автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Герметичный синхронный двигатель для химического производства

на правах руког иси

Федянин Александр Леонидович

ГЕРМЕТИЧНЫМ СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 05.09.01 - «Электромеханика и электрические аппараты»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□031т4

Томск 2007

003174159

Работа выполнена на кафедре электрических машин и аппаратов Томского политехнического университета

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Муравлев Олег Павлович

Официальные оппоненты доктор технических наук,

Селяев Александр Николаевич, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

кандидат технических наук, доцент Педиков Виктор Михайлович, Томский государственный архитектурно-строительный университет

Ведущая организация ГНУ НИИ АЭМ при ТУ СУР, г Томск

Защита диссертации состоится 08 ноября 2007 г в 1500 часов на заседании диссертационного совета К212 269 03 в 331 аудитории 8 корпуса Томского политехнического университета (634034, г Томск, пр Ленина, 30, ТПУ)

С диссертацией можно ознакомится в научно-технической библиотеке ТПУ по адресу 634034, г Томск, ул Белинского, д 55

Автореферат диссертации разослан «05» октября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

«,ч <

, Ю Н Дементьев

Актуальность работы. Герметичные электрические машины преда а-значены для работы на ядерно-химических производствах для обеспечен и безопасности, защиты обсуживающего персонала и окружающей среды ут вредного воздействия, в условиях аварийных режимов работы, со сторо! ы технологического оборудования Эксплуатация герметичных асинхронных двигателей в течение многих лет показала, что они имеют малый срок слу к-бы, вызванный проникновением внутрь технологических жидкостей выз л-вающих разрушающее действие на конструктивные элементы машины

Одним из слабых мест в герметизации машины является узел сочлен е-ния валов электродвигателя с исполнительным механизмом Всевозможн! ге попытки защитить узел сочленения валов различными типами уплотнения не принесли успеха Наиболее распространенным способом герметизац ш асинхронных двигателей, получили защитные гильзы, которые устанавлш а-лись между статором и ротором электрической машины, защищая обмот си статора от воздействия среды Однако такой способ, в силу уменьшен м энергетических показателей ставит вопрос о разработке нового типа гер\ е-тичных электрических машин

Решить данную задачу удалось благодаря успехам в разработке и с с-воении редкоземельных постоянных магнитов, с высокой магнитной энерг и-ей и исследованию торцевых электрических машин В разработке и иссле; о-вании нового типа двигателя, герметизация осуществляется сплошным I е-подвижным экраном, который располагается между технологическим обор у-дованием и двигателем, при этом крутящий момент электродвигателя пе] е-дается к рабочему органу через герметизирующую перегородку, выполш н-ную из материалов стойких к агрессивной среде Электродвигатель такс го типа является объектом исследования в настоящей работе

Использование электродвигателя дискового типа позволяет максимально упростить конструкцию герметизирующего экрана и выполнн гь электрическую машину более надежной, так как основная часть двигателя остается вне зоны технологической емкости Внедрение нового типа дви а-теля повышает экономическую эффективность за счет уменьшения затрат на ремонт оборудования и увеличения межремонтных сроков

Однако анализ научно-технического состояния данной области техн и-ки показал, что разработка такого рода машин требует решения ряда зад 14, которые в настоящее время недостаточно проработаны и слабо освещень в технической литературе

В данной работе проводится разработка герметичного синхроннс го двигателя с двумя магнитосвязанными роторами За счет использования предложенной нами конструкции предполагается увеличение времени б;з-отказной работы привода за счет герметичного исполнения магнитной а [с-темы машины

Задачей разработки нового электродвигателя является исследование электромагнитных процессов, протекающих в электрической машине гри двухроторном исполнении с магнитной связью между дисками ротор )в Снижение зубцового эффекта, моделирование процессов при наличии м1г-

нитной связи, анализ динамических характеристик машины является основным направлением исследовательской работы Также не достаточно изученным является влияние величины воздушного зазора на форму внешних характеристик вследствие объемного распределения характеристик магнитного поля в рабочем воздушном зазоре электрической машины с аксиальным магнитным потоком Данное исследование необходимо проводить с использованием методов и алгоритмов, позволяющих анализировать параметры трехмерных магнитных полей и моделировать на базе их характеристики машины при изменении угла положения ротора относительно статора машины Построение, таким образом, динамических характеристик способствует более глубокой проработке конфигурации активной зоны, а значит и разработке синхронного двигателя с наилучшими энергетическими показателями при условии герметичного исполнения магнитной системы

В целом, разработанные математические модели и результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы при создании герметичных электромашинных для ядерно-химических производств

Диссертационная работа была поддержана грантами

• Президента Российской Федерации № МК-1128 2004 8,

• индивидуального гранта Томского политехнического университета, приказ ректора от 07/05/07 № 2593

Целью является разработка и исследование герметичного синхронного двигателя с двумя магнитосвязанными роторами для химического производства В связи с этим решаются следующие задачи

• разработка математических моделей для исследования трехмерного магнитного поля синхронного двигателя,

• проведение комплекса теоретических исследований для поиска наилучших размеров геометрии магнитной системы,

• создание программного комплекса, позволяющего автоматизировать проектирование синхронных машин с постоянными магнитами,

• разработка конструкции синхронного двигателя,

• изготовление макетного образца синхронного двигателя для экспериментальной оценки результатов теоретических исследований

Научной новизной работы является:

1 Разработана модель электромеханического устройства на основе расчета трехмерного магнитного поля для моделирования динамических режимов работы синхронных дисковых двигателей с магнитосвязанными роторами, позволяющая исследовать устойчивость работы электрической машины

2 Предложена новая конструкция герметичного синхронного двигателя дискового типа с магнитосвязанными роторами

3 Разработана алгоритмическая модель синхронного двигателя дис • нового типа на основе комбинированного метода для исследовг • ния статических характеристик и геометрии магнитной системы

4 Создана математическая модель процесса взаимодействия магн* -тосвязанных роторов в дисковой синхронной электрической мг-шине для динамических режимов работы

Практическую ценность представляют следующие результаты и( -следовательской работы

1 Разработана конструкция герметичного синхронного двигателя с двумя магнитосвязанными роторами для оборудования химич ского производства

2 Предложена методика расчета стационарных электромагнитнь х процессов, позволяющая исследовать внешние характеристш и машины с магнитосвязанными полюсами

3 Разработан алгоритм полевой модели электромеханического устройства для моделирования и исследования динамических реж л-мов работы

4 Создан программно-вычислительный комплекс моделирован 1Я статических и динамических электромагнитных процессов, суетам использования современных численных методов, которые г о-зволяют проводить исследования дисковой электрической май и-ны с постоянными магнитами

Методы исследования При исследовании электромагнитных процессов, протекающих в м ir-нитной системе дискового двигателя, в настоящей работе использовали ;ь теория электрических машин, метод интегрирования по источникам по м, трехмерные математические модели электромагнитного поля, метод прост ых итераций и метод Зейделя для решения систем нелинейных уравнений, м ít-рично-топологический метод теории графов, элементы метода Ивана аа-Смоленского, а также эксперименты с макетными образцами синхронного дискового двигателя Все исследования проведены с применением современной вычислительной техники

Апробация

Результаты проведенных исследований докладывались, обсуждалис ь и получили одобрение на следующих конференциях

• VIII всероссийская научно-техническая конференция 'Современные тенденции в развитии и конструировании коллекторных и других электромеханических преобразователей энергии" (г Омск, 2003г);

• международная научно-техническая конференция "Повышение эф<] активности производства и использования энергии в условиях Сиби ри" (г Иркутск, 2005г),

• международная научно-техническая конференция с международным участием "Электротехника, электромеханика и электротехноло! ии" (г Новосибирск, 2005г),

• международная научно-техническая конференция "Электромеханические преобразователи энергии " (г Томск, 2005г),

• XI международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (г Томск, 2005г),

• всероссийская научно-техническая конференция с международным участием "Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий" (г Екатеринбург, 2006г),

• XI международная конференция "Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты", МКЭЭЭ-2006,

(г Алушта2006),

• XII международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (г Томск, 2006г),

• всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых "Наука Технологии Инновации" (г Новосибирск, 2005г),

• всероссийская конфренция-конкурсного отбора инновационных проектов студентов и аспирантов "Энергетика и энергосбережение" (г Томск, 2006г)

