Разработка и исследование вентильного двигателя с когтеобразными полюсами привода пильгерстана для изготовления бесшовных труб : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.09.01

Развитию нефтегазовой индустрии в России придается особое значение. Это связано с тем, что добыча углеводородов является бюджетобразующей отраслью для Российской федерации. Высокая технологическая конкуренция заставляет вести собственные научно-исследовательские работы в этой сфере. Существующее положение осложняется так же вводом санкций США и ведущими Европейскими странами на поставку оборудования для нефтегазового комплекса. Следует признать, что достаточно длительное время эта отрасль развивалась за счет оборудования, которое морально и физически устарело и эксплуатировалось до состояния предельного физического износа. Одним из таких характерных примеров является привод пильгерстана для изготовления бесшовных труб большого диаметра, который эксплуатируется на АО «Челябинский трубопрокатный завод» с 1928 г. Тихоходный коллекторный двигатель постоянного тока мощностью 2.7 МВт фирмы Siemens эксплуатируется в условиях больших динамических нагрузок в три смены. Проводимые ремонтные и регламентные работы не в состоянии обеспечивать высокую безопасность привода и его энергоэффективность. Данный привод требует замены на современное более надежное оборудование с высоким КПД. В России работают 4 предприятия, которые используют эту технологию изготовления бесшовных труб. Практически все предприятия испытывают перечисленные проблемы. При этом речь не идет об отказе от этой технологии. Бесшовные трубы имеют более высокую надежность, пильгерстановый привод легко перестраивается под трубы различного диаметра.
С другой стороны, применение вентильных машин больших габаритов на мощности в несколько мегаватт имеет ряд проблем. Использование мощных высококоэрцитивных магнитов существенно повышает КПД за счет исключения потерь на возбуждение, но создает большие проблемы при сборке, эксплуатации и ремонте. Перед научным сообществом и инженерной практикой стоит задача
10
совершенствования конструкций этих двигателей, оптимизации их геометрии, изучения параметров и характеристик в статических и динамических режимах работы.
Таким образом, существующее противоречие между практической потребностью во внедрении мощных вентильных машин с постоянными магнитами в технологию изготовления бесшовных труб и недостаточно развитой теоретической базой по методике их оптимального проектирования является основным источником дальнейшего развития электрических машин этого класса, что определяет актуальность научных исследований в этой области.
Степень научной разработанности исследуемой темы. Оценим состояние теории по разработке мощных тихоходных электроприводов для металлургического производства к настоящему времени.
Пилигримовый стан (пильгерстан) представляет собой двухвалковый трубопрокатный стан для периодической прокатки бесшовных труб в валках с переменным калибром, вращающихся навстречу подаваемой заготовке [179]. Изобретение пилигримового стана и пильгер-технологии Максом и Рейнхардом Маннесманами в 1885 году оказалось первым способом массового производства бесшовных труб. Пилигримовый способ относится к наиболее экономичным и универсальным способам производства бесшовных труб, так как переход на другой размер труб на пильгерстане занимает значительно меньше времени чем, например, на непрерывном многоклетьевом стане. Несмотря на востребованность новых технологий проката, производство труб на пилигримовых агрегатах продолжает оставаться одним из самых распространенных в мире для получения горячекатаных бесшовных труб широкого сортамента по размерам и маркам сталей. В настоящее время в мире насчитывается 49 действующих пилигримовых агрегатов с 98 пильгерстанами.
Электродвигатели, входящие в состав электропривода пильгерстана, имеют ряд особенностей [28,29]:
11

