Содержание к диссертации
Введение
2- Анализ малогабаритных герметичных автономных источников питания 11
2.1, Обзор существующих малогабаритных автономных генераторов выбор конструкции 11
2.2. Скважинный электромашинный источник питання для геофизической аппаратуры 23
2.3, Постановка задач исследований 28
2.4. Выводы 29
3. Математическое моделирование магнитного поля дискового генератора 31
3-1. Анализ алгоритмов и методов моделирования электромеханических устройств 31
3.2. Метод интегрирования по источникам поля 43
33, Численные методы решения систем нелинейных уравнений 46
3.4. Алгоритм расчета стационарного магнитного поля 50
3.5. Алгоритм построения полевой модели электромеханического устройства 52
3.6. Программный комплекс моделирования электромагнитных процессов 55
3-7. Выводы 58
4. Исследование магнитного поля дискового генератора 60
4.1. Расчетная область дисковой электрической машины 60
4.2, Теоретическое исследование статических характеристик 63
4.2.1. Анализ степени неоднородности магнитного поля в стержне статора дисковой электрической машины 64
4,2.2. Исследование параметров магнитного поля вдоль стержнястатора. Определения потоков рассеяния 66
4.23, Исследование влияния геометрических характеристик статора на энергетические параметры дискового генератора 69
4.2.4, Влияние величины воздушного зазора на выходные характеристики электрической машины 72
4.3. Теоретическое исследование динамических характеристик 74
4.4. Выводы 76
5. Экспериментальное исследование маломощного дискового генератора 78
5.1 Конструкция макетных образцов 79
5.2. Описание испытательного стенда 82
5.3. Результаты экспериментальных исследований 85
5.3.1. Внешние характеристики дискового генератора 85
53.2. Исследование динамических режимов работы дискового генератора 90
5,3.4. Исследование влияния индукционных потерь при монолитном исполнении магнитопровода стержней статора 93
5-4. Выводы 94
Заключение 96
Литература 99
Приложение № 1 111
Приложение № 2 112
- Скважинный электромашинный источник питання для геофизической аппаратуры
- Численные методы решения систем нелинейных уравнений
- Теоретическое исследование статических характеристик
- Внешние характеристики дискового генератора
Введение к работе
Развитие передовых промышленных технологий с возросшими потребностям в новых источниках электрической энергии, а также ужесточение требований по качеству вырабатываемого напряжения и тока автономными электромашинными установками инициировало интерес к разработке и оптимизации существующих видов электрических машин* Такие устройства необходимы для электропитания комплексов, не имеющих централизованного энергоснабжения. Например, удаленные сейсмологические и метеорологические станции, радиопередатчики устройств распределенного контроля, а также ретрансляторы средств мобильной связи и многое др. [51,67,68,69/72,90].
В данной работе проводится разработка электромашинного источника питания скважинного прибора применяемого при бурении1 наклонно-направленных и горизонтальных скважин на нефть и газ. Предполагается увеличение времени безотказной работы скважинного генератора за счет герметичного исполнения магнитной системы электрической машины- Применение генератора дисковой конструкции дает возможность наряду с высокими энергетическими показателями данной машины установить немагнитные экраны между ротором и статором, защищающие активные элементы магнитной системы (постоянные магниты, изоляцию обмоток) от разрушающего воздействия агрессивной среды.
Задачей разработки нового электромашинного генератора является исследование электромагнитных процессов, протекающих в электрической машине при малом количестве полюсов и стержней статора. Именно в оптимизации зубцовой зоны и в снижении зубцового эффекта с анализом динамических характеристик машины просматривается основное направление исследовательской работы- Также не достаточно изученным является влияние величины воздушного зазора на форму выходного напряжения вследствие объемного распределения характеристик магнитного поля в рабочем воздушном
зазоре электрической машины с аксиальным магнитным потоком- Данное исследование необходимо проводить с использованием методов и алгоритмов, позволяющих анализировать параметры трехмерных магнитных полей и моделировать на базе их характеристики машины при изменении угла положения ротора относительно статора машины. Построение, таким образом, динамических характеристик способствует более глубокой проработке конфи-гурации активной зоны, а значит и разработке скважинного генератора с наилучшими энергетическими показателями при условии герметичного исполнения магнитной системы.
