автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Низкоскоростной торцевой синхронный генератор автономных источников электроснабжения

На правах рукописи

л ^

ФБДИЙ Константин Сергеевич

НИЗКОСКОРОСТНОЙ ТОРЦЕВОЙ СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР АВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0031Т3633

Красноярск - 2007

003173633

Работа выполнена в Политехническом институте ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент, Встовский Алексей Львович

Официальные оппоненты.

доктор технических наук, профессор Христинич Роман Мирославович

кандидат технических наук, доцент Жуков Сергей Павлович

Ведущая организация-

Красноярский государственный аграрный университет (КрасГАУ)

Защита состоится 14 ноября 2007 года в 10.00 на заседании диссертационного совета Д 212 099 07 при ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» по адресу 660074, г Красноярск, ул. Киренского, 26, корпус «А», ауд 224

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Политехнического института ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Автореферат кандидатской диссертации размещен на официальном сайте ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» fhttp //www sfu-kras ru/science/dissertations4)

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просьба отправлять по адресу 660074, г. Красноярск, ул. Киренского, 26, ПИ СФУ, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212 099 07 факс (3912) 43-06-92 (для кафедры ТЭС) e-mail: boiko@krgtu ru

Автореферат разослан «13» Октября 2007 г

Учёный секретарь диссертационного совета к.т.н, доцент

Л

Е А Бойко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы.

Проблема дефицита электроэнергии во многих районах нашей страны может быть решена развитием малой энергетики с использованием богатых водных ресурсов

На территории Красноярского края, обладающего колоссальными гидроресурсами (включая не только большие, но и малые реки), возможно применение свободнопоточных микроГЭС мощностью до 30 кВт и выше

Турбина свободно-поточной микроГЭС в зависимости от скорости реки и мощности установки вращается с частотой от 80 - 120 об/мин Производство свободно-поточных микроГЭС сдерживается из-за их относительно высокой стоимости и низкой надежности, вследствие отсутствия герметичного низкоскоростного генератора малой мощности. Анализ надежности микро ГЭС и ветроэнергетических установок показывает, что большая часть повреждений вызывается выходом из строя генератора и мультипликатора (механизма, повышающего обороты рабочего колеса от 80-120об/мин до необходимых 750-1000 об/мин серийно выпускаемых генераторов) Эти же элементы составляют определенную часть стоимости всей установки

Применение низкоскоростных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов для микро ГЭС и ВЭУ является актуальным с точки зрения обеспечения хороших массогабаритных показателей, простоты конструкции, отсутствием скользящих контактов, с возможностью выполнять генератор низких скоростей вращения, что обуславливает низкую стоимость и высокую надежность Применение низкоскоростных генераторов упрощает конструкцию мультипликатора, а в ряде случаев позволяет обходиться без него

Область применения торцевых машин не ограничивается только автономными микро ГЭС и ВЭУ Начиная с 50-х годов нашего столетия торцевые машины заняли ведущие позиции в технике электроснабжения транспортных средств (авиация и космическая техника, железнодорожный и другие виды транспорта), в ряде промышленных приводов

Анализ литературных источников свидетельствует о большом интересе исследователей к торцевому типу машин

В тоже время торцевая конструкция не позволяет воспользоваться известными методами и методиками расчета цилиндрической электрической машины и требует разработки частных подходов к расчету таких видов машин. Низкоскоростная конструкция торцевого генератора вызывает необходимость размещения постоянных магнитов многополюсного ротора, обмоточных структур статора при ограничении радиального габарита машины, обеспечении качества выходного напряжения, формировании достаточно жесткой внешней характеристики Предлагаемая оригинальная конструкция ротора с постоянными магнитами, при достаточно высокой технологичности, не позволяет регулировать магнитный поток, что требует ограничения сопротивлений статорной обмотки, в частности индуктивного сопротивления пазового рассеяния Все это говорит о необходимости проведения математического моделирования электромагнитного поля в машине с постоянными магнитами, с целью создания инженерной мето-

дики расчета машины с постоянными магнитами, отличающейся относительной простотой, гибкостью, универсальностью в сочетании с низкой погрешностью

Кроме того, опыт проектирования и изготовления торцевых синхронных генераторов показывает необходимость применения современного подхода к моделированию основных физических процессов с использованием детальных твердотельных трехмерных моделей (CAD системы) и решения задач оптимизации геометрии низкоскоростного торцевого синхронного генератора (НТСГ) Настоящая работа посвящена исследованию такого типа машин

Цель работы - совершенствование конструкции низкоскоростного торцевого синхронного генератора, на основе исследования электромагнитного поля в активном объеме машины путем сочетания численных методов расчета и современных компьютерных технологий.

Задачи исследования:

1 На основе анализа существующих конструкций обосновать выбор малогабаритного герметичного генератора и способы повышения его энергетической эффективности,

2 Разработать математическую модель для исследования активных зон торцевого генератора с постоянными магнитами,

3 Разработать методику исследования НТСГ с помощью современных программных систем конечно-элементного анализа,

4 Провести комплекс теоретических исследований для оптимизации геометрии магнитной системы методом Соболя-Статникова и разработать программное обеспечение в среде Delphi для твердотельного моделирования,

5 Изготовить макетный образец торцевого генератора и экспериментально оценить результаты теоретических исследований

Объект исследования: низкоскоростной торцевой синхронный генератор с возбуждением от продольно намагниченных постоянных магнитов на основе редкоземельных материалов (РЗМ)

Предмет исследования электромагнитные поля и процессы в активном объеме торцевого синхронного генератора и способы снижения массы и габаритов, повышения энергетических показателей машины

Научной новизной является:

1 Математическая модель НТСГ, разработанная на основе аналитического исследования магнитного поля, позволяющая осуществлять расчет электромагнитного поля с учетом нелинейности характеристик ферромагнитных материалов,

2 Методика расчета и исследования активной зоны торцевого синхронного генератора с постоянными магнитами с помощью пакета конечно элементного анализа ANSYS,

3 Постановка и решение задачи оптимизации геометрии торцевого синхронного генератора на базе созданной математической модели по критерию минимума массы активных материалов и максимуму перегрузочной способности при заданном напряжении

Практическую ценность представляют следующие результаты работы

1 Разработана оригинальная конструкция герметичного торцевого генератора, обеспечивающая высокую энергетическую эффективность автономных источников питания;

2 На основе комплексных теоретических исследований определена оптимальная (по минимуму массы и высоким энергетическим показателям) геометрия электромагнитной системы НТСГ,

3 Разработана методика расчета стационарного электромагнитного поля, являющаяся основой проектирования предлагаемого торцевого синхронного генератора

4 По разработанной методике электромагнитного расчета спроектированы и изготовлены опытно-промышленные образцы торцевого генератора, конструкция которого защищена патентом (Положительное решение о выдаче патента РФ от 29.05 07. Торцевая электрическая машина Номер заявки №2006121299 от 15 06 06)

Достоверность научных результатов подтверждена удовлетворительным совпадением результатов численного моделирования, полученных с помощью разработанной математической модели низкоскоростного торцевого синхронного генератора, с результатами натурных экспериментов, проведенных на опытном образце

Основные положения, выносимые на защиту.

1 Математическая модель электромагнитного поля торцевого синхронного генератора, позволяет по известным геометрическим размерам и характеристикам материалов статора и ротора найти мгновенное распределение индукции и напряженности, позволяющее определять выходные характеристики и мощность.

2 Для получения распределения индукции в активной зоне машины наиболее рациональным представляется применение программного комплекса АМ-

3 Решение задачи многокритериальной оптимизации торцевого синхронного генератора методом Соболя-Статникова, обеспечивает получение оптимальной геометрии по критерию минимума массы активных материалов и максимума перегрузочной способности при заданном напряжении

4 Предложенная конструкция эффективного автономного маломощного герметичного генератора с концентрацией магнитного потока обеспечивает наибольшую эффективность по стоимостным и энергетическим показателям

Апробация работы. Основные научные и практические результаты докладывались автором и обсуждались на межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь Сибири -науке России», (Красноярск, 2004 г), на 11 международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (ТПУ 2005г), межрегиональной научно-практической конференции «Инновационное развитие регионов Сибири», (Красноярск, 2006 г)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 1 статья в издании по перечню ВАК, 1 решение о выдаче патента РФ на полезные модели, 7 публикаций в межвузовских сборниках научных трудов, сборниках международных и межрегиональных научно-практических конференций и семинаров

Структура и объем диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и двух приложений Содержит 157 страницы, из которых 143 стр - основной текст, иллюстрируется 70 рисунками, 2 стр - приложения, 12 - библиографический список из 126 наименований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ведении определены основные тенденции развития микроГЭС, а также ветроэнергетических установок (ВЭУ), обоснована актуальность использования в автономных электрических станциях малой мощности с низкооборотным первичным двигателем в качестве источников электрической энергии торцевых синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов Сформулированы цель диссертационной работы, научная новизна и практическая ценность поставленных задач

В первой разделе проведен обзор существующих малогабаритных автономных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов, с позиции использования их в указанных установках и рассмотрены проблемы, связанные с их применением

Выбор торцевой конструкции генератора с постоянными магнитами в качестве объекта исследования определен важными преимуществами торцевых электрических машин перед машинами классической конструкции Это связано с простотой конструкции, отсутствием скользящих контактов, возможностью многопакетного исполнения, лучшим охлаждением активной части из-за расположения тепловыделяющих узлов вблизи периферийных поверхностей машины Малый осевой габарит генератора с возбуждением от постоянных магнитов дает возможность обеспечить конструктивную совместимость их с рядом механизмов, компактность и удобство эксплуатации и сборки

