой схемы и решению системы алгебраических уравнений. Эквивалентная тепловая схема замещения статора СГ приведена на рисунке 3 ,а. На рисунке 3 ,б показано положение узловых точек этой схемы.

Сопротивления теплоотдачи схемы замещения определяются на основе теории подобия с помощью критериев Прандтля, Рейнольдса, Нуссельта и Грасгофа. Для схемы, представленной на рисунке 3, на основе тепловых аналогов 1-го и 2-го законов Кирхгофа была составлена система из 19 линейных алгебраических уравнений, для решения которой при программной реализации методики использован метод Гаусса.

а) 6)

Рисунок 3 - Тепловая схема замещения статора СГ.

Особенностью теплового расчета роторов ЭМП с РЗМ является отсутствие потерь на возбуждение. Для систем охлаждения самовентиляцией или продувом тепловое состояние ротора, оказывающее значительное влияние на В-Н характеристику магнитов, определяется с учетом потерь на трение бочки ротора о воздух, поверхностных потерь, излучением тепла с поверхности статора и подогревом воздуха в зазоре.

При расчете параметров постоянных магнитов от температуры расчетная температура магнитов принимается равной: , где

- температура ротора, - температура хладагента на входе, - подогрев воздуха в воздушном зазоре. При этом, максимальная температура магнитов не должна превышать предельно допустимой для данного

материала.

Важность прочностного расчета ЭМП с РЗМ обусловлена необходимостью обеспечения надежного крепления магнитов на роторе. В диссертации разработан алгоритм прочностного расчета ротора с немагнитной обоймой и ротора с бандажом из высокопрочных композиционных материалов. Критерием прочности бандажа является

эквивалентное напряжение на его внутренней поверхности с учетом принятого коэффициента запаса: (Т^^к-с,,,. Эквивалентное напряжение определяется при разгонной частоте вращения ротора.

Разработанная расчетная модель, включающая уточненный электромагнитный, а также тепловой и прочностной расчеты, использована при оптимизации СГ.

Постановка задачи оптимизации ЭМП включает формирование целевой функции и определение функциональных и технологических ограничений. Решение задачи оптимизации заключается в выборе метода и реализации оптимизационного алгоритма с учетом специфики исследуемого объекта.

Одним из важнейших требований, предъявляемых к авиационным системам, является минимизация их массогабаритных показателей. В связи с этим в качестве критерия оптимальности принят минимум массы активных материалов. Для удовлетворения требованиям надежности и качества ЭМП в алгоритм поверочного расчета было введено 25 ограничений, в том числе по прочности, нагреву, КПД, коэффициенту магнитной цепи, наружному диаметру якоря.

В качестве варьируемых параметров приняты:

- активная длина машины - /;

- ширина постоянного магнита - Ь„',

- высота постоянного магнита - hM

- высота ярма индуктора -h„i\

- выс ота ярма якоря - hn2\

- ширина зубца статора - Ъ£

- диаметр обмоточного провода - dM, либо число параллельных проводников—а;

- толщину немагнитной обоймы - Sog или бандажа из композиционных материалов -

Таким образом, функция цели имеет вид:

F(X)=М(/ЛЛЛ.Л2А.Д. s,)

Задача оптимизации состоит в поиске значений варьируемых параметров, для которых F(X) минимальна и, кроме того, удовлетворяются принятые ограничения. Так как целевая функция и функции-ограничения являются нелинейными функциями управляемых параметров, часть из которых непрерывна, а часть дискретна, то нахождение минимума этой функции представляет собой задачу нелинейного, частично дискретного программирования. Для решения этой задачи использован модифицированный метод Хука-Дживса.

Рассмотрены возможные способы реализации построения геометрической модели активной зоны, полученной по результатам оптимизационных расчетов, с помощью средств машинной графики в

автоматическом режиме. Наиболее простым методом программированного составления чертежей является формирование пакетного файла в ASCII-формате с перечнем команд и опций AutoCAD, который последовательно выполняется при загрузке или при вызове команды SCRIPT (ПАКЕТ). Такой файл можно сгенерировать вне системы AutoCAD, например, с помощью программы, написанной на любом языке программирования.

Автоматическое конструирование активной зоны дает возможность проектировщику быстро и наглядно оценить результаты расчета. Помимо этого полученная геометрическая модель может быть импортирована в системы КЭ анализа для проведения более глубоких исследований, а также использоваться для дальнейшей разработки конструкции преобразователя. Пример построения активной зоны с помощью пакетного файла, а также преобразование геометрической модели, полученной в результате автоматизированного конструирования активной зоны СГ, в КЭ модель представлены на рисунке 4.

Рисунок 4 - Преобразование геометрической модели СГ в КЭ модель.

На базе рассмотренных моделей, методик и алгоритмов разработана программа ARSG. С целью повышения удобства отладки и модернизации,

программа ARSG имеет модульную структуру, т.е. содержит ряд самостоятельных модулей, каждый из которых предназначен для решения определенных задач. Такая структура программы позволяет быстро вносить изменения в алгоритмы и методики расчета. Помимо этого ряд модулей может быть использован без изменений при создании аналогичных программ, предназначенных для автоматизированного расчета электрических машин других типов.

Для апробации расчетной модели СГ с помощью программы ARSG был проведен поверочный расчет генератора АГ-0.25ДЗ, разработанного в ОАО «АКБ «Якорь».

Номинальные данные генератора АГ-0.25ДЗ: мощность -125 В-А; напряжение фазы - 11.4 В; частота вращения ротора - 5600 об/мин; частота переменного напряжения - 560 Гц; число фаз - 6;

коэффициент мощности - 0.9.

По результатам экспериментальных исследований, проведенных в ОАО «АКБ «Якорь», ЭДС холостого хода составляет Е = 13.2 В, относительное падение напряжения при номинальной нагрузке составляет 0.88 %. При расчете с помощью программы было получено значение ЭДС холостого хода Е = 13 В, относительное падение напряжения при номинальной нагрузке составляет 0.88 %.

