Отчет о научно-исследовательской работе «Определение критериев аварийности современного энергетического оборудования на основе исследований электромагнитных и тепловых процессов в асимметричных режимах работы электрических машин с учетом влияния физико-химических свойств материалов»

Разработан метод определения допустимых режимов эксплуатации электромеханических преобразователей энергии (ЭМПЭ) разных типов при несимметрии вторичной магнитной цепи, исходя из допустимых уровней тепловых нагрузок. Допустимая мощность ЭМПЭ определяется токами, наводимыми в обмотке статора полем взаимоиндукции, что и определяет необходимость их корректного учета. Модифицирован общий метод определения магнитодвижущей силы (МДС) и допустимой мощности при произвольной форме токов в фазах путем двойного преобразования в ряды Фурье на основе метода симметричных составляющих. Модификация позволяет отказаться от метода симметричных составляющих, использующего основную гармоническую составляющую магнитного потока для расчета параметров. Анализ проводится с учетом всего гармонического спектра потока взаимоиндукции и наведенных токов, что особенно важно при исследовании несимметричных и тепловых режимов работы (неравномерные нагревы возникают именно под воздействием высших гармонических составляющих магнитного поля взаимоиндукции ЭМПЭ). Впервые применение нового расчетного инструмента дает возможность анализа гармонического состава результирующей МДС электрических машин с целью уточненного расчета параметров с учетом свойств материалов. Исследовано влияние тепловых полей на выходные характеристики ЭМПЭ. Определены свойства материалов конструкций (магнитная проницаемость, коэрцитивная сила, электропроводность), необходимые для обеспечения отсутствия перегревов, приводящих к возникновению аварийных режимов работы ЭМПЭ. Изучен поверхностный эффект в стержне ротора мощных асинхронных двигателей с учетом изменения его удельного сопротивления в зависимости от температуры. Изложены численный метод и алгоритм расчета коэффициентов увеличения сопротивления и уменьшения индуктивности стержня. Метод основан на разностной аппроксимации по трем узлам уравнения Гельмгольца, использует простую итерацию и пошаговое уточнение ряда параметров (температура, сопротивление и потери). Сопоставление решения с результатами моделирования в (2D) пакете прикладных программ Elcut показывает высокую точность расчета (погрешность до 1,5%). Выполнена оптимизация геометрии активной зоны массивного ротора на основе требований механической прочности для быстроходных ЭМПЭ. Исследование конструкции зубцовой зоны массивного ротора показало, что при заданном напряжении в основании зубца может быть получена максимальная площадь пазов ротора при оптимальной их высоте, что обеспечивает максимальные величины МДС ротора и номинальной мощности машины. Проблема решена для произвольной угонной скорости вращения (от 3600 об./мин). Приведен пример оптимизации зубцовой зоны ротора. Изучены рабочие характеристики быстроходных асинхронных машин с массивным ротором с использованием критериев подобия. Предложена конструкция с короткозамыкающими кольцами в виде дисков, приваренными к торцам ротора. Такая конструкция ротора позволяет уменьшить сопротивление токам, индуктированным в массиве ротора полем взаимоиндукции, повысить уровень электромагнитного использования машины и ее конкурентоспособность. Проанализировано влияние свойств материала и размеров кольца на увеличение осевого компонента тока на примерах (железо-медный сплав, бронза, медь, серебро и сплавы на основе алюминия).