Отчет по практике: Разработка водопогружного электромагнитного движителя телеуправляемого необитаемого подводного аппарата

Разработка водопогружного электромагнитного движителя телеуправляемого необитаемого подводного аппарата

Введение

Разработка водопогружного электромагнитного движителя телеуправляемого необитаемого подводного аппарата

Отчет по госбюджетной работе содержит 26 стр., табл. 2 рис., 4 используемых источников 11.

Телеуправляемые необходимые подводные аппараты источников (ТНПА), движители, электродвигатели, электроприводы, постоянные магниты.

Данная работа посвящена актуальному вопросу разработки водопогружного электромагнитного движителя (ЭМД) для организации перемещения ТНПА в условиях глубокого погружения в морскую воду для различных районов мирового океана. Представлена разработанная конструкция электродвигателя с магнитоэлектрическим возбуждением с теплоотводом морской водой через систему фильтров грубой и тонкой очистки. Приведены результаты натурных испытаний макетного образца электродвигателя в условиях нагрузки воздушным винтом во всем предусмотренном диапазоне скоростей вращения при обеспечении питания обмотки статора через типовой преобразователь частоты.

Наряду с этим представлена методика проектирования безвального электромагнитного движителя для подводного аппарата. Слово «безвальный» означает, что для системы прямого привода между электродвигателем и рабочим органом механизма отсутствуют любые механических передаточные элементы, то есть рабочий орган механизма совмещен с частью самого электродвигателя, вместе c этим предложено для сокращения потребления реактивной мощности, и использование магнитоэлектрического возбуждения на постоянных магнитах с представлением методики их расчета и выбора для привода винта Каплана.

Согласно федеральной целевой программе «Мировой океан» важными задачами России в настоящее время являются исследования Мирового океана, его ресурсного потенциала, развитие транспортных коммуникаций, охрана морских границ, контроль за экологической обстановкой, чрезвычайными ситуациями природного и техногенного характера, климатические наблюдения и т.д.

В связи с резкими изменениями в геополитической ситуации в мире России необходимо кардинально решать проблемы обеспечения суверенных прав и юрисдикции в ее прибрежных водах и ее присутствия на морских пространствах для сохранения своих позиций как морской державы. Участие РФ в Конвенции ООН по морскому праву 1982 года позволяет в рамках международного права отстаивать свои суверенные права и интересы во всех морских пространствах как в территориальном море и прилежащей зоне, так и в исключительной экономической зоне, континентальном шельфе, на дне морей и океанов и в открытом море.

С учетом изложенного модернизация эксплуатируемых и разработка новых элементов для систем прямого привода рабочих механизмов подводных аппаратов и морских судов приобретает весьма актуальную задачу. Это объясняется тем, что указанные системы позволяют существенно повысить конкурентоспособные качества оборудования и достичь желаемых результатов с меньшими затратами как при изготовлении, так и при его эксплуатации.

Безвальные электромагнитные двигатели асинхронного и синхронного типа подводных и надводных объектов представляют собой главный элемент систем прямого привода. Указанными системами являются такие, в которых передача энергии рабочему органу механизма осуществляется без промежуточных механических элементов - валов, редукторов, трансмиссий, зубчатых передач, муфт и прочего.

Системы прямого привода в сравнении с традиционными позволяют: существенно снизить материалоемкость и повысить экономичность привода, увеличить быстродействие и уменьшить время переходных процессов, тем самым увеличивая производительность рабочего процесса полезного преобразования энергии.

Телеуправляемые необитаемые подводные аппараты имеют свою специфику применения и требуют разработки специальных водопогружных электродвигателей глубоководного погружения.

1. Методика проектирования безвального электромагнитного движителя для подводного аппарата

двигатель подводный электромагнитный

Методика в отчёте представлена только той частью электромагнитного расчёта, отличной от общепринятой в [1], которая относится к определению главных размеров и расчёта потребной мощности электродвигателя.