В основу НТСГ положен предложенный В М. Казанским в качестве обмоточной структуры активный распределенный слой (АРС) статора, а возбуждение осуществляется от продольно намагниченных постоянных магнитов на основе редкоземельных материалов

Торцевая электрическая машина содержит два статора 1 (рис 1) смонтированных на подшипниковом щите 2 машины, закрепленном в корпусе 3, и ротор. Ротор включает составной диск 4, и ступицу 5 Диск 4 закреплен на ступице 5 соединенной с валом 6, который установлен в подшипниках 7 и 8 подшипниковых щитов 2 и 9 Основой диска 4 ротора является кольцо 10 (рис 2), на котором по периметру закреплены радиально ориентированные магнитомягкие полюсы 11, имеющие в радиальном направлении форму трапеции, обращенной меньшим основанием к кольцу, и - двояковогнутого шестиугольника в попереч-

ном сечении. Между полюсами 11 размещены постоянные магниты 12 (рис. 2, 3), имеющие в поперечном сечении форму выпуклого неправильного шестиугольника, сопряженную с поверхностями двух соседних полюсов в радиальном и осевом направлениях, для фиксации магнитов на диске ротора, так, что соседние магниты обращены друг к другу одноименными полюсами.

!2/ XX, Рис. 2-РоторНТСГ.

Рис. 1 - Торцевая электрическая машина.

Рис. 3 - Статор и ротор НТС.Г.

Также в разделе проведен сравнительный анализ численных и аналитических методов моделирования магнитного поля в электрических машинах. Показано, что для решения определенного класса задач целесообразно применять аналитический метод конечных элементов. Выбор метода конечных элементов обусловлен следующими критериями: возможен расчет магнитного поля с учетом нелинейности характеристик ферромагнитных материалов; высокая эффективность решения полевой задачи и сравнительно несложное определение интегральных характеристик магнитной системы; составление расчетных уравнений производится только для элементов магнитной системы, т.е. возможно описание открытых магнитных систем.

Второй раздел посвящен разработке математической модели и теоретическому исследованию магнитного поля возбуждения торцевого синхронного генератора с концентрацией магнитного потока. Поставлена и решена задача расчета магнитного поля возбуждения торцевого синхронного генератора с концентрацией магнитного потока методом конечных элементов.

Исходными данными для решения являются развертка машины с постоянными магнитами (рис. 4), семи зонная расчетная модель, а также общие решения уравнений магнитостатики для дискретно-однородной полосы с постоян-

ными магнитами в виде рядов по кусочным функциям и для однородных полос

по гладким собственным тригонометрическим функциям. Уравнения магнитостатики для любой зоны машины имеют вид:

Я = я

дх у ду'

дх ду Вх=В0(х) + ^(х)Нх-, Ву=Му(х)Ну.

Рис. 4 - Развертка машинь! с постоянными магнитами. ^ ц (х) — ступен-

чатые функции координаты х; Нх, Вх - компоненты векторов магнитной индукции и напряженности по оси х; Ну,Ву - по оси у, В0(х) — функция остаточной индукции магнита.

Структура активного объема торцевой электрической машины, используемая для построения расчетной модели, представлена в общепринятом виде поперечным разрезом на рис. 3.

Выражение для составляющей вектора магнитной индукции в воздушном зазоре (зона 3, 5) расчетной модели, полученная из решений уравнений магнитостатики имеет вид:

В!,=!Л0~ = ИоЪ\ ск^г■ $■ «и-

к-я

-С3 -яи--х,

т

(1)

т т

где Мк - постоянные интегрирования определяемые из условия непрерывности потенциала, т- полюсное деление по среднему диаметру, 8 - величина воздушного зазора.

Поле возбуждения В,у, созданное магнитами ротора и поле реакции якоря В4у относительно неподвижны, а поле реакции якоря является периодическим, с периодом равным периоду поля возбуждения. Пространственно эти поля сдвинуты друг относительно друга на внутренний угол нагрузки 6>. Тогда поле реакции якоря этой же поверхности будет описываться выражением:

(2)

где С4 - постоянная интегрирования являющаяся функцией настила тока:

]

ипсл ' I ф

(3)

где ипс1 - число проводников в пазу статора, - зубцовый шаг статора по внутреннему диаметру.

Соотношение для фазного тока статора может быть получено из уравнения, составленного по второму закону Кирхгофа для одной из фаз.

1ф 2н —1ф (ra+J хл)-]0у/ (4)

где - ток фазы статора, га - активное сопротивление фазы статора, хя — индуктивное сопротивление лобового рассеяния, неучтенное в модели (рис 3),

у/ - потокосцепление в активной зоне фазы, гн - сопротивление нагрузки.

Составляющая ]СО\у в соответствии с законом электромагнитной индукции определяется.

т

]°>Ч'ф = р а Ву 1в (5)

о

где В - сумма векторов магнитной индукции реакции якоря В4у (2) и ротора В3у (1); 1¥ф - число витков фазы статора, 1г - активная длина пакета статора

Подставив в (5) выражение вектора магнитной индукции реакции якоря В4у (2) и ротора В3у (1) решаем уравнение (4) относительно тока После несложных преобразований выражение для фазного тока статора примет вид

1Ф =-

] со Взу 1е г

га+] *,+./ а> ГГф 1г т Мо ипсй У (Х + г)-гн

к х + 0 т^

(6)

где

У = •

зщк я —

I, СОЛ К — С<м(<9)

-1

сЯ л —

2 \ -1

п

здесь - высота магнита

Так как числитель представляет собой ЭДС магнитного поля ротора, тогда синхронное индуктивное сопротивление равно.

*<=] ® Ь 7 Мо ипсп У {Х + 2)+} х„ (7)

Электромеханическая мощность, развиваемая ротором синхронной машины с беспазовым статором, равна приращению действительной части потока вектора Пойнтига при переходе через границу ротор - воздушный зазор Учитывая, что на граничной поверхности касательные составляющие напряженности магнитного поля равны Ял=Ял, а Е^-Ез -иВ можно записать.

Р=2р и-Яе \ВУР Щ —+& \ Нс1х

для первой гармоники

(8)

о V *

Используя это выражение, аналитически рассчитывается номинальное значение мощности Рн, подставлением в выражение (Б) значение угла ®, рассчитанного при номинальном значении фазного тока 1Ф Угловая характеристика

торцевого синхронного генератора геометрических параметров на перегрузочную способность генератора.

Экспериментальные данные, показали, что расчетная математическая модель гарантирует хорошую сходимость расчетных и экспериментальных характеристик проектируемого генератора.

Расчетная и экспериментальная угловая характеристики активной мощности генератора Р = 2 кВт представлены на рис. 5.

В третьем разделе проведен анализ степени неоднородности магнитного поля торцевого синхронного генератора и его моделирование методом конечных элементов (МКЭ) с помощью специализированного комплекса ANS YS.

Применение при разработке специализированного программного обеспечения Solid Works 2006 для создания геометрических моделей позволяет быстро и

наглядно оценить результаты расчетов.

В большинстве проводимых исследований в среде ANSYS пользователи сводят свою задачу к плоскопараллельной модели. Такое моделирование наиболее простое и, наименее трудоемкое. Однако при таком подходе нет полной картины распределения магнитного поля. В данном же случае применение плоско-параллельной задачи невозможно из-за специфически сложной геометрической модели.

При решении трехмерной полевой - задачи обычный пользовательский компьютер не в состоянии произвести расчет сетки магнитной системы генератора с большим количеством элементов без ее преобразования.

Расчетная модель (рис. 6) была упрощена по сравнению с реальной конструкцией приведенной на рисунках 1,2 за счет проведения исследования одной фазы модели с Ри = 1000Вт,= 12, а также за счет замены слоев провода в обмоточном модуле распределенной обмотки статора намотанных на пластины геометрическими объемами прямоугольной формы.

При построении КЭ модели материалы постоянных магнитов и электротехнических сталей задавались с использованием В-Н характеристик. При этом В-Н характеристики РЗМ приняты линейны, а магниты однородными, изотропными, равномерно намагниченными. Таким образом, КЭ модели не используют допущения о бесконечной магнитной проницаемости магнитопровода и построены

и позволяет проанализировать влияние

-- Расчетная характеристика

- Экспериментальная характеристика

Рис. 5 - Угловые характеристики генератора

Рис. 6,- Твердотельная расчетная модель.

на основе реальной геометрической конфигурации исследуемых электрических машин. В связи с этим, полученные МКЭ решения можно считать «точными». Такое предположение позволяет сопоставить результаты расчетов по формулам с результатами расчетов МКЭ, и перейти к анализу погрешности аналитических решений. Для оценки точности аналитического решения использованы значения магнитной индукции в зазоре машины.

Преобразованная геометрическая модель, полученная в результате конструирования активной зоны синхронного генератора, в конечно-элементную модель представлена на рис. 7. Полученная модель используется как основа для конечно-элементного анализа и реализации решения.

Наличие зубцов статора приводит к тому, что кривая магнитной индукции имеет волнообразный характер и ЭДС, индуцируемая в проводнике, лежащем в пазу якоря, имеет такой же вид. Для сравнения качества выходного напряжения в зависимости от числа зубцов в статоре проведен анализ изменения магнитной индукции генераторов (Р = 1000Вт , р = 12) с различным исполнением магнитной системы таблица 1.

