Проведение структурного анализа активной части торцевого генератора в среде ANSYS

Низкоскоростные торцевые синхронные генераторы находят применение для нужд малой энергетики. Ввиду своих малых осевых размеров и возможности работы на низких оборотах их используют для преобразования энергии движения ветро- или гидротурбины в электрическую энергию. Торцевые генераторы отличаются от традиционных цилиндрических синхронных генераторов направлением магнитного потока и имеют высокотехнологичную конструкцию и низкую материалоемкость [1]. В торцевых генераторах магнитный поток направлен параллельно оси вращения (аксиально), в то время как в цилиндрических – перпендикулярно оси вращения (радиально).

Существует несколько различных вариантов конструкций торцевых генераторов, неизменным остается то, что во всех топологиях аксиально намагниченные магниты вмонтированы в круглый диск ротора. Для варианта конструкции с одним ротором и двумя статорами магниты располагаются с двух сторон диска ротора, который размещен между статорами. В такой компоновке на ротор действуют две силы, одинаковые по величине и противоположные по направлению, эти силы компенсируются в случае, если ротор помещен строго посередине между статорами. Оба диска статора также испытывают на себе действие сил.

В компоновке с двумя роторами и одним статором два зеркально расположенных ротора с постоянными магнитами, вмонтированными с одной стороны дисков ротора, установлены на вал. Статор располагается между двумя дисками ротора и испытывает на себе силы, с которыми роторы притягиваются к статору. Если статор расположен не строго посередине между роторами, то действует результирующая сила.

В многоступенчатых топологиях количество роторов на один больше количества статоров. При этом в конструкции используются два типа роторов: внешний (постоянные магниты вмонтированы только с одной стороны диска ротора) и промежуточный (постоянные магниты вмонтированы с двух сторон диска ротора).

В процессе сборки генератора будет действовать максимальная притягивающая сила между статором и ротором. Действие этой силы необходимо учитывать при проведении структурного анализа электрической машины. Для выбора оптимальной конструкции необходимо провести ряд проверочных расчетов для нескольких компоновок машин. Существуют аналитические зависимости, связывающие максимально допустимые деформации с конструктивными размерами. Однако эти выражения не дают возможности быстро и с большой точностью получить результаты. Поэтому чаще используются численные методы решения, например, метод конечных элементов [2]. Программный продукт ANSYS позволяет с достаточным уровнем достоверности оценить влияние притягивающей силы на конструкцию электрической машины, в частности, активную ее часть – статор и ротор. Дальнейший расчет будет проводиться в среде ANSYS.

Среда конечно-элементного анализа ANSYS позволяет получить на выходе из решения файл с расширением «log», хранящий в себе все данные расчетной модели с возможностью их корректировки, написанный на языке APDL. Это позволяет разработать программный продукт для управления параметрами решения. Такой подход позволяет сделать построение расчетной модели автоматизированным, что существенно сокращает затрачиваемое время и не требует высокой квалификации пользователя при работе в среде ANSYS. В некоторых случаях работа в среде ANSYS требует не только достаточных навыков, но и большой внимательности, что затрудняет получение решения в короткие сроки, тогда когда время подчас является критическим фактором. Следует отметить, что программный продукт является частью автоматизированной среды проектирования торцевого генератора [3; 4]. Интерфейс разработанного программного продукта с введенными данными показан на рис. 1.

В программу задаются требуемые геометрические размеры ротора, статора, вала, типы элементов в среде ANSYS, параметры материала, величина силы магнитного притяжения, характеристики подшипников. Также возможна корректировка размерности сетки. Все эти переменные являются параметрами, которые можно изменять и в автоматизированном режиме перестраивать расчетную модель. А регулировка плотности сетки позволяет получить результаты с требуемой точностью. Программный продукт может быть использован в том числе как инструментарий для проведения исследований влияния размерности сетки на точность получаемых результатов при проведении расчетов в различных дисциплинах, таких как статика, динамика и анализ электромагнитных процессов. В программе используется буквенный код обозначения номера объема, который позволяет в выходном файле наглядно отслеживать нумерацию создаваемых объемов, а также при дальнейших изменениях конструкции позволяет вставлять новые построения, избегая при этом полной корректировки программного кода. Формируемый программой log-файл содержит в себе процедуру решения задачи в среде ANSYS, которая по шагам описывается ниже.

