Автоматизированное проектирование электромеханических преобразователей с возбуждением от редкоземельных постоянных магнитов

• Автор: Куприянов, Андрей Дмитриевич
• Шифр специальности: 05.09.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 143 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МОДЕЛИРОВАНИЕ МАГНИТНЫХ СИСТЕМ С РЗМ

МЕТОДОМ ГАРМОНИЧЕСКОГО АНАЛИЗА АКТИВНЫХ ЗОН

1.1. Анализ характеристик РЗМ

1.2. Конструктивные схемы роторов ЭМП с РЗМ

1.3.Математические модели магнитных систем

1.3.1. Модели с сосредоточенными параметрами

1.3.2. Модели с распределенными параметрами

1.4. Расчет магнитных полей методом гармонического анализа активных зон

1.4.1. Расчет магнитных систем с призматическими РЗМ

1.4.2. Расчет магнитных систем с секторными РЗМ
1.4.3. Расчет магнитных систем с кольцевым РЗМ
Выводы
ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ МАГНИТНЫХ СИСТЕМ
МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
2.1. Применение метода конечных элементов для расчета магнитных полей
2.2. Построение моделей магнитных систем в МБС.МАЯС
2.3. Анализ погрешности аналитических решений
2.4. Расчет параметров ЭМП на основе метода конечных элементов
Выводы
ГЛАВА 3. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С ВОЗБУЖДЕНИЕМ ОТ РЗМ
3.1. Расчетная модель СГ
3.1.1. Особенности электромагнитного расчета
3.1.2. Особенности теплового расчета
3.1.3. Особенности прочностного расчета
3.1.4. Алгоритм автоматизированного расчета СГ

3.2. Оптимизация СГ с РЗМ
3.3. Автоматизированное конструирование
3.4. Разработка программного обеспечения
3.5. Апробация расчетной методики
Выводы
ГЛАВА 4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С ПРИВОДОМ ОТ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ
4.1. Автономные системы генерирования с приводом от газовой турбины
4.2. Предельные уровни мощностей высокоскоростных генераторов
4.3. Выбор рациональной конструктивной схемы
4.3.1. Выбор конструктивного исполнения ротора
4.3.2. Выбор конструктивного исполнения статора
4.4. Расчет ряда высокоскоростных синхронных генераторов
4.5. Анализ показателей ряда
4.5.1. Геометрические характеристики активных зон
4.5.2. Электромагнитные нагрузки и масса активных материалов _
4.5.3. ЭДС, индуктивные параметры и внешние характеристики
4.6. Поверочные расчеты МКЭ
4.6.1. Определение ЭДС и индуктивных параметров
4.6.2. Прочностной расчет бандажа
Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Электрические машины с редкоземельными постоянными магнитами (РЗМ) находят широкое применение в бытовой и медицинской технике, в авиации, на транспорте, в нефте-газодобывающей промышленности и других отраслях народного хозяйства. Это обусловлено достижениями в области производства высокоэнергетических магнитов, а также развитием силовой электроники и микропроцессорных систем управления [7, 14, 22]. Основными преимуществами машин с РЗМ являются бесконтактность, простота конструкции, надежность, отсутствие потерь на возбуждение, высокие энергетические показатели. Одним из перспективных направлений развития электромеханических преобразователей (ЭМП) с РЗМ является использование их в автономных системах электроснабжения (СЭС) с газотурбинным приводом генераторов.
Разработке теории и методов проектирования ЭМП с РЗМ посвящено большое количество работ [9, 14, 22, 72, 79, 80, 89, 91, 92] и др., однако многие вопросы требуют дальнейшей проработки. Перспективы совершенствования ЭМП с РЗМ связаны с развитием методов автоматизированного проектирования на основе сочетания традиционных методик и компьютерных технологий. Традиционные методики расчета впитали в себя огромный опыт разработок и эксплуатации различных типов ЭМП и являются надежной базой автоматизированного проектирования. Применение компьютерных технологий дает возможность практического использования в процессе разработки ЭМП методов оптимизации, математического моделирования, компьютерной графики, хранения и обработки информации.
Оптимизационные расчеты позволяют улучшить массоэнергстические показатели ЭМП, при этом качество принимаемых в процессе оптимизации решений во многом зависит от точности используемых математических моделей. Расчетные модели электрических машин включают электромагнитные, механические и тепловые расчеты. Традиционные инженерные методики расчета базируются на моделях с сосредоточенными параметрами, в основе которых лежит теория электрических, магнитных, тепловых и гидрогазодинамических цепей. Недостатком инженерных методов расчета является их невысокая точность, связанная, прежде всего, с
Ik-Г Ik p
Г, г-г.
откуда Си = 2 ■ • Сш.
г2 г-г,
Из условия непрерывности нормальной составляющей вектора магнитной индукции на линии раздела областей:
агу,(г,,^) _ диЛлШ' (36)
дг дг
Для нахождения коэффициентов разложим функцию 3(0) в ряд Фурье:
3(0)= 2Л -ып(к-р-0), (37)
*=1.3,5

где Зк =—2- 3(0-)-sn(k-р-в)3в.

При этом при осевой поляризации магнита 3(0) = — %т(р-0), при радиальной

3(0) = const

Дифференцируя Uy (г, О) w и2 (г, 0) по г получим
SU,(r,0)

л-*« (, 2к-р
= 1 Ск,-к-р• —— -sin'
I-1.3.5... V /
{к-р-О}, (38)
dU и (г ,0) (г Р+г
, ■= 2 СчГк'Р
Or *,1X5
.И р ,гН р л
sin(b/>•#): (39)
Подставив (38) (39) и (37) в уравнение (36) и приравнивая коэффициенты при одноименных гармониках получим для Сщ:
= 1 г2*/><1 ■{rZk'P-Г?1'")
2' к' к-p-r2kr rlkp-гпгу
Зная что Вг (г3,0) = р0 • - - определим нормальную составляющую вектора
магнитной индукции на поверхности расточки якоря:
п~*со /-(2*/>)_„(2*/>) (*/>-1)
В„(0) = Р. 2 Л-Ху*.,, -^т-Мк-р-ОУ, (40)
*•1,3.5.. 1/3 _/1 /
В связи с малой механической прочностью РЗМ их непосредственная запрессовка на вал недопустима. При закреплении постоянного магнита с помощью клея между магнитом и магнитным ярмом индуктора образуется технологический зазор 5К * 0.05 - 0.1 мм. В случае, если величина рабочего зазора незначительна, это