Главная » 2014 » Сентябрь » 29 » Скачать Поисковые исследования характеристик и свойств специальных типов асинхронных машин с массивным ротором на основе наноматериалов. бесплатно
01:45
Скачать Поисковые исследования характеристик и свойств специальных типов асинхронных машин с массивным ротором на основе наноматериалов. бесплатно
Поисковые исследования характеристик и свойств специальных типов асинхронных машин с массивным ротором на основе наноматериалов
Диссертация
Автор: Кручинина, Ирина Юрьевна
Название: Поисковые исследования характеристик и свойств специальных типов асинхронных машин с массивным ротором на основе наноматериалов
Справка: Кручинина, Ирина Юрьевна. Поисковые исследования характеристик и свойств специальных типов асинхронных машин с массивным ротором на основе наноматериалов : диссертация кандидата технических наук : 05.09.01 Санкт-Петербург, 2006 118 c. : 61 06-5/2179
Объем: 118 стр.
Информация: Санкт-Петербург, 2006
Содержание:
1 Введение
Глава
I Требования к материалам массивного ротора
11 Требования к материалам магнитопровода электрической машины Традиционные материалы, применяемые для совершенствования характеристик двигателей с массивным ротором -
12 Перспективы наноматериалов Характеристики различных материалов, использованных для исследования электромагнитных параметров и напряженного состояния массивных роторов асинхронных машин
13 Характерные особенности материала, полученного с использованием нанотехнологий
Выводы
Глава
II Исследование характеристик электромагнитного ноля асинхронной машины с массивиым ротором
21 Физическаяи математическая модели Граничные условия Вычисление локальных и интегральных величин магнитного поля Подход к расчету характеристик асинхронного двигателя с массивным величин токовой нагрузки и задание ротором по результатам решения задачи распределения электромагнитного поля численным методом
22 Определение исходных исходных данных
23 Этапы практической реализации задач распределения поля на ЭВМ с помощью МКЭ
24 Результаты исследований электромагнитного поля асинхронных машин с массивным ротором
25 Описание моделей для расчетов электромагнитного поля
26 Основные проектные характеристик и исходные данные для моделирования и сверхвысокоскоростного генератора-двигателя асинхронного двигателя малой мощности
27 Построение сетки
28 Определение рационального соотношения свойств материала ротора
29 Результаты расчетов
210 Сравнительный анализ расчетных характеристик различных асинхронных двигателей с массивным ротором О ц е н к а погрешности электромагнитных расчетов
III Исследование нанряженного состояния массивного ротора
Выводы
Глава асинхронной м а ш и н ы
31 М о д е л и р о в а н и е напряженного состояния массивного ротора Исследование напряженного состояния конструкции массивного ротора асинхронных м а ш и н выполненного из различных материалов
32 М о д е л ь для исследования механической прочности
33 Анализ напряженного состояния массивного ротора, выполненного из материалов различных типов
34 Погрешности прочностных расчетов
Выводы
Глава
IV Результаты эксиеримента
41 П р о г р а м м а испытаний Р е ж и м холостого хода Р е ж и м короткого замыкания О ц е н к а результатов эксперимента ЮЗ
Выводы
Заключение Литература
Приложения
Введение:
Наиболее широко применяемым на практике классом электрических машин являются машины переменного тока, и особенно асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Данный тип машин изготавливается и применяется на практике до частот вращения 3000-5000 об/мин. Для них существуют регламентирующие показатели энергетической эффективности. В этой связи актуальной машин задачей на является проектировщиков новых типов электрических современном создание этапе развития с электромашиностроения усовершенствованными оборудования характеристиками, повышенной эффективности. Однако существуют области применения электрических машин, в которых достижение высоких показателей эффективности не является первоочередной задачей. На первый план выступают вопросы упрощения технологии или механической прочности. Например, при необходимости применения высокооборотного двигателя или генератора встает вопрос о конструктивном решении, так как на первый план выступают проблемы обеспечения необходимой механической прочности. В этой связи возникает идея использования конструкции массивного ротора (так как поковка ротора может быть выполнена из высокопрочной стали и выдерживать значительные механические напряжения). Изучение специфических характеристик массивного ротора началось на ранней стадии машиностроения [78]. Теория и практика расчета машин со сплошным цилиндрическим ротором, их особенности отражены в работах М.