Таблица 1. - Исследуемые магнитные системы.

Вариант £>,,м 1 Хп, Ом В5, Тл Ом,кг

1 0,229 216 45,256 0,668 1148 199,11 0,449

2 0,343 324 7,52 0,659 3303 229,48 0,629

3 0,458 432 2,405 0,638 5,301 226,56 0,809

Рис. 7 - Конечно элементная модель.

Исследование неоднородности магнитного поля в торцевом синхронном генераторе выполнено на основе рассмотрения изменения магнитной индукции вдоль поверхности полюсов ротора и статора на одну фазу машины. Распределение магнитной индукции в фазе статора с числом зубцов Z = 324 представлено на рис.7.

Анализ рис. 8 показывает, что результаты расчета магнитной ин-Рис. 8 - Распределение магнитной индукции дукции в зазоре МКЭ соответствует в фазе статора. аналитическим решениям. Получен-

ные результаты, несмотря на упрощение расчетной трехмерной модели, имеют хорошую сходимость с двухмерной математической моделью, разброс получен-

ных результатов составляет не более 5%, что подтверждает правильность математического аппарата для проектирования ТСГ Так же подтверждается теоретическое заключение о том, что в машине с продольно намагниченными магнитами большая часть поля вытесняется в область рабочего зазора.

На основе полученных данных была вычислена относительная погрешность расчета. Полученные значения магнитной индукции в зазоре и погрешностей рассчитанных генераторов сведены в таблицу 2.

Таблица 2. - Относительная погрешность методов расчета.

Вариант Аналитический Метод конечных элементов Относительная погрешность, %

1 0,668 0,691 3,329

2 0,659 0,661 0,303

3 0,648 0,638 1,557

Результаты расчета качественно отражают значительную неоднородность поля в роторе и статоре синхронного генератора и этим подтверждают необходимость рассмотрения трехмерного распределения магнитной индукции в зазоре (рис 8) при проектировании машин с постоянными магнитами

Дальнейшее решение поставленной задачи сводится к рассмотрению распределения нормальной составляющей вектора магнитной индукции в зубцах статора исследуемой фазы (фаза А) для трех вариантов Полученные результаты конечно-элементного расчета для магнитной индукции в фазе статора с числом зубцов 2 = 324 представлены на рис 9

Анализ кривых распределения магнитной индукции показал, что с увеличением числа зубцов в фазе, форма кривой наиболее близка к синусоидальной, , что свидетельствует о качестве выходного напряжения (рис 9) Однако увеличение зубцов в статоре зачастую не оправдано из-за значительного увеличения массогабаритных показателей и соответственно массы дорогостоящих материалов Выполнение генератора с малым активным диаметром не оправдано из-за увеличения высоты зубца статора и, как следствие, значительного влияния сопротивления пазового рассеяния на энергетические показатели машины В связи с этим возникает необходимость поиска компромисса между энергетическими и массогабарит-ными показателями ТСГ

т,м

— Идеальная форма магнитной индукции - Конечно-элементный расчет

Рис 9 - Кривые распределения индукции в фазе статора

Принимая во внимание, что для получения генератора на низкие частоты вращения, возникает необходимость в увеличении числа полюсов машины и, как следствие, в увеличении количества магнитов в роторе Поэтому возникает

100 200 300 400 500 600 700 800 п,об/мин Рис 10 — График зависимости частты вращения от массы магнитов

необходимость в определении оптимального диапазона скоростей генератора в зависимости от массы магнитов

Кривая зависимости частоты вращения от массы магнитов в роторе для генератора мощностью Рн = 10005т представлена на рис 10

Из графика зависимости частоты вращения ТСГ от массы магнитов видно что в диапазоне скоростей от 800 до 187,5 об/мин (от р=2 до р-8) масса магнитов в роторе изменяется от 0,31 до 0,52 кг т е увеличение массы магнитов в роторе всего лишь на 0,21 кг позволяет снизить число оборотов более чем в 4 раза, тогда как, при проектировании генератора на более низкие обороты от 187,5 до 93 75 об/мин (от р=8 до р=16) происходит резкое увеличение массы магнитов от 0,52 до 1 кг, что ведет не только к значительному увеличению радиального размера и массы генератора, но и к существенному возрастанию стоимости проектируемой машины

Таким образом, с целью получения удовлетворяющих массогабаритных, энергетических и стоимостных показателей возникает необходимость, в детальном подходе к выбору постоянных магнитов, в исследовании их режимов работы, а также в применении методов оптимизации геометрических параметров генератора

Проведенный обзор существующих материалов, используемых при изготовлении постоянных магнитов, показал, что наиболее перспективными для системы возбуждения ТСГ являются спеченные магниты Ш-Бе-В.

Специфические свойства этих магнитов в сочетании с проведенным исследованием диаграммы магнитов позволили добиться повышения КПД и снижения удельной массы, а также обусловили появление новых типов конструктивного исполнения торцевого генератора, в частности машины с совокупностью чередующихся продольно намагниченных магнитов

В четвертом разделе на основе полученных результатов приведена разработанная инженерная программа многокритериальной оптимизации методом Соболя-Статникова и экспериментальные исследования торцевого синхронного генератора с постоянными магнитами.

Целью поиска оптимальных геометрических параметров торцевого синхронного генератора является выбор наилучшего варианта, что подразумевает наличие критерия оптимальности - количественной оценки оптимизируемого ' показателя качества низкоскоростного торцевого синхронного генератора К показателям качества НТСГ можно отнести- массогабаритные показатели, техно-

МенюФзйл

J Лит- . <«ин OngxTt cw+o

п18ЙЮ ВИД

lit ttfmu*

-¿э Кас.:#дои Jj Сяесо «лпр«о 3 Смр*,»».) У СыгчутеК*

логичность, надежность, качество вырабатываемой электроэнергии, суммарные затраты на изготовление и эксплуатацию и т.д.

Расчетная модель реализована в CAE-среде в форме приложения, реализующего расчет дифференциальных параметров электромагнитного поля в активном объеме машины и выходных ее характеристик: полезной мощности, внешней характеристики как функциональных зависимостей от реальной геометрии машины. Расчетная модель включает блок оптимизации, позволяющий сформулировать критериальные ограничения и критерии качества для конкретного случая, выполнить м«метис поиск с учетом их опти-

мального решения, а так же построить твердотельную модель по выходным оптимизационным параметрам, позволяющую автоматически выполнить рабочие чертежи генератора. Интерфейс расчетной модели (рис. 11) реализован в соответствии со стандартами Windows, включает все виды меню, контейнеры кнопок, построитель графиков и другие стандартные средства.

Рис. 11 - Интерфейс расчетной модели Приложение позво-

ляет вводить данные, читать их из файла, сохранять протоколы расчетов в виде документов, выводить их на печать, передавать подсистеме конструирования генератора и твердотельного моделирования. Ввод данных защищен от ошибок пользователя стандартными средствами и специальными алгоритмами.

Расчетная модель позволяет сформировать выходной поток данных:

• энергетические характеристики (мощность, КПД, напряжение, ток ста-торной обмотки);

• массогабаритные показатели, необходимые для производителя машины (массы электротехнической стали, обмоточной меди, магнитов)

• массогабаритные показатели, необходимые для потребителя (общая масса машины ее габаритные размеры);

• геометрические параметры машины (внутренний активный диаметр, активная длина статора и ротора, диаметр обмоточного провода, количество витков обмотки статора, размеры магнита, высота ярма статора и ротора, воздушный зазор);

• конструктивные параметры машины (число пазов, число полюсов, размеры полюсов и магнитов ротора, количество зубцов в обмоточном модуле).

'горцспрго гё)гердгора^(НТ^гЗ|0 «SjJ 1. - -f v .

ii Qpewi Ё«Д <Sp№* ¿npJBAj _ f X

il2[4iiy JLi. J _$j.>>j

СЙисыгь т«сущее ont

£ Ш^ШШШШЩЩ i ! sd ¡С] ml

1 figecwun ci^l НРУПЙЬЙ ЗИЗ«ЖЙ '

Расчет геометрии жхсй" гехмтор

Uj3 Моиел'ро&лме | I^JHjMMne. K>t«l»«ai Ai" "to* ¿J P«t'«MT|i

Ht) Пм-w» ! ^VJ СОМОН- Г»еякие значки

jiJHsMfW»» KiBWUr

.¿VPv.-'-^v 'f'W« Опискам

¡'¿¿Сомэт.отче?

^Им^Т ...... " Описан»; : Ссстtmuz 1 Выло/т>мл 1 i

Blform***

iJCoM«b OT-rtT Таблиц««

iBgg8gSESSS§ iESaESEB8SSSBS!!SSSSESSB£3!

