CC BY
191
УДК 621.313:621.318:621.31 1
A.C. Адалев, С.А. Булгаков, A.C. Кибардин, В. Г. Кучи некий, В.Ф. Сой ки н
ВЫСОКООБОРОТНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ
При создании высокооборотной электрической машины основная проблема связана с обеспечением механической прочности ротора. Использование постоянных магнитов исключает наличие обмоток возбуждения на роторе, что дает возможность повысить механическую прочность ротора и увеличить его частоту вращения. Это позволяет исключить понижающий редуктор и подсоединить машину непосредственно к объекту — турбине (в случае генераторного режима работы) или нагнетателю (в случае двигательного режима работы). Исключение редуктора приводит к повышению КПД установки и снижению ее массогабаритных характеристик.
Применение высокооборотных генераторов в составе турбоагрегатов редуцирования энергии топливного газа — новое направление в развитии современных ГРЭС и ТЭЦ, позволяющее обеспечить электроэнергией основных потребителей собственных нужд станции.
Современные газоперекачивающие агрегаты с питанием от электросети используют высокооборотные двигатели. Так, например, можно отметить высокоскоростной электродвигатель типа ШНУ производства ООО «Сименс Электропривод» из состава электроприводного газоперекачивающего агрегата ЭГПА-6,3/8200-56/1,44-Р или асинхронный электродвигатель ДАРВ-6300-8200-УХЛ4 производства ООО «Электротяж-маш-Привод».
Необходимо отметить, что ввиду высокой частоты вращения рассматриваемых высокооборотных машин частота тока в их обмотках превышает частоту промышленной сети 50 (60) Гц. Поэтому для питания высокооборотных электродвигателей от промышленной сети или для подключения типовой нагрузки к высокооборотному генератору необходимо использовать полупроводниковый преобразователь. Существует ряд типовых схем преобразователей. Обсуждение достоинств конкретных схемных реализаций преобразователя не является предметом настоя-
щей статьи. Здесь на примере машины мощностью 5 МВт с частотой вращения 8000 об/мин рассматриваются основные, принципиальные решения, предлагаемые для высокооборотных машин с возбуждением от постоянных магнитов.
Основные технические решения, принятые при разработке высокооборотной машины
Минимальный объем машины достигается при реализации максимальной удельной тангенциальной силы, создающей вращающий момент. Предыдущие разработки машин с постоянными магнитами [ 1 ] показывают, что наиболее эффективна в этом смысле конфигурация магнитной системы двигателя с явнополюсными ротором и статором, с неравным числом полюсов. Однако наличие явнополюсного статора приводит к существенным пульсациям поля в роторе. Применение такой конфигурации в машине с высокой частотой вращения приведет к чрезмерным потерям в элементах ротора, в связи с чем выбрана традиционная магнитная система с распределенной обмоткой на статоре.
Основная проблема, связанная со спецификой работы высокооборотной машины, заключается в обеспечении механической прочности ротора, что достигается за счет ограничения его внешнего диаметра и применения специальной конструкции крепления его элементов. Поскольку электромагнитные характеристики машины существенно зависят от диаметра ротора, для каждого варианта конструкции проводился электромагнитный расчет.
В рамках многовариантного анализа конструкции высокооборотного ротора были рассмотрены три типа конструкции: радиальная, коллекторная и комбинированная. В роторе радиального типа (рис. 1) магниты, намагниченные радиально, расположены на поверхности ферромагнитного сплошного цилиндра-вала и удерживаются бандажом толщиной 10— 15 мм
а)
\
Магнит
Рис. 1. Поперечное сечение роторов разных типов: а) радиального, б) коллекторного, в) комбинированного
из прочной стали. Ротор коллекторного типа содержит тангенциально намагниченные магниты, расположенные между ферромагнитными полюсами. Комбинированная конструкция является сочетанием радиальной и коллекторной конструкций.
