Исследование возможности применения трехфазного якоря с кольцевыми обмотками в электрических машинах малой мощности в условиях воздействия радиационных полей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат наук Малыгин, Игорь Вячеславович

• Малыгин, Игорь Вячеславович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Малыгин, Игорь Вячеславович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕЩАЮЩЕГОСЯ

ПЕРИОДИЧЕСКОГО РАЗНОИМЕННОПОЛЮСНОГО МАГНИТНОГО

ПОЛЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

1.1 Традиционные принципы формирования периодического

разноименнополюсного магнитного поля

1.2. Принципы формирования в электрических машинах переменного тока перемещающегося относительно воображаемой цилиндрической поверхности периодически изменяющегося разноименнополюсного магнитного поля

1.2.1. Традиционные принципы формирования перемещающегося относительно воображаемой цилиндрической поверхности периодически изменяющегося разноименнополюсного

магнитного поля

1.2.2. Нетрадиционный принцип формирования перемещающегося

поля в якоре электрических двигателей малой мощности

1.2.2.1. Особенности конструктивного исполнения магнитной системы и проводников якорной обмотки двигателя малой мощности

1.2.2.2. Распределение магнитного потока в магнитной системе асинхронного двигателя с кольцевыми обмотками

при синхронной частоте вращения ротора

2. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МОМЕНТА

СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ В СРЕДЕ АШУБ

2.1 Способ построения зависимости среднего значения тангенциальной

составляющей электромагнитной силы в среде АКБУБ

2.2. Сравнение среднего значения тангенциальной составляющей электромагнитной силы синхронного двигателя с кольцевыми обмотками и синхронного двигателя классической конструкции

2.3. Выводы по главе 2

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ УЧАСТКОВ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ И ЧИСЛА ЗУБЦОВЫХ НАКОНЕЧНИКОВ НА ЗУБЦОВОМ СЕРДЕЧНИКЕ ЯКОРЯ С КОЛЬЦЕВЫМИ ОБМОТКАМИ НА ТАНГЕНЦИАЛЬНУЮ СОСТАВЛЯЮЩУЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СИЛЫ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ

3.1. Введение

3.2. Определение номинальной величины МДС фазы якорной обмотки синхронного двигателя с кольцевыми обмотками

3.3. Исследование влияния высоты ярма на величину тангенциальной составляющей электромагнитной силы, действующей на полюс

3.4. Исследование влияния увеличения высоты зубцового наконечника

на величину тангенциальной составляющей электромагнитной силы

3.5. Исследование влияния расстояния между зубцовыми наконечниками на величину тангенциальной составляющей электромагнитной силы

3.6. Исследование влияния высоты зубцового сердечника на величину тангенциальной составляющей электромагнитной силы

3.7. Учет всех изменений участков магнитной цепи якоря с кольцевыми обмотками, оказавших положительное влияние на величину тангенциальной составляющей электромагнитной силы

3.8. Исследование влияния относительной длины якоря с кольцевыми обмотками на величину тангенциальной составляющей

электромагнитной силы

3.9. Удельное окружное усилие электрических машин

3.10. Конструкция магнитной системы опытного образца асинхронного двигателя с кольцевыми обмотками

3.11. Выводы по главе 3

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СИЛ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ЗУБЦОВЫЙ НАКОНЕЧНИК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ПАКЕТА ELCUT

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОЛЬЦЕВЫМИ ОБМОТКАМИ

5.1. Определение величины частоты вращения вала асинхронного двигателя с кольцевыми обмотками и его направления вращения

5.2. Снятие кривой холостого хода

5.3. Короткое замыкание асинхронного двигателя с кольцевыми обмотками

5.4. Снятие механической характеристики асинхронного двигателя

с кольцевыми обмотками

5.5. Определение параметров индуктивного сопротивления рассеяния

якоря асинхронного двигателя с кольцевыми обмотками

5.6. Параметры схемы замещения

5.7. Выводы по главе 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 - Последовательность команд для проведения расчета

синхронной машины в среде ANSYS

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 - Геометрические размеры классической синхронной машины мощностью 16 кВТ, частотой вращения 1500 об/мин,

напряжением 400 В

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 - Геометрические размеры магнитной цепи

синхронного двигателя с кольцевыми обмотками

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 - Геометрические размеры асинхронного двигателя

с кольцевыми обмотками

ПРИЛОЖЕНИЕ 5 - Результаты расчета распределения индукции в технологическом и рабочем зазорах АДКО сечении 3-5 и 10-12

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование возможности применения трехфазного якоря с кольцевыми обмотками в электрических машинах малой мощности в условиях воздействия радиационных полей»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность и степень разработанности темы исследования.

В современной ядерной энергетике в течение ряда последних лет наметился переход от открытого ядерного топливного цикла, предполагающего захоронение ядерных отходов и отработанного ядерного топлива, к замкнутому ядерному циклу, где большая часть радиоактивного материала перерабатывается и используется повторно.

Ядерная энергетика это один из важнейших секторов экономики России, в ближайшие годы её рост будет только увеличиваться вне зависимости от тенденций перехода на возобновляемые и альтернативные источники энергии. Согласно «Энергетической стратегии России на период до 2030 года» производство атомной энергии планируется увеличить в 2 раза к 2030 году.