В целом, разработанные математические модели и результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы при создании герметичных электромашинных источников питания с применением электрической машины дисковой конструкции.
Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Феде-
^ рации № МК-1128.2004.8.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование электромашинного синхронного генератора дисковой конструкции, предназначенного для электропитания скважинного прибора. В связи с этим решаются следующие задачи:
разработка математических моделей для исследования трехмерного маг
нитного поля дискового генератора;
проведение комплекса теоретических исследований для поиска наилуч-
flt шпх размеров геометрии магнитной системы;
создание программного комплекса, позволяющего наглядно моделировать стационарные и квазистационарные электромагнитные процессы в нелинейных магнитных системах;
разработка конструкции скважинного генератора;
изготовление макетного образца дискового генератора для экспериментальной оценки результатов теоретических исследований*
Научной новизной является:
1. Разработана полевая модель электромеханического устройства на
основе расчета трехмерного магнитного поля для моделирования
динамических режимов работы дисковых генераторов, которая по-
зволяет проводить исследование дисковых электрических машин с
Ф большим воздушным зазором.
Создана трехмерная статическая математическая модель магнитного поля для оценки влияния геометрических характеристик магнитной системы на энергетические показатели дискового генератора-
Определены наилучшие геометрические размеры активной части с целью получения наибольших удельных показателей мощности дискового генератора,
* 4. Исследован характер распределения магнитного поля в зубце ста-
тора дискового генератора при статической нагрузке для оценки неоднородности магнитного поля, определения потоков рассеяния и влияния геометрических характеристик статора на энергетические параметры дискового генератора.
Практическую ценность представляют следующие результаты ис
следовательской работы:
% 1. Разработана перспективная конструкция герметичного дискового
генератора для автономных источников питания.
Предложена методика расчета стационарного магнитного поля, которая позволяет исследовать магнитное поле в активном объеме электрических машин.
Разработан алгоритм полевой модели электромеханического устройства для моделирования и исследования динамических режимов работы.
*
7 4. Создан программный комплекс моделирования статических и динамических электромагнитных процессов, который позволяет проводить исследования дискового генератора для автономных систем электропитания.
Методы исследования
При исследовании электромагнитных процессов» протекающих в магнитной системе дискового генератора, в настоящей работе использовались теория электрических машин, метод интегрирования по источникам поля, трехмерные математические модели электромагнитного поля, метод простых итераций и метод Зейделя для решения систем нелинейных уравнений, а также эксперименты с макетными образцами дискового электромашинного генератора.
Все исследования проведены с применением современных ПЭВМ.
Апробация
Результаты проведенных исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на следующих конференциях:
VII научно-техническая конференция Сибирского химического комбината» (г. Северск, 2002г);
IX международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (г. Томск, 2003г.);
международная научно-техническая конференция "Электроэнергетика, Электротехнические системы и комплексы" (г. Томск, 2003г.);
международная научно-техническая конференция с международным участием "Электротехника, Электромеханика и электротехнологии" (г. Новосибирск, 2003 г.);
*
Щ s
всероссийская научно-техническая конференция "Современные тенденции в развитии и конструировании коллекторных и других электромеханических преобразователей энергии" (г. Омск, 2003г,);
научно-техническая конференция "Технология и автоматизация атомной энергетики'1 (г. Северск, 2003г);
X юбилейная международная научно-практическая конференция сту-
- дентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и
технологии" (г. Томск, 2004г.),
Публикацин
По результатам выполненной работы опубликовано 10 докладов, 1 научная статья и оформлена заявка на патентование вновь разработанной конструкции скважинного генератора, предназначенного для электропитания скважинного прибора.
Реализация результатов работы
Основные выводы, полученные при исследовании синхронного генератора торцевой конструкции, используются при выполнении работ по проектированию электромашинного скважинного источника питания, разрабатываемого по заданию ООО "ТНГИ".
На основе приведенной методики расчета трехмерных магнитных по
лей разработана компьютерная программа, которая используется в учебном
а процессе при подготовке студентов в Северском государственном техноло-
гическом институте.
