Исследование магнитного поля в воздушном зазоре синхронного неявнополюсного генератора

Проведены исследования магнитного поля экспериментального образца неявнополюсного синхронного генератора в режиме холостого хода. Выполнен сравнительный анализ кривых распределения магнитного поля в воздушном зазоре, полученных экспериментально и с применением метода конечных элементов....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2009
Автори:	Дёгтев, В.Г., Бабушанов, А.В., Чеснов, Я.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2009
Назва видання:	Електротехніка і електромеханіка
Теми:	Електричні машини та апарати
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143249
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Исследование магнитного поля в воздушном зазоре синхронного неявнополюсного генератора / В.Г. Дёгтев, А.В. Бабушанов, Я.А. Чеснов // Електротехніка і електромеханіка. — 2009. — № 6. — С. 13-17. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-143249
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1432492018-10-28T01:23:13Z Исследование магнитного поля в воздушном зазоре синхронного неявнополюсного генератора Дёгтев, В.Г. Бабушанов, А.В. Чеснов, Я.А. Електричні машини та апарати Проведены исследования магнитного поля экспериментального образца неявнополюсного синхронного генератора в режиме холостого хода. Выполнен сравнительный анализ кривых распределения магнитного поля в воздушном зазоре, полученных экспериментально и с применением метода конечных элементов. Проведені дослідження магнітного поля експериментального зразку неявнополюсного синхронного генератора у режимі неробочого ходу. Виконаний порівняльний аналіз кривих розподілу магнітного поля у повітряному зазорі, отриманих експериментально і із використанням методу кінцевих елементів. Research on magnetic field of a synchronous implicit-pole generator operative embodiment is performed for no-load conditions. Comparative analysis of magnetic field distribution curves in the air gap obtained experimentally and analytically is made. 2009 Article Исследование магнитного поля в воздушном зазоре синхронного неявнополюсного генератора / В.Г. Дёгтев, А.В. Бабушанов, Я.А. Чеснов // Електротехніка і електромеханіка. — 2009. — № 6. — С. 13-17. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 2074-272X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143249 621.313.3.045 ru Електротехніка і електромеханіка Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати
spellingShingle	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати Дёгтев, В.Г. Бабушанов, А.В. Чеснов, Я.А. Исследование магнитного поля в воздушном зазоре синхронного неявнополюсного генератора Електротехніка і електромеханіка
description	Проведены исследования магнитного поля экспериментального образца неявнополюсного синхронного генератора в режиме холостого хода. Выполнен сравнительный анализ кривых распределения магнитного поля в воздушном зазоре, полученных экспериментально и с применением метода конечных элементов.
format	Article
author	Дёгтев, В.Г. Бабушанов, А.В. Чеснов, Я.А.
author_facet	Дёгтев, В.Г. Бабушанов, А.В. Чеснов, Я.А.
author_sort	Дёгтев, В.Г.
title	Исследование магнитного поля в воздушном зазоре синхронного неявнополюсного генератора
title_short	Исследование магнитного поля в воздушном зазоре синхронного неявнополюсного генератора
title_full	Исследование магнитного поля в воздушном зазоре синхронного неявнополюсного генератора
title_fullStr	Исследование магнитного поля в воздушном зазоре синхронного неявнополюсного генератора
title_full_unstemmed	Исследование магнитного поля в воздушном зазоре синхронного неявнополюсного генератора
title_sort	исследование магнитного поля в воздушном зазоре синхронного неявнополюсного генератора
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate	2009
topic_facet	Електричні машини та апарати
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143249
citation_txt	Исследование магнитного поля в воздушном зазоре синхронного неявнополюсного генератора / В.Г. Дёгтев, А.В. Бабушанов, Я.А. Чеснов // Електротехніка і електромеханіка. — 2009. — № 6. — С. 13-17. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series	Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv	AT dëgtevvg issledovaniemagnitnogopolâvvozdušnomzazoresinhronnogoneâvnopolûsnogogeneratora AT babušanovav issledovaniemagnitnogopolâvvozdušnomzazoresinhronnogoneâvnopolûsnogogeneratora AT česnovâa issledovaniemagnitnogopolâvvozdušnomzazoresinhronnogoneâvnopolûsnogogeneratora