Проведенные исследования и разработки, а также поверочный электромагнитный расчет генератора АГ-0.25ДЗ показали, что предлагаемая методика расчета позволяет получать достоверные результаты и, следовательно, может быть рекомендована для оптимизационных расчетов при проектировании высокоиспользованных электрических машин.

В четвертой главе разработанные модели, методики и программное обеспечение использованы при проектировании ряда перспективных высокоскоростных генераторов с приводом от газовой турбины. Создание рядов высокоскоростных генераторов с газотурбинным приводом обусловлено перспективностью их использования в авиационных СЭС постоянного повышенного напряжения, автомобилях с электротрансмиссией, миниэлектростанциях.

Для определения рациональных параметров проекта ряда генераторов проведен предварительный анализ предельных электромагнитных мощностей и удельных масс в зависимости от частоты вращения. На рисунке 5 представлены зависимости предельной мощности СГ от частоты вращения при

Улии = 200 м/с для магнитных индукций в зазоре Вг = 0.4 Тл и В, = 0.5 Тл.

Рисунок 5 - Зависимости предельных электромагнитных мощностей СГ от частоты вращения для X— 1.5,2,2.5,3.

Приведенные на рисунке 5 графики позволяют определить предельную мощность высокоскоростных генераторов с РЗМ ограниченную условиями прочности (предельной окружной скоростью) и допустимыми электромагнитными нагрузками, которые определяются системой охлаждения и условием оптимального использования энергии магнитов.

На рисунке 6 представлены зависимости удельной массы активных материалов для высокоскоростных генераторов мощностью 40, 60 и 90 кВ-А от частоты вращения ротора при неизменных электромагнитных и тепловых нагрузках.

20000 40000 < 60000 ■ 80000 100000 120000

Рисунок 6 - Зависимость удельной массы СГ от частоты вращения ротора для мощностей Р = 40, 60,90 кВ-А.

Из рисунка 6 видно, что наиболее рациональные с точки зрения уменьшения удельной массы частоты вращения находятся в диапазоне от 30 до 100 тыс. об/мин. Рекомендуемые значения номинальных мощностей генераторов для частот вращения 40, 60, 90 тыс. об/мин представлены в таблице 4.

Таблица 4.

Частота вращения, об/мин. 40 000 60 000 90 000

Мощность, кВА. 40 40 40

60 60 60

90 90 -

120 - -

Выбрана наиболее рациональная конструктивная схема ротора и статора высокоскоростных генераторов. Проанализирована степень использования РЗМ в зависимости от его высоты и коэффициента полюсного перекрытия.

Проведен расчет ряда генераторов с приводом от газовой турбины, предназначенных для использования в авиационных СЭС ППН. Основные характеристики генераторов ряда приведены в таблице 5.

Номинальные данные: напряжение фазы 1/ф = 120 В, число фаз да - 3, частота вращения ротора n = 40 000 об/мин, частота тока f = 1333 Гц, коэффициент мощности cos ф= 0.95. Система охлаждения - продув.

Таблица 5.

Параметр Величина

Номинальная мощность Р„, кВ-А 40 60 90 120

Длина пакета якоря, мм 135 134 135 142.5

Наружный диаметр, мм 117,4 133 147.2 171.2

Диаметр расточки, мм 90 90 90 95

Толщина бандажа, мм 1.5 2.1 3.15 3.3

ЭДС холостого хода, В 154 161.39 171.6 198.83

Ток короткого замыкания, А 411 435 601 600

КПД,% 92.5 93 94 93.6

Масса постоянных магнитов, кг 0.454 0.64 1.11 1.46

Масса активный материалов, кг 5.86 9.08 11.71 17.79

Для генератора мощностью 60 кВ-А проведена серия поверочных расчетов МКЭ.

Значения основной гармоники ЭДС, определенные:

-на основе известного распределения индукции

Е = 4-к„-к<,.п„-/-1р-Фг =153.9 В;

-по максимальному потокосцеплению фазы ОЯ £ = ^-^=—^- = 152 5 В;

-по мгновенным значениям потокосцеплений при различных положениях ротора Е = 149.5 В;

отличаются друг от друга не более чем на 3%. Значение ЭДС, полученное с помощью уточненной методики электромагнитного расчета завышено по сравнению со значениями ЭДС, рассчитанными на основе расчета поля МКЭ, на 5-8 %.

Индуктивные сопротивления, полученные в результате расчета программой АКЗв, составили:

Ха = 0.371 Ом; Х9 = 0.371 Ом.

Индуктивные сопротивления, определенные по результатам КЭ анализа: Ха = 0.374 Ом; Хч = 0.366 Ом.

Проведенные расчеты показали, что определение индуктивных сопротивлений по традиционным формулам, уточненным посредством введения расчетных коэффициентов к^, к<щ, определенных на основе решения полевой задачи, позволяет с высокой точностью определять индуктивные параметры.

Прочностной расчет бандажа из титанового сплава марки ВТ-3 на разгонной частоте вращения показал, что максимальные эквивалентные напряжения в бандаже не превышают предела текучести материала, но при этом в секторном магните возникают значительные изгибные напряжения, которые приведут к его разрушению. В связи с этим целесообразно для крепления магнитов использовать материалы с большим, чем у титана модулем упругости, и при этом не уступающие ему по прочности. Современные композиционные материалы, такие как углепластики, органопластики, отвечают этим требованиям, т.к. имеют модуль Юнга 100-Н65 ГПа, плотность менее 1500 кг/м3, предел прочности 2.3-^3.6 ГПа и способны работать при температурах до 200 °С. Во избежание разрушения магнита необходимо дробить его по ширине на 2 - 4 части.