Разработанная компьютерная программа для расчета трехмерных магнитных полей используется в ООО ПФК "Экси-Кей" Центр магнитных технологий при исследовании и разработке устройств магнитной обработки воды, оптимизации магнитной системы и улучшении технико-экономических показателей.
*
# 9
Структура и объем диссертации
Работа состоит из пяти разделов и заключения, содержащих 113 страниц машинописного текста, 8 таблиц, 35 рисунков, списка литературы из 114 наименований и 2 приложения,
В первом разделе обоснована актуальность задач разработки и исследо
вания дисковых электромашинных генераторов. Сформулирована цель, по-
> ставлены основные задачи, описана научная новизна и практическая цен-
ность диссертационной работы, приведена краткая аннотация выполненной работы по разделам.
Во втором разделе проведен обзор существующих малогабаритных автономных генераторов, изложены основные вопросы выбора конструкции и последующего проектирования магнитной системы скважинного генератора. Определены задачи исследований.
В третьем разделе представлен анализ методов расчета электромаг-
|^ нитных полей, на основе которого был выбран метод интегрирования по ис-
точникам поля. Описаны методика и алгоритмы программы расчета трехмерного магнитного поля дискового генератора- На основе метода интегрирования по источникам поля разработаны математические модели дисковой машины с полным описанием особенностей геометрии и нелинейности характеристик элементов магнитной системы.
В четвертом разделе приведены результаты теоретических исследова
ний магнитного поля торцевой машины. С помощью разработанной про-
- граммы расчета проанализировано изменение характеристик объемного маг-
нитыого поля вдоль зубца статора, произведена оценка потоков рассеяния. Также исследовано влияние параметров геометрии статора на величину результирующего магнитного потока и определены те параметры, которые в наибольшей степени оказывают воздействие на энергетические показатели машины.
В пятом разделе представлены результаты экспериментальных исследований макетных образцов скважинного генератора- Для проведения иссле-
*
10 дований было изготовлено и испытано два макетных образца для сравнения энергетических характеристик машины при двух способах изготовления маг-нитопровода статора. В результате проведенных испытаний определены внешние характеристики генератора при изменении» величины воздушного зазора и скорости вращения ротора машины. Получены осциллограммы выходного напряжения при сдвиге дисков роторов друг относительно друга и при работе генератора под нагрузкой,
В заключении приведены основные результаты выполненных научных исследований- Изложены рекомендации, которые могут быть использованы при проектировании малогабаритных торцевых машин с возбуждением от постоянных магнитов.
*
#
*
* 11
Скважинный электромашинный источник питання для геофизической аппаратуры
Для повышения эффективности вскрытия нефтяных пластов буровыми компаниями в настоящее время достаточно широко применяются современные технические средства, способствующие построению кустов и разбурива-нию стволов старых скважин. Данные технологии успешно применяются с началом бурения горизонтальных и наклонно-направленных скважин, построение которых затруднительно без использования автоматизированного оборудования повышающего уровень инженерного сопровождения буровых работ. Одним из наиболее перспективных направлений автоматизации при построении скважин специального профиля является применение забойных инклинометрических телесистем способных непрерывно отслеживать траекторию движения буровой колонны [17,36,57].
В общем случае, принцип действия забойных телесистем основан на определении характеристик, описывающих траекторию движения скважины и турбобура. Данные характеристики определяются инклинометрическим оборудованием скважинного прибора, включаемого в состав компоновки низа буровой колоны. Полученная информация по беспроводному каналу связи транслируется со скважинного прибора на поверхность земли, где происходит расшифровка, регистрация и обработка полученных данных [2,3,36,39, 59,91,101].
В ходе эксплуатации забойных телесистем специалисты отмечают недостаточную продолжительность работы скважинного прибора. Регламентный период работы прибора ограничен низкой надежностью автономного электромашинного синхронного генератора (порядка 60 ч), применяемого в качестве источника питания инклинометрической и передающей аппаратуры. Данный недостаток связан с негерметичным исполнением конструкции электрической машины. Присутствие высокого давления бурового раствора, содержащего абразивные частицы, механических вибраций приводит к увеличению технологических зазоров в сальниковых уплотнителях генератора, что влечет за собой попадание буровой жидкости внутрь электрической машины и как следствие разрушается магнитная система. В результате возникает необходимость в полном подъеме буровой колонны на поверхность, и произведении текущего ремонта или замены скважинного генератора. Вызванный тем самым простой оборудования приводит к значительному увеличению затрат на проведение бурения скважины.