Публикации

По результатам выполненной работы опубликовано 17 докладов, 1 научная статья и оформлена заявка на патентование вновь разработанной конструкции синхронного двигателя, предназначенного для работы в условиях ядерно-химического производства

Реализация результатов работы Основные выводы, полученные при исследовании синхронного двигателя с магнитосвязанными роторами, используются при разработке синхронных двигателей в насосах для откачки электролитов, по заданию ООО "Завод нестандартного оборудования"

Разработанная конструкция синхронного двигателя с магнитосвязанными роторами, а так же теоретические и экспериментальные исследования используется при совершенствовании конструкций синхронных электрических машин в ООО "Тетран"

На основе приведенной методики расчета трехмерных магнитных полей разработана компьютерная программа, которая используется в учебном процессе при подготовке студентов в ФГОУ ВПО "Северская государственная технологическая академия"

Структура и объем диссертации. Работа состоит из пяти разделов и заключения, содержащих 145 страниц машинописного текста, 8 таблиц и 35 рисунков, списка литературы из 94 наименований и приложений

В первом разделе обоснована актуальность задач разработки и исследования герметичных электрических машин Сформулирована цель, поставлены основные задачи, описана научная новизна и практическая ценность

диссертационной работы, приведена краткая аннотация выполненной раба ы по разделам

Во втором разделе проведен обзор существующих конструкций п р-метичных электрических машин ядерно-химических производств, изложи !Ы основные технические требования и условия эксплуатации герметичного двигателя

Для повышения эффективности работы на большинстве ядер! о-химических предприятий встает вопрос о модернизации технологического оборудования в связи с его износом, а также с непрерывным расширением, и увеличением мощности производства Вопрос модернизации должен зат] а-гивать не только замену основного оборудования, но и решать пробле лу герметизации вспомогательного электрооборудования, использующего это к-тропривода с герметичным электродвигателем Актуальность герметизаи ли отдельных установок несомненна в связи с высокой степенью химической активности перерабатываемых веществ, представляющих потенциальн'ю опасность не только для технологического оборудования, но и для окружающей биологической среды

Таким образом, через место ввода движущихся частей при повышен ии давления или температуры возникает опасность выброса из технологичес siró аппарата в окружающую среду высокотоксичных и агрессивных матер ia-лов При аварийных ситуациях, вследствие внештатной работы технологи (е-ского оборудования можегг быть нанесен непоправимый ущерб здоровью < >б-служивающего персонала

Анализ научно-технического состояния данной области техники по <а-зал, что разработка такого рода машин требует решения ряда задач, kotoj ые в настоящее время недостаточно проработаны и слабо освещены в техни ie-ской литературе Для решения поставленной задачи предложена конструкция герметичной синхронной электрической машины дискового ti ша (рис 1), выполненная на базе аксиальной машины, которая наряду с перечисленными достоинствами торцевых двигателей позволяет повысить !ы-ходную мощность

В данной работе выбран синхронный двигатель с постоянными маг ш-тами, который может быть применен в качестве приводного двигателя в тяжелых условиях эксплуатации Синхронный двигатель выполнен по клас ;и-ческой схеме с радиальным направлением магнитного потока в воздуцп ом зазоре Магнитное поле двигателя создается постоянными магнитами, ¡ ас-положенными на роторе электрической машины Статор машины содер; сит трехфазную обмотку Выводы статорной обмотки соединяются с разъемом наконечника, через который осуществляется электропитание синхроннэго двигателя

В предлагаемой конструкции двигатель состоит из двух дисков, на которых расположены высококоэрцитивные постоянные магниты (рис 2) ~1о-стоянные магниты устанавливаются и удерживаются на дисках посредст юм сил магнитного притяжения

14 2 10 12 1 6

Рис. 1 Конструкция герметичной синхронной машины дискового типа 1 - ротор; 2,3 — диски; 3 — магниты; 6 — ярмо; 7 - статор; 8 — стержни; 10 -герметичная перегородка; 1 ] — каркас; 12 - корпус ,13 ■- вал; 14 — часть технологического аппарата; ?5,17 - щит; 16,18 - подшипники

а-а в-в

Рис. 2 Эскиз сечения статора и ротора 1 - корпус; 2 - стержень; 3 --обмотка; 4 - постоянные магниты; 5 - упоры

Эскизы сечения статора и ротора приведены на ряс 2. Упоры служат для предотвращения проскальзывания магнитов относительно ярма машины. Между дисками ротора находится статор, содержащий и количество стержней (рис 2) с намотанной на них обмоткой. Стержни статора закреплены между герметичной перегородкой и каркасом, которые выполнены из немаг нитного материала. Статор 7 размещается внутри прочного корпуса. При этом диск устанавливается на валу внутри технологического аппарата и удерживается шитом с подшипниками. К щиту резьбовым соединением прикрепляется прочный корпус. Диски и ротора взаимно притягиваются за счет магнитных сил и функционируют синхронно. Герметичная перегородка 10 и щит имеют сварное соединение с Прочным корпусом и со стенками технологического аппарата. Постоянные магниты диска закрыты снаружи обечай-

кой 19 из немагнитного материала Стержни статора выполняются из л истов электротехнической стали

На основании проведенного анализа определены задачи исследоваш й

В третьем разделе представлен анализ методов моделирования эл зк-тромеханических устройств и определены основные допущения математи ie-ских моделей реализуемых на основе дифференциальных уравнений, чаленного расчета схемы замещения и полевых методов В результате бьло принято решение о разработке математической модели синхронного двигателя дискового типа с двумя магнитосвязанными роторами на основе komi >и-нированного метода расчета использующего достоинства полевого метод i и универсального метода зубцовых контуров

Данное обстоятельство обусловлено следующими критериями возможен расчет трехмерного магнитного поля с учетом нелинейности характе) >и-стик ферромагнитных материалов, высокая эффективность решения полеЕ ой задачи и сравнительно несложное определение интегральных характерно ик магнитной системы Составление расчетных уравнений производится тол! ко для элементов магнитной системы, т е возможно описание открытых м vr-нитных систем

Метод интегрирования по источникам поля заключается в решети общего интегрального выражения напряженности через намагниченность элементов магнитной системы [5, 6, 7, 9]

(1)

_ п V гт 71 V ГРЯ _

где H(q) - напряженность магнитного поля в вакууме, А/м, dig - вектс р, равный по модулю элементарному участку тока и совпадающий с ним ю направлению, м, Jст - плотность стороннего тока, А/м2, Мр - намагниче я-ность элементарного объема dVp, А/м, rgq - радиус-вектор, проведенш 1й

от участка элементарного тока dig в точку наблюдения q, м, rpq - радиу вектор, проведенный из элементарного намагниченного объема dVp в to4j у наблюдения q, м, rgg,rp{j - модуль соответствующего радиус-вектора, 1, dSg - площадь поперечного сечения элементарного проводника, м2

Решение уравнения (1) производится численным методом При этсм пространство, занимаемое намагниченным веществом, разбивается на маль е объемы Д V,, в пределах каждого из которых плотность тока и намагниче] [-ность считаются постоянными и сосредоточенными в центре элементарно: о объема

При принятии незначительных допущений, что проводники обмотьи разбиваются на векторы конечной длины А/, совпадающие с осью соотве -ствующего проводника и направленные по току, система уравнений nocj е

дифференцирования по частным производным и перехода к конечным разностям в матрично-векторной форме принимает вид

Л, =Кт~ А (2)

А =

где - Ъц вектор проекций напряженности магнитного поля в точке наблюдения ц, Ъст - вектор проекций напряженности поля, создаваемого сторонним током в точке наблюдения <7, А - матрица коэффициентов, в которой первый индекс переменной обозначает номер точки и показывает, по какой оси рассматривается влияние намагниченности, а второй — точку оси, на которую это воздействие создается, Вя, — вектор индукции магнитного поля в пределах АУ,, совпадающий по направлению с Нч,, т - вектор компонент намагниченности, модуль которого определяется по характеристике материала В = /(#), г№, грчу, г№, гпчх, гпчу, гЩ2 - проекции радиус-векторов

?т и гщ на оси декартовой системы координат, <11 х, с11у, «У2 — проекции элемента длины проводника <11, МХ1, Му1, Ма - проекции вектора намагниченности М, малого объема АУ,, II щ, Нуч, II щ - проекции вектора напряженности поля в точке наблюдения ц

(3)

Но

При расчете вектор намагниченности высокоэнергетических магнитов принимается постоянным и совпадающим с направлением первоначального намагничивания

4я

т г А1 —Г АI ууст; гц вд р

1 т г Д/ —г А/

■¿ст ГШ д т'-"у.