– они должны иметь низкую частоту вращения (60-80 об/мин), при этом не допускается применение понижающего редуктора из-за больших ударных нагрузок;
– электродвигатели должны иметь большую инерционную массу вращающихся частей для обеспечения ударных нагрузок;
– частота вращения должна регулироваться для труб разного диаметра и разного сортамента стали;
– с учетом непрерывной трехсменной работы стана с короткими остановками на регламентные и ремонтные работы электродвигатель должен иметь максимально возможный КПД с целью энергосбережения и энергоэффективности.
Эти особенности не позволяют подобрать для привода пильгерстана серийные двигатели из существующего промышленного ряда. Для этой технологии необходимо проектировать единичный специальный электродвигатель под конкретный привод [29].
В области проектирования электрических машин различных типов средней и большой мощности существуют серьёзные научные исследования и большие научные заделы. Заслуживают внимания работы следующих организаций:
– Московский энергетический институт (государственный технический университет). Ученые А. В. Иванов-Смоленский, С. В. Иваницкий, Н. И. Пашков, В. Я. Беспалов, К. Я. Вильданов, В.А. Морозов, В.И. Нагайцев, С.А. Грузков развивают общую теорию расчета электрических машин с постоянными магнитами, математические модели динамических режимов работы, асинхронные двигатели интегрального исполнения. Ильинский Н.Ф., Кузнецов В.А,, Красовский А.Б., Темирев О.П., Остриров В.Н., Козаченко В.Ф., Русаков А.М. разрабатывают мощные вентильно-индукторные электродвигатели [11-16,25,75-77,99-101,124, 151].
– Ивановский государственный энергетический университет. Ученые Ю. Б. Казаков, Е. Б. Герасимов, А. И. Тихонов, Н. Н. Новиков внесли
12

существенный вклад в развитие методов анализа магнитных и тепловых полей, разработку САПР электрических машин, методов оптимального проектирования [52,53,83-88,125-127,162-166];
– Московский авиационный институт (государственный технический университет). Особо следует отметить работы А. И. Бертинова, который развивает теорию электрических машин авиационной автоматики, включая двигатели с когтеобразными полюсами [5,8,9];
– Иркутский государственный технический университет. Ученые С. В. Леонов, А. В. Лялин, О. П. Муравлев, А. Л. Федянин занимались разработкой и исследованием вентильных торцевых электродвигателей [142,174- 178];
– Новосибирский государственный технический университет. Ученые Ю. В. Петренко, А. Г. Приступ разрабатывают теорию и методы расчета торцевого двигателя [141];
– Томский политехнический университет. Усилиями ученых Е. В. Буряниной, С. В. Леонова, А. Л. Федянина разрабатываются математические модели и методы расчета торцевых синхронных двигателей [174-178];
– Уральский государственный технический университет – УПИ. Ученые А. Т. Пластун, Ф. Н. Сарапулов, С. Е. Миронов, Е. Н. Андреев разрабатывают конструкции многодисковых торцевых машин, занимаются развитием теории и методов расчета синхронных двигателей с кольцевыми обмотками [137,148-150];
– Самарский государственный технический университет. Ученые Макаричев Ю.А., Стариков А.В., Зубков Ю.В., Чеботков Э.Г.,Ануфриев А.С. внесли вклад в разработку методики анализа и синтеза вентильных электрических машин [120–123];
– Южно-Уральский государственный университет. Ученые Усынин Ю.С., Григорьев М.А., Сычев Д.А. ведут разработки синхронного реактивного двигателя с независимым возбуждением для металлургического производства.
13

Ганджа С.А. разрабатывает теорию многоуровневой оптимизации вентильных электрических машин. [28-50,57-60, 169-171].
Существует большое количество публикаций зарубежных ученых в наукоментрической базе Scopus и Web of Science, посвященных разработке вентильных электроприводов для металлургического производства [184-215].
Из анализа имеющихся публикаций можно сделать следующие основные выводы о состоянии теории анализа и синтеза мощных тихоходных вентильных электрических машин:
– существуют методики проектного расчета мощных асинхронных и синхронных двигателей;
– есть разработки мощных двигателей специального назначения, таких как синхронные реактивные, вентильно-индукторные, торцевые электродвигатели, которые можно использовать для металлургической технологии проката;
– есть серьезные научные работы по анализу электромагнитного и теплового состояния конкретных конструктивных исполнений, в том числе и с применением методов конечно-элементного анализа;
– есть научные работы, посвященные оптимальному проектированию отдельных узлов торцевых машин, например, постоянного магнита, якорной обмотки;
– существуют работы, посвященные методике разработки систем автоматизированного проектирования вентильных машин, которые включают в себя трехмерное конструкторское моделирование;
– хорошо исследованы системы управления и регулирования вентильными двигателями, включая дискретную коммутацию и векторное управление.
Тем не менее, следует отметить, что вентильные машины с постоянными магнитами больших диаметров от 5 до 10 м практически не представлены в отечественной и зарубежной литературе [4,5,8,10,12,57,61,68,80,98,105]. Вероятно, это связано со сложностью изготовления магнитоэлектрических машин большого диаметра с мощными высококоэрцитивными постоянными
14