Варьируемыми параметрами для синтеза НТСГ выбраны внутренний активный диаметр £>,, активная длина машины 1В, рабочий зазор §, индукция в зазоре машины плотность тока в проводниках обмотки статора у

Качественные характеристики и количественная величина влияния каждого из перечисленных варьируемых параметров на характеристики генератора зависит от того, какое значение имеют при этом остальные параметры

На первом этапе пользователь устанавливает значения параметрических ограничений. Программа автоматически формирует множество решений, удовлетворяющих заданным ограничениям

На втором этапе, основываясь на коллекции допустимых решений, назначаются критерии качества и приоритеты, которые устанавливают весомость каждого из критериев Далее программа автоматически выполняет проверку полученного множества на непустоту При положительном результате проверки, на выходе получается ранжированная коллекция, с минимальным количеством решений, удовлетворяющих всем ограничениям и критериям качества

После минимизирования коллекции, пользователь выбирает из нее окончательные варианты и сохраняет их в файле или передает на моделирование

Сравнение результатов полученных методами многокритериальной оптимизации и однофакторного анализа, приведены в таблице 3

Таблица 3. - Сравнительный анализ методов оптимизации

Выходные параметры Соболь-Статников Однофакторный анализ %

Воздушный зазор, м 0,001 0,001 0

Индукция в воздушном зазоре, Тл 0,69 0,7 1,429

Активная диаметр, м 0,36 0,349 3,152

Активная длина, м 0,039 0,04 2,5

Плотность тока А/мм'' 4,1 4,5 8,889

Напряжение, В 226,818 222,481 0,728

Мощность, Вт 4541 4164 9,054

Масса генератора, кг 30,069 32,377 7,676

Масса магнитов, кг 1,4256 1,513 6,131

Наружный диаметр, м 0,4467 0,4383 1,916

Индуктивное сопротивление, Ом 4,198 5,335 21,312

Из таблицы 3 видно, что применение метода СобоЛя-Статникова не только позволило снизить массу дорогостоящих магнитов и суммарную массу практически на 8%, но и увеличить энергетические показатели машины на 9% за счет снижения влияния индуктивного сопротивления пазового рассеяния

После оптимизационного расчета выходной поток данных, формируемый математической моделью электромагнитного поля, может быть сохранен в файле обмена данными или передан в среду проектирования ТСГ.

Среда проектирования ТСГ реализует алгоритмы конструирования элементов генератора Кроме основного функционала SolidWorks2006, приложение использует библиотеку API, параметризацию, уравнения связи параметров и таблицы параметров

Конструирование статора начинается с расчета параметров эскиза (рис. 12) и твердотельной модели обмоточного модуля (рис. 13) по формулам (9) и (10):

а = ^1п' + £>;! * кт

—2 агс^, , р* т ^ д;)

(9)

Ъ = йе *эт

р* т_у Ре )

где Ы - толщина пакета, рассчитываемая по формуле:

= + + 0,2), 6* р

(10)

т - число фаз; р-число пар полюсов; ГН- активный внутренний диаметр; Неактивный наружный диаметр; 2\ -число зубцов статора; Ьг 1- толщина зубца статора; с1п- диаметр изолированного провода; гчисло слоев провода в пазу.

Рис. 12. - Эскиз статора. Рис. 13 - Твердотельная модель статора.

После того, как обмоточный модуль сформирован, конструируются элементы сборки, имеющие зависимые от него параметры. Одним из таких элементов является сборка обмоточных модулей, показанных на рис, 13. Обмотки статора формируются как сборка двух однотипных обмоточных модулей в круговой массив этого компонента с числом элементов, соответствующим числу полюсов торцевого синхронного генератора.

Использование приложения, реализованного в САЕ-среде и метода многокритериальной оптимизации Соболя-Статникова, позволило не только выявить оптимальное сочетание геометрических параметров генератора, с учетом заданных КПД и мощности генератора, но и многократно сократить сроки проектирования на этапе от технического задания до комплекта рабочей документации, при сокращении численности разработчиков на изделие, включающее в себя несколько тысяч компонентов (сокращение трудоемкости по сравнению с нормативной в 3-7 раз).

Используя созданное приложение, был проведен анализ влияния геометрических параметров на индуктивное сопротивление пазового рассеяния Результаты исследования показали, что наибольшее влияние на нелинейность характеристик оказывает величина индукции в рабочем зазоре Вь и активная длина статора при этом влияние остальных параметров имеет вполне определенную зависимость

Анализ изменения индуктивного сопротивления пазового рассеяния Xц от активной длинны пакета статора (рис 14) показал, что вид кривой обусловлен уменьшением высоты зубца , вследствие уменьшения числа проводников в пазу статорной обмотки Vп, „ Разработанная программа электромагнитного расчета ТСГ построена таким образом, что после предварительного расчета числа проводников фазы статора происходит округление полученного результата до ближайшей четной величины, обусловленной условием построения обмоточного модуля Это изменение происходит скачком, что определяет скачкообразное изменение Х„ при увеличении индукции.

(jlul Kl, Р.П1 . '««* !S , X» OmJ

40 40 10000- 50

36 36 9000 - 45

32 32 8000 40

28 28 7000 3 5

24 24 6000 3 0

20 2 0 5000 25

16 I 6 4000 20

12 1 2 3000 1 5

8 0 8 2000 1 0

4 04 1000 05

24 26 28 3 3 2 34 36 3 8 4 42 44 46 /, и

Рис 14 - Влияние геометрических параметров на сопротивление пазового рассеяния

С увеличением активной длинны пакета статора 1Й увеличивается магнитный поток Ф6, число витков фазы статора уменьшается Wx и как следствие уменьшается число проводников в пазу статора Таким образом, после каждого округления и уменьшения числа проводников в пазу статора на 2 происходит скачкообразное снижение уточненного числа витков, что объясняет ступенчатый вид характеристик Х„ = f(ls)

Непропорциональность изменения числа витков и увеличения индукции приводит к возрастанию массы магнитов Gm, за счет увеличения высоты магнитов htl, и соответственно полюсов

Уменьшение числа витков в свою очередь приводит к снижению ЭДС Е0 и выходного напряжения £/, машины.

Для дальнейших исследований и оценки адекватности результатов теоретических расчетов был сконструирован и испытан макетный образец генератора с аксиальным магнитным потоком со следующими номинальными данными:

Мощность Рн,Вт Напряжение V н, В Частотаf, Гц Число полюсов 2р.

2000 220 50 20

(а) (б)

Рис. 15 - Стенд для испытаний генератора (а) фото, (б) твердотельная модель.

В таблице 4 приведены рабочие характеристики генератора (значения напряжений, тока мощности, частоты и коэффициента мощности), полученных при стендовых испытаниях.

Таблица 4 - Экспериментальные характеристики генератора

№ замера иф,в 1ф,Л РАФ,Вт Рвф ,Вт РСФ ,Вт РгФ, Вт / со $<р

1 245 0 0 0 0 0 53 -

2 235 1,7 380 376 380 1136 50 0,98

3 225 2,7 595 590 595 1780 50 0,979

4 222 3,05 668 663 667 1998 50 0,986

5 220 3,6 808 806 809 2423 50 0,978

6 205 3,95 889 890 886 2665 50 0,988

Цель стендовых испытаний: проверка работоспособности торцевого синхронного генератора: снятие внешней характеристики и выходных параметров

Испытания подтвердили работоспособность конструкции. Получены результаты весьма близкие к расчетным. Расхождение с расчетными характеристиками в рабочем режиме не превышают 7 %. Перегрузочная способность генератора оказалась ниже расчетной на 12 %, что объясняется прежде всего погрешностями технологии производства опытного образца и высокими значения-

ми индуктивных сопротивлений пазового рассеяния Более точный учет последних требует уточнений в электромагнитной модели генератора Температура обмоток во время испытаний не превышала допустимые 85 и составила 75°, что подтверждает правильность выбранных тепловых параметров и позволит в дальнейшем уменьшить сечение (а следовательно, и массу) проводников обмотки статора

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 На основе анализа существующих конструкций обоснован выбор малогабаритного герметичного низкоскоростного торцевого синхронного генератора повышенной энергетической эффективности,

2 Разработана математическая модель расчета электромагнитного поля в объеме торцевой синхронной электрической машины с применением слоистых расчетных моделей и кусочно-неперерывных собственных функций, для исследования активных зон торцевого генератора с постоянными магнитами,

3 На основании решения уравнений магнитостатики и уравнения равновесия для одной из фаз аналитические выражения для магнитной индукции реакции якоря, фазного тока и синхронного индуктивного сопротивления, необходимые для расчета (выходных внешней и угловой) характеристик генератора

4 Разработана методика исследования НТСГ с применением программного комплекса ANSYS, основанного на методе конечных элементов, позволяющего не только уменьшить затраты при разработке новых изделий, сократить объем дорогостоящих стендовых испытаний (или отказаться от них)

5 С помощью разработанного программного комплекса в пакете ANSYS был проведен расчет нескольких торцевых синхронных генераторов с различным числом зубцов в фазе статора Для сравнения качества выходного напряжения, проведены исследования и определена зависимость изменения магнитной индукции от величины воздушного зазора для возможности выбора в каждом конкретном случае их значений, с целью получения удовлетворяющих энергетических показателей

6 Используя созданное приложение, реализованное в CAE-среде, и метода многокритериальной оптимизации Соболя-Статникова, проведен комплекс теоретических исследований для оптимизации геометрии магнитной системы по критерию минимума массы активных материалов и максимума перегрузочной способности при заданном напряжении, разработано программное обеспечение в среде Delphi для твердотельного моделирования

7, Формируемый математической моделью электромагнитного поля выходной поток геометрических и энергетических показателей НТСГ, является компонентом среды его проектирования, реализующей алгоритмы конструирования элементов генератора, многократно сокращающие сроки проектирования на этапе от технического задания до комплекта рабочей документации 8 Исследована зависимость требуемой массы магнитов от частоты вращения ротора, с целью получения оптимальных массогабаритных, энергетических и стоимостных показателей

9 Результатами проведенных натурных испытаний подтверждены правильность выбранных методов н адекватность созданных математических моделей. Расхождение экспериментально полученных данных с расчетными характеристиками в рабочем режиме не превышают 12 %.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1 Головин, М П Разработка конструкции и технологии производства микро-ГЭС, изготовление опытной партии Отчет по проекту, регистрационный № 0120 0503869/ М П Головин, А Л. Встовский, К. С. Федий и др // Красноярск, 2005г.-268 С

2 Решение о выдаче патента на изобретение по заявки №2006121299 Торцевая электрическая машина /МП Головин, А Л. Встовский, К. С. Федий, Е. А. Спирин - Заявленно 15.06 06 - 7 С

3 Федий, К. С. Генератор возобновляемых источников энергии. / К. С. Федий, А Л. Встовский //. Молодежь сибири - науке России Сборник материалов Межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодух ученых - Красноярск 2004 г -С. 215-217.