■т,

7-1

4ж

г5

РЧ,

(г2 +г2 -2г2 М АУ

хрящ рчу, ря', г г,' •

Ъг г М АУ

РЧЬ'рчу, У, <

Ъг^М.АУ,

Ъг г М АУ

РЧ2,РЧХ, х, 1

" г А1 —г А1

угщ р, хчч ю>,

М ггч,

Ъг г М АУ

рд!,' рд',11'

ЪГртгтМ,АУ,

РЧ,

3грч!,грчу,Му,АК

РЧ,

Согласно с основными задачами разработки математической модели для описания электромагнитных процессов в статоре синхронного двига геля, необходим переход к трехмерной схеме замещения магнитной цепи

Описание электромагнитных процессов в статоре производится пу1 гм разбиения расчетной области на элементарные объемы и описания в пре делах каждого объема характеристик поля в виде сосредоточенных парамет] ов рис 3 При этом элементарный объем магнитопровода представлен в вгде ветвей соединяющих нелинейные элементы и МДС

магнитопровод воздух

] / ф* | у/

"А" — •

/ф: у/ ф. '

Рис 3 Участок магнитной системы на разделе сред магнитнопровод - воздух

Участки статора, описывающие области возможного прохождения основного магнитного потока представлены в виде линейных проводимое ей В результате магнитную систему статора можно представить в виде цех-мерной схемы замещения, проводимости которой главным образом завр сят от магнитной проницаемости среды

На рис 4 приведена трехмерная схема замещения статора синхроь но-го двигателя

Рис 4 Трехмерная схема замещения статора синхронного двигателя

Исходными данными при расчете машины по данной схеме замещения является распределение характеристик магнитного поля полюсной системы ротора При переходе к сосредоточенным параметрам, определяются магнитные потоки, входящие в стержни статора Далее аналогично подходам при моделировании электрической машины по схеме замещения с сосредоточенными параметрами с учетом характеристик ферромагнитных сред

Точность моделирования достигается за счет расчета поля в воздушном зазоре и определения величины потока с учетом геометрических особенностей магнитной системы С другой стороны переход к схеме замещения с сосредоточенными параметрами не вносит существенных затруднений в модель при условии, что паз исполняется с одинаковой шириной

Далее для расчета составляется система алгебраических уравнений описывающих электромагнитные процессы в статоре двигателя Из (рис 4) видно, что даже при таком количестве разбиений магнитной системы составление уравнений без привлечения дополнительного математического аппарата носит весьма сложных характер, а при разбиении более пяти принципиально не возможно

В связи с этим учитывая сложность задачи и с целью автоматизации расчета нами предложено, использовать матрично-топологический метод графов, способствующий записи расчетных уравнений методом контурных токов для магнитных цепей с большим количеством узлов и объемной конфигурации ветвей

Топологические (геометрические) свойства электрической цепи не зависят от типа и свойств элементов, из которых состоит ветвь Поэтому целесообразно каждую ветвь схемы магнитной цепи изобразить отрезком линии

Условное изображение схемы, в котором каждая ветвь заменяется отрезком линии, называется графом магнитной цепи Система уравнений мат-рично-топологического метода

Га ф = о,в и = о (4)

[(в) (А) (ФК)Т=(В) [(Г)-(Фт) (Л)}

где А - узловая матрица соединений, В-матрица главных контуров, Ф-столбцовая матрица потоков ветвей, ит - матрица магнитных напряжений участков цепи

Приведенная математическая модель синхронного двигателя позволяет моделировать статические и динамические режимы работы, проводить анализ выходных характеристик, исследовать дисковые электрические машины с большим воздушным зазором, проводить поиск наилучших геометрических соотношений магнитной системы

В четвертом разделе приведены результаты теоретических исследований математической модели торцевой машины

Описание расчетной области проводится следующим образом Определяются симметрии магнитопровода статора и полюсной системы ротора с целью минимизации размерности решаемой задачи Затем, в зависимости от

основных размеров геометрии машины, выбирается величина дискретизац ш элементов магнитной системы, участвующих в расчетной области. Пост-pi е-ime расчешой области дискового двигателя производится путем раз б иен ля компонентов магнитной системы на элементарные объемы, в пределах ко- о-рых параметры магнитного поля принимаются постоянными. Достаточш im шагом разбиения h считается то значение, при котором расстояние между текущей точкой расчета и источником поля не менее 3 - 5 h (см. раздел 3).

В общем случае, разрядность математической модели дисковой мам и-ны значительно возрастает при увеличении элементов магнитной системь и количества разбиений, участвующих при описании расчетной области.

С помощью разработанного программного комплекса был прове; ен расчет синхронною двигателя. При этом были определены данные о pea (ь-ных магнитных потоках, потокосцеплениях каждого витка обмотки, по. ученные на основе комбинированного метода моделирования трехмерн< го магнитного поля машины.

В ходе теоретически* исследований С помощью алгоритмической i о-дсли была определена степень неоднородности магнитного поля в стеря не статора электрической машины, а гак же обосновано выбор метода моде: и-роваиия трехмерных магнитных полей при проектировании машин е Ш и-алъным магнитным потоком, влияние величины воздушного зазора на tf.i-ходные характеристики электрической машины для определения возможности герметичного исполнения мштштной системы электрической машины.

Исследование неоднородности магнитного поля й стержне статх ра дискового двигателя выполнено на основе рассмотрения изменения харак е-рисгик поля вдоль аксиальных и радиальных размеров статора машины.

П

Рис. 5 Магнитное поле в стержне дискового двигателя

На рис. 5 представлены результаты расчета магнитной индукции в п >е-делах элементарного объема, расчета которые качественно отражг ют значительную неоднородность поля в стержне машины и этим подтверж за-ют необходимость рассмотрения трехмерного распределения параметров

магнитного поля при проектировании синхронного двигателя с аксиальным магнитным потоком

Для дальнейшего исследования математической модели были рассмотрены режимы работы двигателя при пуске и набросе нагрузки на приводной диск ротора В результате исследования выявлено, что изменение нагрузки влияет на угол сдвига дисков ротора относительно друг друга в переходных режимах работы Угол сдвига может достигать величины не более одной третей полюсного деления и в ряде случаев снижает момент сопротивления на валу обусловлен зубцовым эффектом

Рис 6 Изменение магнитного потока в воздушном зазоре приводного и подмагничивающего ротора

В результате, образование угла сдвига обусловлено инерционностью приводного диска ротора, а так же колеблющимся относительно него под-магничевающего диска Величина колебаний зависит от силового взаимодействия роторов между собой Теоретическое исследование показало, что при недостаточном взаимодействии дисков роторов возможен выход из синхронизма приводного ротора из-за резкого снижения величины основного магнитного потока

Для проверки силового взаимодействия в основном воздушном зазоре, была построена зависимость момента от изменения величины воздушного зазора

На рис 7 представлена зависимость момента двигателя работающего под статической нагрузкой, при изменении величины воздушного зазора Из рис 7 видно, что при увеличения воздушного зазора с 0,5 по 1 мм при внесении герметизирующей перегородки происходит уменьшение электромагнитного момента на 10 % Увеличение зазора влияет на жесткость характеристики и делает ее круто падающей из-за влияния потока рассеяния в

воздухе. Величина воздушного зазора зависит от толщины и материала и: готовлен ия немагаЙгной перегородки, которая определяется давлением и агрессивностью рабочей среды.

