Электромеханические структуры сложных конфигураций

Н. М. Шайтор







ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ СЛОЖНЫХ КОНФИГУРАЦИЙ



Монография

























Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.313:51-7
ББК 31.261
     Ш17

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник Института природно-технических систем (г. Севастополь) Олейников А. М.; доктор технических наук, профессор, профессор кафедры физики и оптотехники ФГБОУ ВО Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова (г. Ижевск) Алексеев В. А.


     Шайтор, Н. М.
Ш17 Электромеханические структуры сложных конфигураций : монография / Н. М. Шайтор. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. -168 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1264-3

           Рассматриваются проблемы повышения эффективности преобразования энергии в структурах со сложной конфигурацией электромагнитного ядра. Приведены объектно-ориентированные модели, методы и алгоритмы расчета электромеханических устройств с сосредоточенными электрическими и распределенными магнитными системами. Рассмотрено влияние тепловых и электромагнитных процессов на эффективность асинхронных двигателей с двухслойной структурой ротора.
           Для научных и инженерно-технических работников, проявляющих интерес к нетрадиционной электромеханике, а также для преподавателей, аспирантов и студентов, специализирующихся в области электроэнергетики и электротехники.

                                                       УДК 621.313:51-7
                                                       ББК 31.261









ISBN 978-5-9729-1264-3

     © Шайтор Н. М., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

                ОГЛАВЛЕНИЕ





ВВЕДЕНИЕ....................................................5
ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ........................7
  1.1. Требования к электромеханическим преобразователям в различных областях применения.......................................7
  1.2. Генетическая концепция развития электромеханических структур.12
  1.3. Синтез при проектировании электромеханических преобразователей.21
ГЛАВА 2. АКСИАЛЬНО-РАДИАЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ.....................25
  2.1. Структурный синтез на основе электромагнитного ядра.25
  2.2. Аксиально-радиальные конфигурации структур...........28
  2.3. Эффективность магнитной коммутации...................33
  2.4. Элементы цепей с магнитной коммутацией..............38
  2.5. Эскизное проектирование электромагнитного ядра.......43
  2.6. Главные размеры аксиально-радиальной структуры.......48
  2.7. Оценка параметров оптимизации и факторов влияния....53
ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ..............................................60
  3.1. Динамика бегущей волны с фиксированными концами.....60
  3.2. Структурный синтез волновых систем..................61
  3.3. Объектно-ориентированная модель волновой системы....68
ГЛАВА 4. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СЛОЖНЫХ
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СТРУКТУР........................................75
  4.1. Характеристика комплексного метода параметрического синтеза..75
  4.2. Методы и алгоритмы расчета электромагнитного ядра............79
  4.3. Анализ параметров оптимизации и факторов влияния....85
  4.4. Полный факторный численный эксперимент..............90
  4.5. Оптимизация сложных электромеханических структур....96
ГЛАВА 5. АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ С ДВУХСЛОЙНОЙ СТРУКТУРОЙ РОТОРА.........................................101
  5.1. Обзор асинхронных двигателей с различными роторами.101
  5.2. Нагревание и охлаждение асинхронных двигателей...............106

3

  5.3. Тепловые сопротивления асинхронных двигателей.........111
  5.4. Средние температуры структурных элементов.............117
  5.5. Температурное поле двухслойного ротора................120
ГЛАВА 6. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДВУХСЛОЙНЫХРОТОРОВ...........................................123
  6.1. Магнитные характеристики в однородных температурных полях.123
  6.2. Модель наведенной температурной магнитной анизотропии.127
  6.3. Наведенная анизотропия активной структуры ротора......131
  6.4. Эффективные режимы работы двухслойных роторов.........135
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................144
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.....................146
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.............................147
ОБ АВТОРЕ....................................................165