Для принятого диаметра ротора радиальный размер активной зоны ротора (высота магнитов и полюсов) конструктивно ограничен механической прочностью (толщиной) несущего цилиндра, удерживающего полюса и магниты. В коллекторной и комбинированной конструкциях, где радиальная высота магнита определяет степень концентрации магнитного потока, ограничение радиального размера активной зоны ротора не позволяет снизить число полюсов ниже определенного уровня без существенного снижения индукции поля возбуждения. В то же время снижение числа полюсов целесообразно с точки зрения снижения рабочей частоты и потерь в магнитопрово-де. Указанные выше конструкции были проанализированы при числе полюсов ротора 4, 6,8,10.
Как показали проведенные расчеты, наилучшими электромагнитными и прочностными характеристиками обладает ротор коллекторной конструкции с восемью полюсами и внешним диаметром 400 мм. Именно этот вариант ротора и принят за основу. Применение данного ротора позволило получить удельную электромагнитную силу 30 кН/м2 при линейной токовой нагрузке 52,5 кА/м (среднее значение по расточке статора). Конструкция высокооборотного ротора, предлагаемая в настоящей статье, — уникальная разработка, успешно прошедшая патентную экспертизу [2].
Проведенный механический расчет в наиболее напряженном режиме (испытание на угон при 9600 об/мин) подтвердил прочность элементов ротора с требуемым коэффициентом запаса по напряжениям 1,2 при использовании прочной немагнитной стали с пределом текучести 750 МПа. Коэффициент запаса по напряжениям в номинальном режиме составляет не менее 1,6. Динамический расчет показал, что номинальная частота лежит между первой и второй критическими частотами вращения ротора и отстроена от них более чем на 20 %.
Одна из основных проблем для высокооборотных машин — повышенные потери в роторе от зубцовой пульсации поля. Для снижения таковых применяется паз статора, полностью закрытый ферромагнитным шунтом толщиной несколько миллиметров (рис. 2). Наличие такого шунта в совокупности с наконечником полюса ротора, выполненным из шихтованной стали толщиной 0,35 мм и значительным воздушным зазором (5 мм), позволяет добиться малых электромагнитных потерь в роторе (на уровне 1— 2 кВт), в то время как при выполнении пазов статора открытыми потери в роторе возрастают на порядок.
Введение сплошного шунта, скрепляющего между собой зубцы магнитопровода статора, позволяет выполнить спинку статора в виде отдельного шихтованного цилиндра с тангенциальным направлением проката листов анизотропной электротехнической стали 3408. Последнее почти в два раза снижает тепловыделения в спинке, так как основная доля магнитного потока направлена вдоль проката, т. е. в направлении
Внешний магнитопровод
од
Клин
Корпусния изоляция
г
кагушкм
Трубка охчадителя
Рис. 2. Фрагмент статора с закрытыми пазами и отдельной спинкой
минимальных удельных потерь. Основные источники тепловыделений из-за потерь мощности, кВт, в элементах машины следующие:
в спинке статора.........................................30,2
в зубцах статора..........................................27,2
в шунте статора...........................................13,4
в нажимных плитах статора.........................4,0
в полюсах ротора...........................................~ 0
в наконечниках полюсов ротора.............. 0,97
в магнитах................................................... 0,24
на трение ротора о воздух.......................«25,0
в подшипниках..........................................«5,0
в обмотке статора при 115 "С.....................18,5
суммарные.................................................124,5
КПД, о. е...................................................0,976
Ввиду значительных удельных тепловыделений в шунте и обмотке статора, а также значительного теплового потока со стороны ротора, связанного с трением его о воздух, требуется размещать охладители в пазах как можно ближе к шунту. Как показал электромагнитный расчет, амплитуда вариации поля в этой зоне и частота ее вариации (533 Гц) обусловливает повышенные потери при использовании для охлаждения трубок из нержавеющей стали. Поэтому в данном проекте применены трубки из неэлектропроводящего эластичного материала. Трубки в ходе изготовления обмотки бандажируются непосредственно к каждой секции для обеспечения хоро-
шего теплового контакта и необходимой механической прочности.