М Н'ку

4

о ■

0,0305 0,0005 О.ООО? Г). 0008 О.ОООЗ 0.001

Б и

Рис. 7 График зависимости момента от изменения величины воздушного зазора

Представленная конструкция дискового электродвигателя обладает с одной стороны высокой 'технологичностью и простотой сборки, с дру ой стороны наличием зубцового эффекта, обусловленного построением маг* ит-ной системы. Статический момент сопротивдещм от зубцового эффекта составляет 0,48 Н-м при воздушном зазоре I мм,

В пятом разделе представлены результаты экспериментальных исследований макетных образцов синхронных двигателей Для дальнейших нее ле-дований и оценки адекватности результатов теоретических расчетов i-Мл сконструирован и испытан макетный образец рис. 8 герметичного синхронного двигателя с аксиальным магнитным потоком

Рис. 8 Конструкция макетного образца дискового двигателя с магнитосвязанньшй роторами 1 - ротор; 2 — стержень статора двигателя; 3 — подшипниковый узел; 4 - контргайка; 5 - опора с подшипниковым узлом; 6 - гайка прижимноз о щита; 7 шпилька; В здл; 9 - Прижимной шит

Для проведения исследований было изготовлено и испытано шесть макетных образцов для сравнения энергетических характеристик при двух способах изготовления магнитопровода статора На основании полученных данных в результате экспериментального исследования, построены характеристики рис 9, зависимости критического момента, при котором электрическая машина работает на грани устойчивости, от скорости вращения

Об/мин

Рис 9 - Зависимость величины критического момента от скорости вращения, при постоянной нагрузке 1 — СД с двумя жестко связанными роторами, с ферромагнитными стержнями,2 — СД с двумя магнитносвязанными роторами с ферромагнитными стержнями, 3 - СД с двумя жестко связанными, с монолитными стержнями,

4 - СД с двумя магнитносвязанными роторами, с монолитными стержнями,

5 - СД с одним ротором, с ферромагнитными стержнями, 6 - СД с одним ро-

тором, с монолитными стержнями

По кривым (1,2,3,4) видно, что энергетика машины с двумя дисками выше более чем в 1,5 раза по сравнению с двигателем, с одним ротором Так же такого типа машины позволяют монолитное исполнения стержней в связи с тем, что потери в магнитопроводе низкие на малых скоростях Уменьшение критического момента на малых скоростях за счет действия инерционных сил обусловлено массивным исполнением роторов машины с одной стороны и малым количеством стержней статора влияющих на стабильность скорости вращения

Для дальнейшего исследования были рассмотрены режимы работы двигателя при пуске и внезапном набросе нагрузки рис 10 на приводной диск ротора В результате экспериментального исследования выявлено, что изменение нагрузки влияет на угол сдвига дисков ротора относительно друг друга в переходных режимах работы Угол сдвига может достигать величины не более одной третей полюсного деления При значительном увеличении угла сдвига дисков ротора относительно друг друга возможен выход двигателя из синхронизма

Из рис. 10 видно, ч'ю подмзгничевающий диск ротора опережает I ри-аодной писк ротора па некоторый угол. Данное обстоятельство обусловл мю I увеличением нагрузки на валу приводного диска ротора.

И заключении приведены основные результаты выполненных науч[ ых исследований, которые состоя т в следующем:

I. Анализ состояния существующих герметичных электродвигателей показал, что для обеспечения надежных условий эксплуатации электродвигателей в составе технологического оборудования яде{ но-химического производства, необходимо заменить общепринятые I ис-темы герметизации, герметичные электродвигатели, на более сеч ершенные конструкции, обеспечивающие высокие показатели надел мости работы при аварийных ситуациях. , 2. Проведенный анализ литературы и патентов показал, что диско 1ые

магнитоэлектрические двигатели обладают рядом положительных качеств, которые позволяют успешно применять их в составе ре1ули] уе-мого электропривод;!. В качестве объекта исследования выбран дт ко-иый синхронный двигатель с возбуждением от постоянных маши ов. Двигатель содержит два магнигоееязапных ротора один из кото >ых приводной, а второй ттодмагничиваег и увеличивает магнитное тале машины.

3. Для обеспечения более высокой надежности герметичность диске! ого синхронного двигателя целесообразно обеспечивать установкой немагнитного экрана между с татором я ротором, закрывающего уя: ШР мые элементы магнитной системы машины (пазы статора, об мои и и полюсную систему ротора).

4. Сравнительный анализ расчётных методов показал, что аналитическое ранение уравнений магнитного ноля ротора затруднительно. Для 1 нелеп ною решения задачи моделирования магнитного ¡юля ротора целесообразно использовать метод интегрирования по источникам ¡юля,

а) б)

Рис. 10 Изменение магнитной индукции нри пуске двигателя (а) и набросе нагрузки (б)

позволяющий производить расчет трехмерного магнитного поля с учетом нелинейности характеристик ферромагнитных материалов

5 Анализ математических моделей показал, что при расчете статора синхронного двигателя, наиболее оптимальным решением будет применение универсального метода Иванова-Смоленского позволяющего с допустимой точностью моделировать процессы в статоре.

6. Разработанная математическая модель, синхронного двигателя дискового типа с магнитосвязаиными, на основе комбинированного метода расчета использующего достоинства полевого метода и универсального метода зубцовых контуров позволяет рассчитать параметры синхронного двигателя, исследовать статические и динамические режимы работы, получить зависимости положения дисков полюсной системы относительно статора машины

7 Результаты теоретического исследования показали, что во время работы машины сдвиг дисков ротора равен нулю, это обусловлено тем, что радиальные силы притяжения полюсов значительно больше электромагнитных сил создающих приводной момент

8 В результате теоретического исследования выявлено, что в дисковой машине с магнитосвязаиными полюсами момент критический на малых скоростях незначителен и зависит от колебаний дисков ротора при набросе нагрузке, а так же повешенной инертностью роторов.

9. Теоретическое исследование статической устойчивости при разных скоростях работы двигателя позволило сделать вывод о том, что выход из синхронизма возможен и проявляется при совпадении частот вращения роторов с частотой их колебаний относительно друг друга

10 Полученные, по результатам проведенных экспериментальных исследований, зависимости подтвердили правильность выбранных методов и адекватность созданных математических моделей В результате сравнения расчетных характеристик с экспериментально полученными данными, определена погрешность математических моделей дискового двигателя, значение которой не превышает 10%

11 Выполненный анализ статических характеристик, при двух способах изготовления магнитопровода статора показал возможность применения цельнометаллических стержней в составе статора синхронного двигателя, при этом потери составляют не более 15 %

12 Выполнено экспериментальное исследование внешних характеристик дискового двигателя при изменении скорости вращения вала и величины воздушного зазора дисковой машины Определен характер изменения энергетических характеристик дискового двигателя При увеличении воздушного зазора происходит снижение преобразуемой двигательной мощности в допустимых пределах, что подтверждает возможность установки немагнитного экрана в воздушном зазоре

13 Исследовано положение дисков полюсной системы при пуске двигателя и ступенчатой нагрузке на максимальный момент Установлено, что в динамическом режиме подмагничевающий ротор опережает привод-

ной ротор на пятнадцать градусов, при этом в установившемся ре» име работы сдвиг роторов равен нулю

Автор благодарит научного консультанта, кандидата технических i гаук Леонова Сергея Владимировича за внимательное отношение к работе и практическую помощь в решении поставленных задач

Результаты исследований и основное содержание работы отражены в следующих публикациях

1 Федянин А.Л., Муравлев О П, Леонов С В , Катаев В Е, Лялин \ В Исследование герметичной синхронной машины дискового типа // Изв вузов Электромеханика, 2006 - №3 С 23-25

2 Федянин АЛ , Каранкевич А Г, Леонов С В , Муравлев О П , К алаев В Е , Лялин А В Моделирование трехмерного магнитного поля торце юго электромашинного генератора // Материалы VIII всероссийской НТК (Современные тенденции в развитии и конструировании коллекторных и др /гих электромеханических преобразователей энергии» Омский государстве! ный университет путей сообщения Омск, 2003 С. 83 — 87

3 Федянин А.Л , Леонов С В , Каранкевич А Г , Муравлев О П '1ро-граммный комплекс моделирования электромагнитных процессов // Мея вуз Сб науч трудов «Оптимизация режимов работы электромеханических систем» Красноярск ИПЦ КГТУ, 2004 С 127-132

4 Федянин А.Л, Леонов С В , Муравлев О П , Лялин А В Иссле; ова-ние характеристик герметичного электродвигателя дискового типа // N ате-риалы Международной НТК «Повышение эффективности производств и использования энергии в условиях Сибири» Иркутск, ИрГТУ, 2005 С 182186

5 A.L. Fedyanin, S V Leonov, О Р Muravlev, V Е Kalaev The Engineering Support of Technologies of the Power Complex // The 9-th Kor< an -Russian International Symposium on Science & Technology (KORUS 20i>5) -t Vol 2 - Novosibirsk Novosibirsk State Technical University (NSTU), 2005 - с 268-272

6 Федянин АЛ , Леонов С В , Лялин А В , Щипков А А Гермети чная электрическая машина // Материалы второй НТК с международным уч; стаем «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» Новосиб] [рек Изд-во НГТУ, 2005 -С 8-10

