CC BY
324
УДК 621.313
А. А. ТАТЕВОСЯН В. С. МИЩЕНКО
Омский государственный технический университет
МОДЕЛИРОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ
В статье описывается подход к моделированию магнитного поля синхронных генераторов с постоянными магнитами. Высокий интерес в малой энергетике построения автономных источников питания делает актуальными задачи проектирования энергоэффективных конструкций синхронных магнитоэлектрических генераторов, в которых центральное место занимают исследование магнитного поля и определение оптимального закона изменения индукции в рабочем зазоре с последующим расчетом индуктированной электродвижущей силы (ЭДС) в фазных обмотках генератора. Технологическая сложность сборки синхронных генераторов с высококоэрцитивными постоянными магнитами, обусловленная значительными силами притяжения между конструктивными элементами якоря и индуктора, требует изготовления дополнительной оснастки и принятия мер безопасности персонала при проведении сборочных работ. В приведенной статье проведено исследование магнитного поля синхронного генератора с постоянными магнитами с использованием метода конечно-элементного анализа в комплексах программ ELCUT 6.0 и ANSYS Maxwell и предложена методика расчета индуктированной ЭДС в фазных обмотках синхронного генератора. Результаты расчета ЭДС фазных обмоток синхронного генератора сопоставлены с экспериментальными данными, полученными на лабораторном стенде.
Ключевые слова: магнитоэлектрическая машина, электродвижущая сила фазной обмотки синхронного генератора, конечно-элементный анализ магнитного поля.
Широкое применение магнитоэлектрических машин во многих отраслях промышленности связано с появлением на рынке доступных постоянных магнитов на основе неодимовых сплавов, обладающих большой коэрцитивной силой — более 800 кА/м и остаточной индукцией 0,8—1,4 Тл. В малой 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 решений аксиального типа является разработка электрогенераторов на базе асинхронных электрических машин, у которых короткозамкнутый ротор заменен на индуктор, имеющий в своем составе постоянные магниты. Применение таких генераторов исключает использование редуктора в кинематической схеме комплекса, что позволяет уменьшить массо-габаритные показатели устройства, повысить его надежность и коэффициент полезного действия. Благодаря конструктивным особенностям асинхронной машины, таким как трехфазная обмотка статора, шихтованный магнитопровод и малый рабочий зазор, после замены короткозамкнутого ротора на индуктор с постоянными магнитами приведенное техническое решение обладает высокой технологичностью сборки, причем мощность синхронного генератора
зависит от магнитной индукции в рабочем зазоре в квадратичной степени [1—3].
Рассмотрим конструкцию бесколлекторного магнитоэлектрического генератора, представленного на рис. 1а. Синхронный генератор имеет индуктор 1 с постоянными магнитами 2 и якорь 3, представляющий собой магнитопровод с пазами 4, в которых размещена трехфазная обмотка 5. Индуктор от якоря отделен воздушным зазором 5 и представляет собой немагнитный цилиндр с расположенными на нем постоянными магнитами, намагниченными в осевом направлении. Число полюсов p индуктора принято равным числу полюсов магнитного поля трехфазной обмотки с током якоря [4].
Результаты расчета плоскопараллельной модели магнитного поля синхронного генератора с постоянными магнитами при отсутствии тока в обмотке якоря (режим холостого хода генератора) в комплексе программ ELCUT 6.0 (магнитостатическая задача) представлены на рис. 1б.
Для моделирования результирующего магнитного поля под нагрузкой необходимо задать скорость вращения индуктора и характер нагрузки. Результаты моделирования результирующей картины магнитного поля с учетом реакции якоря в среде ANSYS Maxwell представлены на рис. 2.
Аналитический расчет индуктированной ЭДС в фазной обмотке генератора по разработанной методике [5] показывает, что мгновенное значение ЭДС в витке будет
Рис. 1. Конструкция синхронного генератора (а) и картина магнитного поля генератора в режиме холостого хода в комплексе программ ELCUT 6.0 (б)
• г*МИ - МтпИЭООиДО - МоМг
>: ир.с1к!1»1ес >: & 5ов<ь я а У1«{1 $ СоапКплИ
И &
0Г1»51н1
1- 7764*« 1.65№е«№0
Рис. 2. Распределение вектора магнитнойиндукции втрехмерной модели магнитной системы синхронного генератораспостоянными магнитами
К
2 „ ^ 32 32 „ 2
, . — < В < — , _< В < — , соответственно,
(1) 4 8 8 2
Расчет по полученВому выражению позволяет выявить форму вр еменной зависимости ЭДС фазной обмотки синхронного генератора.
Для расчета ампмтудного значения ЭДС фазной обмотки генератора используется следующее выражение:
Е = 4ку-Б Шй,
т тпх '
(2)
где Ш — число активных проводников в пазу; V — скорость вращен тя и ндукво ра, об/мин; к — число магнитов по длине ротора; й — диаметр магнита, м; Бтах — наибольшее зиасениеинвукции, Тл.