Как показал проведенный тепловой расчет, при толщине стенки трубки не более 1 мм величина удельной теплопроводности материала трубки должна быть не ниже 0,2 Вт/м/К (желательно 0,4 Вт/м/К), чтобы обеспечить температуру обмотки, допустимую для изоляции класса Т7. Поданным производителей указанную теплопроводность могут обеспечить трубки из силикона. На текущем этапе исследований проводятся макетирование рассматриваемой зоны и испытания. На образцах трубки уже получены значения теплопроводности на уровне 0,33 Вт/м/К.
По изложенным выше причинам (повышенные тепловыделения от вихревых токов в массивных проводящих материалах) катушки обмотки выполняются из лицендрированного проводника (марки ЛЭНП) с диаметром элементарной изолированной проволоки 0,4—0,5 мм.
По результатам конструкторской проработки выбранной геометрии были проведены электромагнитный, механический и теплогидравличе-ский расчеты машины, подтвердившие правильность выбранных технических решений.
Описание конструкции
Конструктивно машина имеет следующие узлы (рис. 3,4): корпус; два торцевых щита; статор; ротор; два подшипниковых узла; система водяного охлаждения; система обеспечения про-
Катушка Статор Ротор Охладитель воздуха
Коробка выводов Подшшшнк
Абсолютный энкодер
Корпус.
Подшшшнк
Рис. 3. Продольное сечение машины
воздуха
Охладитель
Проводники обмотки
Внугреннин магнитонровод
Бандаж
Внешний
Шпонка
Ротор Статор
Кейс
Бочка
ротора
800 1176
Рис. 4. Поперечное сечение машины
дувки и поддержания воздуха внутри оболочки генератора под избыточным давлением (для реализации взрывозащиты типа «р»).
Статор состоит из внешнего магнитопровода, внутреннего магнитопровода, обмотки статора, элементов крепления статора, системы охлаждения статора.
Внешний магнитопровод состоит из набора шихтованного лакированного электротехнического железа (марка 3408; 0,35 мм) и представляет два полуцилиндра, скрепленных между собой болтовыми соединениями в зонах нажимных фланцев. Для снижения тепловыделений листы наружного магнитопровода штампуются и укладываются таким образом, чтобы направление проката совпало с окружным направлением магнитопровода. Для обеспечения возможности передачи момента внутренняя поверхность внешнего магнитопровода имеет форму многогранника (см. рис. 2).
Внутренний магнитопровод также состоит из листов электротехнической стали 3408 толщиной 0,35 мм с прокатом в радиальном направлении. Со стороны рабочего воздушного зазора пазы во внутреннем магнитопроводе выполнены закрытыми для снижения зубцовых пульсаций поля в воздушном зазоре и, соответственно, потерь в роторе. Обмотка в пазы укладывается со стороны внешней поверхности внутреннего магнитопровода. На внешней поверхности внутреннего магнитопровода нанесен бандаж толщиной 0,5 мм (см. рис. 2) из стеклянной ленты для исключения замыкания листов стали при установке внешнего магнитопровода. Для снижения зубцовых пульсаций момента пазы (48 пазов) выполнены скошенными вдоль аксиальной длины на одно пазовое деление.
Обмотка статора — двухслойная, состоит из 48-ми одновитковых катушек, имеющих «форму лягушки» (волновая обмотка); она уложена в пазы внутреннего магнитопровода. Катушка выполнена из транспонированного проводника марки ЛЭНП, у которого элементарные проволоки покрыты электроизоляционным лаком. Для удобства форм ирования лобовых зон проводи и к витка выполнен из двух проводников по высоте.
Для обеспечения эффективного охлаждения вдоль верхней и нижней грани проводника катушки установлены трубки охлаждения, выполненные из неэлекгропроводящего теплостойкого материала. Таким образом, система охлаждения всей
зубцово-пазовой зоны состоит из 48 трубок (по числу катушек). Пара трубок близлежащих катушек соединена последовательно, образуя единую ветвь, вход и выход которой подсоединены соответственно к входному и выходному коллекторам системы охлаждения.