Увеличение производства атомной энергии неизбежно повлечет за собой увеличение количества ядерных отходов, в связи с чем возникнет необходимость строить предприятия по переработке радиоактивных отходов.

Современная технология переработки отработанных тепловыделяющих сборок (ОТВС) и радиоактивных отходов (РАО) от ядерных реакторов атомных электростанций осуществляется в специальных радиационно-защитных камерах.

Одной из главных составных частей обрабатывающих установок в камерах являются электродвигатели малой и средней мощности с органической изоляцией, призванные работать в условиях воздействия радиационных полей и других экстремальных внешних факторов.

В условиях воздействия радиационных полей происходит интенсивное разрушение органической изоляции обмоток электродвигателей, что приводит к сокращению срока службы электродвигателей и, как следствие, к частым остановкам оборудования для ремонта или замены электродвигателей.

Для защиты от радиации электродвигатели выносят за защитную стену камеры, что приводит к применению в конструкции камер больших проходовс длинными передающими вращение валами и организации дополнительных помещений для размещения электродвигателей.

Дальнейшее развитие технологии переработки ОТВС и РАО предполагает непосредственное сопряжение электродвигателей и установок по переработке радиоактивных компонентов внутри радиационно-защитной камеры. Таким образом, главным требованием, предъявляемым к современным образцам электрических двигателей для атомной энергетики, является отсутствие органических изоляционных материалов в их конструкции.

В настоящее время на территории России производством асинхронных электродвигателей занимаются около 15 крупных предприятий. Однако для атомной промышленности электродвигатели более устойчивой конструкции производятся лишь некоторыми из них. Это предприятия: ОАО «Ярославский машиностроительный завод», ОАО «Уралэлектро», ОАО «Владимирский электромоторный завод» (Русэлпром), ООО «Баранчинский Электромеханический Завод».

Что касается зарубежных электродвигателей, двигатели для атомной промышленности на отечественном рынке представлены компаниями: ELANTASPDG (США), CompositeTechnologyDevelopment, (США), Toshiba, (Япония), Hitachi, (Япония), SIEMENS и другими.

На сегодняшний день и отечественные, и зарубежные производители электрических двигателей для увеличения их срока службы прибегают к усилению изоляции обмоточного провода всыпной обмотки, предназначенного для обмотки именно классических статоров электрического двигателя переменного тока малой и средней мощности. Предлагаются как гибридные (соединения неорганических веществ на органическом связующем), так и полностью неорганические типы изоляции. Цель применения данных материалов - достижение стабильных электроизоляционных свойств и долговечности при высоких температурах, высокой радиации. Радиационная стойкость предлагаемых неорганических материалов достигает 1017 рад, в то время как радиационная стойкость органических материалов составляет 109 рад [13-15]. Конструкции же магнитных систем двигателей практически никак не совершенствуются, что

приводит к ограничениям в использовании материалов, связанных с малой прочностью неорганической изоляции при деформации на изгиб.

Таким образом, можно заключить, что назрела необходимость разработки такой конструкции электродвигателя малой и средней мощности, которая позволила бы наиболее эффективно использовать неорганические изоляционные материалы.

Конструкцией электродвигателя, позволяющей максимально эффективно использовать неорганические изоляционные материалы, может стать конструкция якоря трехфазной машины переменного тока, выполненная по патенту [16].

Согласно [16], эффективное использование неорганических изоляционных материалов обусловлено кольцеобразной формой катушек обмотки якоря, что позволяет обеспечить равномерный изгиб по всей длине обмоточного провода и минимизировать механическое воздействие, оказываемое на него в процессе изготовления катушки. Вращающееся магнитное поле в рабочем воздушном зазоре при обмотке в форме кольцеобразных катушек, оси которых совпадают между собой и совпадают с осью вращения ротора, создается с помощью специальным образом организованной магнитной системы.

Известна конструкция электрических машин, в которой в качестве катушек обмотки якоря могут быть применены катушки кольцевого типа. Такой конструкцией является конструкция электрической машины с аксиальным потоком. Вопросы, касающиеся данного типа электрических машин, в открытой печати освещены достаточно широко [17-25]. Однако рассмотренная конструкция электрических машин имеет существенные отличия от исследуемой: в электрической машине с аксиальным магнитным потоком оси катушек обмотки якоря не совпадают с осью вращения ротора, но параллельны ей, и не совпадают между собой.

Известны конструкции электрических машин, в которых используются катушки кольцевого типа и оси фазных катушек совпадают между собой. К таким конструкциям относятся цилиндрические линейные электрические машины, теория, конструкции и методы расчета которых исследуются не одно

десятилетие [26-34]. Создание якорем магнитного поля с линейным перемещением относительно статора в цилиндрических линейных электрических машинах является основным отличием от исследуемой в диссертации конструкции якоря.