7 Федянин АЛ , Леонов С В , Муравлев О П Программный комг леке моделирования электромеханических устройств // Материалы междунг родная НТК «Электромеханические преобразователи энергии», Томск Изд ТПУ, 2005 С 163-165

8 Федянин АЛ, Леонов С В , Муравлев О П Герметичный двип тель переменного тока для химического производства // Труды XI Междунг родной НПК студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техш ка и технологии» (СТТ'2005), Томск Изд ТПУ, 2005 С 346-347

9 Федянин АЛ , Лялин А В , Леонов С В , Муравлев О П Влияни г экранирующей перегородки на энергетические характеристики синхрогаой машины // Труды Всероссийской НТК с международным участием «./ кту-

альные проблемы энергосберегающих электротехнологий» Екатеринбург УГТУ-УПИ, 2006 С 216-221

10 Fedyanin A.L, Leonov S V , Muravlev О P Experimental Investigation of a sealed AC Motor of Disk Type // Proceedings of the 11th International Scientific and Practical Conference of Students, Post-graduates and Young Scientists "Modern Technique and Technologies" (MTT'2005), Tomsk, Tomsk Polytechnic University, 2005 P 92-94

11 Федянин АЛ, Леонов С В , Муравлев О П Исследование режимов работы низкоскоростных синхронных двигателей // Материалы XI-ой Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты», (МКЭЭЭ-2006), г. Алушта 2006 С 34-37

12 Федянин АЛ Низкоскоростной синхронный электродвигатель // Материалы Всероссийской конфренции-конкурсного отбора инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению «Энергетика и энергосбережение» Томск ТПУ, 2006 С 137-142

13 Федянин АЛ, Лялин А В , Леонов С В Исследование синхронного двигателя дискового типа со смещением полюсов // Материалы XII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (СТТ'2006), Изд ТПУ, 2006 С 297300

14 Федянин АЛ., Леонов С В Информационные технологии в моделировании электромеханических систем // Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука Технологии Инновации», Новосибирск НГТУ, 2006. С 258-259

15 Федянин АЛ, Леонов С В , Муравлев О П Анализ применения дисковой машины с магнитной связью двух роторов в составе оборудования ядерно-химической отрасли // Материалы XIII Международной НПК студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии» (СТТ'2007), Изд ТПУ, 2007 С 346-347

Личный вклад автора

В работах написанных в соавторстве, автору принадлежит исследование влияние угла сдвига дисков роторов [1,13] (55%), алгоритм математической модели магнитного поля [2] (40%), разработка основных расчетных модулей программного комплекса [3,7,14] (60%), разработка математической модели взаимодействия дисков ротора [15,8] (65%), разработка алгоритмической модели для исследования статических и динамических характеристик [4,5,6,11] (65%), обзор существующих конструкций герметичных двигателей [9,10,12,15] (75%)

Подписано в печать Формат бумаги 60ч84/16 Бумага ксероксная Плоская печать Печ л Тираж 100 экз Заказ 122 Цена свободная

Изд СГТА Лицензия ИД № 00407 636035, Северск, пр Коммунистический, 65

1. ВВЕДЕНИЕ

2. КОНСТРУКЦИИ ГЕРМЕТИЧНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЯДЕРНО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

2.1 Условия эксплуатации герметичного двигателя и основные технические требования

2.2 Виды герметизации электродвигателей и анализ их эффективности

2.3 Обзор существующих герметичных двигателей

2.4 Тихоходный герметичный синхронный электродвигатель дискового типа

2.5 Постановка задачи по исследованию. Описание достигаемых целей

2.6 Выводы

3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ МАГНИТОСВЯЗАННЫХ РОТОРОВ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

3.1 Классификация и анализ математических моделей и методов моделирования синхронного двигателя

3.1.1 Линейные и нелинейные модели электрических машин с сосредоточенными параметрами

3.1.2 Моделирование синхронного двигателя на основе распределенных характеристик магнитного поля в двумерной плоскости

3.2 Алгоритмическая модель синхронного двигателя с магнитосвязанными роторами

3.2.1 Расчет магнитного поля ротора методом интегрирования по источникам поля

3.2.2 Построение модели с трехмерной схемой замещения статора

3.3 Программный вычислительный комплекс моделирования синхронного двигателя с магнитосвязанными роторами

3.4 Выводы

4. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С МАГНИТОСВЯЗАННЫМИ РОТОРАМИ

4.1 Расчетная область дисковой электрической машины

4.2 Анализ степени неоднородности магнитного поля и расчет характеристик дисковой электрической машины

4.3 Исследование установившегося режима работы и расчет рабочих характеристик электродвигателя

4.4 Исследование устойчивости работы двигателя в пусковых режимах работы и набросе нагрузки

4.5 Выводы

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕРМЕТИЧНОГО СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С МАГНИТОСВЯЗАННЫМИ РОТОРАМИ

5.1. Описание испытательного стенда

5.2. Конструкция макетного образца

5.3. Результаты экспериментальных исследований

5.3.1. Статические характеристики дискового двигателя

5.3.2. Исследование динамических режимов работы дискового двигателя

5.3.3. Анализ экспериментальных и расчетных статических характеристик синхронного двигателя

5.4. Выводы

Актуальность работы. Герметичные электрические машины предназначены для работы на ядерно-химических производствах в условиях аварийных режимах работы для обеспечения безопасности, обсуживающего персонала и окружающей среды от вредного воздействия со стороны технологического оборудования. Эксплуатация герметичных машин в течении многих лет показала, что они имеют малый срок службы, вызванный проникновением внутрь машины технологических жидкостей. Одним из слабых мест в герметизации машины является узел сочленения валов электродвигателя с исполнительным механизмом. Всевозможные попытки защитить места сочленения валов различными типами уплотнения не принесли успеха. Наиболее распространенным способом герметизации двигателей, получили защитные гильзы, которые устанавливались между статором и ротором электрической машины, защищая обмотки статора от воздействия вредных факторов. Однако данный способ, в силу уменьшения энергетических показателей ставит вопрос о разработке нового типа герметичных электрических машин.

Решить данную задачу удалось благодаря успехам в разработке и освоении редкоземельных постоянных магнитов, с высокой магнитной энергией и исследованию торцевых электрических машин. В разработке и исследовании нового типа двигателя, герметизация осуществляется сплошным неподвижным экраном, который располагается между технологическим оборудованием и двигателем, при этом крутящий момент электродвигателя передается к рабочему органу через герметизирующую перегородку, выполненную из материалов стойких к агрессивной среде. Электродвигатель такого типа является объектом исследования в настоящей работе.

Благодаря высоким герметизирующим свойствам экрана создается наиболее благоприятная среда для электродвигателя, так как основная часть остается вне зоны технологической емкости. Внедрение нового типа двигателя повышает экономическую эффективность за счет уменьшения затрат на ремонт оборудования и увеличения межремонтных сроков.

Однако анализ научно-технического состояния данной области техники показал, что разработка такого рода машин требует решения ряда задач, которые в настоящее время недостаточно проработаны и слабо освещены в технической литературе.

В данной работе проводится разработка герметичного синхронного двигателя с двумя магнитосвязанными роторами. Предполагается увеличение времени безотказной работы синхронного двигателя за счет герметичного исполнения магнитной системы электрической машины. Применение двигателя дисковой конструкции дает возможность наряду с высокими энергетическими показателями данной машины установить немагнитные экраны между ротором и статором, защищающие активные элементы магнитной системы (постоянные магниты, изоляцию обмоток) от разрушающего воздействия агрессивной среды, а так же выхода агрессивной среды и технологического аппарата.

Задачей разработки нового электродвигателя является исследование электромагнитных процессов, протекающих в электрической машине при двух роторном исполнении с их магнитной связью. Снижение зубцового эффекта, моделирование процессов при наличии магнитной связи, анализ динамических характеристик машины является основным направлением исследовательской работы. Также не достаточно изученным является влияние величины воздушного зазора на форму внешних характеристик вследствие объемного распределения характеристик магнитного поля в рабочем воздушном зазоре электрической машины с аксиальным магнитным потоком. Данное исследование необходимо проводить с использованием методов и алгоритмов, позволяющих анализировать параметры трехмерных магнитных полей и моделировать на базе их характеристики машины при изменении угла положения ротора относительно статора машины. Построение, таким образом, динамических характеристик способствует более глубокой проработке конфигурации активной зоны, а значит и разработке синхронного двигателя с наилучшими энергетическими показателями при условии герметичного исполнения магнитной системы.

