Исследование зонального токосъема и реакции якоря для повышения эффективности униполярных электрических машин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат наук Надкин Александр Каренович

• Надкин Александр Каренович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Надкин Александр Каренович

Введение

Общая характеристика работы

1 Обзор литературы по теории униполярных электрических машин

1.1 Развитие теории униполярных электрических машин

1.2 Токосъемы униполярных электрических машин

1.3 Реакция якоря в униполярных электрических машинах

1.4 Выводы по разделу 1 и задачи исследования

2 Исследование токосъемов униполярных электрических машин

2.1 Постановка задач, формулировка методов решения

2.2 Традиционный токосъем с медно-графитовыми щетками

2.3 Токосъем с металлическими волоконными щетками

2.4 Катящийся токосъем

2.5 Выводы

3 Выбор оптимального количества контактов в зональном токосъеме униполярной электрической машины

3.1 Постановка задачи

3.2 Расчетная модель и метод определения оптимального количества токоподводов

3.3 Результаты численно-аналитического расчета

3.4 Макетирование

3.5 Выводы

4 Исследование электромагнитного поля униполярной машины

4.1 Анализ реакции якоря и выбор наилучшего способа ее компенсации

4.2 Оценка влияния зубчатости воздушного зазора униполярной машины со

стержневыми обмотками на виброшумовые характеристики

4.3 Сравнение виброшумовых характеристик униполярной машины с характеристиками синхронной машины с постоянными магнитам

4.4 Выводы

Заключение

Список сокращений

Список литературы

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование зонального токосъема и реакции якоря для повышения эффективности униполярных электрических машин»

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследований

В диссертации рассмотрен ряд научно-технических решений по созданию униполярных электрических машин (УЭМ).

УЭМ имеют ряд преимуществ перед биполярными машинами постоянного тока, а именно высокое использование активных материалов, а значит меньший относительный вес при низких напряжениях, высокий КПД вследствие отсутствия потерь в стали на гистерезис и вихревые токи, простота конструкции, высокая термостойкость и долговечность. В отличие от большинства других типов электрических машин, униполярные изучены российскими и зарубежными специалистами не в полной мере, и существует необходимость для исследований в этой области электромеханики. Несмотря на очевидные преимущества УЭМ известен ряд проблем, связанный с их конструктивными особенностями.

Одной из таких проблем является устройство токосъема. Применение широко распространенной для электрических машин системы контактных колец и щеток не является подходящим, т.к. большие значения токов якоря при низких напряжениях, свойственных УЭМ, а также высокие скорости вращения негативно влияют на долговечность и надежность данного контактного аппарата. В условиях больших токов количество параллельно включенных щеток велико, а обеспечить равномерное распределение тока между ними из-за особенностей проводимости скользящего контакта довольно трудно. Это обстоятельство приводит к перегрузке отдельных щеток и выходу их из строя, поэтому надежность работы больших групп щеток невысока. Применение жидкометаллического токосъема позволяет решить многие недостатки щеточного. Однако в процессе работы жидкий металл может постепенно трансформироваться в порошкообразный материал, что препятствует работе машины. Разработка жидкометаллического

токосъема вызывает значительные трудности, так как исследования должны охватывать металлургические и химические явления, а также вопросы надежности. Сложность конструкции, дороговизна и технологические особенности ограничивают область применения жидкометаллического токосъема в частности для УЭМ малой и средней мощности. Поэтому возникает необходимость разработки нового улучшенного токосъема, удовлетворяющего требованиям, предъявляемым к униполярным электрическим машинам.

Другим важным вопросом изучения УЭМ является реакция якоря и способы ее компенсации. В литературе указывается на два основных способа: применение немагнитных промежутков в сердечнике статора и использование компенсационных обмоток. Для обоснования эффективности этих способов были проведены аналитические расчеты электромагнитных полей. Несмотря на существующие приближенные методики расчетов, моделирование электромагнитных полей с помощью метода конечных элементов позволяет провести расчеты с меньшим количеством допущений и получить более наглядные результаты.

Таким образом, анализ литературных источников и научно-исследовательских работ в области униполярных электрических машин позволяет сделать вывод о том, что имеется ряд вопросов, изученных недостаточно, а своевременно проведенное исследование может позволить устранить эти пробелы. Результаты проведенных научных исследований могут позволить решить востребованную практическую задачу разработки и создания эффективной УЭМ.

Степень разработанности темы диссертации

Впервые УЭМ были предложены П. Барлоу (1824 г.) и М. Фарадеем (1831 г.). Теоретические и прикладные проблемы, связанные с изучением, созданием и применением этих преобразователей энергии, решались многими отечественными и зарубежными исследователями. В работах М. Грукса, Е. Майерса, Д. Ватта, Е. Гигота, В. Ли и др. внимание уделялось особенностям униполярных генераторов. В работах П. Бёнинга, А. Камала, П. Клауди и др.

рассматриваются вопросы униполярных двигателей. Электромагнитными парадоксами, связанными с УЭМ, занимались Е. Кеннард, С. Барнетт, П. Мун, Д. Спенсер и др. В отечественной литературе следует выделить таких авторов как К.И. Шенфер, Б.И. Угримов, В.Ф. Миткевич, Л. А. Суханов, А.И. Бертинов, Б.Л. Алиевский, С.Р. Троицкий, В.В. Харитонов и др., работы которых содержат фундаментальные основы в области изучения и проектирования УЭМ. Среди исследователей вопросов подвижного токосъема следует выделить работу Кульман-Вильсдорф, которая положила начало исследованию волоконных металлических щеток. Подробно обзор литературы приведен в первом разделе диссертации.

Цель работы и задачи исследований

Целью работы является улучшение потребительских качеств униполярных электрических машин средней мощности, в частности энергоэффективности, виброшумовых характеристик, повышение надежности.

Цель работы достигается разработкой ряда научно-обоснованных технических решений в области конструкции активной части униполярных электрических машин: зонального токосъема и обмотки якоря.

Предмет и объект исследований

Объектом исследований является УЭМ, предметами - подвижный токосъем и реакция якоря.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1) Получены зависимости относительного сопротивления стальных роликов от частоты вращения и величины пропускаемого тока. Приведены результаты экспериментального исследования контактного сопротивления подвижных токосъемов.

2) Получена численно-аналитическая расчетная зависимость (формула), позволяющая определить сопротивления якоря дисковой УЭМ при любых размерах и материалах.

3) Показано, что только применение компенсационных обмоток УЭМ, в отличие от уменьшения РЯ посредством немагнитных вставок и проточек, позволяет улучшить характеристики УЭМ.

4) Для УЭМ средней мощности получена расчетная зависимость (формула) коэффициента, характеризующего виброперемещения УЭМ, от числа зубцов якоря.

Практическая ценность.

1) Предложены конструкции зонального токосъема униполярной электрической машины на основе зубчатых колес и тел качения.

2) Обоснован выбор оптимального количества токоподводов в зональном токосъеме дисковой УЭМ.

3) Предложено конструктивное исполнение компенсационной обмотки (КО) и обмотки якоря (ОЯ) УЭМ, позволяющее полностью скомпенсировать реакцию якоря.

4) Проведена сравнительная оценка виброшумовых характеристик УЭМ и синхронной машины с постоянными магнитами (СДПМ). Обоснован выбор конструкции КО и ОЯ.

Методология и методы исследований

В процессе решения поставленных задач в диссертационной работе использован комплексный подход исследования, основывающийся на законах теоретических основ электротехники, теории поля, электродинамики и электромеханики, элементах дифференциального и интегрального исчисления. Проведен анализ и обобщение данных научно-технической литературы. Использовалось моделирование с применением вычислительной техники. Для расчетов электромагнитных полей с применением метода конечных элементов использовались программные решения БЕММ. При решении трехмерной задачи растекания тока в катящемся токосъеме использовался программный комплекс Ашув. Правильность теоретических положений проверена экспериментально в лабораторных условиях и в процессе натурных исследований. Обработка

экспериментальных данных проводилась в программных комплексах ZETLab,

Mathcad и Excel.

Основные положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся:

1) Результаты экспериментального исследования и сравнительного анализа подвижных токосъемов. Новые конструкции токосъемов униполярных электрических машин на основе зубчатых колес и тел качения.

2) Результаты выбора оптимального количества контактов в зональном токосъеме УЭМ.

