автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Разработка элементов теории и методики электромагнитного расчета синхронного реактивного электродвигателя со слоистым ротором

На правах рукописи

6 ОД

V} юн

ДАВЫДЕНКО Ольга Борисовна I " ¿Л]]

РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ ТЕОРИИ И МЕТОДИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО РАСЧЕТА СИНХРОННОГО РЕАКТИВНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ СО СЛОИСТЫМ РОТОРОМ.

Специальность 05.09.01 - Электромеханика.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК - 1999г.

» т

Работа выполнена на кафедре Теоретических основ электротехники Новосибирского государственного технического университета

Научный руководитель -

доктор технических наук, заслуженный деятель науки профессор Казанский В.М.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор ПолевскийВ.И.

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник

ПИФ «элкон»

КлимовицкийВ.Д.

НИИ Сибэлектротяжмаш, г. Новосибирск

Защита состоится 24 июня 1999г. в 10 00 час. в конференц-зале на заседании диссертационного Совета К 063.34.01 Новосибирского государственного технического университета (630092, г. Новосибирск, пр. К.Маркса, 20)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГТУ.

Автореферат разослан _ мая 1999г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, к.т.н., доцент . ШаншуровГ. А.

-Ш.5, V

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В связи с современной тенденцией все более широкой автоматизации производственных процессов, многие отрасли промышленности испытывают потребность в дешевых и технологичных, надежных н простых в эксплуатации электрических машинах мощностью от долей ватта до сотен киловатт. В настоящее время в электроприводах этого диапазона мощности наиболее широко используется асинхронный электродвигатель с короткозамкнутой клеткой. Однако, в условиях энерго- и ресурсосбережения, асинхронные электродвигатели не вполне отвечают обновленным требованиям электромеханики. В свете решения этой проблемы в России и за рубежом изучаются возможности применения альтернативных электродвигателей переменного тока, обладающих высокими энергетическими показателями и более дешевых, с точки зрения использования активных материалов. Перспективными в этом плане являются синхронные реактивные электродвигатели (СРД) нового поколения - со слоистыми роторами. Как следует из многочисленных публикаций (главным образом зарубежных) эти двигатели обладают высокими энергетическими и массогабаритными показателями, позволяющими им конкурировать с асинхронными двигателями с короткозамк-нутым ротором. Однако, конструктивное развитие этих машин опережает их теоретические исследования. Несмотря на значительное количество публикаций, в области электромагнитных исследований двигателей этого типа не накоплен достаточный опыт и к настоящему времени не существует более или менее законченных инженерных методик их расчета. Существующие методики исследования синхронных реактивных машин малопригодны для анализа синхронных реактивных двигателей со слоистым ротором вследствие специфики распределения электромагнитного поля в их активном объеме, обусловленной нетрадиционной конструкцией ротора. В связи с этим, актуальной является задача разработки теории и создания методики электромагнитного исследования СРД со слоистым ротором, основанной на математическом описании единого электромагнитного поля в его активном объеме с учетом многообразия конструктивных факторов и режимов работы.

Целью диссертационной работы является разработка элементов теории и методики электромагнитного расчета СРД со слоистым ротором. Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие за-йачи:

• исследование магнитного поля в рабочем зазоре и объеме слоистого ротора численным методом сеточного моделирования с целью определения основных коэффициентов распределения поля, используемых в классической методике, и оценка эффективности конструктивных усовершенствований, способствующих повышению отношения магнитных проводимостей по продольной и поперечной осям,

• аналитическое исследование на базе фундаментальных уравнений теории поля электромагнитных процессов в активном объеме синхронного реактивного двигателя со слоистым ротором с учетом конечного значения магнитной

проницаемости стали магнитопроводов ротора и статора,

• синтез каскадной схемы замещения синхронного реактивного двигателя со слоистым ротором,

• разработка методики электромагнитного расчета на базе нелинейной каскадной схемы замещения и соответствующего программного обеспечения.

Методы исследования. При выполнении работы использовались

• численный метод сеточного моделирования,

• метод ортотрогшого моделирования,

• аналитические методы исследования электромагнитного поля.

Научная новизна:

• исследовано влияние вырезов в ферромагнитных пакетах слоистого ротора на распределение магнитного поля в рабочем зазоре и объеме слоистого ротора,

• на базе уравнений Максвелла исследовано электромагнитное поле в объеме слоистого ротора синхронного реактивного двигателя с учетом конечного значения величины магнитной проницаемости стали,

• синтезирована каскадная схема замещения синхронного реактивного двигателя со слоистым ротором,

• разработаны методика электромагнитного расчета синхронного реактивного двигателя со слоистым ротором на основе нелинейной каскадной схемы замещения и соответствующее программное обеспечение.

Практическая значимость основных положений диссертации:

• разработаны новые конструктивные решения по усовершенствованию ротора синхронного реактивного двигателя, защищенные 6-ю авторскими свидетельствами СССР и одним патентом РФ,

• показана целесообразность вырезов в центральных частях ферромагнитных пакетов слоистого ротора на пути замыкания поперечного потока,

• разработаны математические модели для исследования магнитного поля в рабочем зазоре и активном объеме слоистого ротора СРД и расчета основных коэффициентов распределения поля по осям ротора с целью их использования в классической методике для оценки электродвигателя в первом приближении,

• на основе синтезированной каскадной схемы замещения разработана методика исследования электромагнитных процессов в синхронных реактивных двигателях со слоистыми роторами с учетом реального магнитного состояния машин и соответствующее программное обеспечение.

На защиту выносятся:

• Синтезированная посредством ортотропного моделирования каскадная схема замещения синхронного реактивного двигателя со слоистым ротором.

