Содержание к диссертации
Глава 1 ОБЗОР РАБОТ ПО РАСЧЕТУ И ПРОЕКТИРОВАНИЮ 11 ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
нового типа
-
Математические модели для исследования 28
динамических процессов ВИД
-
Методы и подходы, используемые для расчета 32 электромагнитных параметров ВИД
Глава 2 ЛИНЕЙНЫЕ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫЕ 40 ДВИГАТЕЛИ И ИХ МОДИФИКАЦИИ
-
Особенности процессов в линейных вентильно- 40 индукторных двигателях и области их применения
Глава 3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЛИНЕЙНЫХ 66
ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
-
Геометрические и временные параметры, используе- 72 мые в математической модели ЛВИД.
-
Определение сил, действующих на подвижный 81 элемент
-
Учет насыщения при определении токов, сил и 91 энергетического коэффициента
-
Учет активного сопротивления фазы при определении 99 токов в обмотке
-
Особенности расчета потерь в вентильно- 103 индукторном двигателе
-
Учет потерь в стали методом эквивалентирования 107 индукции
-
Использование математической модели ЛВИД для 112 расчета и проектирования вращающихся ВИД.
-
Выводы по главе 3 115
Глава 4 РАСЧЕТЫ ПАРАМЕТРОВ, ХАРАКТЕРИСТИКИ 117 ЛВИД. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА РЕЗУЛЬТАТОВ
-
Методика расчета линейного вентильно- 117 индукторного двигателя.
-
Расчет ЛВИДОС и ЛВИДАС, сравнение результатов 118
-
Характеристики ЛВИД 125
-
Расчет вращающегося ВИД и сравнение с 145 экспериментальными данными
ЛИТЕРАТУРА 167
ПРИЛОЖЕНИЯ 177
Введение к работе
Важное место в современных электротехнических системах занимают линейные электроприводы. Они применяются в технологических системах металлообрабатывающей, легкой и пищевой промышленностей, на транспорте, в разгонных устройствах, компрессорах и насосах, робототехнике и станочном оборудовании и т.д. В настоящее время широко применяются линейные машины традиционных типов: линейный асинхронный двигатель (ЛАД), линейный синхронный двигатель (ЛСД), в том числе со сверхпроводящими электромагнитами и электродинамической подвеской. Большой вклад в развитие линейных электрических машин внесли М.М. Соколов, В.А. Винокуров, Б.И. Петлен- ко, Ф.И. Пинский, Н.П. Ряшенцев, В.Н. Ряшенцев, 8. Уашатига и др.
Особый интерес линейные двигатели представляют для высокоскоростного транспорта с магнитным подвесом («магнитопланов»), занимающего промежуточное положение между железнодорожными и авиационными средствами передвижения.
В последние десятилетия в электромеханике появилось новое направление связанное с вентильно-индукторными двигателями (ВИД). Первые работы, опубликованные в восьмидесятые годы за рубежом и демонстрирующие преимущества новых типов электроприводов с вентильно-индукторными машинами, открыли целую волну исследований, разработок и публикаций на эту тему во всех странах мира. Развитие этого нового класса машин происходит как в направлении углубления их теории, методов расчета и проектирования (применение традиционных методик анализа и синтеза электрических машин для нового класса машин крайне неудобно и сложно), так и в направлении поиска новых модификаций и нетрадиционных исполнений, обладающих общими и специфическими достоинствами применительно к различным областям техники.
Простота конструкции статора, ротора и электрических схем ВИД и их коммутаторов, высокая надежность, хорошие регулировочные качества, возможность использования в сложных окружающих условиях, относительно низкая стоимость и эксплуатационные затраты, высокие энергетические показатели, однополярное питание обмоток от источника постоянного тока, а также повышенные магнитные индукции в воздушном зазоре, линейные нагрузки, благодаря размещению простых катушечных обмоток на периферии статора, и другие достоинства способствуют расширяющемуся применению ВИД в различных областях техники от прецизионных систем управления до мощных транспортных средств, и стимулирует их углубленные расчетно-теоретические исследования. Исследования ВИД проводили P.J. Lawrenson, В.А. Кузнецов, T.J.E. Miller, Н.Ф. Ильинский, М.Г. Бычков, Д.А. Бут, Л.Ф. Коломийцев, В.В. Жуловян и др.
Основное внимание в настоящее время уделяют вращающимся вентиль- но-индукторным двигателям, а линейные вентильно-индукторные двигатели до настоящего времени практически не рассматривались, хотя они сохраняют все достоинства своих вращающихся аналогов и имеют, в основном, те же области применения, что и другие типы линейных машин.
Таким образом, работы по линейным модификациям вентильно- индукторных двигателей, методам их расчета и проектирования с учетом специфических особенностей процессов из-за необходимости учета поперечных сил, действующих на подвижный элемент, увеличенных рабочих зазоров, краевых эффектов и др. - на сегодняшний день практически отсутствуют. Поэтому разработка методов расчета и проектирования, линейных вентилъно- индукторных двигателей является актуальной задачей.
Целью диссертации является разработка основ теории рабочих процессов в линейных вентильно-индукторных двигателях (ЛВИД), исследование путей улучшения их энергетических и массогабаритных показателей, создание методик расчета ЛВИД различных модификаций и расчет их рабочих характеристик.
Поставленная цель достигалась решением следующих задач: выбором и обоснованием метода описания процессов в линейных вентиль- но-индукторных двигателях; разработкой математической модели с учетом особенностей рабочих процессов в ЛВИД; разработкой метода учета активного сопротивления обмоток ЛВИД и потерь в стальных магнитопроводах; анализом компоновочных схем ЛВИД; разработкой и исследованием новых модификаций вентильно-индукторных двигателей; экспериментальной проверкой основных теоретических положений.
