CC BY
29
удтс m m
МОДЕЛИРОВАНИЕ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ СИНХРОННОЙ MAI НИ1 OiJIhKI 1'ИЧЬСКОЙ МАШИНЫ
А. А_ Татсвосян
Омский государствамиыЛ тскничоский университет, з. Омск Россия
Лнногнашм - Рассматривается решение прикладной задачи разработка электрических машин, a miPHHfi ратряйптки п^гкпл.текторной спнтрпнной млгтттоэтектритегкои млшпны. ТТотрроногть r i.ifK-трическнх яашппи, возбуждение электромагнитного поля d которых происходит за счст использования
BblCUKUKUjpUllI ИВНЫх UULlUMHHbLX MJIHU1UB hpvhiohhu p;iCI«l, 41U UUM.1UB.1VUU сишнимм современных
постоянных магпнтоз па ociiodc исодпчовых сплавав (NdFcB), имеющих высокие энергетические харак i ер и ci и кн. Одини в i ьньр.и ирним режиме p.iuuibi p:icc.u:i 1рлв.<е.мый класс машин ииллд;»ei сшениси-ным недостатком, заключающимся в сильно выраженной реакинн якоря, что обусловливает нежесткий ллрлкхер внешней ¿лрнкл ертл лкн. Пельн» исс.кмиванпм нвлиенн p:up;i6uikn 11 миделиривпнпе и.инш-ноп системы магнитоэлектрической машины, позволяющей в генераторном режиме уменьшить реакцию ротора, повысить электродвижущую силу в обмотках п тем самым улучшить интегральные показатели млшпны r црлпл1. Рассмотрены подходы к npo^KTirpoRiHiim ^ta гнптпэлрктрпчре кпт мл тин г П-обртными шихтованными магнитопроводамн с возбуждением электромагнитного поля от постоянных маптптон рлгпотоА^нныт нл роторе млшпны. л также магнитоэлектрическую машину, пгпо1муи)1Ц}чо r качестве базовой конструкции магнитную систему трехфазной асинхронной машнпы.
Pejy.ibJHiou н.iv ЧН01 и исследовании ивлмел'м миле.шривдние м.11 ншнш и iiu.im .m.i 1 нл 1 uj.îeicipune-CKOH машнпы базовой конструкции магнитной системы в программном обеспечении Elcut 6.0 н Maxwell 16.0. Моделирование иьшатгни для определении мимен! :t Ljpai ивннин риюрл, a 1пкже инд\иириваыним электродвижущей силы в обмотке статора генератора. Кроме этого, важным результатом является рас-4Vi iiu.iit реакции Mat ни îuj.ieKi рическои машины ири заданной юкивой ншрхш. Pejv.ibia ibi исследования могут использоваться при проектировании магнитоэлектрических генераторов.
Ключеят? слала: магнитоэлектрическая млтпнл, постоянные мл г им ты. обмотка генерлторл, млгнпт-нсе поле.
Г ПМЗДРНИР
В связи с возросшим практическим интересом применения магнитоэлектрических титан во многих областям: промышленное—!, многими творчоашмн коллективами отечественного машиностроения уделяется большое внимание разработке х'апшн с постоянными магнитами [1,2]. Ключевыми особенностями магнитоэлектрической машшш является отсутствие потерь па возбуждение рабочего мапшгоого потока. высокие техпнко
МКПНПМНЧГГКИГ 1ЮК-ИН ItMIM ¡1и(кггм [1]
Существует несколько технических решении. определяющих базовую конструкцию магнитоэлектрической машины. оЬшим подходом хтя которых язлястся размещение постоянных магнитов на подвижной части фото-ре) и неподвижней части (статоре) с размещенными обмотками. В прелложенкой статье рассмотрим коиструк-
щпо магнитоэлектрической машины, статор которой образован несколькими секциями Li-оОразных шихтованных мапштопреводах с пезадиспмымн обмотками [i. 5].
На практике рассматриваемая конструкция магнитоэлектрической машины известна и представляет собой бесксллекторный синхронный генератор с постоянными магнитами. Генератор состоит ш одной ити нескольких ггкций, иижлин ич кешркх нклкшямршир нл кт:ц>ии г одиникокым шиши -unqiriiJirHd чпног ммичгс гко постоянных магнитов, статор, несутгий четное число подковообразных электромагнитоз. расположенных попарно нопротнз друг друга н имеющих по две катушка, устройство для выпрямления электрического тока, постоянные магшпы 1 закреплены таким образом, тге образуют до а параллельных ряда полюсов с продольно и поперечно чередующейся полярностью, электромагниты сориентированы поперек названных рядов полюсов так. что каждая из катушек электромагнита расположена нал одним из параллельных рядов полюсов ротора, количество полюсов в одном ряду, равное п.