Тема разработки конструкций электрических машин малой мощности с кольцевыми обмотками, оси которых совпадают с осью вращения вала ротора и между собой, и магнитная система которых создает вращающееся относительно ротора магнитное поле, позволяющих максимально эффективно применять провода с неорганической изоляцией, освещена нешироко. Патентный поиск показал, что существуют отличные от исследуемой конструкции варианты электрических машин, такие как в патентах [35] и [36], в которых, благодаря конструкции обмотки, могла бы быть применена неорганическая изоляция. Данные конструкции статоров электрических машин так же имеют катушки обмотки кольцевого типа, однако каждая фаза обладает собственной магнитной системой, в то время как исследуемая конструкция обладает общей магнитной системой для всех mфаз. Так же в указанных патентах предлагаемые конструкции рассматриваются как конструкции синхронных машин. Исследуемая конструкция якоря, основанная на патенте [16], может быть использована как в синхронных, так и в асинхронных машинах.

Цель работы: моделированием и экспериментальным исследованием подтвердить или опровергнуть справедливость принципа формирования многополюсного переменного магнитного поля в электрической машине с кольцевыми обмотками при общей магнитной системе для всех фаз.

Задачи работы: создание способа расчета электромагнитного момента электрической машины с кольцевыми обмотками в пакете ANSYS,исследование влияния геометрических размеров элементов магнитной цепи якоря с кольцевыми обмотками на результирующий электромагнитный момент, расчет радиальных сил, действующих на зубцовые наконечники, разработка, изготовление и испытание экспериментального образца асинхронного двигателя с кольцевыми обмотками (АДКО), разработка рекомендаций по проектированию

электромагнитного ядра АДКО. Научная новизна работы:

1. Разработан способ расчета электромагнитного момента электрической машины с кольцевыми обмотками в пакете АКБУБ.

2. Определены рекомендуемые максимальные значения магнитной индукции по участкам магнитной цепи якоря с кольцевыми обмотками.

3. Разработан и экспериментально подтвержден способ подавления электромагнитных моментов от высших гармоник (кратные 5 и 7) в результирующей кривой электромагнитного момента асинхронного двигателя с кольцевыми обмотками.

4. Экспериментально подтверждена возможность создания заданного числа пар полюсов при минимально возможном числе катушек якорной обмотки, равном 2т.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Впервые разработан, изготовлен и испытан экспериментальный образец асинхронного двигателя с кольцевыми обмотками с фазной зоной п/3 и диаметральным шагом.

2. Предложен отличный от [16] способ уменьшения величин максимальных электромагнитных моментов высших нечетных гармоник (кратных 5 и7)путем формирования магнитной системы.

3. На основе удельного окружного усилия обоснована возможность применения рекомендованных значений индукции по участкам магнитной цепи якоря синхронной машины с кольцевыми обмотками к асинхронной машине с кольцевыми обмотками.

4. Разработаны рекомендации по проектированию АДКО.

Методология и методы исследований, проводимых в работе, основаны на численном моделировании электрических машин с применением таких компьютерных программ как БЬСиТ и АКБУБ, а также испытаниях электрических машин согласно ГОСТ 7217-87 и ГОСТ 11828-86.

Положения, выносимые на защиту:

1. Способ расчета электромагнитного момента синхронной машины с кольцевыми обмотками в программеANSYS;

2. Справедливость принципа формирования многополюсного переменного магнитного поля в электрической машине с кольцевыми обмотками при общей магнитной системе для всех фаз;

3. Возможность создания вращающегося поля заданной полюсности при минимально возможном числе катушек, равном 2m;

4. Способ, отличный от [16], уменьшения величин максимальных электромагнитных моментов высших гармоник путем формирования магнитной системы АДКО;

5. Рекомендации по проектированию АДКО.

Степень достоверности и апробация результатов. Расчеты, проведенные с помощью пакетов ELCUTи ANSYS, были проведены в лицензированных копиях продуктов. Точность используемых методик работы в данных пакетах подтверждена совпадением результатов расчета методом конечных элементов с известными примерами расчета классических электрических машин. Оборудование, используемое в ходе экспериментов, было поверено соответствующими службами. Испытания АДКО проводились согласно ГОСТ 7217-87 и ГОСТ 11828-86.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 8 конференциях: XII Международная научно-техническая конференция «Проблемы повышения эффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах», 2013 (Севастополь, 2013), Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», 2014 (Екатеринбург, 2014), Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии»,

2015 (Екатеринбург, 2015), IX Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (НТИ-2015), 2015 (Новосибирск, 2015),Международная научно-техническая конференция Пром-Инжинииринг-2016, 2016, ICIEAM-2016 (Челябинск, 2016), Первая научно-техническая конференция молодых ученых Уральского энергетического института, 2016 (Екатеринбург, 2016), Вторая научно-техническая конференция молодых ученых Уральского энергетического института, 2017 (Екатеринбург, 2017),2017 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), 2017 (Санкт-Петербург, 2017).

Основное содержание работы опубликовано в 4 рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК и вошедших в международные базы цитирования Бшрши Web of Science, а также в 8 публикациях в сборниках материалов и тезисов докладов конференций, подана заявка на патент.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и пяти приложений. Работа изложена на 179 страницах, включая 145 рисунков и 30 таблиц. Список использованной литературы включает 39 наименований.

1. ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕЩАЮЩЕГОСЯ ПЕРИОДИЧЕСКОГО РАЗНОИМЕННОПОЛЮСНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

Известны два принципа формирования периодически изменяющегося разноименнополюсного магнитного поля в электрических машинах переменного тока.