магнитами из-за сильного магнитного тяжения при сборке статора и ротора. Приспособления для такой сборки могут на порядок превосходить стоимость самого вентильного двигателя. Если удастся преодолеть эти сложности, то применение мощных постоянных магнитов дает вентильным двигателям этого класса существенные преимущества перед другими типами электрических машин.
В данной работе предпринята попытка применить вентильный двигатель большого диаметра с когтеобразными полюсами с постоянным магнитом для решения вышеуказанных проблем. Несмотря на то, что вентильные двигатели этого класса на малые мощности хорошо изучены, мировая практика не знает применение этого класса машин для диаметров от 5 до 10 метров. Уникальность конструкции двигателя потребует, помимо решения технологических вопросов, дальнейшего развития методики их оптимального проектирования, анализа электромагнитного, теплового состояния, динамических режимов работы. Важность научного исследования, дополнительно, обусловлена тем фактором, что изготовление и тестирование такого крупногабаритного и мощного двигателя потребует значительных капитальных затрат и ошибки при принятии конструкторских решений могут стоить больших средств, поэтому необходимо по возможности снять технические риски, отработав все вопросы на цифровой модели, которую необходимо создать.
Таким образом, объектом исследования является крупногабаритный тихоходный вентильный электродвигатель c когтеобразной магнитной системой и мощными высококоэрцитивными постоянными магнитами, предназначенный для металлургического производства бесшовных труб по пильгер-технологии.
Предметом исследования являются методы оптимального проектирования этого электродвигателя, анализ его электромагнитного и теплового состояния при реальных нагрузках пильгерстана.
Цель диссертационного исследования. Целью диссертационного исследования является выбор оптимального типа вентильного двигателя для
15

пильгер-технологии производства бесшовных труб, разработка технологии сборки базового варианта с учетом габаритных размеров и применения мощных постоянных магнитов, разработка модели оптимизации с учетом габаритных ограничений, разработка цифровых моделей для электромагнитного анализа и анализа теплового состояния с учетом реальных динамических нагрузок.
Достижение этой цели и внедрение результатов этого научного исследования в промышленность позволит внести значительный вклад в развитие отечественного электромашиностроения и металлургического производства нефтегазовой сферы, играющих важную роль в экономике страны.
Задачи исследования: Для достижения этой цели необходимо последовательно решить следующие задачи:
1. Выбрать тип тихоходного крупногабаритного вентильного электродвигателя с учетом требований, предъявляемых к приводам пильгерстана производства бесшовных труб.
2. Разработать метод сборки и разборки крупногабаритного двигателя с мощными постоянными магнитами при минимальных затратах на технологическую оснастку.
3. Разработать математическую модель оптимизации базового варианта электродвигателя с учетом ограничений на габариты и момент инерции вращающихся масс.
4. Разработать цифровую модель для анализа электромагнитного состояния.
5. Разработать цифровую модель для анализа теплового состояния с учетом реальных динамических нагрузок.
6. На базе проведенных исследований разработать программные средства для решения связанной задачи синтеза (оптимизация геометрии) и анализа (оценка электромагнитного и теплового состояния) для проектирования электродвигателя при различных проектных ситуациях.
16