Таким образом, проведение дополнительных поверочных расчетов на основе МКЭ позволяет получить исчерпывающую информацию о состоянии магнитной системы и конструкции ЭМП до создания экспериментальных образцов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Методом гармонического анализа активных зон получены аналитические решение задач расчета магнитного поля МС с кольцевым постоянным магнитом с магнитным и немагнитным валом на основе скатярного потенциала, получено решение задачи расчета магнитного поля МС с призматическим постоянным магнитом на основе векторного потенциала. Аналитические решения для МС с призматическими, секторными и кольцевыми РЗМ позволяют подходить к проектированию и расчету ЭМП с радиальио намагниченными магнитами и индуктором на роторе на единой методологической основе.

2. Разработана методика решения задач магнитостатики в MSC.MARC. Проведено сопоставление результатов расчета магнитных систем с призматическими, секторными и кольцевым РЗМ МГА и более точным МКЭ. Исследование точности аналитических решений показало, что погрешность расчета МГА находится в допустимых пределах. Разработаны методики определения ЭДС и индуктивных параметров электрических машин на основе решения задач магнитостатики МКЭ. Показано, что КЭ анализ позволяет расширять и накапливать области знаний по проектированию электрических машин и магнитных систем новых типов, в которых процессы преобразования энергии еще недостаточно изучены.

3. Уточнена методика электромагнитного расчета СГ с возбуждением от радиально намагниченных РЗМ на базе полученных аналитических решений. Построена расчетная модель СГ с РЗМ, основой которой является уточненный электромагнитный расчет, тепловой и прочностной расчеты определяют функциональные ограничения. Полученная расчетная модель сочетает в себе такие достоинства классических расчетных методик как простота и компактность и, при этом, имеет более высокую точность.

4. Решена задача оптимизации СГ по критерию минимума массы активных материалов и ограничениям по прочности, нагреву, КПД. Оптимизация производится по восьми варьируемым параметрам.

5. Разработано специализированное ПО, предназначенное для автоматизированного расчета, оптимизации и построения геометрической модели активной зоны СГ с возбуждением от РЗМ.

6. Разработаны проекты ряда генераторов с приводом от газовой турбины на уровни мощностей 40, 60, 90, 120 кВ-А и частоту вращения 40 тыс. об/мин. На основе проведенных расчетов сформулированы рекомендации по значениям электромагнитных нагрузок якоря при охлаждении продувом или самовентиляцией. Проведены поверочные расчеты генератора мощностью 60 кВ-А МКЭ. Определены уточненные значения ЭДС и индуктивных сопротивлений по результатам КЭ анализа. Показано, что полученные с помощью МКЭ и уточненной классической методики расчета результаты отличаются на 5-8%. Таким образом, для высокоиспользованных электрических машин рационально проводить поверочные расчеты на основе МКЭ, что позволит снизить затраты на экспериментальную доводку проекта.

7. Прочностной расчет бандажа из титанового сплава ВТ-3 МКЭ показал, что максимальные эквивалентные напряжения в бандаже не превышают предела текучести титана при разгонной частоте вращения, но при этом возникают значительные изгибные напряжения в секторном магните, которые могут привести к его разрушению. Для крепления ПМ на роторе целесообразно использовать бандаж из высокопрочных композиционных материалов. Во избежание разрушения магнита необходимо дробить его по ширине на 2-4 части.

Основные результаты изложены в следующих публикациях:

1. Куприянов А.Д., Вишнев Ю.Ю., Петрейчук А.В., Зечихин Б.С. Автоматизированное проектирование автономных электромеханических преобразователей. Тезисы докладов ежегодной Московской студенческой научно-технической конференции «Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве». - М.: Изд-во МЭИ, 1997.

2. Куприянов А.Д., Зечихин Б.С. Исследование магнитного поля активной зоны синхронных двигателей с редкоземельными постоянными магнитами. Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве. Ежегодная научно-техническая конференция студентов и аспирантов вузов России. Тезисы докладов. В 2-х томах. Том 2. - М: Изд-во МЭИ,

1998.

3. Зечихин Б.С, Журин А.А., Куприянов А.Д. Информационные технологии исследования и расчета магнитных систем электромеханических преобразователей. Электротехнические комплексы автономных объектов. Наука, производство, образование // Тезисы докладов научно-технической конференции. - М.: Изд-во МЭИ,

1999.

4. Зечихин Б.С, Куприянов А.Д., Сыроежкин Е.В. Автоматизированное проектирование бесконтактных синхронных машин. // Электричество

2002, № 5.

5. Зечихин Б.С, Куприянов А.Д. Автоматизированное проектирование магнитоэлектрических генераторов с приводом от газовой турбины.

Перспективы развития электроэнергетических комплексов летательных аппаратов. Научно-методические материалы под редакцией СП. Халютина. - М: Изд-во ВВИА им. Н.Е.Жуковского.

2003.

Отпечатано в 0 0 0 «Компания Спутник+» ПД № 1-00007 от 23.06.2000 г. Подписано в печать 05.03.2004 Тираж 100 экз. Усл. печ. л. 1,31

Печать авторефератов730-47-74, 778-45-60 (сотовый)

Р-7184

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МОДЕЛИРОВАНИЕ МАГНИТНЫХ СИСТЕМ С РЗМ

МЕТОДОМ ГАРМОНИЧЕСКОГО АНАЛИЗА АКТИВНЫХ ЗОН

1.1. Анализ характеристик РЗМ

1.2. Конструктивные схемы роторов ЭМП с РЗМ

1.3. Математические модели магнитных систем

1.3.1. Модели с сосредоточенными параметрами

1.3.2. Модели с распределенными параметрами

1.4. Расчет магнитных полей методом гармонического анализа активных зон

1.4.1. Расчет магнитных систем с призматическими РЗМ

1.4.2. Расчет магнитных систем с секторными РЗМ

1.4.3. Расчет магнитных систем с кольцевым РЗМ

Выводы

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ МАГНИТНЫХ СИСТЕМ

МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

2.1. Применение метода конечных элементов для расчета магнитных полей

2.2. Построение моделей магнитных систем в MSC.MARC

2.3. Анализ погрешности аналитических решений

2.4. Расчет параметров ЭМП на основе метода конечных элементов

Выводы

ГЛАВА 3. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С ВОЗБУЖДЕНИЕМ ОТ РЗМ

