Введение к работе
Актуальность темы. В области производства электроэнергии, связанной с использованием низкооборотных первичных двигателей малой и средней мощности (ветроэнергетика, микро-гидроэнергетика и др.), выбор типа электрического генератора по многом определяет экономические, технические и эксплуатационные показатели всей энергетической установки. Например, в общей стоимости микроГЭС доля электрического генератора составляет примерно 60%.
Обеспечение требуемого уровня и частоты выходного напряжения при использований серийных асинхронных и синхронных машин предполагает использование мультипликаторов, стоимость и масса которых растет с увеличением передаточного числа, а надежность снижается. Мультипликатор по стоимости является вторым узлом после генератора практически в любой автономной энергетической установке, и его исключение одновременно со снижением стоимости и массы всей установки повышает надежность станции и упрощает ее эксплуатацию. И в этом плане предпочтение следует отдать низкооборотным электрическим машинам, использование которых позволяет упростить конструктивные схемы, габариты и массу мультипликаторов, либо совсем отказаться от них.
С точки зрения обеспечения хороших массогабаритных показателей, наиболее эффективной электрической машиной, работающей с низкой частотой вращения, является низкооборотный торцевой генератор. Лучшими эксплуатационными характеристиками из многообразия торцевых машин обладают торцевые индукторные генераторы. Это связано с простотой конструкции, отсутствием скользящих контактов, нетребовательностью к эксплуатации, что обуславливает низкую стоимость и высокую надежность.
Улучшение использования активного объема индукторного генератора достигается за счет установки в междуполюсном пространстве индуктора постоянных магнитов с магнитным потоком ориентированным навстречу основному потоку, что уменьшает постоянную составляющую, увеличивает модуляцию первой гармоники магнитного потока в воздушном зазоре индукторной машины.
В работах В.Б. Гомзякова и В. Д. Семенова такие машины названы альтернативно-пульсационными и показана их значительное преимущество перед аксиальными индукторными машинами.
Основной проблемой при создании таких машин является необходимость обеспечения высоких энергетических характеристик систем относительно дешевых постоянных магнитов путем концентрации магнитного потока в зоне рабочих магнитных зазоров.
Такие машины названы низкооборотными торцевыми генераторами индукторного вида с комбинированным возбуждением.
Вопросы проектирования таких генераторов в достаточной мере не изучены и в литературе не освещены. Учитывая высокие технико-экономические показатели торцевых генераторов индукторного вида с комбинированным возбуждением и с концентрацией магнитного потока необходимо разработать методику и программу инженерного расчета, обеспечивающие создание генераторов требуемых параметров и характеристик. Для этого необходимо провести всестороннее исследование магнитного поля в активных зонах генератора на математических н.физических моделях с целью корректного выбора электромагнитных нагрузок генератора. При этом торцевая конструкция сложного индуктора и якоря не позволяет воспользоваться известными методами и методиками расчета электрических машин.
Таким образом, торцевой генератор индукторного вида с комбинированным возбуждением является одним из наиболее перспективных конструкций электрических генераторов для автономной энергетической установки с низкооборотным первичным двигателем. В связи с этим актуальным является создание инженерной методики расчета таких машин на базе исследования электромагнитных процессов в активных зонах генератора.
Целью диссертационной работы является исследование новой конструкции торцевого индукторного генератора с комбинированным возбуждением и с концентрацией магнитного потока, выполненной по оригинальной схеме, исследование магнитного поля в активных зонах индуктора и якоря при различных потоках возбуждения в режиме холостого хода; создание инженерной методики расчета торцевых индукторных машин и программы их расчета.
Методы исследования. При решении задачи расчета магнитного поля возбуждения генератора использовался метод конечных разностей с использованием прямоугольной равносторонней сетки, симплекс-метод для решения задач линейного программирования, сплайн-интерполяция кубическими полиномами, исследование на физической модели. Гармонический анализ проведен численным разложением в ряд Фурье. Все исследования выполнены с использованием современных ПЭВМ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Впервые создана и исследована новая конструкция низкооборотного торцевого генератора индукторного вида с комбинированным возбуждением и с концентрацией магнитного потока системы постоянных магнитов.
