Содержание к диссертации
Введение
Общая характеристика работы 4
1 Обзор литературы по теории униполярных электрических машин 9
1.1 Развитие теории униполярных электрических машин 9
1.2 Токосъемы униполярных электрических машин 16
1.3 Реакция якоря в униполярных электрических машинах 30
1.4 Выводы по разделу 1 и задачи исследования 33
2 Исследование токосъемов униполярных электрических машин 34
2.1 Постановка задач, формулировка методов решения 34
2.2 Традиционный токосъем с медно-графитовыми щетками 36
2.3 Токосъем с металлическими волоконными щетками 41
2.4 Катящийся токосъем 45
2.5 Выводы 75
3 Выбор оптимального количества контактов в зональном токосъеме униполярной электрической машины 76
3.2 Расчетная модель и метод определения оптимального количества токоподводов 79
3.3 Результаты численно-аналитического расчета 82
3.4 Макетирование 88
3.5 Выводы 92
4 Исследование электромагнитного поля униполярной машины 93
4.1 Анализ реакции якоря и выбор наилучшего способа ее компенсации
4.2 Оценка влияния зубчатости воздушного зазора униполярной машины со стержневыми обмотками на виброшумовые характиристики 99
4.3 Сравнение виброшумовых характеристик униполярной машины с
характеристиками синхронной машины с постоянными магнитам 113
4.4 Выводы 1
- Реакция якоря в униполярных электрических машинах
- Традиционный токосъем с медно-графитовыми щетками
- Результаты численно-аналитического расчета
- Оценка влияния зубчатости воздушного зазора униполярной машины со стержневыми обмотками на виброшумовые характиристики
Введение к работе
Актуальность темы исследования. УЭМ имеют ряд преимуществ перед биполярными машинами постоянного тока, а именно высокое использование активных материалов, а значит меньший относительный вес при низких напряжениях, высокий КПД, вследствие отсутствия потерь в стали на гистерезис и вихревые токи, простота конструкции, высокая термостойкость и долговечность. Особенность распределения магнитного поля в активной части УЭМ определяет низкий уровень магнитных вибраций этих машин. Однако, несмотря на очевидные преимущества, известен ряд проблем, связанный с их конструктивными особенностями.
Одной из таких проблем является устройство токосъема. Применение широко распространенной для электрических машин системы контактных колец и щеток не является подходящим, т.к. большие значения токов якоря при низких напряжениях, свойственных УЭМ, а также высокие скорости вращения негативно влияют на долговечность и надежность данного контактного аппарата. В условиях больших токов количество параллельно включенных щеток велико, а обеспечить равномерное распределение тока между ними из-за особенностей проводимости скользящего контакта довольно трудно. Это обстоятельство приводит к перегрузке отдельных щеток и выходу их из строя, поэтому надежность работы больших групп щеток невысока. Сложность конструкции, дороговизна и технологические особенности ограничивают область применения жидкометаллического токосъема. Поэтому возникает необходимость разработки нового улучшенного токосъема, удовлетворяющего требованиям, предъявляемым к униполярным электрическим машинам.
Другим важным вопросом изучения УЭМ является реакция якоря и способы ее компенсации. В литературе указывается на два основных способа: применение немагнитных промежутков в сердечнике статора и использование компенсационных обмоток. Для анализа эффективности этих способов были проведены расчеты электромагнитных полей.
Таким образом, анализ литературных источников и научно-исследовательских работ в области униполярных электрических машин позволяет сделать вывод о том, что имеется ряд вопросов, изученных недостаточно, а проведенное исследование может позволить устранить эти пробелы. Результаты проведенных научных исследований могут позволить решить востребованную практическую задачу разработки и создания эффективной УЭМ с улучшенными виброшумовыми характеристиками по сравнению с биполярными электрическими машинами.
Целью работы является улучшение потребительских качеств униполярных электрических машин средней мощности, в частности энергоэффективности, виброшумовых характеристик, повышения надежности.
Цель работы достигается разработкой ряда научно-обоснованных технических решений в области конструкции активной части униполярных электрических машин: зонального токосъема и обмотки якоря.
