Научная статья на тему 'Моделирование магнитного поля синхронного генератора с постоянными магнитами'

Моделирование магнитного поля синхронного генератора с постоянными магнитами Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
1259
345
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА / ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА ФАЗНОЙ ОБМОТКИ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА / КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫЙ АНАЛИЗ МАГНИТНОГО ПОЛЯ / MAGNETOELECTRIC MACHINE / THE ELECTROMOTIVE FORCE OF THE SYNCHRONOUS GENERATOR PHASE WINDING / FINITE ELEMENT ANALYSIS OF THE MAGNETIC FIELD

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Татевосян Андрей Александрович, Мищенко Владимир Сергеевич

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Татевосян Андрей Александрович, Мищенко Владимир Сергеевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Simulation of magnetic field of synchronous generator with permanent magnets

The paper describes an approach to modeling the magnetic field of synchronous generators with permanent magnets. High interest in low-energy construction of independent power supply makes the actual task of designing energy-efficient designs of synchronous magnetoelectric generator. The central place is occupied by the study of the magnetic field and determining the optimum law inducing changes in the working gap with subsequent calculation of the induced electromotive force (EMF) in the phase windings of the generator. The technological complexity of assembly of synchronous generators with high-coercivity permanent magnets caused great attraction forces between the structural elements of the armature and the inductor, requires additional manufacturing equipment and making personnel security measures during the assembly work. In the above article, a study of the magnetic field of the synchronous generator with permanent magnets using the method of finite element analysis in Elcut 6.0 software complexes and ANSYS Maxwell, and proposed a method for calculating the induced voltage in the phase windings of the synchronous generator. The results of calculation of EMF phase windings of the synchronous generator are compared with experimental data obtained in the laboratory bench.

Текст научной работы на тему «Моделирование магнитного поля синхронного генератора с постоянными магнитами»

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: karo1@mail.ru МИЩЕНКО Владимир Сергеевич, магистрант гр. ЭЭм-152 факультета элитного образования и магистратуры.

Адрес для переписки: vladimir_mi@inbox.ru

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

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.