CC BY
13Статья поступила в редакцию 24.03.14. Ред. рег. № 1956
The article has entered in publishing office 24.03.14. Ed. reg. No. 1956
УДК 62-111.1
МЕТОДИКА УСКОРЕННОГО РАСЧЕТА СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С АКСИАЛЬНЫМ МАГНИТНЫМ ПОТОКОМ
С.А. Ганджа, А. С. Мартьянов
Южно-Уральский Государственный Университет 454080 Челябинск, пр. Ленина, д. 76 Тел./факс: (351) 267-98-94, e-mail: martyanov_as@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 28.03.14 Заключение совета экспертов: 03.04.14 Принято к публикации: 08.04.14
Описывается методика оценочного расчета синхронных генераторов с осевым магнитным потоком и возбуждением от постоянных магнитов. Методика основана на использовании номограмм по выбору основных размеров, рассчитанных с применением специальных программ, разработанных на кафедре электромеханики и электромеханических систем ЮУр-ГУ. Зависимыми переменными, однозначно определяющими геометрию модели, являются: наружный диаметр, внутренний диаметр, высота активного слоя, высота магнита, число пар полюсов. Остальные размеры являются зависимыми от основных размеров или определяются технологией изготовления. Разработанная методика расчета позволяет проводить оперативную оценку конструкций, что уменьшает время разработки изделия.
Ключевые слова: синхронные электрические машины с осевым магнитным потоком, возбуждение от постоянных магнитов, методика расчета, инженерная методика.
METHOD OF ACCELERATED CALCULATION OF AXIAL MAGNETIC FLUX SYNCHRONOUS GENERATORS
S.A. Gandja, A.S. Martyanov
South Ural State University 76 Lenin ave., Chelyabinsk, 454080, Russia Tel.: +7 (351) 267-98-94, e-mail: martyanov_as@mail.ru
Referred: 28.03.14 Expertise: 03.04.14 Accepted: 08.04.14
The article describes a method for estimation of axial flux permanent magnet synchronous generators with segment magnets and trapezoid coils based on charts calculated with special program developed at the Department of Electromechanics and Electromechanical systems of South Ural State University. Variables describing the dimensions of motor are outer and inner diameters, height of coils and magnets, number of pole pairs. Other parameters depend on the main parameters or to be determined by fabrication technology. Developed method of estimation provides accelerated evaluation of axial motor design which decreases the development time.
Keywords: synchronous electrical machine with an axial flux, permanent magnet excitation, calculation methods, engineering methodology.
В настоящее время с развитием использования возобновляемых источников энергии все большее внимание уделяется преобразованию механической энергии движения в электрическую энергию. Примером такого преобразования является генерирование электрического тока в ветроэнергетических установках [1]. Одним из наиболее эффективных способов такого преобразования является использование синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов [2]. Следует отметить, что, несмотря на необходимость широкого внедрения электрических машин этого класса, научные исследования и инженерные работы отстают от требований практики. Предлагаемая методика расчета таких электрических
машин должна существенно облегчить выполнение оценочного расчета генератора и помочь в принятии решения на стадии проектирования оборудования электростанций малой и средней мощности [3-5].
В настоящее время разработан программный комплекс по проектированию различных конструкций электрических машин, который реализует многоуровневую оптимизацию, анализ магнитных и тепловых полей, построение твердотельных трехмерных моделей, анализ схемотехнических решений [6]. Разработанный комплекс является профессиональным конструкторским инструментом, который позволяет решать сложные производственные задачи для различных проектных ситуаций. Следует отметить, что
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (145) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
С А. Ганджа, А.С. Мартьянов. Методика ускоренного расчета синхронных генераторов с аксиальным магнитным потоком
для пользования пакетом требуется необходимый уровень базовой подготовки по проектированию электромеханических устройств, навыки работы с профессиональными пакетами по расчету магнитных и тепловых полей, по трехмерному твердотельному конструированию, по проектированию электронных систем. В то же время в инженерной практике часто возникает задача по оперативной предварительной оценке проектируемой конструкции. Необходимо в кратчайшие сроки оценить возможность выполнения технического задания и ожидаемые технико-экономические показатели. В этом случае разработчику удобно, с точки зрения экономии времени и трудозатрат, иметь упрощенную оценочную методику расчета. При этом методика должна обладать требуемой точностью расчета. Эту точность можно обеспечить, разработав рекомендации по выбору электромагнитных нагрузок и основных размеров электрической машины, используя результаты оптимизационных расчетов, полученных на базе разработанного программного комплекса оптимального проектирования электрических машин [7].