Данные исследования дополняют и расширяют существующую теорию по проектированию вентильных электрических машин [5,8,12,28,56,62,64,75,105,160].
Методология и методы исследования. Для решения поставленной задачи использовались аналитические методы общей теории электромеханических преобразователей энергии. Для математического моделирования электромагнитных и тепловых процессов применялись аналитические и численные методы расчета физических полей на основе метода конечных элементов.
Научная новизна.
Вентильные электрические машины с когтеобразными полюсами хорошо изучены для малых и средних мощностей. Наибольшее распространение они получили в качестве генераторов для автономного питания транспортных средств, но применение мощного крупногабаритного вентильного двигателя с когтеобразными полюсами и возбуждением от высококоэрцитивных магнитов является новым техническим решением в практике металлургического проката. В электромашиностроении известно, что применить теорию подобия и с помощью коэффициентов трансформировать методику проектирования для электрических машин малой и средней мощности на крупногабаритные машины большой мощности невозможно из-за резко нелинейных зависимостей между геометрией и мощностью, особенностью формирования основного магнитного потока и потоков рассеяния, генерацией магнитных и электрических потерь.
К новизне представленного научного исследования следует отнести выбор данного типа электродвигателя для пильгер-технологии металлургического проката бесшовных труб и методику его сборки. Научную новизну представляет методика его оптимального проектирования с учетом особенностей работы всего привода и методика анализа его электромагнитного и теплового состояния.
17

Положения, выносимые на защиту:
1. Последовательность сборки статора и ротора крупногабаритного вентильного двигателя с когтеобразными полюсами, отличающуюся тем, что данная сборка исключает негативное сильное односторонне магнитное тяжение, не позволяющее для крупных машин с постоянными магнитами вставить ротор в статор. Данный способ исключает дорогостоящую специальную оснастку для сборки двигателя.
2. Математическая модель однокритериальной оптимизации вентильного двигателя с когтеобразными полюсами, которая отличается от известных расчетных моделей тем, что она учитывает требуемое значение инерционной массы двигателя, необходимой для динамической нагрузки проката и позволяет сделать оптимизацию геометрии для различных ограничений по основным габаритным размерам.
3. Математическая модель анализа электромагнитного состояния крупногабаритного вентильного двигателя, отличающуюся тем, что для сокращения времени расчета на основе метода конечных элементов задача анализа разбивается не несколько последовательных шагов: на первом этапе реальный вентильный электродвигатель с когтеобразными полюсами, который не имеет плоской симметрии, заменяется электродвигателем аналогом с плоской симметрией и эквивалентным рабочим магнитным потоком, а затем, после настройки и отладки расчетной модели, анализ электромагнитного состояния электродвигателя возвращается к реальной трехмерной модели когтеобразной магнитной системы. Данный подход позволил на порядок сократить время анализа.
4. Математическая модель анализа теплового состояния крупногабаритного двигателя с когтеобразными полюсами, отличающуюся тем, что при расчете теплового поля решается связанная с расчетом магнитного состояния задача, учитывающая реальную динамическую нагрузку и реальное распределение магнитных и электрических потерь.
18

5. Методика расчета крупногабаритного вентильного двигателя с когтеобразными полюсами, отличающуюся от известных методов тем, что она связывает единую проектную систему задачу синтеза оптимальной геометрии и задачу анализа электромагнитного и теплового состояния.
Соответствие паспорту специальности. Диссертация соответствует специальности 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты. Полученные в работе научные результаты соответствуют п. 2 «Разработка научных основ создания и совершенствования электрических, электромеханических преобразователей и электрических аппаратов», п. 3 «Разработка методов анализа и синтеза преобразователей электрической и механической энергии», п. 5 «Разработка подходов, методов, алгоритмов и программ, обеспечивающих проектирование, надежность, контроль и диагностику функционирования электрических, электромеханических преобразователей и электрических аппаратов в процессе эксплуатации в составе рабочих комплексов» паспорта специальности.
Теоретическая значимость. В работе представлено дальнейшее развитие крупногабаритных вентильных машин с возбуждением от постоянных магнитов, в частности, методика многоуровневой оптимизации, позволяющая спроектировать машину при различных ограничениях, определяемых проектными ситуациями, метод решения связанной электродинамической и термодинамической задачи, приведение трехмерной когтеобразной системы к плоскому аналогу. Расчет когтеобразной магнитной системы отличается от традиционной методики поскольку строится по методу синтеза, а не анализа. Разработанные математические модели вносят дальнейший вклад в теорию оптимального проектирования вентильных машин.
Практическая значимость. Основным практическим результатом проведенных теоретических исследований является разработка программного комплекса по проектированию крупногабаритных вентильных двигателей с
19