Синхронный генератор выполнен по классической схеме с радиальным направлением магнитного потока в воздушном зазоре (рис, 2.7), Магнитное поле генератора создается постоянными магнитами, расположенными на роторе электрической машины. Статор машины содержит двухфазную обмотку, у которой одна из фаз выполнена силовой для питания излучателя скважинного прибора, а вторая подключена к электронным блокам инклинометра. Выводы статорной обмотки соединяются с разъемом наконечника, через который осуществляется электропитание инклинометра скважинного прибора. Для обеспечения устойчивой передачи данных на поверхность земли генератор должен вырабатывать электрическую мощность не менее 250 Вт 25
Попытка решить вышеописанную проблему герметичности скважинного генератора удалось решить в работе [80]. Однако данная конструкция обладает рядом недостатков, основными из которых являются: недостаточная выходная мощность использование радиально-упорных подшипников, установленных на валу ротора, что ограничивает срок службы электрической машины. Также к недостаткам можно отнести наличие сил одностороннего магнитного тяжения, значительные проявления зубцового эффекта, обусловленное построением магнитной системы 2p=z и малым количеством полюсов.
Для решения поставленной задачи предложена дисковая конструкция скважшшого генератора, выполненная на базе аксиальной машины [49], которая наряду с перечисленными достоинствами торцевых генераторов позволяет повысить выходную мощность и исключить силы одностороннего магнитного тяжения, В предлагаемой конструкщш генератор состоит из двух вращающихся роторов 1 (рис» 2,8» а, б)? выполненных в виде двух дисковых магнитопроводов и статора 2, расположенного между ними. На магнитопро-водах установлены аксиально намагниченные высоко коэрцитивные постоянные магниты 6 с чередующейся полярностью, создающих аксиальный магнитный поток. Из-за использования двух-роторной конструкции повышается выходная мощность. Магнитопроводом статора являются ферромагнитные стержни 4, закрепленные между изоляционными пластинами.
Герметичность статора достигается установкой в воздушном зазоре немагнитной перегородки (экрана), препятствующей попаданию бурового раствора в полость статора и предотвращающей разрушение изоляции обмотки агрессивной средой (рис. 2.8, а) [49],
Для надежного крепления магнитов в ярмо ротора устанавливается цилиндрическая арматура из немагнитного материала. Снаружи полюсная система надежно закрывается обечайкой, которая прикрепляется болтовыми соединениями к ярму ротора.
Немагнитная перегородка закрывает активную зону статора и этим препятствует попаданию бурового раствора со стороны ротора электрической машины. Для максимального заполнения активного объема статора стержни ыагнитопровода 4 имеют трапециидальное сечение. На стержни уложена обмотка статора 5, которая в зависимости от исполнения активной зоны может иметь однофазную или трехфазную схему соединений. Для выравнивания температурного поля и создания динамических усилий, противодействующих буровому раствору, образовавшиеся полости статора машины заполняются трансформаторным маслом.
Устройство работает следующим образом. Под действием давления бурового раствора на лопатки гидротурбины к валу машины прикладывается вращающий момент, который приводит в движение ротор генератора. Магнитный поток создаваемый полюсной системой, пересекает воздушный зазор и герметичную перегородку, проходит по магнитопроводу статора и создает в катушках обмотки ЭДС. При наличии электрической нагрузки в обмотке статора протекает электрический ток, порождающий поле якоря, которое противодействует основному магнитному потоку и создает момент сопротивления на валу электрической машины.
Применение в качестве герметизирующего элемента немагнитного экрана вызывает значительную неоднородность магнитного поля в активной зоне электрической машины. В связи с этим для поиска наилучших геометрических соотношений дискового скважинногогенератора необходимо провести теоретические и экспериментальные исследованиям использованием моделирования трехмерного магнитного поля в активной зоне машины,
Численные методы решения систем нелинейных уравнений
Проблемой для метода интегрирования по источникам поля, как и для всех выше перечисленных методов расчета магнитных полей, является построение устойчивых быстросходящихся итерационных схем для решения систем нелинейных уравнений [94Д00].