3) Результаты выбора конструктивного исполнения компенсационной обмотки и обмотки якоря УЭМ, позволяющего полностью скомпенсировать реакцию якоря.

4) Результаты сравнительной оценки виброшумовых характеристик УЭМ и СДПМ. Обоснование выбора конструкции КО и ОЯ исходя из улучшения ВШХ.

Степень достоверности и апробация результатов работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на:

1) II, III и V Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы создания космических систем дистанционного зондирования Земли», проходивших в АО «Корпорация «ВНИИЭМ» в 2014, 2015 и 2017 годах;

2) заседаниях секции №5 Научно-технического совета АО «Корпорация «ВНИИЭМ»;

3) заседаниях кафедры электромеханики ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕОРИИ УНИПОЛЯРНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

1.1 Развитие теории униполярных электрических машин

Развитие униполярных электрических машин (УЭМ) берет свое начало в XIX веке. В 1824 г. П. Барлоу предложил униполярный двигатель, а в 1831 г. М. Фарадеем был предложен униполярный генератор. На первых этапах униполярные машины развивались в качестве генераторов. В XX веке были построены первые промышленные образцы такими изобретателями, как Д. Неггерат (1904 г.), Б. Угримов (1910 г.), Б. Лямм (1912 г.). Одними из первых отечественных исследователей теории УЭМ являются К.И. Шенфер, В.Ф. Миткевич [49], а из зарубежных следует выделить Д. Ватта, П. Муна, Д. Спенсера. Подробный обзор работ по УЭМ начального этапа развития проведен в [5, 63]. Большой вклад в изучение УЭМ, а также в обобщение накопленной теории внес Л. А. Суханов, под редакцией которого в 1964 г. была выпущена работа [63]. В ней авторы описывают физические основы работы УЭМ, анализируют УЭМ с твердым и с жидкометаллическим токосъемами, приводят расчеты магнитной цепи и потерь в УЭМ, а также предлагают методику расчета униполярного генератора. Другим примером наиболее полного обобщения работ по униполярным машинам является книга [5], написанная А.И. Бертиновым, Б.Л. Алиевским и С.Р. Троицким и изданная в 1966 г. В своей работе авторы проводят исторический обзор развития УЭМ, дают определение УЭМ, изучают и сравнивают различные магнитные системы, анализируют особенности реакции якоря и предлагают способы ее компенсации, занимаются детальным изучением жидкометаллического подвижного токосъема и его особенностей, раскрывают основные вопросы расчета УЭМ, проводят сравнительный анализ различных конструкций УЭМ, одними из первых занимаются изучением двигательного

режима работы УЭМ, а также униполярного генератора без ферромагнитного магнитопровода, приводят результаты экспериментальных исследований УЭМ с жидкометаллическим токосъемом. Эти и некоторые другие результаты кратко изложены в работе [4], где также рассмотрены конструкции коллекторных УЭМ, обмотка якоря которых состоит из последовательно включенных стержней. ЭДС таких машин больше, чем у бесколлекторных, и равняется ЭДС одного стержня, умноженной на количество стержней. Также УЭМ упоминаются в [18]. В этой работе авторы затрагивают вопросы исследования и создания сверхпроводниковых УЭМ. Использованию сверхпроводимости в конструкции УЭМ уделяют внимание многие исследователи, работа [66] полностью посвящена этой проблеме. Отдельное внимание уделяется изучению ударных униполярных генераторов [19, 64, 65]. Кроме этого УЭМ часто упоминаются в общих книгах по электрическим машинам, а именно [26, 35, 36]. В [26] отмечается, что УЭМ отличаются от всех прочих машин постоянного тока тем, что в их якоре сразу генерируется ЭДС постоянного направления. Поэтому в них отсутствует преобразователь частоты, который имеется в том или ином виде во всех обычных разноименнополюсных машинах постоянного тока. В [35, 36] упоминается, что УЭМ обычно имеют 1 виток на роторе и как следствие являются низковольтными. Также авторами приводится конструкция УЭМ с повышенным напряжением, в которой часть щеток и контактных колец соединяется последовательно. Отдельное внимание авторы уделяют проведению аналогии между униполярной машиной и планетой Земля, представляя электромеханическую систему планеты в виде системы, состоящей из МГД-генератора и униполярного двигателя, совмещенных в одной сферической машине.

По теме униполярных машин защищено сравнительно большое количество диссертаций. Рассмотрим некоторые из них. В работе [46] исследуется сверхпроводниковый униполярный двигатель (СПУД) в составе привода гребной электрической установки [53, 54]. Автор отмечает такие преимущества униполярного электрического двигателя (УЭД) по сравнению с двигателем постоянного тока традиционного исполнения, как высокий КПД, отсутствие

потерь в стали и простота конструкции. Применение сверхпроводящей обмотки возбуждения в униполярном двигателе позволит существенно улучшить технические характеристики всей энергетической установки по ряду определенных параметров, таких как КПД, предел мощности и др. Помимо достоинств СПУД имеет и недостатки, такие как низкое питающее напряжение и сложность технического обслуживания щеточного токоподвода. Учитывая эти особенности, автор ставит целью в своей работе разработку математической модели прогнозирования показателей надежности СПУД и повышение эффективности сверхпроводниковой гребной электрической установки. В работе исследуется УЭМ цилиндрического типа со щеточным токоподводом из металлографитных композитных материалов и сверхпроводниковыми обмоткой возбуждения и обмоткой, компенсирующей реакцию якоря. В качестве альтернативного варианта предлагается конструкция УЭМ с жидкометаллическим токоподводом, который допускает по сравнению со щеточным значительное увеличение плотности тока в контакте, меньшее контактное электрическое сопротивление, возможность работы на более высоких скоростях. Недостатками данного типа токоподвода являются магнитогидродинамические эффекты при движении металла в магнитном поле, окисление контактов, сложность достижения надежной работы контакта при пуске и реверсе двигателя, химическая активность и токсичность жидких металлов. Для анализа надежности СПУД автор выделяет наиболее уязвимые его узлы, а именно сверхпроводниковый индуктор и сверхпроводниковую компенсационную обмотку, токоподвод, подшипниковый узел и обмотку якоря. С подробным анализом надежности СПУД и энергоустановки в целом можно ознакомиться в самой диссертации, а в данной работе приведем некоторые выводы: показана и обоснована актуальность и эффективность применения УЭМ в составе гребной электрической установки (ГЭУ); выявлено, что наименее надежным звеном в составе СПУД является щеточный токоподвод.

В работе [52] автор обосновывает актуальность использования сверхпроводников в составе электрических машин за счет того, что они

позволяют увеличить плотность тока на два порядка, а также создавать сильные магнитные поля с минимальными потерями мощности. Такие поля позволяют отказаться от использования ферромагнитного магнитопровода, тем самым добиться уменьшения веса машины. Целью работы являлось теоретическое и экспериментальное исследование сверхпроводниковой униполярной машины (СПУМ) в составе автономной тяговой электрической передачи. Проведен сравнительный анализ различных тяговых передач, в состав которых входят электрические машины различных типов. В результате этого анализа автор отмечает, что СПУМ с гладким цилиндрическим якорем являются наиболее предпочтительными в качестве тяговых электрических машин за счет их простоты конструкции и технологии изготовления, а также в отсутствии необходимости использования преобразователей частоты или выпрямителей в системе СПУГ-СПУД, которые необходимы в других системах (за исключением сверхпроводниковых коллекторных машин). Исследованы такие характеристики СПУГ как холостого хода, внешняя и регулировочная, которые представляют собой прямолинейные зависимости ввиду отсутствия ферромагнитного магнитопровода. Большая жесткость тяговых и скоростных характеристик СПУД по сравнению с традиционными двигателями постоянного тока (ДПТ) обусловливается малым электрическим сопротивлением полого якоря. Электромагнитный расчет СПУМ показал, что магнитная индукция внутри корпуса СПУМ может достигать 7^9 Тл, а на поверхности 4^5 Тл. Магнитные поля такой силы могут оказывать негативное воздействие на обслуживающий персонал и на элементы окружающих конструкций и аппаратуры, возникает необходимость их экранирования.