Первый принцип относится к случаю, когда среда, в которой предполагается формирование магнитного поля, в магнитном отношении однородна и удельная магнитная проницаемость в каждой точке рассматриваемой области равна, например, единице. В этом случае формирование периодически изменяющегося разноименнополюсного магнитного поля производится с помощью проводников с периодическим чередованием направлений тока в рядом расположенных проводниках, которые размещаются, например, на воображаемой цилиндрической поверхности, неподвижной в пространстве. Проводники со встречно направленным движением электронов соединяются в витки, катушки, катушечные группы, образуя фазу (рисунок 1.1).

1.1 Традиционные принципы формирования периодического разноименнополюсного магнитного поля

1

Рисунок 1.1 - Разноименнополюсные обмотки: а - барабанная обмотка; б -

тороидальная обмотка [37]

В общем случае витки с током, располагающиеся на поверхности воображаемого цилиндра, могут иметь произвольную форму (прямоугольника, трапеции, окружности и т.д).

При протекании электрического тока по фазе формируется чередующееся разноименнополюсное изменение индукции магнитного поля заданного направления в каждой точке с заданной амплитудой в плоскости, перпендикулярной оси вращения. Указанный принцип используется в синхронных машинах общепромышленного исполнения с целью создания поля возбуждения.

Проводники с током можно разместить на плоскости, например, вдоль произвольно расположенной линии. Проводники со встречно направленным движением электронов соединяются в витки, катушки, катушечные группы, образуя фазу. При протекании электрического тока по фазе формируется чередующееся линейное разноименнополюсное изменение магнитного поля. Данный способ размещения катушек фазы используется для создания поля возбуждения в синхронных машинах линейного исполнения.

Если проводники с током разместить на той же плоскости, но вдоль воображаемой окружности, и проводники со встречно направленным движением электронов соединить в витки, катушки, катушечные группы, образуя фазу, то при протекании тока по фазе формируется чередующееся разноименнополюсное изменение магнитного поля торцевого типа. Данный способ размещения катушек фазы используется для создания поля возбуждения в синхронных машинах торцевого исполнения.

Если на той же воображаемой цилиндрической поверхности разместить витки кольцевого типа с чередованием направлений тока в витках таким образом, чтобы геометрические оси витков совпадали с осью вращения воображаемой цилиндрической поверхности и проекция вектора плотности тока в каждом элементе проводника на ось вращения воображаемой цилиндрической поверхности равнялась нулю, то, как известно, генерируется магнитное поле,

однополярное (униполярное) относительно воображаемой поверхности и чередующееся относительно оси вращения.

Второй принцип получения периодически изменяющегося относительно, например, воображаемой цилиндрической поверхности разноименнополюсного магнитного поля относится к случаю, когда среда, в которой предполагается формирование магнитного поля, в магнитном отношении неоднородна и удельная магнитная проницаемость в каждой точке рассматриваемой области задается.

В рассматриваемой области выделяются объемы, где удельная магнитная проницаемость равна единице (например, воздух), и объемы (магнитные массы), где удельная магнитная проницаемость больше единицы (например, электротехническая сталь).

Известны конструкции магнитных систем электрических машин малой мощности, в которых чередующееся изменение разноименнополюсного магнитного поля заданного направления в каждой точке с заданной амплитудой получено с помощью одной катушки кольцевого типа и магнитных масс, охватывающих катушку с током [21]. Магнитная система выполнена когтеобразной формы. Геометрическая ось магнитной системы и геометрическая ось катушки совпадают с осью воображаемой цилиндрической поверхности, относительно которой создается переменнополюсное магнитное поле (рисунок

1.2).

Рисунок 1.2 - Когтеобразный магнитопровод и кольцевая обмотка [37]

1.2. Принципы формирования в электрических машинах переменного тока перемещающегося относительно воображаемой цилиндрической поверхности периодически изменяющегося разноименнополюсного

магнитного поля

1.2.1. Традиционные принципы формирования перемещающегося относительно воображаемой цилиндрической поверхности периодически изменяющегося разноименнополюсного магнитного поля

Согласно первого принципа формирования периодически изменяющегося разноименнополюсного магнитного поля в электрических машинах переменного тока для организации перемещающегося вокруг оси вращения, например, воображаемой цилиндрической поверхности разноименнополюсного магнитного поля, дополнительно размещают на воображаемой цилиндрической поверхности вдоль той же поверхности m-1 дополнительных фаз, где m - число фаз.

Конструкции витков, катушек, катушечных групп и схемы соединений соседних фаз геометрически симметричны и идентичны. Геометрическая ось каждой катушки фазы совпадает с осью симметрии магнитного поля, созданного данной катушкой, и перпендикулярна к оси вращения воображаемой цилиндрической поверхности.

Геометрические оси первых катушек соседних фаз сдвинуты в пространстве относительно друг друга на угол в 360/m электрических градусов. С помощью источника тока, например, m-фазного синхронного генератора, токи в дополнительных фазах сдвигаются относительно друг друга также на 360/m электрических градусов.

