Исследование многополюсных синхронных магнитоэлектрических генераторов с дробными зубцовыми обмотками тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат технических наук Честюнина, Татьяна Викторовна

• Честюнина, Татьяна Викторовна
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Честюнина, Татьяна Викторовна

Введение.

1 Общая характеристика и основы рабочего процесса синхронных генераторов с постоянными магнитами, работающих при низких частотах вращения

1.1 Область применения синхронных генераторов с постоянными магнитами, работающих при низких частотах вращения.

1.2 Проблемы создания генераторов, работающих при малой частоте вращения.

1.3 Особенности конструкции многополюсного СГПМ с дробными зубцовыми обмотками.

1.3.1 Конструкция роторов генераторов с постоянными магнитами.

1.4 Построение статорных дробных зубцовых обмоток.

1.5 Магнитодвижущие силы зубцовых дробных обмоток.

1.5.1 Магнитодвижущая сила зубцового контура.

1.5.2 Магнитодвижущая сила фазной зоны.

1.5.3 Магнитодвижущая сила многофазной обмотки.

2 Исследование поля возбуждения синхронного генератора с постоянными магнитами с дробной зубцовой обмоткой.

2.1 Задачи исследования поля возбуждения.

2.2 Исследование гармонического состава поля возбуждения в зависимости от значения дробности q зубцовой обмотки статора.

2.3 Влияния геометрии зубцово пазовой зоны синхронного генератора с ротором коллекторного типа на форму поля возбуждения.

2.4 Исследование влияния геометрии зубцово пазовой зоны синхронного генератора с ротором с призматическими магнитами, ориентированными в радиальном направлении.

2.5 Влияние насыщения магнитной системы генератора на гармонический состав поля возбуждения.

2.6 ЭДС синхронных генераторов с постоянными магнитами с дробной зубцовой обмоткой.

3 Исследование индуктивных параметров магнитоэлектрического генератора с дробной зубцовой обмоткой.

3.1 Особенности численного определения индуктивных параметров.

3.2 Влияние геометрии зубцово пазовой зоны на индуктивные параметры СГПМ с ротором коллекторного типа.

3.3 Учет влияния насыщения магнитопровода на индуктивные параметры СГПМ с ротором коллекторного типа.

3.4 Влияние геометрии зубцово пазовой зоны на индуктивные параметры СГПМ с ротором с радиально ориентированными магнитами.

3.5 Учет влияния насыщения магнитопровода на индуктивные параметры СГПМ с ротором с радиально ориентированными магнитами.

3.6 Расчет синхронного индуктивного сопротивления с учетом дифференциального рассеяния СГПМ и дробными зубцовыми обмотками.

3.7 Определение проводимостей и коэффициентов формы поля для СГПМ.

3.7.1 Конструкция ротора с радиально ориентированными магнитами.

3.7.2 Конструкция ротора «коллекторного» типа.

4 Экспериментальные исследования.

4.1 Исследование формы ЭДС.

4.2 Исследование индуктивностей.

4.3 Внешние характеристики.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование многополюсных синхронных магнитоэлектрических генераторов с дробными зубцовыми обмотками»

Актуальность работы. Свою историю электрические генераторы с постоянными магнитами ведут с 30-х годов прошлого столетия. Невысокие удельные показатели постоянных магнитов, от которых в первую очередь зависят технические и массогабаритные данные ограничивали их применение. В 60-х годах были разработаны и нашли широкое применение анизотропные сплавы типа ЮНДК24, ЮНДК35Т5, ЮНДК40Т, которые за счет создания направленной кристаллизации обладали большими удельной магнитной энергией и коэрцитивной силой. Величина удельной магнитной энергии достигла значений (ВН)тах=96-10" Тл-А/м, это позволило значительно расширить диапазон мощности и частоты электрических генераторов с постоянными магнитами. По весовым характеристикам магнитоэлектрические генераторы до 40 кВ-А при частоте 400 Гц стали сопоставимы с генераторами с электромагнитным возбуждением. Широкое применение эти магниты нашли в генераторах малой мощности для автономных систем электроснабжения и в различного рода вспомогательных генераторах, магнитоэлектрические генераторы и генераторы комбинированного возбуждения небольшой мощности (около 400 В-А) успешно применяются в автомобилях и тракторах.

Практически в это же время были разработаны материалы на основе редкоземельных элементов и кобальта ЯСо5, имеющих максимальную удельную магнитную энергию {ВН)тах=(\60-240)-10"3 Тл-А/м. Их появление позволило существенно снизить массу и габаритные размеры генераторов и позволило конкурировать с генераторами с электромагнитным возбуждением в более широком диапазоне мощностей. В большинстве своем они нашли применение в автономных системах электрооборудования, устанавливаемых на передвижных электрических станциях, на авиационном и автомобильном транспорте, в автоматике и бытовой технике.

На сегодняшний день все большей популярностью пользуются магнитот-вердые материалы системы ИйРеВ. По своим энергетическим показателям они превышают магниты на основе редкоземельных элементов и кобальта (предельная магнитная энергия (ВН)тах={200-380)-10" Тл-А/м) и позволяют значительно снизить массогабаритные показатели машин с возбуждением от постоянных магнитов. Такие машины находят широкое применение в авиа-, ракето- и автомобилестроении, нефтегазовом комплексе и малой энергетике.

Применение новых видов постоянных магнитов предопределило создание новых магнитных систем ротора использующих их особенности. Это индукторы с магнитами типа звездочка, призматическими магнитами и составными цилиндрическими полюсными башмаками, с пазовым размещением магнитов, индукторы с призматическими магнитами коллекторного типа.

Большой вклад в развитие отечественной теории электрических машин с постоянными магнитами внесли ученые Ларионов А. Н. [35], Балагуров В. А. [30-35], Галтеев Ф. Ф. [34, 35, 45-47], Дедовский А. Н.[71, 72], Данилевич Я. Б. [16, 28, 51, 52, 53], Бут Д. А. [37], Шевченко А.Ф. [23, 90, 91, 95] и др.

