К расчету высокодинамичных электродвигателей

  • Кирилл Андреевич Модестов
  • Юрий Игоревич Кован
  • Людмила Александровна Егошкина
  • Денис Владимирович Русанов
  • Дмитрий Викторович Голованов
DOI: https://doi.org/10.24160/0013-5380-2020-6-45-54
Ключевые слова: высокодинамичный электродвигатель, максимальное быстродейст­вие, момент инерции, оптимальные параметры, электромагнитные нагрузки, сверхпроводниковые обмотки

Аннотация

Применение электропривода в промышленных и специализированных установках, а также на транспорте, в частности на летательных аппаратах, предъявляет к формированию переходных процессов электропривода ряд требований, направленных на достижение требуемых показателей либо по максимальному быстродействию, либо минимальному уровню потерь, либо ограничению динамических нагрузок, возникающих в элементах кинематических цепей, связывающих электро­привод с исполнительным механизмом, либо по совокупности ряда из них. При этом часто повы­шенный интерес предъявляется к высокодинамичным двигателям, обладающим максимальным бы­стродействием. Как известно, быстродействие электродвигателя характеризуется его электро­механической постоянной, которая зависит от момента инерции ротора двигателя, определяемо­го его габаритами. На основании анализа уравнения движения двигателя определено соотношение между моментом инерции исполнительного механизма и моментом инерции ротора высокодина­мичного приводного двигателя, при котором обеспечивается максимальное быстродействие. Ана­лиз проведен с учетом резонансных явлений, ограничивающих длину ротора. Определены соотноше­ния между основными размерами высокодинамичного двигателя, обеспечивающие максимальное ус­корение при заданных параметрах нагрузки. Даны рекомендации по выбору электромагнитных на­грузок такого двигателя. В частности, рассмотрены пути повышения линейной нагрузки, способ­ствующей росту электромагнитного момента двигателя. Это возможность криогенного охлаж­дения, позволяющего использовать сверхпроводниковые обмотки якоря и возбуждения, а также корректировка геометрии активной зоны, в частности удлинения высоты зубца. Последнее под­тверждено численным расчетом электромагнитного момента четырехполюсной реактивной ма­шины при разных значениях глубины трапецеидального паза. Приведены также зависимости, ха­рактеризующие уменьшение активного сопротивления обмотки фазы при захолаживании жидким азотом, что способствует повышению линейной нагрузки. Таким образом, предлагаемые рекомен­дации по проектированию даны с учетом возможности разработки двигателя с использованием сверхпроводниковых обмоток.

Биографии авторов

Кирилл Андреевич Модестов

Модестов Кирилл Андреевич — канди­дат техн. наук, доцент Национального исследова­тельского университета «Московский авиационный институт» НИУ «МАИ», диссертацию защитил в 2005 г.

Юрий Игоревич Кован

Кован Юрий Игоревич — кандидат техн. наук, доцент, старший научный сотрудник НИУ «МАИ», диссертацию защитил в 1973 г.

Людмила Александровна Егошкина

Егошкина Людмила Александровна — кандидат техн. наук, доцент, старший научный сотрудник НИУ «МАИ», диссертацию защитила в 1987 г.

Денис Владимирович Русанов

Русанов Денис Владимирович — аспирант НИУ «МАИ»

Дмитрий Викторович Голованов

Голованов Дмитрий Викторович — кандидат техн. наук, старший научный сотрудник НИУ «МАИ», диссертацию защитил в 2010 г. Научный сотрудник Ноттингемского университета, Велико­британия.