Такой принцип формирования перемещающегося относительно воображаемой цилиндрической поверхности периодически изменяющегося разноименнополюсного магнитного поля используется при создании вращающегося магнитного поля, например, в асинхронных двигателях общепромышленного исполнения.

Минимально возможное число катушек в таких обмотках равно pm, где p -число пар полюсов. Такую обмотку называют обмоткой барабанного типа.

Барабанную обмотку, развернутую на плоскости вдоль воображаемой линии, используют при создании линейно перемещающегося поля возбуждения в линейных машинах переменного тока.

Барабанную обмотку, развернутую на плоскости вдоль воображаемой окружности, используют при создании перемещающегося поля возбуждения в торцевых машинах переменного тока.

Для организации перемещающегося вдоль воображаемой цилиндрической поверхности разноименнополюсного магнитного поля, полученного с помощью размещения одной катушки кольцевого типа и чередования геометрии магнитных масс когтеобразной формы, можно использовать традиционный способ, например, вращение. Такой способ создания разноименнополюсного магнитного поля используется, например, в синхронных генераторах малой мощности для создания поля возбуждения, перемещающегося относительно статора, с целью создания электродвижущей силы в обмотках переменного тока.

1.2.2. Нетрадиционный принцип формирования вращающегося поля в якоре электрических двигателей малой мощности с кольцевыми обмотками

и общей магнитной системой для всех фаз

1.2.2.1. Особенности конструктивного исполнения магнитной системы и проводников якорной обмотки

Для электрических двигателей малой мощности, имеющих всыпные обмотки, в [16] предложен принцип создания перемещающегося вокруг оси вращения воображаемой цилиндрической поверхности разноименнополюсного магнитного поля путем размещения 2m катушек кольцевого типа и чередования геометрии магнитных масс различной конфигурации. Геометрические оси всех катушек кольцевого типа якорной многофазной обмотки совпадают с осью

вращения воображаемой поверхности, относительно которой создается перемещающееся разноименнополюсное магнитное поле. Магнитные массы охватывают каждую из катушек и имеют различную конфигурацию.

Правило размещения магнитных масс в пространстве относительно проводников с током кольцевого типа якорной обмотки статора и порядок сопряжения магнитных масс направлены на поэтапное преобразование типа перемещения магнитного поля якоря относительно воображаемой цилиндрической поверхности (ротора), а именно, линейного перемещения магнитного поля в ярме статора в винтообразное перемещение в зоне зубцовых сердечников и в круговое перемещение относительно воображаемой поверхности в зоне зубцовых наконечников.

На рисунке 1.3 показаны геометрические формы магнитных масс, размещение в пространстве и порядок их сопряжения для случая, когда число пар полюсов равно единице р = 1 и число катушек равно шести.

Геометрические формы магнитных масс имеют следующие виды: полый цилиндр (ярмо статора), криволинейная призма (зубцовый сердечник), сегмент полого цилиндра (зубцовый наконечник).

Рисунок 1.3 - Геометрические формы магнитных масс в пространстве и порядок их сопряжения при р = 1

Рисунок 1.4 - Геометрические формы магнитных масс в пространстве и порядок их сопряжения при р = 4

Согласно рисунку 1.3 второй зубцовый сердечник сдвинут по отношению к первому зубцовому сердечнику на 60 электрических градусов и на одну шестую осевой длины статора. Третий зубцовый сердечник сдвинут по отношению ко второму зубцовому сердечнику на 60 электрических градусов и на одну шестую осевой длины статора и т.д. Верхний (первый) и нижний (седьмой) сдвинуты относительно друг друга на 360 электрических градусов.

Первый зубцовый наконечник, первый зубцовый сердечник, ярмо статора и седьмой зубцовый сердечник сопряжены между собой и образуют короткозамкнутое магнитное кольцо. Второй зубцовый наконечник сдвинут по отношению к первому зубцовому наконечнику на 60 электрических градусов. Внутренние поверхности зубцовых наконечников сопряжены с воображаемой цилиндрической поверхностью, относительно которой формируется перемещающееся периодически изменяющееся разноименнополюсное магнитное поле. Внутренние поверхности зубцовых наконечников равны между собой.

На рисунке 1.4 представлено распределение зубцовых наконечников и зубцовых сердечников при числе пар полюсов р = 4 и шести катушках.

Схема соединений катушек кольцевого типа приведена на рисунке 1.5. На рисунке 1.6 показано размещение катушек фаз кольцевого типа относительно магнитных масс.

Для указанного случая и при любом числе пар полюсов минимальное число катушек трехфазной якорной обмотки с катушками кольцевого типа равно шести при построении шестидесятиградусной фазной зоны обмотки.

Рисунок 1.5 - Схема соединений катушек якорной обмотки статора

Рисунок 1.6 - Размещение катушек фаз кольцевого типа относительно магнитных масс

Необходимо отметить, что в статоре электрического двигателя классического исполнения малой мощности с однослойной трехфазной якорной обмоткой минимальное число катушек, размещенных в пазах статора, есть функция числа пар полюсов ^р) и равна: ^р) = 3р.