О. Доливо-Добровольского, К.И. Шенфера, И.С. Брука, З.Б. Неймана, А.И. Важнова, Е.Я. Казовского, И.М. Ностникова, И.А. Сыромятникова, В.А. Марактанова, В.М. Куцевалова, Р.А. Лютера. Из зарубежных авторов этими вопросами занимались Р. Рюденберг, А.И. Вудд, К. Конкордия, Д. Ангст, К.Н. Ковач, И.И. Рац [3].Массивный ротор асинхронного двигателя представляет собой сплошной или полый цилиндр, выполненный из ферромагнитного материала без обмотки. Функции обмотки ротора выполняет поверхностный слой ротора, параметры которого зависят от частоты, магнитной проницаемости, удельного электрического сопротивления материала ротора. Вследствие поверхностного поверхностном эффекта, при слое пуске поле ротора распределяется в относительно небольшой глубины. Активное сопротивление ротора, когда частота значительно больше, чем токов в роторе велика, будет а, сопротивление при нормальной работе, следовательно, его начальный пусковой момент будет высок, так как удельное электрическое сопротивление стали в 10-30 раз больше, чем меди или алюминия. При номинальном режиме работы частота наведенных ЭДС и токов в роторе уменьшается (f2=fi*s), глубина проникновения поля в роторе увеличивается. В результате взаимодействия враш;аюш;егося магнитного поля, созданного током многофазной обмотки статора, с вихревыми токами ротора образуется электромагнитный момент, вращающий ротор в том же направлении (в режиме двигателя), что и магнитное поле, со скольжением, которое при номинальном режиме значительно больше, чем для двигателя с короткозамкнутым ротором. Так, для двигателей мощностью 50-500 Вт [6] поминальное скольжение лежит в пределах 0,3-0,4, тогда как для двигателей с короткозамкнутым ротором для тех же мощностей номинальное скольжение 0,08-0,1. Значительное номинальное скольжение двигателей с массивным ротором вызвано большим активным сопротивлением вторичной цепи. Механическая характеристика двигателя пологая, что позволяет для регулируемых двигателей устойчиво работать в широком диапазоне изменения частоты вращения. К основным достоинствам двигателя с массивным ротором можно отнести: относительно высокую кратность пускового момента; низкую кратность пускового тока; практическое отсутствие пульсаций вращающего момента; повышенную по сравнению с обычным ротором стойкость в переходных процессах; мягкую механическую характеристику, позволяющую в широком пределе регулировать частоту вращения изменением подводимого напряжения; простоту конструкции; лучшие балансировочные и вибро-шумовые показатели. Пусковой cos ф выше, чем у машин с короткозамкнутым ротором, что выгодно при повторно-кратковременных режимах работы. Эти свойства особенно проявляются у двигателей малой и средней мощности [61]. В последнее время интерес к разработке высокооборотных двигателей и генераторов связан со все большим применением в качестве источников энергии топливных элементов. Помимо прямого преобразования химической энергии в электрическую образующиеся в процессе окисления продукты сгорания могут быть электромеханического использованы в микротурбоустановке цикла преобразования в схеме энергии. термическую Высокотемпературная энергия в виде горячего газа при температуре 13001700К поступает в микротурбину, которая вращает микротурбогенератор. состоит из камеры газовой сгорания топлива, и Микротурбоустановка сверхбыстроходных микротурбогенератора. компрессора, микротурбины Массачусетский технологический институт (MIT) разработал микротурбину мощностью 80 Вт на окрзжные скорости 300-400 м/с (частота вращения (460-540)* 10 об/мин) [32, 88]. Актуальным является вопрос разработки обратимого микротурбогенератора, который для предварительного разгона микротурбины должен работать и в режиме двигателя. Такая машина может быть выполнена только с массивным ротором.Помимо явного преимущества для высокооборотных машин асинхронные двигатели с массивным ротором часто являются лучшей конструкцией для ряда специальных целей. Этот тип машин применяется в системах автоматики, управления, ориентации и наведения, в электроприводах судовых грузоподъемных механизмов, в электроприводах швартовых механизмов, в электроприводах с тяжелыми условиями пуска (компрессоры, сепараторы, центрифуги), в приводах с широким диапазоном регулирования частоты враш;ения в различных системах автоматического управления, в гироскопах, (запорная аппаратах аппаратура, звукозаписи, в позиционных включение электроприводах дистанционное автоматических выключателей). Исследованию электромагнитного поля электромеханических преобразователей энергии посвящено много работ [1, 2, 3, 4, 9, 