• Новая методика электромагнитного расчета, основанная на нелинейной каскадной схеме замещения синхронных реактивных двигателей со слоистым ротором.

• Запатентованные конструкции роторов синхронных реактивных двигателей с повышенным отношением магнитных проводимостей по продольной и

поперечной осям.

• Рекомендации по корректировке классических методик исследования СРД посредством введения в них коэффициентов действительного распределения электромагнитного поля в рабочем зазоре и активном объеме слоистого ротора.

• Рекомендации по применению вырезов в ферромагнитных пакетах слоистого ротора синхронного реактивного двигателя.

Апробация работы и публикации. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы обсуждены и одобрены на научных семинарах кафедры Электромеханики и Теоретических основ электротехники Новосибирского государственного технического университета (1998-99гг.), на научной конференции с международным участием "Проблемы электротехники ", секция "Электромеханика" ( НГТУ, Новосибирск, 1993), на региональном семинаре "Новые технологии и научные разработки в энергетике" (Новосибирск, 1994). По теме диссертационной работы опубликованы две статьи в центральном периодическом научно-техническом журнале "Электротехника", тезисы к докладу в трудах научной конференции с международным участием "К01Ш8-99", секция "Электротехнологии" (НГТУ, Новосибирск, 1999), получено 6 авторских свидетельств, один патент и одно положительное решение на заявку об изобретении.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 87 наименований, 1 приложения и содержит 118 страниц машинописного текста, 22 страницы иллюстраций, 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе реферируемой работы дается обзор современного состояния синхронных реактивных машин, приводится описание современных конструкций синхронных реактивных двигателей , разработанных в НГТУ( часть из них с участием автора), оценивается место СРД в ряду электрических машин переменного тока. До недавнего времени существовало устойчивое мнение о невозможности создания синхронных реактивных двигателей с достаточно высокими энергетическими и массогабаритными показателями. Однако, в последние годы в России и, в большей степени, за рубежом появилось значительное количество конструктивных предложений по усовершенствованию СРД, появились публикации, выявляющие действительные возможности этих двигателей. Прогресс в развитии СРД в значительной степени обусловлен реализацией максимально возможного отношения магнитных проводимостей по продольной и поперечной осям машины вс! / вя, (поскольку энергетические характеристики этих электрических машин в значительной степени определяются этим соотношением). Улучшения характеристик СРД можно добиться совершенствуя ротор в направлении снижения магнитной проводимости по поперечной оси при сохранении» на высоком уровне магнитной проводимости по продольной оси.

Наиболее перспективными являются СРД нового поколения, мапштопровод ротора которых выполнен из ориентированных вдоль активной длины машины слоистых пакетов ферромагнитных элементов, отделенных друг от друга немагнитными слоями (рис.1). В НГТУ разработан ряд конструкций СРД с усовершенствованным слоистым ротором. Главной особенностью этих конструкций является пониженный уровень магнитной проводимости ротора по поперечной оси за счет всевозможных вырезов в ферромагнитных пакетах на пути замыкания поперечного потока (рис.2). Особое место занимают безотходные конструкции, в которых элементы магнитопровода ротора выполнены в виде рулонов из ленточной электротехнической стали (рис.3).

Рис.1 СРД со слоистым рото-

В работе приводятся данные отечественных и зарубежных исследований, подтверждающих, что СРД усовершенствованных конструкций в ряде случаев обладают энергетическими характеристиками не уступающими, а зачастую превышающими соответствующие характеристики асинхронных двигателей.

Вторая глава посвящена разработке математических моделей для исследования распределения магнитного поля в рабочем зазоре и активном объеме слоистого ротора СРД методом сеточного моделирования.

Существующая классическая методика электромагнитного расчета СРД мало пригодна для исследования СРД со слоистым ротором. Она может быть использована для оценки рассматриваемых двигателей лишь в первом приближении, но и в этом случае требуется провести дополнительные исследования по определению неизвестных для СРД со слоистым ротором коэффициентов распределения магнитного поля вдоль осей ротора.

Как было отмечено выше, энергетические показатели СРД в значительной мере определяются отношением магнитных проводимостей в^/Оц по осям ротора. Приведенные в публикациях сведения относительно этих отношений, крайне противоречивы (О^/Оц колеблется в широких пределах от 10 до 40 ). Усложненный характер распределения поля в воздушном зазоре СРД со слоистым ротором, особенно при наличии вырезов в ферромагнитных пакетах на пути замыкания поперечного потока, а также противоречивость опубликованных данных по исследованию этих машин, обусловили актуальность определения действительного распределения магнитного поля в активном объеме СРД со слоистым ротором.

Исследование распределения магнитных полей по продольной и поперечной осям осуществляется в работе численным методом сеточного моделирования. Расчетные модели представлены на рис.4, 5, 6. Расчет поля в зазоре ведется в полярной системе координат, в области ротора - в декартовой. Задача решается при следующих допущениях:

• магнитная проницаемость стали полагается бесконечной,

• поверхность расточки статора считается гладкой с заданным распределением токового настила (учитывается только первая пространственная гармоническая стороннего тока),

• рассматриваемое поле полагается плоскопараллельным.

Конструкция СРД по а.с. № 1515272 предполагает сохранение магнитного сопротивления продольному потоку на одном и том же уровне при наличии и отсутствии вырезов в ферромагнитных пакетах. Поэтому исследование продольного магнитного поля проводится по одной сеточной модели, а исследование поперечного магнитного поля осуществляется с помощью двух сеточных моделей - для ротора

со сплошными пакетами и для ротора с вырезами в ферромагнитных пакетах.