Литература

1. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода: Учебник для вузов. М.: Энергоиздат, 1981, 576 с.
2. Вольдек А.И. Электрические машины, изд.2+е. Л.: Энергия, 1974, 840 с.
3. Поспелов Л.И. Конструкции авиационных электрических машин. М.: Энергоиздат, 1982, 320 с.
4. Пат. РФ № 2689395. Индукторная электрическая машина на основе высокотемпературных сверхпроводников/К.Л.Ковалев, К.А. Модестов, Ю.И. Кован, С.В. Журавлев, Л.А.Егошкина. – БИ, 2019, № 16.
5. Пат. РФ № 2664716. Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина с обмотками якоря и возбуждения в неподвижном криостате/ К.Л.Ковалев, А.А. Дубенский, К.А.Модестов, Н.С. Иванов, В.Т. Пенкин, Л.А. Егошкина, А.Е.Ларионов. – БИ, 2018, № 24.
6. Пат. РФ № 169041. Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина/К.Л. Ковалев, И.Н. Кобзева, Б.С. Зечихин, Ю.И. Кован, В.С. Семенихин, Н.С. Иванов, Л.А. Егошкина. – БИ, 2017, № 7.
7. Пат. РФ № 2180156. Сверхпроводниковая синхронная машина/Л.К. Ковалев, К.В. Илюшин, В.Н. Полтавец, В.С. Семенихин, В.Т. Пенкин, К.Л. Ковалев, Л.А. Егошкина, А.Е. Ларионов, С.М.+А. Конеев, К.А. Модестов, С.А. Ларионов. – БИ, 2002, № 6.
8. Лёвин А.В., Васич П.С., Дежин Д.С., Ковалев Л.К., Кова­лев К.Л., Полтавец В.Н., Пенкин В.Т. Высокодинамичные элек­трические машины с постоянными магнитами и массивными высокотемпературными сверхпроводниковыми элементами. — Электричество, 2012, № 2, с. 2-10.
9. Электрические машины и устройства на основе массив­ных высокотемпературных сверхпроводников/Под ред. Л.К. Ковалева, К.Л. Ковалева, С.М.-А Конеева. М.: Физматлит, 2010. 396 с.
10. Liping Zheng, Thomas X. Wu, Dipjyoti Asharya. Design of a Superhigh-Speed Cryogenic Permanent Magnet Synchronous Motor. — IEEE Transactions on Magnets, September 2005, vol. 41, No. 10.
11. Kawamura M., Jones J.A. Superconducting Super Motor. - IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2017, vol. 27.
12. Karashima T., Nakamura T., Ikeda K., Nishino B., Yoshikawa M., Ito Y. Improvement of the Variable Speed Controllability of a 20 kW Class High-Temperature Superconducting Induction/ Synchronous Motor at No-Load Condition. - IEEE Transactions on Applied Superconductivity, April 2018, vol. 28, iss. 3.
13. Naoki Maki, Tomoaki Takao etc. Study of Practical Applications of HTS Synchronous Machines. - IEEE Transactions on Applied Superconductivity, June 2005, vol. 15, No. 2.
14. Viatcheslav Dombrovsky, David Driscoll. Design and Testing of a 1000-hp High-Temperature Superconducting Motor. - IEEE Transactions on Energy Conversion, September 2005, vol. 20, No. 3.
15. Crapo A., Lloud J. Homopolar DC Motor and Trapped Flux DC Motor Using High Temperature Superconducting Materials. - IEEE Trans. Magn, 1991, vol. 27, No. 2.
16. D. Aized, B.B. Gamble, A. Sidi-Yekhlef, J.P. Voccio etc. Status of the 1000 hp HTS Motor Development. - IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1999, vol. 9, No. 2.
17. Itoh Y., Yanaci Y., Yoshikawa M., Oka T., Harada S., Sakakibara I., Yamada Y., Mizutani U. High+TemperatureSuperconducting Motor Using Y-Ba-Cu-O Bulk Magnets. — Jpn. Appl. Phys., 1995, No. 10, Part 1, vol. 34.
18. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая шко­ла, 1967, 599 с.
19. Сверхпроводниковые электрические машины и магнит­ные системы/Под ред. Б.Л. Алиевского. М.: Изд-во Московского авиационного института, 1993, 344 с.
#
1. Chilikin M.G., Sandler A.S. Obcshiy kurs elektroprivoda. Uchebnik dlya vuzov (General course of electric drive: Textbook for universities). M.: Energoizdat, 1981, 576 p.
2. Voldek A.I. Elektricheskie mashiny (Electric machines, ed. 2-e). L.: Energiya, 1974, 840 p.
3. Pospelov L.I. Konstruktsii aviatsionnykh elektricheskikh mashin (Design of aircraft electrical machines). M.: Energoizdat, 1982, 320 p.