4

                ВВЕДЕНИЕ





     В настоящее время в различных областях человеческой деятельности все шире применяются технологии электромеханического преобразования энергии. В течение значительного исторического промежутка времени электромеханические преобразователи (ЭМП) были представлены в основном машинами вращения цилиндрического типа. Электрическая и механическая части такого привода представляют собой отдельные конструкции, соединенные валом, а для согласования их рабочих характеристик широко используются разнообразные механические, гидравлические, электромагнитные и другие виды передач. С внедрением в электромеханику электроники и цифровых технологий возникла возможность реализации сложных видов движения рабочих органов, исключающих промежуточные передачи, которые снижают эффективность преобразования энергии, увеличивая массогабаритные показатели, шумы и вибрации, потери на трение.
     Решение этой проблемы привело к созданию принципиально новых, интегрированных конструкций ЭМП, отличительной особенностью которых стало взаимное проникновение электрической и механической частей друг в друга. В общем случае такое устройство представляет собой заданную пространственную композицию механической части со встроенной в нее электрической машиной, представляющей собой электромеханическую структуру сложной конфигурации. Методы расчета традиционных электрических машин и приводов здесь не получили применения в виду того, что электромагнитное ядро имеет иное пространственное направление магнитного потока и, в отличие от традиционных машин, содержит распределенную электромеханическую и электромагнитную структуру, конфигурация которой в каждом случае является индивидуальной.
     Монография посвящена разработке и обобщению методов и алгоритмов для осуществления синтеза электромеханических структур сложной конфигурации, обладающих максимальной удельной мощностью, минимальными массогабаритными показателями и минимальной стоимостью.
     В настоящее время все больше внимания уделяется математическому моделированию технических систем. Этот подход применяется и в данной работе, так как в процессе оптимизации требуется решение большого количества алгоритмических задач, включая полевые задачи и задачи параметрического синтеза. Необходимость создания математических методов, алгоритмов и программных средств, для исследования и оптимизации ЭМП, представленных электромеханическими структурами сложной конфигурации, продиктова

5

но тем, что экономия и повсеместный учет энергетических ресурсов становится одним из главных приоритетов государственной политики.
     Исследованию электрических машин посвящены работы И. П. Копылова, И. М. Постникова, О. Д. Гольдберга, А. И. Вольдека, А. В. Иванова-Смоленского, Г. А. Сипайлова. Особенности специальных электрических машин рассмотрены в работах А. И. Бертинова, Д. А. Бута, Р. П. Жежерина, М. М., Алексеевой, А. Г. Никитенко, С. Г. Герман-Галкина. Значительный вклад в разработку математических моделей новых электрических машин внесли научные коллективы, возглавляемые профессорами Беспаловым В. Я., Казаковым Ю. Б., Олейниковым А. М. Существенный вклад в создание школы генетической электромеханики внес профессор Шинкаренко В. Ф. Особое место в разработке машин с магнитной коммутацией занимают труды профессора А. А. Афонина. Вопросы синтеза электромагнитных систем, оптимизации параметров и характеристик электрических машин рассматриваются в работах Ставинского А. А., Рябухи В. И., Забудского Е. И., Заблодского Н. Н. и других авторов. При этом в отечественной и зарубежной литературе недостаточно представлены работы, в которых системно и комплексно исследуются вопросы повышения эффективности электромеханических структур сложных конфигураций.
     В работе приведены объектно-ориентированные модели, методы и алгоритмы расчета электромеханических устройств с сосредоточенными электрическими и распределенными магнитными системами. Рассмотрено влияние тепловых и электромагнитных процессов на эффективность асинхронных двигателей с двухслойной структурой ротора.
     Монография предназначена для научных и инженерно-технических работников, проявляющих интерес к нетрадиционной электромеханике, а также для преподавателей, аспирантов и студентов, специализирующихся в области электроэнергетики и электротехники.

6

                ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
                И ОПТИМИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ




        1.1. Требования к электромеханическим преобразователям в различных областях применения