В последние годы сравнительно большое количество научных работ по униполярным машинам опубликовано иностранными издательствами [72, 78, 79, 80, 81, 88, 91, 92, 94,]. В [80] для изучения униполярных двигателей и генераторов и особенностей их применения приведено описание созданной в программной среде PSpice компьютерной модели УЭМ. В работе авторами детально анализируются явления, противодействующие вращению ротора двигателя, а

именно обратное напряжение, вихревые токи, момент инерции и трение в скользящем контакте. Учтены особенности работы в двигательном и генераторном режиме работы УЭМ. Используя результаты исследований Университета Миссури по винтовым пушкам и рельсотронам, которые используют подобные электромагнитные силы для линейных ускорений, определен максимум КПД униполярного двигателя. КПД зависит от многих переменных параметров и асимптотически приближается к 50%. Экспериментальные данные собраны и использованы для оценки точности компьютерного моделирования УЭМ. Представлены анализ чувствительности и оценка максимума КПД полученного из моделирования.

В статье [91] выделяется компактность УЭМ и возможность их использования в прямом электроприводе для водных транспортных средств. Также выделяется среди ключевых компонентов УЭМ токосъем, сверхпроводниковая обмотка и система энергопреобразования для питания двигателя требуемой электроэнергией, характеризующейся большим током и низким постоянным напряжением. Программа исследований ведется на «General Atomics» для военно-морских нужд. По этой программе построены испытательный стенд и униполярный двигатель на 3.7 МВт. Возбуждение двигателя осуществляется от сверхпроводящей обмотки (NbTi), токосъем щеточный. Несмотря на то, что в конструкции применены обмотки из соединения ниобия и титана, она пригодна для прямого перехода на высокотемпературные проводники, когда это станет практически осуществимо и экономически выгодно. Также в работе рассмотрены особенности создания и прогнозы для двигателя мощностью 19 МВт с точки зрения массогабаритных показателей.

В работе [92] указывается на перспективы использования сверхпроводниковых УЭМ в силовых установках на флоте и выделяются такие их преимущества, как тихая работа, высокие значения КПД и мощности. Подчеркивается, что из всех типов электромеханических преобразователей энергии, только УЭМ работает на чисто постоянном токе и производит в двигательном режиме очень гладкий электромагнитный момент, поскольку

пульсации магнитного поля, как и переменные токи, отсутствуют. Военно-морская лаборатория Аннаполиса указывает на большой интерес к УЭМ, основываясь на значительные достижения в двух наиболее ключевых технологий УЭМ - высокотемпературная сверхпроводимость и подвижный токосъем. Благодаря широкому развитию механических криогенных рефрижераторов стали доступны жидкие бескриогенные сверхпроводящие магниты. Магнитные системы, использующие бескриогенные технологии, были сохранены в сверхпроводящем состоянии на протяжении двух лет (18000 часов) без обслуживания. Развитие технологии создания сухих щеток из медных волокон и медной фольги ликвидировало необходимость в жидкометаллическом токосъеме, которая была присуща УЭМ ранних типов. Сверхпроводящие униполярные двигатели с использованием нового твердого токосъема сравнимы по размерам с УЭМ старых конструкций, в то время как их напряжение может быть увеличено от 200 до 2000 В. В результате рабочее напряжение УЭМ может быть сопоставимо с существующими электрическими машинами переменного тока. Достижения в этих ключевых технологиях и преимущества УЭМ на военном флоте указывают на оправданность исследований в области УЭМ.

Таким образом, проведя обзор литературы по рассматриваемой теме, можно сделать вывод, что основными вопросами в изучении УЭМ являются:

• использование эффекта сверхпроводимости и исследование УЭМ со сверхпроводниковыми обмотками [18, 46, 52, 66, 78, 81, 87, 92,];

• исследование ударных униполярных генераторов [19, 64, 65, 94];

• исследование способов подведения (снятия) тока к вращающемуся якорю [10, 15, 55, 21, 22, 47, 51, 57, 58, 60, 61, 67, 70, 71, 73, 74, 75, 76, 77, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 93];

• исследование влияния реакции якоря и способов его компенсации [5, 13, 14, 56, 17, 27, 49, 63].

Рассмотрим обозначенные вопросы подробнее. Использование эффекта сверхпроводимости имеет широкие перспективы применения, как в униполярных, так и в биполярных электрических машинах. Развитие сверхпроводниковых

машин сдерживает отсутствие материалов, обладающих нулевым электрическим сопротивлением в нормальных условиях. На сегодня наивысшая температура, при которой наблюдается данный эффект, может достигать 135 К. Применение системы охлаждения для поддержания такой температуры в составе электрических машин существенно усложняет их конструкцию.

Ударные униполярные генераторы обладают довольно ограниченной сферой применения, например, для питания установок типа «Токамак» для управляемого термоядерного синтеза. Ротор такого генератора используется как накопитель кинетической энергии, которая преобразуется в электроэнергию с высокими удельными показателями.

Проблемы токосъема и компенсации реакции якоря присущи УЭМ всех типов, поэтому их исследование является наиболее актуальной задачей.

1.2 Токосъемы униполярных электрических машин

Подвижный электрический контакт токосъемного аппарата - наиболее сложная часть УЭМ. В отличие от биполярных машин, в которых коммутация явная, с изменением направления тока в проводниках якоря, в УЭМ коммутация скрытая - внешняя цепь замыкается новыми элементарными проводниками. Якорь УЭМ представляет собой коммутатор из бесконечного количества элементов. Принципиальная необходимость коммутации в УЭМ вытекает из следующих соотношений для ЭДС и магнитного потока:

ёФ

e = -w я-— = const, (1.1)

я dt ' v ;

J edt = -J wя ёФв , (1.2)

^ e c

Ф в =--1 + —, (1.3)

где wR - число витков якоря, Фв - поток возбуждения, c - произвольная константа.

При поток Фв в неизменяющемся контуре цепи якоря должен был бы непрерывно возрастать по абсолютной величине с ростом времени t, что невозможно. Существуют и другие доказательства необходимости подвижного контакта [49].

Обычно токосъем в УЭМ может быть представлен двумя различными типами: система из щеток и контактных колец и жидкометаллический токосъем. Ввиду протекания в обмотке ротора токов, достигающих значений в десятки и сотни кА, применение обычных угольных или графитовых щеток не является целесообразным, т.к. они допускают весьма ограниченные плотности тока, составляющие приблизительно 30 А/см . Искрение и низкая механическая надежность приводят к большим потерям и быстрому выходу из строя. При токосъеме со щетками на основе графита в контакте возникают большие потери. Такие УЭМ не имеют преимуществ по сравнению с коллекторными машинами, и попытки создания УЭМ на напряжения 200^500 В не оправдались. Однако при

низких напряжениях УЭМ с массивным якорем и щеточным токосъемом могут обладать некоторыми преимуществами перед коллекторными машинами. Также проблема надежности щеточного токосъема заключается и в сложности обеспечения равномерного растекания по всем щеткам из-за особенностей проводимости подвижного контакта. Это приводит к перегрузке отдельных щеток и выходу их из строя. Если хотя бы одна из щеток выйдет из строя, то нарушится симметрия токосъема, возникнут уравнительные вихревые токи, которые приведут к сопутствующим потерям. Кроме этого, ток якоря будет распределяться по оставшимся щеткам, перегружая их. Все это приводит к резкому снижению эффективности и надежности машины. Для улучшения работы щеточного токосъема применяют водяное охлаждение и обдув, но эти меры не устраняют проблему полностью.

Максимальная скорость на щетках МГС-7 составляет 55 м/с, а плотность

4 2

тока 27^10 А/м . При повышенных скоростях нарушается устойчивость работы контакта из-за вибраций, и резко возрастают потери на трение, особенно при больших токах и значительных площадях поверхности контакта, обусловленных необходимой величиной плотности тока в контакте. Возникает необходимость разработки щеток, способных работать при повышенных плотностях тока. Известно, что при металлизации угольных волокон тонким слоем металла значительно улучшаются характеристики щеток. Угольная нить имеет диаметр 7 мкм, а слой серебра около 0.7 мкм. Основная идея состоит в том, что в щетках, изготовленных из нитей, получается значительно большее число мест контактов по сравнению с цельными щетками. Это позволяет увеличить плотность тока и уменьшить падение напряжения. В качестве результатов можно указать на плотность тока 90 А/см при окружной скорости контактного кольца до 20 м/с и падение напряжения 0.1 В для отрицательной щетки и 0.3 В для положительной. Есть основания полагать, что можно достичь плотности тока 100 ^ 150 А/см . К достоинствам щеток из угольных нитей следует также отнести малое давление, требующееся для их работы. Оно составляет 0.07 кг/см2, что позволяет уменьшить потери на трение [18].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Надкин Александр Каренович, 2017 год

/ /

1 /

1

/ \ (

1 ■

] / \

/

. / / I

т \

1 I 1 1/

\

К/

г

1 :

0 1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 И 12 13 14 е,

градусы

Рисунок 4.11 - График зависимости нормальной составляющей индукции на поверхности зубца статора УЭМ от угла поворота ротора

Значения радиальной магнитной силы для рассматриваемой задачи приведены на рисунке 4.12

Г, Н/м2 320000 310000 300000 290000 280000 270000 260000

е, градусы

Рисунок 4.12 - График зависимости радиальной магнитной силы Г от угла

поворота ротора УЭМ

Спектральный состав радиальной магнитной силы и коэффициента £ для рассматриваемой конструкции показаны на рисунке 4.13.