Много работ отечественных и зарубежных авторов посвящено теоретическому обоснованию и практической реализации синхронных генераторов с постоянными магнитами (СГПМ) различных конструкций в ветроэнергетических установках (ВЭУ) и малых гидроэлектростанциях: мини- и микро-ГЭС [2, 3, 18, 51, 52, 53, 74, 83, 95, 74]. Это обусловлено высокой надежностью этих машин, простотой конструкции, высоким к.п.д. и малой инерционностью при переходных процессах.

Эксплуатация СГПМ в качестве генераторов для ВЭУ и малых ГЭС накладывает на них свои требования:

1. Работы при низких частотах вращения. Для упрощения или исключения мультипликатора, необходимого для согласования частот вращения ветро-колеса (100 - 500 об/мин) и серийного генератора (1500 - 3000 об/мин), что ведет к значительному уменьшению стоимости установки, увеличению надежности, росту КПД а, следовательно, и росту годовой выработки электроэнергии.

2. Повышенные требования к показателям надежности, для уменьшения расходов на обслуживание и ремонт.

3. Высокий КПД.

4. Обеспечение запуска генератора при низких скоростях вращения ветроколеса (малый момент залипания).

5. Ограничения по габаритам машины.

6. Жесткость внешней характеристики.

Применение дробных зубцовых обмоток с числом зубцов на полюс и фазу q<\ ъ СГПМ позволяет успешно выполнять такие требования как работа при низких частотах вращения при сохранении массогабаритных показателей машины. Этот вид обмоток известен довольно давно, их устройство и принцип действия описаны в [43, 44, 93, 95]. Ранее такие обмотки использовались для машин малой мощности, однако в последнее время они находят применение в многополюсных низкоскоростных ветрогенераторах с постоянными магнитами [1, 11, 15, 28, 95]. Теория дробных зубцовых обмоток развита в работах кафедры электромеханики Московского энергетического института и Новосибирского государственного технического университета. По их практическому применению следует отметить работы А.Ф. Шевченко.

В его работах [92, 93, 94] проведена систематизация дробных зубцовых обмоток с д < 1, рассмотрены особенности устройства и принципа действия.

Многофазная обмотка с, q<\ состоит из катушек, размещённых по одной на каждом зубце, а число зубцов статора незначительно отличается от числа полюсов ротора, обычно на 2ч-4 полюса. Благодаря малому числу зубцов статора появляется возможность выполнить в габаритах обычных классических машин малой и средней мощности электрические машины с числом полюсов ротора, достигающим 80-Н00. Максимальное число полюсов определяется в основном технологическими возможностями изготовления многополюсного ротора. Применение дробных зубцовых обмоток упрощает технологию изготовления обмотки статора и позволяет увеличить использование активного объема машины.

На кафедре электромеханики НГТУ был разработан и изготовлен ряд низкоскоростных многополюсных синхронных генераторов с постоянными магнитами для безредукторных ветроэлектрических установок мощностью от 0,2 до 10 кВт. В этих генераторах применены дробные зубцовые обмотки с д<1, многополюсный ротор с постоянными магнитами выполнен с тангенциальным расположением магнитов (коллекторного типа). Генераторы предназначены для работы в широком диапазоне частот вращения с пропорциональным изменением мощности. Они имеют исполнение 1Р44 (1Р54) и спроектированы для работы в умеренно-холодном и холодном климате. Стабилизация частоты и напряжения осуществляется специально разработанным параллельным регулятором активной мощности. Проведенные исследования показали перспективность разработки изготовления безредукторных ВЭУ и на более широкий диапазон мощностей (до 100-250 кВт) [95].

Несмотря на значительные успехи, достигнутые в направлении развития теории и методов расчета и проектирования синхронных машин с постоянными магнитами и дробными зубцовыми обмотками, как в нашей стране, так и за рубежом, сохраняется необходимость в их совершенствовании. В результате анализа научных работ посвященных СГПМ с дробными зубцовыми обмотками и опыта их создания на кафедре электромеханики НГТУ были выявлены следующие проблемы, требующие рассмотрения:

- наличие большого спектра высших гармоник в поле возбуждения вызванных особенностями конструкции магнитопроводов статора и ротора и создающих дополнительные потери в магнитопроводе машины,

- большая величина индуктивности дифференциального рассеяния, вызванная высшими и низшими гармониками поля реакции якоря и отсутствие точных методик по её расчету.

Таким образом, комплекс задач, связанный с исследованием магнитных полей и совершенствованием методик проектирования СГПМ с дробными зубцовыми обмотками крайне важен, исследования в данной области являются актуальными, имеют научную новизну и практическую ценность. В соответствии с указанными проблемами была сформулирована цель и задачи диссертационной работы.

Целью работы является исследование магнитных полей и методов расчета индуктивных параметров многополюсных синхронных генераторов с постоянными магнитами и дробной зубцовой обмоткой для двух конструкций индуктора (с тангенциально и радиально ориентированными магнитами).

Для её достижения поставлены следующие задачи:

1. По результатам исследования магнитного поля выявить влияние значения числа зубцов на полюс и фазу (д) на гармонический состав поля возбуждения.

2. Исследовать влияние геометрических соотношений зубцово - пазовой зоны электрической машины на амплитудные значения высших гармоник магнитного поля возбуждения, ЭДС и индуктивные параметры.

3. Проанализировать влияние насыщения магнитопровода на гармонический состав магнитного поля возбуждения и значения индуктивных параметров генератора.

4. На основании выполненных исследований разработать методы расчета индуктивных сопротивлений обмотки якоря и уточнить методику расчета СГПМ с дробной зубцовой обмоткой.

5. Провести сравнение результатов расчетов полученных в результате математического моделирования, аналитических расчетов и экспериментальных исследований.

Объектом исследования являются многополюсные синхронные генераторы с постоянными магнитами и дробной зубцовой обмотками (д<1) с двумя конструкциями индуктора: с тангенциально и радиально ориентированными магнитами.

Предметом исследования являются магнитное поле в воздушном зазоре СГПМ с дробными зубцовыми обмотками и методы расчета индуктивных параметров.

Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены на базе основных теорем и уравнений электродинамики с использованием методов аналитического и численного моделирования, методов приближения функций (аппроксимация, сплайн-интерполяция и т.д.). Для анализа магнитного поля в машине использована программы конечно - элементного анализа FEMM (Finite Element Method Magnetics) в двумерной постановке задачи. Для сокращения числа обращений к расчету поля использован метод планирования эксперимента (МПЭ). Достоверность результатов исследования проверена путем параллельного расчета различными методами, а также сопоставлением расчетных и экспериментально полученных параметров и характеристик электрических машин.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Исследовано и количественно оценено влияние соотношений геометрии зуб-цово - пазовой зоны на гармонический состав поля возбуждения, ЭДС и индуктивные параметры СГПМ с дробными зубцовыми обмотками.

2. Показана взаимосвязь значения числа зубцов на полюс и фазу (q) и гармонического состава поля возбуждения для СГПМ с дробными зубцовыми обмотками.

3. Проведено исследование влияния насыщения магнитопровода на высшие гармоники в поле возбуждения и значения индуктивных параметров СГПМ с дробными зубцовыми обмотками.

4. Получены аналитические выражения для расчета полных индуктивных сопротивлений СГПМ с дробными зубцовыми обмотками для применения при проведении инженерных расчетов.

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты исследований влияния соотношений геометрии зубцово - пазовой зоны на гармонический состав поля возбуждения, ЭДС и индуктивные параметры СГПМ с дробными зубцовыми обмотками.

2. Результаты исследований влияния насыщения магнитной цепи на гармонический состав поля возбуждения и индуктивные параметры СГПМ с дробными зубцовыми обмотками. 3. Формулы для расчета полных индуктивных сопротивлений СГПМ с дробными зубцовыми обмотками учитывающих конфигурацию ротора и свойства постоянных магнитов.

Практическая значимость работы.

1. Предложены рекомендации по выбору соотношений геометрии зубцово - пазовой зоны для уменьшения преобладающих высших гармоник в поле возбуждения и форме кривой ЭДС генератора.

2. Получены полиномы, позволяющие оценить влияние соотношений геометрии зубцово - пазовой зоны и магнитной проводимости постоянных магнитов на собственные индуктивности по осям д и предварительно вычислить их значения.

3. Предложены аналитические выражения для расчета полных индуктивных сопротивлений СГПМ с дробными зубцовыми обмотками для применения при проведении инженерных расчетов. Получены коэффициенты для расчета полных индуктивных сопротивлений для различных значений q.

4. Разработаны схемы замещения магнитной цепи СГПМ с дробными зубцовыми обмотками для двух конструкций индуктора: коллекторного типа и с радиально ориентированными магнитами.

Апробация. Основные результаты доложены, обсуждены и одобрены на следующих научных семинарах и конференциях:

- IV международный форум по стратегическим технологиям «1Р08Т-2009». Хошимин. 2009.

- IV научно-техническая конференция с международным участием «Электротехника, электромеханика и электротехнологии ЭЭЭ-2009». Новосибирск. 2009.

- XVII Международная научно-практическая конференция студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии» (СТТ-2011). Томск. 2011.

- Всероссийская научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (НТИ-2011). Новосибирск. 2011.

Реализация.

Результаты работы используются на кафедре «Электромеханика» НГТУ в учебном процессе, при курсовом и дипломном проектировании, проведении научных исследований.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 статьи входящих в перечень, рекомендованный ВАК РФ, 1 публикация в сборнике научных трудов, 4 статьи в материалах международных и всероссийских конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Общий объем 176 страниц. Основная часть изложена на 173 страницах машинописного текста, иллюстрирована 81 рисунками, 35 таблицами. Список литературы содержит 99 наименование.

Заключение диссертации по теме «Электромеханика и электрические аппараты», Честюнина, Татьяна Викторовна

Выводы:

1. Результаты численного моделирования индуктивных параметров СГПМ и дробными зубцовыми обмотками позволяют сделать следующие заключения:

- Для конструкции роторов с тангенциальным расположением магнитов наличие в магнитной цепи постоянных магнитов оказывает большое влияние на соотношение между индуктивными параметрами обмотки статора по осям с1 и д * *

Ц = /(Лм).Причем это влияние сказывается в большей мере на индуктивности по оси с1, т.к. при этом расположении ротора линии магнитного поля замыкаются через тело магнита. Большое влияние на индуктивности Ь^ и оказывает насыщение магнитопровода от тока реакции якоря, при этом наиболее сильно изменяется индуктивность по оси д до 40%. С ростом открытия пазов статора индуктивности по обеим осям уменьшаются, причем при увеличеН нии воздушного зазора влияние открытия пазов статора усиливается.

-Для конструкции роторов с радиально намагниченными магнитами без полюсных наконечников индуктивности по обеим осям практически одинаковы Ь^ это объясняется тем, что магнитные потоки по обеим осям замыкаются через магниты с низкой магнитной проводимостью. С ростом открытия пазов статора индуктивности по обеим осям уменьшаются. При больших значениях величины воздушного зазора усиливается влияние открытия пазов статора за счет пазового рассеяния. В отличие от конструкций с роторами коллекторного типа увеличение насыщения материала магнитопровода током статора на значениях индуктивностей по осям с1, д практически не сказывается.

2. Предложенный способ расчета синхронных индуктивных сопротивлений с учетом дифференциального рассеяния дает значительно меньшую погрешность по сравнению с традиционным способом расчета и может быть применен при расчетах СГПМ с дробными - зубцовыми обмотками.

4. Экспериментальные исследования

Экспериментальные исследования проводились с целью проверки основных теоретических положений, полученных в работе. При этом экспериментально исследовались: форма кривой ЭДС, индуктивности фаз по осям ¿/и^, внешние характеристики.