4. Pat. No. 2689395 (RU). Induktornaya elektricheskaya mashina na osnove visokotemperaturnykh sverhprovodnikov (Pat. RF № 2689395. Induction electric machine based on high-temperature superconductors)/K.L. Kovalev, K.A. Modestov, Yu.I. Cowan, S.V. Zhuravlev, L.A.Egoshkina), Bulletin of inventions 2019, No. 16.
5. Pat. No. 2664716 (RU). Sverhprovodnikovaya sinkhronnaya elektricheskaya mashina s obmotkami yakorya i vozbuzhdeniya v nepodvizhnom kriostate (Pat. RF № 2664716. A superconducting synchronous electric machine with armature and excitation windings in a stationary cryostat)/K.LKovalev, A.A. Dubensky, K.A.Modestov, N.S.Ivanov, V.T. Penkin, L.A. Egoshkina, A.E.Larionov. Bulletin of inventions, 2018, No. 24.
6. Pat. No. 169041 (RU). Sverkhprovodnikovaya sinkhronnaya elektricheskaya mashina (Pat. RF № 169041. Superconducting synchronous electric machine. K.L. Kovalev, I.N. Kobzeva, B.S. Zechikhin, Yu.I. Cowan, V.S. Semenikhin, N.S. Ivanov, L.A. Egoshkina). Bulletin of inventions, 2017, No. 7.
7. Pat. No. 2180156 (RU). Sverkhprovodnikovaya sinkhronnaya mashina (Pat. RF № 2180156. Superconducting synchronous machine)/L.K. Kovalev, K.V. Ilyushin, V.N. Poltavets, V.S. Semenikhin, V.T. Penkin, K.L. Kovalev, L.A. Egoshkina, A.E. Larionov, S.M.-A. Koneev, K.A. Modestov, S.A. Larionov). Bulletin of inventions, 2002, No.6 .
8. Levin A.V., Vasich P.S., Dezhin D.S., L.K., Kovalev K.L., Poltavets V.N., Penkin V.T. Elektrichectvo — in Russ. (Electricity), 2012, No. 2.
9. Elektricheskie mashini i ustroistva na osnove massivnykh visokotemperaturnykh sverhprovodnikov (Electric machines and devices based on massive high-temperature superconductors) / Ed. L.K. Kovalev, K.L. Kovalev, S.M.-A Koneev). M.: Fizmatlit, 2010, 396 p.
10. Liping Zheng, Thomas X. Wu, Dipjyoti Asharya. Design of a Superhigh-Speed Cryogenic Permanent Magnet Synchronous Motor. — IEEE Transactions on Magnets, vol. 41, No. 10, September 2005.
11. Kawamura M., Jones J.A. Superconducting Super Motor.— IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 27, 2017.
12. Karashima T., Nakamura T., Ikeda K., Nishino B., Yoshikawa M., Ito Y. Improvement of the Variable Speed Controllability of a 20 kW Class High-Temperature Superconducting Induction/Synchronous Motor at No-Load Condition. — IEEE Transactions on Applied Superconductivity. vol. 28, iss. 3, April 2018.
13. Naoki Maki, Tomoaki Takao etc. Study of Practical Applications of HTS Synchronous Machines. — IEEE Transactions on Applied Superconductivity. vol. 15, No. 2, June 2005.
14. Viatcheslav Dombrovsky, David Driscoll. Design and Testing of a 1000-hp High-Temperature Superconducting Motor. — IEEE Transactions on Energy Conversion. vol. 20, No. 3, September 2005.
15. Crapo A., Lloud J. Homopolar DC Motor and Trapped Flux DC Motor Using High Temperature Superconducting Materials. — IEEE Trans. Magn., 1991, vol. 27, No. 2.
16. Aized D., B.B. Gamble, A. Sidi-Yekhlef, J.P. Voccio etc. Status of the 1000 hp HTS Motor Development. — IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 9, No. 2, 1999.
17. Itoh Y., Yanaci Y., Yoshikawa M., Oka T., Harada S., Sakakibara I., Yamada Y., Mizutani U. High-Temperature Superconducting Motor Using Y-Ba-Cu-O Bulk Magnets. — Jpn. Appl. Phys., 1995, No. 10, Part 1, vol. 34.
18. Likov A.V. Teoriya teploprovodnosti (Theory of thermal conductivity). M.: Visshaya shkola, 1967, 599 p.
19. Sverhprovodnikovye elektricheskie mashiny i magnitnyye sistemy (Superconducting electrical machines and magnetic systems)/Ed. B.L. Alievsky. M.: Izd-vo Moskovskogo aviatsionnogo instituta, 1993, 344 p.
Опубликован
2020-06-01
Выпуск
№ 6 (2020): Выпуск № 6
Раздел
Статьи