Современная вычислительная математика располагает мощным аппаратом численных методов решения дифференциальных уравнений. Среди численных методов алгебры существуют прямые методы, в которых решение получается за конечное фиксированное число операций и итерационные методы, в которых результат достигается в процессе последовательных приближений.
Однако при большом числе уравнений прямые методы решения систем уравнений становятся труднореализуемыми на ЭВМ, прежде всего из-за сложности хранения и обработки матриц большой размерности, В то же время характерной особенностью ряда часто встречающихся в прикладных задачах является разреженность матриц. Число ненулевых элементов таких матриц мало по сравнению с их размерностью. Для решения систем уравнений с разреженными матрицами предпочтительнее использовать итерационные методы.
Самыми распространенными численными методами решения систем уравнений являются: метод простой итерации (последовательных приближений), метод Зейделя и метод Ньютона. Ц где х — тот же вектор неизвестных, а В и с — некоторые новые матрица и век тор соответственно.
Такое приведение может быть выполнено различными способами. Одним из наиболее распространенных является следующий.
Разрешим систему уравнений относительно неизвестных при ненуле вых диагональных элементах а„?Ю , і = 1,и (если какой-либо коэффициент на главной диагонали равен нулю, достаточно соответствующее уравнение по менять местами с любым другим уравнением). Получим следующие выраже ния для компонентов вектора с и матрицы В эквивалентной системы:
При таком способе приведения исходной системы уравнений к эквивалентному виду метод простых итераций носит название метода Якоби.
Метод простых итераций сходится к единственному решению системы уравнений при любом начальном приближениид: 0)если какая-либо норма матрицы В эквивалентной системы меньше единицы \\в\\ 1.
Преимуществом данного метода является то, что в вычислительном процессе участвуют только произведения матрицы на вектор, что позволяет работать только с ненулевыми элементами матрицы, значительно упрощая процесс хранения и обработки матриц.
Метод Зейделя [112Л13]. Заключается в том, что при вычислении компонента JC +1 вектора неизвестных на (+1)-й итерации используются х +1, (JC х2 ... х„)тна к-ой итерации имеет вид: Из этой системы видно, что xk+l =c + Dxk+i + х где D - нижняя тре угольная матрица с диагональными элементами, равными нулю, а Е - верхняя треугольная матрица с диагональными элементами, отличными от нуля, В = D + Е. Следовательно w Таким образом, метод Зейделя является методом простых итераций с матрицей правых частей B = (F- D) { Е и вектором правых частей (F — D) [ с и, следовательно, сходимость и погрешность метода Зейделя можно исследовать с помощью формул, выведенных для метода простых итераций, в которых вместо матрицы В подставлена матрица —D)-19 а вместо вектора правых частей - вектор (F - D) l с. Для практических вычис лений важно, что в качестве достаточных условий сходимости метода Зейде ш\ ля могут быть использованы условия, приведенные выше для метода про стых итераций \\В\\ L
Методы Зейделя и простой итерации являются самыми простыми из численных методов решения систем уравнений. Однако метод простой итерации обладает медленной сходимостью. Метод Зейделя имеет более лучшую сходимость, чем метод простой итерации. Самым точным из перечисленных методов является метод Ньютона. Недостатком метода Ньютона является тот факт, что на каждом шаге необходимо применять разложение ле ф вых частей уравнений в ряд Тейлора, что при большом количестве уравнений значительно снижает скорость решения системы. Поэтому, для решения системы нелинейных уравнений были выбраны методы Зейделя и простой итерации.
Теоретическое исследование статических характеристик
Исследования проводились на основе определения характера влияния основных размеров магнито про вода статора на величину магнитного потока в стержне машины, по которому можно судить об энергетических показате wv лях генератора. Нахождение последнего определяется как среднее значение
нормальной составляющей потока по нескольким поперечным сечениям стержня равномерно распределенным в аксиальном направлении.
