Методи і засади створення високошвидкісних безконтактних електричних машин з постійними магнітами

Abstract

Дисертаційна робота присвячена розв’язанню актуальної науково-технічної проблеми — розробці теоретично-прикладної бази для створення високошвидкісних безконтактних електричних машин зі збудженням від постійних магнітів (ВБПМ). Технічні об’єкти, що використовують електричні машини, які обертаються з частотою 20 ^ 200 тис. об/хв, — когенераційні енергоагрегати, турбодетандери, системи буферизації енергії, металообробні верстати та ін. — є предметом постійної уваги фахівців з цілого світу. Це переконливо підтверджує актуальність даної проблематики. Робота містить опис методів і алгоритмів, пов’язаних з визначенням розмірів та обмоткових даних, розрахунком електромагнітних навантажень, параметрів, статичних характеристик та оцінкою теплового стану таких машин. Oбґрунтовані рекомедації стосовно вибору конструкції ротора і обмотки статора, матеріалів з необхідними фізичними властивостями, типу підшипникових опор та способу їх змащування, системи охолодження. Для уточнення та перевірки проектних показників створено низку високоадекватних математичних моделей, складених на підставі рівнянь, що описують фізичні поля різної природи, й призначені для розрахунку додаткових втрат в обмотці статора та в полюсах індуктора, динамічних процесів у ВБПМ як елементі електромеханотронної системи, максимальних механічних напружень у роторі, критичних частот обертання і температурного поля. Таким чином, створений проектно-конструкторський комплекс дає змогу: проводити оцінку відповідності отриманих показників машини вимогам технічного завдання; виконувати підготовку вхідної інформації для подальшого використання у польових математичних моделях, скорочуючи час багатоваріантних, можливо оптимізаційних, розрахунків; виконувати уточнення проектних показників з урахуванням чинників, які здійснюють визначальний вплив на перебіг процесів у ВБПМ у їх взаємозв’язку; верифікувати результати ще на етапі прийняття проектних рішень. Розглянута сукупність науково обґрунтованих засобів інформаційно- обчислювальної підтримки процесу створення ВБПМ, за використання технології віртуальних цифрових прототипів, гарантує відповідність проекту вимогам технічного завдання й не потребуватиме виконання дороговартісних етапів виготовлення фізичних макетів та проведення їх експериментальних випробувань. Диссертация посвящена решению актуальной научно-технической проблемы — разработке теоретико-прикладной базы для создания высокоскоростных бесконтактных электрических машин с возбуждением от постоянных магнитов (ВБПМ). Разнообразие технических задач, решение которых требует использования ВБПМ, диктует повышенные требования к их показателям и характеристикам. Попытки убовлетворить эти требования проявляют всю многомерность проблемы и охватывают задачи развития теории проектирования, разработку и внедрение новейших конструкционных решений, технологических процессов и т.п. Технические объекты, использующие электрические машины которые вращаются с частотой 20 ^ 200 тыс. об/мин, — когенерационные энергоагрегаты, турбодетандеры, системы буферизации энергии, металлообрабатывающие станки и пр. — постоянно выступают предметом исследования специалистов со всего мира. Это является убедительным подтверждением актуальности данной проблематики и позволяет утверждать, что производство высокоскоростных електрических машин, в частности с возбуждением от постоянных магнитов, может рассматриваться как самостоятельное направление электромашиностроения. Вся совокупность теоретических методов, практических рекомендаций и програмного обеспечения, описаная в работе, объеденена в некий проектно-конструкторский комплекс, который состоит из: системы анализа проектных решений, системы анализа конструкторских решений, и системы FEM-анализа (англ. The Finite Element Method). Система анализа проектных решений предусматривает выбор материалов с необходимыми физическими свойствами, определение размеров и обмоточных данных, расчет электромагнитных нагрузок, параметров, статических характеристик и оценку теплового состояния ВБПМ. Система анализа конструкторских решений включает рекомедации по выбору конструкции ротора и обмотки статора, типам подшипниковых опор, способам их смазывания и охлаждения. Система FEM-анализа содержит ряд високоадекватних математических моделей, составленных на основании уравнений, описывающих физические поля различной природы и предназначенных для расчета дополнительных потерь в обмотке статора и в полюсах индуктора, динамических процессов в ВБПМ как элементе електромеханотронной системы, максимальных механических напряжений в роторе, критических частот вращения и температурного поля машины. Полевые модели для решения задач электродинамики или магнитостатики учитывают: действительную форму поперечного сечения магнитопровода ВБПМ; двухмерное пространственное распределение векторного магнитного потенциала и, как следствие, фазные потокосцепления, ЕДС и электромагнитный момент определяются с учетом всех пространственных гармоник поля; эффект насыщения магнитопровода ВБПМ; нелинейность характеристик полупроводниковых элементов коммутирующего устройства. Задачи расчетов полей смещений рассматриваются в трехмерной постановке, которая дает возможность учесть наличие осевой составляющей механического напряжения, а модальный анализ матрицы жесткости проводится во вращающейся системе координат с учетом гироскопического эффекта и конечной жесткости опор ротора. Задачи стационарной тепропередачи учитывают объемное распределение потерь мощности в активных частях ВБПМ и анизотропию теплопроводности обмотки и магнитопровода статора. Таким образом, созданый проектно-конструкторский комплекс позволяет: проводить оценку соответствия полученных показателей машины требованиям технического задания; выполнять подготовку входной информации для дальнейшего использования полевыми математическими моделями, сокращая время многовариантных, возможно оптимизационных, расчетов; выполнять уточнение проектных показателей с учетом факторов, осуществляющих определяющее влияние на процессы в ВБПМ в их взаимосвязи; верифицировать результаты еще на этапе принятия проектных решений. Рассмотреная совокупность научно обоснованных средств информационно-вычислительной поддержки процесса создания ВБПМ, при использовании технологии виртуальных цифровых прототипов, гарантирует соответствие проекта требованиям технического задания и позволяет избежать выполнения дорогостоящих этапов изготовления физических макетов и проведения их экспериментальных испытаний. The dissertation is dedicated to actual scientific and technical problem solving — the development of the theoretical basis to create a high-speed brushless electrical machines with permanent magnet excitation (HBPM). Technical objects that use electric machines which rotate at a frequency of 20 ^ 200 thousands rpm (cogeneration plant, turboexpanders, flywheel storage system, machine tools, etc.) are the subject of research by experts all over the world. This is cogent argumentation of the importance of this problem. Study includes design decisions which are relating to the definition of size and winding data, a calculation of electromagnetic loads, parameters, static behavior and the thermal condition of this machine. Guidance for the selection of the rotor and stator construction, materials with the necessary physical properties, types of bearings and the method of its lubrication, cooling systems is justified. Adequacy mathematical models were developed on the basis of the equations, which are describing the physical fields of different nature, to clarify and verify design parameters. They were designed to calculate the additional losses in the stator winding and the inductor poles, dynamic processes in HBPM as an element of mechatronic system, mechanical stress in the rotor, critical speed and the temperature field of the machine. Thus, the creation of design system allows: to check a project on satisfaction of the requirements of performance specification; to prepare input data for further using by adequaсy mathematical models for shortening the time of multiple calculations; to take into account an interconnectivity of the important factors, which effect a determining influence on the processes in HBPM; to verify the results still at the stage of design solutions. A set of science based tools of data processing support of the process of creating HBPM uses technology of virtual digital prototypes. It allows to avoid an expensive constructions stages of physical prototypes experimental tests on these prototypes.