Методы исследования. В процессе решения поставленных задач в диссертационной работе использован комплексный подход исследования, основывающийся на законы теоретических основ электротехники, теории поля, электродинамики и электромеханики, элементы дифференциального и интегрального исчисления. Проведен анализ и обобщение данных научно-технической литературы. Использовалось моделирование с применением вычислительной техники. Для расчетов электромагнитных полей с применением метода конечных элементов использовались программные решения FEMM. При решении трехмерной задачи растекания тока в катящемся токосъеме использовался программный комплекс Ansys. Правильность теоретических положений проверена экспериментально в лабораторных условиях и в процессе натурных исследований. Обработка экспериментальных данных проводилась в программных комплексах ZETLab, Mathcad и Excel.
Предмет и объект исследований. Объектом исследований является УЭМ, предметами - подвижный токосъем и реакция якоря.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Получены зависимости относительного сопротивления стальных роликов от частоты вращения и величины пропускаемого тока. Приведены результаты экспериментального исследования контактного сопротивления подвижных токосъемов.
-
Получена численно-аналитическая расчетная зависимость (формула), позволяющая определить сопротивления якоря дисковой УЭМ при любых размерах и материалах.
-
Показано, что только применение компенсационных обмоток УЭМ, в отличие от уменьшения РЯ посредством немагнитных вставок и проточек, позволяет улучшить характеристики УЭМ.
-
Для УЭМ средней мощности получена расчетная зависимость (формула) коэффициента, характеризующего виброперемещения УЭМ, от числа зубцов якоря.
Практическая ценность.
-
Предложены конструкции зонального токосъема униполярной электрической машины на основе зубчатых колес и тел качения.
-
Обоснован выбор оптимального количества токоподводов в зональном токосъеме дисковой УЭМ.
-
Предложено конструктивное исполнение компенсационной обмотки (КО) и обмотки якоря (ОЯ) УЭМ, позволяющее полностью скомпенсировать реакцию якоря.
4) Проведена сравнительная оценка виброшумовых характеристик УЭМ и синхронной машины с постоянными магнитами (СДПМ). Обоснован выбор конструкции КО и ОЯ.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов определяется использованием апробированных методик проведения исследований и анализа экспериментальных результатов; применением средств измерений необходимой точности; использованием стандартных и широко известных пакетов прикладных программ; достаточным совпадением результатов теоретических расчетов и эксперимента.
Реализация работы. Результаты работы использованы при проведении научно-исследовательской опытно-конструкторской работы по теме «Разработка униполярной электрической машины мощностью 100 кВт», проводимой в ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ», в части расчетов и моделирования.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались и обсуждались на:
-
II, III и V Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы создания космических систем дистанционного зондирования Земли», проходивших в АО «Корпорация «ВНИИЭМ» в 2014, 2015 и 2017 годах.
-
Заседаниях секции №5 Научно-технического совета АО «Корпорация «ВНИИЭМ».
-
Заседаниях кафедры электромеханики ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ».
На защиту выносятся:
-
Результаты экспериментального исследования и сравнительного анализа подвижных токосъемов. Новые конструкции токосъемов униполярных электрических машин на основе зубчатых колес и тел качения.
-
Результаты выбора оптимального количества контактов в зональном токосъеме УЭМ.
-
Результаты выбора конструктивного исполнения компенсационной обмотки и обмотки якоря УЭМ, позволяющего полностью скомпенсировать реакцию якоря.