Для оценки влияния геометрических характеристик на энергетические показатели дискового генератора проведен расчет нескольких вариантов электрической машины с различным исполнением магнитопровода статора.
В результате расчетов получено, что наибольшее влияние на энергетические показатели генератора оказывают: длина стержня Lz, ширина паза Ь0, ширина стержня статора bz и величина воздушного зазора 5. Так как из менение данных параметров имеет сложное и комплексное влияние на энер гетические характеристики дискового генератора, задача оптимизации воз действия характеристик геометрии на величину результирующего магнитно го потока является достаточно сложной. Поэтому поиск наилучших геомет рических размеров дискового генератора, при которых энергетические ха рактеристики максимальны, проведен с использованием метода линейного планирования [38]. Ф Расчет дискового генератора с изменением длины стержня статора от 35 до 60 мм при постоянной МДС поля якоря, которая составляет Fa - 450 А/м представлен на рис, 4.7.
В результате сравнения характеристик изменения результирующего магнитного потока по длине стержня статора Фр =f(Lz)t полученных для машин с разными аксиальными размерами стержня, установлено, что вид характеристики Фр =f{Ls) практически не изменяется при увеличении длины стержня машины и зависят в основном от ш шткны МД поля якоря (рис. 4,7), На основе полученных результатов можно сделать вывод о возможности определения эффективной длины стержня при заданном значении тома якоря. Например, выполнение дайны стержня более Lz = 50 мы при МДС поля якоря Ьа -450 Л/м нецелесообразно вследствие значительного снижения величины основного шшштного потока.
В общем случае, иры.жмшж торцевої о генератора с удлиненными стержнями статора неэффективно вследствие влияния значительных потоков рассеяния, которые ограничивают энергетические показатели машины. Однако в настнмх случаях, когда требуется получить специальную внешнюю характеристику с высоким значением напряжения о режимах близких к холост му ходу; применение удлиненных сшржней статора может быть оправдано.
Сравнивая соотношения геометрических размеров ОДЇЮШКЙТЇГОЙ злек-тричеевдй машины и мш гошжетной с точки зрения наилучших энергетических характеристик, можно сделать вывод о значительном преимуществе многопакетной дисковой машины. Многоиэкетная дисковая машина, не смотря ка сложность конструктивною исполнения, обладает более эффективными показателями энергетических характеристик, обуслошхеїтьш меньшим влиянием потоков расееянин машины Статар веледетвие этого может иметь большую дшзпу с бояышш количеством витков и в результате более зффек-їишо преобратовывать ФдеиромшііШ ную энергию. На рис. 4.8 приведена поверхность, отражающая мощность мяитны при шменезіш относительной ширины и абсодготной длины стержня.
Внешние характеристики дискового генератора
В результате проведенных экспериментальных исследований макет ных образцов определены выходные характеристики торцевого генератора fit, при изменении активного сопротивления нагрузки, величины воздушного за зора, изменении угла сдвига дисков роторов друг относительно друга. Про ведены испытания при различных способах изготовления сердечника статора для оценки возможности применения цельнометаллических стержней в ма ломощных дисковых магнитоэлектрических генераторах. Зависимости при ведены для одной фазы трехфазного дискового генератора, в фазных значе ниях и определены при симметричном режиме работы генератора. Экспери ментальные кривые во всех проведенных опытах практически повторяют ха , рактеристики, полученные расчетным путем (раздел 4). моделей. Стержни статора вьшали ны шихтованными. Скорость вращение нада ротора 1100 об/мин, воздушный зазор составляет 1 мм.
Сравнение результатов показало, что полученные с помощью моделирования внешние шр&ктщшетшм не сон падают с ирошдшиым экспериментом. Отклонения расчетных значений лежат в диапазоне от - 4,2 до -3,5 %, что показывает работоспособность и эффективность используемых моделей.