Рис. 1. Интерфейс программного продукта

Выполнение конечно-элементного анализа в среде ANSYS подразумевает выполнение следующих этапов [5]:

• 1)    определение типов элементов;

• 2)    задание свойств материалов;

• 3)    создание расчетной параметризованной модели;

• 4)    разбиение на конечно-элементную сетку;

• 5)    приложение нагрузок и ограничений;

• 6)    выполнение расчета;

• 7)    просмотр результатов.

Для решения задачи использованы следующие элементы: плоский PLANE182 и объемный SOLID185. Элемент PLANE182 предназначен для двухмерного моделирования плоско-деформируемых или осесимметричных задач. Элемент состоит из четырех узлов, имеющих 2 степени свободы – перемещение вдоль оси X и Y . В данной задаче плоский элемент используется для разбиения на сетку поверхностей модели с целью последующего экструдирования, что позволяет полностью контролировать процесс создания регулярной объемной сетки с заданными характеристиками. Элемент SOLID185 предназначен для трехмерного моделирования. Элемент состоит из восьми узлов, имеющих 3 степени свободы – перемещение вдоль осей X , Y и Z [6].

В задаче используется модель изотропного материала со следующими характеристиками: Модуль Юнга (Young’s Modulus) = 2,1е11 (Па); коэффициент Пуассона (Poisson’s ratio (minor)) = 0,28; плотность (Mass density) = 7700 (кг/м3) [7].

Для построения расчетной модели конструкция генератора была несколько упрощена. Поскольку искомой является величина деформации диска ротора, статоры заменены действием сил магнитного притяжения по обеим сторонам диска ротора. Неизменными в расчетной модели (рис. 2) остаются вал, ступица, диск ротора и магниты.

Рис. 2. Расчетная модель торцевого генератора с одним ротором и двумя статорами

Расчетная модель имеет две плоскости симметрии и ось вращения. Для расчета методом конечных элементов необходимо создание сеточной модели, т. е. замена твердотельной модели набором конечных элементов. В основу разбиения сетки положено разбиение торца вала. С учетом полученных элементов генерируется трехмерная сетка для всей четверти модели (рис. 3).

Параметризация геометрии позволяет организовать процесс поиска нужного узла или другого объекта, в том числе в зависимости от координат, и реализовать оптимизацию по заданным критериальным ограничениям и параметрам. Такой принцип построения позволяет задавать нагрузку в каждом узле и выполнять требования к качеству сетки. Сетка проверяется на отсутствие вырожденных углов, на точность стыковки узлов сетки в сегментах модели и др.

Так как диаметр вала в несколько раз меньше диаметра диска ротора, появилась необходимость в применении шаблона соединения частей сетки, без которого размеры элементов увеличивались бы с увеличением диаметра, что привело бы к огрублению результатов.

Рис. 3. Конечно-элементная сетка

Путем варьирования количества ступеней генератора создается расчетная модель генератора большей мощности (рис. 4).

б

Рис. 4. Расчетная модель двух- ( а ) и трехступенчатых ( б ) генераторов

Помимо количества ступеней существует возможность создать расчетную модель активной части торцевого генератора, варьируя следующими параметрами:

• 1)    количество магнитов;

• 2)    одностороннее или двустороннее приложение сил в зависимости от наличия в конструкции статора с одной стороны или с двух сторон от диска ротора;

• 3)    геометрические параметры и др.

Сила магнитного притяжения на постоянных магнитах для анализа напряженно-деформированного состояния активной части генератора может быть получена из трех источников: из натурного эксперимента, по расчетной теоретической модели, из численного анализа электромагнитных процессов в генераторе. Для примера приведен случай использования экспериментальных данных силы магнитного притяжения, а именно, максимального и минимального значения силы для торцевого генератора мощностью 1 кВт с одним ротором и одним статором (рис. 5).

Рис. 5. Приложение силы притяжения на магниты ротора

Непосредственное значение сил рассчитывалось по следующей методике. Для случая, когда известны значения максимальной и минимальной сил притяжения, значение силы в узлах определяется по формуле

F i = 2 ' ⁽ F max + ^F min ) + 2 ' ⁽ F max - ^F min ) ' cos

2 n^ i j P J ,

где F i – сила притяжения i -го магнита, Н; F max – максимальная сила притяжения, Н; F min – минимальная сила притяжения, Н; P – число пар полюсов.

Для случая, когда известна средняя сила притяжения, значение силы в узлах магнитов определяется по формулам