first_indexed	2025-07-10T16:45:58Z
last_indexed	2025-07-10T16:45:58Z
_version_	1837279175957807104
fulltext	Електричні машини та апарати ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №6 13 УДК 621.313.3.045 В.Г. Дёгтев, А.В. Бабушанов, Я.А. Чеснов ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ВОЗДУШНОМ ЗАЗОРЕ СИНХРОННОГО НЕЯВНОПОЛЮСНОГО ГЕНЕРАТОРА Проведені дослідження магнітного поля експериментального зразку неявнополюсного синхронного генератора у ре- жимі неробочого ходу. Виконаний порівняльний аналіз кривих розподілу магнітного поля у повітряному зазорі, отри- маних експериментально і із використанням методу кінцевих елементів. Проведены исследования магнитного поля экспериментального образца неявнополюсного синхронного генератора в режиме холостого хода. Выполнен сравнительный анализ кривых распределения магнитного поля в воздушном зазоре, полученных экспериментально и с применением метода конечных элементов. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Одним из важнейших показателей синхронных ге- нераторов является коэффициент искажения синусои- дальности K, определяющий уровень содержания доба- вочных гармоник в кривой выходного напряжения [1]. Форма кривых напряжения на зажимах генера- тора в значительной степени зависит от особенностей распределения магнитного поля в воздушном зазоре. Поэтому при проектировании генераторов получение достоверной информации о характере распределения индукции в воздушном зазоре Bδ(α) [2, 3] или пото- косцепления [4, 5] является актуальной задачей. Современные программные и аппаратные сред- ства позволяют определить распределение магнитно- го поля с применением метода конечных элементов. Однако при непосредственном их применении для анализа магнитного поля следует учитывать два об- стоятельства. Во-первых, несмотря на значительные возможности современных аппаратных средств необ- ходимо рационально подходить к выбору степени дискретизации конечных элементов, сохраняя при этом приемлемое соответствие расчетной картины поля действительности. Во-вторых, в неявнополюс- ных генераторах при наличии двухсторонней зуб- чатости и взаимном перемещении ротора и статора каждому варианту их взаимного расположения в пре- делах половины зубцового деления якоря соответст- вует оригинальный характер распределения и гармо- нического состава магнитного поля. Поэтому необхо- дима отработка алгоритма выбора шага взаимного пе- ремещения статора и ротора для получения инте- гральной картины поля. Оценку корректности подхода к решению по- ставленной выше задачи и адекватности получаемых результатов можно выполнить только при сопостав- лении последних с экспериментальными данными. Для решения этой задачи используем сравнение результатов расчетов магнитного поля возбуждения методом конечных элементов в среде FEMM (Finite Element Method Magnetics) [6, 7] и эксперименталь- ных исследований опытного образца синхронного не- явнополюсного генератора. ОПИСАНИЕ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА В 30 пазах ротора экспериментального генерато- ра уложена специальная обмотка возбуждения, кото- рая позволяет получить двухполюсное магнитное по- ле и два варианта поля с числом полюсов 2р=6. Распределение токов каждого варианта (рис. 1) теоретически обеспечивает генерацию полей, кривые которых обладают симметрией первого рода [8]. Это должно приводить к исключению содержания в их гармоническом спектре гармоник четных порядков. а б в Рис. 1. Распределения токов обмотки возбуждения для двухполюсного (а) и вариантов шестиполюсного поля (б, в) Для экспериментальной регистрации кривых ЭДС, адекватно отображающих распределение маг- нитного поля возбуждения, в 36 пазах статора уложе- на измерительная обмотка с шагом у=18. Размеры магнитной системы образца приведены на рис. 2. 14 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №6 Рис. 2. Магнитная система опытного образца Шаг измерительной обмотки является диамет- ральным относительно как двухполюсных, так и шес- типолюсных полей, что обеспечивает одинаковое по- токосцепление со всеми гармоническими нечетных порядков. Для приема и обработки сигнала указанной обмотки использован цифровой осциллограф BORDO, предназначенный для исследования формы и измерения параметров периодических и однократных электрических сигналов. ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ Для кривых распределения индукции, получен- ных как расчетным путем, так и экспериментально, характерно наличие ряда гармоник, которыми следует пренебречь. В расчетных кривых наличие таких гар- моник вызвано уровнем дискретизации конечных элементов в программе FEMM, используемой в элек- тромагнитных расчетах электрических машин. В экс- периментальных кривых причиной проявления гар- моник такого рода является нестабильность щеточно- го контакта. Кроме того, в экспериментальных кри- вых возможно проявление гармоник, вызванных кон- структивной и технологической несимметрией, нели- нейностью преобразователей, датчиков и т.д. С учетом этих обстоятельств обработка как экс- периментальных, так и расчетных кривых выполнена с помощью специально разработанной программы FOURIER, рабочее окно которой приведено на рис. 3. Рис. 3.Окно программы FOURIER Программа FOURIER реализована в среде DELPHI, осуществляет разложение кривых в ряд Фу- рье, позволяет выполнять гармонический анализ на любом числе полупериодов. Помимо определения ам- плитуд и фаз гармонических составляющих с поряд- ками в диапазоне от 0 до произвольного заданного порядка, программа выполняет расчет относительных амплитуд, расчет коэффициента K искажения сину- соидальности кривых, выполняет визуализацию со- поставления исходной и построенной по результатам разложения кривых, а также предоставляет возмож- ность передачи информации в среду Excel для после- дующей обработки. Кроме того, программа позволяет обрабатывать исходную кривую: удалять выбранные точки, выравнивать ординаты точек относительно оси абсцисс, исключать из результатов разложения опре- деленные части спектра, корректировать угловые ко- ординаты гармоник для кривых с симметрией первого рода и т. д. При анализе осциллограмм, пример одной из ко- торых представлен на рис. 4, установлена нестабиль- ность сигнала по периодам. Рис. 4. Осциллограмма распределения индукции в воздушном зазоре генератора при 2р=2 Так, результаты обработки каждого из периодов программой FOURIER, представленные в табл. 1, пока- зали, что относительная разница амплитуд отдельных гармоник ΔВν может достигать 120%. В то же время максимальное относительное различие в значениях ко- эффициентов искажения ΔK не превышает 3%. Таблица 1 Сравнение результатов обработки осциллограммы Вν по периодам, о.е. ν Вν1 Вν2 * Вν3 * Вν4 * Вν5 * Вνср ΔВν, ΔK 5 0,073 0,066 0,068 0,071 0,073 0,070 0,094 7 0,009 0,012 0,011 0,008 0,008 0,010 0,477 11 0,007 0,012 0,013 0,009 0,010 0,010 0,578 13 0,023 0,022 0,020 0,019 0,018 0,020 0,236 17 0,019 0,019 0,019 0,018 0,017 0,018 0,066 25 0,021 0,020 0,020 0,017 0,017 0,019 0,209 29 0,161 0,161 0,168 0,159 0,163 0,162 0,028 31 0,126 0,127 0,128 0,130 0,127 0,128 0,034 35 0,021 0,018 0,019 0,020 0,014 0,018 0,385 37 0,013 0,014 0,017 0,018 0,011 0,015 0,457 K 0,222 0,221 0,227 0,222 0,223 0,223 0,027 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №6 15 Поэтому основным критерием адекватности рас- четных и экспериментальных результатов были вы- браны коэффициенты искажения синусоидальности и формы кривых K. , 2 2* ∑ ∞ =ν δν= BK где Bδν * – относительная амплитуда гармоник кривой распределения индукции в воздушном зазоре экспе- риментального генератора. В общем случае рациональный уровень дискрети- зации при моделировании в среде FEMM зависит от соотношения величин рабочего воздушного зазора δ, пазового деления tZ и полюсного деления τ и требует специальных исследований для различных конфигура- ций рабочей области. Применительно к конкретной геометрии экспериментального образца проведен ряд расчетных исследований, позволивших выработать не- которые рекомендации по определению этого уровня. Гармонический анализ кривых, полученных в среде FEMM с разным числом N узлов расчетной сет- ки в воздушном зазоре, показал, что с ростом N про- исходит изменение как амплитуд, так и фаз гармоник. Поэтому предельный уровень дискретизации целесо- образно связать с относительным изменением этих величин. Минимально допустимое число узлов Nmin сетки можно определить, используя моделирование кривых, обладающих симметрией первого рода. Если резуль- тат разложения