автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Разработка и исследование высокоэлектрической машины электромеханических инерционных аккумуляторов

МВ и ССО РСФСР

УРАЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ИНЕРЦИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

05.09.01 — электрические машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Свердловск 1990

Работа выполнена в Отделе магнитной динамики Института машиноведения УрО АН СССР.

Научный руководитель — академик АН Латв. ССР, доктор физ.-мат. наук, профессор Кирко И. М.

Консультант — старший научный сотрудник, кандидат технических наук Манн Э. Г.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, старший научный сотрудник Лозенко В. К.,

кандидат технических наук, ассистент Черепанов С. Ю.

Ведущая организация — ВНИИэлектромаш.

Защита гпгтпитгя /9 ¿не_199_С_г. в ^ час. За мин.

на заседании специализированного совета К 063.14.04 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Уральском политехническом институте.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского политехнического института.

Автореферат разослан { _199£_г.

Ученый секретар специализированного

-1 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объект исследования. Объектом исследования является электрическая малина с возбуждением от высококоэрцзтивных постоянных магнитов, состоящая из беспазоваго статора п совмещённого с маховиком ротора, предназначенная для накопления и рекуперации энергии в электромеханических инерционных аккумуляторах /ЭМИА/.

Актуальность проблемы. Для обеспечения беспрарывностя электроснабжения ответственных потребителей, в частности, вычислительных центров, автоматических производственных установок, летательных аппаратов, аэропортов, больниц, перспективно применение электромеханических инерционных аккумуляторов. Кроме того, ЭМИА могут найти прпменониз в электросистемах с явно выраженным импульсным характером электропотребления, в транспорте, в установках использования энергии волн и ветра.

Накопление энергии в З'^ИА осуществляется в роторах-маховиках. Разгон ротора-маховика /накопление энергии/ и его торюжение /рекуперация энергии/ осуществляется посредством электрической малины. Высокой эффективности преобразования энергии и' высоких массо-габаритных показателей Э"Л!А гопю достичь путём применения электрических малин с возбуздекпем от высококоэрцитивных постоянных магнитов. Этому способствует ряд положительных качеств машин: высокий КЦД в гепаратор-ном и двигательном режимах, отсутствие щёточного Еоптакта я отсутствие тепловыделения в роторе /возможность работы з вакууме/, высокие массо-габаритные показатели, безотказное возбуждение. Однако, эффективное использование этих магпш возможно только при учёте специфических особенностей Э'ЛИА: большие линейные скорости ротора - до 200м/с н более, совмещение маховика с ротором электрической магикы, дэфорк&пзя ротора, изменение частоты вращения ротора в широких прэдв-лах. Электрическая машина должна исследоваться в совокупности с другими узлами накопителя. То есть, создание высокоэффективных ЭМИА связано с разработкой специальных электрических машин. Разработка машин для ЭМИА, поиск методик определения их главных размеров, характеристик и параметров являются важной и актуальной задачей и сопряжены с регэкгзи комплекса проблем теоретического, экспериментального н практического характера.

Цель работы заключается в исследовании электрической машины как узла ЭММ, определении её характеристик и выработке практических рекомендаций по определению основных геометрических и электрических параметров.

Для достижения этой цели решаются следующие основные задачи.

1. Выбор конструкции электрической машины в соответствии с требованиями, накладываемыми условиями и режимами работы ЭММ.

2. Выбор расчётной модели полюса машины, составленного из нескольких пластинчатых или сегментных магнитов с радиальной поляризацией.

3. Разработка методики расчёта двумерного магнитного поля и определение на основе этой методики параметров и характеристик машины.

4. Выбор главных размеров машины с учётом геометрических и энергетических показателей ЭММ.

5. Исследование возможности стабилизации ЭДС и напряжения путём использования упругой деформации маховика.

6. Оптимизация удельного расхода постоянных магнитов.

7. Расчёт сил одностороннего магнитного тяжения.