Экспериментальные исследования проводились на трёх объектах:

1) Двигатель ДБУ - 2.2 (<? - ) с постоянными магнитами (ротором коллекторного типа), с дробной зубцовой обмоткой;

2) Двигатель ДБУ - 0.75 (д = с постоянными магнитами (ротором коллекторного типа), с дробной зубцовой обмоткой;

3) Двигатель ДБУ - 0.37 (¿7 = ^) с постоянными магнитами (ротором коллекторного типа), с дробной зубцовой обмоткой.

4.1. Исследование формы ЭДС

Для снятия осциллограмм двигатели работали в режиме генератора, при этом в цепь обмотки якоря двигателя был включен осциллограф, ротор двигателя приводился во вращение с постоянной скоростью вращения.

На рисунках 4.1 и 4.3 приведены осциллограммы фазных ЭДС двигателей ДБУ - 2.2 и ДБУ - 0.37, а на рисунках 4.2 и 4.4 их гармонический состав. В обеих машинах в кривой ЭДС есть не значительная по величине 3-я гармоника, её амплитуда составляет 1.7% и 7.1% от первой для ДБУ - 2.2 и ДБУ - 0.37 соответственно. В обеих конструкциях ротор выполнен с закрытыми пазами, большая величина третьей гармоники в ДБУ - 0.37 объясняется большим значением 8/и (0.026 для ДБУ - 2.2 и 0.023 для ДБУ - 0.37).

Тек JL g Ready 4

M Pos: 0.000s

I r\ А А А А А Г

U \7 у V : \j ■ \i у ft X Í д / * 1 i\ У- Л \ . л t \ / f \ } i : / \ / \ f \ / ; / \ / X / \ / \

MEASURE

CH1 Ffeq 33.33Hz cm Cyc RMS 43.1V ; / a* \ - г •/• V f i J í í . x; i i к г

X < J ; .í i. I; . r X

I Л Л /V кань \ ! 1

J CHI Л i None

1 y t I 1 CHI

A f\ /1 i Non*

А д м Xj

- \ í 4 / \ •/ ti / \ i \ : \ >\f S ' \ i Vi и v v/ V/ V V/ V/ i

CHI ¡1 Hone

CHI 20.0V CH2 20,0V M 2.50ms CHI / 5.: '1

CH3 20.0V 3—Feb-1214:52 <10№

Рисунок 4.1 - Осциллограмма кривых фазных ЭДС ДБУ - 2.2

60

40

N -2

20 0

-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-г

LiL

Jd=>i I i I I I

I I I I

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 k

Рисунок 4.2 - Гармонический состав кривой ЭДС ДБУ - 2.2

Тек П

Q Tiig'd М Pos: -OOO.Ojjs ACQUIRE

JL Sample

JL Peak Detect

CHI SÖ.0V CH2 50.0V M 1,00ms

CH2 I -SOOmV

CH3 50.0V

7-Feb-1214:14 124.391Hz

Рисунок 4.3 - Осциллограмма кривых фазных ЭДС ДБУ - 0.37

120 90

Ек|-2 60 х

30 о

0123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 к

Рисунок 4.4 - Гармонический состав кривой ЭДС ДБУ - 0.37 4.2. Исследование индуктивностей

Экспериментально индуктивности находились следующим образом: учитывая, что исследуемые электрические машины не имеют демпфирующих или пусковых обмоток, а в конструкции ротора предусмотрены меры исключающие образование короткозамыкающих контуров, для экспериментального определения синхронных индуктивностей применен метод измерения при заторможенном роторе [56]. При использовании этого метода принимается допущение о том, что индуктивность фазы в функции угла поворота ротора в изменяется по следующему закону:

Ъ = //р + Ь^ соб О. (4.1)

Синхронные индуктивности машины при известных 10 и определяются как:

А/= А) ~ А > ^ = А) + А •

Таким образом, задача определения синхронных индуктивностей сводится к определению по экспериментальным данным значений и А • Для этого был применен следующий порядок определения Ь0 и Ц :

I I I 1 I I I I I I I I 1 I I I I I г иI□I1-1-. IЛIIсЬIсЬI1-1111

- ротор машины затормаживается, а на обмотку статора подается симметричное трехфазное напряжение известной частоты (/), обеспечивающее токи фаз не превышающих номинальных;

- измеряются токи, напряжения и мощности, потребляемые каждой из фаз (г - ой) обмотки статора - /г-, и1, /};

- по результатам измерений рассчитываются индуктивности фаз обмотки (Ьа, Ьь, Ьс - для трехфазной машины) при фиксированном положении ротора:

2л-/'

I 2 2 где: X, = л^- - Я, - индуктивное сопротивление фазы, 2{ = — - полное сопротивление фазы,

Л р.

Л,- = -у - активное сопротивление фазы; Ч

- определяются значения и А : т La+Lb+Lc

Lo --;

Ьл =■

•2 i^"^)2 ¿1 +"-j-^-.где

L\ ~La ~L0> »

2 =Lb-L0, t

3 =LC-L0.

В таблице 4.1 приведены индуктивности, полученные в результате проведения эксперимента, а также рассчитанные методом, изложенным в разделе 3.6 и полученные в результате численного моделирования (по среднеквадратичным значениям токов и потокосцеплений).

Заключение

В соответствии с целью и задачами диссертационной работы решён комплекс вопросов. Основные результаты проделанной работы состоят в следующем:

1. Показано, что при анализе гармонического состава магнитного поля возбуждения, его следует рассматривать не на полюсном делении, а на периоде элементарной обмотки, что объясняется особенностями создания МДС дробной зубцовой обмоткой. Установлено, что гармонический состав поля возбуждения жестко связан со значением числа зубцов на полюс и фазу якорной обмотки и одинаков для обеих рассматриваемых конструкций индуктора (с тангенциально, и радиально ориентированными магнитами). Получены соотношения, позволяющие определить гармонический состав поля возбуждения в зависимости от значения числа зубцов на полюс и фазу для д<1.

