Identification of parameters synchronous generator with permanent magnets by magnetic field numerical simulation

Full Text

При проектировании автономных источников электроэнергии с магнитоэлектрическим возбуждением, находящих в настоящее время широкое применение в таких областях, как ветроэнергетика, авиация, автомобильный и железнодорожный транспорт, является актуальной задача определения реактивностей обмотки якоря и коэффициента рассеяния магнитной системы таких преобразователей. Основой расчета этих параметров является вид кривой размагничивания постоянного магнита (ПМ) и его линия возврата. В качестве ПМ в современных конструкцияхэлектромеханических преобразователей используются высококоэрцитивные магниты, имеющие линейную кривую размагничивания, совпадающую при этом с линией возврата. Поставленная задача решалась при создании синхронного генератора для энергоснабжения железнодорожного вагона, имеющего следующие данные: мощность = 8 кВт; линейное напряжение = 380 В; частота вращения = 350 об/мин; число полюсов = 12; способ возбуждения - постоянные редкоземельные магниты марки NdFeB N38H, имеющие при температуре 80 °С остаточную индукцию = 1,16 Тл и коэрцитивную силу = 750 кА/м. На рис. 1 показан фрагмент магнитной системы генератора. ПМ намагничены по меньшей длине, имеют преобладание радиальной намагниченности, отделены от немагнитного зазора магнитомягкой электротехнической сталью марки 2412. С целью определения рабочей точки магнита на кривой размагничивания при известной геометрии активной зоны СГ методом конечных элементов в программной среде Elcutпроведеномоделирование магнитного поля, включающее несколько этапов: режим холостого хода, продольная реакция якоря, поперечная реакция якоря. Рис.1. Фрагмент магнитной системы синхронного генератора При моделировании режима холостого хода источники поля задавались величиной коэрцитивной силы ПМ = 750 кА/м с соответствующими направлениями осей намагничивания и относительной магнитной проницаемостью = 1,23. Магнитные свойства сердечников якоря и индуктора заданы кривой намагничивания электротехнической стали. С целью сокращения времени расчета моделирование проводилось на протяжении двух полюсных делений. Граничное условие - на внешней поверхности сердечника статора, внутренней поверхности сердечника ротора и на боковых границах области (оси полюсов одной полярности) векторный магнитный потенциал = 0. На рис. 2 приведены картина магнитного поля СГ при холостом ходе и кривая распределения нормальной составляющей индукции на середине воздушного зазора. Рис.2. Картина магнитного поля и кривая распределения индукции в режиме холостого хода По итогам моделирования магнитного поля с использованием функции fftбыстрого преобразования Фурье пакета MathCadопределены следующие величины и параметры: - магнитный поток в воздушном зазоре =0,00623 Вб; - магнитный поток в нейтральном сечении магнита =0,00834 Вб; - коэффициент рассеяния магнитов ==1,338; - максимальное значение магнитной индукции в зазоре =0,679 Тл; - основная гармоническая индукции в зазоре=0,77 Тл; - коэффициент насыщения магнитной цепи = (+)/=847/808=1,048. Для определения влияния реакции якоря на поле постоянных магнитов (возбуждения) и индуктивных сопротивлений реакции якоря по продольной и поперечной осям осуществлено моделирование магнитного поля при продольном (когда магнитная ось фазы обмотки якоря совпадает с осью поля ПМ) и поперечном (когда ось фазы совпадает с поперечной осью поля возбуждения) положении индуктора. Источником поля в этих задачах является полный ток паза статора. На якоре генератора уложена двухслойная трехфазная обмотка следующих параметров: число пазов =54, число полюсов =12, число пазов на полюс и фазу =, шаг по пазам =4 (укороченный) (см. таблицу). Таблица обмотки и распределения пазов по фазным зонам на протяжении двух пар полюсов При моделировании ток в фазе A равен максимальному относительному значению == 1, токи в фазах B и C==. В случае продольной реакции якоря ось фазы A-Xсовпадает сосью поля возбуждения и с серединой зубца статора. Граничные условия такие же, как в задаче холостого хода (A = 0). На рис. 3 показано распределение линий магнитного поля продольной реакции якоря в генераторе и кривая нормальной составляющей индукции на середине воздушного зазора. Рис. 3.