При проектировании безвального электромагнитного движителя (БЭД) для подводного аппарата исходными данными могут служить:

1. Напряжение питания (линейное)

2. Частота f

3. Число фаз m

4. Диаметр винта D

5. Тяговое усилие (упор винта) T

6. Поступательная скорость перемещения винта и аппарата ха

Известно [2], что для винтов обычной конструкции с креплением лопасти в осевой ступице три последние величины являются взаимозависимыми параметрами при конкретной относительной поступи винта равной J = ха/n•D, где n частота вращения винта в 1 сек. Это означает, что все три указанные величины не могут одновременно задаваться априорно, то есть необходимо задавать две величины и в зависимости от них получать третью. Так как при разработке конструкции подводного аппарата определяющими величинами являются D и T, то в данной работе предлагается следующий порядок проектирования.

При заданных значениях D и T задаемся таким значением J, при котором к.п.д. винта з максимален. Согласно кривым действия винта в свободной воде из [16] наибольший к.п.д. (порядка 0,65) получается при относительной поступи равной J =1. Это позволяет принять J = ха/n•D = 1, то есть n•D = ха. Далее значение полного упора винта,

где kТ - безразмерный коэффициент упора винта и с - плотность воды позволяет рассчитать скорость

и рассчитать частоту вращения

В приведённых и дальнейших расчётах величина kТ находится по значению J из кривой действия винта из [2] и для J = 1 имеем kТ =0,12 и коэффициент момента kМ = 0,03.

По значению n принимается ближайшая величина синхронной частоты вращения проектируемого асинхронного двигателя n1 ? n и определяется число пар полюсов двигателя для частоты f

Далее рассчитываются величина момента

и величина полезной мощности на валу асинхронного двигателя

Первый главный размер асинхронного двигателя (АД) движителя БВЭД, а именно внутренний диаметр шихтованного сердечника статора D1 предлагается определять следующим образом

где значение kD принимается по таблице с. 344 источника [2] в зависимости от величины числа полюсов машины 2р. В пределах величин 2р от 2 до 12 величина kD составляет значение от 0,52 до 0,77.

Далее согласно источника [1] задаются значениями: бд - коэффициента полюсного перекрытия бд = 0,64, kВ - коэффициента формы поля kВ = 1,11, kO - обмоточного коэффициента kO =0,85ч0,95, А - линейной токовой нагрузкой, Вд - радиальной составляющей магнитной индукции в воздушном зазоре д, предварительными номинальным к.п.д. зн и коэффициентом мощности cosцн.

Все эти перечисленные величины можно принять по рекомендациям источника [1] при организации воздушного охлаждения машины.

Далее рассчитывается второй главный размер АД - осевая длина сердечника статора

Желательно, чтобы отношение лд = lд/D1 было близко к величине , которую автор считает оптимальной для асинхронных двигателей. Вся дальнейшая методика проектирования БВЭД асинхронного типа не отличается от изложенной. Изложенным методом по заданию ГНЦ ФГУГП «Южморгеология» были рассчитаны три типоразмера БВЭД, и расчётные формуляры представлены заказчику.

2. Разработка методики электромагнитного расчета электродвигателя магнитоэлектрического возбуждения с постоянными магнитами из сплава ниодим-железо-бор

Расчет электродвигателя с постоянными магнитами для ТНПА

Целью расчета является определение основных размещений с постоянными магнитами для прямого привода винта Каплана как одного из движителей подводного аппарата, с применением постоянных магнитов.

Исходные данные:

- упор винта: Т = 10кг = 98,1 Нм;

- диаметр винта: D = 200 мм = 0,2 м;

- число оборотов: n = n1 = 1500 мин-1 = 25 [c-1];

- частота сети питания ЭД f1 = 50 Гц;

- напряжение (линейное): U1 = 380 В.

Расчет потребной мощности электродвигателя и подбор подходящего асинхронного короткозамкнутого электродвигателя

Согласно источнику [2], формуле (I.38), стр. 445, упор равен:

следовательно, коэффициент упора будет равен:

,

где, - плотность морской воды, кг/м3;

.

Для этого значения, , по кривым рис. 1.13 источника [23] получается относительная поступь винта , действие винта , кпд .

Следовательно, коэффициент момента равен:

Тогда согласно формуле (I.39) [1] момент нагрузки винта равен:

,

и мощность потребная для вращения винта:

,

Вт.