14, 15,17,18, 23, 25-29, 31 32, 34, 37-41, 44-46, 53, 55-59, 63, 68-72, 79, 82, 83, 85,86, 90], однако интерес к этой проблеме сохраняется. В большинстве работ, посвященных исследованию асинхронных машин с массивным ротором [2, 3], рассматривается установившийся режим работы машины, приводятся схемы замещения и эквивалентные параметры реактивные и активные сопротивления, с той или иной степенью приближения, учитывающие реакцию сплошной проводящей среды ротора. Установлено, что влияние кривизны поверхности ротора возрастает с увеличением отношения глубины проникновения электромагнитной волны к величине полюсного деления и для крупных машин стандартного исполнения обычно невелико. Расчет электромагнитного поля ротора и воздушного зазора сводится к плоской задаче. Исследования эффекта края показали, что его влияние проявляется тем резче, чем больше отношение радиуса ротора к его длине, которое невелико для машин обычного исполнения.Однако особенности расчета машин этого тина, методов их теоретического и экснериментального исследования ностоянно являются объектом изучения [55]. Основным недостатком двигателей с массивным ротором являются низкие энергетические ноказатели: коэффициент нолезного действия (кпд) и коэффициент мощности (cos ф), обусловленные повышенными значениями параметров вторичной цени. Это связано с тем, что большое сопротивление ротора приводит к увеличению джоулевых потерь, увеличению добавочных потерь, вызванных высшими гармониками поля на поверхности ротора. Номинальная мош,ность двигателей с массивным ротором в тех же габаритах, как и обычных, ниже на 25-35% при более низком кпд [61]. Существенный вклад в развитие теории и расчет машин переменного тока (крупных синхронных машин) с массивными элементами был сделан в работах Р.А. Лютера, З.Б. Неймана, Я.Б. Данилевича, Е.Я. Казовского, Э.Г. Кашарского, Г.В. Рубисова, Н.Б. Чемодановой, А.С. Шапиро, В.Н. Марактанова, И.М. Постникова. Обобщение и систематизация по теории и расчетам были сделаны В.М. Куцеваловым [55-57], детально представившим основные массивным закономерности, ротором, характеризующие методы асинхронную расчета машину с и разработавшим параметров построения круговых диаграмм. Появляющиеся новые работы [26, 33, 34, 68, 70, 82, 83] в этой области характеризуют важность ее с практической точки зрения. Интерес и актуальность применения, повышения использования. вычислительной связаны с расширяющимися их электромагнитного и применение и областями теплового степени Накопленный опыт современной техники позволяют повысить уровень проектирования машин с массивными роторами, что способствует поднятию их техникоэкономических характеристик и надежности. Для технически обоснованного проектирования актуальны исследования в направлениях [44]: совершенствования методов расчета вихревых токов и потерь в массивном роторе; -определения рациональных свойств материалов массивного ротора, обеспечивающих требуемые характеристики машины. Для создания новых модификаций машин требуется: -определение характеристик при повышенных и высоких частотах вращения, -разработка и применение материалов нового типа. Решение поставленных задач требует разработки и совершенствования методических приемов на основе использования реального распределения электромагнитного поля в элементах магнитопровода, реальной нелинейности характеристик материалов элементов магнитопровода. В электрических машинах с массивным ротором затруднение вызывает определение активного и реактивного сопротивлений контуров вихревых токов, так как они являются сложными функциями величины и частоты тока, зависят от глубины проникновения поля в тело ротора [65, 66]. В практике расчетов для определения глубины проникновения поля в ферромагнитное проводящее тело пользуются приближенными формулами при |a=const. Например, по [45] А= —,м где ю частота вращения, рад/сек; ц -относительная магнитная проницаемость материала ротора; jio -магнитная проницаемость вакуума, Гн/м; р удельное электрическое сопротивление материала ротора, Омм. По известной величине глубины проникновения поля определяют активное и реактивное сопротивления ротора с помощью коэффициентов Неймана для слабых или сильных полей [65]. В [58, 69] в результате анализа общего выражения для параметров массивного ротора устанавливается приближенные формулы для область, в которой применяются активного и реактивного определения сопротивлений ротора и приводятся коэффициепты, учитывающие кривизну ротора. В [70] уточнены методы расчета электромагнитного поля (распределение векторного магнитного потенциала) в массивных элементах ротора, в частности с учетом кривизны бочки