При решении указанных задач использовались следующие методы: аналитический метод определения электромагнитных показателей на основе энергетического баланса и i f годографа при обоснованных допущениях; численные методы решения дифференциальных уравнений в системе Mathcad; моделирование магнитных полей.
Научная новизна.
Развита теория нестационарных электромагнитных процессов в ЛВИД и разработана их математическая модель. Модель обобщена на вентильно- индукторные двигатели вращающегося исполнения.
Разработана методика расчета ЛВИД с учетом активных сопротивлений обмоток и потерь в стали.
Предложена и закреплена приоритетом (патент РФ) новая модификация линейных и вращающихся ВИД с С-образными автономными сердечниками, обеспечивающая улучшение основных показателей двигателя.
Предложена новая модификация линейных и вращающихся ВИД с однопо- лярными активными вторичными элементами (имеется положительное решение о выдаче патента).
5. Определены компоновочные схемы линейных вентильно-индукторных двигателей.
Положения, выносимые на защиту.
Аналитический аппарат исследования процессов в ЛВИД.
Математическая модель ЛВИД на основе энергетического метода, учитывающая насыщение сердечников, потери в стальном магнитопроводе и активное сопротивление обмоток.
Методика расчета линейных вентильно-индукторных двигателей и расчетные характеристики линейных вентильно-индукторных двигателей для различных применений.
Новые модификации линейных вентильно-индукторных двигателей.
Результаты анализа и расчета вентильно-индукторных двигателей различных модификаций, а также сравнения расчетных и экспериментальных данных, подтверждающие работоспособность разработанной методики расчета ЛВИД.
Практическая ценность работы.
Разработанные основы теории, расчетные алгоритмы и методики позволяют рассчитывать выходные характеристики и показатели линейных вентильно- индукторных двигателей с точностью, достаточной для проектных разработок.
Предложенные и закрепленные приоритетом МАИ новые конструктивные схемы ЛВИД позволяют устранить концевые эффекты, обеспечить электромагнитную независимость фаз, уменьшить объем стали, повысить интенсивность преобразования энергии и КПД, снизить удельные массы, а также позволяют изменять конструктивные схемы двигателя в процессе эксплуатации.
Компоновочные схемы линейных вентильно-индукторных двигателей могут использоваться в транспортных системах.
Реализация результатов работы.
Разработанные алгоритмы и программы расчета переданы промышленным предприятиям и используются в учебном процессе, в НИР по научно- технической программе Минобразования России «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» в подпрограммах «Топливо и энергетика» и «Транспорт», в гранте Минобразования РФ по фундаментальным исследованиям в области энергетики и электромеханики по теме «Исследование вентильных и индукторных двигателей для автономных систем приводов и транспорта» и в НИР по заказу Минобразования России по теме «Разработка методов синтеза и оптимизация автономных электроэнергетических и электромеханических комплексов (АЭЭК) для аэрокосмических, транспортных, промышленных и медико-биологических систем на основе новых материалов и технологий.
Отдельные результаты докладывались и обсуждались на:
Всероссийской электротехническом конгрессе с международным участием (ВЭЛК-99). Москва.
Конференции ЭКАО-99. Москва.
Конференции по программе Минобразования России «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» подпрограмма «Топливо и энергетика», Москва, МЭИ 2001.
Конференции по программе Минобразования России «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» подпрограмма «Транспорт», Москва-Звенигород, 2002.
Конференциях молодых ученых в МАИ.
По теме диссертации опубликовано 7 работ:
Бут Д.А., Чернова E.H. Линейные вентильно-индукторные двигатели, часть - Электричество, 1999, №12.
Бут Д.А., Чернова E.H. Линейные вентильно-индукторные двигатели, часть - Электричество, 2000, №1.
Чернова Е.Н. Приближенная математическая модель вентильно- индукторного двигателя. Тезисы докл. конфер. ЭКАО-99. - М.:изд. МЭИ, 1999. Bout D.A., Tchernova E.N. Linear Switched Reluctance Motors for High Speed Transport. Тезисы трудов ВЭЛК-99, т. 3 - M.: Академия, 1999.
Чернова Е.Н., Бут Д.А. Вентильно-индукторный реактивный двигатель. Патент на изобретение № 2159494.
Ковалев Л.К., Бут Д.А., Пенкин В.Т., Полтавец В.Н., Илюшин К.В., Ковалев К.Л., Конеев С.М.-А., Ларионов А.Е., Чернова Е.Н, Модестов К.А., Ларионов С.А.. Новые типы высокоэффективных электромеханических преобразователей для транспортных систем. Тезисы докл. отчетной конф. - выставки по подпрограмме «Транспорт» научно-технической программы Минобразования России «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники». - М.:изд. МАИ, 2002.
Бут Д.А., Ковалев Л.К., Алиевский Б.Л., Мизюрин С.Р., Илюшин К.В., Пенкин В.Т., Ковалев К.Л., Чернова Е.Н. Электрические машины на основе ВТСП и накопительные системы. Тезисы докл. отчетной конф. - выставки по подпрограмме «Топливо и энергетика» научно-технической программы Минобразования России «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники». - М.: изд. МЭИ, 2001.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения; имеет 201 страницу, 45 рисунков, 4 таблицы, 107 наименований списка литературы на 10 страницах и приложения на 25 страницах.
Похожие диссертации на Линейные вентильно-индукторные двигатели