    Проектирование электрооборудования производится на основании предъявляемых к нему технических требований. В большинстве случаев электрические приводы рекомендуется разрабатывать для систем переменного трехфазного тока напряжением 380 В частотой 50 Гц. В специфических областях могут применяться и другие требования. Например, для судов с динамическими принципами поддержания снижение масс и габаритных размеров является определяющим, поэтому их системы рекомендуется проектировать на переменном трехфазном токе напряжением 220 или 380 В, частотой 400 Гц, и использовать специальное малогабаритное и облегченное оборудование [47, 53, 62, 86, 118, 120, 146].
    К ЭМП предъявляются соответствующие требования по взрыво- и пожаробезопасности, надежности, удобству технического обслуживания, качеству электрической энергии, конструктивные требования, а также требования по унификации и стандартизации. В качестве нормированной температуры, при которой гарантируются номинальные данные электротехнических устройств, должна приниматься температура 45 °C. Защитные аппараты электротехнических устройств и изделий должны срабатывать в аварийных режимах до наступления опасного для изоляции превышения температуры [164, 203].
    Надежность ЭМП определяется надежностью элементов, входящих в их состав, в том числе безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью. Общий срок службы ЭМПЭ должен составлять 10-25 лет, все предусмотренные виды технического обслуживания и ремонта должны выполняться с минимальными затратами труда, времени и материалов. Основные элементы, узлы, детали и запасные части должны быть взаимозаменяемыми как в отношении электрических и магнитных параметров, так и в отношении конструкции, размеров и массы. Взаимозаменяемые детали не должны требовать подгонки при ремонте.
    При разработке ЭМП необходимо максимально уменьшать массу, габаритные размеры и материалоемкость и обеспечивать при этом наиболее полное использование механических, магнитных, тепловых и других свойств и ха

7

рактеристик активных и конструктивных материалов. При этом, как правило, уменьшение габаритов предпочтительнее уменьшению массы, уменьшение длины и ширины предпочтительнее уменьшению высоты. Рекомендуется применять стандартизированные коррозионно-стойкие легкие сплавы и пластмассы в качестве конструкционных материалов, унифицированные узлы и детали. ЭМП должны разрабатываться с учетом обеспечения высокого коэффициента полезного действия (КПД) и минимальных тепловыделений в окружающую среду, а также ограниченного применения дефицитных и дорогостоящих материалов. В процессе разработки, решая вопрос о выборе между надежностью и экономичностью, в условиях повышенных технических требований к изделию, предпочтение отдается надежности [190, 229].
     Синхронные генераторы получили наибольшее применение в качестве источников электрической энергии, их рекомендуется выполнять бесщеточными. Генераторы должны разрабатываться комплектно с автономной для каждого генератора бесщеточной быстродействующей системой возбуждения. Генераторами переменного тока повышенной и высокой частоты 400 Гц и более могут быть как бесщеточные синхронные генераторы с обмоткой возбуждения на роторе, так и индукторные генераторы. Большая часть промышленных потребителей электроэнергии представлена асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором (АДКР). Они должны обеспечивать при номинальном напряжении следующие кратности моментов по отношению к номинальному: для пускового - не менее 1,2; для максимального - не менее 2; для минимального в процессе пуска - не менее 1. Кратность пускового тока АДКР по отношению к номинальному значению должна быть не более 6,5, а для двигателей мощностью 50 кВт и выше - не более 5,5. Двигатели кратковременного и повторно-кратковременного режимов работы, предназначенные для стоянки под током или при скольжениях, близких к единице, должны выдерживать стоянку под током после работы в номинальном режиме [48-49, 176-178].
     Повышенные требования предъявляются, в частности, к судовым электрическим приводам. Они должны разрабатываться с учетом создания электрического механизма с оптимальными характеристиками, для которых требуется минимальная площадь палуб для размещения. В приводах переменного трехфазного тока рекомендовано применять АДКР с прямым пуском. Привод руля должен обеспечивать вращающий момент, необходимый для перекладки руля на требуемые углы в заданное время при заданных скоростях переднего и заднего хода, длительную работу руля, перекладку руля с борта на борт на зигзаге на полных скоростях корабля. Привод якорно-швартовных механизмов должен обеспечивать работу комплекса при всех нагрузках до наибольшей расчет