4 Федий, К.С. Некоторые особенности расчета электрических машин с постоянными магнитами / К.С. Федий, А.Л Встовский. //. Межвуз. сб науч тр Оптимизация режимов работы электротехнических систем - Красноярск, ИПЦ КГТУ 2004. - С. 15-18.

5 Федий, К. С. Математическое моделирование синхронного генератора торцевой конструкции. /К. С. Федий// В сб тр. XI Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. - ТПУ 2005 -С. 172-175

6 Федий, К.С. Современные технологии проектирования низкоскоростного синхронного генератора для свободнопоточной микроГЭС. / МП. Головин, А Л Встовский, С.С Кузьмин, К С Федий // В сб Инновационное развитие регионов Сибири Материалы Межрегиональной научно-практической конференции, -Красноярск ИПЦ КГТУ 2006 -С 271-275

7 Федий, К.С. Анализ и расчет синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов /К С Федий, А.Л Встовский. //. В межвуз сб статей. Оптимизация режимов работы электротехнических систем.- Красноярск 2006 г. - С 272-276

8 Федий, К. С. Свободнопоточные микроГЭС, как эффективный вариант энергоснабжения удаленных территорий /К.С. Федий, М П Головин, Л Н Головина, Н. А. Колбасина, В Д Мокеев И Труды КГТУ №3 Красноярск ИПЦ КГТУ,-2006 -С 252-256

9 Федий, К. С. Поиск оптимальных электромагнитных параметров торцевого синхронного генератора./ К.С. Федий Н В Атрохова Д И Морозов// САЕ>/САМ/САЕ/САЬ8 Бюллетень №2(8) 2006г. - С. 15-19

10. Федий, К.С. Оптимизационный синтез геометрических параметров торцевой синхронной машины./ К.С. Федий, Н.В. Атрохова, Д И. Морозов// «Известия Вузов Электромеханика» №5 - 2007г - С. 24-29

Федий Константин Сергеевич Низкоскоростной торцевой синхронный генератор автономных источников электроснабжения

Автореф дисс на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать 11 10 2007 Заказ № РУ/

Формат 60x90/16 Уел Печ Л 1 Тираж 100 экз

Типография Политехнического института ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Введение

1. Анализ малогабаритных герметичных автономных источников питания

1.1. Обзор существующих малогабаритных автономных генераторов. Выбор конструкции.

1.2 Математическое моделирование магнитного поля торцевого генератора.

1.2.1. Анализ алгоритмов и методов моделирования электромеханических устройств.

1.2.2 Расчет магнитного поля методом конечных элементов.

1.3.Постановка задач исследований.

1.4. Выводы

2 Исследование электромагнитного поля торцевого синхронного генератора.

2.1 Расчетная модель активного объема явнополюсной синхронной машины.

2.2 Алгоритм расчета стационарного магнитного поля торцевого синхронного генератора.

2.3 Расчетная модель активного объема торцевого синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов.

2.4 Алгоритм расчета фазного тока статора с использованием уравнений магнитостатики.

2.5 Выводы

3. Моделирование магнитного поля в воздушном зазоре торцевого синхронного генератора.

3.1 .Особенности применения программного комплекса ANSYS.

3.2 Расчетная модель торцевого синхронного генератора.

3.3. Анализ степени неоднородности магнитного поля торцевого синхронного генератора.

3.4. Анализ формы ЭДС в активно распределенном слое статора торцевого синхронного генератора.

3.5. Влияние величины воздушного зазора на магнитную индукцию.

3.6. Выбор постоянных магнитов в торцевом синхронном генераторе.

3.7. Выводы

4. Оптимизация торцевого синхронного генератора с постоянными магнитами.

4.1 Сущность методов многокритериальной оптимизации.

4.2 Поиск оптимальных электромагнитных параметров торцевого синхронного генератора.

4.3 Параметрическое построение твердотельной модели.

4.4 Влияние геометрических параметров на сопротивление пазового рассеяния.

4.5 Экспериментальное исследование торцевого синхронного генератора.

4.6 Методика и программа испытаний.

4.7 Результаты стендовых испытаний генератора.

4.8 Натурные испытания микроГЭС.

4.9 Выводы

Повышение производительности труда и общей культуры производства и быта людей, находящихся в труднодоступных районах, ставит новые задачи по созданию и совершенствованию автономных источников энергии. Традиционные способы электрификации таких районов, не имеющих централизованного энергоснабжения, часто оказываются экономически не выгодными. В этих случаях весьма перспективно использование природных возобновляемых источников энергии солнца, потоков воды и ветра.

Во всех странах мира ведется интенсивная работа над все более актуальной в последнее время проблемой использования природных возобновляемых источников энергии. В области ветроэнергетики наиболее крупные по своим масштабам программы разработаны и реализованы в США, Канаде, Австралии, Великобритании, Франции, Нидерландах, Швеции и в ряде других стран. Значительный интерес к расширению использования энергии ветра проявляют Новая Зеландия, Япония, Италия, Дания, Испания, Филиппины и другие.

На настоящий день доля производства электроэнергии автономными источниками в мире превышает 10 %, в то время как в России не более 0.1%. Кроме этого повышенный интерес к малой энергетике объясняется рядом дополнительных проблем, возникающих при эксплуатации крупных электростанций. Сооружение гидроэлектростанций предусматривает затопление территорий, и как следствие нарушает баланс экологической системы. Атомные электростанции - это затраты на переработку и захоронение радиоактивных отходов. Тепловые электростанции - выброс вредных продуктов в атмосферу.

Расположенный в центре Сибири Красноярский край протянулся с севера на юг почти на три тысячи километров, а с запада на восток на тысячу километров. При такой территории электроснабжение отдаленных районов затруднено и осуществляется двумя основными путями:

1. По линиям электропередач большой протяженности;

2. Дизельными электростанциями.

Линии электропередач большой протяженности требуют установки трансформаторных подстанций и большого расхода цветных металлов. Производство электроэнергии дизель-генераторными станциями имеет высокую стоимость (см. табл.1), повышающуюся многократно с удалением станции от производителя дизельного топлива.

Таблица 1. - Стоимость электроэнергии.

Вариант Стоимость 1 кВт/час, руб.

Дизельная электростанция 6,0-15,0

Линия электропередач 1,0-1,5

Разработанная МикроГЭС 0,8-1,0

Кроме того, электроснабжение с помощью ЛЭП характеризуется низким использованием возможностей электрических сетей, так как сечение провода ЛЭП выбирается по условиям механической прочности. То есть, мощности подводится в 10-30 раз больше, чем нужно потребителю.

Одним из источников энергии, в центральных районах края, является энергия малых рек. Достоинствами энергии потока воды является достаточно высокая концентрация энергии на единицу площади потока и относительная стабильность скорости потока воды.

Наличие на территории Красноярского края большого количества рек с необходимым запасом гидроресурсов позволяет достаточно экономично решать проблему электроснабжения маломощных потребителей с применением свободнопоточных микро ГЭС мощностью до 25-30 кВт и выше.

В крае при сложившейся экономической ситуации остался практически не востребованным колоссальный промышленный и научный потенциал, способный обеспечить разработку, производство и эксплуатацию гидроустановок для малых ГЭС и ветроустановок для северных районов края.

Использование малых и микро ГЭС, а также ветроэнергетических установок (ВЭУ) в нашей стране в значительной степени затрудняется их относительно высокой стоимостью и низкой надежностью. Анализ надежности Микро ГЭС и ветроэнергетических установок показывает, что большая часть повреждений вызывается выходом из строя генератора и мультипликатора (механизма, повышающего обороты рабочего колеса от 10-120 об/мин до необходимых 750-1000 об/мин генератора). Эти же элементы составляют определенную часть стоимости всей установки (рис. 1).

Щ Турбина с подшипниками и элементами крепления

СИ Электргиесюш генератор

Мультигопжатор

Щ Опорная рама пли капсула

СП Тросы н крепления

Рис. 1. - Распределение стоимости элементов Микро ГЭС.

Применение низкоскоростных генераторов для микро ГЭС и ВЭУ является актуальным. Как показано в [24,29], с точки зрения обеспечения хороших массогабаритных показателей, наиболее эффективной электрической машиной, работающей с низкой частотой вращения, является низкоскоростной торцевой генератор. Лучшими характеристиками из многообразия торцевых машин обладают торцевые синхронные генераторы (ТСГ) с возбуждением от постоянных магнитов. Это связано с простотой конструкции, меньшим расходом меди, малыми габаритами, отсутствием скользящих контактов, с возможностью выполнять генератор низких скоростей вращения, что обусдавливает его низкую стоимость и высокую надежность. Применение низкоскоростных генераторов упрощает конструкцию мультипликатора, а в ряде случаев позволяет обходиться без него.

