CC BY
63
уДК 621-313-8 О. А. ЛЫСЕНКО
À. В. СИМАКОВ
Омский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ НА ПОСТОЯННЫХ МАГНИТАХ ДЛЯ ВЕНТИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
В статье рассмотрена проблема исследования и представлены результаты исследования магнитоэлектрической машины переменного тока из состава вентильного электропривода. Р асчет исследуемой м ашины проводился с использованием последней версии комплекса программ «ЕЮиТ 6.2 Профессиональный». Цель р а боты — построение адекватной геометрической модели исследуемого объекта, получение распределения силовых линий м агнитного поля машины, оценка распределения магнитной индукции в воздушном зазоре, гармонический анализ нормальной компоненты магнитной индукции. Полученные результаты, в пределах погрешности на выбранный метод исследования, я вляются адекватными. Н а основе результатов исследования предлагается методика получения к а ртины м агнитного поля синхронной м а шины и проведения гармонического анализа.
Ключевые слова: постоянные магниты, синхронная машина, ЕЮиТ, магнитные системы, вентильный электропривод.множественная регрессия, искусственные нейронные сети.
Электропривод осуществляет электромеханическое преобразование энергии, используется практически во всех сферах человеческой деятельности, где нужны движение и механическая работа, потребляет более 60 % всей вырабатываемой электроэнергии [1]. Для более эффективного использования электрических машин в составе электроприводов необходимо детальное изучение магнитных систем этих машин. Это позволит правильно подобрать нагрузку машины, отследить изменения картин электромагнитных полей внутри и снаружи исследуемого образца, создать на основе этого задел для проектирования новых, более рациональных конструкций электрических машин.
Анализ продукции ведущих мировых производителей систем привода и материалов опубликованных научных исследований в этой области позволяет отметить следующие ярко выраженные тенденции развития электропривода: неуклонно снижается доля систем привода с двигателями постоянного тока и увеличивается доля таких систем с двигателями переменного тока. Это связано с низкой надежностью механического коллектора и более высокой стоимостью коллекторных двигателей постоянного тока по сравнению с двигателями переменного тока [2].
Современная преобразовательная техника позволяет осуществить замену механического коммутатора полупроводниковым (вентильным). В таком случае вместо машины постоянного тока возможно применение синхронной машины переменного тока. Совокупность вентильного коммутатора, усилителя, в роли которого используется автономный инвертор напряжения или тока, и синхронной машины представляет собой так называемый вентильный электро-
привод, причем характеристики синхроннои машины формируют основные его параметры.
Широкое применение магнитоэлектрических машин во многих отраслях промышленности связано с появлением на рынке доступных постоянных магнитов на основе неодимовых сплавов, обладающих большоИ коэрцитивной силоИ (более 800 кА/м) и остаточноИ индукциеИ 0,8— 1,4 Тл. В малоИ энергетике повысился интерес к разработке синхронных генераторов с постоянными магнитами. Электрогенератор с ротором на постоянных магнитах может быть построен по двум основным конструктивным схемам: аксиального типа с торцевым расположением постоянных магнитов и коаксиального типа с радиальным расположением магнитов и фазных обмоток статора. Одним из технических решениИ аксиального типа является разработка электрогенераторов на базе асинхронных электрических машин, у которых короткозамкнутыИ ротор заменен на индуктор, имеющиИ в своем составе постоянные магниты [3].
Для исследования картин поля в последнее время может быть использовано множество различных программных продуктов, например Finite Element Method Magnetics (FEMM) [4], ANSYS Maxwell, FlexPDE и многие другие. Особенное внимание предлагается уделить программному продукту ELCUT россиИскоИ организации «ООО «ТОР». ELCUT — это интегрированная диалоговая система программ, позволяющая решать плоские и осесимметричные задачи различных типов. С помощью ELCUT можно решать сложные задачи расчета полеИ и теории упругости на персональных компьютерах, не прибегая к помощи больших ЭВМ или рабочих станциИ
Рис. 1. Фрагмент поперечного сечения магнитоэлектрической синхронной машины
Рис. 2. Основные кривые намагничивания
[5]. Основным методом решения задач в БЬСиТ является метод конечных элементов (МКЭ).
Рассмотрим задачу комплексного исследования магнитоэлектрической синхронной машины в среде БЬСиТ.
Исследуемая машина состоит из статора и ротора. Статор идентичен статору асинхронной машины АИР132М8 мощностью 5,5 кВт. Число пазов статора Z1 = 24. Ротор представляет систему, состоящую из восьми редкоземельных магнитов МйРгБ и восьми ферромагнитных концентраторов. Величина воздушного зазора между статором и ферромагнитными концентраторами 5=1 мм. Фрагмент поперечного сечения машины представлен на рис. 1.
Особенностью работы синхронной машины является то, что в установившемся режиме работы (после входа ротора в синхронизм) положение ротора относительно поля статора не меняется, поскольку ротор вращается с такой же частотой, что и поле. Поэтому целей исследования можно достичь решением задачи магнитостатики.