3.1. Расчетная модель СГ

3.1.1. Особенности электромагнитного расчета

3.1.2. Особенности теплового расчета

3.1.3. Особенности прочностного расчета

3.1.4. Алгоритм автоматизированного расчета СГ

3.2. Оптимизация СГ с РЗМ

3.3. Автоматизированное конструирование

3.4. Разработка программного обеспечения

3.5. Апробация расчетной методики

Выводы

ГЛАВА 4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ

ГЕНЕРАТОРОВ С ПРИВОДОМ ОТ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

4.1. Автономные системы генерирования с приводом от газовой турбины

4.2. Предельные уровни мощностей высокоскоростных генераторов

4.3. Выбор рациональной конструктивной схемы

4.3.1. Выбор конструктивного исполнения ротора

4.3.2. Выбор конструктивного исполнения статора

4.4. Расчет ряда высокоскоростных синхронных генераторов

4.5. Анализ показателей ряда

4.5.1. Геометрические характеристики активных зон

4.5.2. Электромагнитные нагрузки и масса активных материалов

4.5.3. ЭДС, индуктивные параметры и внешние характеристики

4.6. Поверочные расчеты МКЭ

4.6.1. Определение ЭДС и индуктивных параметров

4.6.2. Прочностной расчет бандажа

Выводы

Актуальность работы. Электрические машины с редкоземельными постоянными магнитами (РЗМ) находят широкое применение в бытовой и медицинской технике, в авиации, на транспорте, в нефтс-газодобывающей промышленности и других отраслях народного хозяйства. Это обусловлено достижениями в области производства высокоэнергетических магнитов, а также развитием силовой электроники и микропроцессорных систем управления [7, 14, 22]. Основными преимуществами машин с РЗМ являются бесконтактность, простота конструкции, надежность, отсутствие потерь на возбуждение, высокие энергетические показатели. Одним из перспективных направлений развития электромеханических преобразователей (ЭМП) с РЗМ является использование их в автономных системах электроснабжения (СЭС) с газотурбинным приводом генераторов.

Разработке теории и методов проектирования ЭМП с РЗМ посвящено большое количество работ [9, 14, 22, 72, 79, 80, 89, 91, 92] и др., однако многие вопросы требуют дальнейшей проработки. Перспективы совершенствования ЭМП с РЗМ связаны с развитием методов автоматизированного проектирования на основе сочетания традиционных методик и компьютерных технологий. Традиционные методики расчета впитали в себя огромный опыт разработок и эксплуатации различных типов ЭМП и являются надежной базой автоматизированного проектирования. Применение компьютерных технологий дает возможность практического использования в процессе разработки ЭМП методов оптимизации, математического моделирования, компьютерной графики, хранения и обработки информации.

Оптимизационные расчеты позволяют улучшить массоэпсргетическис показатели ЭМП, при этом качество принимаемых в процессе оптимизации решений во многом зависит от точности используемых математических моделей. Расчетные модели электрических машин включают электромагнитные, механические и тепловые расчеты. Традиционные инженерные методики расчета базируются на моделях с сосредоточенными параметрами, в основе которых лежит теория электрических, магнитных, тепловых и гидрогазодинамических цепей. Недостатком инженерных методов расчета является их невысокая точность, связанная, прежде всего, с приближенным определением параметров схем замещения. Развиваемый в диссертации метод гармонического анализа (МГА) магнитных полей активных зон, позволяет, на базе полученных аналитических решений уточнить традиционные методики электромагнитного расчета ЭМП с РЗМ и более обоснованно подходить к выбору предпочтительного варианта проекта при проведении оптимизационных расчетов. Для автоматизированного расчета и оптимизации ЭМП с РЗМ требуется разработка специализированного программного обеспечения (ПО).

С целью снижения материальных затрат на экспериментальные исследования ЭМП, рационально проводить дополнительную проработку вариантов проекта до подготовки чертежно-конструкторской документации и до изготовления натурных образцов и макетов с помощью пакетов конечно-элементного (КЭ) анализа. Для проведения КЭ анализа электрических машин с возбуждением от РЗМ необходима разработка частных методик и рекомендаций по моделированию этого типа ЭМП методом конечных элементов (МКЭ). Применение при разработке специализированного ПО методов автоматического создания геометрических моделей позволяет быстро и наглядно оценить результаты расчетов, кроме того, импорт полученной геометрии в пакет КЭ анализа сокращает время, затрачиваемое на построение КЭ модели.

Таким образом, использование в процессе проектирования ЭМП с РЗМ специализированного ПО, предназначенного для автоматизированного расчета и оптимизации электрических машин, а также автоматизированного конструирования активной зоны по результатам оптимизационных расчетов позволяет повысить качество проекта и сократить время на его разработку, а применение мощных систем КЭ анализа дает возможность снизить затраты на экспериментальную доработку ЭМП.

Цель работы - сократить время на разработку, снизить затраты па экспериментальные исследования, улучшить массоэнергетические показатели ЭМП с РЗМ путем развития методов и средств автоматизированного проектирования на базе сочетания традиционных методов расчета и компьютерных технологий.

Задачи. Достижение поставленной цели предполагает решение ряда задач, среди которых:

- построение математических моделей активных зон ЭМП с РЗМ;

- уточнение традиционных расчетных методик ЭМП на основе моделей с распределенными параметрами;

- постановка и решение задачи оптимизации параметров ЭМП с РЗМ;

- разработка алгоритмов и ПО, предназначенного для автоматизированного расчета и конструирования ЭМП с РЗМ;

- разработка методик исследования ЭМП с РЗМ с помощью современных программных систем КЭ анализа;

- разработка проектов ряда высокоскоростных генераторов с приводом от газовой турбины.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы методы теории электрических и магнитных цепей, метод эквивалентных тепловых схем, теория прочности, методы математической физики и теории поля, методы * оптимального проектирования и математического программирования, а также численные методы анализа ЭМП. Разработка программного обеспечения велась с применением методов объектно-ориентированного программирования.