ротора, методом конечных разностей. В [68] отмечается тенденция увеличения числа публикаций, связанных с уточнением расчетов проникновения электромагнитного поля в массивную среду, однако констатируется, что предложенные расчетные формулы дают значительное расхождение с опытом. Эти задачи решают приближенно при допущении о постоянстве магнитной проницаемости ротора и аксиальной направленности токов, из-за большей длины ротора по сравнению с полюсной дугой. Влиянием конечной длины ротора часто пренебрегают. В некоторых работах концевой эффект учитывается аналитическими методами, в других вводятся эмпирические коэффициенты [2]. Определение тока производится методом последовательных приближений. Отмечая недостаточную точность известных решений авторы в [68] предлагают более строгий учет изменения магнитной проницаемости, полученный при решении полевой задачи методом конечных разностей. В [68] предложен комбинированный метод с предварительным аналитическим решением полевой задачи при постоянстве магнитной проницаемости с последующим использованием его в качестве начального приближения для решения полевой задачи методом конечных разностей при учете поверхностного эффекта и изменения магнитной проницаемости. В модели учитываются основные пространственные гармоники магнитодвижущих сил обмоток фаз статора; односторонний зубчатый зазор заменяется эквивалентным гладким, обмотка статора представляется тонким поверхностным слоем; магнитная проницаемость материала статора принимается бесконечно большой; цилиндрические поверхности статора и ротора развернуты на плоскости. 10 указанной работе приводится расчет параметров асинхронного двигателя с массивным ротором, определение электромагнитного момента. По данным опытов холостого хода, короткого замыкания и нагрузки определены опытные значения параметров ротора в функции тока и скольжения по формулам, основанным на схеме замещения и векторной диаграмме, исследовано соотношение активных и реактивных параметров ротора, уточнена теория учета влияния конечной длины ротора на его параметры, исследована зависимости относительной магнитной проницаемости материала ротора по дуге окружности ротора на различной глубине от его поверхности при s=l, приводятся расчетные и экспериментальные механические характеристики асинхронного двигателя с массивным ротором. Актуальность проводимых в диссертационной работе исследований связана с решением фундаментальной научной проблемы по приоритетным направлениям "Энергетика и энергосбережение" и "Индустрия наносистем и материалы" Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы, с выполнением работ по перспективному плану Фундаментальных исследований РАН по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники на 2006-2010 гг. и период до 2025г. Химические науки и науки о материалах по п. 4.5. Химическая энергетика. Проблемы, рассматриваемые в диссертационной работе, связаны с непрерывно растущими техническими требованиями к эксплуатируемому и вновь создаваемому оборудованию. Проектировщики ориентируются при создании оборудования как на усовершенствование характеристик, различного повышение эффективности для энергетических установок назначения, так и на поиск рациональных решений на основе синтеза новых материалов с требуемыми прогнозируемыми свойствами и разработкой оборудования, предназначенного для специальных целей (космической и военной техники) и, в частности, для высокооборотных приводов. При 11 использовании элемента конструкции массивного ротора к материалу ротора предъявляются определенные заданных требования, связанные с необходимостью машины и обеспечения уровнем электромагнитных обусловленным параметров большими высоким прочности, действующими центробежными силами. Одной из важных научных проблем, возникающих при создании электрических машин с применением материалов с прогнозируемыми заданными свойствами, является исследование электромагнитного поля машины и напряженно-деформированного состояния ротора с привлечением современных аналитических и численных методов анализа электромагнитного поля при многовариантных исследованиях с различными комбинациями электрофизических свойств материала ротора. Используемые на практике методы расчета электромагнитного поля не учитывают реальную в полной мере нелинейность сложный характеристик материалов, состав геометрию машины, гармонический электромагнитной волны. При использовании комбинированных методов (аналитических по схемам замещения и численных расчетов для уточнения характеристик) применяется ряд допущений. Учет зубчатости воздушного зазора производится введением эквивалентной величины равномерного воздушного зазора. В расчетах учитывается только основная гармоника магнитного поля, относительная магнитная проницаемость ферромагнитных материалов принимается постоянной. Разработка различных расчетных методов обусловлена разнообразием практических задач [85]. Распределение электромагнитного поля с учетом электрофизических свойств материалов, определяющих глубину проникновения электромагнитного поля в массивный ротор, и напряженное состояние ротора под действием приложенных центробежных нагрузок можно определять единым численным методом методом конечных элементов (МКЭ). 