Линейные синхронные двигатели с редкоземельными постоянными магнитами

Актуальность работы. Линейные синхронные двигатели (ЛСД) с возбуждением от редкоземельных постоянных магнитов (РЗМ) работают в системе с электронным преобразователем и перспективны для использования в станковом оборудовании, в электромагнитных разгонных системах (ЭМРС) и высокоскоростном наземном транспорте (ВСНТ), а также в других системах регулируемых линейных приводов. В области станкового оборудования доля приводов на базе ЛСД с РЗМ постоянно увеличивается, что обусловлено достижениями в области создания высокоэнергетических постоянных магнитов, развитием силовой электроники и микропроцессорных систем управления, а также основными преимуществами электромеханических преобразователей (ЭМП) с РЗМ, такими как простота конструкции, надежность и высокие энергетические показатели.

Перспективным направлением является использование ЛСД с РЗМ для реализации движения в системах ВСНТ на магнитном подвесе. При этом сила магнитного притяжения РЗМ к ферромагнитным элементам якоря (ярму и зубцам) может быть эффективно использована для частичной компенсации силы тяжести движущегося экипажа.

Разработке теории и методов проектирования линейных двигателей посвящено большое количество работ, как в нашей стране, так и за рубежом. В этих работах основное внимание уделено линейным асинхронным двигателям (ЛАД) и ЛСД с электромагнитным возбуждением. ЛСД с РЗМ оказались наименее исследованными. Недостаточно рассмотрены рабочие процессы ЛСД с РЗМ и вопросы расчетного проектирования, обусловленные особенностями магнитных систем этих двигателей.

Расчетное проектирование ЛСД с РЗМ включает в себя анализ электромагнитных, тепловых и механических, в том числе прочностных, процессов и явлений. Основные особенности ЛСД с РЗМ, отличающие их от синхронных машин с электромагнитным возбуждением и обусловленные наличием постоянных магнитов, определяют специфику электромагнитного расчета этих двигателей.

Вместе с тем электромагнитный расчет ЛСД с РЗМ базируется на теории, методах и построенных на их основе методиках проектирования классических синхронных машин. Эти методики заключают в себе общие законы и принципы проектирования, а также накопленный за многие годы опыт создания и эксплуатации синхронных двигателей. Через уточнение с помощью расчетных коэффициентов традиционные методики расчета классических синхронных двигателей могут быть адаптированы к расчету специальных, «нетрадиционных», типов синхронных двигателей, в частности ЛСД с РЗМ. Расчетные коэффициенты определяются на основе анализа электромагнитных полей в активной зоне ЛСД. Анализ электромагнитных полей проводится на моделях с распределенными параметрами, представляющими собой дифференциальные уравнения в частных производных относительно скалярного либо векторного магнитного потенциала, для решения которых используются аналитические или численные методы. Эффективным средством для определения расчетных коэффициентов, индуктивных параметров и сил электромагнитного взаимодействия ЛСД с РЗМ является развиваемый в диссертации метод гармонического анализа магнитных полей активных зон ЭМП, основанный на аналитическом решении задач теории поля. Решения, получаемые с помощью этого метода, удобны в использовании при предварительных расчетах ЛСД с РЗМ.

Использование современных программных комплексов численного конечно-элементного анализа рационально на завершающем этапе расчета ЛСД, с целью проверки и корректировки результатов, полученных при предварительных расчетах двигателя на базе гармонического анализа. Недостатком данных комплексов является высокая стоимость, а также требование значительных вычислительных и временных ресурсов на подготовку моделей и решение.

Определенные в процессе электромагнитного расчета параметры ЛСД с РЗМ могут быть использованы для анализа динамических режимов работы двигателя совместно с электронным преобразователем в программных системах имитационного моделирования, например, CASPOC.

Таким образом, развитие теории рабочих процессов, методов и средств расчетного проектирования ЛСД с РЗМ на основе анализа процессов электромеханического преобразования энергии в этих двигателях с учетом особенностей их магнитных систем, разработка программных модулей для автоматизации расчета и разработка моделей для анализа динамических режимов работы ЛСД с РЗМ являются актуальными.

Цель работы — развитие теории рабочих процессов, методов и средств расчетного проектирования ЛСД с РЗМ на основе уточненных методик расчета классических синхронных машин с учетом особенностей магнитных систем ЛСД, обусловленных наличием постоянных магнитов.