Продольное магнитное поле исследуется посредством решения уравнения Лапласа относительно скалярного магнитного потенциала

?2ф„=0.

При этом решается краевая задача Дирихле при следующих граничных условиях: скалярный магнитный потенциал вдоль расточки статора изменяется по синусоидальному закону (фм =фпих вша), линия ОХ (ось я) является эквипотенциальной (ее потенциал полагается равным нулю), линия ОУ (ось с1) -силовая.

Рис.5 Сеточная модель для расчета поперечного ноля при отсутствии вырезов в пакетах ротора

Рис.6 Сеточная модель для расчета поперечного поля при наличии вырезов в пакетах ротора

Поперечное поле исследуется посредством решения уравнения Лапласа относительно векторного магнитного потенциала V2 А=0.

При этом рассматривается краевая задача Неймана при следующих граничных условиях: распределение настила тока вдоль расточки статора эта, линия ОХ является силовой (узлы сетки, принадлежащие этой линии, эквипотенциальны и равны нулю), нормальная к поверхности зубцов производная векторного потенциала равна нулю.

По результатам расчета распределения скалярного и векторного магнитных потенциалов в зазоре СРД определяются нормальные к поверхности расточки статора составляющие индукции продольного и поперечного потоков и соответствующие коэффициенты с^, кл, ¡с,^, ач, кЧ|, кфЧ, характеризующие распределение магнитного поля по осям слоистого ротора СРД.

Результаты исследования магнитного поля посредством разработанных моделей приведены в четвертой главе.

Третья глава посвящена синтезу нелинейной каскадной схемы замещения синхронного реактивного двигателя со слоистым ротором и разработке на ее основе методики электромагнитного расчета.

Существующая методика исследования СРД, даже при введении в нее уточненных для слоистого ротора коэффициентов распределения магнитного поля, недостаточно полно и точно отражает специфику распределения электромагнитного поля в активном объеме двигателя. Кроме того, существующая методика электромагнитного расчета СРД недостаточно корректно учитывает насыщение магнитопровода, между тем как уровень насыщения стали влияет на соотношение магнитных проводимостей по осям ротора О^ /Оч и, как результат, на точность определения основных энергетических характеристик машины. Это предопределило необходимость разработки новой методики электромагнитного исследования этих машин, основанной на расчете единого электромагнитного поля в активном объеме двигателя. Достаточно эф-

фективная методика, сочетающая в себе наглядность электрических схем с высокой точностью теории поля, основана на использовании каскадных схем замещения. Однако, каскадные схемы замещения для машин типа СРД со слоистым ротором на сегодняшний день неизвестны.

В работе осуществлен синтез схемы замещения СРД со слоистым ротором на примере двухполюсной электрической машины (рис.7).

Поскольку статор СРД конструктивно не отличается от статора асинхронного двигателя, то Е-Н звенья конструктивных зон статора и воздушного зазора СРД будут такими же, как и для АД *'. Что касается слоистого ротора СРД, то конфигурация и параметры его типового звена подлежат определению.

Синтез Е-Н звена проводится для слоистого двухполюсного ротора с постоянной величиной зубцового деления вдоль расточки. В этом случае цилиндрическая структура реального ротора может быть представлена (рис.8) эквивалентным зубцово-пазовым слоем (при сохранении удельных магнитных проводимостей по осям) бесконечной протяженности вдоль осей координат X и 2, постоянной высоты, равной радиусу ротора (Ьэ =И), с постоянным зубцовым шагом (Ц =1:а) и относительными размера;1»™ зубцов и пазов исходного ротора (к=Ьи / Ьх). В результате, исследование электромагнитного поля в области ротора и синтез его схемы замещения могут быть осуществлены в декартовой системе координат.

В свою очередь, плоская зубцово-пазовая развертка может быть аппроксимирована сплошной ортотропной средой с различными характеристиками |1Х, ру в направлении декартовых осей координат, найденными из условия эквивалентности удельных магнитных сопротивлений зубцово-пазового слоя и моделирующей его ортотропной среды

х

Рис7 Слоистый ротор СРД

Рис.8 Эквивалентная модель слоистого ротора

*'Инкин А.И., Литвинов Б.В. Типовые Е-Н звенья электрических машин с радиальным воздушным зазором // Электрические беспазовые машины переменного тока. Новосибирск, НЭТИ, 1973.

Мхр =

Ио'^ст'О + к)

Не

■Но'

ц0 + цст-к 1 + к

Представление слоистого ротора ортотропной средой открывает возможность получения эквивалентного ротору Е-Н звена и синтезирования на его основе интегральной схемы замещения СРД.

Синтез Е-Н звена слоистого ротора.

Синтезирование Е-Н звена слоистого ротора осуществляется посредством решений уравнений Максвелла, описывающих поле в пассивной, движущейся со скоростью V ортотропной среде ротора гоШ = 0,

♦с

го1Е =---V--.

д1 Эх

Соотношения, полученные из общих решений системы посредством связи входных для зоны ротора величин векторов электрической и магнитной напряженности Е\ и Н| с выходными - Е2 и Н2 , имеют структуру уравнений пассивного четырехполюсника (рис.9).

н.