Картина магнитного поля и кривая распределения индукции продольной реакции якоря Анализируя результаты моделирования, можно видеть, что как в режиме холостого хода, так и при продольной реакции заметны сильно насыщенные участки магнитной цепи, индукция в которых достигает значения 2 Тл. По этим путям замыкаются потоки рассеяния ПМ. Существенное насыщение этих участков увеличивает магнитное сопротивление потокам рассеяния и приводит к уменьшению коэффициента рассеяния магнитов. Гармонический анализ кривой распределения поля позволил определить: - магнитный поток продольной реакции якоря в воздушном зазоре = 0,00246 Вб; - максимальное значение индукции продольной реакции якоря=0,45 Тл; - основную гармонику индукции в зазоре= 0,321 Тл; - коэффициент формы поля продольной реакции якоря =/=0,321/0,45=0,713; - основную гармонику магнитного потока продольной реакции Вб; - ЭДС продольной реакции якоря ==×35×288×0,96×0,00275=111,6 В; - ненасыщенное значение индуктивного сопротивления продольной реакции якоря в абсолютных = /=111,6/12,76=8,75Ом и относительных единицах === 0,508. На следующем этапе осуществлен расчет магнитного поля поперечной реакции якоря. В этом случае ось фазы A-Xсовпадает споперечной осью поля возбуждения и с серединой зубца статора. На границах области векторный магнитный потенциал A = 0. На рис. 4 показано распределение линий магнитного поля поперечной реакции якоря в генераторе и кривая нормальной составляющей индукции на середине воздушного зазора. Рис. 4.Картина магнитного поля и кривая распределения индукции поперечной реакции якоря По данным моделирования найдены параметры поля поперечной реакции якоря: - магнитный поток поперечной реакции якоря в воздушном зазоре = 0,00486 Вб; - максимальное значение индукции поперечной реакции якоря0,667 Тл; - основная гармоника индукции в зазоре=0,602 Тл; - коэффициент формы поля поперечнойреакции якоря =/=0,602/0,667=0,903; - основная гармоника магнитного поля поперечной реакции Вб; - ЭДС поперечной реакции якоря ==×35×288×0,96×0,00485=208,3 В; - ненасыщенное значение индуктивного сопротивления поперечной реакции якоря в абсолютных = /=208,3/12,76=16,33 Ом и относительных единицах === 0,947. Как следует из анализа магнитного поля, для случаев продольной и поперечной реакции якоря соотношение между индуктивными сопротивлениями реакции якоря по продольной и поперечной осям в генераторе с магнитоэлектрическим возбуждением (<) имеет характер, противоположный явнополюсным СГ с электромагнитным возбуждением (>).Данное обстоятельство объясняется характерной ориентацией ПМ относительно зазора и их армированием магнитомягкой сталью.Знание значений этих параметров и коэффициента рассеяния магнитной системы СГ позволяет на стадии проектирования моделировать номинальный и другие режимы работы генератора. Выводы В результате моделирования магнитных полей индуктора и якоря генератора с возбуждением от постоянных магнитов установлено: - ПМ имеют достаточный энергетический запас для обеспечения стабильной работы генератора при изменении нагрузки в широком диапазоне несмотря на существенную величину коэффициента рассеяния магнитной системы индуктора; - данный генератор имеет более жесткую внешнюю характеристику и меньшую величину номинального изменения напряжения, чем генератор с электромагнитным возбуждением, за счет относительно малого индуктивного сопротивления реакции якоря по продольной оси; - полученные результаты могут быть распространены на генераторы отличающейся мощности с идентичной геометрией активной зоны. Машины с другой конфигурацией статора и ротора могут быть исследованы посредством конечно-элементного моделирования по алгоритму, изложенному в статье.

About the authors

Yuri V Zubkov

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Eduard G Chebotkov

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files