Н/м2

0

500000

400000

300000

200000

100000

1 ■

Н/м2

400

200 ■

0

С : 2 3 4 ? б ■ 3 9 V

2 3 45б"3? V

Рисунок 4.13 - Гармонический состав амплитуд радиальной магнитной силы и коэффициента ВШХ £ УЭМ

Сравнение рисунков 4.9 и 4.13 позволяет сделать вывод, что второй вариант более предпочтительный, т.к. имеет меньший уровень ВШХ. Это может быть объяснено тем, что во втором варианте количество сегментов больше и обмотка ближе к цельной проводящей втулке.

Проведём расчет ряда вариантов активных частей УЭМ для нахождения наилучшего соотношения числа пазов на статоре и роторе с точки зрения коэффициента ВШХ (Рисунок 4.14).

&

Н/м2 4000

3000

2000

1000

о

Рисунок 4.14 - Гистограмма коэффициентов ВШХ машин с различным количеством пазов на статоре и роторе для гармоник порядка V.

V

Из приведенной на рисунке 4.14 гистограмме следует, что коэффициент ВШХ уменьшается при увеличении количества пазов на роторе и практически не зависит от количества пазов статора Ъ\. Определим как именно ^ зависит от количества пазов ротора. Для этого рассмотрим график зависимости на рисунке 4.15.

&

Нм2 4000

3000

2000

1000

о

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ^

Рисунок 4.15 - График зависимости коэффициента ВШХ, характеризующего

виброперемещения, £ от количества зубцов ротора Опишем получившуюся функцию £(72), применив метод наименьших квадратов. Получим выражение (4.6).

= 0.692722 -164.972 +10149 (4.6)

Таким образом, получена зависимость (4.6), позволяющая определить коэффициент ВШХ для униполярных машин средней мощности в зависимости от количества пазов ротора. Из полученной зависимости следует, что для минимизации виброперемещений, вызванных радиальными магнитными силами, количество пазов на роторе следует выбирать как можно больше, в зависимости от технологических возможностей производства. При этом для максимизации магнитного потока были рассмотрены различные варианты геометрии зубцового деления, в результате было получено, что ширина паза и зубца должны примерно соответствовать отношениям 1/3 и 2/3.

к >

\ \

N

\

N ч

V N

к

4.3 Сравнение виброшумовых характеристик униполярной машины с характеристиками синхронной машины с постоянными магнитам

Рассматриваемый в сравнительном анализе СДПМ входит в состав электроприводов ряда герметичных электронасосов типа ГЭН, разрабатываемых и изготавливаемых АО «Корпорация «ВНИИЭМ» для паротурбинной установки корабля. Разработанные электронасосные агрегаты и их регулируемые электроприводы имеют лучшие массогабаритные, энергетические и виброшумовые показатели по сравнению с импортными аналогами [44]. Возбуждение этих двигателей осуществляется от постоянных редкоземельных металлов на основе неодим-железо-бор. Обмотка статора выполняется многополюсной для исключения формы колебаний статора с порядком <4 и с дробным числом пазов на полюс и фазу для исключения синхронных паразитных моментов. Основным специфическим требованием, предъявляемым к ГЭН, является снижение виброактивности двигателей, которое достигается за счет малых масс роторов, большого воздушного зазора, отсутствия пазов на роторе, применения специальных подшипников скольжения на основе карбида кремния. Мощности двигателей лежат в диапазоне 20-60 кВт, синхронные частоты вращения 1500 и 3000 об/мин, КПД 85-87%. В целях унификации все двигатели имеют стандартную форму листов статора и расточку статора диаметром 165 мм. На рисунке 4.16 представлена фотография СДПМ мощностью 60 кВт.

Рисунок 4.16 - фотография СДПМ

Проведем аналогичный расчет для СДПМ и определим радиальные магнитные силы, действующие на зубец статора. На рисунке 4.17 приведены результаты расчета магнитного поля СДПМ. При моделировании учитывались кривые намагничивания указанных материалов и свойства магнитов.

1.4Z5e+000 1.350е+000 1.2756+000 l.ZOOe+OOO l.lZ5e+000 1.050e+000 9.750е-001 9, ОООе-ОО 8.250e-Ü0 7.500е-00 б.750е-00 6.000е-00 5.Z50e-00 4.500е-00 3.750е-00 3.000е-00 Z.Z50e-00 1.500fr 001 7.500e-00Z <0.000е+000

>1.500е+000 1.425е+000 :1.350е+000 : 1.275е+000 :l.ZOOe+OOO :l.lZ5e+000 1.050e+QÜ0 9.750е-001 9.00Üe-00 L 8.Z50e-001 7.500e-001 6.750e-001 б.ОООе-001 5.Z50e-001 4.5006-001 3.750e-001 3.000e-001 Z.Z50e-001 1.500fr 001 7.500e-00Z

Density Plot: |Б|, Tesla

Рисунок 4.17 - Результаты расчета магнитного поля СДПМ

Зависимость нормальной составляющей магнитной индукции В в точке, лежащей в середине поверхности зубца статора, обращенной к воздушному зазору, от угла поворота ротора приведена на рисунке 4.18.

Дп,Тл

0е

1

0,8 0,6 0,4 0;2 0 -0,2 -ол -0,6 -0,8 -1

Рисунок 4.18 - График зависимости нормальной составляющей индукции на поверхности зубца статора СДПМ от угла поворота ротора

г =\ г

■

■

г__ _J 1 ___ ■

0 3 1 -с о- 9 э- у I: \0 к 0 /0- 3. т зь

Ьг л X ) 1 } Ч-

На рисунке 4.19 показан График зависимости радиальной магнитной силы Б от угла поворота ротора СДПМ.

250000 200000 150000 100000 50000 0

-50000

Г, Н/м2

V V г V Г V V / V / V V г

* т J - Е- т -V и- -V

о- - .....3 э- "6 э ; 9 0 и ,0 1; ¡0 и ю 2: 0 0 2' го 3( ю ^ 0 36

0°

о

Рисунок 4.19 - График зависимости радиальной магнитной силы Г от угла

поворота ротора СДПМ

Сравнение рисунков 4.11, 4.18, 4.12 и 4.19 позволяет заметить, что амплитуда изменения индукции в УЭМ в 20 раз меньше чем в СДПМ. (1.6Тл / 0.08Тл), а радиальной магнитной силы в 4.4 раз (220000 Н/м2 / 50000 Н/м2).

В результате расчета (рисунок 4.20) определено, что наибольшее влияние на коэффициенты ВШХ СДПМ оказывают вторая и третья гармоники радиальной магнитной силы. Значения коэффициентов второй и третей гармоники составляют 1842 и 435 соответственно.