-0 2

Рис.9 Схема замещения зоны ротора

Параметры элементов Е-Н звена, моделирующего ротор в продольном и поперечном направлениях, имеют вид

к I--*

¿1р = К® - - • V)- л/Ихр ■ Цур • 1Ь(—),

„ . Л Т л/Нхр ' Нур

22р = Кш — у) г~т—• н и к БЬпп

Каскадная схема замещения СРД со слоистым ротором. Бегущая волна плотности стороннего тока, создаваемая трехфазной обмоткой статора и равномерно распределенная по высоте активного слоя

ДСТ(М) = АБ^ЙП - — Х), т

смещенная на пространственный угол Р относительно продольной оси ротора, может быть представлена в системе координат d-q совокупностью двух волн, образованных токами фиктивных катушек, ориентированных по продольной и поперечной осям ротора

Д ст = Ad + Д'1 = A cos (3 ■ e~jP+j A sin Р • e"ip. При этом исследование поля в активном объеме СРД может быть осуществлено с использованием метода наложения посредством двух ортотропных моделей по продольной и поперечной осям ротора.

Расчетные модели (рис.10, 11) представляют собой плоские развертки наиболее характерных зон машины. В каждой из моделей действует соответствующий источник стороннего тока Да или Дч. Граничное условие на входе зоны ротора (у=0) в модели для продольного поля Н х = 0, в модели для поперечного поля-В у= 0.

у, У , Vo

Ярмо статора м» = м7» Ярмо статора

Зубцовая зона статора Шс »Мус Зубцовая зона статора \ ШссРус

Коронки зубцов статора Wfc.Myk Коронки зубцоа статора Рл.Яук

Рабочий зазор н Рабочий зазор Мо

Ротор М^.Мур —» V Ротор М^р.Мур -» V

Рис. 10 Расчетная модель активного Рис. 11 Расчетная модель активного

объема СРД по продольной оси объема СРД по поперечной оси

Расчетные модели аппроксимируются дифференциальными каскадными схемами замещения по продольной и поперечной осям (рис.12, 13). Указанные граничные условия на входе зоны ротора реализуются в каскадных схемах соответственно разрывом и шунтированием входных зажимов его звена. Для обеспечения непрерывности тангенциальной составляющей электрической напряженности на границе между неподвижной зоной зазора и движущейся средой ротора параметры типового Е-Н звена ротора уменьшаются в (1--) раз. При этом параметры звена ротора имеют вид

со-т

Рис. 1 3 Цепная Е-Н схема замещения СРД по поперечной оси

-h)

t T nyp

Интегральная схема замещения СРД со слоистым ротором. Каскадные дифференциальные схемы замещения рассматриваемой машины для продольного и поперечного полей приводятся к интегральному виду посредством сопоставления

Ео => Дф, Дст=>1ф,

где U,|, , 1ф - напряжение и ток фазы обмотки статора,

Е0 - усредненная по высоте зубцового слоя статора напряженность электрического поля. В соответствии с принципом суперпозиции

Ео=Е0+Е0,

где

л I ь 1 ь

О "О

В результате, фазное напряжение СРД определится соотношением

т/

Цф-1ф-(г + ЗХф.)--.1 Ши + ЕЗЗ-е ' Эх,

/з -Уб

которое может быть приведено к виду:

Уф =1ф ' (Гф + ,|Хфл +2экв ' кр + 2?кб '^р) >

108ЛУфЧ

.108 -\УА

где к°=-^--•созр-еЛ -5тР-е^

Р 713-0, р 713-0|

-коэффициенты приведения по мощности дифференциальных Е-Н схем замещения для продольного и поперечного полей к интегральному виду.

В результате, Е-Н схемы для продольного и поперечного полей могут быть сведены в интегральную схему замещения СРД , представленную на рис. 14.

-2(крч -К-^рч ?лЛр,

Рис 14 Интегральная схема замещения СРД

При этом все сопротивления дифференциальной схемы замещения синхронного реактивного электродвигателя для продольного поля необходимо увеличить в кр раз, а параметры схемы для поперечного

поля в кр раз. Неучтенные при синтезе схемы замещения потери в стали, зубчатость статора и ротора учитываются общеизвестными методами теории

электрических машин.

Полученная схема позволяет исследовать процессы в двигателе с учетом реального магнитного состояния магнитопровода, поскольку сопротивления, моделирующие ферронаполненные зоны, учитывают конечную магнитную проницаемость стали, усредненную в пределах соответствующей конструктивной зоны.

Синтезированная схема замещения положена в основу методики электромагнитного исследования СРД со слоистым ротором. Нелинейный характер схемы замещения предопределил целесообразность применения для ее расчета итерационного метода, реализованного с помощью ЭВМ.

Четвертая глава посвящена исследованию распределения магнитного поля в СРД со слоистым ротором, а также расчетно-экспериментальной проверке ряда положений диссертационной работы.

Исследование магнитного поля проведено с помощью сеточных моделей, разработанных во второй главе. В качестве объекта исследования рассматривался усовершенствованный СРД со статором серийного асинхронного двигателя и двухполюсным слоистым ротором при отсутствии и наличии вырезов (по а.с.№ в 1515272) в его ферромагнитных пакетах. В результате расчета продольного поля получено распределение нормальной составляющей вектора магнитной индукции в рабочем зазоре СРД со сплошными пакетами (рис.15). Подобная картина поля имеет место и при наличии вырезав в пакетах на пути замыкания поперечного потока при одновременном увеличении их аксиальной длины.

1,2

Рис.15 Распределение норм&тьной составляющей вектора магнитной индукции продольного поля и зазоре СРД со слоистым ротором при наличии и отсутствии вырезов в ферромагнитных пакетах.

Распределение поперечного поля и его дискретный частотный спектр (при наличии и отсутствии вырезов) приведены на рис.16, 17. Как следует из приведенных зависимостей, вырезы на пути замыкания поперечного потока приводят не только к снижению его уровня и, в результате, к повышению энергетических характеристик, но и улучшают его спектральный состав, что в конечном счете сказывается на снижении паразитных моментов.

