Обзор литературных источников по современным генераторам с электромагнитным возбуждением (стр. 5 )

Таблица 1.3 – Весовые характеристики СГПМ большей мощности

Мощность, кВ×А	Масса, кг
5	17,0
10	23,5
15	27,0
20	28,5
25	61,0
30	63,0
40	64,0
50	69,5
75	116,0
100	124,0

В нашей стране СГПМ нашли применение в ветроэнергетике, автотранспорте, в авиации, но при этом практически не используются в различных системах автономного электроснабжения. Не ведутся работы по проектированию и изготовлению СГПМ на мощности более 2 кВт.

В мощных энергоустановках зарубежные фирмы используют СГПМ в основном как подвозбудитель для питания регулятора напряжения. Такая схема обеспечивает лучшие характеристики при пуске мощных асинхронных двигателей и быстрое восстановление напряжения, позволяет добиться 300-процентной стойкости к коротким замыканиям. Отметим, что в рекламных проспектах зарубежные фирмы часто необоснованно называют подобные системы синхронными генераторами с постоянными магнитами.

Перспективным направлением следует считать разработку электрогенераторных агрегатов с СГПМ и с выходным электронным блоком, как имеющих лучшие массогабаритные характеристики, более высокий КПД, динамические характеристики, позволяющие приводному агрегату работать при различных частотах вращения.

Однако в связи с тем, что прошло мало времени после создания подобных электрогенераторных агрегатов, а магниты из редкоземельных материалов характеризуются высокой стоимостью, цена подобных электроагрегатов намного выше цены СГ обычного исполнения с электромагнитным возбуждением.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

2 Современные методы расчета генераторов

На протяжении десятилетий было создано множество методов расчета и анализа ЭМ. Многие ученые внесли значительный вклад в создание и развитие этих методов: А. В. Иванов-Смоленский создал методы анализа электромагнитных сил и расчета ЭМ на основе метода проводимостей зубцовых контуров; И. П. Копылов значительно углубил методологию математического моделирования на основе аппарата обобщенной ЭМ.

Созданные в 1950 - 1980 гг. расчетные методы и подсистемы САПР ЭМ обладали достаточной для того времени точностью и позволили создать целую гамму уникальных машин общего и специального назначения.

Однако, с появлением новых активных и изоляционных материалов, возникает актуальность обоснования выбора электромагнитных нагрузок, т. е. индукции в воздушном зазоре и линейной нагрузки машины , необходимых для определения главных размеров ЭМ на основе универсальных машинных постоянных. Таким образом, нерациональный выбор и приводит к недоиспользованию разработанных машин по КПД, весу и объему.

Опыт проведенных расчетов современных ЭМ на основе традиционных методов, позволяет утверждать, что относительная погрешность расчета достигает (15÷20)%. Эти методы основаны на теории цепей с сосредоточенными параметрами, но их высокая погрешность вызвана упрощением и аппроксимацией расчетных формул с целью увеличения удобства их использования без применения вычислительной техники. Однако возможности современной вычислительной техники позволяют отказаться от намеренных упрощений. На завершающих стадиях оптимизации необходимо пользоваться достаточно точными методами расчета. Для оптимизации серийного производства нового класса ЭМ необходимо также установить влияние конструктивно-технологических факторов на их характеристики. Параллельный комплексный расчет будущей ЭМ на основе ее компьютерной модели воплощает в себе последние достижения современных методов расчёта и гарантирует тем самым создание надежной ЭМ с высокими потребительскими качествами.

Целью электромагнитного расчета СГ, как и всех ЭМ в целом, является определение электромагнитных сил и электромагнитного момента, возникающих в машине.

Как известно, на ферромагнитное тело, находящееся в магнитном поле, действуют электромагнитные силы, стремящиеся повернуть это тело в положение, при котором магнитное сопротивление будет минимальным.

Для расчета электромагнитной силы , действующей на выделенный объем нелинейной магнитной системы, теория электромагнетизма предлагает следующие три способа.

Способ 1. Определение электромагнитной силы по изменению энергии магнитного поля при бесконечно малом перемещении выделенного объема на расстоянии в направлении единичного вектора по координате :

, (2.1)

где - приращение магнитной коэнергии нелинейной магнитной системы при перемещении выделенного объема на расстоянии в условиях постоянства токов всех возбуждающих контуров (, );

- приращение магнитной энергии нелинейной магнитной системы при перемещении выделенного объема на расстоянии в условиях пространства потоков, сцепленных со всеми возбуждающими (,);

- общее количество возбуждающих контуров нелинейной системы, включая контуры вихревых токов.

Полная электромагнитная сила определяется как сумма составляющих этой силы по направлениям осей выбранной системы координат x, y, z:

, (2.2)

где .

Способ 2. Определение электромагнитной силы по натяжению в магнитной поле:

, (2.3)

где - поверхность, охватывающая объем (включая все поверхности разрыва магнитной проницаемости, имеющиеся в этом объеме, в том числе и его граничную поверхность).

Способ 3. Определение электромагнитной силы по объемной и поверхностной плотностям электромагнитной силы в магнитном поле:

, (2.4)

где - поверхности разрыва магнитной проницаемости в объеме .

Наиболее предпочтительными способами являются второй и третий, поскольку они более точны и менее трудоемки, но они наиболее предпочтительны при расчете электромагнитного поля численными методами. Первый же способ позволяет найти электромагнитные силы достаточно точно лишь в тех случаях, когда магнитное поле системы выражается аналитически.

Как известно классические методики проектирования СГ предполагает расчет магнитного поля машины методом цепей, что позволяет получить аналитическое выражение параметров поля. Однако, современные вычислительные средства позволяют быстро проводить расчеты электромагнитного поля численными методами. На основании этого следует рассмотреть два варианта расчета параметров электромагнитного поля в СГ:

- путем расчета поля численными методами;

- путем аналитических выражений параметров поля.

Рассмотрим более подробно использование численных методов расчета электромагнитного поля.