-
Разработана математическая модель активной зоны торцевого генератора для расчета магнитного поля индуктора, содержащего систему ортогонально расположенных постоянных магнитов (типа феррит бария ВаО 6Ре20з), ферромагнитные башмаки, полюса и воздушные промежутки.
-
Разработана математическая модель для расчета магнитного поля в активной зоне торцевого генератора индукторного вида с комбинированным возбуждением и с концентрацией магнитного потока при совместной работе обеих магнитных систем (возбуждение, постоянные магниты).
-
Исследован характер распределения магнитного поля в воздущном зазоре торцевого генератора с учетом зубчатости статора.
-
Впервые разработана и изготовлена физическая модель магнитной системы торцевого генератора индукторного вида комбинированного возбуждения;
Практическая ценность диссертации состоит в следующем.
-
Создана перспективная конструкция торцевого генератора индукторного вида с комбинированным возбуждением и с концентрацией магнитного потока, выполненной по оригинальной схеме, для автономных электрических станций малой мощности с низкооборотным первичным двигателем.
-
Разработанный алгоритм и созданная программа расчета магнитного поля возбуждения низкооборотных торцевых генераторов индукторного вида с комбинированным возбуждением с концентрацией магнитного потока позволяет исследовать магнитное поле в активном объеме генератора со сложной конструкцией индуктора и якоря.
-
Разработан алгоритм и программа определения расчетного диаметра на основании приближенного учета зубчатости статора с точностью, приемлемой для инженерных расчетов.
-
Созданная физическая модель магнитной системы торцевого генератора индукторного вида комбинированного возбуждения позволяет экспериментально исследовать магнитное поле возбуждения генератора с учетом зубчатости статора и совместном действии обеих магнитных систем
-
Созданная инженерная методика и программа расчета позволяет рассчитывать главные размеры и параметры торцевых генераторов комбинированного возбуждения.
Реализация результатов работы. Основные результаты работы ориентированы на изготовлении низкооборотных торцевых генераторов индукторного вида с комбинированным возбуждением, в том числе и при использовании их в составе низкооборотных автономных энергетических установок. Математическая модель магнитной системы торцевого генератора индукторного вида с комбинированным возбуждением с концентрацией магнитного потока используется в учебном процессе кафедры «Электромеханика» Новосибирского государственного технического университета при изучении курса «Электрические машины» и кафедры «Электроснабжение» Якутского государственного университета при изучении курса «Электромеханика». Доклад на тему "Математическая модель магнитной системы торцевого генератора индукторного вида с комбинированным возбуждением" отмечена дипломом первой степени и медалью им. М. А. Лаврентьева на Лаврентьевских чтениях при Президенте республики САХА (Якутия) (1999 г.). Получен грант им. Ползунова (1998г.). Данная работа является органической составляющей программы Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ), проводимой Правительством Республики Саха (Якутия) "Арктика".
Апробапия работы. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрения на:
Российско-корейском международном симпозиуме по науке и технологии KORUS"98 (г. Томск, 1998 г.);
Российско-корейском международном симпозиуме по науке и технологии K.ORUS"99 (г. Новосибирск, 1999 г.);
Лаврентьевских чтениях при Президенте РС(Я), секция «Технические науки» (г. Якутск, 1999г.)
Второй международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности в Сибири и на Крайнем Севере» (г. Тюмень, 1997г.);
Всероссийской научно-практической конференции "Комплексные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог в условиях Крайнего Севера" (г. Хабаровск, 1997 г.);
Первом Международном Симпозиуме "Энергосбережение, качество электроэнергии, электромагнитная совместимость на железнодорожном транспорте" (г. Москва, 1997 г.);
Научных семинарах кафедр "Электропривод и автоматизация
промышленных установок" и "Электромеханики" (Новоси
бирского государственного технического университета) (Но
восибирск, 1997-1999 гг.).
Публикации. Научные результаты работы отражены в 7
печатных работах.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Она содержит 204 страницы, из которых: 80 стр. - основной текст, иллюстрируется 53 рисунками, 60 стр. - приложения, 13 стр. - библиографический список из 112 наименований.