Область применения торцевых машин не ограничивается только автономными Микро ГЭС и ВЭУ. Начиная с 50-х годов нашего столетия торцевые машины заняли ведущие позиции в технике электроснабжения транспортных средств (авиация и космическая техника, железнодорожный и другие виды транспорта).

Анализ литературных источников свидетельствует о большом интересе исследователей к торцевому типу машин. Значительный вклад в развитие теории переходных и установившихся режимов работы электрических машин, устойчивости электромеханических и энергетических систем внесли отечественные исследователи: Д.А. Бут, А.И. Важнов, В.А. Веников, И.А. Глебов, А. В. Иванов-Смоленский, И. П. Копылов, В.М. Казанский, Р.А. Лютер, Л.Г. Мамиконянц, С.В. Страхов, И.И. Трещев, И.Д. Урусов, Н.Н. Щедрин, Ф.М. Юферов, А.А. Янко-Триницкий и др. Вместе с тем, количество работ, посвященных исследованию магнитного поля в торцевых машинах с постоянными магнитами, явно недостаточно.

В тоже время торцевая конструкция не позволяет воспользоваться известными методами и методиками расчета цилиндрической электрической машины и требует разработки частных подходов к расчету таких видов машин [105]. Низкоскоростная конструкция торцевого генератора вызывает необходимость размещения постоянных магнитов многополюсного ротора, обмоточных структур статора при ограничении радиального габарита машины, обеспечении качества выходного напряжения, формировании достаточно жесткой внешней характеристики. Предлагаемая оригинальная конструкция ротора с постоянными магнитами, при достаточно высокой технологичности, не позволяет регулировать магнитный поток, что требует ограничения сопротивлений статорной обмотки, в частности индуктивного сопротивления пазового рассеяния. Все это говорит о необходимости проведения математического моделирования электромагнитного поля в машине с постоянными магнитами, с целью создания инженерной методики расчета машины с постоянными магнитами, отличающейся относительной простотой, гибкостью, универсальностью в сочетании с низкой погрешностью.

Кроме того, опыт проектирования и изготовления торцевых синхронных генераторов показывает необходимость применения современного подхода к моделированию основных физических процессов с использованием детальных твердотельных трехмерных моделей (CAD системы) и решения задач оптимизации геометрии низкоскоростного торцевого синхронного генератора (НТСГ). Настоящая работа посвящена исследованию такого типа машин.

Цель работы - совершенствование конструкции низкоскоростного торцевого синхронного генератора, на основе исследования электромагнитного поля в активном объеме машины путем сочетания численных методов расчета и современных компьютерных технологий.

Задачи исследования:

1. На основе анализа существующих конструкций обосновать выбор малогабаритного герметичного генератора и способы повышения его энергетической эффективности;

2. Разработать математическую модель для исследования активных зон торцевого генератора с постоянными магнитами;

3. Разработать методику исследования НТСГ с помощью современных программных систем конечно-элементного анализа;

4. Провести комплекс теоретических исследований для оптимизации геометрии магнитной системы методом Соболя-Статникова и разработать программное обеспечение в среде Delphi для твердотельного моделирования;

5. Изготовить макетный образец торцевого генератора и экспериментально оценить результаты теоретических исследований.

Объект исследования: низкоскоростной торцевой синхронный генератор с возбуждением от продольно намагниченных постоянных магнитов на основе редкоземельных материалов (РЗМ).

Предмет исследования: электромагнитные поля и процессы в активном объеме торцевого синхронного генератора и способы снижения массы и габаритов, повышения энергетических показателей машины.

Научной новизной является:

1. Математическая модель НТСГ, разработанная на основе аналитического исследования магнитного поля, позволяющая осуществлять расчет электромагнитного поля с учетом нелинейности характеристик ферромагнитных материалов;

2. Методика расчета и исследования активной зоны торцевого синхронного генератора с постоянными магнитами с помощью пакета конечно элементного анализа ANSYS;

3. Постановка и решение задачи оптимизации геометрии торцевого синхронного генератора на базе созданной математической модели по критерию минимума массы активных материалов и максимуму перегрузочной способности при заданном напряжении.

Практическую ценность представляют следующие результаты работы:

1. Разработана оригинальная конструкция герметичного торцевого генератора, обеспечивающая высокую энергетическую эффективность автономных источников питания;

2. На основе комплексных теоретических исследований определена оптимальная (по минимуму массы и высоким энергетическим показателям) геометрия электромагнитной системы НТСГ;

3. Разработана методика расчета стационарного электромагнитного поля, являющаяся основой проектирования предлагаемого торцевого синхронного генератора.

4. По разработанной методике электромагнитного расчета спроектированы и изготовлены опытно-промышленные образцы торцевого генератора, конструкция которого защищена патентом (Решение о выдаче патента на изобретение по заявки №2006121299 Торцевая электрическая машина. /

М. П. Головин, А. Л. Встовский, К. С. Федий, Е. А. Спирин. - Заявленно 15.06.06.-7 С.).

Методы исследования

Исследование магнитного поля проводилось с помощью математического моделирования в дискретно-однородных слоистых структурах на основе решения системы уравнений магнитостатики методом конечных элементов с применением кусочно-непрерывных собственных функций. Для этой цели применялся пакет конечно-элементного анализа ANSYS компании ANSYS, Inc., а для создания CAD-моделей используемого двигателя - приложение SolidWorks 2006. Для расчета систем дифференциальных уравнений использовался пакет MathCAD 11 и Delphi.

При исследовании электромагнитных процессов, в настоящей работе использовались теория электрических машин, метод интегрирования по источникам поля, двухмерные математические модели электромагнитного поля для решения систем нелинейных уравнений, а также эксперименты с макетными образцами торцевого электромашинного генератора.

Все исследования проведены с применением современных ПЭВМ.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты докладывались автором и обсуждались на межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь Сибири - науке России», (Красноярск, 2004 г); на 11 международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (ТПУ 2005г), межрегиональной научно-практической конференции «Инновационное развитие регионов Сибири», (Красноярск, 2006 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 1 статья в издании по перечню ВАК, 1 решение о выдаче патента РФ на полезные модели, 7 публикаций в межвузовских сборниках научных трудов, сборниках международных и межрегиональных научно-практических конференций и семинаров. Список трудов приведен в конце автореферата.

Материалы диссертационных исследований использованы при выполнении госбюджетной темы «Разработка конструкции и технологии производства, изготовление опытной партии микроГЭС», по результатам которой были выполнены 2 опытно-промышленных образца микроГЭС. Выигран Конкурс молодежных инновационных проектов - 2006: проект - «Повышение технического уровня низкоскоростного генератора микроГЭС за счет совершенствования его конструкции и параметров».

Структура и объем диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и двух приложений. Содержит 157 страницы, из которых 143 стр. - основной текст, иллюстрируется 70 рисунками, 2 стр. - приложения, 12 - библиографический список из 126 наименований.

4.9 Выводы

1. Для решения поставленной задачи рассмотрены различные методы оптимизации. Частными случаями, которых являются задачи линейного, дискретного, нелинейного и стохастического программирования, а также задачи многокритериальной оптимизации.

2. Используя созданное приложение, реализованное в CAE-среде и метода многокритериальной оптимизации Соболя-Статникова, выполнен поиск оптимальных электромагнитных параметров НТСГ.

3. Выходной поток данных, формируемый математической моделью электромагнитного поля, может быть передан в среду проектирования НТСГ, которая реализует алгоритмы конструирования элементов генератора, позволяя многократно сократить сроки проектирования на этапе от технического задания до комплекта рабочей документации.

4. Проведенный анализ влияния геометрических параметров на сопротивление пазового рассеяния показал, что наибольшее влияние на нелинейность характеристик оказывает величина индукции в рабочем зазоре Bs и активная длина статора ls, что свидетельствует о важности этих параметров при оптимизации.

5. Полученные в результате проведенных стендовых испытаний зависимости подтвердили правильность выбранных методов и адекватность созданных математических моделей. Расхождение экспериментально полученных данных с расчетными характеристиками в рабочем режиме не превышают 7 %.

6. Полученные в результате эксперимента спектры виброперемещений в вертикальном, поперечном и осевом направлениях для трех уровней нагру-жения (холостой ход, половинная нагрузка 1 кВт, номинальная нагрузка 2 кВт, перегрузка 3 кВт) показали параметры близкие к расчетным.

7. Результаты натурных испытаний микроГЭС приемлемы для экспериментального образца, учитывая, что скорость потока воды в месте проведения испытаний была меньше проектной на 12 %.

5. Заключение

В диссертационной работе поставлены и решены задачи теоретических и экспериментальных исследований, способствующие совершенствованию и созданию торцевого синхронного генератора для автономных источников питания.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Проведенный анализ литературы и патентов показал, что НТСГ обладают необходимыми конструктивными параметрами, для применения в автономных источниках электроснабжения, выбранный для моделирования его магнитного поля метод конечных элементов позволил осуществить расчет магнитного поля с учетом нелинейности характеристик ферромагнитных материалов.

2. Разработана математическая модель расчета электромагнитного поля в объеме торцевой синхронной электрической машины с применением слоистых расчетных моделей и кусочно-неперерывных собственных функций, которая в сочетании с инструментами многокритериальной оптимизации позволяет создать программный комплекс проектирования НТСГ.