Научная новизна

1. Решена задача аналитического расчёта магнитного поля в активной зоне электрической машины с радиально намагниченными магнитами методом гармонического анализа с учётом непостоянства намагниченности под действием размагничивающих факторов. При ётом, полюс рассматривается как совокупность нескольких магнитов с различными свойствами.

2. Выявлена возможность поддержания генерируемого напряжения при переменной частоте вращения с использованием упругой деформации маховика под действием центробежных„сил.

3. Используя уравнения поля, получены основные параметры машины: ЭДС, ивдуктивные сопротивления реакции якоря и рассеяния, мощность. Определены главные размеры машины с учётом конструкции ЭММ. Проведена оптимизация удельного расхода магнитов.

4. Установлен и исследован способ улучшения синусоидальности генерируемого напряжения путём специального распределения магнитов по полюсу.

5. Проводится расчёт сил одностороннего магнитного тяжения при статических и динамических эксцентриситетах.

Практическая ценность. Результата работа использованы при разработке и исследовании опытных образцов электрических машин с максимальной модностью 24,5 кВт и рабочзй частотой вращения до 24000 об/мин. Электрические цзшииы работали в ЭМИА энергоёмкостью 2«106 Дж.

Спроектирована и изготовлена электрическая машина с мощностью до 50 кВт для ЭМИА энергоёмкостью 1-1С? Дя.

Апробация результатов работы. Осковшгз положения работы доложены на следующих конференциях и семинарах.

1. Конференция "Автоматизация технологических прэцэссов и промышленных установок ".Пермь, 1983г.

2. Конференция "Автоматизация технологических процессов и промышленных установок". Пермь, 1984г.

3. Всесоюзная конференция "Ыаховичк^э напоютоли энергии". Житомир, 1985г.

4. Семинар по проблемам иакшоведзния. !1оспга, 1985г.

5. Семинар по прикладной магнитной гидродинамика. Пермь, 1987г.

6. Всесоюзная конференция "Находил пгэ накопители анэргии". Житомир, 1989г.

Публикации. По результатам ешголкэшых исследовагегй опубликовано 14 работ.

Объём работы . Диссертация состоит из пяти глав, списка литература и приложения. Общий объём работы 172 страницы, в том числе 133 страницы основного текста, 28 страпД рисунков, 8 страниц списка литературы /76 наименований/ и 3 страницы приложения.

На защиту, выносятся следующие основшгэ положения:

1. Методика расчёта двумерного магнитного поля полюса из нескольких пластинчатых или сегментных постоянных магнитов с различными, магнитными и геометрическими характеристиками, а также расчёт параметров машины на базе полученных уравнений поля.

2. Инженерная методика определения главных размеров машины с учётом совмещения ротора с маховиком.

3. Способ улучшения синусоидальности магнитного поля путём специального распределения магнитов на полисе.

4. Способ снижения удельного расхода постоянных магнитов на единицу мощности машины за счёт выбора оптимального соотношения между высотой магнита и величиной активного промежутка.

5. Способ стабилизации напряжения при переменной частоте вращения ротора.

6. Целесообразность использования разработанных методик расчёта и полученных теоретических и экспериментальных результатов при проектировании и дальнейшем усовершенствовании электрических машин.в ЭМИА.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава диссертации посвящена анализу существующих и перспективных конструкций электрических машин с постоянными магнитами для ЭМИА.

Сформулированы основные требования к машине с точки зрения эффективной работы в ЭЛ1А. Эти требования классифицированы по трём признакам.

1. Требования, направленные на достижение минимального уровня отрицательного воздействия электрической машины на ЭММ. Под отрицательным воздействием понимается тепловое, механическое и электромагнитное воздействие в той или иной мере ухудшающее показатели ЭМИА. Сюда относятся требования: минимизация тепловыделения в роторе и одностороннего магнитного тяжения; масса вращающихся частей машины должна быть минимальна, а способы их крепления не должны вызывать концентрации механических напряжений; механические напряжения в роторе не должны превышать допустимые вплоть до предельных частот вращения маховика; обеспечение максимального эксэргетического КОД для конкретного режима работы ЭМИА.