Объекты исследования. Объектами исследования являются ЭМП с возбуждением от РЗМ. Основное внимание в работе уделено электрическим машинам с радиально намагниченными магнитами и индуктором на роторе. Развиваемые в диссертации методы автоматизированного проектирования, а также разработанные методики были использованы при разработке перспективных источников электроэнергии: генератора мощностью 90 кВ-А для автономной системы и ряда 40-И 20 кВ-А стартер-генераторов с приводом от газовой турбины. Научная новизна.

1. Методом гармонического анализа активных зон получено аналитическое решение задачи расчета магнитного поля в активной зоне с кольцевым постоянным магнитом на основе скалярного потенциала, получено решение задачи расчета магнитного поля в активной зоне с призматическим постоянным магнитом на основе векторного потенциала.

2. Проведен анализ точности аналитических решений путем сопоставления результатов расчета МГА и МКЭ для магнитных систем с призматическими, секторными и кольцевым магнитами. Оценена степень влияния каждого из допущений, принимаемых при моделировании магнитного поля активных зон МГА.

Показано, что при трансформации расчетной области с учетом коэффициентов к^ и характерных для классических методик, погрешность расчета МГА не превышает 7 %.

3. Разработана методика уточненного электромагнитного расчета синхронного генератора (СГ) с радиально намагниченными РЗМ на роторе, основанная на сочетании классической теории расчета электрических машин с постоянными магнитами (ПМ) и теории поля.

4. Построена расчетная модель СГ с РЗМ, основой которой является уточненный электромагнитный расчет, тепловой и прочностной расчеты определяют функциональные ограничения.

5. Решена задача оптимизации СГ на базе уточненной математической модели ЭМП по критерию минимума массы активных материалов и восьми варьируемым параметрам.

Практическая значимость.

1. Разработана программа автоматизированного проектирования СГ с возбуждением от РЗМ, позволяющая проводить автоматизированное конструирование активной зоны по результатам оптимизационных расчетов.

2. Разработаны методики расчета и исследования активных зон ЭМП с РЗМ с помощью пакета КЭ анализа MSC.MARC.

3. Разработаны проекты ряда генераторов с приводом от газовой турбины для перспективных СЭС постоянного повышенного напряжения. На основе проведенных расчетов сформулированы рекомендации по значениям электромагнитных нагрузок якоря для систем охлаждения продув или самовентиляция.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в пяти печатных работах [44,45,46,47, 53].

Структура работы. Согласно поставленным цели и задачам материал диссертации представлен следующим образом.

Основные результаты и выводы могут быть сведены к следующему:

1. Рассмотрены характеристики РЗМ, выявлены преимущества и недостатки этого типа магнитотвердых материалов. Показана перспективность использования РЗМ для возбуждения электрических машин. Рассмотрены основные конструктивные схемы роторов с РЗМ, применяемые для возбуждения синхронных и вентильных машин.

2. Проведен анализ математических моделей и методов расчета магнитных полей активных зон. Широко используемые в инженерной практике модели с сосредоточенными параметрами, основанные на теории цепей, не отличаются высокой точностью и могут быть рекомендованы лишь для оценочных расчетов. Более точные результаты расчета МС с РЗМ можно получить с помощью моделей с распределенными параметрами, представляющими собой дифференциальные уравнения в частных производных. При этом для предварительных расчетов целесообразно использовать менее трудоемкие аналитические методы. Поверочные расчеты ЭМП рационально проводить с помощью численных методов, в частности МКЭ.

3. Методом гармонического анализа активных зон получены аналитические решения задач расчета магнитного поля МС с кольцевым постоянным магнитом с магнитным и немагнитным валом на основе скалярного потенциала; получено решение задачи расчета магнитного поля магнитной системы с призматическим постоянным магнитом на основе векторного потенциала. Полученные аналитические решения для МС с призматическими, секторными и кольцевыми РЗМ, позволяют подходить к расчету ЭМП с радиально намагниченными магнитами и индуктором на роторе на единой методологической основе.

4. Разработана методика решения задач магнитостатики для активных зон с РЗМ с помощью пакета КЭ анализа MSC.MARC. Проведен анализ точности аналитических решений путем сопоставления результатов расчета МГА и МКЭ для магнитных систем с призматическими, секторными и кольцевым магнитами. Оценена степень влияния каждого из допущений, принимаемых при моделировании магнитного поля активных зон МГА. Показано, что при трансформации расчетной области с учетом поправочных коэффициентов ки и характерных для традиционных инженерных методик, погрешность расчета МГА не превышает 7 %.

5. Разработаны методики определения ЭДС и индуктивных параметров электрических машин па основе решения задач магнитостатики МКЭ. Показано, что КЭ анализ позволяет расширять и накапливать области знаний по проектированию электрических машин и МС новых типов, процессы преобразования энергии в которых еще недостаточно изучены.

6. Уточнена методика электромагнитного расчета СГ с возбуждением от радиально намагниченных РЗМ на базе полученных аналитических решений. Построена расчетная модель СГ с РЗМ, основой которой является уточненный электромагнитный расчет, тепловой и прочностной расчеты определяют функциональные ограничения. Полученная расчетная модель сочетает в себе простоту и компактность классических расчетных методик и, при этом, имеет более высокую точность.

7. Решена задача оптимизации СГ по критерию минимума массы активных материалов и ограничениям по прочности, нагреву, КПД. Оптимизация производится по восьми варьируемым параметрам.

8. Обоснована целесообразность автоматизированного конструирования активной зоны электрических машин по результатам оптимизационных расчетов. Проведена автоматизация конструирования активной зоны СГ с РЗМ посредством автоматического создания пакетных файлов по результатам оптимизационных расчетов для системы AutoCAD.

9. Разработано специализированное ПО, предназначенное для автоматизированного расчета, оптимизации и построения геометрической модели активной зоны СГ по результатам оптимизационных расчетов.