3. Установлена зависимость между полем возбуждения Вув и полем реакции якоря Вур, пространственно сдвинутых друг относительно друга на внутренний угол нагрузки 0.

4. На основании решения уравнений магнитостатики и уравнения равновесия для одной из фаз составлены выражения для магнитной индукции реакции якоря, фазного тока и синхронного индуктивного сопротивления, необходимые для расчета внешней и угловой характеристик.

5. Выполнен расчет трехмерной полевой задачи с применением программного комплекса ANSYS, основанного на методе конечных элементов, позволяющего не только уменьшить затраты при разработке новых изделий, но и отказаться от дорогостоящих стендовых испытаний.

6. С помощью разработанного программного комплекса в пакете ANSYS был проведен расчет нескольких торцевых синхронных генераторов с различным числом зубцов в фазе статора. Для сравнения качества выходного напряжения, проведены исследования и определена зависимость изменения магнитной индукции от величины воздушного зазора для возможности выбора в каждом конкретном случае их значений, с целью получения удовлетворяющих энергетических показателей.

7. Исследована зависимость требуемой массы магнитов от частоты вращения ротора, с целью получения оптимальных массогабаритных, энергетических и стоимостных показателей.

8. Исследована рабочая диаграмма магнитов Nd-Fe-B (неодим-железо-бор) и SmCo (самарий-кобальт), для избежания нежелательного размагничивания материала, а также более точного определения необходимого количества магнитов в роторе.

9. Используя созданное приложение, реализованное в CAE-среде и метода многокритериальной оптимизации Соболя-Статникова, выполнен поиск оптимальных электромагнитных параметров НТСГ по критерию минимума массы активных материалов.

10. Формируемый математической моделью электромагнитного поля выходной поток данных, является компонентом среды проектирования НТСГ, реализующей алгоритмы конструирования элементов генератора, многократно сокращающие сроки проектирования на этапе от технического задания до комплекта рабочей документации.

11. Проведенный анализ влияния геометрических параметров на сопротивление пазового рассеяния показал, что наибольшее влияние на нелинейность характеристик оказывает величина индукции в рабочем зазоре Bs и активная длина статора 15, что свидетельствует о важности этих параметров при оптимизации.

12. Полученные в результате проведенных стендовых испытаний зависимости подтвердили правильность выбранных методов и адекватность созданных математических моделей. Расхождение экспериментально полученных данных с расчетными характеристиками в рабочем режиме не превышают 7 %.

13. Полученные в результате эксперимента спектры виброперемещений в вертикальном, поперечном и осевом направлениях для трех уровней нагруже-ния (холостой ход, половинная нагрузка 1 кВт, номинальная нагрузка 2 кВт, перегрузка 3 кВт) показали параметры близкие к расчетным.

14. Результаты натурных испытаний микроГЭС приемлемы для экспериментального образца, учитывая, что скорость потока воды в месте проведения испытаний была меньше проектной на 12 %.

1. Альтман А.Б., Герберг А.Н., Гладышев П.А. и др. Под ред. Пятина Ю.М. Постоянные магниты: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1980.-488 е., ил.

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. - с.З.

3. Афонин А.А., Гребенщиков В.В., Фурсенко С.Л. Электромагнитные и геометрические соотношения в дисковых магнитоэлектрических двигателях // Регулируемые асинхронные двигатели. Киев: Ин-т электродинамики НАЛ Украины, 1998. с. 247-259.

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

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

6. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах. М.: Компьютер-пресс, 2002. -223 е., ил,

7. Бастрон А. В. Гидроветроэнергетические установки. // Электронное учебное пособие. Красноярск 2002.

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

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

10. Бертинов А.И. Авиационные электрические генераторы. М.: Оборон-гиз, 1959.

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

12. Бут Д.А. Голубев С.В. Электрические машины без стального магнито-провода //Электричество. 2002.-№5. - С. 41-52.

13. Бут Д.А. Анализ и расчет синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов (часть 1) // Электричество, 1996. №6. - С.25.

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

15. Бут Д.А. Анализ и расчет синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов // Электричество, 1996. №6. - С.25.

16. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины: Учебн. Пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1990. - 416с.

17. Бут Д.А. Основы электромеханики машины.-М.: Издательство МАИ, 1996.

18. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. JL: Энергия, 1980.-256 е., ил.

19. Веников В.А. Применение теории подобия и физического моделирования в электротехнике. -M.-JL: Госэнергоиздат, 1949.-168с.,ил.

20. Веников В.А. Электромеханические переходные процессы в электрических системах. М. -JL: Госэнергоиздат, 1958.-488 е., ил.

21. Веников В.А. Веников Г.В. Теория подобия и моделирования: Учебное пособие для вузов. 3-е изд., переработ, и доп. - М.: Высшая школа, 1984,439 е., ил.

22. 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.

23. Головин, М.П. Автоматизация проектирования свободнопоточной мик-роГЭС/ М.П. Головин, A.JL Встовский и др. // Вестн. Краснояр. гос. техн. унт. Вып. 40, Машиностроение. Красноярск, 2005. - С. 89 - 101.

24. Головин М.П., Разработка конструкции и технологии производства микроГЭС, изготовление опытной партии. Отчет по проекту, регистрационный № 0120.0503869/ М.П. Головин, A.JI. Встовский, К.С. Федий и др.// Красноярск, 2005,268 с.

25. Гомзяков В. Б., Семенов В.Д. Сравнительная оценка альтернативно -пульсационных и индукторных генераторов // Электротехника. 1990. - № 10.-С. 58-65.

26. Грибениченко В.Т. Исследование торцевых электрических машин переменного тока. Кандидатская диссертация. М., 1965 г.

27. Гурский Д.А. Вычисления в MathCad. Минск: Новое знание, 2003. -814 е., ил.

28. Данилевич Я.Б., Домбровский В.В., Казовский Е.Я. Параметры электрических машин переменного тока. -М.: Наука, 1965. 329 с.

29. Демирчян К.С., Чечурин B.JI. Машинные расчеты электромагнитных полей. М.: Высшая школа, 1986.

30. Демешко Ю.Ф. Михеев В.И. Осипович Л.Д. Сравнительный анализ торцевых электрических машин по массогабаритным показателям //Электрические машины с составными активными объемами: Сб. научных трудов// НЭТИ; Новосибирск, 1989 С. 15-20.

31. Зенкевич О., Морган К. Конечные методы и аппроксимация //М.: Мир, 1980.

32. Зечихин Б.С., Старовойтова Н.П., Алексеев И.И., Клейман М. Г. Особенности электромагнитного расчета генераторов с редкоземельными постоянными магнитами. Электричество, 1985, №11, 27-30с.

33. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. М.: Энергия, 1980.-929 с.

34. Иванов-Смоленский А.В. Кузнецов В.А. Универсальный численный метод моделирования электромеханических преобразователей и систем. // Электричество. 2000. - №7. - С. 24-33.

35. Иванов-Смоленский А.В. Электромагнитные поля и процессы в электрических машинах и их физическое моделирование. М.: Энергия, 1969. -304 с.

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

37. Инкин А.И. Электромагнитные поля и параметры электрических машин: Учебн. пособие. Новосибирск: ЮКЭА, 2002. - 464 с.

38. Иосифьян А.Г., Паластин JT.M. Торцевые электрические машины. Электротехника 1966г. № 1.

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

40. Казанский В.М. Бухгольц Ю.Г. Родыгин В.Н. Аналитический расчет рабочих характеристик торцевого синхронного генератора с активным распределенным слоем статора и ротора. Сборник научных трудов, выпуск 4, Новосибирск 1973г.

41. Казанский В.М. Беспазовый статор электрической машины. Авт. свид. №278886 кл. 21 51, опубл. 21.08.1970, Бюлл. № 26.

42. Каплун А.Б. Морозов Е.М. Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. Изд. 2-е, испр. М.: Едиториал УРСС, 2004-272с.

43. Казаков Ю. Б. Параметрический поиск рациональной конструкции электрической машины с постоянными магнитами на деформируемой конечно элементной модели // Электричество. 2002.-№4. - С. 47-51.

44. Каранкевич А.Г., Леонов С.В. Электромашинный генератор для питания геофизической аппаратуры // Современные техника и технологии: Труды 9-ой международной научно-практической конференции. Часть 2. Томск, 2003.-с. 269.

45. Каранкевич А.Г., Леонов С.В. Торцевое исполнение скважинного электромашинного источника питания инклинометрической системы // НТЖ Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. М.: ОАО "ВНИИОЭНГ", 2003. - № 4.

46. Кононенко Е.В. и др. Электрические машины (спец. курс). Учеб. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1975. 279 с.

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

48. Копылов И.П. Электрические машины: Учебное пособие для вузов. 3-е изд., испр. -М.: Высшая школа, 2002. - 488с., ил.

49. Копылов И.П. Электромеханические преобразователи энергии. М.: Энергия, 1973.-400 е., ил.

50. Копылов И.П. Проектирование электрических машин: Учебное пособие для вузов М.: Энергия 1980.- 496 е., ил.

51. Костенко М.П., Пиотровский JI.M. Электрические машины. Ч. 2 Машины переменного тока. Учебник для студентов высш. техн. учеб. заведений- JL: Энергия, 1973. - 648 с.

