Исследование возможности применения трехфазного якоря с кольцевыми обмотками в электрических машинах малой мощности в условиях воздействия радиационных полей : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.09.01

Актуальность и степень разработанности темы исследования.
Всовременной ядерной энергетике в течение ряда последних лет наметился переход от открытого ядерного топливного цикла, предполагающего захоронение ядерных отходов и отработанного ядерного топлива, к замкнутому ядерному циклу, где большая часть радиоактивного материала перерабатывается и используется повторно.
Ядерная энергетика это один из важнейших секторов экономики России, в ближайшие годы её рост будет только увеличиваться вне зависимости от тенденций перехода на возобновляемые и альтернативные источники энергии. Согласно «Энергетической стратегии России на период до 2030 года» производство атомной энергии планируется увеличить в 2 раза к 2030 году.
Увеличение производства атомной энергии неизбежно повлечет за собой увеличение количества ядерных отходов, в связи с чем возникнет необходимость строить предприятия по переработке радиоактивных отходов.
Современная технология переработки отработанных тепловыделяющих сборок (ОТВС) и радиоактивных отходов (РАО) от ядерных реакторов атомных электростанций осуществляется в специальных радиационно-защитных камерах.
Одной из главных составных частей обрабатывающих установок в камерах являются электродвигатели малой и средней мощности с органической изоляцией, призванные работать в условиях воздействия радиационных полей и других экстремальных внешних факторов.
В условиях воздействия радиационных полей происходит интенсивное разрушение органической изоляции обмоток электродвигателей, что приводит к сокращению срока службы электродвигателей и, как следствие, к частым остановкам оборудования для ремонта или замены электродвигателей.
Для защиты от радиации электродвигатели выносят за защитную стену камеры, что приводит к применению в конструкции камер больших проходовс длинными передающими вращение валами и организации дополнительных помещений для размещения электродвигателей.
6
Дальнейшее развитие технологии переработки ОТВС и РАО предполагает непосредственное сопряжение электродвигателей и установок по переработке радиоактивных компонентов внутри радиационно-защитной камеры. Таким образом, главным требованием, предъявляемым к современным образцам электрических двигателей для атомной энергетики, является отсутствие органических изоляционных материалов в их конструкции.
В настоящее время на территории России производством асинхронных электродвигателей занимаются около 15 крупных предприятий. Однако для атомной промышленности электродвигатели более устойчивой конструкции производятся лишь некоторыми из них. Это предприятия: ОАО «Ярославский машиностроительный завод», ОАО «Уралэлектро», ОАО «Владимирский электромоторный завод» (Русэлпром), ООО «Баранчинский Электромеханический Завод».
Что касается зарубежных электродвигателей, двигатели для атомной промышленности на отечественном рынке представлены компаниями: ELANTASPDG (США), CompositeTechnologyDevelopment, (США), Toshiba, (Япония), Hitachi, (Япония), SIEMENS и другими.
На сегодняшний день и отечественные, и зарубежные производители электрических двигателей для увеличения их срока службы прибегают к усилению изоляции обмоточного провода всыпной обмотки, предназначенного для обмотки именно классических статоров электрического двигателя переменного тока малой и средней мощности. Предлагаются как гибридные (соединения неорганических веществ на органическом связующем), так и полностью неорганические типы изоляции. Цель применения данных материалов – достижение стабильных электроизоляционных свойств и долговечности при высоких температурах, высокой радиации. Радиационная стойкость предлагаемых неорганических материалов достигает 1017 рад, в то время как радиационная стойкость органических материалов составляет 109 рад [13–15]. Конструкции же магнитных систем двигателей практически никак не совершенствуются, что

7
приводит к ограничениям в использовании материалов, связанных с малой прочностью неорганической изоляции при деформации на изгиб.
Таким образом, можно заключить, что назрела необходимость разработки такой конструкции электродвигателя малой и средней мощности, которая позволила бы наиболее эффективно использовать неорганические изоляционные материалы.
Конструкцией электродвигателя, позволяющей максимально эффективно использовать неорганические изоляционные материалы, может стать конструкция якоря трехфазной машины переменного тока, выполненная по патенту [16].
Согласно [16], эффективное использование неорганических изоляционных материалов обусловлено кольцеобразной формой катушек обмотки якоря, что позволяет обеспечить равномерный изгиб по всей длине обмоточного провода и минимизировать механическое воздействие, оказываемое на него в процессе изготовления катушки. Вращающееся магнитное поле в рабочем воздушном зазоре при обмотке в форме кольцеобразных катушек, оси которых совпадают между собой и совпадают с осью вращения ротора, создается с помощью специальным образом организованной магнитной системы.
Известна конструкция электрических машин, в которой в качестве катушек обмотки якоря могут быть применены катушки кольцевого типа. Такой конструкцией является конструкция электрической машины с аксиальным потоком. Вопросы, касающиеся данного типа электрических машин, в открытой печати освещены достаточно широко [17–25]. Однако рассмотренная конструкция электрических машин имеет существенные отличия от исследуемой: в электрической машине с аксиальным магнитным потоком оси катушек обмотки якоря не совпадают с осью вращения ротора, но параллельны ей, и не совпадают между собой.
Известны конструкции электрических машин, в которых используются катушки кольцевого типа и оси фазных катушек совпадают между собой. К таким конструкциям относятся цилиндрические линейные электрические машины, теория, конструкции и методы расчета которых исследуются не одно