То есть получается, что на 1 кг упора надо примерно 65 Вт мощности двигателя, что вполне согласуется с цифрой 50 Вт, принятой в расчетах для ТНПА.

Используем электродвигатель ЯЭМЗ в качестве прототипа со следующими параметрами:

- тип: PA80;

- 2р = 4;

- P2н = 0,75 кВт;

- Bд = 0,87 Тл;

- А1 = 225 А/см;

- j1 = 8 А/мм2;

- U1 = 380 В;

- f1 = 50 Гц;

- ?? = 0,73;

- cosц = 0,7;

- D1н = 140 мм;

- D1 = 90 мм;

- l1 =50мм;

- д = 0,3 мм;

- z1=35, z2=28.

3. Выбор типа постоянного магнита и определение его свойств

Выбираем магнит из материала неодим-железо-бор типа Nd2Fe14B со свойствами:

Таблица 1. Свойства магнита типа Nd2Fe14B

Магнит NdFeB имеет следующие параметры:

- удельное электрическое сопротивление: г = 140 ч 145 Ом•см = 1,4 ч 1,45 Ом•м;

- плотность: 7,4 гр/см3;

- температура Кюри: 310ч340є;

- твердость по Виккерсу: Hv = 570 D.P.N.;

- жесткость: E.1 = 0,64 Н/м2;

- предел прочности на разрыв/растяжение: 0 VTS или SV = 8 кг/мм2;

Материалы покрытия: Ni-Ni, Ni-Cu-Ni (10ч20 микрон), Zn (8ч20 микрон), Ni-Cu-Au (10ч20 микрон).

Примем магнит класса N35.

II Расчет размеров магнита

Выполним расчет магнита по методике источника [3] по стр. 418-421 с намерением вставить его в конструкцию ротора АД PA80.

Электромагнитная мощность:

ВА

Объем всех 4-х постоянных магнитов по формуле:

,

где, , - коэффициенты, определяемые по кривым на рис. 8-12 и 5-32 соответственно. , ;

- остаточная магнитная индукция, Вб/м2;

- коэрцетивная сила, А/м.

см3

Объем одного магнита:

Коэффициент гм:

где, - воздушный зазор, см, равный:

(2.11)

- проводимость короткого замыкания, о.е.;

- выражается в гауссах;

- выражается в эрстедах.

1/см.

Высота или радиальный размер одного магнита:

Площадь одного магнита:

см2

Расчет диаметра вала по источнику [3] стр. 385:

Ширина полюса магнита:

Длина магнита:

Высота нейтрального сечения магнита:

Диаметр ротора:

Результат , что позволит расположить полюсные башмаки с короткозамкнутой обмоткой.

- коэффициент заполнения, при 2р=4, .

- высота полюсного башмака,

,

где, ,

.

Диаметр ротора:

,

что вполне вписывается во внутренний диаметр сердечника статора ЭД

PA80, т.е. .

Длина полюсной дуги:

,

,

Согласно [2] лучше, если у явнополюсных синхронных машин полюсный башмак будет широким, т.е. , а не Тогда центральный угол будет равен , при длине полюсной дуги .

4.Расчет площади поперечного сечения стержня

Если предусмотреть, что короткозамкнутый ротор асинхронного электродвигателя имеет не грушевидный паз, а прямоугольный полузакрытый с площадью поперечного сечения стержня , то можно было бы разместить вместо 4-х стержней, 4 постоянных магнита.

Номинальный фазный ток обмотки статора:

где U1н - номинальное фазное напряжение обмотки статора, В;

Р2н - мощность двигателя на валу, Вт.Согласно номинальным данным

Согласно номинальным данным общее число пазов (зубцов) магнитопровода статора:

Зубцовое деление статора:

Принимаем число параллельных ветвей обмотки статора а, исходя из пределов 1ч4 для 2р>2:

Число эффективных проводников на паз:

Принимаем uп1 = 80.

Число витков фазы обмотки статора:

7. Шаг обмотки y, коэффициенты укорочения kу, распределения kр, скоса kc, обмоточный k01:

7.1 Шаг по пазам у обмотки статора принимается укороченным от полюсного: