Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния вопроса 14
1.1 Обзор существующих методов расчета асинхронных двигателей 14
1.2 Особенности расчета электромагнитного поля 19
1.3 Использование численных методов 21
1.4 Выводы и постановка задачи 25
2. Определение электромагнитного вращающего момента асинхронного дви гателя работающего от однофазной сети 28
2.1 Построение двумерной математической модели методом конечных элементов 28
2.2 Выбор электромагнитных нагрузок для анализа основных режимов работы 34
2.3 Определение возможных вариантов обеспечения параметров асинхронного двигателя 36
2.4 Выводы 45
3. Расчет электромагнитного момента в трехфазных асинхронных двигателях обращенной конструкции 46
3.1 Исследование влияния числа пазов статора и ротора на форму кривой ин дукции и величину вращающего момента 46
3.2 Влияние величины воздушного зазора на электромагнитный момент асинхронного двигателя 66
3.3 Влияние магнитной проводимости клиньев статора на электромагнитный момент асинхронного двигателя 75
3.4 Выводы 82
4. Экспериментальные исследования 84
4.1 Описание экспериментальной установки 84
4.2. Испытание опытных образцов ДАК с 17 и 30 пазами на роторе 88
4.3 Выводы 91
Заключение .92
Литература 96
Приложение
- Особенности расчета электромагнитного поля
- Выбор электромагнитных нагрузок для анализа основных режимов работы
- Влияние величины воздушного зазора на электромагнитный момент асинхронного двигателя
- Испытание опытных образцов ДАК с 17 и 30 пазами на роторе
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время наблюдается заметный рост интереса в промышленности к электродвигателям переменного тока малой мощности. Это связано с простой и технологичной конструкцией этих машин, с их высокой надежностью и, кроме этого, с малой себестоимостью изготовления.
Анализ структуры производства машин малой мощности показывает, что большую часть выпуска составляют однофазные асинхронные двигатели. Среди многообразия асинхронных двигателей, работающих от однофазной сети, широкое распространение получили однофазные конденсаторные асинхронные двигатели. В целом ряде случаев они по характеристикам приближаются к трехфазным асинхронным двигателям.
Заметный вклад в объемы производства асинхронных двигателей малой мощности традиционно вносят трехфазные асинхронные двигатели. Стремление совершенствовать выпускаемую продукцию диктует новые задачи, которые требуется решать при создании новой техники.
В нашей стране ведутся исследования по созданию и эксплуатации асинхронных двигателей малой мощности в различных отраслях промышленности и транспорта.
Методики расчета трехфазных асинхронных электродвигателей на основе метода теории цепей отработаны достаточно хорошо. Результаты, которые получаются с их использованием, часто удовлетворяют инженеров по своей точности, особенно если происходит модернизация электродвигателя, освоенного в производстве. В этом случае заводские методики содержат большое количество поправочных коэффициентов. Эти коэффициенты использовать можно не всегда. В случае исследования новой, неотработанной в производстве конструкции электродвигателя, инженерные методики дают большую погрешность. К таким конструкциям можно отнести асинхронные электродвигатели с внешним ротором или обращенные электродвигатели с внешним ротором или обращенные асинхронные двигатели.
Хороший результат дает использование численных методов расчета электромагнитного поля. Преимущества такого подхода становятся ощутимыми, поскольку достоверность полученных результатов часто приближается к результатам испытаний. Современные пакеты программ численного моделирования позволяют реализовать различные методы.
Все сказанное справедливо для асинхронных двигателей, работающих от однофазной сети. Плодотворным в данном случае оказывается такой же подход, через расчет поля, как и в случае трехфазных асинхронных электродвигателей. При этом в качестве первого приближения можно использовать либо данные эксперимента на макетном образце, либо результаты электромагнитного расчета методом электрических цепей.
Наибольший эффект расчет электромагнитного поля дает в том случае, когда пренебрежение зубчатым строением магнитопроводов статора и ротора приводит к неоправданно большим погрешностям. Основными факторами, влияющими на характеристики асинхронных двигателей, являются: соотношение чисел пазов статора и ротора в заданном габарите для конкретного типа обмоток, а также величина воздушного зазора и геометрия зубцовой зоны. Кроме создания образцов новой техники, погрешности не удается избежать, если воспользоваться существующими на сегодняшний день рекомендациями по выбору числа пазов статора и ротора без учета отмеченных выше факторов. Исчерпывающих рекомендаций по данному вопросу пока не создано. Поэтому исследования в данной области следует не только продолжить, но и расширить рассматриваемый спектр факторов, обычно учитываемых при анализе конфигурации воздушного зазора и ее влиянии на характеристики асинхронных двигателей малой мощности.
Диссертационная работа выполнялась в рамках госбюджетной темы «Исследование и разработка методов проектирования средств автоматизации и роботизации технологических процессов» № ГБ04.09.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является уточнение влияния геометрии зубцовой зоны на рабочие характеристики асинхронных двигателей малой мощности, работающих от трехфазной и однофазной сети переменного тока.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи.
Разработать математическую модель для анализа конденсаторных асинхронных электродвигателей малой мощности методом конечных элементов.