при этих условиях кривых в ряд Фу- рье обеспечивает равенство аргументов произвольных гармоник нулю или ста восьмидесяти градусам, то та- кой уровень дискретизации можно считать мини- мально приемлемым. При определении рационального уровня дискре- тизации число узлов N сетки конечных элементов можно определить, построив зависимость относи- тельного изменение амплитуд ΔBν наиболее весомых гармоник от N. В качестве примера такие расчетные зависимо- сти построены для трех наиболее весомых гармоник (ν=5, ν =29, ν =31) индукции двухполюсного поля экспериментального образца и приведены на рис. 5. Рис. 5. Зависимость ΔBν=f(N) Как следует из графиков этого рисунка, при уве- личении числа узлов расчётной сетки относительное изменение амплитуд наиболее весомых гармоник име- ет экспоненциальный характер и позволяет выбирать N в зависимости от необходимой точности расчёта. После выбора N было проведено исследование влияния взаимного положения статора и ротора двух- полюсного генератора в режиме холостого хода на ха- рактер распределения индукции в воздушном зазоре. Программа FEMM позволяет получить распре- деления нормальной по отношению к выбранному контуру индукции в воздушном зазоре для заданного числа точек контура. Типичный результат такого рас- чета для одного из произвольных взаимных положе- ний статора и ротора приведен на рис. 6, картина рас- пределения магнитных силовых линий для соответст- вующего положения приведена на рис. 7. Рис. 6. Зависимость Bδ=f(α) по расчёту в среде FEMM Рис. 7. Распределение двухполюсного варианта магнитного поля Как следует из сопоставления графиков на ри- сунках 4 и 6 форма расчетной кривой (рис. 6) резко отличается от экспериментальной зависимости (рис. 4). Причиной указанного расхождения является разный характер кривых. Экспериментальная кривая является интегральным результатом, учитывающим 16 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №6 все возможные варианты взаимного расположения ротора и статора на протяжении периода. Расчетная зависимость отображает только одно выбранное из множества возможных взаимных расположений ста- тора и ротора. Для получения интегральной расчетной кривой пространственного распределения магнитного поля в воздушном зазоре необходимо выполнить расчёты для каждого из возможных вариантов взаимного рас- положения ротора и статора. Затем значения индук- ции интегральной кривой определяются, как среднее арифметическое от значений индукции каждого рас- чета в соответствующих координатах α. Как экспериментальные, так и расчетные инте- гральные кривые Вδи=f(α) генератора обработаны с помощью программы FOURIER. Обработка заключа- лась в исключении теоретически отсутствующих гар- моник (четных и кратных 3), а также гармоник, отно- сительные амплитуды которых составляли менее 1%. Гармоники, кратные трем отсутствуют, поскольку обмотка возбуждения занимает 2/3 пазов ротора и не генерирует их. Указанные допущения позволили ог- раничить максимальный порядок учитываемых гар- моник первыми зубцовыми статора (ν=35, ν =37). Изложенная выше методика была применена при обработке расчетов в среде FEMM для вариантов вза- имного расположения статора и ротора при угловом смещении Δα=1º. СОПОСТАВЛЕНИЕ РАСЧЁТНЫХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ Сопоставление форм интегральных кривых Вδи=f(α), построенных по результатам разложения экспериментальной и расчетной характеристик в от- носительных единицах при двухполюсном возбужде- нии приведено на рис. 8. Рис. 8. Сравнение форм экспериментальной и расчётной интегральных кривых Вδи=f(α) (Δα =1º) По результатам разложения в ряд Фурье расчёт- ной и экспериментальной кривых значения коэффи- циентов искажения синусоидальности K составляют KР=0,1783, KЭ=0,1794, соответственно. Отличие со- ставляет 0,6%, а значит можно считать, что расчётная кривая распределения магнитного поля соответствует действительной с допустимой погрешностью. Установлено, что расчетные интегральные кри- вые Вδи=f(α), полученные по двум произвольным взаимным положениям статора и ротора и предыду- щий результат после обработки по предложенной ме- тодике полностью идентичны. Рассмотренные поло- жения отличаются тем, что ротор одного из них сме- щен на половину зубцового деления статора, относи- тельно другого. Это позволяет при последующих рас- четах ограничиваться рассмотрением