2. Требования из условий эксплуатации: работа маховика в условиях вакуума исключает применение щёточного контакта; деформация маховика не должна оказывать отрицательного воздействия на машину; ограниченные габариты автономных ЭМИА требуют совмещения в одной машине двигательного и генераторного режимов.

3. Требования потребителя электроэнергии: синусоидальность генерируемого напряжения; работоспособность при импульсных нагрузках; возможность параллельной работы нескольких машин на общую нагрузку; стабильность выходного напряжения при переменной частоте вращения; безотказное возбуждение.

Установлено, что в наибольшей маре перечисленным требованиям удовлетворяют электрические машины с возбуждением от высококоэрцитивных постоянных магнитов. Анализ возможных

конструкции показал, что наиболее перспективной является беспазовая электрическая машина обращенного типа с вращающейся магнитной системой и неподвижной обмоткой якоря /рисЛ/. Из перечисленных выше требований в подобных малинах наиболее трудно обеспечить синусоидальность генерируемого напряжения и его эконош!чное поддержание при переменной частоте вращения. Возможные способы решения этих проблем рассматривается в последующих главах.

Во второй главе проводится анализ и расчёт магнитных полей в магните и в активной зоне полюса машины методом гармонического анализа.

Для описания магнитного поля предлагается расчётная модель полюса со следующими допущениями, которые нэ вносят заметных погрешностей в расчёт:

- пренебрегаем кривизной статора и ротора,

- пренебрегаем падением магнитного напряжения в магни-топроводе,

- токовая нагрузка якоря представлена в виде волны токового слоя, неподвижного относительно ротора.

В рамках принятых допущений в расчёте поля можно исходить из уравнения Лапласа для скалярного магнитного потенциала. Подобная задача регэна доцентом кафедры электрических машин Уфимского авиационного института Тимершинш Ф.Г., где был рассмотрен полюс, состоящий из одного магнита с постоянной в пределах магнита проницаемостью и намагниченностью.

Развивая данный метод на полюс из нескольких магнитов с немагнитными промежутками и с разбиением магнитов на отдельные участки, получены аналитические выражения для расчёта скалярного магнитного потенциала в магните и в активной зоне. Так выражение для магнитного потенциала в нагните имеет вид

и =1у у М (¿-ж -1СзШВ^Лш^-У)

где Мп- намагниченность /7го магнита, п - число магнитов, Л = £/>1, Т - полюсное деление, • V - номер гармоники.

Полученная методика расчёта поля позволяет учзггчвать изменение величины намагниченности магнитов /в той числе и их отдельных участков/ под действием внешнего поля. При

- б -

Рис.1. Электрическая и шина.

I- магнитопровод ротора /ступица/, 2 - демпферная система, 3 - постоянные магниты, 4 - обмотка, 5 - магнитопровод якоря.

У

а$

'Шк

^ ■ Оф.

1М1 П * I

Вт

тмтмт

Рис.2. Модель полюса.

этом намагниченность каздого магнита и их отдельных участков определяется системой уравнений

(¿a

где

Мп=т(f6nl)Min-(juen-l)ffl_ (ttfnCw)

д/ = shJVc) • shuh^ v~ uh„-shvd(h„+8)

Mi С

vn

Суп = со$ча„-сом(оп+6п).

М0„- остаточная намагниченность п16 магнита, - магнит-

ная проницаемость возврата пго магнита.

Правая часть каждого уравнения имеет следующий физический смысл: первое слагаемое - остаточная намагниченность, второе - изменение намагш:чс:л:ости под действием поля реакции яноря

Их » третье - изменение намагниченности /7"магнита под действием размагничивающего поля всех магнитов действующих на п" магнит. Такой способ позволяет исследовать полюс из разнотипных магнитов, а также проверять весь магнит и его отдельные участки на размагничивание.

Расчёт полюса из трёх однотипных магнитов показал некоторое сш1г.энло намагниченности центрального магнита. При разбиении магнита на участки обнаружено снижение намагниченности центральных участков и увеличение у крайних.

Расчёт поля реакции якоря ведётся по методике предложенной Вольдеком А.И. для расчёта поля в плоском канале с токовым слоем на одной из поверхностей.