1.2.2.2. Распределение магнитного потока в магнитной системе асинхронного двигателя с кольцевыми обмотками при синхронной частоте вращения

ротора

На рисунке 1.7, а представлены в упрощенном виде силовые линии поля взаимоиндукции двухполюсного асинхронного двигателя с числом полюсов 2р = 2 и числом пазов на полюс и фазу q, равным единице д=1. Магнитное поле создано токами фаз трехфазной якорной обмотки статора асинхронного двигателя для случая, когда ток в фазе А равен току в фазе В и равен тока фазы С. На рисунке 1.7, а для удобства дальнейшего анализа введены обозначения зубцов статора как 71 - 76.

На рисунке 1.7, б представлены силовые линии поля взаимоиндукции двухполюсного асинхронного двигателя классической конструкции с числом пар

полюсов р = 1 и числом пазов на полюс и фазу q, равным единице q = 6, и для случая, когда ток в фазе А равен току в фазе В и равен У тока фазы С.

На рисунке 1.7, в представлены вектора магнитного поля двухполюсного асинхронного двигателя с числом пар полюсов р = 1 и числом пазов на полюс и фазу q, равным единице: q = 1, для случая, когда якорная обмотка выполнена с кольцевыми обмотками и когда ток в фазе А равен току в фазе В и равен У тока фазы С.

Как известно, магнитное поле в магнитной системе статора и ротора асинхронного двигателя классического исполнения является осесимметричным (рисунок 1.7, а-б).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Малыгин, Игорь Вячеславович, 2018 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Полтараков, Г. И.Замыкание ядерного топливного цикла в преодолении мирового дефицита энергоресурсов. Ч. 1. Современные оценки энергопотребления и энергоресурсов [Текст] /Г.И. Полтараков, Р.Е. Водянкин, А.В. Кузьмин // Известия Томского политехнического университета. - 2011. - Т. 319, № 4. -С. 13-16.

2. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года[Электронный ресурс] // URL: https://minenergo.gov.ru/node/1026 (дата обращения 13.02.2018).

3. Айметов, О. И.Импортозамещение электродвигателей [Электронный ресурс] / О.И. Айметов, А.Г. Логачёва, Ш.Р. Хасанов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». - 2016. - Т. 16, №4. - С. 32-28. URL: https://cyberleninka.ru/article/v/importozameschenie-elektrodvigateley (дата обращения 13.02.2018).

4. YinW., FlanaganK., ZhaoR., ArtusD., SiglerC., JiaX., HuangH. High temperature nanocomposite insulation for high power density machines[Электронныйресурс] // 2016 IEEE International Conference onDielectrics (ICD), Montpellier, France, 3-7 July 2016,DOI: 10.1109/ICD.2016.7547620, 2016 IEEE.

5. FabianiD., MontanariG. C., CavalliniA., SaccaniA., ToselliM.Nanostructured-coated XLPE showing improved electrical properties: Partial discharge resistance and space charge accumulation[Электронныйресурс] // Proceedings of 2011 International Conference onElectrical Insulating Materials (ISEIM), Kyoto, Japan, 6-10 Sept. 2011, DOI: 10.1109/ISEIM.2011.6826265, 2011 IEEE.

6. BanetL., CaminoG., CastellonJ., CoudercH., DelleaO., DreuillesN., EggenschwilerH., FrechetteM. F., FugierP., GaoF., MalucelliG., NigmatullinR., PlyhmT., PredaI., ReadingM. D., SavoieS., Schubert C., SimonH., ThompsonS., VaessenA.-F., Vanga BouangaC., VaughanA. S.Nano-structured hybrid sheets for electrotechnical high-power insulating applications: The sol-gel route[Электронныйресурс] // 2012 Annual Report

Conference onElectrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), Montreal, QC, Canada, 14-17 Oct. 2012, DOI: 10.1109/CEIDP.2012.6378931, 2012 IEEE

7. Ильин А.Н. Полимерцемент как электроизоляционный материал для электротехнических систем [Электронный ресурс] / А.Н. Ильин // Электротехнические системы и комплексы - 2015 - № 1 (26) - С. 25-27. URL https://cyberleninka.ru/article/v/polimertsement-kak-elektroizolyatsionnyy-material-dlya-elektrotehnicheskih-sistem (дата обращения 14.02.2018)

8. Проскурина В. Е. Синтез гибридных полимер-неорганических наносистем и их флокурирующие свойства [Электронный ресурс] / В.Е. Проскурина, Р.З. Тухватуллина, Р.Р. Фаизова, Е.Ю. Громова, Ю.Г. Галяметдинов // Вестник Казанского технологического университета - 2012 - Т.15, №22 - С. 55-57. URLhttps://cyberleninka.ru/article/v/sintez-gibridnyh-polimer-neorganicheskih-nanosistem-i-ih-flokuliruyuschie-svoystva (дата обращения 13.02.2018)

9. TanakaK. H., HiroseE., TakahashiH., AgariK., IeiriM., KatohY., MinakawaM., MutoR., SatoY., SawadaS., TakasakiM., ToyodaA., WatanabeH., YamanoiY., KatoK., SaitohY., SatohH., SatohY.,

YahataK.Radiation-Resistant Magnets for J-PARC [Электронныйресурс] // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.26, Issue: 4, June 2016, DOI: 10.1109/TASC.2016.2516648