-
Результаты сравнительной оценки виброшумовых характеристик УЭМ и СДПМ. Обоснование выбора конструкции КО и ОЯ исходя из улучшения ВШХ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них 4 в изданиях из перечня ВАК, получено 2 патента на полезные модели. В статьях и докладах, опубликованных в соавторстве, соискателем сформулированы цель и задачи исследования, предложены и обоснованы новые технические решения на тему униполярных электрических машин, созданы математические модели. В полезных моделях, опубликованных в соавторстве, соискателем сформулированы основные признаки и составлены формулы полезных моделей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации
Реакция якоря в униполярных электрических машинах
Развитие униполярных электрических машин (УЭМ) берет свое начало в XIX веке. В 1824 г. П. Барлоу предложил униполярный двигатель, а в 1831 г. М. Фарадеєм был предложен униполярный генератор. На первых этапах униполярные машины развивались в качестве генераторов. В XX веке были построены первые промышленные образцы такими изобретателями, как Д. Неггерат (1904 г.), Б. Угримов (1910 г.), Б. Лямм (1912 г.). Одними из первых отечественных исследователей теории УЭМ являются К.И. Шенфер, В.Ф.Миткевич [49], а из зарубежных следует выделить Д. Ватта, П. Муна, Д. Спенсера. Подробный обзор работ по УЭМ начального этапа развития проведен в [5, 63]. Большой вклад в изучение УЭМ, а также в обобщение накопленной теории внес Л.А. Суханов, под редакцией которого в 1964 г. была выпущена работа [63]. В ней авторы описывают физические основы работы УЭМ, анализируют УЭМ с твердым и с жидкометаллическим токосъемами, приводят расчеты магнитной цепи и потерь в УЭМ, а также предлагают методику расчета униполярного генератора. Другим примером наиболее полного обобщения работ по униполярным машинам является книга [5], написанная А.И. Бертиновым, Б.Л. Алиевским и СР. Троицким и изданная в 1966 г. В своей работе авторы проводят исторический обзор развития УЭМ, дают определение УЭМ, изучают и сравнивают различные магнитные системы, анализируют особенности реакции якоря и предлагают способы ее компенсации, занимаются детальным изучением жидкометаллического подвижного токосъема и его особенностей, раскрывают основные вопросы расчета УЭМ, проводят сравнительный анализ различных конструкций УЭМ, одними из первых занимаются изучением двигательного режима работы УЭМ, а также униполярного генератора без ферромагнитного магнитопровода, приводят результаты экспериментальных исследований УЭМ с жидкометаллическим токосъемом. Эти и некоторые другие результаты кратко изложены в работе [4], где также рассмотрены конструкции коллекторных УЭМ, обмотка якоря которых состоит из последовательно включенных стержней. ЭДС таких машин больше, чем у бесколлекторных, и равняется ЭДС одного стержня, умноженной на количество стержней. Также УЭМ упоминаются в [18]. В этой работе авторы затрагивают вопросы исследования и создания сверхпроводниковых УЭМ. Использованию сверхпроводимости в конструкции УЭМ уделяют внимание многие исследователи, работа [66] полностью посвящена этой проблеме. Отдельное внимание уделяется изучению ударных униполярных генераторов [19, 64, 65]. Кроме этого УЭМ часто упоминаются в общих книгах по электрическим машинам, а именно [26, 35, 36]. В [26] отмечается, что УЭМ отличаются от всех прочих машин постоянного тока тем, что в их якоре сразу генерируется ЭДС постоянного направления. Поэтому в них отсутствует преобразователь частоты, который имеется в том или ином виде во всех обычных разноименнополюсных машинах постоянного тока. В [35, 36] упоминается, что УЭМ обычно имеют 1 виток на роторе и как следствие являются низковольтными. Также авторами приводится конструкция УЭМ с повышенным напряжением, в которой часть щеток и контактных колец соединяется последовательно. Отдельное внимание авторы уделяют проведению аналогии между униполярной машиной и планетой Земля, представляя электромеханическую систему планеты в виде системы, состоящей из МГД-генератора и униполярного двигателя, совмещенных в одной сферической машине.
По теме униполярных машин защищено сравнительно большое количество диссертаций. Рассмотрим некоторые из них. В работе [46] исследуется сверхпроводниковый униполярный двигатель (СПУД) в составе привода гребной электрической установки [53, 54]. Автор отмечает такие преимущества униполярного электрического двигателя (УЭД) по сравнению с двигателем постоянного тока традиционного исполнения, как высокий КПД, отсутствие потерь в стали и простота конструкции. Применение сверхпроводящей обмотки возбуждения в униполярном двигателе позволит существенно улучшить технические характеристики всей энергетической установки по ряду определенных параметров, таких как КПД, предел мощности и др. Помимо достоинств СПУД имеет и недостатки, такие как низкое питающее напряжение и сложность технического обслуживания щеточного токоподвода. Учитывая эти особенности, автор ставит целью в своей работе разработку математической модели прогнозирования показателей надежности СПУД и повышение эффективности сверхпроводниковой гребной электрической установки. В работе исследуется УЭМ цилиндрического типа со щеточным токоподводом из металлографитных композитных материалов и сверхпроводниковыми обмоткой возбуждения и обмоткой, компенсирующей реакцию якоря. В качестве альтернативного варианта предлагается конструкция УЭМ с жидкометаллическим токоподводом, который допускает по сравнению со щеточным значительное увеличение плотности тока в контакте, меньшее контактное электрическое сопротивление, возможность работы на более высоких скоростях. Недостатками данного типа токоподвода являются магнитогидродинамические эффекты при движении металла в магнитном поле, окисление контактов, сложность достижения надежной работы контакта при пуске и реверсе двигателя, химическая активность и токсичность жидких металлов. Для анализа надежности СПУД автор выделяет наиболее уязвимые его узлы, а именно сверхпроводниковый индуктор и сверхпроводниковую компенсационную обмотку, токоподвод, подшипниковый узел и обмотку якоря. С подробным анализом надежности СПУД и энергоустановки в целом можно ознакомиться в самой диссертации, а в данной работе приведем некоторые выводы: показана и обоснована актуальность и эффективность применения УЭМ в составе гребной электрической установки (ГЭУ); выявлено, что наименее надежным звеном в составе СПУД является щеточный токоподвод.