Б, Н/м2

500000

400000

300000

0

200000

100000

_

I ЕЕ

_ —

1— — — - - —

- 1— — — — - - - -

_ А_ _ I~ _ _ _ _ _ _ _

_ 1_

— 1- — — — - - - - -

_ А_ - _ _ _ _ ___ _

— А-

" ТИ --- -

I ТИ _ _ _

-

— _ —

— — _

:: г =

1 л 1 .а. _

О 12.? 456-59 V ■ СДПМ ■ Уэм

4, Н/м2 1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

--- -1-

234^б"59v ■ СДПМ ■ УЭМ

Рисунок 4.20 - Сравнение радиальных магнитных сил Б (а) и коэффициентов амплитуд вынужденных колебаний (б) для СДПМ и аналогичной УЭМ

В случае выполнения активной части статора и ротора УЭМ гладкими пульсации векторов магнитной индукции и радиальных сил будут отсутствовать полностью, что означает полное отсутствие вибраций и шумов, вызванных магнитными силами. С другой стороны выполнение обмоток в виде медных

втулок приведет к увеличению немагнитного зазора и снижению магнитного потока в активной части машины. Для сохранения заданной мощности и момента габариты машины необходимо будет увеличить. Известны конструкции УЭМ, в которых магнитопровод служит и токопроводом, т.е. якорные и компенсационные токи протекают по стали. Поскольку электрическое сопротивление стали в нормальных условиях примерно в 7 раз больше чем у меди, а температурный коэффициент сопротивления в 1.4 раза, то электрические потери в такой УЭМ будут выше, по сравнению с УЭМ с медными обмотками. Таким образом, конструкция УЭМ с медными обмотками в виде стержней является наиболее оптимальной, и поэтому именно она стала объектом исследования в данном разделе.

Определим амплитуды вынужденных колебаний СДПМ и УЭМ по формуле (4.3).

Для УЭМ с количеством пазов z = 107:

Wy,M (в) = 5.9 -10-17 • cos 20 . (4.7)

Для СДПМ:

^СДяМ (в) = 2.4 -10-13 - cos 2в + 8.5 -10-14 - cos30 +1.9 -10-14 - cos40 + 4.1 -10-15 cos50 +

+ 3.4 -10-15 cos 6в +1.6 -10-16 - cos7в + 6.6 -10-16 - cos 8в + 2.7 -10-16 cos9в + (4.8)

+ 7.8 -10-17 cos100.

Таким образом, амплитуда вынужденных колебаний УЭМ, обусловленная зубчатостью и перемагничиванием, как минимум на 4 порядка меньше, чем в СДПМ. При рассмотрении радиальных магнитных сил СДПМ не учитывалось поле якоря, радиальные силы которого также окажут влияние на увеличение уровней ВШХ.

4.4 Выводы

1) Проведены расчеты электромагнитного поля и показателей ВШХ в униполярных машинах на базе современной вычислительной техники и программных средств.

2) Для полной компенсации реакции якоря предложены варианты конструктивных исполнений обмотки возбуждения и компенсационной обмотки УЭМ.

3) Для обоснованного выбора конструктивных исполнений компенсационной и якорной обмоток УЭМ, а также для выбора количества пазов и зубцов на статоре и роторе созданы расчетные модели на основе метода конечных элементов.

4) На языке программирования 1иа ПО Бетт предложены сценарии обработки результатов анализа магнитного поля для различного положения ротора относительно статора.

5) Наиболее оптимальнымым способом компенсации реакции якоря является применение якорной и компенсационной обмоток, выполненных в виде множества проводящих сегментов, расположенных сверху и снизу от воздушного зазора.

6) Проведенный сравнительный анализ показал, что даже при наличии зубчатости статора и ротора в УЭМ уровень вибраций и шумов остается ниже разноименнополюсной машины традиционной конструкции.

- 119 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Униполярным электрическим машинам начиная с 1824 года посвящено сравнительно большое количество работ отечественных и зарубежных авторов. Обзор литературы показал, что основные вопросы исследования таких машин связаны с подвижным токосъемом, компенсацией реакции якоря и применением сверхпроводниковых обмоток возбуждения. В отечественной литературе большое внимание уделялось жидкометаллическим токосъемам, несмотря на их недостатки, такие как сложность конструкции, инвазивность и др. Развитие теории металлических волоконных щеток позволило создать щетки, способные работать в условиях экстремально высоких плотностей тока без серьезного износа. Однако, отсутствие массового производства и дороговизна импортных аналогов делают их применение в составе УЭМ нерентабельным. Катящийся токосъем также способен функционировать в условиях высоких плотностей тока, однако литературы, посвященной его исследованию, крайне мало. Применение перечисленных способов и знаний явилось заметным шагом в развитии теории машин данного типа и позволило разнообразить конструкции УЭМ. Однако, отсутствует анализ, который позволил бы учесть все качества рассмотренных токосъемов в комплексе. Известно, что помимо кольцевого токосъема, возможно использование зонального, однако рекомендации по выбору оптимального количества контактов в зональном токосъеме отсутствовали. Важность расчета электромагнитного поля машины обусловлена тем, что это поле имеет сложное пространственное распределение, которое необходимо знать для изучения происходящий в машине электромагнитных процессов и уточнения вопросов расчета и конструирования машин. При расчетах принимался ряд допущений, например, об отсутствие гистерезисных явлений, о пренебрежении краевыми эффектами и неравномерностями распределения магнитных полей и др. Указанные задачи исследовались на основании решения системы уравнений электродинамики сплошных сред и применением понятия о скалярном потенциале магнитного поля. Применение метода конечных элементов и понятия

векторного магнитного потенциала для электромагнитных расчетов УЭМ позволяет избежать ряда допущений и приближенных коэффициентов и более наглядно и точно проводить моделирование и расчет электромагнитных процессов в машинах данного типа. Одним из наиболее важных преимуществ униполярных машин перед биполярными является пониженный уровень шумов и вибраций. В литературе неоднократно упоминается возможность исполнения якорной и компенсационной обмотки в виде стержневых медных сегментов. Применение таких обмоток влечет за собой пульсации магнитного поля в зубчатом воздушном зазоре и появление ряда пространственных высших гармоник. Оценка влияния зубчатости на виброшумовые характеристики машины не изучалась.

В результате проведенной работы был решен ряд научно-технических задач в области униполярных электрических машин и получены следующие выводы:

1. Проведен обзор и анализ отечественной и зарубежной литературы, в ходе которого были определены основные проблемы теории УЭМ и сформулированы научные задачи на исследования, а именно разработка нового токосъема УЭМ, определение оптимального количества контактов в зональном токосъеме УЭМ и разработка конструкции ОЯ и КО, позволяющей полностью скомпенсировать реакцию якоря.

2. Предложены конструктивные решения и исследованы основные узлы катящегося токосъема УЭМ, позволяющие передавать электроэнергию между якорем и внешней электрической цепью, отличающиеся простотой и малыми значениями электрического сопротивления.

3. Определено оптимальное количество контактов в зональном токосъеме УЭМ.

4. Предложен способ конструктивного исполнения активной части, позволяющий полностью скомпенсировать реакцию якоря в УЭМ. Это дает возможность уменьшить габариты обмотки возбуждения и наиболее эффективно использовать машину.

5. Проведена сравнительная расчетная оценка ВШХ УЭМ и СДПМ.

6. Созданы макеты отдельных элементов и всей УЭМ. Проведенные натурные эксперименты подтвердили адекватность полученных результатов, приведенных в предыдущих главах.

В результате проведённых исследований можно сделать вывод о перспективности разработки УЭМ, исследования волоконных щеток, определения уровней ВШХ УЭМ. Таким образом, в диссертации предложен комплекс новых научно обоснованных технических решений, имеющих существенное значение для разработки УЭМ, в частности, для УЭМ малой и средней мощности. Это позволило расширить диапазон применения этого типа машин.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВШХ - вибрационные и шумовые характеристики

ГЭУ - гребная электрическая установка

ДПТ - двигатель постоянного тока

ДУМ - дисковая униполярная машина

КО - компенсационная обмотка

КТ - катящийся токосъем

МДС - магнитодвижущая сила

МВЩ - металлические волоконные щетки

МКЭ - метод конечных элементов

ОВ - обмотка возбуждения

ОЯ - обмотка якоря

СДПМ - синхронный двигатель с постоянными магнитами СМПМ - синхронная машина с постоянными магнитами СПУГ - сверхпроводниковый униполярный генератор СПУД - сверхпроводниковый униполярный двигатель СПУМ - сверхпроводниковая униполярная машина УЭГ - униполярный электрический генератор УЭД - униполярный электрический двигатель УЭМ - униполярная электрическая машина ЦУМ - цилиндрическая униполярная машина

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Литература на русском языке

1. А.с. 1714260 СССР, МПК F16H55/18. Зубчатое люфтовыбирающее колесо / В.И. Фалдин, А.В. Веригин, Л.А. Скобелкин, Ю.М. Чибилев (СССР). №(21)4746016/28 ; заявл. 03.10.89, опубл. 23.02.92. Бюл. № 7.