когтеобразными полюсами. Он представляет собой эффективный инструмент проектирования, который позволяет:
– облегчить сложную инженерную работу по проектированию электрических машин этого класса;
– повысить качество проектных работ при сокращении сроков их выполнения;
– максимально снизить технические риски при производстве реального образца.
Дополнительно можно отметить следующее практическое значение проведенных исследований:
1) разработанный метод расчета магнитной системы с когтеобразными полюсами на основе схемы замещения доведен до практического инженерного применения. Он реализован в формате программ Mathcad и Delphi и может быть использован для расчета различных магнитных систем;
2) математическая модель оптимизации разработана отдельным блоком и может быть использована в инженерной практике для оценки основных параметров и характеристик вентильных электрических машин с когтеобразными полюсами другого назначения;
3) математическая модель анализа электромагнитного состояния параметризована и может быть использована в инженерной практике для расчета электромагнитных полей электрических машин с когтеобразными полюсами различных размеров.
Внедрение результатов работы. Результаты научного исследования представлены руководству ОА Челябинский трубопрокатный завод», которое инициировала эту работу, в виде научно-технического отчета для принятия решения по замене существующего двигателя и системы управления к нему.
Разработанные методы анализа магнитных и тепловых полей и методы трехмерного твердотельного моделирования внедрены в учебный процесс кафедры «Теоретические основы электротехники» ЮУрГУ и ИЭТ для студентов
20

старших курсов бакалавриата направления подготовки «Энергетика и электротехника» при преподавании дисциплины «Конструкции, методы расчета и проектирования электромагнитных устройств и электромеханических преобразователей энергии» и дисциплины «Проектирование специальных электрических машин.
Степень достоверности результатов работы. Достоверность полученных научных результатов подтверждается корректным использованием известных методов анализа и синтеза, применяемых в общей теории электрических машин,
таких как метод эквивалентных схем замещения, метод конечных элементов, методы нелинейного программирования. Технологичность и собираемость разработанной конструкции проверена на масштабной модели, изготовленной по технологии 3D принтера.
Апробация результатов работы. Основные положения результатов диссертационной работы и отдельные ее части докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах:
– 12-я научная конференция аспирантов и докторантов Южно-Уральского государственного университета (Челябинск 2020);
– научный семинар аспирантов «IEEE Russian Workshop on Power Engineering and Automation of Metallurgy Industry» (Магнитогорск 2019);
– Международная научная конференция по энергетическому, экологическому и строительному инжинирингу «EECE-2019» (Санкт-Петербург 2019);
– Международная научно-техническая конференция «International
Conference on Industrial Engineering» (Москва 2018-2019);
– десятая научная конференция аспирантов и докторантов Южно-
Уральский государственный университет. (Челябинск 2018);
– 70-я научная конференция профессорско-преподавательского состава,
аспирантов и сотрудников Южно-Уральского государственного университета. (Челябинск 2018);
21

– II Всероссийская (национальная) научно-практическая конференция «Приоритетные направления развития энергетики в АПК» (Курган 2018);
– Международная научно-техническая конференция «2018 Global Smart Industry Conference» (Челябинск 2018);
– Международная научно-техническая конференция «International Ural Conference on Green Energy» (Челябинск 2018).
Публикации.
По результатам диссертационной работы опубликовано 16 работ, из них 10 работ индексированы в базе данных Scopus, 6 статей в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ. Одна статья опубликована в базе данных Scopus ТОР 25 рейтинга мировых научных журналов.
Личный вклад автора в диссертационное исследование.
Данное научное исследование проводилось творческим коллективом профессорско-преподавательского состава кафедры «Теоретические основы электротехники» Южно-Уральского государственного университета. Лично автором разработаны основные положения диссертации: концепция применения вентильного двигателя с когтеобразными полюсами, методика его сборки, реализация метода расчета постоянного магнита, реализация математической модели оптимизации, идея поэтапного анализа электромагнитного состояния и реализация метода оценки теплового состояния.
Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю доктору технических наук, доценту Гандже Сергею Анатольевичу за конструктивную критику и содействие при работе над диссертацией.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из определений используемых научных терминов, основных обозначений и сокращений, введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 225 наименований, 7 приложений. Работа изложена на 147 страницах, из них 113 страниц основного текста. Работа содержит 47 иллюстраций, 97 аналитических выражений, 3 таблицы.
22