2. На основании расчета магнитного поля с использованием метода планирования эксперимента получены полиномы, позволяющие оценить влияние геометрии зубцово - пазовой зоны на амплитуды преобладающих высших гармоник в поле возбуждения для двух рассматриваемых конструкций индуктора. Разработаны рекомендации по выбору соотношений зубцово - пазовой зоны для уменьшения этих гармоник. Показано влияние насыщения магнитопровода на амплитуды гармоник в поле возбуждения.

3. Проведено исследование влияния высших гармоник поля возбуждения на форму ЭДС. Показано, что из всего спектра высших гармоник поля возбуждения на форму кривой ЭДС оказывают влияние гармоники порядка = куосн, где к-Ъ, 5, 7,., а уосн - рабочая гармоника для конкретного значения д, в то время как гармоники порядка уг\ меняют ЭДС генератора по амплитуде.

4. На основании расчета магнитного поля с использованием метода планирования эксперимента получены полиномы, позволяющие оценить влияние соотношения зубцово - пазовой зоны в области воздушного зазора и магнитной пропроводимости постоянных магнитов на собственные индуктивности по осям б/, <7 и, зная геометрию зубцово пазовой зоны, предварительно вычислить их значения.

5. В результате численного моделирования для конструкции с радиально ориентированными магнитами получено, что собственные индуктивности по осям с1, д практически не меняются от насыщения магнитопровода током реакции якоря в диапазоне токов от (0,1 /н^/к). Это объясняется тем, что их величина для данной конструкции в большей степени определяется суммарной проводимостью воздушного зазора и постоянных магнитов. В машинах с ротором коллекторного типа величина насыщения магнитопровода оказывает значительное влияние на собственную индуктивность по оси д, т.к. в этом случае линии магнитного потока замыкаются, минуя тело магнита.

6. Показано, что в исследуемых машинах величина индуктивности дифференциального рассеяния, обусловленная высшими гармониками поля, достигает 50 и более процентов от величины индуктивности реакции якоря, которая является функцией не только величины и конфигурации воздушного зазора, но и зависит от конфигурации индуктора, геометрии и магнитных свойств постоянных магнитов. Для более точного учета индуктивности дифференциального рассеяния при расчете собственных индуктивностей по результатам численного моделирования предложен метод расчета по среднеквадратичным значениям токов и потокосцеплений.

7. Получены аналитические выражения для расчета собственных индуктивных сопротивлений СГПМ и дробными зубцовыми обмотками учитывающие особенности распределения МДС создаваемой дробной зубцовой обмоткой, конфигурацию ротора и свойства постоянных магнитов. Получены коэффициенты для расчета полных индуктивных сопротивлений и представлены в табличном виде в функции Разработаны схемы замещения магнитной цепи СГПМ и дробной зубцовой обмоткой для двух рассматриваемых конструкций индуктора.

8. Проведены экспериментальные исследования синхронных машин с постоянными магнитами и дробными зубцовыми обмотками, получены гармонический состав ЭДС, индуктивные параметры, внешние характеристики. Проведено сравнение экспериментально снятых данных с данными, полученными по математическим моделям и предложенным аналитическим выражениям. Результат сравнения дал хорошее совпадение экспериментально снятых характеристик и характеристик, рассчитанных по математическим моделям.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Честюнина, Татьяна Викторовна, 2012 год

1. A. Di. Gerlando. High Pole Number, PM Synchronous Motor with Concentrated Coil Armature Windings/ A Di Gerlando, R Perini, M. Ubaldini // ICEM 2004. Poland, Krakow. Sept. 2004. P.58.

2. Alternative Design Study Report: WindPACT Advanced Wind Turbine Drive Train Designs Study November 1, 2000 February 28, 2002 R. Poore and T. Lettenmaier Global Energy Concepts, LLC Kirkland, Washington.

3. Daho Taghezout. Finite element prediction of a brushless DC motor's dynamic behavior/ Daho Taghezout, Patrick Lombard, Philippe Wendling // Intelligent motion systems.- September 1996 proceedings.- P. 57-67.

4. E. Chabu. Permanent Magnet Motor Improvement, Using the Concept of Longitudinal Flux Concentration/ E. Chabu, S.I. Nabeta, J.R. Cardosa// ICEM 2004. Poland, Krakow. Sept. 2004. P. 525.

5. E. Mikai. Study on Magnet Field and Output Voltage of Axial Type Generator for Wind Power Generation/ E. Mikai, S. Washimiya // ICEM 2004. Poland, Krakow. Sept. 2004. P.462.

6. E. Muliadi. Cogging torque reduction in a permanent magnet wind turbine generator/E. Muliadi, J. Green// Volume: 2002, Issue: January, Publisher: Asme, P. 340-342

7. E. Spooner. Analysis of an Iroless-Stator Permanent-Magnet Generator/ E. Spooner // ICEM 2004. Poland, Krakow. Sept. 2004. P.84.

8. F. Flores Filho. Design, Construction and Performance of a Wind Generator with Embedded Permanent Magnet/ F. Flores Filho, R.P. Homrich, I. Nogueira // ICEM-2004. Poland, Krakow. Sept. 2004. P.673.

9. F. Jurca. Finite Element Magnetic Field Analysis of a Claw-Pole Synchronous generator for wind Conversion Systems/ F. Jurca, I. Birou, C. Martis // ISEF. Prague,Czech Republic. Sept. 13-15.2007. P. 146

10. F. Libert. Investigation on Pole-Slot Combination for Permanent-Magnet Machines with Concentrated windings/. Libert, J. Soulard // ICEM 2004. Poland, Krakow. Sept. 2004. P.530.

11. G. Korouji, R. Design and Construction of Permanent Magnet wind energy generator with a new topology/ G. Korouji, R., R Hanitsch // ICEM 2004. Poland, Krakow. Sept. 2004. P.87.

12. H. Polinder, G.J.W. Design of a PM generator for the Turby, a wind turbine for the built environment/ H. Polinder, G.J.W. van Bussel, M.R. Dubois // ICEM -2004. Poland, Krakow. Sept. 2004. P.432.

13. J. A. Tapia. Axial Flux Surface Mounted PM Machine with Field Weakening Capability/ J. A. Tapia, D. Gonzalez, R.R. Wallace, M.A. Valenzuela // ICEM-2004. Poland, Krakow. Sept. 2004. P.459.