0,1

0,08 0,06 £ 0,04 5 0.02

I 0 г -0,02 -0.04 ■0,06

-0.08

полют юс деление

------- пжеплбез вмрезов

ICIKCI1.IL |.МП

Рис.16 Распределение нормальной составляющей вектора магнитной индукции поперечного поля п зазоре СРД со слоистым ротором при мздтичии и отсутствии вырезов в ферромагнитных пакетах

1,2 I

0,8

¡5 = II

52 о

| 1 0,4

I ! 0-2 ° 0

I I

I I I I I

номер гармоники пакеты без вырезоа пакеты с вырезами

Рис.17 Дискретный частотный спектр пространственного распределения поперечного магнитного поля в зазоре СРД со слоистым ротором при наличии и отсутствии вырезов в ферромагнитных пакетах

Результаты расчета коэффициентов распределения продольного и поперечного полей при наличии и отсутствии вырезов в пакетах приведены в табл.1.

Таблица 1

Вариан г исполнения ротора Коэффициенты

кс аа а. кф<) кфЧ

СРД со слоистым ротором без вырезов 0,743 0,0153 0,467 0,119 0,983 0,942

СРД со слоистым ротором, имеющим вырезы 0,743 0.0066 0,467 0,051 0,983 0,945

Полученные коэффициенты могут быть использованы при анализе СРД со слоистым ротором по классической методике для оценки двигателя в первом приближении.

Результаты исследования поля в рабочем зазоре СРД со сплошными пакетами согласуются с данными, приведенными в ряде зарубежных источников, что подтверждает достоверность оценки влияния вырезов в пакетах слоистого ротора. В данной главе представлены также результаты двухэтапной проверки разработанной методики электромагнитного расчета, основанной на нелинейной схеме замещения СРД со слоистым ротором.

-

/ /

>

- : Н - >

- -

'."Г" '"ГГ ■ 1" - Т!Г |

/

У

✓

: !

□ 1

1.

|кисшин ШЩН(НЛЬ, кВ|

Рис. 1 8 Зависимость тока фазы от мощности на валу

I

П|Скя шшш >1!) Расчет по схеме замещения Рдсчеч по классически)! мечшш-

Рис.19 Зависимость мощности нсточ-ника в функции полезной мощности

1- 1 I 1

■ 1 !

1.

]

-1.

Рис.20 Зависимость коэффициента мощности СРД в функции полезной мощности

Рис.21 Зависимость коэффициента полезного действия в функции полезной мощности

На первом этапе осуществлялось сравнение результатов расчета СРД со слоистым двухполюсным ротором на базе статора асинхронного двигателя серии 4А по классической и предлагаемой, методикам. При этом в классической методике использовались коэффициенты распределения поля, полученные в работе численным методом сеточного моделирования. Как видно из представленных рабочих характеристик (рис.18, 19, 20, 21), результаты расчета по двум методикам достаточно близки.

Достоверность методики подтверждена также данными экспериментальных исследований СРД со слоистым двухполюсным ротором, известны-

* 4

ми из публикации*'. Результаты расчета этого двигателя по предлагаемой методике достаточно близки с результатами, полученными экспериментальным путем (табл.2), что свидетельствует о достоверности и достаточной точности разработанной методики.

Таблица 2

Способ получения данных Характеристики СРД

Р2 Ь 1 Cos <f

Вг Л - -

Эксперимент 1472 5,35 0,84 0,91

Расчет по разработанной методике 1495 5,3 0,86 0,92

Таким образом, результаты апробации позволяют сделать вывод о правомерности сделанных допущений при синтезе схемы замещения и достоверности разработанной методики исследования СРД со слоистым ротором.

Предлагаемая методика исследования СРД со слоистым ротором, достаточно полно отражающая электромагнитные процессы в активном объеме электрической машины, является альтернативой классической методике и может быть рекомендована для практического использования.

В заключении работы приведены основные результаты и выводы:

1 .Запатентован ряд конструктивных решений по усовершенствованию СРД со слоистым ротором.

2.Численным методом сеточного моделирования исследовано магнитное поле в рабочем зазоре и активном объеме слоистого ротора СРД с учетом его реальной геометрии и конструктивных особенностей

3.Определены коэффициенты классических методик, характеризующие форму магнитного поля по продольной и поперечной осям СРД со слоистым ротором.

4. Произведена оценка влияния вырезов в центральной части ферромагнитных пакетов слоистого ротора (на пути замыкания поперечного потока) на распределение магнитного поля. Результаты исследования магнитного поля позволили сделать вывод о целесообразности введения вырезов в цеп-тральные части ферромагнитных пакетов слоистых роторов СРД.

5.На базе уравнений Максвелла исследовано электромагнитное поле в активном объеме слоистого ротора синхронного реактивного двигателя с учетом конечной величины магнитной проницаемости стали магнитопровода.

* Boldea I., Fu Z. X. , Nasar S.A. Performance evaluation of axially laminated anisotropic (ALA) rotor reluctance synchronous motors// IEE Trans.Ind.Appl. 1994. Vol.30, №4. C.977-985.

6.Синтезирована нелинейная схема замещения синхронного реактивного двигателя со слоистым ротором и разработана методика электромагнитного расчета синхронных реактивных двигателей со слоистыми роторами и соответствующее программное обеспечение.

7.Апробация разработанной методики исследования СРД со слоистым ротором подтвердила правомерность принятых допущений и достоверность синтезированной каскадной схемы замещения.