8

ной, отрыв и подъем висящего якоря на цепи, вытравленной на 80 % ее полной длины [55, 103, 148, 150, 165].
     Проектировочный расчет производится с целью получения ЭМП определенного функционального назначения, которые по своим характеристикам должны удовлетворять заданным техническим требованиям. При проектировании в подавляющем большинстве случаев ЭМП рассматривают отдельно от исполнительного механизма, который определяет требования к нему. Как правило, в этом случае используют электрические машины (ЭМ), как более узкий, но, наиболее важный подкласс ЭМП [1, 21, 31, 76, 91, 125, 132, 133, 140, 147, 149]. Задача расчета значительно усложняется, если ЭМП интегрирован с исполнительным механизмом и имеет общие элементы, выполняющие его функциональное назначение (например, системы с бионическими принципами действия и некоторые другие системы) [24, 35, 40, 42, 80, 84, 108-109, 127, 141, 167, 171,217-218].
     Проектировочный расчет обычно выполняют, исходя из заданной мощности, напряжения и электромагнитных нагрузок, которые выбираются исходя из опыта проектирования тех или иных электротехнических устройств. При этом могут быть предъявлены дополнительные требования, касающиеся величины тока, электромагнитного момента, КПД и других характеристик, а также наложены ограничения по массогабаритным или другим показателям. На стадии эскизного проектирования производят предварительный выбор главных размеров, рассчитывают элементы активного электромагнитного ядра (ЭМЯ), магнитную цепь и электрические обмотки, в результате чего получают рабочие характеристики ЭМП. Далее производят проверочный тепловой и механический расчеты, по результатам которых корректируют данные предварительного расчета [3, 18-19, 22-23, 38, 43, 78, 88, 92-93, 95, 107].
     Последние десятилетия характеризуются значительным расширением интервала температур, в котором работают магнитные материалы ЭМП. В обычных условиях требуется обеспечить стабильность физических свойств материалов в диапазоне от -60 до + 100 °C. Задача миниатюризации конструктивных элементов для судов, кораблей, подводных лодок и аппаратов, космических объектов, самолетов и ракет сдвигает диапазон рабочих температур вплоть до 500-850 градусов по Цельсию [27, 58, 59].
     Наиболее часто встречающейся неисправностью в судовых АДКР, работающих в южных широтах, в тяжелых условиях эксплуатации, является размягчение материала и обрывы алюминиевых стержней короткозамкнутых роторов. Для приводов динамических режимов рекомендуется применение асинхронных двигателей с улучшенными пусковыми свойствами, с глубоким пазом,

9

двойной клеткой или с двухсойным ротором (АДДР). Новые железомедные сплавы для двухслойных роторов АДДР были созданы и исследованы В. С. Мо-гильниковым, А. М. Олейниковым и А. Н. Стрельниковым [111-113, 121-124].
     При электромагнитных расчетах изотропных и анизотропных сред ЭМП для решения уравнений Максвелла используют различные численные методы. В настоящее время наиболее широкое применение нашел метод конечных элементов (МКЭ) [30, 46, 51, 54, 66, 83, 89, 102, 116, 119, 128, 144, 154, 160, 222]. При использовании численных методов задача расчета магнитного поля рассматривается изолированно от задачи расчета теплового поля. Такой подход не представляет физическую картину в целом и усложняет решение задач по расчету магнитных полей с учетом тепловых эффектов в электротехнических материалах.
     Полное температурное поле ЭМП является трехмерным и представляет сложную задачу даже для численных методов решения. Вопросам тепловых расчетов посвящены многие работы, в которых использованы как аналитические решения, так и методы эквивалентных тепловых схем. При практическом использовании строгих аналитических методов полученные решения часто выражаются сложными функциональными зависимостями, а в большинстве случаев получить точные решения для нестационарных полей практически невозможно. Это привело к развитию вариационных методов, методов источников, методов моделирования параллельными структурами, численных методов. Указанные методы, вообще говоря, являются приближенными. Вместе с тем аналитические методы и методы тепловых схем при обоснованных допущениях дают приемлемые по точности результаты, поэтому их применение продолжает оставаться актуальным при решении задач теплопроводности в ЭМП [36, 68, 105-106, 110, 172].
     В общем случае ЭМП является элементом системы более высокой иерархии - электромеханической системы (ЭМС). Под такой системой понимается совокупность электромеханических преобразователей, преобразовательных, управляющих устройств и механических звеньев, объединенных общими процессами преобразования энергии и предназначенных для привода исполнительного механизма. Основной научной базой систем электромеханического преобразования энергии является теория электромеханического преобразования, связанная с анализом и синтезом устройств, предназначенных для взаимного преобразования электрической и механической форм энергий. Для их исследования необходимо использование математического аппарата и методов, относящихся к различным разделам механики, физики математики, электротехники, теплотехники, термодинамики [17, 20, 28, 33, 44-45, 70, 73, 85, 151, 156-157, 161, 168, 219-221].