В работе [52] автор обосновывает актуальность использования сверхпроводников в составе электрических машин за счет того, что они позволяют увеличить плотность тока на два порядка, а также создавать сильные магнитные поля с минимальными потерями мощности. Такие поля позволяют отказаться от использования ферромагнитного магнитопровода, тем самым добиться уменьшения веса машины. Целью работы являлось теоретическое и экспериментальное исследование сверхпроводниковой униполярной машины (СПУМ) в составе автономной тяговой электрической передачи. Проведен сравнительный анализ различных тяговых передач, в состав которых входят электрические машины различных типов. В результате этого анализа автор отмечает, что СПУМ с гладким цилиндрическим якорем являются наиболее предпочтительными в качестве тяговых электрических машин за счет их простоты конструкции и технологии изготовления, а также в отсутствии необходимости использования преобразователей частоты или выпрямителей в системе СПУГ-СПУД, которые необходимы в других системах (за исключением сверхпроводниковых коллекторных машин). Исследованы такие характеристики СПУГ как холостого хода, внешняя и регулировочная, которые представляют собой прямолинейные зависимости ввиду отсутствия ферромагнитного магнитопровода. Большая жесткость тяговых и скоростных характеристик СПУД по сравнению с традиционными двигателями постоянного тока (ДПТ) обусловливается малым электрическим сопротивлением полого якоря. Электромагнитный расчет СПУМ показал, что магнитная индукция внутри корпуса СПУМ может достигать 7 9 Тл, а на поверхности 4 5 Тл. Магнитные поля такой силы могут оказывать негативное воздействие на обслуживающий персонал и на элементы окружающих конструкций и аппаратуры, возникает необходимость их экранирования.
Традиционный токосъем с медно-графитовыми щетками
Из литераторы известно, что металлические волоконные щетки способны пропускать ток плотностью порядка 10МА/м2 не подвергаясь при этом значительному износу. Для выявления особенностей работы металлических волоконных щеток (МВЩ) в диссертационной работе рассмотрено изготовления аналога волоконных щеток из кабеля марки AWM STYLE 10070 105С 600V. Диаметр элементарного проводника 0.13 мм = 130 мкм. Также из литературы [51, 70, 73, 74, 77, 82, 83, 85, 86, 87, 89, 90,] известно, что чем меньше диаметр элементарного проводника щетки, тем эффективнее ее использование из-за ряда факторов (больше альфа-пятен и т.д.). Обычно в экспериментах описываются щетки с диаметром волокна, составляющим десятки микрон. Однако, встречаются работы, [70, 89], в которых диаметр волокна достигает 127 мкм. Поэтому щетки, исследуемые в диссертационной работе, вполне могут быть отнесены к волоконным. На рисунке 2.4 показаны модели исследуемых волоконных щеток. - щеткодержатель, 2 - щетка Рисунок 2.4 - Металлические волоконные щетки в щеткодержателе
По графику на рисунке 2.6 видно, что сопротивление МВЩ практически не зависит от частоты вращения вала в рассматриваемом диапазоне частот, в отличие от металло-графитных щеток. Переходное контактное сопротивление соответствует щеткам МГСОА. Известно, что МВЩ по сравнению с металло-графитовыми обладают большей надежностью и не требуют обслуживания. Благодаря большому количеству контактных пятен, МВЩ требуют значительно меньшего усилия прижатия щетки к валу или контактному кольцу, за счет чего обладают меньшими механическими потерями. Из литературы известно, что главные преимущества МВЩ это малый износ и малые механические потери, при том, что значения плотностей тока в щетке и рабочих скоростей больше либо равны значениям в метало-графитовых щетках.