В целом, разработанные математические модели и результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы при создании герметичных электромашинных для ядерно-химических производств.

Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федерации № МК-1128.2004.8, Индивидуального гранта Томского политехнического университета. Приказ ректора от 07/05/07 № 2593

Целью диссертационной работы является разработка и исследование герметичного синхронного двигателя с двумя магнитосвязанными роторами для химического производства. В связи с этим решаются следующие задачи:

1. Разработка математических моделей для исследования трехмерного магнитного поля синхронного двигателя.

2. Проведение комплекса теоретических исследований для поиска наилучших размеров геометрии магнитной системы.

3. Создание программного комплекса, позволяющего автоматизировать проектирование синхронных машин с постоянными магнитами.

4. Разработка конструкции синхронного двигателя.

5. Изготовление макетного синхронного двигателя для экспериментальной оценки результатов теоретических исследований.

Научной новизной работы является:

1. Разработана полевая модель электромеханического устройства на основе расчета трехмерного магнитного поля для моделирования динамических режимов работы синхронных дисковых двигателей с магнитосвязанными роторами, которая позволяет проводить исследование дисковых электрических машин с большим воздушным зазором.

2. Предложена новая конструкция герметичного синхронного двигателя с магнитосвязанными роторами.

3. Разработана математическая модель синхронного двигателя дискового типа на основе комбинированного метода для исследования статических характеристик.

4. Создана математическая модель процесса взаимодействия магнитосвязанных роторов в дисковой синхронной электрической машине для динамических режимов работы.

Практическую ценность представляют следующие результаты исследовательской работы:

1. Разработана конструкция герметичного синхронного двигателя с двумя магнитосвязанными роторами для химического производства.

2. Предложена методика расчета стационарного магнитного поля, которая позволяет исследовать магнитное поле в активном объеме электрических машин.

3. Разработан алгоритм полевой модели электромеханического устройства для моделирования и исследования динамических режимов работы.

4. Создан программно-вычислительный комплекс моделирования статических и динамических электромагнитных процессов, с учетом использования современных численных методов, которые позволяют проводить исследования дисковой электрической машины с постоянными магнитами

Методы исследования

При исследовании электромагнитных процессов, протекающих в магнитной системе дискового двигателя, в настоящей работе использовались теория электрических машин, метод интегрирования по источникам поля, трехмерные математические модель электромагнитного поля, метод простых итераций и метод Зейделя для решения систем нелинейных уравнений, матрично-топологический метод графов, элементы метода Иванова-Смоленского, а также эксперименты с макетными образцами синхронного дискового двигателя.

Все исследования проведены с применением современных ПЭВМ.

Апробация

Результаты проведенных исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на следующих конференциях:

• VIII всероссийская научно-техническая конференция "Современные тенденции в развитии и конструировании коллекторных и других электромеханических преобразователей энергии", (г. Омск, 2003г);

• международная научно-техническая конференция "Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири" (г. Иркутск, 2005г);

• II научно-техническая конференция с международным участием " Электротехника, электромеханика и электротехнологии " (г. Новосибирск, 2005г);

• международная научно-техническая конференция " Электромеханические преобразователи энергии " (г. Томск, 2005г);

• XI международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных "Современные техника и технологии" (г. Томск, 2005г);

• Всероссийской научно-техническая конференция с международным участием "Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий" (г. Екатеринбург, 2006г);

• XI международная конференция "Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты", МКЭЭЭ-2006, (г. Алушта) 2006.

• VIII отраслевая научно-техническая конференция "Технология и автоматизация атомной энергетики" (г. Северск, 2003г);

• XII международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных "Современные техника и технологии" (г. Томск, 2006г);

• Всероссийской научно-техническая конференция молодых учёных "Наука. Технологии. Инновации." (г. Новосибирск, 2005г);

• Всероссийская конфренция-конкурсного отбора инновационных проектов студентов и аспирантов "Энергетика и энергосбережение" (г. Томск, 2006г).

Автор благодарит научного консультанта, кандидата технических наук Леонова Сергея Владимировича за внимательное отношение к работе и практическую помощь в решении поставленных задач.

Публикации

По результатам выполненной работы опубликовано 17 докладов, 1 научная статья и оформлена заявка на патентование вновь разработанной конструкции синхронного двигателя, предназначенного для работы в условиях ядерно-химического производства.

Реализация результатов работы

Основные выводы, полученные при исследовании синхронного двигателя с магнитосвязанными роторами, используются при выполнении работ по разработке синхронных двигателей в насосах для откачки электролитов, по заданию ООО "Завод нестандартного оборудования".

На основе приведенной методики расчета трехмерных магнитных полей разработана компьютерная программа, которая используется в учебном процессе при подготовке студентов в Северской государственной технологической академии.

Разработанная конструкция синхронного двигателя с магнитосвязанными роторами, а так же теоретические и экспериментальные исследования используется в материала при совершенствовании конструкций синхронных электрических машин в ООО "Тетран".

Структура и объем диссертации

Работа состоит из пяти разделов и заключения, содержащих 145 страниц машинописного текста, 4 таблиц, 59 рисунков, списка литературы из 94 наименований.

В первом разделе обоснована актуальность задач разработки и исследования герметичных электрических машин. Сформулирована цель, поставлены основные задачи, описана научная новизна и практическая ценность диссертационной работы, приведена краткая аннотация выполненной работы по разделам.

Во втором разделе проведен обзор существующих конструкций герметичных электрических машин ядерно-химических производств, изложены основные технические требования и условия эксплуатации герметичного двигателя. Определены задачи исследований.

В третьем разделе представлена классификация и подробный анализ математических моделей и методов моделирования электромеханических устройств. В результате был разработан алгоритм расчета, содержащий элементы метода Иванова - Смоленского для расчета статора и метода интегрирования по источникам поля для расчета роторов. Описаны методика и алгоритмы программы расчета магнитного поля синхронного двигателя. На основе метода интегрирования по источникам поля разработана математическая модель ротора синхронного двигателя с полным описанием особенностей геометрии.

В четвертом разделе приведены результаты теоретических исследований магнитного поля герметичной машины. С помощью разработанного программно-вычислительного комплекса проанализированы вопросы устойчивости работы синхронной машины. Также исследовано влияние параметров геометрии статора на величину результирующего магнитного потока и определены те параметры, которые в наибольшей степени оказывают воздействие на энергетические показатели машины.

В пятом разделе представлены результаты экспериментальных исследований макетных образцов синхронного двигателя. Для проведения исследований было изготовлено и испытано два макетных образца для сравнения энергетических характеристик машины при двух способах изготовления магнитопровода статора. В результате проведенных испытаний определены внешние характеристики двигателя при изменении, величины герметизирующего экрана и скорости вращения ротора машины. Получены осциллограммы выходного напряжения при сдвиге дисков роторов друг относительно друга и при работе генератора под нагрузкой.

В заключении приведены основные результаты выполненных научных исследований. Изложены рекомендации, которые могут быть использованы при проектировании малогабаритных торцевых машин с возбуждением от постоянных магнитов.

5.4. Выводы

1. Полученные в результате проведенных экспериментов зависимости подтвердили правильность выбранных методов и адекватность созданных математических моделей. В результате сравнения расчетных характеристик с экспериментально полученными данными, определена погрешность математических моделей дискового двигателя, значение которой не превышает 10%.

2. Выполненный анализ характеристик при двух способах изготовления магнитопровода статора показал возможность применения цельнометаллических стержней статора, при этом потери составляют не более 15 %.

3. Экспериментально определена оптимальная величина сдвига дисков роторов друг относительно друга, которая составляет 15*17 градусов, при которой форма выходного напряжения близка к синусоидальной. В этом случае также снижаются проявления зубцового эффекта и статического момента сопротивления в 2,5 раза. Снижение энергетических характеристик дискового двигателя происходит на 5*7 %.

4. Выполнено экспериментальное исследование внешних характеристик дискового двигателя при изменении скорости вращения вала и величины воздушного зазора дисковой машины. Определен характер изменения энергетических характеристик дискового двигателя. При увеличении воздушного зазора происходит снижение преобразуемой двигательном мощности в допустимых пределах, что подтверждает возможность установки немагнитного экрана в воздушном зазоре.

5. Исследовано положение дисков полюсной системы при пуске двигателя и ступенчатой нагрузке на максимальный момент. Установлено, что в динамическом режиме подмагничевающий ротор опережает приводной ротор на пятнадцать градусов, при этом в установившемся режиме работы сдвиг роторов отсутствует.