52. Красковский Д.Г. ANSYS в примерах и задачах. М.: КомпьютерПресс, 2002.-224 е.: ил.

53. Кузнецов, А.В. Высшая математика: Математическое программирование: Учебник / А. В. Кузнецов; ред. А. В. Кузнецов, 2-е изд., перераб. и доп., -М.: Высшая школа, 2001.-351 е.: ил.

54. Курбасов А.С. Целесообразность и возможность использования электрических машин дисковой конструкции //Электричество. 1985.- №2. - С. 28-33.

55. Дедовский А.Н., Дедовская Н.Е. Особенности проектирования торцевых синхронных машин с высококоэрцитивными постоянными магнитами // Известия вузов. Электромеханика, 1984. №4. - С.8

56. Дедовский А.Н. Электрические машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами. М.: Энергоатомиздат, 1985.

57. Лукутин О.Б., Муравлев О.П., Шандарова Е.Б. Закон регулирования управляемого балласта ВЭУ // Электроэнергетика, электротехнические системы и коплексы: Материалы международной научно-технической конференции, 3-5 сентября 2003 г. Томск: ТПУ 2003. с. 293.

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

59. Лютер Р.А. Расчет синхронных машин. Л.: Энергия, 1979.-272с.

60. Лютер Р.А. Теория переходных режимов синхронной машины ( с применением операторного анализа). Л.: Ленингр. Энергомашиностроительный ин-т усовершенствование ИТР, 1939.-88с.

61. Мамигонянц Л.Г. О переходных процессах в синхронных машинах с успокоительными контурами на роторе // Электричество,-1954.-Ж7.

62. Мартынов В.А. Сычев Е. К. Математическое моделирование полей и процессов в синхронных двигателях с постоянными магнитами // Электричество. 1994 г. №3. - С. 47 - 51.

63. Меерович Е.А., Паластин Л.М. Платонов A.M. Попов К.К. и др. Торцевой синхронный генератор без щеточного контакта. Электротехника 1966 г. - №9.

64. Михеев В.И. Торцевые электрические машины индукторного вида, машины // Электроэнергетика, электротехнические системы и коплексы: Материалы международной научно-технической конференции, 3-5 сентября 2003 г. Томск: ТПУ 2003. с. 122.

65. Немков B.C., Демидович В.Б. Теория и расчет устройств индукционного нагрева. — Л.: Энергоатомиздат, 1988. 280 с.

66. Никитенко А.Г., Бахвалов Ю.А., Щербаков В.Г. Аналитический обзор методов расчета магнитных полей электрических аппаратов // Электротехника, 1997. -№1. С.15.

67. Норенков И.П. Системы автоматизированного проектирования: Принципы построения и структура. Кн. I. М.: Высшая школа, 1986. - 127 с.

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

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

70. Осин И.Л., Шакарян Ю.Г. Электрические машины: Синхронные машины: Учеб. Пособие для вузов по спец. «Электромеханика»/ Под ред. И.П. Ко-пылова. М.: Высш. шк., 1990. - с. 304.

71. 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.

72. Патент Российской Федерации №2101838. Герметичный бесконтактный синхронный генератор торцевого типа МПК Н 02 К1 / 08. Базилевский А. Б. от 01.10.98.

73. Патент Российской Федерации № 2202849 Скважинный электромашинный источник питания инклинометрической системы МПК Н 02 К 3 / 28 Леонов С.В., Щипков А.А., Хорьков К.А., Малевич Г.И., Ким Ю.В. от 20.04.03.

74. Патент Российской Федерации № 2146849 Торцевой генератор тока МПК Н 02 К 29 / 06. Волегов В. Е. 20.03.2000.

75. Патент 2246167 РФ. Торцевая электрическая машина. МГЖ7 Н 02 К 21/24 № 2003123587/09.Головин М. П., Встовский A. Л. Встовский С. А., Головина Л. Н., Супей В. А.№ 2003127811/06. Заявлено 24.07.03. Опубл. 10.02.05, Бюл.: №4.

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

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

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

79. Разработка индукторных генераторов с распределенной структурой активного слоя статора: отчет о НИР / НЭТИ; Научный руководитель Казанский В.М. ЛЭМ-1-77/Б; № ГР 77023731.-Новосибирск, 1978

80. Решение о выдаче патента на изобретение по заявки №2006121299 Торцевая электрическая машина. / М. П. Головин, А. Л. Встовский, К. С. Федий, Е. А. Спирин. Заявленно 15.06.06. - 7 С.

81. Саплин Л.А., Шерьязов С.К. Энергоснабжение сельскохозяйственных потребителей с использованием возобновляемых источников: Учебное пособие / Челябинск: ЧГАУ, 2000. 194 с.

82. Сафьянников И.А., Россомахин И.Н. Дисковый генератор коммутаторного типа // Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы: Материалы международной научно-технической конференции, 3-5 сентября 2003 г. Томск: ТПУ 2003. с. 137.

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

84. Сипайлов Г.А., Кононенко Е.В., Хорьков К.А. Электрические машины.- М.: Высшая школа, 1987. 287 с.

85. Сипайлов Г.А., JIooc А.В. Математическое моделирование электрических машин (АВМ): Учебное пособие для студентов вузов. М.: Высшая школа, 1980.-176 с.

86. Соболь, И. М. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями / И. М. Соболь, Р. Б. Статников. -М.: Наука, 1981.

87. Страхов С.В. Переходные процессы в электрических цепях, содержащих машины переменного тока. -М.- Л Госэнергоиздат, 1960.-247 с.

88. Татур Т.А. Основы теории электромагнитного поля: Справочное пособие для электротехнических специальностей вузов. М.: Высшая школа, 1989.-271с.

89. Титко А.И., Счастливый Г.Г., Математическое и физическое моделирование электромагнитных полей в электрических машинах переменного тока.- Киев: Наукова думка, 1976. 200 с.

90. Тозони О.В., Маергойз И.Д. Расчет трехмерных электромагнитных полей. Киев: Техника, 1974.

91. Трещев И.И. Электромеханические процессы в машинах переменного тока. Л.: Энергия, 1980. - 344 е., ил.

92. Урусов И.Д. Линейная теория колебаний синхронной машины. М.-Л.: Издательство АН СССР, 1960. - 166 с.

93. Федий К.С. Генератор возобновляемых источников энергии. / К.С. Фе-дий А.Л. Встовский. //. Молодежь сибири науке России. Сборник материалов Межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодух ученых. - Красноярск 2004.

94. Федий К.С. Некоторые особенности расчета электрических машин с постоянными магнитами. / К.С. Федий, A.JI. Встовский. //. Межвуз. сб. науч. тр. Оптимизация режимов работы электротехнических систем. Красноярск, ИПЦ КГТУ 2004.

95. Федий К.С. Математическое моделирование синхронного генератора торцевой конструкции. / К.С. Федий // В сб. труды. XI Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. -ТПУ 2005.

96. Федий К.С. Анализ и расчет синхронных машин с возбуждением от постоянных магнитов./ К.С. Федий, A.JI. Встовский. II. В межвуз. сб. статей. Оптимизация режимов работы электротехнических систем.- Красноярск 2006.

97. Федий К.С. Свободнопоточные микроГЭС, как эффективный вариант энергоснабжения удаленных территорий. /К.С. Федий, М. П. Головин, Jl. Н. Головина, Н. А. Колбасина, В. Д. Мокеев. // Труды КГТУ №3. Красноярск ИПЦ КГТУ.-2006

98. Федий К.С. Поиск оптимальных электромагнитных параметров торцевого синхронного генератора./К.С. Федий, Н.В. Атрохова, Д. И. Морозов//. CAD/C AM/CAE/CALS Бюллетень №2(8) 2006г.

99. Федий К.С. Оптимизационный синтез геометрических параметров торцевой синхронной машины./ К.С. Федий, Н.В. Атрохова, Д.И. Морозов// «Известия Вузов Электромеханика» №5 2007г.

100. Чучалин А.И. Математическое моделирование в электромеханике: Учебное пособие. Томск: Изд-во ТПУ, 1997. - 100 с.

101. Щедрин Н.Н. Упрощение электрических систем при моделировании. -M.-JI.: Энергия, 1966.-159 е., ил.

102. Шуп Т. Решение инженерных задач на ЭВМ: Практическое руководство. Пер. с англ. М.: Мир, 1982. - 238 е., ил.

103. Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств: Учебное пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1988.-479 е., ил.

104. Axial-air-gap motor "Electrical Engineering" №7,1987.

105. Luo X., Lipo T.A. A synchronous permanent magnet hybrid AC machine // IEEE Trans, on energy conversion. vol. 15. - No 2. - June 2000. - pp. 203-210.

106. Mademlist C., Margaris N. Loss minimization in vector-controlled intererior permanent magnet synchronous motor driver // IEEE Trans, on industrial electronics. - vol. 49 - No 6. - December 2002. - pp. 1344-1347.

107. Min D., Keihani A., Sebastian T. Torque ripple analysis of a PM brushless DC motor using finite element method // IEEE Trans.

108. Proca A.B., Keihani A., EL Antably A., Wenzhe L., Min D. Analitical model for permanent magnet motor with surface mounted magnets // IEEE Trans, on energy conversion. - vol. 18. - No 3. - September 2003. - pp. 386-391.

109. Karankevich A., Leonov S., MuravlevO. Calculating program of three-dimentional magnetic fields // Proceedings of the 7th Korea-Russia International Symposium, KORUS 2003. p.268.