На рие.5.10 представлены экспериментальные внешние характеристика генератора при изменении воздушного зазора. Характеристики снимались при симметричном изменении воздушного зазора между роторами и статором б - 1 4 мм. Катушки обмотки имеют трехслойное исполнение. Внешние характеристики для двух и однослойной обмотки статора показаны на 16 2d J hi рис, 5 Л1 5J2 представлены выходные харастернстики генератора, работающего иод статической ишрузкой, при изменении воздушного зазора и скорости вращения ротора. Ом; .1 - 4 Ом; Анализ зависимостей выходного напряжения от величины воздушного зазора при различном сопротивлешш нагрузки показал, что при увеличении воздушного зазора происходит снижение преобразуемой генератором активной мощности. Величина воздушного зазора зависит от толщины и материала изготовления немагнитной перегородкіг, которая определяется давлением и агрессивностью рабочей среды.
Известно, что свойства постоянных магнитов ухудшаются с повышением температуры, что может привести к значительному снижению выходной мощности генератора- Во время определения экспериментальных выходных характеристик была произведена оценка теплового нагрева магнитной системы дискового генератора при длительной работе с постоянной нагрузкой. Установлено, что при нагрузке 4 Ом и токе в обмотке статора 6,3 А, превышение температуры меди статора не превышает 40 С. Выбор постоянных магнитов осуществляется с большей коэрцитивной силой чем получено при расчетах, примерно в 1?5 раза. Предполагается, что температурная стабилизация магнитного материала при высоких температурах (90 градусов) позволит получить требуемые значения коэрцитивной силы.
Количественное изменение основного магнитного потока в аксиальном и радиальном направлении машины можно оценить по величине ЭДС холостого хода катушек и слоев секций обмотки якоря. Результаты измерений сведены в табл. 5.3.
При сравнении результатов экспериментальных и теоретических исследований (табл. 4.1 и 5,3) по величине ЭДС холостого хода, получены приемлемые значения погрешности, не превышающие 5 %, что доказывает правильность учета потоков рассеяния в выбранных методах и расчетах.
Представленная конструкция макета дискового электромашинного генератора обладает с одной стороны высокой технологичностью и простотой сборки, с другой стороны наличием зубцового эффекта, обусловленного по-строением магнитной системы. Статический момент сопротивления от зубцового эффекта составляет 0,48 Н-м при воздушном зазоре 1 мм. Однако применение сдвига дисков роторов на некоторый угол друг относительно друга дает возможность снизить этот эффект в 2,5 раза. На рис. 5,13 приведены расчетная и полученная экспериментально осциллограммы выходного напряжения трехфазного генератора в режиме холостого хода. Воздушный зазор составляет 1 мм. Скорость вращения вала ротора 1100 об/мин. Совпадение кривых как по форме, так и по численным значениям удовлетворительное. Расчетная осциллограмма имеет более выраженную не синусоидальность. На рис. 5Л4-5Л5 представлены осциллограммы выходного напряжения генератора при сдвиге дисков роторов друг относительно друга и при работе генератора под статической нагрузкой (Rn = 4 Ом). Форма кривой Un = f{t) в режиме холостого хода без сдвига дисков роторов друг относительно друга несколько отличается от синусоидальной (рис.5ЛЗ). Это объясняется наличием насыщения магнитопровода статора из-за достаточно широкого полюса ротора и высших гармоник магнитного потока.
Однако при сдвиге дисков роторов друг относительно друга происходит снижение проходящего магнитного потока в стержнях статора и форма выходного напряжения близка к синусоидальной- Также при сдвиге дисков роторов снижаются проявления зубцового эффекта. Установлено, что оптимальная величина сдвига дисков роторов друг относительно друга составляет 15-И 7, при этом снижение энергетических характеристик дискового генератора происходит на 5- 7 %. При наличии нагрузки вид выходного напряжения приближается к синусоиде вследствие снижения основного потока из-за влияния индуктивности обмотки якоря. Осциллограммы выходного напряжения дискового генератора с воздушным зазором 2 мм, работающего в различных режимах работы, представлены в приложении 2. На [ШІ\ 5.16 прсдстш-шены выгодные х&ршстеристиіш генератори, жни статора выполнены шихтованными (кривая І) и монолитными (кривая 2)., катушки имеют трехслойной исполнение, Характеристики снимались при воздушном зазоре І мм и скорости вращения вала ротора 1100 об/мш, Ш рис. 5Л7 представлены осциллограммы выходного шшрлжешш генератора н режиме холостого хода.