Выявить закономерности распределения параметров электромагнитного поля в воздушном зазоре конденсаторных асинхронных электродвигателей в режиме пуска и номинальном режиме работы.
Уточнить рекомендации по выбору рационального соотношения числа пазов в конденсаторных асинхронных электродвигателях, для обеспечения лучших характеристик.
Создать математические модели для анализа электромагнитного поля трехфазных асинхронных электродвигателей обращенной конструкции на основе метода конечных элементов.
Исследовать влияние соотношения чисел пазов статора и ротора на форму кривой магнитной индукции и величину вращающего электромагнитного момента в номинальном и пусковом режимах.
Уточнить влияние величины воздушного зазора на электромагнитный момент асинхронного двигателя.
Определить влияние магнитных клиньев в пазах статора на рабочие и пусковые характеристики.
Сформулировать рекомендации по проектированию трехфазных и конденсаторных асинхронных двигателей малой мощности, направленные на улучшение рабочих и пусковых характеристик.
9. Провести экспериментальные исследования, подтверждающие приемлемую точность расчетов асинхронных электродвигателей малой мощности с использованием предлагаемых конечно-элементных моделей.
Методы исследований. Исследования проводились с помощью математических и экспериментальных методов. В области электротехники и электромеханики использовались методы теории поля, теории электрических цепей, эквивалентных электрических схем замещения. Для расчета и анализа электромагнитного поля в трехфазных и однофазных асинхронных двигателях использовался метод конечных элементов в двумерной постановке задачи. Для этой цели применялся пакет конечно-элементного анализа ANSYS компании ANSYS, Inc. Экспериментальные исследования проводились с помощью методов испытаний электрических машин в соответствии с государственными стандартами.
Научная новизна.
Получены новые конечно-элементные модели трехфазных и конденсаторных асинхронных двигателей малой мощности с короткозамкнутым ротором, для которых определены геометрические соотношения, свойства материалов, граничные условия и электромагнитные нагрузки.
На основе созданных моделей предложен способ уточнения рекомендаций по проектированию четырехполюсных асинхронных двигателей, имеющих статор с 24 пазами и однослойную или двухслойно-однослойную обмотку.
3. Вычислительный эксперимент в среде ANSYS позволил уточнить требования к выбору числа пазов короткозамкнутого ротора и величины воздушного зазора для обеспечения лучших пусковых характеристик при удовлетворительных рабочих.
4. Предложено вместо оптимизации ширины шлицов статора использовать в конструкции асинхронного двигателя магнитные клинья, что приводит к повышению электромагнитного момента вращения при пуске и при номинальном скольжении, а также косвенно повышает надежность работы изоляции.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
Математические модели асинхронных конденсаторных и трехфазных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, позволяющих рассчитывать работу электродвигателя в номинальном режиме и в момент пуска.
Результаты вычислительного эксперимента, проведенного в среде ANSYS, позволили уточнить рациональные соотношения чисел пазов статора и ротора для четырехполюсных асинхронных двигателей со следующими параметрами статора: Z1 = 24, 2р = 4, m = 3(1).
Расчет электромагнитного поля в номинальном режиме работы пот зволяет обосновано выбирать геометрию вентиляционных каналов ротора, не приводящую к значительному насыщению магнитной системы.
На выбор числа пазов ротора трехфазного асинхронного двигателя влияют несколько значительных факторов, без учета которых сделанные выводы могут оказаться неточными: габарит электродвигателя; величина воздушного зазора; конфигурация зубцовой зоны (ширина и высота шлицов статора и ротора; наличие магнитных клиньев в пазах).
Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что величину воздушного зазора асинхронных двигателей мощностью 90 Вт с числом пазов статора Zl = 24 и числом полюсов, равным четырем, следует выбирать в диапазоне от 0,3 до 0,35 мм.
Магнитные клинья в пазах статора являются эффективной мерой снижения добавочных потерь и на стадии отработки конструкции асинхронного двигателя необходимо оценивать возможность и целесообразность их использования. Эта мера в настоящий момент является неоправданно редко используемой в технической литературе.
Результаты экспериментальных исследований, подтверждающие необходимую для практики точность используемых методов расчета.
Практическая значимость работы.
Дополняя традиционную методику расчета асинхронных двигателей, основанную на методах теории цепей, расчетом электромагнитного поля, оказалось возможным уточнить рекомендации по выбору числа пазов короткозамкнутого ротора четырехполюсных асинхронных двигателей малой мощности, работающих от трехфазной и однофазной сети.
Для перспективных конструкций трехфазных асинхронных двигателей определена зависимость электромагнитного вращающего момента от величины воздушного зазора в момент пуска и при частоте вращения ротора, близкой к номинальной.
Рассчитано влияние магнитных клиньев, расположенных в пазах статора асинхронного двигателя на пусковые и рабочие характеристики.
Полученные результаты позволяют значительно уменьшить необходимое количество опытных образцов при создании перспективных асинхронных двигателей, что сокращает сроки разработки.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «Агроэлектромаш» (г. Воронеж), и в учебный процесс Воронежского государственного технического университета, что подтверждено соответствующими актами.