8.Показано, что СРД со слоистым ротором даже в случае неоптимального проектирования на базе статора серийного асинхронного двигателя способен конкурировать с асинхронным аналогом. При оптимальном же проектировании можно ожидать более высоких характеристик исследуемых СРД.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Давыденко О. Б., Казанский В. М. Схема замещения синхронного реактивного электродвигателя со слоистым ротором // Электротехника, 1998, №2.

2.Литвинов Б.В., Давыденко О.Б. Схема замещения синхронной электрической машины с возбуждением от постоянных магнитов высоких энергий. // Электротехника. 1995. №1

3. Давыденко О. Б. Синхронный реактивный электродвигатель // тезисы доклада на конференции с международным участием «Энергосберегающие технологии» («K.ORUS-99», Новосибирск, 1999г.).

4. A.c. 1676017 СССР. Синхронный электродвигатель /Давыденко О.Б., Козлов Б.Д,, и др. // Открытия. Изобретения. - 1991. №33

5. A.c. 1628152 СССР. Синхронный реактивный электродвигатель/ Давыденко О.Б., Старчеус К.И., и др. // Открытия. Изобретения. - 1991. №6

6. A.c. 1683141 СССР. Синхронный реактивный электродвигатель/Давыденко О.Б., Литвинов Б.В. // Открытия. Изобретения.-1991. №37

7. A.c. 1725329 СССР. Синхронный реактивный электродвигатель / Давыденко О.Б., Козлов Б.Д. и др.// Открытия. Изобретения.-1992. №13

8. A.c. 1781772 СССР. Ротор синхронной электрической машины / Давыденко О.Б., Шор A.M. и др.// Открытия. Изобретения.-1992. №46

9. A.c. 1820456 СССР. Синхронный реактивный электродвигатель/ Давыденко О.Б., Литвинов Б.В. // Открытия. Изобретения,-1993. №21

10. Пат.2057389 Россия. Синхронный реактивный электродвигатель. Давыденко О.Б., Савельев A.B. и др. / Открытия. Изобретения.- 1996. №9 Основные результаты диссертации, выносимые на защиту, принадлежат лично Давыденко О.Б.

Новосибирский государственный технический университет

На правах рукописи

Давыденко Ольга Борисовна

РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ ТЕОРИИ И МЕТОДИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО РАСЧЕТА СИНХРОННОГО РЕАКТИВНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ СО СЛОИСТЫМ РОТОРОМ

Специальность: 05.09,01 - электромеханика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Казанский В.М.

Новосибирск 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение...................................................................... 4

1. Особенности конструкции и перспективы применения синхронных реактивных электродвигателей (СРД)......... 11

1.1 Конструктивные особенности синхронных реактивных электродвигателей.................................. 11

1.2 Возможности и перспективы СРД........................... 41

2. Исследование распределения магнитного поля

в рабочем зазоре СРД со слоистым ротором.................. 48

2.1 Постановка задачи............................................ 48

2.2 Сеточная модель для продольного поля.................. 49

2.3 Сеточная модель для поперечного поля.................. 59

3. Схема замещения СРД со слоистым ротором............... 80

3.1 О методе моделирования....................................... 80

3.2 Обоснование возможности представления реальной структуры слоистого ротора

однородной ортотропной средой...................................................81

3.3 Синтез Е-Н звена слоистого ротора СРД............... 87

3.4 Каскадная схема замещения трехфазного синхронного реактивного двигателя со слоистым ротором............ 93

3.5 Интегральная схема замещения СРД со слоистым ротором...............................................................

3.6 Определение индукции и магнитной проницаемости

стали в конструктивных зонах СРД.......................... Ш

3.7 Нелинейная схема замещения СРД

со слоистым ротором............................................. 118

3.8 Достоинства синтезированной схемы замещения...... 121

Стр.

4.Результаты исследования СРД со слоистым ротором...... 125

4.1 Результаты исследования распределения магнитного поля в рабочем зазоре СРД методом сеточного моделирования...................................................... 125

4.2 Апробация методики исследования СРД со слоистым ротором, основанной на синтезированной схеме замещения................................................................... 131

Заключение.................................................................. 138

Литература.................................................................. 141

Приложения.................................................................. 149

П1. Программа расчета поперечного магнитного поля в зазоре и активном объеме слоистого ротора СРД

методом сеток......................................................... 149

П2. Программа расчета продольного магнитного поля в зазоре и активном объеме слоистого ротора СРД

методом сеток.......................................................... 158

ПЗ. Программа электромагнитного расчета СРД

со слоистым ротором.............................................. 163

Введение

В связи с современной тенденцией все более широкой автоматизации производственных процессов многие отрасли промышленности испытывают потребность в дешевых и технологичных, надежных и простых в эксплуатации электрических машинах мощностью от долей ватта до многих сотен киловатт.

В настоящее время в электроприводах этого диапазона мощности наиболее широко используется асинхронный электродвигатель с короткозамкнутой клеткой. Однако, на сегодняшний день, в условиях энерго- и ресурсосбережения, асинхронные электродвигатели не вполне отвечают обновленным требованиям электромеханики. В свете решения этой проблемы в России и за рубежом изучаются возможности применения альтернативных электродвигателей переменного тока, обладающих высокими энергетическими показателями и более дешевых, с точки зрения использования активных материалов. Перспективными в этом плане являются синхронные реактивные электродвигатели (СРД), вызывающие в последнее время повышенный интерес значительного числа исследователей.