В зависимости от угла Р поворота индуктора можно определить зсачения переменной составляющей индуцированной ЭДС в витках фазвой обмотки якоря. При измевении угла Р значения
2 п 2 2 2
магнитной индукции бу2ут--< В < —, —< В <—,
8 8 8 4
П и ет(8В). Пв и П),81)81^) .
Пс1 и 0,8118311(8,0), Пс1 и -ет(8/?). (Н)
С учетом геометрического сдвига постояввых магнитов индуктора значения Б02 и В03 рассчитываются по (3) для начальных значений В и-12
н 172 72
и В и--соответственно.
72
Индуцированноезначение ЭДС в фазной обмотке якоря бесколлекторной магнитоэлектрической машины можно определить по формуле
Е=Ет (Б0+ Б02+Б03)■
(4)
На рис. 3 представлены результаты эксперимента опытного образца синхронного генератора с постоянными магнитами (а), аналитического
б
а
2
V
Рис. 3. Временные зависимости индуктированной ЭДС синхронного генератора с постоянными магнитами: а — осциллограмма напряжения фазной обмотки опытного образца синхронного генератора; б — результаты аналитического расчета ЭДС фазной обмотки синхронного генератора; в — временная диаграмма ЭДС фазной обмотки синхронного генератора, полученная на основе численного расчета трехмерной модели его магнитного поля в пакете ANSYS Maxwell
б
а
в
а б
Рис. 4. Электрическая схема (а) и внешний вид лабораторного стенда (б) по исследованию характеристик опытного образца синхронного генератора
расчета ЭДС фазной обмотки якоря (б) и результатов расчета, полученных при исследовании магнитного поля в программном комплексе ANSYS Maxwell (в).
На рис. 4 представлена электрическая схема лабораторного стенда для исследования характеристик опытного образца синхронного генератора с постоянными магнитами. Экспериментальная внешняя характеристика синхронного генератора при различной скорости вращения индуктора пред-
ставлена на рис. 5. Анализ полученных в ходе эксперимента данных позволяет определить оптимальный режим работы опытного образца синхронного генератора с постоянными магнитами (рис. 6).
Выводы.
1. Предложена конструкция синхронного генератора, защищенная патентом на полезную модель № 151437 от 10.04.2015.
2. Разработано и зарегистрировано в Фонде интеллектуальной и промышленной собственности
Рис. 5. Результаты экспериментального исследования внешней характеристики синхронного генератора с постоянными магнитами
Рис. 6. Область оптимального режима работы синхронного генератора под нагрузкой (заряд аккумуляторной батареи)
программное обеспечение по расчету индуктированной ЭДС в обмотке магнитоэлектрического генератора № 2015612665.
3. Создан опытный образец синхронного генератора на высококоэрцитивных постоянных магнитах из редкоземельного сплава ИСРеВ.
4. Разработаны лабораторный стенд и методика испытаний синхронного генератора в режимах холостого хода и под нагрузкой.
5. Получены экспериментальные характеристики синхронного генератора под нагрузкой и определены оптимальные условия его работы для обеспечения максимума полезной мощности.
6. Проведенные исследования позволили разработать методику расчета оптимальных конструкций синхронных генераторов полезной мощностью от 1 до 3 кВт.
Библиографический список
Волгоградского государственного технического университета : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. — Волгоград, 2011. — № 13 (86). — С. 79 — 80. — (Сер. Прогрессивные технологии в машиностроении. Вып. 7).
2. Корнеев, В. В. Проектирование синхронных машин с постоянными магнитами / В. В. Корнеев ; науч. рук. А. Г. Приступ // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика : ХХ Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов, Москва, 27 — 28 февр. 2014 г. : тез. докл. — М. : Издат. дом МЭИ, 2014. - Т. 2. - С. 137.
3. Кулешов, Е. В. Магнитоэлектрический синхронный генератор на базе асинхронной машины для автономной ветроэлектрической установки : автореф. ... канд. техн. наук / Кулешов Евгений Валериевич. — Владивосток : Изд-во ДВГТУ, 2001. — 20 с.
4. Пат. 151437 РФ, МПК Н 02 К 23/04. Магнитоэлектрическая машина / Татевосян А. А., Татевосян А. С. ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет». — № 2014134571 ; заявл. 22.08.2014 ; опубл. 04.03.2015.
5. Свидетельство № 2015612665 РФ. Расчет индуктированной электродвижущей силы (ЭДС) синхронного магнитоэлектрического генератора на базе асинхронной электрической машины : свидетельство об офиц. регистрации программы для ЭВМ / Татевосян А. А., Огорелков Б. И. ; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет». — № 2014663558 ; заявл. 25.12.2014 ; зарегистр. 24.02.2015. — 1 с.
ТАТЕВОСЯН Андрей Александрович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры электрической техники, декан Энергетического института.
Адрес для переписки: [email protected] МИЩЕНКО Владимир Сергеевич, магистрант гр. ЭЭм-152 факультета элитного образования и магистратуры.
Адрес для переписки: [email protected]
1. Кулагин, Р. Н. Анализ конструкций тихоходных генераторов с постоянными магнитами / Р. Н. Кулагин // Известия
Статья поступила в редакцию 20.04.2016 г. © А. А. Татевосян, В. С. Мищенко