10. Проведена апробация программного обеспечения при расчете генератора АГ-0.25ДЗ разработанного в АКБ «Якорь». Поверочный электромагнитный расчет генератора показал, что предлагаемая методика расчета позволяет получать достоверные результаты и соответственно может быть рекомендована для проведения оптимизационных расчетов при проектировании высокоиспользованных СГ.

11. Рассмотрены области применения высокоскоростных генераторов с приводом от газовой турбины и обоснована целесообразность проектирования рядов таких машин. Определены реализуемые диапазоны мощностей высокоскоростных генераторов с возбуждением от РЗМ, ограниченные предельной окружной скоростью ротора и электромагнитными нагрузками. Показано что улучшение массовых показателей СГ наиболее существенно на частотах вращения 30 - 90 тыс. об/мин.

12. Методом гармонического анализа активных зон проведен анализ магнитного поля, на основе которого определены рациональные геометрические соотношения для секторных магнитов с точки зрения рационального использования энергии.

13. Проведены оптимизационные расчеты ряда генераторов на уровни мощностей 40, 60, 90, 120 кВ-А и частоту вращения 40 тыс. об/мин, на базе которых сформулированы рекомендации по значениям электромагнитных нагрузок и индукций в элементах магнитной цепи для систем охлаждения - продув или самовентиляция.

14. Проведены поверочные электромагнитные расчеты генератора мощностью 60 кВ-Л МКЭ. Определены уточненные значения ЭДС и индуктивных сопротивлений. Показано, что результаты, полученные с помощью МКЭ и уточненной классической методикой расчета, отличаются на 5 - 8 %, что хорошо согласуется с результатами исследования точности МГА.

15. Проведен прочностной расчет бандажа из титанового сплава, показавший, что максимальные эквивалентные напряжения в бандаже не превышают предела текучести титана при разгонной частоте вращения, но при этом возникают значительные изгибные напряжения в секторном магните, которые могут привести к его разрушению. Для крепления РЗМ на роторе целесообразно использовать бандаж из композиционных материалов. Во избежание разрушения РЗМ следует дробить его по ширине на 2-4 части. Проведенные исследования показали целесообразность использования КЭ анализа при поверочных расчетах высокоиспользованных электрических машин, позволяющего снизить затраты на экспериментальную доводку проекта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Абрамкин Ю.В., Иванов-Смоленский А.В. Применение метода конформного преобразования для исследования плоских магнитостатических полей в областях с распределенными источниками. Электромеханика, 1980, № И.

2. Аветисян Д.А. Основы автоматизированного проектирования электромеханических преобразователей. М.: Высшая школа, 1988. - 271 с.

3. Автоматизированное проектирование электрических машин: Учеб. пособие. / Ю.Б. Бородулин, B.C. Мостейкис, Г.В. Попов, В.П. Шишкин: Под ред. Ю.Б. Бородулина. -М.: Высш. шк., 1989 -276 с.

4. Андреев В.Г., Зечихин Б.С., Радько М.С. Бесконтактные синхронные генераторы с комбинированным возбуждением. М.: Изд-во МАИ, 1972. - 84 с.

5. Аски М. Введение в методы оптимизации М: Наука, 1977.

6. Базаров В.Н. Тепловые процессы в электромеханических преобразователях энергии JIA М.: Издательство МАИ, 1991,44 с.

7. Балагуров В.А. Новые магнитные материалы и разработка магнитоэлектрических машин. -Тр./ Моск. энерг. ин-т., 1982, вып. 562, с. 6-13.

8. Балагуров В.А. Предельная мощность синхронных генераторов с постоянными магнитами. -Тр./Моск. энерг. ин-т., 1983, вып. 9, с 3-8.

9. Балагуров В.А., Галтеев Ф.Ф. Электрические генераторы с постоянными магнитами. -М: Энергоатомиздат, 1988, 280 с.

10. Ю.Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс. М: Радио и связь, 1988. - 128 с.

11. Барвипский А.П., Козлова Ф.Г. Электрооборудование самолетов. Учебник для средних спец. учеб. заведений гражд. авиации. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1990. - 320 с.

12. Батищев Д.И. Поисковые методы оптимального проектирования. М.: Советское радио, 1975. - 216 с.

13. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2002. - 632 с.

14. Бертинов А.И. Авиационные электрические генераторы.-М.: Оборонгиз, 1959, 594 с.

15. Бертинов А.И., Миронов О.М., Базаров В.Н. Охлаждение авиационных электрических машин. М.: Издательство МАИ, 1975, 74 с.

16. Бессонов JI.A. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле: Учебник. -9-е изд., нерераб. и доп. -М.: Гардарики, 2001.-317 с.

17. Бинс К., Лоуренсон П., Анализ и расчет электрических и магнитных полей. М.: Энергия, 1970.-223 с.

18. Божин Ю.М. Проектирование быстроходных вентильных генераторов. -Тр./ Моск. энерг. ин-т., 1982, вып. 562, с. 14 18.

19. Брускин Д.Э., Зубакин С.И. Самолеты с полностью электрифицированным оборудованием // Итоги науки и техники. Электрооборудование транспорта. М.: ВИНИТИ, 1986, № 6. С. 1-112.

20. Брускин Д.Э., Синдеев И.М. Электроснабжение летательных аппаратов. М: Высшая школа, 1988.

21. Брынский Е.А., Данилевич Я.Б., Яковлев В.И. Электромагнитные поля в электрических машинах. Л: Энергия, 1979. -176 с.

22. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины. М.: Высшая школа, 1990.

23. Бут Д.А. Основы электромеханики. М.: Издательство МАИ, 1996.

24. Васильев В.В. Композиционные материалы: Справочник. / под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. М.: Машиностроение, 1990.-510 с.

25. Вентильные генераторы автономных систем электроснабжения. / Н.М. Рожнов, A.M. Русаков, A.M. Сугробов, П.А. Тыричев; Под ред. П.А. Тыричева М.: Изд-во МЭИ, 1996.-280 с.