С учётом поля реакции якоря уравнение магнитного поля в активной зоне имеет вид /нормальная составляющая/.

и í г гм/- Sirpiz shyo¿hm-chu(!J+b) ~ U Ipivn -T¡---

ih¿hm -chdS+shd?

Установлен?, что путём варьирования шириной магнитов и величиной промежутков между ними можно произвести устранение нескольких гармоник поля, например 5, 7 и 3. Таким способом можно существенно улучшить синусоидальность генериру-

сиэго напряжения. Теоретически возможно снижение коэффициента гарсмнак фазной ЭДС до 2,6» и линейной - до 0,33%.

В третьей главе рассматриваются вопросы определения главных размеров и расчёт параметров машины.

Для комплексного исследования показателей ЭМИА вводятся четыре уравнения связи, членами которых являются, с одной стороны, геометрические и электрические показатели машины, с другой - геометрические и прочностные показатели маховика. Если за базисный размер принять внутренний диаметр маховика 2) , то в относительных единицах уравнения примут вид

Q5di Вт СОм

cii Втсоп t Ч£а и

If___гМ.&Л

им -

*

h ШК<г

I 1-уу И 1

Л

(0,5-h%)

г

0,25 hcT

l-ju

0,5Ец L ? c""> 3rju

p (0,5-hu)3-(0,5-h*T - tbn]3 4- Zhlr +2h*r Ы 3(0,5-hi,) 2hVr-2h*„

где °ti - коэффициент полюсного перекрытия, Bm\i Ва - максимальная индукция в ступице и в статоре, соп - частота вращения маховика, fm - максимально допустимая частота поля,

- амплитуда максимально допустимой плотности тока в обмотке, К3 - коэффициент заполнения воздушного зазора медью, К а - обмоточный коэффициент, С - максимально допустимые напряжения в ступице, Кг - коэффициент запаса по прочности, /и - коэффициент Пуассона, J>t - плотность материала ступицы, Е - модуль упругости ступицы, J^g - эквивалентная плотность магнитной системы.

Первое уравнение определяет толщину ступицы /маггазопровода/ с точки зрения обеспечения замыкания магнитного потока.

Второе уравнение определяет соотношение между линейной

скоростью маховика VH и полной могростыэ малпгны, то есть определяет такое значение скорости, при котором нагана >:о-гет достичь макст«альной полной моп^гости на индуктивной нагрузке / V =90"/. Задача выбора главных размеров imr:им сводится к обеспеченно равенства скорости 1ГМ и продельной скорости маховика, полученной из прочностного расчёта. Установлено, что при Ц>г. 71° второе урагшзкио исключается, тал как любое увеличение скорости махоЕика однозначно вызывает увеличение мопрости.

Третье уравнение определяет соотносекпе мезду массой магнитной системы и толпртой ступицы, необходимой для обеспечения требуемой механической прочности, а тайге по известным величинам тол^иш магш!тов hm и толцины ступицы определяет допустимую скорость маховика.

Четвёртое уравнение даёт соотнопениэ меяду частотой вращения ротора и величиной его радиальной деформации. Установлено, что в ЗМИА деформация ротора достигает величин, соизмеримых с величиной немагнитного зазора при неподвижном роторе, и оказывает отрицательное i ияние на показатели магины.

Полученные уравнения связи дают осноеныз соотношения механической и электрической частей Э1Д1А, являются базисом для определения главных размеров конструкции. Наиболее целесообразно использовать эти уразнекия на стадия эскизного проекта;

Более глубокие исследования проводятся с использованием уравнений поля: вычисляютя индуктивнее сопротивления якоря и ЭДС. Продольное и поперечное сопротивление рз акции якоря Yod и Хау получены из уравнений напряжений явнополюспого синхронного генератора

у Es- Sin Os

Лоо. =

Jm cos V

где Gi - угол мекду вектором ЭДС холостого хода и вектором ЭДС под нагрузкой Es, Еы - амплитуда ЭДС под нагрузкой при V = 90°, - амплитуда тока фазы.