Диссертация имеет следующую структуру и логику построения.
Во введении представлена актуальность темы, степень научной проработанности вопроса по крупногабаритным вентильным приводам, определены задачи и методы исследования, указана научная новизна, соответствие паспорту специальности, показана практическая значимость работы, дана информация о публикациях по теме диссертации, апробации работы на конференциях, определен личный вклад автора в представленной научной работе.
Первая глава дает описание функциональной схемы привода
пильгерстана. В главе представлен анализ технических проблем существующего электропривода предприятия ПАО «ЧТПЗ», сформулированы требования, которые заказчик выдвигает к модернизированному приводу.
Дан качественный анализ возможных вариантов для замены существующего двигателя привода пильгерстана. Рассмотрены варианты синхронного реактивного двигателя, вентильно-индукторного двигателя, синхронного торцевого двигателя, синхронного двигателя с радиальными магнитами. Отмечено, что основной проблемой крупногабаритных двигателей с постоянными магнитами является невозможность их сборки из-за сильного одностороннего притяжения ротора к статору. В качестве базового варианта предложена конструкция тихоходного, безредукторного, габаритного вентильного двигателя с когтеобразными полюсами и кольцевым постоянным магнитом. Представлена технология его сборки.
Во второй главе рассмотрена математическая модель расчета магнитной системы и электродвигателя для системы оптимального проектирования. Представлен алгоритм расчета в виде последовательности расчетных шагов, показана блок-схема математической модели. Разработана методика расчета магнитной системы с когтеобразными полюсами.
Третья глава посвящена разработке системы многоуровневой однокритериальной оптимизации. Сформулирована задача однокритериальной оптимизации ВДКП, выбран метод оптимизации, дано понятие уровней оптимизации, определены 6 уровней применительно к проектированию ВДКП.
23

В четвертой главе представлена разработка системы анализа электромагнитного состояния ВДКП. Анализ разбит на несколько этапов. Первоначально проводится анализ электромагнитного состояния ВДКП в режиме RMxprt программной среды Ansys Electronics Desktop. На следующем этапе осуществляется анализ электромагнитного состояния ВДКП в режиме Maxwell Design программной среды Ansys Electronics Desktop на основе аналога вентильного двигателя с тангенциальной системой возбуждения. На заключительном этапе проводится анализ электромагнитного состояния реального ВДКП в режиме трехмерного анализа Maxwell 3D Design программной среды Ansys Electronics. Данный подход позволил с минимальными затратами компьютерных ресурсов провести анализ вентильного двигателя сложной конструкции.
В пятой главе проводится анализ теплового состояния электродвигателя. Термодинамическая задача разбивается три этапа. На первом этапе создается динамическая модель, которая решает связанную электромагнитную и тепловую задачу. На втором этапе оценивается перегрев обмотки, железа якоря и постоянных магнитов по методу эквивалентных тепловых схем замещения при уже установившихся потерях. На третьем этапе осуществляется уточненный анализ на основе метода конечных элементов, который учитывает точное значение потерь и реальное движение тепловых потоков к поверхностям схода тепла. Представлена разработка трехмерной твердотельной модели двигателя, которая является основой для дальнейшей разработки конструкторско- технологической документации.
Заключение содержит выводы, сделанные по результатам всей работы. Определены направления дальнейших исследований в области теории и инженерной практики.
В диссертации приведен список использованных источников из 225 наименований отечественных и зарубежных авторов.
В работе имеется 4 приложения, содержащие информацию о существующем двигателе привода пильгерстана, который требует замены и о внедрении результатов исследования.