Вначале пучку из алюминиевых и латунных волокон придается форма цилиндра. Затем полученный цилиндр обрезается по краям, помещается в специальную матрицу и спрессовывается давлением 300 МПа на протяжении - 44 минуты. Поскольку алюминиевые волокна намного мягче, чем латунные, они испытывают серьезную пластическую деформацию во время спрессовывания. Относительная плотность спрессованного блока может достигать 88%. Далее полученный блок обрабатывается до окончательной формы и после этого одним из краев погружается в раствор гидроксида натрия для того, чтобы вытравить алюминиевые волокна и оставить только латунные. Алюминиевые волокна придают щетке механическую прочность и упругость. На заключительном этапе полученный блок скрепляется с помощью латунной сетки.
Приведенные выше доводы позволяют сделать вывод о том, что процесс изготовления МВЩ длительный, сложный, дорогой и накладывает ограничения и трудности на массовое применение МВЩ. В настоящее время стоимость пары МВЩ производства компании DHI составляет около 4500 USD, что соответствует 283050 руб. Таким образом, проблема разработки простого эффективного и относительно недорогого токосъема остается актуальной и открытой.
В качестве модели для исследований катящегося токосъема были приняты конические роликовые подшипники, насаженные на алюминиевый вал (рисунок 2.9). Электрическая цепь подсоединялась к неподвижным внешним обоймам (на рисунке 2.9 показана одна обойма) через медные шины, закрепленные на поверхности обоймы хомутами. Подшипники промыты в растворителе и очищены от непроводящей смазки. 1 1, 2 - роликовые конические подшипники, 3 - алюминиевый вал, 4 - установочные винты для соединения с двигателем, 5 - светоотражающая метка для определения частоты вращения, 6 - внешняя обойма, 7 - медная шина, 8 - хомут.
Катящийся токосъем (КТ), выполненный на основе роликовых конических подшипников, подсоединялся к аккумуляторной батарее емкостью 60 А-ч и напряжением 12 В последовательно с блоком нагрузки. Для коммутации цепи применялся силовой выключатель-разъединитель ножевого типа. Блок нагрузки состоит из 8 резисторов по 0.8 Ом и допустимой мощностью 200 Вт. Путем последовательно-параллельного соединения резисторов возможно получить в цепи токи необходимых величин. Для определения переходного контактного сопротивления катящегося токосъема записывались осциллограммы падения напряжения на токосъеме и силы тока в цепи с использованием аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Полученные осциллограммы передавались на персональный компьютер (ПК) для последующей обработки.
Фланцы 2 и 3, выполняющие роль подшипниковых щитов, одеты на направляющие шпильки свободно с зазором. Частоты вращения, на которых проводились измерения, ограничены максимальной скоростью мотор-редуктора 4.
По полученным значениям падения напряжения на зажимах токосъема и тока в цепи определялось значение сопротивления катящегося токосъема по закону Ома для линейной цепи. На рисунке 2.13 показаны осциллограммы тока, напряжения и сопротивления для одного из экспериментов.
Результаты численно-аналитического расчета
Известно, что бронзовые сплавы отличаются механической прочностью, жаропрочностью, упругостью, низким коэффициентом трения качения и скольжения при электрической проводимости сопоставимой с медью. Замена стальных витых роликов и обойм бронзовыми и применение принудительного жидкостного или воздушного охлаждения позволяет использовать данный тип подшипников в качестве катящегося токосъема. При этом необходимо разделять подшипники для механической и токовой нагрузки.
Другой способ достижения постоянного электрического и механического контакта между ротором 1 и статором 2 в катящемся токосъеме это применение внешней обоймы из отдельных сегментов 4, каждый из которых поджимается к роликам 3, разделенным сепаратором 6, упругой пружиной 5 (рисунок 2.31).