Такое определение индуктивных сопротивлений для элок-трических машин с постоянными магнитами является нэ совсем "корректным", так как из-за неидеальности магнита имеет место некоторое снижение намагниченности под действием ре-

акции якоря, что обуславливает снижение магнитного потока магнита, то есть, имеем машину с переменным потоком возбуждения. Тогда как, уравнения для yaj и X»? предполагают постоянство потока возбуждения. Однако, такое определение сопротивлений позволяет в расчётах внешних характеристик машины и её мощности рассматривать машину как с постоянным потоком возбуждения. При необходимости получения "корректного" выражения для расчёта ивдуктивных сопротивлений достаточно положить Мп= con si, то есть принять намагниченность магнита под нагрузкой равной намагниченности при холостом ходе.

Величины ЭДС могут быть получены по известному распределению магнитного поля в зазоре. Так ЭДС холостого хода определяется выражением

£*, - ер v ± мпх с,„

J />=' shJ.{h„*o)

где K¡ - коэффициент, учитывающий распределение обмотки по зазору /по радиусу/. Тогда имеем

п

У , к,ъ (Я со иг„ г 2ShJ.hm- (м„„ - М»)с,п .

ЛЯ(/ --а-|-+

+ chjL(.S*h„) 1

РТ-shdtf* h„) j

П

X ¿^оК.ъеЛ со и« Г 2Ki shd h^lr.^"! s¿„ vs °9 = srcesf 1 Vlm-ShJUhM>*b)

Pt • ShJL (S*-/)„,) J

где Xf - координата пространственного расположения амплитуды магнитного поля в зазоре

J shd(hm+b) Jm-chd(S*hJ' J

Если рабочая точка магнита находится в пределах линейного участка кривой магнитного возврата, то величина разности намагниченностей Мпх -Мп1 в уравнении для Хв</ пря-мопропорциональна велцнине тока якоря Jm . В этом случае

величина Xa¡j не зависит от тока. В расчётах в уравнение для Xaj и в систему уравнений для намагниченностей подставляется одно и то же значение тока. Если рабочая точка магнита вышла за пределы линейного участка, то XaJ зависит от тока.

В уравнение для Ха$ входит угол у , но он входит также и в уравнение для Xg ив систему уравнений для намагниченностей. В совокупности этих факторов, как и следовало ожидать, достигается независимость от характера нагрузки. Поэтому в расчётах можно произвольно выбирать любое значение V /кроме =90' /, наиболее удобно принимать V =0.

Численные расчёты показали, что при магнитной проницаемости возврата , что характерно для высококозрцитив-ных магнитов, имеет место Х0</ ^ . То есть машина с высококоэрцитивными магнитами без полюсных наконечников фактически является неявнополюсной; так для магнитов КС37 имеем I,025X„|=W.

В инженерных расчётах можно использовать упрощенное выражение, которое фактически является "корректным".

_ 2м Ка и)вр м<? т к т___сЬл'.'ь+ЬЛ

Тр

Индуктивное сопротивление рассеяния воздушного зазора /немагнитного промежутка Л / определяется как отношение амплитуды ЭДС самоиндукции , вызванной потоком рассеяния ,• к амплитуде тока якоря.

Индуктивные сопротивления ло6оеых частей рассчитываются традиционными способами.

Полученные уравнения для ЭДС и индуктивных сопротивлений позволяют исследовать стационарные и квазиустановившиеся режимы работ. Проведено исследование стабилизации напряжения и оптимизация использования постоянных магнитов /минимальный расход на единицу мощности/.

В основу стабилизации напряжения при переменной частоте вращения положено явление упругой деформации ротора под действием центробежных сил. Увеличение активного промежутка в пределах упругой дефориации пропорционально квадрату частоты вращения

Л(5 £

Задача сводится к поиску коэффициента пропорциональности у , при которой B^U-consI в определённом диапазоне частот вращения. За критерий стабильности принято равенство напряжений на краях рабочего диапазона частот вращения. В отои случае для глубины снижения частоты вращения

= 0,7 теоретически достижима нестабильность напряжения холостого хода 2%, К^-0,8 - 0,8%, Кш=0,9 - 0,3%. Для абсолютно жёсткого ротора-маховика нестабильность соответствашю составит ЗОЙ,, 20%, 10%. Связь между величиной коэффициента ^ и нестабильностью напряжения для соответствующих Кы показана на рис.3.