Синхронные реактивные машины благодаря отсутствию обмотки возбуждения, простоте и технологичности конструкции и строго синхронной скорости вращения имеют определенные преимущества перед другими типами электрических машин. Синхронные реактивные электродвигатели (СРД) являются наиболее распространенными в современном синхронном электроприводе малой мощности, где энергетические характеристики не являются главным требованием. СРД малой мощности широко используются в регистрирующей аппаратуре, технике связи, телевидении, аудио и видеотехнике, текстильной промышленности, в различных системах управления, синхронной связи и т.д. Достаточно полные исследования синхронных реактивных машин приведены в [40+42] и [58].

До недавнего времени в нашей стране и за рубежом существовало устойчивое мнение о невозможности создания синхронных реактивных двигателей с достаточно высокими энергетическими и массогабаритными показателями. Однако, в последние годы в России и, в большей степени, за рубежом появилось значительное количество конструктивных предложений по усовершенствованию СРД, появились публикации, углубляющие теорию, выявляющие действительные возможности этих двигателей, оценивающие их место в ряду электрических машин других типов и конструкций, демонстрирующие их конкурентоспособность с асинхронными двигателями [49,52,65,74,84,85]. В частности, СРД предполагаются наиболее перспективными для использования их в качестве привода электромобилей (легкового и пассажирского транспорта будущего), как имеющие наилучшие массогабаритные, энергетические и стоимостные показатели[45].

Прогресс в развитии СРД в значительной степени обусловлен реализацией максимально возможного отношения магнитных про-водимостей ва и по продольной и поперечной осям машины при одновременном снижении затрат на их производство. По имеющимся публикациям, наиболее перспективными в этом плане являются СРД со слоистыми роторами, магнитопровод которых образован ориентированными вдоль активной длины машины пакетами ферромагнитных элементов, отделенных друг от друга немагнитными промежутками [75*78,80*83,86,87]. Подобная конструкция открывает широкие возможности по использованию в маг-нитопроводе ротора текстурованной электротехнической стали, способствующей увеличению отношения ва / . В Новосибирском государственном техническом университете разработан ряд конструкций СРД со слоистым ротором (часть из них при участии автора) с повышенным отношением ва /

. Главной особенностью этих конструкций является пониженный уровень магнитной проводимости ротора по поперечной оси за счет всевозможных вырезов в ферромагнитных элементах на пути замыкания поперечного потока [6]. Упомянутые конструктивные усовершенствования магнитопровода ротора требуют проведения специальных исследований.

Анализ литературы свидетельствует, что несмотря на значительное количество публикаций, посвященных СРД со слоистыми роторами, в области электромагнитных исследований двигателей этого типа не накоплен достаточный опыт и к настоящему времени не существует более или менее законченных инженерных методик их расчета.

Существующие методики исследования синхронных реактивных машин малопригодны для анализа синхронных реактивных двигателей со слоистым ротором. Это обусловлено спецификой распределения электромагнитного поля в их активном объеме, вследствие нетрадиционности конструкции ротора.

Алгоритмы расчетов и методики электромагнитного исследования СРД со слоистыми роторами должны базироваться на фундаментальных уравнениях электродинамики и едином математическом описании электромагнитного поля в активном объеме машины. Наиболее универсальным методом, позволяющим учесть конструктивные особенности электрической машины, является метод, основанный на эквивалентных каскадных схемах замещения [36,38,39].

Целью диссертационной работы является разработка элементов теории и создание методики исследования электромагнитных процессов в синхронных реактивных двигателях со слоистым ротором. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

• исследование распределения магнитного поля в рабочем зазоре и объеме слоистого ротора численным методом сеточного моделирования с целью определения основных коэффициентов распределения поля, используемых в классической методике, и оценки влияния конструктивных усовершенствований, способствующих повышению отношения магнитных проводимостей по продольной и поперечной осям,

• аналитическое исследование на базе фундаментальных уравнений теории поля электромагнитных процессов в активном объеме синхронного реактивного двигателя со слоистым ротором с учетом конечного значения магнитной проницаемости стали магнитопроводов ротора и статора,

« синтез каскадной схемы замещения синхронного реактивного двигателя со слоистым ротором,

• разработка методики электромагнитного расчета на базе нелинейной каскадной схемы замещения и соответствующего программного обеспечения.

Научная новизна работы и основных ее результатов заключается

в следующем:

• посредством численного метода сеточного моделирования исследовано влияние вырезов в ферромагнитных пакетах слоистого ротора на распределение магнитного поля в рабочем зазоре и объеме слоистого ротора,

• на базе уравнений Максвелла исследовано электромагнитное поле в объеме слоистого ротора синхронного реактивного двигателя с учетом конечного значения величины магнитной проницаемости стали,

• посредством ортотропного моделирования впервые синтезирована каскадная схема замещения синхронного реактивного двигателя со слоистым ротором,

• созданы новая инженерная методика ж программное обеспечение электромагнитного расчета на основе нелинейной каскадной схемы замещения синхронного реактивного двигателя со слоистым ротором.

Практическая значимость результатов работы.

• разработаны новые конструктивные решения по усовершенствованию ротора синхронного реактивного двигателя, защищенные 6-ю авторскими свидетельствами СССР и одним патентом РФ,

» показана целесообразность вырезов в центральных частях ферромагнитных пакетов слоистого ротора на пути замыкания поперечного потока,

• разработаны математические модели для исследования магнитного поля в рабочем зазоре и активном объеме слоистого ротора СРД и расчета основных коэффициентов распределения поля по осям ротора с целью их использования в классической методике для оценки электродвигателя в первом приближении,

• на основе синтезированной каскадной схемы замещения разработана методика исследования электромагнитных процессов в синхронных реактивных двигателях со слоистыми роторами с учетом реального магнитного состояния машин и соответствующее программное обеспечение.