Рассмотрим конструкцию и принцип действия приведенной схемы. Между валом 1 и внешним ободом 2 находятся две пары сателлитов 3 и 4, закрепленные на сепараторе 5. Сателлиты 4 стягиваются пружиной 6, при этом сателлиты 3 поджимаются к валу и внешнему ободу. Приведенная конструкция отличается своей простотой, небольшим количеством составных элементов и относительной надежностью. Из недостатков следует выделить то, что количество подвижных контактов равно четырем, вместо двух, как в рассмотренных выше конструкциях.
Таким образом показано, что одним из важнейших качеств катящегося токосъема является постоянный механический и электрический контакт тел качения с контактными поверхностями. Отсутствие постоянного контакта приводит к искрению, повышенному износу контактных поверхностей, повышенным электрическим и механическим потерям, повышенным виброшумовым характеристикам электрической машины. Перечисленные факторы снижают эффективность машины, снижают КПД и надежность. Для обеспечения постоянства контакта предложены следующие конструкции: 1) токосъем на основе роликовых конических подшипников; 2) токосъем с люфтовыбирающими шестернями сателлитов; 3) токосъем с витыми роликами; 4) токосъем с разрезной обоймой; 5) с сателлитами с парными роликами. Конструкции токосъемов микромашин и их токосъемов могут существенно отличаться от описанных выше [15, 16]. На рисунке 2.33 приведена схема магнитоэлектрической дисковой униполярной микромашины.
По стальному статору 1 замыкается поле возбуждения, создаваемое кольцевыми постоянными неодимовыми магнитами 2, намагниченными в осевом направлении и расположенными согласно. Постоянный ток протекает по бронзовой пластине 3 в соответствии с полярностью, обозначенной на схеме. Взаимодействие поля возбуждения постоянных магнитов и тока в пластине приводит к возникновению электромагнитного момента и вращению ротора, состоящего из пластины 3 и алюминиевого вала 4. Токоподвод осуществляется через катящиеся бронзовые шарики 5.
Бронза сочетает в себе такие свойства, как низкое электрическое сопротивление, малый коэффициент трения, высокая упругость и механическая прочность, и поэтому именно она выбрана в качестве материалов, относящихся к якорю и токосъему. Установочные винты 6 в количестве 3 штук, расположенные под углом 120 друг относительно друга, позволяют осуществлять сборку и разборку машины, выбирать величину воздушного зазора, регулировать усилие поджатия шариков и пластин, обеспечивать параллельность поверхностей магнитов и частей статора.
В заключение раздела следует отметить, что предложенные конструкции сохраняют основные принципы, лежащие в основе конструкций известных современных катящихся токосъемов, но имеют свои собственные особенности. Выбор наиболее эффективного токосъема должен проводиться в несколько этапов: на первом этапе необходимо создать макеты и провести натурные эксперименты по определению электрических и механических потерь каждого рассматриваемого токосъема на втором этапе необходимо создать макет УЭМ с токосъемом выбранном на первом этапе и экспериментальным путем оценить работоспособность всей системы в целом.
Оценка влияния зубчатости воздушного зазора униполярной машины со стержневыми обмотками на виброшумовые характиристики
Расчеты параметров любой электрической машины неизбежно связаны с исследованием электромагнитного поля в ее объеме с учетом специфики геометрии и физических свойств магнитопровода [28, 29, 30, 31]. Так как при строгом подходе эта задача не имеет точного аналитического решения, при ее постановке обычно принимают определенные гипотезы и вытекающие из них допущения, которые позволяют приближенно описывать электромагнитное поле в объеме электрической машины. Общая теория электрических машин базируется на уравнениях электричества и магнетизма в интегральной форме или на законах Ома и Кирхгофа для электрических и магнитных цепей с сосредоточенными параметрами. Такая теория дает физически правильное обоснование лишь в том случае, когда электрическая машина представляется в виде модели с идеальным магнитопроводом и гладким немагнитным зазором, ограниченным подвижной и неподвижной поверхностями [27, 62].