ОгНСЖНММИ НГДСМ-ЦП'КПМИ ИЧКГЧ1НЫХ Гсскп.шгк горных 1ИН>]И»ННЫХ (ГНГрИТЩКЖ С ПОПТЖИНММИ МИ1НК1ИМИ
язлястся применение кр>тового магнитопрозодг. секции ротора, что повышает массу ротора и требует повышенной мощности подведенной к валу еннхренноге бссколлекторного генератора, применяемые в конструкции постояп:1ые магпнты прямоугольной формы снижают техиолопгпюсть исполнения, однако, при использовагши в конструкции бес коллекторного генератора постоянных магнитов, имеющих коэрцитивную силу больше 700 кАм, актуальным яьляется поиск технологичной конструкции магнитной системы, обеспечивающей при значи-телкных тяговых утилите фиксацию электромагнитов ня неподвижном статоре с вгз\го*ттогтт.то регулирования нишмиения электромагнитов с целыи изменение лежнилкд.hoi о ¿азоуа между нштковообразными мат ншеиро-водамн статора к закрепленными ва рсторе постоянных магнитов. Экспериментально было подтверждено, что возможно использовать постоянные магниты люоой оормы полюса, так кок определяющим фактором является только площадь полюса, расположенного лсд олектромагшпом. например, можно использооать круглую форму полюса постоянного магнита, что повышает технологичность не только исполнения постоянного магнита, но и сборки бесколлекторного синхронного генератора ~6. 7].
гт постановка задачи
Проблема создания различных магнитоэлектрических машин интенсивно изучается и в настоящее время имеется большое количестве исследований и патенгев поезященных этомувопросу |8|.
Накопленный опыт теоретических, экспериментальных н эксплуагапнонных исследований мягннтоэлсктрн-ческих машин показывает, что d пих существуют сложные электромагнитные процессы, расчет которых связал с необходимостью учета многих факторов: многообразие форм конструктивных исполнении магнитных систем, влияние вихревых токов и необходимость учета нелинейной характеристики намагничивания стали, а также рчггеяние магнитного пол* в воздушном зязоре Укачанные особенности обусловливают необходимость применения (..южною математическою аппарата для их расчета и делактг задачу щххллфиишш во мноюм исследовательской
hl теория
Рассмотрим в качестве одной из базовых конструкции бесколлекторный синхронный генератор. Бесколлек-торкый синхрснный генератор с постоянными магнитами состоит из одной или нескольких секций, каждая из
КОП'РМХ ККЛШЧЖГГ JXmJp, НИ К)Т«]М!М Г ОДИНИКПКЫМ II1/114)М :<2IK|iriUirH(l ЧПНОГ Н0.1ИЧСЧГГК0 IKMICIHHHWX МЛ1Н1Г1Ш
1. статор 2. несущий четное число подковообразных электромагнитов 3. расположенных попарно напротив друг друга н имеющих по лес катушки 4. устройство для выпрямления электрического тока, постоянные магниты I закреплены таким образом, но образуют доа параллельных ряда полюсов с продольно и поперечно чередую щейся полярностью, электромагниты сориентированы поперек названных рядов полюсов так. что каждая из хагушек э.лектромггнита расположена нал одним из параллельных рядов полюсов ротора, количество полюсов в одном ряду равнее п согласно предложенному техническому решению статор 7 выполнен из магнитопрово-длшеш или ш не мах ни хоирииоддша о материала, в котором выполнены лререзн 5 для установки в них подковообразных электромагнитов 3 (например. П-образных). электромагниты выполнены шихтованными н закреплены на стгторс при помощи скоб 6 и накладок 7 охватызающнх каждый электромагнит, скоба крепится к накладке.
Причем в том случае, если скоба и накладка выполнены металлическими с целью исключения кероткоза-мкнутого витка, между скобой и накладкой размещена неметаллическая 8, накладки в свою очередь крепятся на статор 2, количество полюсов в одном ряду, равное л. удовлетворяет соотношению: п=б+21с, где к - нелое число ттринимяюптее значения П. 1 \ и г д, количество эпектромягнитов в генера~оре как правило не менкпте (и+2). фирма полюса шкгшхншм с мш нитй 1 может быть дл>6ой. оиреде.тшошнм фактором яв.тяе1.сх ш.ошадь полюса под подковообразным магннтопроводом. например, для повышения технологичности, в предлагаемой конструкции форма полюса постоянного магнита выбрана круглей, постоянные магниты размещены в стаканах 9. снабженными крышками 10, которые закреплены с двух сторон стакана С. таким образом что они закрывают постоянный маплгг 1 внутри стакана 9. стаканы установлены в пазы 11 па еспоэаппн 11 из магпитопроводшде
Рис. 1. Знсттттгай бил бссколлскгорного синхронного генератора
го или немагннтоировсдящего материала, б том случае если основание 12 выполнено из немагнитопроводящего материала, то в пазах 11 между стаканом 9 н основанием 12 размещена металлическая пластина 16. ориентированная под полюсами подковообразного электромагшгта 3. стаканы 9 и основание 12 зафиксировало дисками 1.3, образующими вмсстс с установленными на основании 12 стаканами V. постоянными магнитами 1. плестн-намк 16 и крышками 10 одну секцию 14. располагаемую на валу 15 бссколлсЕторнсго генератора
Ph.- 7 Конструкция pninjM im миигкпртии магнитоэлектрического генератора
Кроме рассмотренной конструкции синхронного генератора, широкое распространение получила конструкция, выполненная па базе асинхреппон маппшы. На рис 3 представлена конструкция малштпои системы маг нитоалектрнчсской машины, выполненная на базе асинхронной машины.