10.Brechna H. Effect of Nuclear Radiation on Magnet Insulation in High-Energy Accellerators[Электронныйресурс] // IEEE Transactions on Nuclear ScienceVol. 12, Issue: 3, June 1965, DOI: 10.1109/TNS.1965.4323715

11.Kakuta T., Sekiguchi N., Horikoshi S., Yatsuhashi M., Sunazuka H., Fujiwara M. Heat and Radiation Resistant Cable for the Use on LMFBR [Электронныйресурс] // IEEE Transactions on Nuclear ScienceVol. 29,Issue 1, Feb. 1982, DOI: 10.1109/TNS.1982.4335939

12.Бараннов М. В. Нанооксидные материалы для повышения эксплуатационных характеристик машин переменного тока [Текст] / М.В.

Баранов, А.Р. Бекетов, В.И. Денисенко, А.Т. Пластун, А.Р. Гайфутдинов, Д.А. Луконин, Ш.Д. Гудаев // Труды Свердловского Научно-исследовательского института химического машиностроения. Серия: Оборудование для оснащения технологических производств. - 2013. - Вып. 20 (84) - С. 68-76.

13. Дубровский В. Б. Радиационная стойкость материалов. Справочник [Текст] / В.Б. Дубровский, П.А. Лавданский, Б.К. Пергаменщик, В.Н. Соловьев; под ред. В.Б. Дубровского. - М., Атомиздат, 1973 - 264 с.

14. Петров В. В. Радиационная стойкость изоляционных материалов магнитных систем ускорителей [Текст] / В.В. Петров, Ю.А. Пупков // Журнал технической физики. - 2016 - т 86, вып. 7 - С. 65-68

15.Милинчук В. К. Радиационная стойкость органических материалов: Справочник. [Текст] / В.К. Милинчук, В.И. Тупиков, Б.А. Брискман и др.; под ред. В.К. Милинчука, В.И. Тупикова. - М., Энергоатомиздат, 1986 - 272 с. - 3500 экз.

16. Пат. 2121207 Российская Федерация, МПК Н 02 К 1/16 Якорь многофазной электрической машины[Текст]/Пластун А.Т.; заявитель и патентообладатель Пластун А.Т. - № 96111144/09; заявл. 09.06.96; опубл. 27.10.98, Бюл. № 30.

17. Гайтов, Б. Х. Моделирование переходных процессов в аксиальном индукционном регуляторе [Текст] / Б.Х. Гайтов, В.И. Шипалов, М.Г. Гуйдалаев // Сб. трудов. 3 межвуз. науч.-техн. конф. - ЭМЭ-04. - Краснодар, 2004. - Т.2.-С.202-205.

18. Гайтов, Б. Х. Переходные режимы работы индукционных регуляторов аксиального типа[Текст] / Б.Х. Гайтов, М.Г. Гуйдалаев // Сб.тр. 4 межвуз. науч.-техн. конф. ЮРНК-05. - Краснодар, 2005. - Т.1. -С.177-182.

19.Ганджа, С. А. Вентильные электрические машины постоянного тока с аксиальным зазором. Анализ и синтез [Текст] // Сборник трудов Пятой конференции пользователей программного обеспечения САО_ЕЕМОтЬН, 21-22 апреля 2005 г. - М., 2005. - С. 372-376.

20.Ганджа, С. А. Многоуровневая оптимизация вентильных электрических машин постоянного тока с аксиальным воздушным зазором

(ВМАЗ)[Текст]// XXV Российская школа по проблемам науки и технологий, посвященная 60-летию Победы (г. Миасс, 21-23 июня 2005 г.): тез. докл./ Межрегион. совет по науке и технол. - Миасс, 2005. -С. 57.

21.Ганджа, С. А. Некоторые проблемы разработки САПР вентильных машин с аксиальным зазором [Текст] // XXV Российская школа «Итоги диссертационных исследований»: сб. науч. тр./ Рос. акад. наук. - М., 2005. -С. 386-393.

22.Федянин, А. Л. Анализ применения дисковой машины с магнитной связью двух роторов в составе оборудования ядерно-химической отрасли [Текст] / А. Л. Федянин, С. В. Леонов, О. П.Муравлев // Современные техника и технологии : материалы XIII Междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых учёных Томск, 26-30 марта 2007 г. / Томский политехн. ун-т. - Томск, 2007. - С. 346-347.

23. Федянин, А. Л. Исследование синхронного двигателя дискового типа со смещением полюсов[Текст] / А. Л. Федянин, А. В. Лялин, С. В. Леонов // Современные техника и технологии : материалы XII Междунар. науч.-практ. конф. студентов и молодых ученых, Томск, 27-31 марта 2006 г. / Том. политехн. ун-т. - Томск, 2006. - С. 297-300.

24.Леонов, С. В. Вопросы исследования трехмерного магнитного поля электрических машин с аксиальным магнитным потоком [Текст] / С.В. Леонов, А.Г. Каранкевич, О.П. Муравлев // Известия вузов. Электромеханика. - 2004.-№5.- С.8-13.