Исходные данные для моделирования: — магнитопровод статора — сталь СТ2211 (с учетом нелинейности (рис. 2) кривой намагничивания стали) [6];
— ферромагнитные концентраторы — конструкционная сталь СТ2013 (с учетом нелинейности (рис. 2) кривой намагничивания стали);
— постоянные магниты на основе МйРгБ — коэрцитивная сила магнита Нс = 1000 кА/м, остаточная индукция Бг=1,32 Тл, магнитная проницаемость магнитов принята равной (пм = 1,03 [6];
— вал ротора выполнен из немагнитного материала с магнитной проницаемостью (0=1 [6];
— магнитная проницаемость ротора принята равной (в=1;
— обмотка статора размещена таким образом, что создает восемь полюсов. Материал обмотки — медь, магнитная проницаемость ( =1;
— магнитная проницаемость изоляции магнитов принята равной (хм=1;
Для расчета плотности тока в обмотках статора, в соответствии с графиками электромагнитных нагрузок двигателей (рис. 3) и средних значений произведения AJ (рис. 4) по наружному диаметру статора (Оа=0,22 м), выбираем соответствующие значения [7]:
— электромагнитная нагрузка двигателя А=27 А/м. 103;
— произведение AJ=189 А2/м3.109;
Рис. 5. Распределение магнитной индукции и напряженности магнитного поля в сечении магнитоэлектрической синхронной машины
— плотность тока в данном случае можно определить, разделив произведение А1 на электромагнитную нагрузку А: J=AJ/A=189■109/27■ 103 = 7106А/м2.
Для имитации переменного тока в обмотках статора задаем плотность тока в фазах: J(А + ) = 7■106А/м2; J(А-)=-7■106А/м2■ В фазах В и С, в соответствии с трехфазной синусоидой, уменьшаем плотность тока на половину и меняем направления токов:
^В + )=- 3,5- 106А/м2; ^В-) = 3,5-106А/м2; ^С + )=-3,5406А/м2; J(С-) = 3,5■106А/м2■ Поскольку в данном исследовании интерес представляет картина поля внутри машины, границей расчета выбираем внешний контур машиньь Определяем для этого контура магнитный потенциал равным нулю, в ходе расчета поле за пределы машины не выходит
После построения сетки конечных элементов программа приступает к расчету созданной модели Результаты расчета представлены в виде цветной картины поля с силовыми линиями и векторами напряженности магнитного поля (рис 5)
Картина поля симметричная, а значит, грубых ошибок при проектировании допущено не было^ По полученной картине можно определить распределение индукции по объему исследуемой машины, увидеть векторы и силовые линии поля, определить задействованные и незадействованные части маг-нитопроводов ротора и статора^
При исследовании синхронной электрической машины интерес представляют распределение индукции в воздушном зазоре и гармонический анализ нормальной компоненты магнитной индукции
Для определения индукции в воздушном зазоре был проведен контур, охватывающий два полюсных деления^ График индукции через этот контур представлен на рис 6^
На графике наблюдаем негладкую синусоидальную кривую^ Форма кривой обусловлена конструкцией статора, а именно наличием зубцов и пазов^ Максимумам индукции соответствуют зубцы статора, а минимумам — пазы статора^ Переходу графика через ось абсцисс соответствует смена полюсного де-ления^ На рис 6 также представлена аппроксимация
Рис. 6. Распределение нормальной компоненты индукции в воздушном зазоре в пределах двух полюсных делений
Гармоника 0: 0.00093411 Амплитуды {Индукция N) 1.5859 о
Гармоники
№ Амплитуда. Тл Фаза. Град
0 0.00093411 0.0
1 1.5859 -178.9
2 0.013278 3.6
3 0.10488 -176.7
4 0.001795 -178.2
5 0.35968 -174.4
6 0.029077 5.6
7 0.20329 7.4
8 0.0045094 -156.5
9 0.048117 -169.3
10 0.00093318 -45.2
11 0.10684 -167.4
12 0.025871 7.8
13 0.12163 13.9
14 0.0023015 -125.0
15 0.004448 5.8
16 0.00088625 -24.0
17 0.016161 -160.8
18 0.01028 8.7
19 0.040586 20.1
20 0.00098924 -62.4
Рис. 7. Гармонический анализ нормальной компоненты магнитной индукции в воздушном зазоре в пределах двух полюсных делений
графика распределения индукции гармоникой 1-го порядка, имеющей наибольшую амплитуду.
Для оценки гармонического состава нормальной компоненты магнитной индукции воспользуемся встроенным в БЬСиТ гармоническим анализатором. Результаты анализа представлены графически и численно (рис. 7). График амплитуд гармоник показывает, что имеют место гармоники нечетного порядка, среди которых первая гармоника имеет наибольшее значение.