Основным несущим элементом ротора двигателя служит бочка ротора, которая состоит из набора дисков, установленных на вал (рис. 5). Диск толщиной 10 мм представляет собой кольцо с пазами, выполненное из высокопрочной неферромагнитной стали, по окружности которого установлены полюсные пластины, сделанные из прочной ферромагнитной стали. Полюсные пластины закреплены на кольце с помощью хвостовиков в виде «ласточкиного хвоста» и сварены в зоне хвостовика с кольцом по контуру сопряжения.
В осевом направлении диски бочки ротора стянуты шпильками. Для осевой фиксации магнитной структуры ротора по краям бочки установлены нажимные диски, выполненные из неферромагнитной стали. Диски установлены на вал ротора по прессовой посадке. Возможен вариант совмещения прессовой посадки бочки ротора на вал с фиксацией бочки от проворота со шпоночным соединением.
На полюсных пластинах при прессовой посадке установлены наконечники, выполненные из шихтованного электротехнического железа (сталь 2412; толщина листа 0,35 мм).
В трапецеидальные пазы бочки ротора установлены кейсы с постоянными магнитами. Каждый кейс состоит из магнита, склеенного в аксиальном направлении из блоков постоянных магнитовтрапециидальной формы (намагниченных тангенциально), и корпуса кейса, выполненного из стеклотекстолитовых элементов.
В качестве основных подшипников предполагается использовать магнитные подшипники фирмы S2M (Société de Mecanique Magnetique, France — входит в компанию SKF). В комплекте поставки: 2 радиальных подшипника, 1 упорный подшипник, стойка управления (380/220 В, ~ 1 кВт, расстояние до 50-100 м) с источником бесперебойного питания (батарея на 15 мин работы). Кроме основных, в генераторе должны быть установлены вспомогательные шарикоподшипники, которые служат для его безаварийной остановки при отключении магнитных подшипников.
Наконечник полюса
11олюе
(ферромагнитный материал)
Шпилька
Бандаж (0,5 мм)
Кольцо
Рис. 5. Элементы ротора
Охлаждение машины — комбинированное, воздушно-водяное. Воздушное охлаждение осуществляется принудительной циркуляцией воздуха по замкнутому циклу. Подача воды в систему водяного охлаждения осуществляется от внешнего источника. В систему водяного охлаждения машины входят входной и выходной коллекторы, теплообменник вода — воздух (расположен на внешней поверхности прочного цилиндра корпуса статора), а также охладители катушек.
Система заполнения оболочки машины воздухом под избыточным давлением включает в себя фланец, расположенный в нижней части и предназначенный для подачи воздуха от внешнего вентиляционного агрегата (обеспечивается потребителем), а также электромагнитный клапан продувки, расположенный в верхней части генератора, предназначенный для поддержания избыточного давления в процессе работы и сброса воздуха при превышении допустимого значения избыточного давления.
Применение высокооборотной машины
Основные параметры машины следующие:
Номинальная мощность, кВт......................... 5380
Номинальная частота вращения, об/мин..... 8000
КПД в номинальном режиме не менее..........0,97
Номинальное линейное напряжение
(действующее значение), В.......................... 2200
Номинальный ток фазы
(действующее значение), А............................870
Форма тока..................................трапециидальная
Номинальная частота
основной гармоники тока, Гц..................... 533,3
Число фаз.......................................................2хЗ(У)
Число полюсов........................................................8
Расход охлаждающей воды,
не менее, м'/ч.................................................... 15
Класс изоляции......................................................У7
Габаритные размеры
х х х х Масса, т...................................................................6
Использование машины в качестве приводного двигателя газоперекачивающего агрегата.
Сравнение массо-габаритных показателей разработанной машины с высокооборотными асинхронными электродвигателями аналогичной мощности и частоты вращения показывает, что он примерно в два раза легче двигателя ДАРВ-6300-8200-УХЛ4 (12,5 т, продукт ООО «Элект-ротяжмаш-Привод») и на 60 % легче двигателя типа НБНУ (14,7 т, продукт ООО «Сименс-Электропривод»), а также существенно меньше их по занимаемому объему (рис. 6).