Таким образом, за счёт упругой деформации ротора можно достичь высокой стабильности напряжения без•применения проходных регуляторов, что позволяет повысить эксэрге-тический КОД ЭША в целом.

Недостатком этого способа является снижение напряжения и мощности машины по сравнении с машиной с жёстким ротором, а также имеет место некоторая нестабильность напряжения при переменном характере нагрузки /Ч> = \saz /, что отражено на рис.4.

Для определения минимального расхода магнитов, на единицу мощности рассмотрена работа машины на нагрузку различного характера. Оптимальное соотношение высоты магнита к величине активного промежутка определяется системой двух уравнений

Ú ■ sh¿h,

где Kp =

l/JUp Уд, (D„-2hc Г - hm) ■ í ^ Cmf- Кг

n

l¡ Z Mnx Cm

Koi

9 8 7 6 5 4 3 2 I

°0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2-10"® Рис.3. Нестабильность напряжения в фунггрз гогффпциента ^

Рис.4. Выходное калрягзние генератора: С - номинальная

ёшсостная нагрузка, - индуктивная, Я - штшпп, Сх, ¿х - то же, но при у рассчитанного для рвг^а холостого хода.

Первое уравнение определяет электромагнитную мощность машины, второе - тепловую нагрузку. Установлено, что отношение Нт/5 зависит от режима работы и от полюсного деления ? ¡1= /. При импульсном режиме работы ><Г , повторно-кратковременном И^Ь , длительном Нт<% .С уменьшением имеет место снижение расхода магнитов на единицу мощности /рис.5/. Оптимальное значение полюсного деления или л с уменьшением величины /)„ и с увеличением токовой нагрузки смещается в область больших значений.

Исследование зависимости удельного расхода магнитов от намагниченности показало, что при постоянной массе магнитов наблюдается рост мощности машины пропорционально намагниченности в степени 1,6 - 1,4. Степень зависит от коэффициента оС /рис. 6/.

Расчётами установлено, что при линейной скорости магнитов относительно статора И =160м/с оптимизированная по отношению И„/8 машина в импульсном режиме имеет расход 0,01 -0,015кг магнитов КС37 на киловатт предельной мощности и 0,006 - 0,01кг магнитов из соединения неодим-келезо-бор. Машина для длительного режима имеет расход магнитов на порядок больше. С увеличением скорости расход магнитов прямопропорционально уменьшается.

В главе 4 проведён расчёт сил одностороннего магнитного тяжения и их гармонический анализ. Большой немагнитный зазор Д и малое значение величины относительного эксцентриситета е /как правило, е в беспазовых машинах не может превышать 0,2/ обусловливает значительно меньшую величину сил одностороннего магнитного тяжения чем в пазовых машинах. Однако, при подвеске ротора на магнитных подшипниках требуется учёт этих сил.

Действие сил рассматривается в двух ортогональных направлениях /по вертикали и горизонтали/. Исследование гармонического состава сил показало, что наряду с постоянной силой действует ряд переменных сил с частотами кратными частоте поля ротора. Из переменных сил наибольшую амплитуду имеет сила, создаваемая первой гармоникой поля. Эта сила на два порядка меньше постоянной силы. Таким образом, переменные силы имеют весьма малые значения и не могут вносить заметного влияния на работу магнитного подшипника.

Исследование сил тяжения при наличии динамического экс-

16 14 12 10 8 6 4 2 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 «¿=% м' Рис.5.Эффективность использования магнитов

=100 -импульсный реким,------//к/ =25,

___=10 - длительный режим

Р*

1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4

0,2 о

¿-к // ¿зр* /

у/ 4о

¡/ /

1

/

/

1

я, V

г/

0,4

М*

0,8 I 1,2 1,6 2,0 Рис.6. Мощность электргееской машины в функции намагниченности магнита. За базовый принят магнит КС37

центриситета показало наличие'силы с частотой вращения ротора и направленной в сторону динамического эксцентриситета. Величина этой силы может быть соизмерима с величиной постоянной силы.