Рнс 3. Конструкция предлагаемой магтлтгослекгртпеско]! машины
Г/ги нигоэ.1Скхримескдя машина содержи 1 корпус 1. стаюи 2. иусдо эдшшлшш собой матнитоировод с наза-мн > в которых размещена трехфазная обмотка 4, ротор 5 с тсс-ойкнк-ми магнитами причем ротор ) представляет собой цилиндр, внутреннюю часть которого изготавливают из ферромагнетика (например, сталь) 7, а внешнюю часть 8 рогора 5, содержащую псстоятгтг.те магшпы 6, изготавливают из пемагиитпогс материала (например, алюминия).
IV. результаты экспериментов Результатом экспериментов является численное значение распределения вектора магнитной индухнии в расчетной области моделировашгя. На рнс А. 5 предсталлепы карпшы магнитного поля для двух магнитных систем [9].
11ис. 4. РаЬочнк магнитный поток в магнитной снстсмс магннгсэлсхгрнчссЕого генератора
а)
б)
Рис. 5. Картина магнитного поля магннтоэлектрической машины (а) и временная диаграмма ЭДС фауной обмотки синхронного генератора (б)
На рис. 5 представлена картнип магнитного по.тя генератора на холостом ходу (а), а также временная диаграмма индуктированной ЭДС в обмотке магнитоэлектрической малины (Б).
V. Обсуждение результатов
Результаты моделирования подтверждают возможность размещения электромагнитов внутри прорезей маг-ннтопроводящего статора при отсутствии магнитного потока внутри статора, что позволяет делать маппгтопро-воядщнй статор цельным (т.е. не шихтованным), не оказывающим влияние на рабочий магнитный поток внутри шихтованных электромагнитов. Амплитудное значение индуцированного напряжения в одной фазе магнитоэлектрической машины составляет 55 В при 600 об/мин.
vi. выводы и заключение
Предложенная конструкция бесколлекторного синхронного генератора обеспечивает возможность регулирования положения электромагнитов с целью изменения межполюсного зазора между мапнитопроводами статора и закрепленными на роторе постоянных магнитов, а также улучшает технологичность сборки магнитной системы генератора в целом. Конструкция магнитоэлектрического генератора на базе магнитной системы асинхронной машины имеет высокую технологичность сборки при пониженном моменте страгивания Результаты исследования могут использоваться прн проектировании магнитоэлектрических генераторов.
список литературы
1. Bin Ma, Aizhi i>un, Zhenwen Lu, Cliuan Cheng, Chen Xu. Research on anisotropic bonded Nd—Fe-B magnets Ъу 2-step compaction process. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2016. Vol. 401. P. 802—805.
2. Giap V Duonga R_ Groessingera M. Sclioenharta D. Bueno-Basquesc The lock:-in technique for studying mag-lietoelectric effect If Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2007. Vol. 316, no 2. P. 390-393.
3. Rassudov L. N , Balkovoi A. P. Dynamic model exact tracking control of a permanent magnet synchronous motor И International Siberian Conference on Control and Communications. SIBCON 2015 — Proceedings, art. no 15287750 DOI: 10 1109/SEBCON.2015.7147187
4. Zaharova N. V. Improvement of magnetic system of the speed sensor in the devices of the impact parameters control. // International Siberian Conference on Control and Communications. SEBCON 2015 — Proceedings, art. no. 7147067 DOI: 10 1109/SEBCON.2015.7147067
5. Leixiang Bian, Yumei Wen, Ping Li, Qiuling Gao, Min Zheng. Magnetoelectric transducer with high quality factor for wireless power receiving H Sensors and Actuators A: Physical. 2009. Vol 150, no 2. P. 207—211.
6. Leonov S. V.. Schipkov A. A. Three-dimensional magnetic field calculation of end electric generator with permanent magnets // Modern Techniques and Technology, 2000. Mi l 2000. Proceedings of the VI International Scientific and Practical Conference of Students. 2000. P. 178-180
7. Tatevosyan A A., Tatevosyan A. S. Calculation of magnetic system of the magnetoelectric machines // Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines, Dynamics, 2014 - Proceedings, art no. 7005698.
8. Dolgih A. G., Martemyanov V M. Parameters of the torque motor tape winding // International Siberian Conference on Control and Communications. 2016
9. Tatevosyan A_ A., Tatevosyan A S. The study of magnetic characteristics of amorphous alloys at various frequencies and ranges of magnetic flux. // International Siberian. Conference on Control and Communications, SIBCON 2015 - Proceedurgs, art. No 7147236. DOI: 10.1109/SIBCON 2015.7147236