14. J. Cros. Synthesis of Perfomance PM Motors With Concentrated Windings/ J. Cros, P. Viaouge // IEEE Trans, on Energy Conversion. 2002. Vol.17. #2. P.248-253.

15. J. Danilevich. The Brushless Permanent Magnet Disk Generator for New Generation Power Stations/ J. Danilevich, B. Mironov, I Kruchinina, F. Ivanova // ISEF. Prague, Czech Republic. Sept. 13-15. 2007. P.151.

16. J.R. Bumby A Permanente Magnet Generator for Small Scale Wind Turbines/ J.R. Bumby, N. Stannard, R. Martin // ICEM 2006.Chania, Crete Island Greece. Sept. 2-5, 2006. P. 141.

17. John C. Zink Small generators fuel Big expectations / John C. Zink // Power Engineering, February, 1999. P. 21-24.

18. L. Meny. Direct Driven synchronous generator for low wind turbines (vernier reluctance magnet machine)/ L. Meny, P Enrici, J.J. Huselstein, D. Matt // ICEM 2004. Poland, Krakow. Sept. 2004. P.458.

19. M. R Dubous. Comparison between TFPM generator with toothed rotor and Conventional PM Synchronous generator for Direct-drive wind turbines/ M. R Dubous, H Polinder // ICEM 2004. Poland, Krakow. Sept. 2004. p.228.

20. Petri Lampola Directly driven, low-speed permanent-magnet generators for wind power applications: diss. . doctor of science in technology: 29.05.2000/ Petri Lampola. Finland.: Finnish Academies of Technology, 2000. - 62 P.

21. Pia Salminen Fractional slot permanent synchronous motors for low speed applications: diss. . doctor of science in technology: 20.12.2004/ Pia Salminen. Lappeenranta.: Acta Universitatis Lappeenrantaensis, 2004. - 150 P.

22. Synchronous motors for mechatronic units / Д. И. Багазей, В. В. Капустин, А. Г. Приступ, Т. В. Честюнина, А. Ф. Шевченко // Материалы 4-го Международного форума по стратегическим технологиям (IFOST- 2009), г. Хошимин.

23. Tania Heikilla, Permanent magnet synchronous motor for industrial inverter applications analysis and design: diss. . doctor of science in technology: 22.11.2001/ Tania Heikilla. - Lappeenratna: Acta Universitatis Lappeenrantaensis, 2002. - p. 109.

24. Абдулкадыров, А.И. Об эффективности применения синхронизированного асинхронного генератора в ветроэнергетической установке/ А.И. Абдулкадыров, С.Ф. Гулиев// Альтернативная энергетика и экология. 2008. - №8. - С. 73 - 77.

25. Андреев, В.Г. Особенности расчета бесконтактных магнитоэлектрических генераторов комбинированного возбуждения/ В.Г. Андреев, А.И. Бертинов, Б.С. Затечихин // Электротехника. 1974. -№2. - С. 29 - 33.

26. Андрианов, В.Н. Ветроэлектрические станции/ В.Н. Андрианов, Д.Н. Быстрицкий, К.П. Вашкевич, В.Р. Секторов. М.: Госэнергоиздат, 1960.- 164 с.

27. Антипов, В.Н. Анализ и исследование соразмерного ряда синхронных машин как ветрогенераторов в диапазоне частот вращения 75-300 мин"1/ В.Н. Антипов, Я.Б. Данилевич// Электротехника. 2009. -№1. - С. 27-33.

28. Арнольд, P.P. Расчет и проектирование магнитных систем с постоянными магнитами/ P.P. Арнольд М.: Энергия, 1969. - 184с.

29. Балагуров, В.А. Перспективы применения постоянных магнитов в электрических машинах/ В.А. Балагуров // Тр. МЭИ. Тематический сборник: Применение постоянных магнитов в электрических машинах, аппаратах и приборах. М.: МЭИ, 1980. - №483. - С. 3-8.

30. Балагуров, В. А. Перспективы развития магнитоэлектрических генераторов с применением высококоэрцитивных постоянных магнитов/ В.А. Балагуров, A.A. Кизарис, В.В. Лохнин// Электричество. 1977. - №3.- С. 54-58.

31. Балагуров, В.А. Предельная мощность синхронных генераторов с постоянными магнитами/ В.А. Балагуров // Электротехника. 1983. - №5.- С. 22-24.

32. Балагуров, В.А. Расчет внешних характеристик синхронных генераторов с магнитным возбуждением/ В.А. Балагуров, Э.А. Колодезный// Вестник электропромышленности. 1961. - №2. - С. 41-44.

33. Балагуров, В.А. Электрические генераторы с постоянными магнитами/ В.А. Балагуров, Ф.Ф. Галтеев. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 280с.

34. Балагуров, В.А. Электрические машины с постоянными магнитами /В.А. Балагуров, Ф.Ф. Галтеев, А.Н. Ларионов. М.: Энергия, 1964. - 480с.

35. Беляков, П.Ю. Производство электроэнергии на базе энергии ветра/ П.Ю. Беляков // Электротехнические комплексы и системы управления. 2008.- №1. С. 56-59.

36. Бут, Д.А. Бесконтактные электрические машины/ Д.А. Бут. М.: Высшая школа, 1985. - 255с.

37. Бухгольц, Ю. Г. К вопросу расчета индуктивностей дробных зубцовых обмоток/ Ю. Г. Бухгольц, А. Г. Приступ, Т. В. Честюнина // Электро. -2012.-№1.-С. 48-52.

38. Бухгольц, Ю. Г. Определение индуктивностей магнитоэлектрических машин с однозубцовыми обмотками/Ю. Г. Бухгольц, А.Г. Приступ, Т.В. Честюнина // Электротехника. 2011 - № 6.- С. 25-29

39. Ветроэнергетика/ Под ред. Д. де Рензо: Пер. с англ.; под ред. Я. И. Шефтера.-М.: Энергоатомиздат, 1982.-272с.