26. Воеводин В.В., Кузнецов Ю.А. Матрицы и вычисления. М.:Наука, 1984.-318 с.

27. Вольдек А.И. Электрические машины. М.: Энергия, 1978. 728 с.

28. Галтеев Ф.Ф., Жуков В.Ф., Иванов С.И., Стромов В.М., Таланов Л.Л., Тыричев П.А. Многоканальная автономная система электроснабжения с магнитоэлектрическим синхронным генератором. -Тр./ Моск. энерг. ин-т., 1982, вып. 562, с 31-35.

29. Гсминтерн В.И., Нахамкин A.M., Радина Е.В. Системы автоматизированного проектирования электрических машин. М: Энергоатомиздат, 1991.

30. Годунов С.К. Решение систем линейных уравнений. // Новосибирск: Наука, 1980.

31. Готтер Г. Нагревание и охлаждение электрических машин. (Пер. с нем.) Под ред.

32. B.В. Мальцева // M.-JI., Госэнергоиздат, 1961. 480 с.

33. Дарьин А.Г., Иванов-Смоленский А.В. Расчет проводимостей зубцовых контуров методом конечных элементов. В кн.: Исследование и расчет параметров асинхронных двигателей. - Владимир, 1982, 19-26 с.

34. Демирчан К.С. Моделирование магнитных полей. Л.: Энергия, 1974. - 285 с.

35. Демирчан К.С., Ефимов Ю.Н., Сапожников Л.Б., Солнышкин Н.И. Реализация метода конечных элементов на ЭВМ для расчета двухмерных электрических и магнитных полей. Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1974, №1, с. 142-148.

36. Демирчан К.С., Солнышкин Н.И. Расчет трехмерных магнитных полей методом конечных элементов. Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1975, №5, с. 39-49.

37. Демирчан К.С., Чечурин В.Л. Машинные расчеты электромагнитных полей: Учеб. пособие. М.: Высш. шк., 1986. -240 с.

38. Домбровский В.В. Справочное пособие по расчету электромагнитных полей в электрических машинах.-Л.: Энергоатомиздат, 1983.

39. Жук Д.М., Мартынюк В.А., Сомов П.А. Технические средства и операционные системы. САПР. Кн. 2. Минск: Высшая школа, 1988. - 156 с.

40. Захарова Н.Е., Зотов С.Н., Морозов В.А., Нестеров М.В., Румянцев М.Ю., Сигачев

41. C.И., Щедухин С.И. Безмасляные турбомашины на базе сверхвысокоскоростных вентильных электроприводов. Вентильные электромеханические системы. Рынок. Наука. Производство. // Доклады 6-го научно-практического семинара. М.: МЭИ, 1996, с. 35-39.

42. Зенкевич О. Метод конечных элементов // М.: Мир, 1975.

43. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: Учеб. для вузов. М.: Энергия, 1980.-928с.

44. Иванов-Смоленский А.В., Кузнецов В.А. Универсальный численный метод моделирования электротехнических преобразователей и систем. Электричество, 2000, № 7.

45. Канторович JI.B., Крылов В.И. Приближенные методы высшего анализа. JI: Физматгиз, 1962. - 708 с.

46. Коген-Далин В.В. Сравнительная оценка индукторов магнитоэлектрических генераторов с аксиально и радиально - поляризованными магнитами из сплавов S1T1C05. -Тр./ Моск. энерг. ин-т., 1983, вып. 9, с 8-15.

47. Коген-Далин В.В., Комаров Е.В. Расчет и испытание систем с постоянными магнитами. М.: Энергия, 1977,248 с.

48. Коген-Далин В.В., Кудинова Е.Е, Рослякова Е.И. Анализ магнитных систем магнитоэлектрических генераторов с радиально поляризованными магнитами. —Тр./ Моск. энерг. ин-т., 1982, вып. 562, с 18-23.

49. Козырев С.В., Маркова Н.Ю., Русаков A.M., Сугробов A.M., Тыричев П.А. Особенности проектирования термоинерционных высокоскоростных магнитоэлектрических генераторов. -Тр./ Моск. энерг. ин-т., 1987, вып. 147, с 31-37.

50. Конев Ю.И. Ермошин В.М. Системы электрооборудования летательных аппаратов: Учеб. пособие / Моск. гос. авиационный институт (технический университет) — М.:1997. -95 с.

51. Кононенко А.С. Физические основы технологии изготовления высокоэнергетических магнитов из сплавов P3M-3d металлы -В // Тр. ВНИИЭМ. 1988 Т. 85. 11-23 с.

52. Кононенко А.С., Рабинович Ю.М., Сергеев В.В., Федякин В.В. Металлургические проблемы получения магнитов РЗМ железо - бор. //Электротехника, 1989, № 11. С 10-14.

53. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: Учеб. для вузов. М: Высш. Шк. 1994.-318 с.

54. Корнеев А.С., Леонова С.А., Стрельникова Л.Г. Бодрышев В.В. Машинная графика на основе системы Автокад для IBM -совместимых персональных компьютеров: Учеб. пособие. М.: Аслан, 1996, 120 с.

55. Корячко В.П., Курейчик В.М., Норенков И.П. Теоретические основы САПР. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 400 с.

56. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины, ч. 2. Л: Энергия, 1965. — 704 с.

57. Крючкова Т.Н. Сопоставление алгоритмов многокритериальной оптимизации электромеханических устройств. -Тр./ Моск. энерг. ин-т, вып. 635, 1991.

58. Кудинов Н.М., Фомин В.А. Анализ способов уменьшения пульсаций выходного напряжения вентильных генераторов постоянного тока. -Тр./ Моск. энерг. ин-т, вып. 9, 1983, с 29-33.

59. Кузнецов В.А. Моделирование магнитных полей и процессов в электромеханических преобразователях. -Тр./ Моск. энерг. ин-т, вып. 665, 1993.

60. Курбатов П.А., Аринчин С.А. Численный расчет электромагнитных полей М.: Энергоатомиздат, 1984.- 168 с.