Рассматривая силы одностороннего магнитного тяжения, можно ввделить, так называемые, поля эксцентриситета - компоненты поля, обусловливающие силы тяжения. Так, постоянные силы обусловлены двухполюсной волной поля. Эта волна неподвижна относительно статора. При динамическом эксцентриситете возникают две волны поля, вращающихся в противоположные стороны относительно статора с частотой со .

В пятой главе описано экспериментальное исследование опытных образцов электрических манин. Основное назначение исследований - опытная проверка проведённых теоретических расчётов, оценка их точности, а также отработка технологии сборки машины. Эксперименты проводились на двух четырёх-полюсных трёхфазных беспазовых машинах с радиальной поляризацией магнитов без полюсных наконечников. Максимальная расчётная мощность машины на частоте вращения 24000 об/мин составляет 24,окВт.

Измерение радиальной составляющей индукции магнитного поля показало некоторый разброс значений индукции как между отдельными магнитами, так и в пределах одного магнита. Сопоставление среднестатистической кривой магнитного поля с расчётной показало расхождение на оси магнитов в пределах 5%. Ошибка в расчёте действующего значения фазной ЭДС составила 2,5%, то же линейной - 0,5%. Экспериментальное определение синхронного индуктивного сопротивления, проведённое при помощи трёхфазного короткого замыкания на пониженных оборотах - 1500, 2400 и ЗОООоб/мин, имеет отклонение от расчётного на 7,6%, 1,2% и 9,4% соответственно. Для исследования динамических характеристик машины проведены одно-двух- и трёхфазные короткие замыкания на частоте 50 и ЮОГц /1500 и 3000 об/мин/. Длительность переходного процесса трёхфазного короткого замыкания на частою 50Гц не превышала" два периода, или 0,04с, на частоте ЮОГц -три периода, или 0,03с. Отношение ударного тока короткого замыкания к установившемуся на частоте 501ц не превышало 1,12, на частоте ЮОГц - 1,3. Длительность переходного процесса одно- и двухфазного короткого замыкания не превышала одного периода. При востановлении напряжения

- 17 -

после короткого замыкания не наблюдалось выбросов напряжения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. На основе плоской двумерной модели иногомагкиткого полюса получены уравнения магнитного поля. Проведено исследование влияния магнитного поля на величину намагкичешюсти магнита и его отдельных участков. При этом учитывалось воздействие магнитов одного полоса друг ка друга.

2. Показана возможность улучшения синусоидальности магнитного поля и напряжения путём специального распределения магнитов на полюсе и выбор их типа.

3. Получена инженерная методика расчёта индуктивных сопротивлений малины с многомагнитнш полюсом.

4. Совместно исследованы электрические параметры ка-Е?иш и прочносткнэ характеристики ротора-маховика л получена между кыми аналитическая зависимость в виде системы четырёх уравнений.

5. Установлено, что использование упругой деформации ротора-моховика позволяет производить стабилизации напряжения при переменной частоте вращения.

6. Поиск минимального расхода магнитоз на единицу мощности выявил наличие оптт-гального соотношения между высотой магнита и величиной активного промежутка при заданных параметрах ротора-маховика и плотности тока з обмэткз.

7. Проведено исследование гармонического состава сил одностороннего магнитного тяжения при статическом и динамическом эксцентриситетах.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. На основа анализа возможных конструкций элэхтрлчзсЕих машин установлено, что в кинетических аккумуляторах энергии целесообразно использовать обращённуа беспазовую электрическую машину с рздиалько поляризованными ыагиитеш! без полюсных наконечникоз.

2. Наиболее высокие массо-энзргетическнэ показатели ЭМИА могут быть достигнуты при проектировав?!! майины с учётом её взаимовлияния с другим?* узлггш ЭМИА.