12 Для качественного улучшения характеристик двигателей с массивным ротором и создания образцов опытных машин с применением новых материалов в качестве активной зоны ротора, необходимо провести тщательный анализ факторов, влияющих на параметры двигателя. Цель работы и характеристики Поисковые исследования, направленные на создание новой модификации асинхронных машин с массивным ротором, для подтверждения характеристик принципиальной возможности обеспечения требуемых электрической машины путем применения материалов массивного ротора с прогнозируемыми свойствами, получаемых с применением нанотехнологий и позволяющих существенно изменить характеристики и параметры машины. Задачи исследования В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие задачи: 1. Исследования на основе решения уравнений электромагнитного поля переменных токов влияния магнитной проницаемости и удельного электрического сопротивления материала ротора на характеристики создаваемых модификаций асинхронных машин. 2. Исследования объемного напряженно-деформированного состояния массивного наноструктур, ротора при применении придавать фуллеренов в качестве свойства, способных материалу ротора необходимые для высокооборотных машин. 3. Определение предельных значений диаметра ротора в зависимости от частоты вращения и различных уровней прочности материалов и определение возможности создания сверхбыстроходных асинхронных машин повышенной единичной мощности с наноматериалами в роторе. 13 Проведение экспериментальных исследований характеристик асинхронного двигателя с массивным ротором на онытном образце, выполненным из нового материала, полученного с применением нанотехнологий; анализ результатов моделирования и экспериментальных данных. 5. Разработка рекомендаций для применения полученных результатов в практике проектирования модифицированных двигателей переменного тока. Методы исследования Применение во вновь разрабатываемых конструкциях новых материалов требует определения их рациональных электромагнитных и механических свойств, что возможно при проведении тщательного численного исследования, создания адекватных математических моделей и разработки методики расчетных исследований. При решении указанных задач использовались методы теории электрических машин, ТОЭ, теории упругости материалов, метод конечных элементов (МКЭ) при использовании пакетов расчетных программ (COSMOS, ANSYS), методы экспериментальных исследований на опытных образцах. В диссертационной поля в работе полевая задача распределения машины с электромагнитного магнитопроводе асинхронной массивным ротором и исследование напряженного состояния массивного ротора под воздействием центробежных нагрузок решается единым численным методом. Среди численных методов расчета развитую теоретическую базу и примеры практической реализации имеют универсальные методы решения: метод конечных разностей и метод конечных элементов. По оценке [52] МКЭ имеет преимущество, состоящее в простоте расчета распределения поля в телах, состоящих из материалов с различными свойствами, простоте аппроксимации сложных криволинейных областей модели, возможностей 14 необходимого измельчения сетки в областях повышенных градиентов поля и учета граничных условий различного типа. Применение пакетов программ COSMOS, ANSYS и др., в которых используется МКЭ для решения полевых задач, позволяет решать задачу распределения поля с реальной геометрией магнитопровода, с учетом нелинейных характеристик материалов статора и ротора. Кроме того, применение численных расчетов позволяет суш;ественно сократить время, требуемое для проектирования и поиска оптимальных вариантов конструкции, позволяет осуществлять электромагнитный и механический расчеты. Численные методы незаменимы при моделировании новых типов электрических машин и особенно при применении новых материалов, позволяя осуш;ествить быстрое решение при переборе вариантов материалов с различными свойствами. Численное моделирование позволяет в конкретных случаях эффективно, без проведения дорогостояш;его натурного