25.Леонов, С. В. Исследование математической модели двухроторного двигателя дискового типа[Текст] / С.В. Леонов, А.Л. Федянин, О.П. Муравлев // Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы: труды III Междунар. науч.-техн. конф., Екатеринбург, 27-29 сентября 2007 г. /Урал. гос. техн. ун-т-УПИ. - Екатеринбург, 2007. -С.196-199.

26.Байбаков М. С. Алгоритм управления цилиндрическим линейным вентильным двигателем с постоянными магнитами [Текст] / Байбаков М. С.,

Ключников А.Т., Коротаев А.Д., Шутемов С.В. // Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике. 2015. - Т.13. № 9. - С.184-189.

27.Байбаков М. С. Система управления цилиндрического вентильного двигателя возвратно-поступательного движения [Текст] / М.С. Байбаков, АД. Коротаев, А.Т. Ключников, С. В. Шутемов // Информационно -измерительные и управляющие системы. 2015. Т. 13. № 9. С 64-69.

28.Ключников А.Т. Моделирование цилиндрического линейного вентильного двигателя[Текст] / А. Т. Ключников, А. Д. Коротаев, С. В. Шутемов // Электротехника. 2013. № 11. С. 14-17.

29.Ключников А.Т. Цилиндрический линейный вентильный электродвигатель для погружного бесштангового насоса[Текст] / А.Т. Ключников, А.Д. Коротаев, Н.В. Шулаков, С.В. Шутемов // I Международная научно-техническая конференция «Автоматизаци в электроэнергетике и электротехнике», 24-25 сентября 2015 г., Пермь. С. 158-162.

30. Семенов В. В. Линейный асинхронный двигатель плунжерного насоса со вторичным элементом, совмещающем функции рабочего тела и управления: 05.09.01. - Электрические машины: Диссертация кандидата технических наук [Текст] / В.В. Семенов, Ур. федер. ун-т имени первого Президента России Б.Н. Ельцина. - Екатеринбург, 1982. 329 с.: ил.

31.Аипов Р. С. Математическая модель плунжерного насоса с цилиндрическим линейным асинхронным двигателем в приводе [Текст] / Р.С. Аипов, Д.Е. Валишин, Д.С. Леонтьев // Научный журнал КубГАУ -2014 - №96(02) - С. 1-11

32.Медведев В. В.Оптимальное проектирование линейного вентильно-индукторного двигателя с использованием генетического алгоритма[Текст] / В.В. Медведев // Известия вузов. Электромеханика - 2014 - №2 - С. 49-52

33. Пат. 2488936 Российская Федерация, МПК Н 02 К 41/025 Цилиндрический линейный асинхронный двигатель[Текст] / Соломин В.А., СоломинА.В., ЗамшинаЛ.Л., КостюковА.В., Костюков А.А.; заявители и патентообладатели Соломин В.А., Соломин А.В., ЗамшинаЛ.Л.,

КостюковА.В., Костюков А.А. - 2012108238/07; заявл. 05.03.2012; опубл. 27.07.2013, Бюл. № 21.

34. Пат. 2266607Российская Федерация, МПК Н 02 К 41/025

Цилиндрический линейный асинхронный двигатель для привода погружных плунжерных насосов [Текст] / Горяинов В.А., Коняев А.Ю., Горяинов А.Н., Газаров А.Г., Яковлев Е.Д.; заявитель и патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «Научно-производственная фирма «БИТЕК» - 2003101159/09; заявл. 15.01.2003; опубл. 20.12.2005, Бюл. № 35.

35. Пат. 2306657 Российская Федерация, МПК Н 02 К 21/24 Электрическая машина [Текст] / заявители Свиридов Г.М., Сеньков А.П., патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный научно-исследовательский институт им. акад. А.Н. Крылова» (ФГУП «ЦНИИ и. акад. Крылова») - № 2005137249/09; заявл. 30.11.05; опубл. 20.09.07, Бюл. № 26 - 6 с.: ил.

36. Пат. 2496213 Российская Федерация МПК Н 02 К 29/00 Машина с поперечным магнитным потоком (варианты)[Текст] / заявители Гиерас Я. Ф. (США), Розман Г. И. (США), патентообладатель Хамильтон Сандстранд Корпорейшн; пат. поверенный Хмаре М.В. - № 2011109113/07; заявл. 14.03.11; опубл. 20.10.13; Бюл. № 29 - 12 с.: ил.

37. Иванов-Смоленский А. В. Электрические машины: учебник для вузов [Текст]. В 2 т. Т. 1 / А.В. Иванов-Смоленский - 3-е изд., стереот. - М.: Издательский дом МЭИ, 2006 - 652 с.: ил. - 1000 экз. - ^N5-903072-52-6

38.Копылов И. П.Проектирование электрических машин: учебник для вузов [Текст] / И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин, Б.Ф. Токарев; под ред. И.П. Копылова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство Юрайт, 2011. - 767 с. - 1000 экз. - ^N978-5-9916-0904-3

39. Сергеев П. С. Проектирование электрических машин [Текст] / П.С. Сергеев, Н.В. Виноградов, Ф.А. Горяинов - 3-е изд., перераб. и доп. -М.: Энергия, 1970 - 632 с.: ил. - 10900 экз.