Задачи. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

— анализ особенностей магнитных систем ЛСД с РЗМ с зубчатым и беспазовым якорем;

— разработка расчетных математических моделей активных зон этих двигателей;

— решение задач магнитного поля, обусловленных особенностями магнитных систем ЛСД с РЗМ, и определение соотношений для расчетных коэффициентов, индуктивных параметров и электромагнитных сил;

— разработка программных модулей для автоматизации расчета индуктивных параметров и сил электромагнитного взаимодействия ЛСД с РЗМ;

— исследование магнитных систем ЛСД с РЗМ с помощью универсальных программных комплексов конечно-элементного анализа;

— разработка моделей ЛСД с РЗМ в системе имитационного моделирования CASPOC для анализа динамических режимов работы двигателя.

Методы исследования. В работе были использованы теория электромеханического преобразования энергии и синхронных машин, методы теории электрических и магнитных цепей, методы математической физики и теории поля и методы математического (имитационного) моделирования. Программные модули для автоматизации расчетов реализованы в программном комплексе MathCAD.

Объекты исследования. Объектами исследования являются ЛСД с возбуждением от РЗМ. Основное внимание в работе уделено двигателям с ради-ально намагниченными магнитами и индуктором на подвижной части (экипаже).

Научная новизна.

1. Получены расчетные соотношения, позволяющие выбрать главные размеры ЛСД с радиальными РЗМ с учетом силы магнитного притяжения якоря и индуктора и значительной длины пассивного участка якоря.

2. На основе векторного магнитного потенциала получены аналитические решения задачи расчета магнитного поля в периодической активной зоне ЛСД с радиальными РЗМ при зубчатой и беспазовой конструкциях якоря.

3. Метод гармонического анализа распространен на решение трехмерных задач магнитного поляна основе скалярного потенциала получено аналитическое решение задачи расчета трехмерного поля возбуждения радиальных РЗМ в активной зоне ЛСД с целью учета поперечного краевого эффекта, обусловленного конечной поперечной длиной двигателя.

4. На основе векторного магнитного потенциала получено аналитическое решение задачи расчета магнитного поля в зоне крайних полюсов (продольный краевой эффект) ЛСД с радиальными РЗМ при беспазовой конструкции якоря с целью учета конечной продольной длины индуктора двигателя.

5. Разработан алгоритм электромагнитного расчета ЛСД с РЗМ, основанный на традиционной инженерной методике расчета классических синхронных двигателей с электромагнитным возбуждением, уточненной результатами решения задач магнитного поля методом гармонического анализа, учитывающих особенности магнитных систем ЛСД, обусловленных наличием постоянных магнитов.

Практическая значимость. Разработаны методики исследования и расчета ЛСД с РЗМ, а также программные модули для автоматизации расчета параметров этих двигателей. Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе, в НИР ТОО-1.5−802 «Развитие теории и информационных методов проектирования бесконтактных электромеханических преобразователей» (Гос. № 1 200 109 909) и в НИР № 1.6.01 «Создание основ теории и моделирования систем управления навигационных приборных комплексов и электроэнергетических систем летательных аппаратов» (Гос. № 1 200 110 876).

Достоверность научных положений и выводов. Изложенные в работе положения, выводы и рекомендации подтверждены теоретическими и экспериментальными исследованиями.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано шесть работ. Основные результаты диссертации отражены в двух научно-технических отчетах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 228 страниц, в том числе 3 таблицы, 53 рисунка, 102 наименования списка литературы и 7 приложений на 68 страницах.

Выводы к пятой главе.

• Представлен разработанный и изготовленный экспериментальный макет ЛСД с радиальными РЗМ и «длинным» беспазовым якорем.

• Проведено сопоставление расчетных и экспериментальных данных по индукции магнитного поля РЗМ, показавшее целесообразность учета трехмерного характера магнитного поля в активной зоне и высокую адекватность принятой в третьей главе работы расчетной модели, учитывающей конечную поперечную длину двигателя.

Показано, что для разработанного ЛСД несмотря на снижение индукции под краем полюсов в поперечном направлении расчетная длина двигателя благодаря эффекту выпучивания магнитного поля фактически равна конструктивной длине.

Сопоставление расчетных и экспериментальных данных по тяговому усилию показало достаточную для практических применений точность использованной при расчете методики (рассогласование расчетных и экспериментальных данных не превышает 5−7%).

Заключение

.

1. В работе решена задача учета основных особенностей магнитных систем ЛСД с радиальными РЗМ и «длинным» якорем, включающих в себя использование в качестве источника основного магнитного поля РЗ магнитов, наличие значительной силы одностороннего магнитного притяжения якоря и индуктора, конечную длину индуктора двигателя и наличие пассивного участка якоря, а также конечную поперечную длину ЛСД.