61. Ледовский А.Н. Электрические машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами. М: Энергоатомиздат, 1985. 168 с.

62. Лопухина Е.М., Нахамкин A.M., Семенчуков Г.А., Сенькевич Т.Ю. Автоматизированное проектирование электрических машин на ПЭВМ. М: МЭИ 1992,

63. Науменко В.И., Клочков О.Г. Авиационные электрические машины с интенсивным охлаждением. М: Машиностроение, 1977, 128 с.

64. Норенков И.П. Системы автоматизированного проектирования: Принципы построения и струюура. Кн. 1. М.: Высшая школа, 1986. - 127 с.

65. Норенков И.П., Маничев В.Б. Основы теории и проектирования САПР: Учебник для втузов. М.: Высшая школа, 1990. - 335 с.

66. Орлов И.Н. Электромеханические системы с постоянными магнитами. -Тр./ Моск. энерг. ин-т., 1986, вып. 112, с 3-6.

67. Орлов И.Н., Маслов С.И. Системы автоматизированного проектирования электромеханических устройств: Учеб. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1989.-296 с.

68. Осин И.Л. Паншин Л.Л. Численный расчет магнитного поля электрических машин с постоянными магнитами. // Электротехника, №11, 1992, с 9-11.

69. Осин И.Л., Шакарян Ю.Г. Электрические машины: Синхронные машины: Учеб. пособие для вузов по спец. «Электромеханика» /Под ред. И.П. Копылова. М.: Высш. шк., 1990. 304 с.

70. Пашков П.П., Покровский Д.В. Диаграмма состояния системы Fe-Nd-B и особенности структуры ее сплавов. В кн.: Высокоэнергетические постоянные магниты и их применение в электротехнике//Тр. ВНИИЭМ. 1988 Т. 85. 93-120 с.

71. Постоянные магниты: Справочник / Под ред. Ю.М. Пятина. М: Энергия 1980. -488 с.

72. Рабинович Ю.М., Сергеев В.В., Потапова Л.В., Кононенко А.С., Афанасьева Т.Е. Эксплуатационные характеристики постоянных магнитов из сплавов типа P3M-Fe-B. Электротехника, 1989, №11. 21-25 с.

73. Романычева Э.Т. Сидорова Т.М., Сидоров С.Ю. AutoCAD. Практическое руководство. М: ДМК, Радио и связь 1997, - 480 с.

74. Ротор электрической машины: Патент РФ / Левин А.В.,Лившиц Э.Я., Хабаров В.А. -№ 22111517; Заяв. 19.12.2001; Опубл. 27.08.2003.

75. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М: Мир, 1979. - 392 с.

76. Сергеев П.С., Виноградов Н.В., Горяинов Ф.А. Проецирование электрических машин. Изд. 3-е. -М.: Энергия, 1969, 632 с.

77. Сильвестер П., Феррари Р. Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров электриков. Пер. с англ. - М: Мир, 1986. - 229 с.

78. Сливинская А.Г. Электромагниты и постоянные магниты. М: Энергия 1972. - 247 с.

79. Смирнов А.Ю. Расчет электрических машин с магнитоэлектрическим индуетором методом проводимостей зубцовых контуров. Электричество. 1989. №12. С 18-24.

80. Сорокер Т.Г. Магнитоэлектрические машины переменного тока. Диссертация. М.: МЭИ, 1947.- 178 с.

81. Сорокер Т.Г. О расчете синхронных машин с постоянными магнитами. Вестник электропромышленности, 1940, № 2. с. 1 - 6.

82. Стрэнг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов М.: Мир, 1977.

83. Счастливый Г.Г., Бандурин В.В., Остапенко В.Н., Остапенко С.Н. Математические модели теплопередачи в электрических машинах. Киев, Наукова Думка, 1986.

84. Татур Т.А. Основы теории электромагнитного поля: Справочн. пособие для электротехн. спец. вузов. М.: Высшая школа, 1989. 271 с.

85. Терзян А.А. Автоматизированное проектирование электрических машин. М: Энергоатомиздат, 1983-256 с.

86. Тихонов А.Н. Самарский А.А. Уравнения математической физики. 5 изд. М: Наука 1977, 724 с.

87. Туровский Я. Электромагнитные расчеты элементов электрических машин. М: Энергоатомиздат, 1986, 200 с.

88. Универсальный метод расчета электромагнитных процессов в электрических машинах. / Под ред. А.В. Иванова-Смоленского. М.: Энергоиздат, 1986,216 с.

89. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979.

90. Филиппов И.Ф. Теплообмен в электрических машинах: Учеб. пособие для вузов. J1.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение. 1986 . -256 с.

91. Харт У.Г. Состояние производства постоянных магнитов в мире с 1996 по 2006 гг. // «XII Междун. конф. по постоянным магнитам»: Тезисы докл. Суздаль. 22-26 сент. 1997. С.8.

92. Численные методы анализа электрических машин. / Отв. ред. Я.Б. Данилевич. -Л: Наука, Ленингр-е отделение, 1988. 224 с.

93. Чучалин А.И. Математическое моделирование электрических машин на цифровых ЭВМ. Томск, изд. ТПИ.им. С.М. Кирова, 1990, 96 с.

94. Электроэнергетические установки и системы генерирования: Учеб. пособие / Б.Л. Алиевский, В.Н. Базаров, Б.С. Зечихин и др.; Под ред. Б.Л. Алиевского. М.: Изд-воМАИ, 1995.-76 с.

95. MARC Analysis Research Corporation. Mentat User's Guide.

96. MARC Analysis Research Corporation. Volume A. Theory and User Information.

97. Sanders R. What is so attractive about micro-turbines. Powerline magazine, Dec. 1998. Pg. 27.

98. Нач. НИО фак. №3, к.т.н., доц.1. Бочаров В.В.

99. Ведущий киисгрукюр, к.т.н.

100. Ведущий конструктор, к.г.и.1. Э.И. Лившиц