Заключение. В ходе проведенного исследования была построена геометрическая модель магнитоэлектрической синхронной машины переменного тока в среде БЬСиТ. Симметрия картины поля позволяет сделать вывод, что построение модели осуществлено верно. Негладкая синусоидальная форма полученного графика распределения магнитной индукции в воздушном зазоре свидетельствует о нали-
чии зубцовых колебаний магнитной индукции. Также был проведен гармонический анализ нормальной компоненты магнитной индукции с получением графических результатов и численных значений амплитуды и фазы гармоник до 20-й включительно и проведена аппроксимация кривой распределения магнитной индукции гармоникой первого порядка, имеющей максимальную амплитуду. Наиболее существенными являются 5-я и 7-я гармоники, составляющие соответственно 22,7 % и 12,8 % от первой гармоники. Полученные результаты соответствуют теоретическим представлениям о процессах, протекающих в магнитных системах синхронных машин. В соответствии с результатами исследования представлена методика получения карты поля магнитной системы и проведения гармонического анализа нормальной компоненты магнитной индукции в воздушном зазоре синхронной машины.
Библиографический список
1. Ильинский, Н. Ф. Электропривод: энерго- и ресурсосбережение : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Н. Ф. Ильинский, В. В. Москаленко. — М. : Академия, 2008. — 208 с.
2. Гребеников, В. В. Анализ характеристик вентильных электродвигателей с зубцово-пазовой и явнополюсной конфигурацией статора / В. В. Гребеников, М. В. Прыймак. — Режим доступа : http://www.nbuv.gov.ua/old_jrn/natural/Vsntu/ mechan/2012_132/2012_132/132_38.pdf (дата обращения: 10.09.2016).
3. Татевосян, А. А. Моделирование магнитного поля синхронного генератора с постоянными магнитами / А. А. Татевосян, В. С. Мищенко. — Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2016. — № 4 (148). —
С. 90-93.
4. Зубков, Ю. В. Идентификация параметров синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов методом численного моделирования магнитного поля / Ю. В. Зубков, Э. Г. Чеботков // Вестник Самарского гос. техн. ун-та. — 2015. — №. 3. — С. 136—141.
5. Руководство пользователя ЕЬСиТ. — СПб. : ПК ТОР, 2016. — 292 с.
6. Гребеников, В. В. Электрогенераторы с постоянными магнитами для ветроустановок и микро-ГЭС / В. В. Гребени-ков // Пдроенергетика Украши. — 2011. — № 1. — С. 43 — 48.
7. Проектирование электрических машин : учеб. для вузов / И. П. Копылов [и др.]. — М. : Юрайт, 2011. — 767 с.
ЛЫСЕНКО Олег Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры электрической техники.
Адрес для переписки: deolas@mail.ru СИМАКОВ Александр Владимирович, магистрант гр. ЭЭм-162 факультета элитного образования и магистратуры.
Адрес для переписки: a_v_simakov@rambler.ru
Статья поступила в редакцию 11.10.2016 г. © О. А. Лысенко, А. В. Симаков
УДК 621.318.3
А. С. ТАТЕВОСЯН А. В. РАДЧЕНКО
Омский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ
НЕСТАЦИОНАРНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТА С РАСЩЕПЛЕННЫМИ ПОЛЮСАМИ И ПОЛЮСНЫМИ НАКОНЕЧНИКАМИ В ПАКЕТЕ ЕЮУТ
В статье проводится исследование нестационарного магнитного поля при подключении обмотки электромагнита (ЭМ) с расщепленными полюсами и полюсными н аконечни-ками к источнику постоянного напряжения с целью исследования переходного процесса в цепи при з аданной геометрии м агнитной системы ЭМ, физических с в ойств используемых м а териалов, обмоточных данных и влияния вихревых токов в неших-тованных стальных м агнитопроводах. Специфические особенности конструкции таких ЭМ св язаны с их использованием в качестве подвесных электромагнитных сепараторов, предназначенных для извлечения ферромагнитных предметов из сыпучих ма териалов, транспортируемых ленточными конвейерами. Необходимость исследования переходного процесса в цепи обмотки ЭМ с вязана с определением е го динамических характеристик как сложного объекта управления.
Ключевые слова: электромагнит постоянного тока, межполюсный зазор, полюсные наконечники, расщепленные полюса, нестационарное магнитное поле, пондеро-моторные силы.
Широкое применение на практике во многих отраслях промышленности получили подвесные электромагнитные железоотделители (ЭЖ) постоянного тока, для конструкции которых характерно применение электромагнитов (ЭМ) постоянного тока с наборными полюсами и полюсными наконечниками, отличающиеся от обычных электрических аппаратов автоматики отсутствием подвижного элемента — якоря и предназначенные для извлечения
ферромагнитных предметов из различных сыпучих материалов, транспортируемых ленточными конвейерами. В таких ЭМ значительные пондеромоторные силы, действующие на ферромагнитные предметы, возникают вследствие резкой неоднородности магнитного поля в межполюсном зазоре, затухающего по мере удаления исследуемой точки от плоскости полюсных наконечников по закону, который отличается от экспоненциального [1].