Электромагнитное поле униполярной машины складывается из нескольких полей: поле возбуждения, поле реакции якоря и компенсационное, при наличии компенсационной обмотки. В УЭМ с гладкими ротором и статором при установившемся режиме это поле неизменно во времени и имеет сложное пространственное распределение. В УЭМ со стержневой якорной и компенсационной обмотками поле будет иметь определенные пульсации. Особенности распределения электромагнитного поля УЭМ необходимо знать для изучения процессов, происходящих в машине, и для обеспечения разработки верных технических решений при проектировании. Задача исследования электромагнитного поля УЭМ заключается в определении векторов магнитной индукции поля возбуждения, поля реакции якоря, компенсационного поля, оценке влияния поля реакции якоря на поле возбуждения, обоснованный выбор компенсационных устройств, оценка влияния зубчатости при исполнении УЭМ со стержневыми якорными и компенсационными обмотками. Частично эти задачи были решены аналитически [5, 63], однако авторами был принят следующий ряд допущений:
1) материал магнитопровода изотропный. Магнитная проницаемость постоянна и ограничена, но значительно превосходит проницаемость вакуума; удельная электропроводимость якоря постоянна и ограничена. Авторы пренебрегают насыщением и считают нагрев участков якоря равномерным;
2) гистерезисные явления отсутствуют, векторы индукции и напряженности магнитного поля лежат на одной прямой и совпадают по направлению;
3) магнитное поле имеет равномерное распределение в воздушном зазоре в пределах полюса, пренебрежение краевыми эффектами.
Метод конечных элементов (МКЭ) позволяет смоделировать электромагнитные процессы в УЭМ наиболее наглядно и достоверно. Обширный список компьютерных программ для расчета магнитных полей приведен в [6], среди которых следует выделить такие, как ANSYS, FEMM, Flux, ELCUT. К недостаткам МКЭ относят относительно высокие требования к ресурсам компьютера и достаточно большое время, необходимое для расчета. Упомянутых недостатков можно избежать, применяя разновидность МКЭ - метод конечных суперэлементов, при котором в качестве базисных функций суперэлементов активной части электрической машины могут быть выбраны магнитные потоки или магнитные проводимости [11, 25]. В данном разделе расчеты велись по МКЭ в программе FEMM, которая отличается своей общедоступностью, возможностью моделировать как плоскопараллельные, так и осесимметричные магнитные поля, строить их картины, определять необходимы электромагнитные параметры. Для автоматизации расчетов предусмотрен язык программирования lua. Для моделирования магнитных свойств сталей их магнитные свойства могут быть получены из справочника [50].
Для решения вопросов, связанных с электромагнитным полем якоря, необходимо рассматривать поперечное сечение УЭМ. На рисунке 4.1 произведено моделирование поля реакции якоря для цельной обмотки (идеальный случай), которое представляет собой поле аксиального тока, протекающего по тонкому кольцу. Решалась плоскопараллельная задача магнитостатики. - статор, 2 - обмотка якоря, 3 - ротор Рисунок 4.1 - Распределение магнитного поля реакции якоря без компенсации
В рассматриваемом примере реакция якоря имеет только поперечную составляющую. Поперечная реакция якоря в УЭМ со щеточным токосъемом искажает поле и ведет к вытеснению тока к сбегающему краю щетки, что может привести к искрению из-за высокой плотности тока. Кроме этого, поле реакции якоря насыщает магнитопровод индуктора, препятствуя прохождению основного потока возбуждения, и снижает возможность регулирования выходных параметров УЭМ [13].
Если рабочая точка машины лежит на прямолинейных участках кривой намагничивания, т.е. когда магнитная цепь машины не насыщена результирующим магнитным полем или сильно насыщена, то искажение основного поля в стали не приводит к снижению наводимой ЭДС. Но так как обычно рабочая точка машины лежит на нелинейном участке кривой намагничивания (на «колене»), т.е. магнитная цепь имеет «среднее» насыщение, то происходит насыщение индуктора и снижение полного потока, и соответствующее уменьшение ЭДС. Для сохранения величины ЭДС увеличивают МДС возбуждения. Таким образом, дополнительный ток возбуждения компенсирует размагничивающее влияние поперечной реакции якоря. Насыщение магнитной цепи снижает возможность регулирования напряжения УЭМ. Из литературы [5, 26, 63] известно, что добиться уменьшения реакции якоря можно либо путем увеличения магнитного сопротивления на пути магнитного потока якоря (рисунок 4.2 а), либо скомпенсировать реакцию якоря с помощью компенсационной обмотки, имеющей направление тока, противоположное направлению тока в якоре (рисунок 4.2 б, в).