только двух та- ких характерных положений. Аналогично двухполюсному полю выполнено сравнение эксперимента и расчета характеристик для двух вариантов шестиполюсного поля. Здесь следует отметить, что в этом случае меняется соотношение величин рабочего воздушного зазора δ, пазового де- ления tZ и полюсного деления τ. Это обстоятельство потребовало корректировки в процессе обработки расчетных интегральных кривых Вδи =f(α) програм- мой FOURIER. Оказалось, что, несмотря на проявле- ние в расчетных интегральных кривых вторых зубцо- вых гармоник статора и ротора (ν=19, 21, 23, 25), в соответствующих экспериментальных кривых ука- занные гармоники не проявляются. Поэтому предель- ный относительный порядок в данном случае ограни- чен первыми зубцовыми гармониками. Сравнение экспериментальных и расчётных кри- вых распределения магнитного поля в воздушном за- зоре, построенных по результатам разложения в ряд Фурье приведено на рис. 9 и 10. Коэффициенты иска- жения синусоидальности расчетных и эксперимен- тальных интегральных кривых, представленных на рис. 9, 10, для первого варианта составляют KР=0,233, KЭ=0,234 (ΔK=0,004), а для второго – KР=0,247, KЭ=0,25 (ΔK =0,012). Рис. 9. Сравнение интегральных кривых Вδи=f(α) первого варианта шестиполюсного генератора Графическое сопоставление характеристик, при- веденных на рис. 9 и 10 показывает их хорошую схо- димость. Картины распределения магнитных силовых ли- ний для представленных вариантов шестиполюсного поля приведены на рис. 11 и 12. ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №6 17 Рис. 10. Сравнение интегральных кривых Вδи*=f(α) второго варианта шестиполюсного генератора Рис. 11. Распределение магнитного поля при 2р=6 согласно рис. 1, б Рис. 12. Распределение магнитного поля при 2р=6 согласно рис. 1, в ВЫВОДЫ Полученные результаты позволяют рекомендо- вать предложенную технологию обработки расчетных и экспериментальных результатов для продолжения исследований магнитных полей генераторов при раз- личных нагрузках и уровнях насыщения, в условиях совмещения магнитных полей с разными числами по- люсов и т.д. В конечном итоге это обеспечит возможность достоверного определения форм кривых фазного и линейного напряжений и соответствующих значений коэффициентов искажения синусоидальности в про- цессе проектирования генераторов. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. ГОСТ 10169-77. Машины электрические трехфазные синхронные. Методы испытаний. 2. Вольдек А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1978.- 832 с. 3. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические ма- шины. В 2-х ч. Ч.2- Машины переменного тока. Л.: Энергия, 1973. - 648 с. 4. Милых В.И., Полякова Н.В. Анализ характера ЭДС, вы- зываемых реакцией якоря в турбогенераторе // Вісник Національного університету "Львівська політехніка", №487, Електроенергетичні та електромеханічні системи. Львів: НУ "ЛП", 2003. - С. 10-17. 5. Милых В.И., Полякова Н.В. Гармонический анализ ЭДС в турбогенераторе на основе численных расчетов вращаю- щихся магнитных полей в различных режимах // Електротехніка і електромеханіка. - 2004.-№4. - С. 46-51. 6. David Meeker. Finite Element Method Magnetics. http://femm.foster-miller.net/ 7. David Meeker. Finite Element Method Magnetics. Users Manual. Version 4.2. 2006. – 155 p. 8. Жерве Г.К. Обмотки электрических машин. – Л.: Энер- гоатомиздат, 1989.- 400 с. Поступила 16.07.2009 Дёгтев Владимир Григорьевич, д.т.н., проф. тел. (048) 776-29-78, e-mail: kem.deg@gmail.com Бабушанов Алексей Викторович тел. 8-063-774-25-58, e-mail: kem.abv@gmail.com Чеснов Ярослав Александрович тел. 8-096-55-65-291, e-mail: chesnov2007@ukr.net Одесский национальный политехнический университет Украина, 65058, Одесса, пр-т Шевченко, 6/2, кв. 70, V.G. Degtev, A.V. Babushanov, Y.A. Chesnov Synchronous generators air gap magnetic field analysis Research on magnetic field of a synchronous implicit-pole gen- erator operative embodiment is performed for no-load condi- tions. Comparative analysis of magnetic field distribution curves in the air gap obtained experimentally and analytically is made. Key words – magnetic field distribution, synchronous generator, finite element method, superior harmonics, Fourier series

Исследование магнитного поля в воздушном зазоре синхронного неявнополюсного генератора

Репозитарії

Схожі ресурси