2. Полученные расчетные соотношения для определения магнитного поля в периодической активной зоне ЛСД с радиальными РЗМ позволяют рассчитывать индуктивные параметры и силы электромагнитного взаимодействия между якорем и индуктором с учетом реальной зубчатой конструкции якоря и распределения токов в якорной обмотке. Расчетные соотношения с достаточной для практических расчетов точностью могут быть использованы для двигателей с числом пар полюсов р>3. При меньшем числе пар полюсов рационален учет продольного краевого эффекта, обусловленного конечной продольной длиной индуктора двигателя.

3. При увеличенном немагнитном зазоре и малой поперечной длине двигателя, характерных для ЛСД с беспазовым якорем систем ВСНТ, рационален учет трехмерного характера магнитного поля в активной зоне. Полученные расчетные соотношения для определения трехмерного магнитного поля радиальных РЗМ позволяют уточнить систему расчетных коэффициентов двигателя с учетом конечной поперечной длины ЛСД.

4. Расчетные соотношения п. 2 и 3 были получены в предположении о периодичности магнитного поля в активной зоне ЛСД в направлении движения, что дает возможность их использования в пренебрежении кривизной поверхности для традиционных цилиндрических синхронных машин с РЗМ.

5. Полученные расчетные соотношения для определения магнитного поля в зоне крайних полюсов (продольный краевой эффект) ЛСД с «длинным» неподвижным якорем и радиально намагниченными РЗ магнитами позволяют рассчитывать индуктивные параметры и силы электромагнитного взаимодействия якоря и индуктора с учетом конечной продольной длины индуктора. Этот учет рационален для двигателей беспазовой конструкции при малом числе пар полюсов. Полученные для магнитного поля в зоне крайних полюсов ЛСД расчетные соотношения могут быть легко адаптированы для определения магнитного поля в активной зоне ЛСД с учетом возможной модульной конструкции индуктора двигателя.

6. Проведено сопоставление результатов расчета методом гармонического анализа и конечно-элементного моделирования. Сопоставление показало, что при тех же допущениях и геометрии модели результаты расчета и конечно-элементного моделирования практически совпадают (по расчету индуктивных параметров и сил электромагнитного взаимодействия расхождение находится в пределах 1%), что подтверждает корректность полученных в работе расчетных соотношений.

7. Проведенное конечно-элементное исследование магнитного поля в активной зоне ЛСД с РЗМ с учетом насыщения ферромагнитных элементов маг-нитопровода показало, что уточнение результатов гармонического анализа путем введения коэффициента насыщения к^ дает достаточную для практических расчетов точность. Погрешность результатов расчета практически не превышает 5%.

8. Анализ ЛСД с радиальными РЗМ и «длинным» зубчатым якорем трех-вагонного экипажа системы ВСНТ мощностью 8−10 МВт и скоростью линейного перемещения 400 км/ч показал, что при ограничении по значению силы магнитного притяжения в 60 тс/вагон для обеспечения приемлемых энергетических показателей (коэффициент мощности 0,8−0,85 и КПД 0,9−0,95) отношение полной длины секции обмотки якоря к ее активной части не должно превышать 15−20. При этом индуктор двигателя целесообразно располагать по всей длине экипажа, а рациональные значения плотности тока в обмотке и линейной нагрузки якоря составляют соответственно 1,5−2,5 А/мм2 и 100−150 А/см.

9. Исследование соотношений силы магнитного притяжения и полезного тягового усилия в ЛСД с радиальными РЗМ показало, что при линейной нагрузке в 400−600 А/см сила магнитного притяжения в 3−6 раз превышает тяговое усилие. Для ЛСД систем ВСНТ при линейной нагрузке 100−150 А/см это отношение может достигать 15−25.

10. Разработана уточненная методика электромагнитного расчета ЛСД с радиальными РЗМ и «длинным» якорем, позволяющая выбрать исходную геометрию активной зоны двигателя с учетом силы магнитного притяжения якоря и индуктора и значительной длины пассивного участка якоря с последующим уточнением индуктивных параметров и сил электромагнитного взаимодействия ЛСД с учетом особенностей магнитных систем этих двигателей. Определяемые в процессе уточненного электромагнитного расчета параметры ЛСД с РЗМ позволяют с помощью разработанных в системе имитационного моделирования CASPOC моделей проводить анализ динамических режимов работы двигателя совместно с электронным преобразователем.

11. Проведенные экспериментальные исследования на макетном образце ЛСД с радиальными РЗМ и «длинным» беспазовым якорем подтверждают достаточную для практических расчетов точность рассмотренных в работе моделей и разработанной уточненной методики расчета двигателя. Рассогласование расчетных и экспериментальных данных не превышает 5−7%.