Достоверность полученных результатов основывается на применении достаточно полных математических моделей, апробированных в теоретической электротехнике, а также на соответствии результатов, полученных в данной работе, и результатов исследова-

ния схожих режимов и процессов, полученных отечественными и зарубежными учеными.

Апробация работы и публикации.

Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры Теоретических основ электротехники Новосибирского государственного технического университета, на научной конференции с международным участием «Проблемы электротехники», секция «Электромеханика» (НГТУ, Новосибирск, 1993), на региональном семинаре «Новые технологии и научные разработки в энергетике», (Новосибирск, 1994г.). По теме диссертационной работы опубликованы две статьи в центральном периодическом научно-техническом журнале «Электротехника», тезисы к докладу в трудах научной конференции с международным участием "КО!Ш8-99'\ секция "Электротехнологии"(НГТУ, Новосибирск, 1999), получено 6 авторских свидетельств, один патент и одно положительное решение на заявку об изобретении.

На защиту выносятся:

• синтезированная посредством ортотропного моделирования каскадная схема замещения синхронного реактивного двигателя со слоистым ротором,

• новая методика электромагнитного расчета, основанная на нелинейной каскадной схеме замещения синхронных реактивных двигателей со слоистым ротором,

• запатентованные конструкции роторов синхронных реактивных двигателей с повышенным отношением магнитных проводимо-стей по продольной и поперечной осям,

• рекомендации по корректировке классических методик исследования СРД посредством введения в них коэффициентов действи-

тельного распределения электромагнитного поля в рабочем зазоре и активном объеме слоистого ротора, • рекомендации по применению вырезов в ферромагнитных пакетах слоистого ротора синхронного реактивного двигателя. Основной материал диссертации изложен в четырех главах.

В первой главе дается обзор современного состояния синхронных реактивных машин, оценивается место СРД в ряду электрических машин переменного тока, приводится описание современных конструкций синхронных реактивных двигателей , разработанных в НГТУ( часть из них с участием автора).

Во второй главе разработаны сеточные модели для исследования продольного и поперечного магнитного поля в воздушном зазоре и активном объеме слоистого ротора СРД (при отсутствии и наличии вырезов в ферромагнитных пакетах на пути замыкания поперечного потока), определены соотношения для расчета основных коэффициентов, характеризующих распределение продольного и поперечного магнитных полей в СРД со слоистым ротором.

Третья глава посвящена разработке математической модели синхронного реактивного двигателя со слоистым ротором, синтезированию его нелинейной каскадной схемы замещения и созданию методики электромагнитного расчета, основанной на этой схеме.

В четвертой главе приведены результаты исследования магнитного поля в зазоре и активном объеме слоистого ротора СРД (при отсутствии и наличии вырезов в ферромагнитных пакетах), и расчетной проверки основных положений, полученных в диссертационной работе.

Настоящая работа выполнена на кафедре Теоретических основ электротехники Новосибирского государственного технического университета.

1 .ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ СИНХРОННЫХ РЕАКТИВНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

1.1 Конструктнвные особенности синхронных реактнвных электродвигателей (СРД)

Отличительной особенностью СРД является отсутствие у этих электродвигателей обмотки на роторе. Возбуждение СРД осуществляется со стороны статора, конструкция которого аналогична статору асинхронной машины. Электромагнитный момент вращения в этих машинах возникает за счет магнитной несимметрии ротора. В пренебрежении резистивным сопротивлением обмотки статора выражения для максимального коэффициента мощности и максимального электромагнитного момента СРД определяются соотношениями [40]:

-1

С08 ф

+ 1

(1)

Я

>

Мт=7"-'(—(2)

в которых Ха и Хч - синхронные индуктивные сопротивления СРД по продольной и поперечной осям ротора. Так как Ха и Хч пропорциональны магнитным проводим остям ва и вдоль осей ё и q ротора, энергетические показатели СРД тем выше, чем больше отношение Оа/Оч.

Все существующие СРД можно подразделить на простые и усовершенствованной конструкции [40]. Ротор простого СРД имеет явно-

полюсную конструкцию (рис.1.1 а). Его собирают из стальных листов электротехнической стали аналогично роторам асинхронных двигателей. Явновыраженные полюсы в таком роторе образуются вырубкой пазов в междуполюсном пространстве, обеспечивающих различные индуктивные сопротивления по осям d и q. Пусковая короткозамкнутая обмотка выполняется в виде беличьей клетки путем заливки всех пазов электропроводящим материалом.

Для этих роторов Gd/Gq = 2 + 2,5, что предопределяет сравнительно низкие энергетические показатели простых СРД. Коэффициент мощности этих машин не превышает 0.5, а мощность, развиваемая ими, не превышает 40 % мощности равного ему по габаритам асинхронного двигателя. В связи с вышеизложенным, простые СРД получили достаточно широкое распространение лишь в электроприводах малой мощности, где требуется синхронная скорость вращения, где простота обслуживания, надежность и дешевизна важнее энергетических показателей.

В [40] приведен ряд конструкций усовершенствованных СРД, энергетические и весовые показатели которых улучшены за счет уменьшения магнитной проводимости Gq по поперечной оси, для чего на пути замыкания поперечного магнитного потока Фч предусмотрены "барьеры" из немагнитного материала.

На рис. 1.1 б,в,г,д приведены конструкции ротора усовершенствованных СРД, разработанные американскими фирмами "Allis Chalmers" и "Louis - Allis", в которых роль "барьеров" выполняют немагнитные внутренние пазы. Для роторов с "барьерами" на пути поперечного магнитного потока отношение Gd/Gq = 5 и более.

На рис. 1.2а изображен �