40. Вольдек, А.И. Дифференциальное рассеяние обмотки статора явноплюсной синхронной машины/ А.И Вольдек// Электричество. 1953. - №7.-С. 6-51.

41. Вольдек, А.И. Электрические машины/ А. И. Вольдек. Л.: Энергия, 1978.-832с.

42. Вырк, Р.Х. Анализ применимости дробных обмоток в двух- и трехфазных асинхронных микродвигателях/Р.Х. Вырк // Труды ЛПИ им.М.И. Калинина. Ленинградский политехнический институт. 1964. - Вып.241. С. 114-122.

43. Вырк, Р.Х. Характеристики многополюсных бесконтактных асинхронных и синхронных двигателей малой мощности с дробными обмотками/ Р.Х. Вырк, П. Ю. Касик, М.А. Шакиров// Электрические машины и электропривод малой мощности. Л.: Наука. 1966.1. С. 126-136.

44. Галтеев, Ф. Ф. К вопросу расчета внешних характеристик синхронных генераторов с постоянными магнитами/Ф. Ф. Галтеев// Научные доклады высшей школы. Электромеханика и автоматика Советская наука. 1958. -№4. - С. 59-69.

45. Галтеев, Ф.Ф. Учет нелинейности при работе синхронного подмагничиваемого генератора с постоянными магнитами/ Ф.Ф. Галтеев, В.П, Коробченко // Электричество. 1978. - №4. - С. 23-27.

46. Ганджа, С.А. Применение асинхронизированных синхронных генераторов для автономных и сетевых ветроэнергетических установок /С. А. Ганджа// Альтернативная энергетика и экология. 2010. - №1. - С. 25-29.

47. Гаррис М. Системы относительных единиц в теории электрических машин Пер. с англ./ М. Гаррис, П. Лоуренсон, Дж. Стефенсон. М.: Энегия, 1975. 120 с.

48. Геллер, Б. Высшие гармоники в асинхронных машинах/ Б. Геллер, В. Гамата; пер. с англ. под ред. З.Г. Каганова. М.: Энергия, 1981. - 352с.

49. Данилевич, Я.Б. Минитурбогенератор 200 кВт с возбуждением на постоянных магнитах Nd-Fe-В/ Я.Б. Данилевич, В.Н. Антипов // Электротехника. 2006. - №3. - С. 36-37.

50. Данилевич, Я.Б. Прямоточная микро-ГЭС с встроенной гидротурбиной и синхронным генератором на постоянных магнитах/ Я.Б. Данилевич, Ю.Ф. Антонов// Электротехника. 2001.- №7. - С. 11-16.

51. Данилевич, Я.Б. Электроэнергетические установки с синхронными генераторами нестандартной частоты/ Я.Б. Динилевич, В.Е. Сигаев// Электричество. 2000. - №5. - С. 26-31.

52. Жерве, Г.К. Обмотки электрических машин/ Г.К. Жерве. Л.: Энергоатомиздат, 1989.-400с.

53. Жерве, Г.К. Промышленные испытания электрических машин/ Г.К. Жерве. Л.: Энергоатомиздат, 1984. -408с.

54. Жуловян, B.B. Высокомоментные двигатели переменного тока с электромагнитной редукцией частоты вращения. Докторская диссертация, Новосибирск, 1978.

55. Жуловян, В.В. Высокомоментные двигатели переменного тока с электромагнитной редукцией частоты вращения: дис. . д-ра техн. наук : 05.09.01/ В.В. Жуловян. М.: МЭИ, 1978. - 330 с.

56. Захаренко, А. Б. Исследование синхронной электрической машины со скосом постоянных магнитов/ А. Б. Захаренко, Г. А. Семенчуков// Электротехника. 2007. - № 2. - С.59-65.

57. Захаренко, А.Б. Исследование ЭДС электрических машин с сосредоточенной обмоткой статора/ А. Б. Захаренко, А. Ф. Авдонин// Электротехника. 2006. - №3. - С.9-14.

58. Захаренко, А.Б. Расчет магнитной проводимости пазового рассеяния/ А.Б. Захаренко// Электротехника. 2009. - №5. - С.28-33.

59. Иванов Смоленский, А. В. Электрические машины: Учебник для вузов./ А. В. Иванов - Смоленский. - М.: Энергия, 1980. - 928с.

60. Иванов Смоленский, A.B. Универсальный метод расчета электромагнитных процессов в электрических машинах/ A.B. Иванов -Смоленский, Ю.В. Абрамкин, А. И. Власов, В. А. Кузнецов. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 216с.

61. Ивоботенко, Б.А., Ильинский Н.Ф., Копылов И.П. Планирование эксперимента в электромеханике/ Б.А. Ивоботенко, Н.Ф. Ильинский, И.П. Копылов. М.: Энергия, 1975. - 184с.

62. Калантаров, П. JI. Расчет индуктивностей: Справочная книга. 3-е изд. перераб. и доп./П. JI. Калантаров, JI. А. Цейтлин Д.: Энергоатомиздат, 1986.-488с.

63. Каргиев, В.М., Ветроэнегетика. Руководство по применению ветроустановок малой и средней мощности/В. М. Каргиев, С.Н. Мартиросов, В.П. Муругов, А.Б. Пинов, А.К. Сокольский, В.П. Харитонов. М.: ИнтерсСоларЦентр, 2001, 62с.

64. Ковалев, Л.К. Синхронные электродвигатели с радиально-тангенсальными магнитами/ Л.К. Ковалев, Ю.Ю. Кавун, Д.С. Дежин// Электричество. -2007. -№11. С. 17-23.

65. Копылов, И.П. О применении методов планирования эксперимента к задачам анализа и синтеза электрических машин / И.П. Копылов, Н.Ф. Н.Л. Ильинский// Электричество. 1970. - № 2. - С.29-35.

66. Копылов, И.П. Проектирование электрических машин:Учебник для ВУЗов по специальности «Электромеханика»/ И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин, Б.Ф. Токарев ; Под ред. И. П. Копылова М.: Энергоатомиздат , 1993. - 463с.