а)
Двигатель «Siemens»
Машина ОАО «НПО «Русский Электропривод)
б)
Наименование Размеры Масса,
А В С т
(ширина) (длина) (высота)
Двигатель «Siemens» 2 400 3 000 1600 14,0
Двигатель ОАО «НПО «Русский Электропривод» 1200 2 300 1200 6
Рис. 6. Сравнение массогабаритных характеристик представленной машины
Комммутатор
Фильтр
1
т Инвентор
К нагрузке (~ ток, 50 Гц)
Рис. 7. Упрощенная принципиальная схема генераторной установки
Использование машины в качестве генерато- Необходимость использования искусственной
ра. Для использования машины в качестве гене- коммутации вентилей связана с компенсацией
ратора необходимо иметь систему преобразова- реактивной мощности генератора и увеличения
ния, адаптирующую выходные характеристики выходной мощности до уровня 5 М Вт (в режиме
генератора под требования, предъявляемые к элек- естественной коммутации максимальная мощ-
тросетям. В таком случае в состав генераторной ность, отдаваемая генератором, составляет око-
установки будут входить: шестифазный генера- ло 3,7 МВт).
тор с возбуждением от постоянных магнитов; си- Система управления, входящая в состав система преобразования; система управления. стемы преобразования, обеспечивает стабилиза-Параметры генераторной установки: цию выходного напряжения на заданном уров-
Номинальная мощность, кВт.........................5000 не' а также защитУ генератора и системы
Номинальное напряжение, В.........................3300 преобразования при нештатных режимах рабо-
Номинальный ток фазы ты оборудования комплекса.
(действующее значение), А............................870
Частота тока, Гц....................................................50 В статье представлена высокооборотная элек-
КПД в номинальном режиме..........не менее 0,93 трическая машина с возбуждением от постоян-
Упрощенная принципиальная схема генера- ных магнитов мощностью 5000 кВт и частотой
торной установки приведена нарис. 7. Как видно вращения 8000 об/мин. Примененные в ней пер-
из этой схемы, система питания состоит из двух спективные конструктивные решения позволи-
включенных последовательно каналов преобразо- ли обеспечить частоту вращения ротора на уров-
вания, каждый из которых подключен к соответ- не 8000 об/мин и получить удельные показатели
ствующим обмоткам генератора, соединенным машины, превосходящие существующие анало-
в трехфазную звезду. Наличие шести фаз генера- ги основе асинхронных и синхронных машин,
тора позволяет реализовать 12-типульсную схему Результаты проведенныхрасчетов подтвердили
выпрямления, что снижает пульсациютока нагруз- реализуемость данного проекта наоснове существу-
ки (улучшает качество выходной электроэнергии), ющихтехнологий. Однако применение ряда новых
Питание от генератора к нагрузке подается конструктивных решений в части обеспечения
через 12-типульсный управляемый выпрямитель прочности ротора и системы охлаждения статора
со звеном искусственной коммутации вентилей, требует предварительной отработки на макетах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Евразийский патент № 014511. Электриче- 2. Евразийский патент № 014510. Высокообо-
ская машина / ОАО «НПО «Русский Электропри- ротный ротор с постоянными магнитами / ОАО
вод»,— Приоритет от 07.04.2010 г. «НПО «Русский Электропривод»,— Приоритет от
22.03.2010 г.
УДК 631.43
Ю.В. Галышев, А.Ю. Шабанов, А.Б. Зайцев, А.А. Метелев
МЕТОДИКА УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИИ МОТОРНЫХ МАСЕЛ НА ИЗМЕНЕНИЕ ИХ СВОЙСТВ В ТЕЧЕНИЕ СРОКА ЭКСПЛУАТАЦИИ
Современные требования к смазочным материалам, выдвигаемые крупнейшими автопроизводителями и отраженные в системах допусков к применению масел, базируются на шести основных критериях — энергосбережении, за-
щите от износа, совместимости с системами подавления токсичности автомобиля, окислительной стабильности, уровне высоко- и низкотемпературных отложений. Практически все эти критерии связаны с ресурсными характеристи-
