Вестник МГТУ, 2023, Т. 26, № 4.

Конюшенко Е. В. и др. Сравнение конструкций синхронных машин. Введение Надежность ветроэнергетических установок (ВЭУ) напрямую связана с характеристиками механической части этих установок, эффективностью автоматизированных систем управления и выбором типа генератора. При проектировании электрогенераторов основной задачей является оптимальное отношение их стоимости и энергетической эффективности. Особенностью электрогенераторов, которые используются в ВЭУ, является высокий коэффициент полезного действия (КПД) выработки электроэнергии на низкой скорости вращения ротора (Cooke et al., 2017). Повышение удельного момента электрических машин является актуальной проблемой для целого ряда силовых низкоскоростных электромеханических систем (Qu et al., 2013). Наиболее распространенный способ преобразования низкоскоростного вращения ветроколеса в электроэнергию - использование системы электрогенератора с промежуточным звеном, которым в основном является механический мультипликатор (Li et al., 2019). При применении низкоскоростных машин с промежуточным звеном массогабаритные параметры ветроагрегата имеют большее значение относительно системы прямого привода (Wang et al., 2018; Cheng et al., 2020), также механический мультипликатор является основной причиной простоя оборудования ВЭУ в связи с низкой надежностью, а частота его отказов растет с увеличением мощности генератора (Li et al., 2019). В системе с прямым приводом с увеличением мощности ВЭУ увеличиваются массогабаритные показатели электрического генератора, что вызывает трудности с транспортировкой и монтажом (Liu et al., 2017; Zhu et al., 2019). В 2008 г. возникла идея объединения магнитных систем магнитного редуктора и электрической машины (Atallah et al., 2008), так называемая электрическая машина псевдопрямого привода. При этом выделяют две группы подобных машин - с двумя и тремя воздушными зазорами, их исследованию посвящено мало работ и нет подробных данных о технико-экономических характеристиках относительно генераторов прямого привода. Соединение магнитным путем магнитного мультипликатора и синхронного генератора позволяет не применять зубчатую передачу и способно повысить КПД (Atallah et al., 2008), а также увеличить надежность системы за счет отсутствия механического зацепления . Обе группы устройств объединяет относительно высокая сложность магнитной системы - у них два ротора, один из которых не подсоединяется к валу и служит для бесконтактного преобразования момента, кроме этого, параметры магнитных систем находятся во взаимном влиянии и должны быть четко согласованы между собой. При этом для данных машин является нормой насыщение некоторых элементов конструкции, что делает неэффективными аналитические подходы к расчету магнитных систем. Исследования электрических машин с тремя воздушнымизазорами в основном выполнены применительно к электротранспорту (Rasmussen et al., 2009; 2013; Frandsen et al., 2015а; б; Frandsen et al., 2013), лишь недавно опубликована статья в области ветроэнергетики, рассматривающая генератор малой мощности - порядка 3 кВт (Kjaer et al., 2020). Часть исследований электрических машин с двумя воздушными зазорами изучает двигатели (Dragan et al., 2019; Bouheraoua et al., 2013; 2015). Авторы (Bouheraoua et al., 2013) опубликовали работу, посвященную расчету аналитической модели, которая не учитывает насыщение стали, что критично для данного типа машин и, как следствие, такая модель обладает низкой точностью. Проблема создания мощных и компактных электрических машин вызвана существующими принципиальными ограничениями тепловых и электромагнитных нагрузок в традиционных электрических машинах. При естественном способе охлаждения эти ограничения определяются предельными физическими свойствами традиционных электротехнических материалов. Поэтому для решения обозначенной проблемы многие исследователи рассматривают использование материалов, обладающих принципиально более высокими свойствами, например, объемных сверхпроводников и сверхпроводящих обмоток, что требует наличия дополнительных криогенных систем. По данным опубликованного отчета (Abrahamsen et al., 2017) генератор со встроенным трансформатором момента оказался выгоднее по технико-экономическим показателям, чем сверхпроводящий генератор. В выводе по отчету отмечено, что это связано с высокой стоимостью сверхпроводящих обмоток и низкой критической плотностью тока (Abrahamsen et al., 2017). В упомянутом отчете, как и в немногих статьях , мало информации о конкретных размерах, методиках проектирования магнитных систем, способах анализа и методиках расчета стоимости. Наиболее перспективными для применения такого типа электрических машин являются регионы с экстремальными погодными условиями, в которых обозначенные проблемы мультипликаторов усиливаются многократно - из-за низкой температуры масло густеет и теряет свои свойства, металл зубчатых колес становится хрупким, что в сочетании с высокими динамическими нагрузками из-за порывов ветра увеличивает вероятность аварии. Основная цель исследования состоит в решении проблемы создания низкоскоростных, высокомоментных и относительно компактных электрических генераторов, что позволит отказаться от зубчатой передачи без значительного увеличения массогабаритных показателей электрической машины и ее стоимости. Сравнительный анализ двух конструкций синхронного генератора прямого привода при одинаковых 442