эксперимента, определить требуемые исследуемые параметры. Модель двигателя с массивным ротором для анализа электромагнитного поля машины численными методами построена на базе конструкции асинхронного короткозамкнутого двигателя, ротор которого был заменен на массивный. Исследовано влияние свойств массивного ротора на его рабочие характеристики. Выполнены экспериментальные работы для определения реальных характеристик асинхронного двигателя с массивным ротором, материала изготовленным из материала с применением нанотехнологий. Результаты численного моделирования сопоставлены с результатами экспериментальных исследований и произведена оценка полученных данных. Научная новизна заключается в результатах поисковых исследований асинхронных нанотехнологий. машин При с ротором, выполненным использован с применением подход к исследованиях новый определению характеристик асинхронной машины с массивным ротором на основе решения уравнений электромагнитного поля без традиционно 15 применяемых упрощений (с учетом реальной геометрии магнитопровода машины, нелинейности характеристик материалов). Исследованы различные варианты конструкции асинхронной машины при использовании материалов с различными свойствами. Впервые проведены численные и экспериментальные исследования асинхронного двигателя с массивным ротором, выполненным из материала с применением нанотехнологий. Достоверность полученных расчетных результатов, выводов и рекоменданий обеспечивается строгостью используемого математического аппарата, использованием теоретически обоснованного современного численного метода МКЭ, сопоставлением полученных численных решений с данными экспериментальных исследований. Защищаемые автором положения диссертационной работы апробированы на международных и отечественных публикациях. Практическая ненность н внедрение результатов работы Обоснована возможность создания модификации асинхронных машин с массивным ротором на основе применения новых нанокомпозитных конференциях и семинарах специалистов, а также в материалов, обеспечивающих требуемые электромагнитные и прочностные характеристики машин. Результаты интегральных теоретических характеристик разработок определения поля, локальных и электромагнитного свойств рациональных ротора имеют электромагнитных и механических материала практическое значение и направлены на усовершенствование характеристик асинхронного двигателя путем моделирования свойств материала ротора. Выполнены расчетные и экспериментальные исследования опытного асинхронного двигателя с массивным ротором, выполненным из материала с повышенным содержанием кремния, полученным с применением нанотехнологий. 16 и механическим свойствам материала ротора для получения новых образцов материалов и изготовления из них массивных роторов асинхронных машин. Апробация работы Результаты конференции исследований докладывались на V международной и на "Электромеханика, Алушта, 22-26 электротехнологии сентября 2003г.), электроматериаловедение"( международной конференции "Nanoparticles, Nanostructures Nanocomposites" (Санкт-Петербург, 5-7- июля 2004г.), на международных конференциях Северо-западной секции IEEE Chapters (Санкт-Петербург 2003г.,2004г., 2005г.), на первой международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности" (30.05-02.06 2005г. Санкт- Петербург), на секции "Электромеханики и автоматики Дома Ученых "Повые материалы основа развития современного электромашиностроения (Санкт Петербург, 25 ноября 2004г.). Результаты численных исследований магнитного поля и напряженнодеформированного состояния роторов быстроходных машин использовались для подготовки материалов к конференциям: "Математическое моделирование в механике сплошных сред" (Санкт-Петербург, 2001), II международной конференции "Современная энергетика основа экономического развития". (Санкт-Петербург 09.04.03., РЭСТЭК, 2003), международной конференции "Возобновляемая энергетика-2003. Состояние, проблемы, перспективы" (Санкт-Петербург, 4-6 октября 2003г.). По тематике исследований опубликовано 12 печатных работ, включая тезисы докладов в трудах международных конференций, 9 статей, в том числе в журналах "Известия РАП. Энергетика", "Электротехника", "Тяжелое машиностроение", Энергия: экономика, техника, экология в сборнике "Проблемы создания и эксплуатации новых типов электроэнергетического оборудования", выпуск 4 (2002г.), выпуск 5, (2003), выпуск 6 (2004г.). 18 Объем работы. Диссертационная работа изложена на 118 страницах машинописного текста, иллюстрируется рисунками (34), таблицами (15) и состоит из введения, четырех глав, заключения, сниска литературы из 90 наименований и Приложения. 19