2. А.с. 555474 СССР, МПК H 01 R 39/28. Щеткодержатель / B.C. Платов,

B. Г. Зайчиков (СССР). №(21)2195841/07; заявл. 03.12.1975, опубл. 25.04.1977. Бюл. № 15.

3. А.с. 678628 СССР, МПК H 01 R 39/28. Токосъемное устройство /

C.М. Кириллов, Г.А. Цветкова (СССР). №(21)2494776/24-07; заявл. 13.06.77, опубл. 05.08.79. Бюл. № 29.

4. Бертинов А.И. Специальные электрические машины. Источники и преобразователи энергии: Учеб. пособие для вузов. - В 2-х кн. Кн. 2 / А. И. Бертинов, Д. А. Бут, С.Р. Мизюрин др.; Под ред. Б. Л. Алиевского. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 368 с.

5. Бертинов А.И. Униполярные электрические машины с жидкометаллическим токосъемом / А. И. Бертинов, Б. Л. Алиевский, С. Р. Троицкий. - Москва ; Ленинград : Энергия, 1966. - 311 с.

6. Буль О.Б. Методы расчета магнитных систем электрических аппаратов: Магнитные цепи, поля и программа FEMM. - М.: Академия, 2005. - 336 с.

7. Волков Л.К. Вибрации и шум электрических машин малой мощности / Л.К. Волков, Р.Н. Ковалев, Г.Н. Никифорова, Е.Е. Чаадаева, А.К. Явленский - Л.: Энергия, 1979. - 206 с.

8. Воронкин В.А., Геча В.Я., Городецкий Э.А., Евланов В.В., Захаренко А.Б., Зубренков Б.И., Каплин А.И., Ледовской В.И., Склярова И.В., Смирнова Л.П., Шапиро М.Х. Вопросы электромеханики. Методы проектирования малошумных электрических машин // Сборник трудов № 103 НПП ВНИИЭМ. М.: Изд-во ФГУП «НПП ВНИИЭМ», 2006. - 178 с., ил.

9. Геча В.Я. Магнитоупругие колебания в электрических машинах. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: НПП ВНИИЭМ , 1997. - 270 с.

10. Геча В.Я. Определение контактного сопротивления для токосъема униполярной электрической машины / В.Я. Геча, А.Б. Захаренко, А.К. Надкин // Труды ВНИИЭМ «Вопросы электромеханики». - 2015. -Т. 145 с. 3 - 7.

11. Геча В.Я., Захаренко А.Б. Расчет характеристик магнитоэлектрических машин методом конечных суперэлементов // VII Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика и электротехника. Проблемы и перспективы» - с. 119 - 123. - Москва, 2009, 22 - 25 сентября.

12. Геча В.Я., Захаренко А.Б., Мизин А.И., Надкин А.К., Якубович М.А. Варианты выполнения токосъемных узлов, использующих катящийся контакт // Статья. Труды ВНИИЭМ «Вопросы электромеханики» -Том 155. М.: 2016, № 6 - с. 22 - 27.

13. Геча В.Я., Захаренко А.Б., Надкин А.К. Выбор конструкции компенсационной обмотки униполярной электрической машины для привода антенно-фидерной системы космического аппарата дистанционного зондирования земли // Тезисы докладов II Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы создания космических систем дистанционного зондирования Земли» - М., 2014 - с. 137 - 139.

14. Геча В.Я., Захаренко А.Б., Надкин А.К. Конструкция компенсационной обмотки униполярной электрической машины. Статья // Труды ВНИИЭМ «Вопросы электромеханики» - Том 139. М.: 2014, № 2 - с. 7 - 10.

15. Геча В.Я., Захаренко А.Б., Надкин А.К. Конструкция магнитоэлектрической униполярной микромашины // Статья. Труды ВНИИЭМ «Вопросы электромеханики» - Том 146. М.: 2015, № 3 - с. 3 - 8.

16. Геча В.Я., Захаренко А.Б., Надкин А.К. Основные расчетные соотношения для проектирования униполярного микродвигателя для привода антенно-фидерной системы // Тезисы докладов III Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы создания космических систем дистанционного зондирования Земли» - М., 2015 - с. 79 - 84.

17. Геча В.Я., Захаренко А. Б. Применение метода конечных суперэлементов для расчета электромагнитного поля магнитоэлектрической машины //

Труды НПП ВНИИЭМ «Вопросы электромеханики» - Том 106. М.: 2008 -с. 19 - 23.

18. Глебов И. А. Электрофизические проблемы использования сверхпроводимости / И. А. Глебов, Ч. Лаверик, В. Н. Шахтарин. - Л. : Наука: Ленингр. отд-ние, 1980. - 255 с.

19. Глухих В. А. Ударные униполярные генераторы / Глухих В. А., Баранов Г. А., Карасев Б. Г., Харитонов В. В. - Л. : Энергоатомиздат : Ленингр. отд-ние, 1987. - 169 с.

20. Голобков Г.В. Создание электроприводов главных насосов силовой паротурбинной установки / Г.В. Голобков, Л.А. Макриденко, А.П. Сарычев, М.Е. Коварский, В.В. Магин, К.Г. Маслов, И.Г. Трунов, Н.И. Швецов // Труды НПП ВНИИЭМ «Вопросы электромеханики» - Том 108. М.: 2009 - с. 5 - 8.

21. Гришин А. А. Анализ конструкции кольцевых токосъемных устройств / А. А. Гришин, Н.А. Смирнов, А.И. Харитонов // Вестник СибГАУ - 2014. -Н 5(57) с. 146-152.

22. Гришин А.А. Переходные сопротивления в кольцевом токосъемном устройстве // Научный альманах - 2016. Н 1-1(15) с. 415-417.

23. Жемчугов Г.А. Опыт комплексного проектирования электронасосов с особо жесткими требованиями по вибрации / Г.А. Жемчугов, А.И. Каплин // Труды НПП ВНИИЭМ «Вопросы электромеханики» - Том 110. М.: 2009 - с. 11 - 14.

24. Захаренко А.Б. Сопротивление короткозамыкающего кольца беличьей клетки асинхронного электродвигателя. / А.Б. Захаренко, Г.А. Семенчуков. // Электричество - 2003 - № 12 - с. 35-39.

25. Захаренко А.Б., Чернухин В.М. Применение метода конечных элементов для математического моделирования электрических машин с явнополюсными якорями // Красноярск. Научно-инновационный центр: В мире научных открытий. - 2010. - № 2(08). Часть 3. - с. 12 - 14.

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

27. Инкин А.И. Электромагнитные поля и параметры электрических машин. Учебное пособие. - Новосибирск : ЮКЭА, 2002. - 464 с.

28. Казаков, Ю. Б. Анализ и синтез конструкций электрических машин с учетом взаимного влияния физических полей / Ю. Б. Казаков, Ю. Я. Щелыкалов // Электротехника. - 2000. - № 8. - С. 16-20.

29. Казаков, Ю. Б. Конечно-элементное моделирование физических полей в электрических машинах : учебное пособие / Ю. Б. Казаков, Ю. Я. Щелыкалов; Министерство образования Российской Федерации, Ивановский государственный энергетический университет; под ред. В. П. Шишкина. - Иваново, 2001. - 100 с.

30. Казаков, Ю. Б. Совершенствование конструкций активных зон машин постоянного тока / Ю. Б. Казаков, Ю. Я. Щелыкалов // Труды IV международного симпозиума «ЭЛМАШ-2002». - М., 2002. - Ч. 1. - С. 8997.

31. Калий В.А. Совмещенная численная модель основного генератора и возбудителя авиационного синхронного генератора с электромагнитным возбуждением. / В.А. Калий, А.С. Щупаков // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета - 2016. - Т. 20, №4. - с. 80 - 83.

32. Каплин А.И. Эффективность применения регулирования частоты вращения для снижения вибраций электродвигателей и электромеханизмов // Труды НПП ВНИИЭМ «Вопросы электромеханики» - Том 118. М.: 2010

- с. 3 - 8.

33. Каплун А.Б. ANSYS в руках инженера: практическое руководство. / А.Б. Каплун, Е.М. Морозов, М.А. Олферьева - М.: Едиториал УРСС, 2003. -272 с.