8
десятилетие [26–34]. Создание якорем магнитного поля с линейным перемещением относительно статора в цилиндрических линейных электрических машинах является основным отличием от исследуемой в диссертации конструкции якоря.
Тема разработки конструкций электрических машин малой мощности с кольцевыми обмотками, оси которых совпадают с осью вращения вала ротора и между собой, и магнитная система которых создает вращающееся относительно ротора магнитное поле, позволяющих максимально эффективно применять провода с неорганической изоляцией, освещена нешироко. Патентный поиск показал, что существуют отличные от исследуемой конструкции варианты электрических машин, такие как в патентах [35] и [36], в которых, благодаря конструкции обмотки, могла бы быть применена неорганическая изоляция. Данные конструкции статоров электрических машин так же имеют катушки обмотки кольцевого типа, однако каждая фаза обладает собственной магнитной системой, в то время как исследуемая конструкция обладает общей магнитной системой для всех mфаз. Так же в указанных патентах предлагаемые конструкции рассматриваются как конструкции синхронных машин. Исследуемая конструкция якоря, основанная на патенте [16], может быть использована как в синхронных, так и в асинхронных машинах.
Цель работы: моделированием и экспериментальным исследованием подтвердить или опровергнуть справедливость принципа формирования многополюсного переменного магнитного поля в электрической машине с кольцевыми обмотками при общей магнитной системе для всех фаз.
Задачи работы: создание способа расчета электромагнитного момента электрической машины с кольцевыми обмотками в пакете ANSYS,исследование влияния геометрических размеров элементов магнитной цепи якоря с кольцевыми обмотками на результирующий электромагнитный момент, расчет радиальных сил, действующих на зубцовые наконечники, разработка, изготовление и испытание экспериментального образца асинхронного двигателя с кольцевыми обмотками (АДКО), разработка рекомендаций по проектированию

9
электромагнитного ядра АДКО.
Научная новизна работы:
1. Разработан способ расчета электромагнитного момента электрической машины с кольцевыми обмотками в пакете ANSYS.
2. Определены рекомендуемые максимальные значения магнитной индукции по участкам магнитной цепи якоря с кольцевыми обмотками.
3. Разработан и экспериментально подтвержден способ подавления электромагнитных моментов от высших гармоник (кратные 5 и 7) в результирующей кривой электромагнитного момента асинхронного двигателя с кольцевыми обмотками.
4. Экспериментально подтверждена возможность создания заданного числа пар полюсов при минимально возможном числе катушек якорной обмотки, равном 2m.
Теоретическая и практическая значимость работы:
1. Впервые разработан, изготовлен и испытан экспериментальный образец асинхронного двигателя с кольцевыми обмотками с фазной зоной π/3 и диаметральным шагом.
2. Предложен отличный от [16] способ уменьшения величин максимальных электромагнитных моментов высших нечетных гармоник (кратных 5 и7)путем формирования магнитной системы.
3. На основе удельного окружного усилия обоснована возможность применения рекомендованных значений индукции по участкам магнитной цепи якоря синхронной машины с кольцевыми обмотками к асинхронной машине с кольцевыми обмотками.
4. Разработаны рекомендации по проектированию АДКО.
Методология и методы исследований, проводимых в работе, основаны на численном моделировании электрических машин с применением таких компьютерных программ как ELCUT и ANSYS, а также испытаниях электрических машин согласно ГОСТ 7217-87 и ГОСТ 11828-86.

10
Положения, выносимые на защиту:
1. Способ расчета электромагнитного момента синхронной машины с кольцевыми обмотками в программеANSYS;
2. Справедливость принципа формирования многополюсного переменного магнитного поля в электрической машине с кольцевыми обмотками при общей магнитной системе для всех фаз;
3. Возможность создания вращающегося поля заданной полюсности при минимально возможном числе катушек, равном 2m;
4. Способ, отличный от [16], уменьшения величин максимальных электромагнитных моментов высших гармоник путем формирования магнитной системы АДКО;
5. Рекомендации по проектированию АДКО.
Степень достоверности и апробация результатов. Расчеты, проведенные
с помощью пакетов ELCUTи ANSYS, были проведены в лицензированных копиях продуктов. Точность используемых методик работы в данных пакетах подтверждена совпадением результатов расчета методом конечных элементов с известными примерами расчета классических электрических машин. Оборудование, используемое в ходе экспериментов, было поверено соответствующими службами. Испытания АДКО проводились согласно ГОСТ 7217-87 и ГОСТ 11828-86.
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 8 конференциях: XII Международная научно-техническая конференция «Проблемы повышения эффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах», 2013 (Севастополь, 2013), Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», 2014 (Екатеринбург, 2014), Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии»,

11
2015 (Екатеринбург, 2015), IX Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (НТИ-2015), 2015 (Новосибирск, 2015),Международная научно-техническая конференция Пром-Инжинииринг- 2016, 2016, ICIEAM–2016 (Челябинск, 2016), Первая научно-техническая конференция молодых ученых Уральского энергетического института, 2016 (Екатеринбург, 2016), Вторая научно-техническая конференция молодых ученых Уральского энергетического института, 2017 (Екатеринбург, 2017),2017 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), 2017 (Санкт-Петербург, 2017).
Основное содержание работы опубликовано в 4 рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК и вошедших в международные базы цитирования Scopusи Web of Science, а также в 8 публикациях в сборниках материалов и тезисов докладов конференций, подана заявка на патент.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и пяти приложений. Работа изложена на 179 страницах, включая 145 рисунков и 30 таблиц. Список использованной литературы включает 39 наименований.