Учебное пособие 800600
.pdfУДК 621.313
И.С. Цыплаков, Ю.В. Писаревский
МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ЗУЦОВОГО МОМЕНТА В ДВУХСТАТОРНЫХ СИНХРОННЫХ МАШИНАХ
Рассматривается влияние на зубцовый момент при повороте внутреннего статора относительно внешнего на половину полюсного деления в двухстаторной синхронной машине
Ключевые слова: двухстаторная синхронная машина, зубцовый момент, внутренний статор, внешний статор, поворот внутреннего статора
Двухстаторные синхронные машины имеют нестандартную магнитную систему. Геометрия представляет внутренний и внешний статор, а между ними на полом цилиндре расположены постоянные магниты (на рисунок 1 представлена четвёртая часть двигателя). Благодаря такой геометрии можно применить нестандартный способ снижения зубцового момента. Если изменять положения зубцов внутреннего статора относительно внешнего проявляется эффект частичной компенсации зубцового момента. Это возникает из-за противодействующего влияния зубцов внешнего и внутреннего статора, которые снижают общий зубцовый момент.
Чтобы наглядно увидеть изменение зубцового момента в двигателе проведем исследование ряда геометрий. Примем число зубцов равным 24, а число полюсов – 16, при этом на обоих статорах одинаковое значение зубцов. Материал магнитов NeFeB, материал магнитопровода статоров электротехническая сталь 2411.
На рисунке 1 представлена исследуемая геометрия в двухстаторной синхронной машине. В данной геометрии оси зубцов статоров совпадают. На рисунке 2 представлен график зубцового момента Mзуб от времени t при повороте ротора со скоростью 0.25 град/сек.
71
Рис. 1. Геометрия при совпадении осей зубцов статоров
На рисунке 3 представлена исследуемая геометрия в двухстаторной синхронной машине, в которой оси зубцов статоров совпадают с осью пазов. На рисунке 4 представлен график зубцового момента Mзуб от времени t при повороте ротора со скоростью 0.25 град/сек геометрии, представленной на рисунке 3.
72
Рис. 2. График зависимости зубцового момента от времени
Рис. 3. Геометрия при совпадении осей зубцов с осями пазов статоров
73
Рис. 4. График зависимости зубцового момента от времени
Как видно из представленных графиков при повороте внутреннего статора относительно внешнего на половину зубцового деление привело к уменьшению зубцового момента на величину около 40%. Из полученных результатов можно сделать вывод, что применение данного способа уменьшения момента вполне оправдано дальнейшим улучшением характеристик двигателя.
Воронежский государственный технический университет
74
УДК 621.313
А.И. Нефедов, А.Ю. Писаревский
ФАКТОРЫ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК В ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕ С ГЛАДКИМ ЯКОРЕМ
Рассматриваются основные факторы, обеспечивающие улучшение характеристик в электродвигателе сгладким якорем
Ключевые слова: двигатель постоянного тока, гладкий якорь
Применение гладкого якоря в коллекторном электродвигателе постоянного тока позволило существенно улучшить характеристики двигателя: снизить постоянную времени и момент инерции, увеличить перегрузочную способность, получить высокую линейность механических характеристик. Это обусловлено двумя основными причинами.
1.Возможностью значительного увеличения индукции в воздушном зазореВ .
2.Снижение уровня магнитных полей, создаваемых обмоткой
якоря.
Индукция в воздушном зазоре В в электродвигателях обычного исполнения ограничена насыщением зубцов якоря. Как известно величина индукции В без учета насыщения может быть выражен через индукцию в минимальном сечении зубца Вz , минимальную
ширину зубца b |
и зубцовый шаг t |
|
в виде В |
В |
|
bmin |
. |
|
|
|
|||||
min |
|
1 |
|
|
z tz |
||
Небольшие диаметры якорей в электрических машинах малой мощности (20-70мм) ограничивают допустимое число пазов (обычно 9-15), что приводит к большой неравномерности ширины зубца. При
этом ширина зубца в самом узком месте bmin составляет 0,25-0,3, то tz
есть величина индукции в малых машинах ограничена 0,4-0,6 тл. Снижение уровня магнитных полей создаваемых якорной обмоткой, является следствием вынесения проводников из паза на поверхность якоря и получающегося при этом большого магнитного зазора порядка
2-3 мм.
75
Индуктивность обмотки La гладких якорей примерно на 2-3 порядка ниже в сравнении с соответствующими зубчатыми якорями.
Высокая линейность механической характеристики определяется незначительным влиянием реакции якоря на состояние системы возбуждения. Поток коммутационной реакции якоря, замыкающийся по пути основного потока, весьма мал из-за больших магнитных сопротивлений: зазора, постоянных магнитов, насыщенной спинки якоря и практически линейного характера коммутации.
Увеличение длинны якоря приводит к ухудшению коммутационных процессов. В зубцовых якорях значение не превышает 1,21,6. В гладки якорях обеспечивающих высококачественную коммутацию допустимая величина повышается в несколько раз, что позволяет получить нужный момент на меньшем диаметре и тем самым повысить величину M
j . Существенным
фактором увеличения M
j в двигателе является более высокое значение индукции в воздушном зазоре.
Список литературы
1.Васильев Ю.К. Электрические двигатели с гладким якорем для систем автоматики [Текст] / Под ред. Ю.К. Васильева. – М.: Энергия,
197.176 с.
2.Копылов И.П. Проектирование электрических машин [Текст]: учеб. пособие для вузов. / И.П. Копылов, Ф.А. Горяинов, Б.К. Клоков и др.; под ред. И.П. Копылова. – М.: Энергия, 1980. – 496 с.
3.Вольдек А.И. Электрические машины [Текст]: учебник для студентов высш. техн. учеб. заведений / А.И. Вольдек. – 3-е изд., перераб. и доп. – Ленинград: Энергия, 1978. – 832 с.
4.Гольдберг О.Д. Проектирование электрических машин [Текст] / О.Д. Гольдберг, И.С. Свириденко; под ред. О.Д. Гольдберга. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2006. – 430с.
Воронежский государственный технический университет
76
УДК 621.313.33
Е.А. Кузнецова, С.А. Белозоров
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЧИСЛА ПАЗОВ РОТОРА НА НОМИНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Рассматриваются способы оценки влияния чисел пазов ротора на характеристики асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Произведен анализ влияния количества пазов на характеристики при разных методиках расчета
Ключевые слова: повышение энергоэффективности, оптимизация, асинхронный двигатель
Как известно, число пазов в короткозамкнутом роторе, при расчете новых асинхронных двигателей, выбирается исходя из рекомендаций [1]. При этом, они получены исходя из многолетнего опыта проектирования серии 4А. В связи с этим возникает вопрос, каким является оптимальное соотношение чисел пазов статора/ротора для каждой конкретной конструкции машины. Сейчас, при создании новых серий асинхронных двигателей, остро стоит вопрос о минимизации всех видов потерь, и, как следствие, возникает необходимость поиска возможностей повышения их энергоэффективности.
Попытки определить наилучшее соотношение чисел пазов предпринимались неоднократно [2,3]. Изложенные при этом выводы и рекомендации не подтверждают их оптимальность в классических методиках проектирования [1]. Авторы, в своих работах [1,2], полагаются на конечно-элементные методы моделирования поля электрических машин, что приводит к получению результатов высокой точности, но при этом затрудняет анализ динамических режимов работы асинхронных двигателей.
При этом, если не ставить задачу получить высокую точность результатов, можно получить качественную оценку динамики влияния чисел пазов ротора на основные параметры асинхронного двигателя с помощью аналитических методик [1].
Так, была произведена оценка влияния количества пазов на роторе на основные номинальные параметры асинхронного двигателя 4А100L2У3. При этом, в расчетах обеспечены следующие положения:
77
1)Конфигурация статора одинакова для всех расчетов;
2)Коэффициенты, используемые в расчетах одинаковы;
3)Площадь пазов ротора определяется плотностью тока в них и постоянна для всех расчетов;
4)Расчеты проводились для роторов с разным числом пазов (от 10 до 26 с шагом 1).
Исходя из вышеперечисленных положений, были получены следующие графики изменения номинальных параметров от числа пазов на роторе (рис. 1-4).
Рис. 1. Влияние числа пазов ротора на номинальный момент и скольжение
Рис. 2. Влияние числа пазов ротора на номинальные токи в статоре и роторе
Рис. 3. Влияние числа пазов ротора на КПД двигателя
78
Рис. 4. Влияние числа пазов ротора на пусковой момент и ток
По результатам расчетов, приведенных на рисунке 3, кривая КПД имеет явно выраженный максимум, который соответствует 22 пазам на роторе. Далее следует сказать о том, что данный двигатель серии 4А изготавливается с 20-ю пазами, а в методике проектирования [1] рекомендуются следующие: 15, 16, 17, 19, 32 для пазов без скоса, 18, 20, 26, 31, 33, 34, 35 – со скосом. Если обратиться к рисунку 4, на котором изображены пусковые моменты и токи, то видно, что при достижении максимума идет резкий спад обоих показателей. Это объясняется тем, что магнитная система машины пришла в перенасыщение.
При проверке аналитического метода расчета (АМР) воспользуемся МКЭ. На рисунке 5 получена зависимость момента от числа пазов на роторе.
Рис. 5. Расчеты с помощью АМР и МКЭ с изменяющимся числом пазов на роторе
График, изображенный на рисунке 5, наглядно показывает, что общий вид кривой, до момента насыщения магнитной цепи, повторяет по форме результаты аналитического расчета. Модель МКЭ учитывает насыщение стали, эффекты вытеснения тока из проводников и т.д. для всех режимов расчета, а в классической методике, эти составляющие учитываются только для расчета
79
механических характеристик. Колебания на кривой МКЭ вызваны погрешностью сходимости модели, что убирается при повышении точности расчета.
Выводы:
1)Количество пазов, спроектированных ЭМ, подобрано не оптимально.
2)По результатам проведенных расчетов можно увидеть тенденцию изменения параметров машины. Так, при увеличении числа пазов уменьшаются токи, что приводит к уменьшению потерь, поскольку они пропорциональны току в квадрате. В свою очередь, это приводит к росту КПД, что отражено на рисунке 3.
3)При числе пазов больше 22, магнитная цепь приходит в перенасыщение, и поэтому растут показатели токов, а значение КПД падает.
Литература
1.Копылов И.П. Проектирование электрических машин [Текст]/ И.П. Копылов. – М.:Энергия, 1980. – 496с.
2.Белозоров С.А. Оценка эффективности обмоток трехфазных асинхронных двигателей с учетом зубчатого строения воздушного зазора [Текст]: автореф. дисс. ... канд. техн. наук: 05.09.03 / С.А. Белозоров. – Воронеж, 2012. – 17 с.
3.Юрканов В.В. Зубцовые зоны энергоэффективных трехфазных асинхронных микродвигателей с короткозамкнутым ротором [Текст]: автореф. дисс. ... канд. техн. наук: 05.09.03 / В.В.
Юрканов. Москва, 2015. – 17 с
Воронежский государственный технический университет
80