127

6. Заключение

В результате проведённых в диссертационной работе исследований поставлены и решены задачи теоретического и экспериментального характера, позволяющие оценить возможности создания надёжных герметичных синхронных двигателей дискового типа и рассчитать параметры синхронного двигателя на основе решения полевых задач электромеханики для совершенствования методов расчёта проектируемых двигателей.

Настоящая работа посвящена изучению процессов, протекающих в герметичном синхронном двигателе с магнитосвязанными роторами при его эксплуатации в составе регулируемого электропривода.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Анализ состояния существующих герметичных электродвигателей показал, что для обеспечения надежных условий эксплуатации электродвигателей в составе технологического оборудования ядерно-химического производства, необходимо заменять общепринятые системы герметизации, герметичные электродвигатели, на более совершенные конструкции, обеспечивающие высокие показатели надежности работы при аварийных ситуациях.

2. Проведенный анализ литературы и патентов показал, что дисковые магнитоэлектрические двигатели обладают рядом положительных качеств, которые позволяют успешно применять их в составе регулируемого электропривода. В качестве объекта исследования выбран дисковый синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов. Двигатель содержит два магнитосвязанных ротора один из которых приводной, а второй подмагничивает и увеличивает магнитное поле машины.

Для обеспечения более высокой надежности герметичность дискового синхронного двигателя целесообразно обеспечивать установкой немагнитного экрана между статором и ротором, закрывающего уязвимые элементы магнитной системы машины (пазы статора, обмотки и полюсную систему ротора).

Сравнительный анализ расчётных методов показал, что аналитическое решение уравнений магнитного поля ротора затруднительно. Для численного решения задачи моделирования магнитного поля ротора целесообразно использовать метод интегрирования по источникам поля, позволяющий производить расчет трехмерного магнитного поля с учетом нелинейности характеристик ферромагнитных материалов. Анализ математических моделей показал, что при расчете статора синхронного двигателя, наиболее оптимальным решением будет применение универсального метода Иванова - Смоленского позволяющего с допустимой точностью моделировать процессы в статоре.

Разработанная математическая модель, синхронного двигателя дискового типа с магнитосвязанными, на основе комбинированного метода расчета использующего достоинства полевого метода и универсального метода Иванова - Смоленского позволяет рассчитать параметры синхронного двигателя, исследовать статические и динамические режимы работы, получить зависимости положения дисков полюсной системы относительно статора машины. Результаты теоретического исследования показали, что во время работы машины сдвиг дисков ротора равен нулю, это обусловлено тем, что радиальные силы притяжения полюсов значительно больше электромагнитных сил создающих приводной момент. В результате теоретического исследования выявлено, что в дисковой машине с магнитосвязанными полюсами момент критический на малых скоростях незначителен и зависит от колебаний дисков ротора при набросе нагрузке, а так же повешенной инертностью роторов

9. Теоретическое исследование статической устойчивости при разных скоростях работы двигателя, позволило сделать вывод о том, что выход из синхронизма может, проявляется при совпадении частот вращения роторов с частотой колебаний относительно друг друга.

10. Полученные, по результатам проведенных экспериментальных исследований, зависимости подтвердили правильность выбранных методов и адекватность созданных математических моделей. В результате сравнения расчетных характеристик с экспериментально полученными данными, определена погрешность математических моделей дискового двигателя, значение которой не превышает 10%.

11. Выполненный анализ статических характеристик, при двух способах изготовления магнитопровода статора показал возможность применения цельнометаллических стержней в составе статора синхронного двигателя, при этом потери составляют не более 15 %.

12. Выполнено экспериментальное исследование внешних характеристик дискового двигателя при изменении скорости вращения вала и величины воздушного зазора дисковой машины. Определен характер изменения энергетических характеристик дискового двигателя. При увеличении воздушного зазора происходит снижение преобразуемой двигательной мощности в допустимых пределах, что подтверждает возможность установки немагнитного экрана в воздушном зазоре.

13. Исследовано положение дисков полюсной системы при пуске двигателя и ступенчатой нагрузке на максимальный момент. Установлено, что в динамическом режиме подмагничевающий ротор опережает приводной ротор на пятнадцать градусов, при этом в установившемся режиме работы сдвиг роторов отсутствует.

130

1. Абрамович Б.Н., Круглый А.А. Возбуждение, регулирование и устойчивость синхронных двигателей. JL: Энергоатомиздат. 1983. - 128 с.

2. Афанасьев А.Ю., Ложеницын B.C., Столов Л.И. Об эквивалентности цилиндрических и торцевых электрических машин // Межвузовский сборник "Электрооборудование летательных аппаратов". Казань: КАИ, 1982.

3. Баклин B.C., Хорьков К.А. Специальный курс электрических машин (мате-матические методы исследования электромагнитного поля в электрических машинах). Томск: Изд-во ТПИ, 1980. - 95 с.

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

5. Белый П.Н. Конструктивное развитие дисковых высокомоментных технологических электродвигателей с высококоэрцитивными постоянными магнитами // Электротехника, 2001, №7. С.20.

6. Белый П.Н. Принципы построения дисковых магнитоэлектрических двига-телей малой мощности // Известия вузов. Электромеханика, 1997, №6.с. 18.

7. Бут Д.А. Анализ и расчет синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов (часть 2) // Электричество, 1996, №7. С.36.

8. Васильцов Э.А., Невелич В.В. Герметичные электронасосы. М., 1968.

9. Веников В. А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. М. - Л.: Энергия, 1964.

10. Вишневский Н.Е. Машины и аппараты с герметичным приводом. Л., 1970.

11. Вишневский Н.Е., Рейнов Н.М. К вопросу использования электромагнитного привода в аппаратах, работающих под давлением. ЖПХ, 1951.

12. Вишневский Н.Е., Тарасов Р.В., Кононенко Ю.Л. Исследование и конструирование герметических реакторов и насосов. В сб. трудов НИИ химаша, 1965.

13. Ганзбург Л.Б., Глуханов Н.П., Рейфе Е.Д. Механизмы с магнитной связью. Л.: «Машиностроение», 1973.

14. М.Генкин А. Э. Оборудование химических заводов М.: Высшая школа, 1986-280 с.

15. Глуханов Н.П. Асинхронный экранированный электродвигатель. В сб. трудов НИИ ТВЧ, 1965.

16. Голубев А.И. Уплотнение вращающихся валов. М., 1974.

17. Гуревич Д.Ф. Расчет и конструирование трубопроводной арматуры. М., 1969.

18. Гуревич Д.Ф., Шапков О.Н., Вишнев Ю.Н. Арматура химических установок. -Л., 1979.

19. Демешко Ю.Ф., Михеев В.И., Основич Л.Д. Сравнительный анализ торцевых и цилиндрических машин по массогабаритным показателям// Электрические машины с составными активными объемами. Новосибирск: НЭТИ, 1989.

20. Дьяконов В.П. MATLAB6/6.1/6.5 + Simulink 4/5. Основы применения. Полное руководство пользователя. М.: Солон-Пресс. 2002. - 768 с.

21. Емельянов И.Я., Воскобойников В.В., Масленок В. А. Основы проектирования механизмов управления ядерных реакторов. М.: Атомиздат, 1978.

22. Иванов-Смоленский A.B. Электрические машины. М.: Энергия, 1980. -928 с.

23. Иванов-Смоленский A.B. Электромагнитные поля и процессы в электрических машинах и их физическое моделирование. М.: Энергия, 1969. -304 с.

24. Игнатов В.А., Вильданов К.Я. Торцевые асинхронные электродвигатели интегрального изготовления. -М.: Энергоатомиздат, 1988.

25. Итенберг С.С., Дахкильгов Т.Д. Геофизические исследования в скважинах. М.: Недра, 1982.

26. Ихваненко А.Г., Юрачковский Ю.П. Моделирование сложных систем по экспериментальным данным. М.: Радио и связь, 1987. - 120 с.

27. Камнев Ю.М. Эффективность применения беспроводных забойных телесистем при бурении скважин в Западной Сибири // НТЖ. Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. М.: ОАО "ВНИИОЭНГ", 1997, №1. С.15.

28. Канторович З.Б. Основы расчета химических машин и аппаратов. М., 1961.

29. Каранкевич А.Г., Леонов C.B., Муравлев О.П. Квазистационарная полевая модель аксиальной электрической машины // Современные техника и технологии: Труды 10-ой юбилейной международной научно-практической конференции. Томск, 2004.