34. Копылов И.П. Проектирование электрических машин : учебник для вузов.

- 4-е изд., перераб. и доп. - М.:Юрайт; 2011. - 767 с.

35. Копылов И.П. Справочник по электрическим машинам: В 2 т. - под ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. - Т. 1 - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 456 с.

36. Копылов И.П. Электрические машины: Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. - М.:Высш. шк.; Логос; 2000. - 607 с.

37. Корн Г. Справочник по математике (для научных работников и инженеров) / Г. Корн, Т. Корн - Москва : Наука, 1977. - 832 с.

38. Лазароиу Д. Шум электрических машин и трансформаторов / Д.Ф. Лазароиу, Н. Бикир - Москва : Энергия, 1973. - 271 с.

39. Лившиц П.С. Скользящий контакт электрических машин (свойства, характеристики, эксплуатация). М.: Энергия, 1974. - 272 с.

40. Лившиц П.С. Справочник по щеткам электрических машин. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 216 с.

41. Лившиц П.С. Щетки электрических машин - М.: Энергоатомиздат, 1989. -80 с.

42. Магин В.В. Особенности проектирования роторов малошумных синхронных двигателей с возбуждением от постоянных магнитов // Труды НПП ВНИИЭМ «Вопросы электромеханики» - Том 144. М.: 2015 - с. 3 -15.

43. Макриденко Л. А. Электрические машины для специальных применений / Л. А. Макриденко, А.П. Сарычев, М.Е. Коварский, В.В. Магин // Труды НПП ВНИИЭМ «Вопросы электромеханики» - Том 107. М.: 2008 - с. 16 -21.

44. Макриденко Л.А., Сарычев А.П., Думнов В.Н., Коварский М.Е., Портной Ю.Т. Герметичные электронасосы с малошумным регулируемым электроприводом на базе синхронного двигателя с постоянными магнитами для паротурбинных установок кораблей / Труды VIII Международной (XIX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2014 : в 2 т. - Саранск : Изд-во Мордов. унт-та, 2014.

45. Марков Е. Инженерные расчеты в Ма&саё 15: Учебный курс. - СПб.: Питер, 2011. - 400 с.

46. Марцынковский О.А. Прогнозирование показателей надежности сверхпроводникового униполярного двигателя (СПУД) и вопросы эффективности ГЭУ со СПУД : автореферат дис. ... канд. тех. наук : 05.09.03 /Марцынковский Олег Александрович. - СПб., 1995. - 24 с.

47. Мерл В. Электрический контакт : Теория и применение на практике / Перевод с нем. Е. Б. Камаева ; Под. ред. канд. техн. наук И. Е. Декабрун. -Москва ; Ленинград : Госэнергоиздат, 1962. - 81 с.

48. Митин ВВ. Электродвигатели бессальниковых гильзованных насосов с повышенными требованиями по вибрации / В.В. Митин, Г.Н. Смирнов, С.Н. Вахмистров , В.А. Сорокин // Труды НПП ВНИИЭМ «Вопросы электромеханики» - Том 108. М.: 2009 - с. 17 - 18.

49. Миткевич В.Ф. Магнитный поток и его преобразования - Москва : Ленинград : Издательство академии наук СССР, 1946. - 359 с.

50. Молотилов Б.В. Холоднокатанные стали / Б.В. Молотилов, Л.В. Миронов, А.Г. Петренко и др. - М.: Металлургия, 1989. - 168 с.

51. Мышкин Н.К. Электрические контакты / Н.К. Мышкин, В.В. Кончиц, М. Браунович - Долгопрудный : Интеллект, 2008. - 560 с.

52. Никитин В.В. Автономная тяговая электрическая передача со сверхпроводниковыми униполярными электрическими машинами : автореферат дис. ... канд. тех. наук : 05.09.03 / Никитин Виктор Валерьевич. - Петербургский ун-т путей сообщения. - СПб, 1996. - 25 с.

53. Пат. 2522750 Российская Федерация, МПК B63H 23/24. Тихоходный гребной электродвигатель с возбуждением от высококоэрцитивных магнитов непосредственного жидкостного охлаждения с электроснабжением и управлением от частотного преобразователя [Текст] Белов С. А., Калий В.А., Попелнуха Г.В., Савченко М.С.; заявитель и патентообладатель Российская Федерация, от имени котрой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России). - № 2012157018/11; заявл. 26.12.2012; опубл. 20.07.2014 Бюл. № 20.

54. Пат. 2573576 Российская Федерация, МПК B64D 41/00. Устройство электропитания постоянным током автономного транспортного судна [Текст] Калий В.А., Савченко М.С., Резниченко А.В., Скварский П.А.; заявитель и патентообладатель Калий В.А., Савченко М.С., Резниченко А.В., Скварский П.А. - № 2014121826/07; заявл. 29.05.2014; опубл. 20.01.2016 Бюл. № 2.

55. Патент на полезную модель РФ № 146918 Конструкция униполярной электрической машины с катящимися контактами. / В.Я. Геча,

A.Б. Захаренко, А.К. Надкин. № 2014121245, опубл. 20.10.2014. Бюл. № 29.

56. Патент на полезную модель РФ № 150209 Конструкция обмотки якоря и компенсационной обмотки униполярной электрической машины. /

B.Я. Геча, А.Б. Захаренко, А.К. Надкин. № 2014110526, опубл. 10.02.2015. Бюл. № 4.

57. Попов Д.И. Катящийся токосъем в машинах постоянного тока / Д.И. Попов, В.Д. Авилов // Известия Томского политехнического университета

- 2007. - Т. 311 Н. 4 с. 123 - 126.

58. Попов Д.И. Разработка и моделирование катящегося токосъема для коллекторных машин постоянного тока : автореферат дис. ... канд. тех. наук : 05.09.01 / Попов Денис Игоревич. - Томск, 2008. - 16 с.

59. Приступ А. Г. Исследование пульсаций момента синхронных магнитоэлектрических машин с дробными зубцовыми обмотками / А. Г. Приступ, Д. М. Топорков, А. Ф. Шевченко // Электротехника. - 2014.

- № 12. - С. 36-40.

60. Розанов Ю.К. Электрические и электронные аппараты : Учеб. для студентов вузов, обучающихся по направлению "Электротехника, электромеханика и электротехнологии" / Розанов Ю.К., Акимов Е.Г., Ведешенков Н. А. и др.; Под ред. Ю. К. Розанова. - 2. изд., перераб. и доп. -М. : Информэлектро, 2001. - 417 с.

61. Солонар Д.П. Некоторые результаты экспериментальных исследований подвижного плазменного термоэмиссионного контакта / Д.П. Солонар // Доклады независимых авторов. - 2012. - Н. 21 с. 138-143.

62. Сравнение возможностей аналитического и численного методов моделирования электрической машины / А. Ф. Шевченко, Г. Б. Вяльцев // Электротехника. - 2011. - № 6. - С. 20а-24.

63. Суханов Л. А. Электрические униполярные машины / Л. А. Суханов, Р. Х. Сафиуллина, Ю. А. Бобков ; Под ред. Л. А. Суханова ; Гос. ком. по электротехнике при Госплане СССР. - Москва : ВНИИЭМ. Отд-ние науч.-

техн. информации, стандартизации и нормализации в электротехнике, 1964. - 136 с.

64. Харитонов В.В. Переходные процессы в ударных униполярных генераторах / В. В. Харитонов, В. М. Юринов, О. А. Злобина. - М. : Атомиздат, 1980. - 189 с

65. Харитонов В.В. Ударные униполярные генераторы / В. В. Харитонов, Е. К. Слепцова. - М. : ЦНИИатоминформ, 1985. - 90 с.

66. Харитонов В.В. Униполярные электрические машины со сверхпроводящей обмоткой возбуждения / В. В. Харитонов, А. Ю. Корецкий ; Науч. ред. Б. Г. Карасев. - Ленинград : [б. и.], 1976. - 59 с

67. Хольм Р. Электрические контакты : Пер. с англ. / Под ред. д-ра техн. наук проф. Д.Э. Брускина и д-ра хим. наук А.А. Рудницкого. - Москва : Изд-во иностр. лит., 1961. - 464 с.

68. Шевченко А. Ф. Многополюсные синхронные машины с дробными q меньше 1 зубцовыми обмотками с возбуждением от постоянных магнитов / А. Ф. Шевченко // Электротехника. 2007. №9. С. 3-9

69. Шубов И.Г. Шум и вибрация электрических машин - Ленинград : Энергоатомиздат, 1986. - 208 с.

