CC BY
161
УДК 62-83:004
А.Н. Калмыков, канд. техн. наук, проректор, (812) 714-68-39, kan@smtu.ru (Россия, Санкт-Петербург, СПбГМТУ), А.А. Сеньков, инженер, (812) 714-68-39,
kan@smtu.ru (Россия, Санкт-Петербург, Центр морской техники «Рубин»)
ГРЕБНЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ С РАДИАЛЬНО-ОСЕВЫМ МАГНИТНЫМ ПОТОКОМ
Анализируются особенности судовых гребных электродвигателей. Приведена конструкция вентильного электродвигателя с постоянными магнитами на роторе с радиально-осевым магнитным потоком. Рассмотрена возможность применения этого вида машин в качестве гребных электродвигателей.
Ключевые слова: судовые гребные электрические установки, магнитный поток, магнитопровод статора, ротор.
За последние два десятилетия область применения судовых гребных электрических установок (ГЭУ) значительно расширилась, вследствие изменений состава и существенного повышения характеристик ГЭУ. В настоящее время ГЭУ применяются на судах практически всех видов: пассажирских, контейнеровозах, танкерах, ледоколах, рыбопромысловых судах, буксирах и т.д. Системы электродвижения обеспечивают отличные динамические качества и манёвренность судна, повышают безопасность плавания, позволяют экономить полезное пространство на судне для грузов и пассажиров, снижают потребление топлива и уровни шума и вибрации, позволяют уменьшить время простоя судна.
Характерными компонентами современных ГЭУ являются:
1) гребные электродвигатели переменного тока;
2) полупроводниковыми преобразователями большой мощности;
3) гребные установки «Азипод», либо винторулевые колонки большой мощности;
Качественные и количественные показатели ГЭУ сделали возможным создание полностью электрических судов, на которых источники электроэнергии и все потребители объединены в единую электроэнергетическую систему судна. Тепловые двигатели - дизели и турбины - используются на этих судах только в качестве первичных двигателей судовых электростанций, а все технологические операции выполняются электрическими и электромеханическими устройствами.
Основными видами гребных электродвигателей (ГЭД), применяемых в настоящее время в ГЭУ, являются асинхронные двигатели с корот-козамкнутым ротором, синхронные двигатели с обмоткой возбуждения на роторе и синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе. Синхронные электродвигатели в ГЭУ используются в режиме вентильного двигателя, в котором фазы машины коммутируются по сигналам датчика
положения ротора. Параметры ГЭД, применяемых в гребных установках «Азипод», уникальны - при мощности до нескольких десятков мегаватт частота вращения ГЭД составляет всего 50 - 200 оборотов в минуту. В электроприводах наземных технологических механизмов такое сочетание параметров практически не встречается.
Наиболее высокий к.п.д. и наименьшие массо-габаритные характеристики в ГЭУ имеют вентильные двигатели с постоянными магнитами (ВДПМ) на роторе [1, 2]. ВДПМ не имеют потерь мощности на возбуждение и могут быть выполнены с большим числом пар полюсов ротора, что позволяет снизить массу магнитопровода статора и ротора.
Особые требования к судовым ГЭД - низкая частота вращения и высокий момент на валу - заставляют специалистов искать для ВДПМ специальные электромагнитные системы. Специалисты фирмы «RollsRoyce» опубликовали информацию о создании ВДПМ с радиально-осевым магнитным потоком, называемые за рубежом TFM (Transversive Flux Motors) [3]. Опытный образец созданного двигателя TFM имеет мощность 2,5 МВт и прорабатывается вариант машины мощностью 20 МВт.
Конструкции ВДПМ с топологией TFM прорабатываются и в нашей стране [4, 5, 6]. На рис. 1 показаны элементы одной из фаз статора торцевого ВДПМ с радиально-осевым магнитным потоком.
Фаза статора 2 является кольцевой обмоткой, фрагмент которой показан на рис. 1. Магнитопровод статора образуют «П-образные» элементы
30
Рис. 1. Элементы фазы статора ВДПМ с радиально-осевым магнитным потоком
1 и 3. «П-образные» элементы 1 охватывают кольцевую обмотку 2 со стороны наружной поверхности кольцевой обмотки, а «П-образные» элементы 3 охватывают кольцевую обмотку со стороны внутренней поверхности. Стрелка показывает направление намагничивающей силы I^ кольцевой обмотки, где I - ток обмотки; w - число витков обмотки. В соответствии с направлением намагничивающей силы кольцевой обмотки и положением «П-образных» элементов 1 и 3 относительно обмотки 2 ближние к наблюдателю стороны «П-образных» элементов 1 будут иметь южную полярность S, а дальние стороны «П-образных» элементов 1 будут иметь северную полярность N. У «П-образных» элементов 3 ближние к наблюдателю стороны «П-образных» элементов 3 будут иметь северную полярность N а дальние стороны - южную полярность &
На рис. 2 показана конструктивная схема трехфазного торцевого ВДПМ с радиально-осевым магнитным потоком.