10

     В развитии этой теории ведущую роль играют аналитические методы, которые при использовании обоснованных допущений позволяют наглядно описать физические процессы с помощью математических зависимостей, позволяющих произвести необходимые инженерные расчеты с достаточно высокой степенью точности. Благоприятную роль в развитии теории играет непрерывно расширяющееся применение вычислительной техники, которая предоставляет возможности получения точных решений задач высокой сложности. Тем самым уменьшается потребность в приближенных аналитических методах, и создаются возможности использования строгой теории [41, 107, 118, 126, 155, 223224, 240-242].
     К задачам анализа относятся исследование переходных и установившихся режимов работы электромеханических преобразователей. Установившиеся режимы, в отличие от переходных, имеют место при неизменных во времени тех или иных значений рассматриваемых физических величин.
     Задачи синтеза весьма разнообразны. К ним относятся выбор структуры, состава электромеханических преобразователей и системы их управления, оптимальный выбор типа, мощности и скорости перемещения (частоты вращения); определение электромагнитных параметров системы, обуславливающих установившиеся и переходные режимы; синтез законов управления, обеспечивающих заданное качество процессов. При решении задач синтеза широко используются те же закономерности и уравнения, что и при анализе установившихся и переходных режимов систем электромеханического преобразования.
     Задача синтеза электромеханических преобразователей в общем виде, как и большинства технических систем, не решается. Причиной является то обстоятельство, что выбор решения по любому направлению проработки зависит от возможных решений по другим направлениям и сам определяет такие направления. Кроме того, большинство требований к системе, как правило, противоречат друг другу, поэтому задача математически некорректна. Анализ опыта проектирования систем показывает, что задача синтеза обычно решается методом последовательных приближений, методологической основой которого является расчленение общей задачи на ряд частных задач, решение их в первом приближении, выполнение необходимых проверок и уточнений и при необходимости возврат к предыдущим стадиям проработки.
     При этом задача количественного определения эффективности ЭМП не имеет однозначного решения, поскольку она определяется требованиями не только со стороны электрического привода, но и со стороны систем более высокой иерархии. Попытки обоснования обобщенных показателей эффективности наталкиваются на большие методологические трудности.

11

        1.2. Генетическая концепция развития электромеханических структур


     Современная теория эволюции электромеханических систем, получившая развитие в работах В. Ф. Шинкаренко (Украина), является инструментом системного прогнозирования потенциально возможных видов на основе единых принципов образования и развития биологических и электромеханических структур. Характерные свойства и тенденции развития ЭМП дают основания авторам генетической концепции рассматривать их структурное разнообразие как уникальный класс систем природно-антропогенного происхождения, в которых основная компонента - электромагнитное поле является специфическим видом материи, свойства которой определяются законами природы.
     Электромеханические структуры (ЭМ-структуры), также как и биологические, обладают своеобразным свойством наследственности. Основой генетической концепции ЭМС является фундаментальное понятие первичного источника поля (ПИП), генетические свойства которого сохраняются в процессе развития (усложнения и изменения) ЭМ-структур [215].
     Под первичным источником магнитного поля подразумевают пространственную поверхность, несущую магнитный поток, на которой задан вид и закон распределения поля. К существенным отличительным признакам ПИП относят геометрическую форму поверхности, несущей магнитный поток, и направление распространения волны поля. Наряду с пространственной симметрией, которая характеризует геометрические признаки ПИП относительно главной пространственной координаты, имеет место электромагнитная симметрия, которая определяет электромагнитные свойства источника поля в процессе его усложнения. В зависимости от топологических свойств конкретной геометрической формы источника поля, наличия или отсутствия краев поверхности, волна электромагнитного поля в направлении своего распространения может быть симметричной, дисимметричной или асимметричной. Данные виды электромагнитной симметрии существуют как для продольного, так и для поперечного направления по отношению к направлению распространения волны поля.
     Совокупность топологических, геометрических и электромагнитных признаков ПИП, которые наследуются в процессе развития и усложнения электромеханической структуры, определяют понятие генетической информации. Элементарные электромагнитные структуры, подвижные заряды и микротоки Ампера, могут быть названы «электромагнитными генами», поскольку они так же, как и биологические структуры, имеют природное происхождение, являются материальными носителями информации, а их свойства наследуются в произвольных электромагнитных структурах высшего уровня развития [212].

12