Литература на английском языке

70. Argibay N. Copper-beryllium metal fiber brushes in high current density sliding electrical contacts. / N. Argibay, J.A. Baresb, J.H. Keitha, G.R. Bournec, W.G. Sawyer // Wear - 2010 - Vol. 268 - pp. 1230-1236.

71. Ashok K. Bhargava. A New High Strength Copper-Tin-Zinc Alloy for Connectors and other Conductive Springs // Electronic Components and Technology Conference - 2000. - pp. 1139 - 1146.

72. Bianchini C. Homopolar generators: An overview / C. Bianchini, F. Immovilli, A. Bellini, E. Lorenzani, C. Concari, M. Scolari // IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE). - 2011. - pp. 1523 - 1527.

73. Brown L. A Study of Metal Fiber Brush Operation on Slip Rings and Commutators / L. Brown, D. Kuhlmann-Wilsdorf, W. Jesser // Proceedings of the 52nd IEEE Holm Conference on Electrical Contacts - 2006 - pp. 238 - 243.

74. Brown L. A Testing and Evaluation of Metal Fiber Brush Operation on Slip Rings and Commutators/ L. Brown, D. Kuhlmann-Wilsdorf, W. Jesser // IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies - 2008 - Vol. 31 -Issue 2 - pp. 485 - 494.

75. Chen J. Experimental Investigation of the Electrical Contact Characteristics in Rolling Contact Connector / Junxing Chen, Fei Yang, Kaiyu Luo, Yi Wu, Mingzhe Rong // IEEE Holm Conference on Electrical Contacts. - 2015. - pp. 235 - 240.

76. Chen J. Numerical Research on the Electrical Contact Model and Thermal Analysis of the Roll-Ring / Junxing Chen, Mingzhe Rong, Fei Yang, Yi Wu, Hao Sun, Yun Yang // 2nd International Conference on Electric Power Equipment. - 2013. - pp. 1-4.

77. Coffo M. I. R. Modeling of the contact resistance and the heating of the contact of a multiple brush projectile for railguns with the final element code ANSYS / M. I. R. Coffo, J. Gallant // IEEE Pulsed Power Conference - 2009 - pp. 753 -756.

78. Crapo A.D. Homopolar dc motor and trapped flux brushless dc motor using high temperature superconductor materials / Alan D. Crapo, Jerry D. Lloyd // IEEE Transactions on Magnetics - 1991. - Vol. 27, N. 2 - pp. 2244-2247.

79. Engel T.G., Kontras E.A. Analysis and Design of Homopolar Motors and Generators // International Symposium Electromagnetic Launch Technology (EML). - 2014

80. Engel T.G., Kontras E.A. Modeling and Analysis of Homopolar Motors and Generators // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2015. - Vol. 43, N5. - pp. 1381-1386.

81. Hazelton D.W. HTS Coils For The Navy's Superconducting Homopolar Motor / Generator / D.W. Hazelton, M.T. Gardner, J.A. Rice, M.S. Walker, C.M. Trautwein, P. Haldar // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. -1997. - VOL. 7, N. 2 - pp. 664-667.

82. Kuhlmann-Wilsdorf D. Commutation with metal fiber brushes / D. KuhlmannWilsdorf, D. Alley // Proceedings of the Thirty Fourth Meeting of the IEEE Holm Conference on Electrical Contacts - 1988 - pp. 239 - 246

83. Kuhlmann-Wilsdorf D. Electrical fiber brushes-theory and observations / IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology: Part A - 1996 - Vol 19 - Issue 3 - pp. 360 - 375.

84. Kuhlmann-Wilsdorf D. Gold fibre brushes Their promise for future high-techology applications / Gold Bull - 1983 - N 16 - pp. 12-20.

85. Kuhlmann-Wilsdorf D. Uses of theory in the design of sliding electrical contacts / Proceedings of the Thirty-Seventh IEEE HOLM Conference on Electrical Contacts - 1991 - pp. 1 - 24.

86. Makel D.D. Improved sliding electrical brush performance through the use of water lubrication / D. D. Makel, D. Kuhlmann-Wilsdorf // Proceedings of the Thirty-Eighth IEEE Holm Conference on Electrical Contacts - 1992 - pp 149 -155.

87. McNab I. R. Carbon-fibre brushes for superconducting machines / I.R. McNab, G.A. Wilkin // Electronics and Power - 1972 - Vol. 18 - Issue 1 - pp. 8 - 11.

88. Raeymaekers B. A study of the brush/rotor interface of a homopolar motor using acoustic emission / B. Raeymaekers, D.E. Lee, F.E. Talke // Tribology International - 2008 - N 41 - pp. 443-448.

89. Reichner P. High Current Tests of Metal Fiber Brushes / IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology - 1981 - Vol. 4 - Issue 1 - pp. 2-4.

90. Slepian R. High-Current Brushes, Part V: Subdivided Monolithic Brushes at Very High-Current Levels / IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology - 1980 - Vol. 3 - Issue 1 - pp. 56 - 62.

91. Thome R.J. Homopolar Motor Technology Development / R.J. Thome, W. Creedon, M. Reed, E. Bowles, and K. Schaubel // IEEE Power Engineering Society Summer Meeting. - 2002. - pp. 260 - 264.

92. Walters J.D. Reexamination of Superconductive Homopolar Motors for Propulsion / J.D. Walters, N.A. Sondergaard, J. Levedahl, D.J. Waltman, E.M. Golda, T.H. Fikse, // Naval Engineers Journal - 1998. - Vol. 110, N 1 - pp. 107116.

93. Zhou K.C. Tribological behavior of brass fiber brush against copper, brass, coin-silver and steel / Ke-Chao Zhou, Jin-Kun Xiao, Lei Zhang, Xin-Lin Xie, Zhi-You Li // Wear - 2015. - N 326 - pp. 48-57.

94. Zowarka R. Commercially Viable Homopolar Pulsed Power System / R. Zowarka, B. Rech // IEEE Pulsed Power Conference (PPC). - 2015-pp. 1-6.

Приложение Расчет униполярной электрической машины

1. Исходные данные

3

Мощность генератора Pl := 20 10 Вт

Частота вращения п := 4000 об/мин

Число пар полюсов p := 1

Конструкция показана на рисунке 2.29 б)

2. Основные расчетные соотношения

Для определения электрических величин генератора используем систему уравнений:

P1=2p*Uя*Iя (1)

Uя=E-Iя*Rя-Iя*Rко-Ux (2) E=Ф5*n/60 (3)

где ия, !я - напряжение и ток якоря под одним полюсом; Rя - полное сопротивление якоря под одним полюсом;

Rко - полное сопротивление компенсационной обмотки под одним полюсом; Е - ЭДС под одним полюсом;

Ц - падение напряжения на токосъеме под одним полюсом; Ф5 - магнитный поток в воздушном зазоре. Величина Ф5 определяется из электромагнитного расчета (Рисунок_П1).

Рисунок_П1

1 - статор, 2 - ротор, 3 - обмотка возбуждения

Ф§ := 0.107 Б§ := 0.811 Ф§ п

Е :=

60

= 7.133

Вб Магнитный поток в зазоре Тл Индукция в зазоре

В ЭДС

3. Сопротивления токоведущих частей якорной цепи Сопротивление обмотки якоря:

количество сегментов якоря под одним полюсом Zя := 119

удельное сопротивление меди при 115 оС рм := 0.02

Ом мм

2

м

длина сегмента якоря

1я1 := 9810

м

площадь поперечного сечения сегмента якоря

Sя1 := 20 3 = 60

мм

сопротивление 1 сегмента якоря

*я1 _ 5

Rя1 := Рм ~ = 3-267 х 10 5

м Б

Ом

я1

R„

сопротивление якоря под одним полюсом

Сопротивление компенсационной обмотки:

^я1 _ 7 ^ :=-= 2.745 х 10 7 Ом

я

Ъ

я

количество сегментов КО

Ъко := 119

1ко1 := 0.098 м

длина сегмента КО площадь поперечного сечения сегмента КО Бко1 := 60

сопротивление 1 сегмента КО

мм

сопротивление КО под одним полюсом

Сопротивление соединительных шин: количество параллельных участков шин