67. Костенко, М. П. Электрические машины. В 2-х ч. Ч. 2. Учебник для студентов высш. техн. учеб. заведений /М.П. Костенко, Л. М. Пиатровский Л.: Энергия, 1973. - 648с.

68. Кочергин, В.В. К расчету индуктивности однозубцовой обмотки/ В. В. Кочергин// Электротехника. 2009. - №9. - С. 61-63.

69. Ледовский, А. Н. Особенности проектирования электрических машин с цилиндрическими постоянными магнитами из сплава 8тСо5 /А. Н. Ледовский// Электричество. 1981. - №10. - С. 54-58.

70. Ледовский, А. Н. Электрические машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами/ А.Н. Ледовский. М: Энергоатомиздат, 1985. -168с.

71. Лившиц-Гарик М. Обмотки машин переменного тока./ Лившиц-Гарик М.- М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959. 768 с.

72. Лукутин, Б. В. Динамика микрогидроэлектростанций с автобалластной стабилизацией напряжения/ Б. В. Лукутин, С. Г. Обухов// Электротехника. 1989. - №10. - С.9-12

73. Мустафаев, Р.И. Моделирование динамических и статических режимов работы ветроэлектрической установки с асинхронной машиной двойного питания/ Р. И. Мустафаев, Л. Г. Гасанова// Электротехника. 2008. - №9.- С.11-15.

74. Олейников, A.M. Инженерная методика оптимизации расчета тихоходного синхронного генератора с постоянными магнитами/А.М. Олейников, JI.H. Канов, Е.И. Зарицкая // Вюник СевДТУ. 2008. - вып. 88. - С.104-107.

75. Осин, И.Л. Синхронные микродвигатели с постоянными магнитами/ И.Л. Осин, В. П. Колесников, Ф.М. Юферов М.: Энергия, 1976. - 232с.

76. Осин, И.Л. Электрические машины: Синхронные машины: Учеб. пособие для вузов по спец. «Электромеханика» Под ред. И. П. Копылова/ И.Л. Осин, Ю.Г. Шакарян М.: Высш. шк., 1990. - 304 с.

77. Постоянные магниты. Справочник/ Под ред. Ю. М. Пятина. М.: Энергия, 1980.-376с.

78. Радимов, И.Н. Параметры вентильного двигателя с постоянными магнитами/ И.Н. Радимов, М.В. Гулый, В. В. Рымша, Чан Тхи Тху Хыонг // Електротехшка i електромехашка. 2008. - №6. - С. 40-43.

79. Сидоров, Е. В. Технические характеристики, эксплуатационные и физические свойства современных магнитных материалов и постоянных магнитов. Справочник/ Е.В. Сидоров. Владимир: Транзит-ИКС, 2006.

80. Сипайлов, Г. А. Электрические машины (Специальный курс)/ Г.А. Сипайлов, Е.В. Кононенко, К.А. Хорьков М.: Высшая школа, 1975. -280с.

81. Харитонов, В.П. Автономные ветроэлектрические установки/ В. П. Харитонов М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006.-280с.

82. Честюнина, Т. В. Анализ поля возбуждения магнитоэлектрического генератора с зубцовыми обмотками/ Т.В. Честюнина//: материалы четвертой науч.-технич. конф. с международным участием ЭЭЭ-2009, -Новосибирск: изд-во НГТУ, 2009. С78-83.

83. Честюнина, Т. В. Влияние насыщения магнитной цепи на гармонический состав поля возбуждения магнитоэлектрического синхронного генератора/Т.В. Честюнина// Сборник трудов НГТУ. №3. - С109-115.

84. Шевченко, А.Ф. Синхронные двигатели с переменным магнитным сопротивлением с дробными (я<1) однозубцовыми обмотками/А.Ф. Шевченко// Научный вестник №3. Новосибирск: НГТУ, 1997. - С.177-188.

85. Шевченко, А. Ф. Анализ магнитодвижущих сил дробных зубцовых обмоток электрических машин/А. Ф. Шевченко, Т. В. Честюнина // Электротехника, 2009, № 12.-С.З-7

86. Шевченко, А. Ф. Статическая устойчивость синхронных машин с постоянными магнитами/ А. Ф.Шевченко // Электричество. 2007. - №1. -С.38-43.

87. Шевченко, А.Ф. Электромеханические преобразователи энергии с модулированным магнитным потоком: дис. . д-ра техн. наук: 05.09.03 ; 05.09.01/ А. Ф. Шевченко Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999. - 346 с.

88. Шевченко, А.Ф. Исследование многополюсных синхронных машин с дробными однозубцовыми обмотками с постоянными магнитами методом проводимостей зубцовых контуров/ А. Ф. Шевченко// Сб.научных трудов НГТУ. -Новосибирск: НГТУ, 1997. СЛОМ 12

89. Шевченко, А.Ф. Магнитодвижущие силы однозубцовых дробных обмоток с я<1 /А. Ф. Шевченко// Научный вестник №2. Новосибирск: НГТУ, 1996.-С. 99+110.

90. Шевченко, А.Ф. Математическая модель многополюсных синхронных машин с зубцовыми обмотками с амплитудно модулированным полем/ А.Ф. Шевченко// Электротехника. - 1999. - №12. - С.28-34.

91. Шевченко, А.Ф. Многополюсные магнитоэлектрические генераторы с дробными однозубцовыми обмотками для ветроэлектрических установок/А. Ф. Шевченко// Электротехника. 1997. - №9. - С. 13-йб.

92. Шефтер, Я.И. Ветронасосные и ветроэлектрические агрегаты/Я.И. Шефтер, И. В. Рождественский. М.: Колос, 1967 - 376 с.

93. Шефтер, Я.И. Ветроэнергетические агрегаты/ Я. И. Шефтер. М.: Машиностроение, 1972. - 288с.

94. Шымчак, П. Инновационные конструкции магнитных систем синхронных машин с постоянными магнитами/ П. Шымчак// Электричество. 2009. -№9. - С.37-44.