3. Беспазовую электрическую машину с высококоэрцитизшзш магнитами без полюсных наконечников можно рассматрзвазэ как неявнополюсную.

4. Наиболее эффективное использование магнитов дости-

гается при работе машины в импульсном режиме. В этом случае машина характеризуется повышенной частотой и меньшей высотой магнита по сравнению.с машиной расчитанной для длительного режима работы. Наиболее существенным способом повышения удельной мощности машины является применение магнитов с большей намагниченностью.

5. Выбор величины полюсного деления должен производится с учётом режима работы и величины толщины магнита.

6. Стабилизация напряжения при переменной частоте вращения может быть достигнута в крупных электрических мааинах с внутренним диаметром маховика более 0,7м.

7. Полученные в диссертационной работе результаты исследований могут быть рекомендованы для расчёта и проектирования электрических машин для накопителей энергии, а также для ряда машин высокоскоростных электроприводов. Полученные результаты могут быть использованы в дальнейших теоретических исследованиях.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАЮ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Манн Э.Г., Денисов С.А. Определение главных размеров электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов. - В кн.: Автоматизация технологических процессов и промышленных установок. Тез.докладов. - Пермь, ППИ, 1983, С48-49.

2. Маш Э.Г., Денисов С.А. Основные аспекты создания и проектирования кольцевых электромеханических инерционных аккумуляторов. - В кн.: Автоматизация технологических процессов и промышленных установок. Тез.докладов. -Пермь, ППИ, 1984, с.38.

3. Денисов С.А., Маш Э.Г. К расчёту параметров двигатель-генератора электромеханического инерционного аккумулятора энергии. - В кн.: Автоматизация технологических процессов и промышленных установок. Тез.докладов. -Пермь, ППИ, 1984, с.39.

4. Денисов С.А., Маш Э,Г. Улучшение синусоидальности кривой магнитного поля в высокоскоростных электрических машинах с возбуждением от постоянных магнитов. - Деп. в

Инфорыэлектро, №Пэт, 1985.

5. Манн Э.Г., Денисов С.А. Определение главных размеров кольцевых электромеханических инерционных аккумуляторов.

- Деп. в Информэлектро, И76эт-85деп, 1985.

6. Денисов С.А., Манн Э.Г. Оптимизация конструкции накопителя механической энергии при совмещении маховика с двигателем-генератором. - Тезисы доклада I ЕЕГК "Маховичные накопители энергии" - Житомир, 1985, с.37.

7. Денисов С.А., Манн Э.Г. Оптимизация конструкции накопителя механической энергии при совмещении маховика с двигатель-генератором. - В кн.: Вопросы применения маховичных накопителей энергии. - Свердловск, 1988, с.18-24.

8. Денисов С.А., Манн Э.Г. Расчёт высокоскоростных электрических машин с постоянными магнитами для электромеханических накопителей. - В кн.: Вопросы расчёта и проектирования электромеханических накопителей энергиит Свердловск,. 1988, с.38-46.

9. Денисов С.А. Электричоскиз машины для безвального управления маховиками. - Тезисы доклада II ВНТК " Маховичныэ накопители энергии" - Житомир, 1989, с.46.

10. Денисов С.А. Исследование магнитоэлектрической машины электромеханического инерционного аккумулятора. - Деп. и ВИНИТИ, К-5809-В89, 1989, 42стр.

11. Денисов С.А. Стабилизация напряжения высокоскоростных магнитоэлектрических генераторов с переменной частотой вращения. - Деп. в ЕИНИТИ P58I0-B69, IS89, 17стр.

12. Манн Э.Г., Денисов С.А. Высокоскоростные электрические машины с возбуждением от постоянных магнитов для инерционных аккумуляторов. - Машиноведение, 1989, !РЭ,

с.84-89.

13. Денисов С.А., Манн Э.Г. Электрическая машина. A.c. СССР №1297183. - Опубл. в Б.И. ИО, 1987.

14. Денисов С.А., Манн Э.Г. Электрическая машина. A.c. СССР пол.реш на заявку №4484572/24.