Ниже представлена оценочная методика проектирования синхронных генераторов с сегментными магнитами и трапецеидальными катушками [8]. Независимыми переменными, однозначно определяющими геометрию модели, являются: наружный диаметр, внутренний диаметр, высота активного слоя, высота магнита, число пар полюсов. Остальные размеры генератора являются зависимыми от основных размеров или определяются технологией изготовления.
1. Исходными данными для расчета являются: Рн - номинальная мощность, Вт; пн - номинальная частота вращения, об/мин; ин - номинальное фазное напряжение, В; соБф - коэффициент мощности; п -коэффициент полезного действия; т = 3 - число фаз.
Технологические и эксплуатационные данные: Вг - остаточная индукция постоянного магнита, 1,11,25 Тл; Нс - коэрцитивная сила постоянного магнита, 840000-900000 А/м; кс - коэффициент рассеяния магнитной системы, 1,15-1,25; к^ - коэффициент насыщения магнитной системы, 1,1-1,2; 8 - воздушный зазор, 1,0-1,5 мм; кь - коэффициент ЭДС, кь = = 1,05-1,25.
Для расчета номограмм использовался высший уровень оптимизации - габаритная оптимизация по критерию минимальной массы активных материалов. Номограммы рассчитывались для указанных выше условий проектирования для трехфазной системы и 120-градусной коммутации при рабочей температуре якорной обмотки 100 °С и плотности тока в якорной обмотке 5 А/мм2. Расчеты показали, что высота активного слоя и высота магнита для вышеназванных условий меняются в очень узких пределах. Это позволяет для инженерной методики считать их фиксированными и не включать в номограммы.
2. Определение номинального фазного тока:
1 н = Рн/(тин ф) .
3. Определение номинального момента: Мн = 30РН/(пп).
4. Определение по номограммам (рис. 1 и рис. 2) основных геометрических размеров (наружного диаметра Бн, внутреннего диаметра Бвн) и числа пар полюсов.
Диаметр, м 0,6
0,4
0,2
......
— ....
йдиаметр ний диаметр
........наружнь -Внутреш I
100
200
Крутящий момент, Им
Рис. 1. Номограмма выбора основных размеров Fig. 1. Inner and outer diameters according to nominal torque
Рис. 2. Номограмма выбора числа пар полюсов Fig. 2. Number of pole pairs according to nominal torque
5. Высоту активного слоя выбираем из диапазона: На = 0,0095-0,011.
6. Высоту постоянного магнита выбираем из диапазона: Нт = 0,01-0,01.1
7. Определение частоты ЭДС: / = рп/60, где р -число пар полюсов.
8. Определение индукции в воздушном зазоре:
В8=-'2^гНс—;-;—, где ц0 = 4п-10-7 -
8 2ктк^г +(28 + ка )к>0' *
магнитная проницаемость воздуха; = BJHc - магнитная проницаемость постоянного магнита.
9. Магнитный поток полюса, Вб:
ф8 =«8
п( D - АН)
4
В8, где коэффициент полюсного
перекрытия выбирается из диапазона = 0,85-0,92.
и к
10. Количество витков в фазе: Wf =-—— .
7 4кв/Ф,
11. Количество витков в секции: Wc = Wf /2р.
л£>с Иакзм
12. Сечение обмотки якоря, кв. м: qa = —ср а змср .
2mWr
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (145) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
Ветроэнергетика
13. Средняя длина витка фазной секции:
ч п(Б + 0,01) п(Б - 0,01) ср V н ^ 2 р 2 р
14. Активное сопротивление фазы, Ом: га =рtLрWf|qa , где рt удельное сопротивление обмотки якоря при рабочей температуре, Ом/м.
15. Электрические потери в обмотке якоря, Вт:
Рл = II га (т -1).
16. Потребляемая активная мощность, Вт: Р1 = т (ин + 1 аГ ) 1а 008 ф ;
17. Полезная мощность на валу, Вт: Р2 = Р - Рэл.
18. Коэффициент полезного действия: п = Р2/Р\. Если полученный КПД отличается от предварительно заданного более чем на 10%, необходимо уточнить этот параметр и повторить расчет с п. 2.
19. Масса активных частей, кг: меди: ММеДИ = 8900^qaWc 2рт;
постоянных магнитов: Ммаг = 7800&гагкт4р ;
маг маг т ± ~
^ак.мат -^^меди + ■М'маг + -^^диск-
дисков: МдисК = 7800АдисК п(Вн2 -Вв2н)/2 ;
активных материалов: Mак
20. Объем активных частей, куб. м: V =71^ - В2)(2h + 28 + к+ 2й)/4.
ак.мат \ н вн )\ диск а m)|
По результатам расчета необходимо уточнить коэффициент насыщения, коэффициент рассеяния, коэффициент ЭДС. Если они отличаются от предварительно выбранных значений более чем на 10%, то расчет необходимо повторить с уточненными значениями.