Рис. 2. Схема трехфазного торцевого ВДПМ с радиально-осевым магнитным потоком
Фазы двигателя образуют три кольцевые обмотки со своими элементами магнитопровода. Обмотки фаз и элементы их магнитопровода должны быть неподвижно закреплены в корпусе электродвигателя, который на рисунке не показан. Ротор составляют четыре диска 4 из ферромагнитного материала, установленных на валу машины. На боковых поверх-
31
ностях каждого диска закреплены постоянные магниты 5 с чередующейся в тангенциальном направлении полярностью. Каждая из фаз размещена между парой дисков. Постоянные магниты, обращенные к боковым поверхностям каждого из «П-образных» элементов магнитопровода, имеют различную полярность. Фазы двигателя с «П-образным» элементами магнитопровода смещены относительно друг друга на 2п/3 эл. радиан.
При подаче в одну из фаз переменного тока фаза создает пульсирующий момент. Если на фазы двигателя подать симметричное трехфазное синусоидальное напряжение, то при сложении моментов, созданных фазами, возникает постоянный момент определенного направления, и двигатель будет работать, как синхронный - с плавным вращением вала. Если переключать обмотки по сигналам датчика положения ротора, то двигатель будет работать, как бесконтактный двигатель постоянного тока (вентильный).
По расчетам потери в обмотках в машинах TFM могут быть значительно меньше, чем в традиционных машинах с обмотками, расположенными в осевых пазах магнитопровода статора. Как известно, выходная мощность электрической машины пропорциональна ЭДС фазы, возникающей при вращении ротора. В [7] проведено сравнение первых гармоник ЭДС ВДПМ с цилиндрическим ротором традиционного исполнения - с осевыми пазами и двигателей TFM при одной и той же частоте вращения ротора т. Сравнение проведено при условии, что у обоих видов машин одинаковы: D - диаметр расточки статора; L - длина ротора; p - число пар полюсов ротора; геометрические размеры полюсов; Ф1 - магнитный поток полюса для первой гармоники индукции в зазоре. В [7] показано, что при одной и той же мощности машины длина провода фаз при большом числе р в машинах с кольцевыми пазами значительно меньше, чем в машинах с осевыми пазами, и значит меньше будут потери в обмотках статора.
Основной причиной низких потерь в меди в машинах TFM является то, что в машинах с осевыми пазами с витками фазы связан магнитный поток Ф1 одного полюса ротора, а в машинах TFM витки фазы связаны с 1/6 суммарного магнитного потока полюсов ротора Ф12р/5. Аналогичное соотношение можно получить и для двигателей TFM с торцевым ротором.
При этом удельные потери в меди на единицу выходной мощности в двигателях TFM снижаются при увеличении числа пар полюсов, а топология машин TFM как раз и позволяет строить двигатели с большим числом полюсов (в двигателе «Rolls-Royce» мощностью 20 Мвт число полюсов равно 130).
Кроме того, по мнению специалистов «Rolls-Royce» [3], двигатели TFM позволяют существенно повысить индукцию магнитного поля в зазоре и плотность тока в обмотках, в результате можно существенно снизить габариты и массу машины.
В то же время следует отметить, что в машинах TFM потери в маг-нитопроводе будут выше, чем в машинах с радиальным или осевым магнитным потоком. Конструкция машин TFM менее технологична, так как магнитопровод состоит из большого числа отдельных элементов. По этой же причине трудно обеспечить равномерный зазор между магнитопрово-дом статора и ротором.
Выводы
1. В машинах TFM витки фазы связаны с большим магнитным потоком, чем в машинах с радиальным или осевым магнитным потоком, что позволяет снизить длину проводников фаз и потери мощности в обмотках.
2. Конструкция машин TFM не технологична, трудно обеспечить равномерный зазор между элементами магнитопровода статора и ротором.
Список литературы
1. Hodge Cdr C. G., Mattick Cdr D. J. The Electric Warship III // Trans IMarE. 1997. Vol 110. Part 2. Рр. 119-134.
2. Электротехнические и радиоэлектронные системы дизель-электрических подводных лодок / В.С. Соколов [и др.] СПб.: ФГУП ЦКБ МТ "Рубин", 2005. 256 с.
3. Hodge Cdr C. G., Mattick Cdr D. J. The Electric Warship V // A paper for the Institute of Mar^ Engineers. 2000. Рр. 34.
4. Пат. РФ №2279174, Электрическая машина. БИ 2006, № 18.
5. Пат. РФ №2348098, Электрическая машина. БИ 2009, № 6.
6. Пат. РФ №2356158, Многослойный торцевой моментный электродвигатель. БИ 2009, №14.
7. А. П. Сеньков [и др.] Применение в судовых электроприводах вентильных электродвигателей с кольцевыми фазами / А. П. Сеньков [и др.] // Труды V международной (XVI Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2007, 18-21 сентября 2007. СПб, 2007. С. 394-397.
A. Kalmy'kov, A. Senkov
Rowing electric motors with radially-axial magnetic flux
The features of the propeller electrical drivers are analyzed. The construction of the electrical driver with constant magnets on a curl with a radially - axial magnetic flux ((Transversive Flux Motors)) is indicated and the possibility of the application of this kind of machines as the propeller electrical drivers is considered.
Keywords: ship rowing electric installations, the magnetic flux, magnetic stator,
rotor.
Получено 06.07.10
