В статье показана актуальность создания безмостового выпрямителя, произведено обоснование выбора варианта построения выпрямителя, описан принцип его действия и отличительные особенности предлагаемой схемотехнической реализации от существующих вариантов построения.
Ключевые слова: генератор, параметрическая моделирование, намагниченность, плотность тока.
Анализ тенденций развития в области разработки электрических машин, были определены основные тенденции их развития: повышение КПД, оптимизация магнитной системы и механического узла, применение новых конструкционных материалов. Эти особенности учитывались при создании параметрической модели COMSOL Multiphysics ® .
За протопит был принят типовой генератор для ветряной мельницы. За счет вариации основных параметров: размеров и количества полюсов магнитной системы ротора и статора. Оптимизация магнитной системы проводилась для получения выходной мощности 500 кВт с минимумом габаритных характеристик. Желаемой мощности удалось достичь за счет изменения схемы соединения катушек. Новая схема показана на рисунке 1.
Рис. 1. Схема соединения катушек трехфазного генератора
На рисунке 2 показана плотность тока в обмотках оптимизированной модели.
Рис. 2. Плотности тока
Результаты проведенной оптимизации приведены в таблице 1.
Таблица 1
Параметры генератора
|
Внешний диаметр статора генератора, Dг |
1000 мм |
|
Длина генератора, Lг |
1500 мм |
|
Угловая скорость вращения низкоскоростного вала, nг |
25 об/мин |
|
Максимальный момент генератора, Mmax2 |
225,4 кН·м |
|
Удельный момент на единицу массы магнитов, Mnm |
160,3 Н·м/кг |
|
Удельный момент на единицу объёма магнитной системы, M* |
195 кН·м/м 3 |
|
Максимальный момент мультипликатора, M’ |
250 кН·м |
|
Максимальная мощность генератора, PМ |
545 кВт |
|
Действующее значение плотности тока в пазах статора, J |
2,15 А/мм2 |
Расчет оптимальной магнитной системы приведен на рисунках 3, 4.
Разработанный генератор — это синхронная электрическая машина, в которой отсутствует дополнительное возбуждение. Генератор состоит из 5 пар постоянных магнитов, которые установлены на роторе, 46 пар полюсов размещены на статоре и 51 стальной сегмент расположен в модуляторе. Направление намагничивания — радиальное.
Рис. 4. Моделирование намагниченности (А/м) от угла поворота роторов α (град.)
По результатам параметрического моделирования была разработана двухмерная (рисунок 5) трёхмерная модель (рисунок 6) генератора в среде «Компас 3 D ».
В ходе оценки технологичности конструкции спроектированной синхронной машины выло выявлено, что большинство конструктивных элементов стандартные. Единственным нестандартным элементом является модулятор, но его изготовление не требует никаких специализированных устройств и не должно вызывать сложности.
Рис. 5. 2-D модель
Рис. 6. 2-D модель
В состав генератора включено 4 подшипниковых узла, удерживающих роторы в центре генератора, чтоб они не касались друг друга при вращении.
Данная модель является доставочной для разработки генераторов заданной мощности.
Литература:
1. Atallah K., Calverley S., Clark R., Rens J., Howe D. A new PM machine topology for low-speed, high-torque drives // Proc. — Int. Conf. Electr. Mach., ICEM. 2008.
2. Frandsen, T.V., Mathe, L., Berg, N.I., Holm, R.K., Matzen, T.N., Rasmussen, P.O., Jensen, K. K. Motor Integrated Permanent Magnet Gear in a Battery Electrical Vehicle // IEEE Trans Ind Appl. 2015.