30. Ковалев Ю.З., Горюнов В.Н., Ходько Д.Г. Расчет трехмерного магнитного поля в электрических машинах с редкоземельными магнитами // Электричество, 1991, №5.

31. Коган В.Б., Харисов М.А. Оборудование для разделения смесей под вакуумом. Л., 1976.

32. Конторович З.Б. Основы расчета химических машин и аппаратов. М.: ГНТИ, 1960.

33. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. -М.: Высшая школа, 1994. 248 с.

34. Корндорф Б.А. Техника высоких давлений в химии. JI. М., Химиздат, 1952.

35. Костенко Н.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины. Ч. П. Л., Э -1973.

36. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины. Ч. 2 -Машины переменного тока // Учебник для студентов высш. техн. учеб. заведений-Л.: Энергия, 1973. -648 с.

37. Кузин Ф.А. Диссертация. Методика написания. Правила оформления. Порядок защиты: Практическое пособие для докторантов, аспирантов и магистров. М.: Ось-89, 2000. - 320 с.

38. Курбатов П.А. Анализ силовых взаимодействий в электромагнитных системах электрических аппаратов. М.: Изд-во МЭИ, 1994. - 28 с.

39. Лащинский A.A. Конструирование сварных химических аппаратов. . Л., 1981.

40. Ледовский А.Н., Ледовская Н.Е. Особенности проектирования торцевых синхронных машин с высококоэрцитивными постоянными магнитами // Известия вузов. Электромеханика, 1984, №4. С.8.

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

42. Леонов C.B., Михайлов A.A., Хорьков К.А., Щипков A.A. Расчет магнитных систем с постоянными магнитами // Научно-техническая конференция: "Технология и автоматизация атомной энергетики" Тез. докл. -Томск: Изд-во ТПУ, 1999. С.38.

43. Мартынов В.А., Щелыкалов Ю.Я. Моделирование динамических электромагнитных процессов электрических машин методом зубцовых Контуров // Электротехника, 1996, №2. С.21.

44. Матханов Х.Н. Основы анализа электрических цепей. Линейные цепи.: Учеб. для электротехн. и радиотехн. спец. 3-е изд. переработ, и доп. М.: Высш. шк., 1990.-400с.

45. Мэтьюз Д.Г., Финк К.Д. Численные методы. Использование Matlab. M.: Вильяме, 2001.-720 с.

46. Никулин И. А., Трошин В. А., Тюханов Ю. М. Расчет режима возбуждения синхронных двигателей, обеспечивающего минимум потерь электроэнергии.-М.: Энергия, 1978.

47. Осин И.Л., Антонов М.В. Устройство и производство электрических машин малой мощности. М.: Высшая школа, 1988. - 214 с.

48. Основы теории цепей: Учеб. для вузов // Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. 5-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1989.-528 с.

49. Павлушенко И.С., Смирнов H.H., Романков П.Г. О влиянии перемешивания на процесс химического превращения. ЖПХ, 1961.

50. Патент Российской Федерации № 2129669 // Бессальниковый электронасос с вентильным двигателем постоянного тока.

51. Патент Российской Федерации №2101838. Герметичный бесконтак-тный синхронный генератор торцевого типа МПК Н 02 К1 // 08. Бази-левский А. Б. от 01.10.98.

52. Патент Российской Федерации № 2076434. Торцевая бесконтактная электрическая машина. МКИ4 Н 02 К 19 / 36. Михеев В.И., Елшин А.И., Казанский В.М. от 24.12.92.

53. Пеккер И.И. К расчету магнитных систем методом интегрирования по источникам поля // Изв. вузов. Электромеханика, 1968. №9. С.940 943.

54. Пеккер И.И. Расчет магнитных систем методом интегрирования по источникам поля // Изв. вузов. Электромеханика, 1964. №10. С.1047 1051.

55. Пеккер И.И. Расчет постоянных магнитов путем интегрирования по источникам поля // Изв. вузов. Электромеханика, 1969. №6. С.599 606.

56. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М., «Химия», 1972.

57. Потемкин В.Г. Система инженерных и научных расчетов Matlab. М.: Диалог-Мифи, 1999. - 304 с.

58. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением. М., 1975.

59. Сабирова Г.В., Маньковская Н.К., Вишневский Н.Е. Применение реакторов верхним герметичным приводом для разложения мыл синтетических жирных кислот углекислотой. В кн.: Химическая технология, 1973.

60. Сергеев П.С., Виноградов Н.В., Горяинов Ф.А. Проектирование электрических машин. М.: Энергия, 1969.

61. Синев Н.М., Удовченко П.М. Бессальниковые водяные насосы. М., Атомиздат, 1972.

62. Синев Н.М., Удовиченко П.М. Герметические водяные насосы атомных энергетических установок М.: Атомиздат, 1967. - 375 с.

63. СипайловГ.А., Кононенко Е.В., Хорьков К.А. Электрические машины. -М.: Высшая школа, 1987. 287 с.

64. Сипайлов А.Г., Кононенко Е.В. Хорьков К.А. Электрические машины. Учебник для вузов. -2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1987. -287 с.

65. Сипайлов Г.А., JIooc A.B. Математическое моделирование электричес-ких машин (АВМ) // Учебное пособие для студентов вузов. М.: Высшая школа, 1980.-176 с.

66. Тамоян Г.С., Нука И.Ф. Расчет электромагнитного поля и потерь в магнитопроводе статора торцевых электрических машин // Электричество, 1987, №10.

67. Теоретические основы электротехники. Т.1. Основы теории линейных цепей./Под ред. П.А.Ионкина // Учебник для электротехн. вузов. Изд.2-е , перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1976. - 544 с.

68. Тозони О.В., Маергойз И.Д. Расчет трехмерных электромагнитных по-лей. Киев: Техника, 1974.

69. Тозони О.В. Метод вторичных источников в электротехнике. М.: Энергия, 1975. - 295 с.

70. ФевралеваН.Е. Магнитотвердые материалы и постоянные магниты. Справочник. Киев: Наукова думка, 1969.

71. Федянин А.Л., Леонов C.B., Каранкевич А.Г., Муравлев О.П. Программ-мный комплекс моделирования электромагнитных процессов // Межвуз. Сб.науч.трудов «Оптимизация режимов работы электромеханических систем». Красноярск. ИПЦ КГТУ, 2004. С.127-132.

72. Федянин А.Л., Леонов C.B., Лялин A.B., Щипков A.A. Герметичная электрическая машина // Электротехника, электромеханика и электротехнологии / Материалы второй НТК с международным участием Под ред. Н.И. Щурова. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. - с.8-10.

73. Федянин А.Л., Леонов C.B., Мельничук О.В. Применение CAD/CAM/CAE технологии в проектировании герметичного двигателя // "Инновации: Экономика, Образование, Технологии" / Северский Инновационный Форум ". Северск: Изд. СГТИ, 2005. - С. 128.

74. Федянин A.J1., Леонов C.B., Мишин М.В., Калаев В.Е. Моделирование динамических процессов электрических машин // Материалы отраслевой научно-технической конференции" Технология и автоматизация атомной энергетики". Северск: Изд. СГТИ, 2003. - С. 60.

75. Федянин А.Л., Леонов C.B., Муравлев О.П. Программный комплекс моделирования электромеханических устройств // Электромеханические преобразователи энергии: международная НТК Томск, 20-22 октября 2005. - Томск: Изд. ТПУ, 2005. - с.163-165.

76. Федянин А.Л., Леонов C.B. Новиков E.H., Полунин Д.В. Разработка математической модели двухроторного дискового электродвигателя //

77. Материалы отраслевой научно-технической конференции" Технология и автоматизация атомной энергетики". Северск: Изд. СГТА, 2007.- С. 60

78. Федянин А.Л., Муравлев О.П., Леонов С.В., Калаев В.Е., Лялин А.В. Исследование герметичной синхронной машины дискового типа // Изв. вузов. Электромеханика, 2006. №3. С. 23-25.

79. Черноусов Н.П., Кутан A.H., Федоров В.Ф. Герметические химико -технологические машины. М., «Недра», 1971.

80. Чучалин А .И. Математическое моделирование в электромеханике. Учебное пособие. Изд. ТПУ, 1997 - 170.

81. Электроприводы регулирующих органов энергетических реакторов: основы проектирования/ Г. П. Юркевич, Л. М. Мерлин, Г. И. Курахтанов и др. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 240 с.