С помощью представленной методики было рассчитано семейство генераторов для ветроэнергетических установок ООО «ГРЦ-Вертикаль» [9], которые подтвердили правомерность предлагаемой методики. Стендовые испытания опытных образцов генераторов показали хорошую сходимость результатов расчета с тестовыми измерениями. Погрешности по ЭДС холостого хода не превысили 7%, а по номинальной мощности и номинальному напряжению при номинальной частоте вращения составили 5-8%.
Список литературы
1. Кирпичникова И.М., Мартьянов А.С., Соломин Е.В. Преобразование энергии в ветроэнергетических установках // Альтернативная энергетика и экология -ШАБЕ. 2010. № 1. С. 93-97.
2. Киндряшев А.Н., Мартьянов А.С., Соломин Е.В. Электрические машины ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения // Альтернативная энергетика и экология - ШАЕЕ. 2013. № 01/2 (118). С. 5962.
3. Соломин Е.В. Основы методологии разработки вертикально-осевых ветроэнергетических установок // Альтернативная энергетика и экология - 181АЕЕ. 2011. № 1. С. 18-28.
4. Пат. 2244996 РФ, МПК7 Н 02 К 19/16 1/06. Генератор переменного тока / С. А. Ганджа, Е.В. Соломин и др. № 2003124088/09; заявл. 31.07.2003 // опубл. 20.01.2005, Бюл. № 2.
5. Кирпичникова И.М., Мартьянов А.С., Соломин Е. В. Преобразование энергии в ветроэнергетических установках // Альтернативная энергетика и экология -ШАЕЕ. 2010. № 1. С. 93-97.
6. Копылов И.П. Электрические машины. 5-е изд. М.: Высш. шк., 2006.
7. Ганджа С. А. Оптимальное проектирование электроприводов на базе вентильных электрических машин с аксиальным зазором // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2009.- Вып. 12, № 34. С. 68-72.
8. Ганджа С. А. Анализ электромагнитной мощности для различных конструктивных исполнений вентильных машин с аксиальным потоком // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2010. Вып. 14, № 32. С. 64-69.
9. Соломин Е. В. Ветроэнергетические установки ГРЦ-Вертикаль // Альтернативная энергетика и экология - ШАЕЕ. 2010. № 1. С. 10-15.
References
1. Kirpicnikova I.M., Mart'anov A.S., Solomin E.V. Preobrazovanie energii v vetroenergeticeskih ustanovkah // Al'ternativnaa energetika i ekologia - ISJAEE. 2010. № 1. S. 93-97.
2. Kindrasev A.N., Mart'anov A.S., Solomin E.V. Elektriceskie masiny vetroenergeticeskih ustanovok s vertikal'noj os'U vrasenia // Al'ternativnaa energetika i ekologia - ISJAEE. 2013. № 01/2 (118). S. 59-62.
3. Solomin E.V. Osnovy metodologii razrabotki vertikal'no-osevyh vetroenergeticeskih ustanovok // Al'ternativnaa energetika i ekologia - ISJAEE. 2011. № 1. S. 18-28.
4. Pat. 2244996 RF, MPK7 N 02 K 19/16 1/06. Generator peremennogo toka / S.A. Gandza, E.V. Solomin i dr. № 2003124088/09; zaavl. 31.07.2003 // opubl. 20.01.2005, BUl. № 2.
5. Kirpicnikova I.M., Mart'anov A.S., Solomin E.V. Preobrazovanie energii v vetroenergeticeskih ustanovkah // Al'ternativnaa energetika i ekologia - ISJAEE. 2010. № 1. S. 93-97.
6. Kopylov I.P. Elektriceskie masiny. 5-e izd. M.: Vyss. sk., 2006.
7. Gandza S.A. Optimal'noe proektirovanie elektroprivodov na baze ventil'nyh elektriceskih masin s aksial'nym zazorom // Vestnik UUrGU. Seria «Energetika».
2009.- Vyp. 12, № 34. C. 68-72.
8. Gandza S.A. Analiz elektromagnitnoj mosnosti dla razlicnyh konstruktivnyh ispolnenij ventil'nyh masin s aksial'nym potokom // Vestnik UUrGU. Seria «Energetika».
2010. Vyp. 14, № 32. C. 64-69.
9. Solomin E.V. Vetroenergeticeskie ustanovki GRC-Vertikal' // Al'ternativnaa energetika i ekologia - ISJAEE. 2010. № 1. S. 10-15.
Транслитерация по ISO 9:1995
— TATA — (_XJ
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (145) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