Достоверность полученных результатов следует из адекватности и корректности примененных в работе теоретических и экспериментальных методов. Данные экспериментальных исследований подтвердили состоятельность предложенного способа расчета асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором при пуске и при изменении нагрузки на валу.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на региональной студенческой научно-технической конференции "Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники" (г. Воронеж, 2003 г.), на Всероссийской студенческой научно-технической конференции "Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники" (г. Воронеж, 2004 г.), на Всероссийской научно-технической конференции "Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве" (г. Воронеж, 2005 г.), на международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии » (г. Томск, 2005 г.), на заседаниях кафедры PC ВГТУ в 2004-2006 г. Кроме того, результаты диссертации опубликованы в сборниках научных трудов «Электротехнические комплексы и системы управления» (г. Воронеж, 2004-2005 г.), в журнале «Энергия - XXI век» (г. Воронеж, 2004 г.), в Вестнике Воронежского государственного технического университета (г. Воронеж, 2006). Всего по теме диссертации было опубликовано 13 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 151 наименования и приложений. Работа изложена на 111 страницах, на которых приведено 68 рисунков и 7 таблиц.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель и задачи исследований, показана структура диссертации, отмечены научная новизна и практическая ценность результатов проведенных исследований, дана общая характеристика работы.
В первой главе проведен обзор существующих методов расчета установившихся и пусковых режимов работы асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, работающих от трехфазной и однофазной сети. Рассмотрены методы, основанные на теории цепей и численные методы расчета электромагнитного поля. Сделан вывод о целесообразности применения численных методов для расчета асинхронных двигателей малой мощности, определена цель и поставлены задачи работы.
Во второй главе построена двумерная математическая модель асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, работающего от однофазной сети. Модель основана на численном методе расчета электромагнитных полей. В качестве такого метода выбран метод конечных элементов. Определены: варианты конфигурации зубцовой зоны четырехполюсного асинхронного двигателя мощностью 90 Ватт с двухслойно-однослойной обмоткой на статоре и внутренним короткозамкнутым ротором, электромагнитные нагрузки, задаваемые в модели.
При моделировании конденсаторного асинхронного двигателя магнитное поле рассчитывалось в поперечном сечении. Исследуемый двигатель моделировался в пусковом и номинальном режимах. Проведенные исследования позволили уточнить рекомендации по выбору числа пазов ротора такого асинхронного двигателя. Традиционными методами расчета, базирующимися на теории электрических цепей, получить подобные результаты не представлялось возможным. Сделаны выводы по проведенным исследованиям.
В третьей главе рассмотрены трехфазные асинхронные двигатели обращенной конструкции. При помощи метода конечных элементов проведены расчеты вариантов конструктивных исполнений.
Для четырехполюсных асинхронных двигателей мощностью 90 Вт с однослойной обмоткой и следующими параметрами статора: Z1 = 24, 2р = 4, m = 3 исследовано влияние числа пазов короткозамкнутого ротора на форму кривой магнитной индукции в воздушном зазоре и величину электромагнитного вращающего момента. Рассматривалась двумерная задача. Не учитывался скос пазов ротора относительно статора.
С целью обеспечения сопоставимости результатов изменение числа пазов короткозамкнутого ротора сопровождалось таким изменением поперечного сечения стержней ротора, чтобы приведенное сопротивление ротора оставалось одинаковым. Анализ полученных результатов завершается выводами по их использованию для проектирования асинхронных двигателей с хорошими пусковыми и рабочими характеристиками.
Влиянию величины воздушного зазора в отечественной и зарубежной научно-технической литературе уделено много внимания. Выработаны реко- мендаций по выбору воздушного зазора. Часто эти рекомендации не совпадают между собой. Причина заключается в том, что на этот выбор влияет целый ряд факторов.
Литература по проектированию электрических машин точных рекомендаций по выбору величины воздушного зазора не содержит, поскольку методики, в ней используемые, основаны на цепных методах расчета и допущении о равномерном воздушном зазоре. Применим подход, используемый в предыдущем разделе, основанный на расчете электромагнитного поля численным методом конечных элементов.
Проанализированы асинхронные электродвигатели с внешним ротором мощностью 90 Вт с числом пазов статора Z1 = 24. На роторе размещена однослойная концентрическая обмотка, как и в предыдущем случае. Число пазов ротора принималось равным 30 и 32. Варьировалась величина воздушного зазора. Короткозамкнутая клетка ротора имеет пазы круглой формы, залитые алюминием. Для сопоставимости полученных результатов предполагаем, что при изменении величины воздушного зазора возникает необходимость пересчета плотности тока обмотки статора электродвигателя исходя из классической методики расчета методом электрических цепей. Рассчитанные таким образом плотности тока при изменении величины воздушного зазора будут несколько различаться.
Для рассмотренного габарита асинхронного двигателя сделаны рекомендации по выбору рациональной величины воздушного зазора. Во внимание принималась величина электромагнитного вращающего момента в пусковом и номинальном режиме работы.
Практикой электромашиностроения также доказано, что существует некоторая оптимальная величина раскрытия паза статора, которая существенно снижает добавочные потери, как и применение магнитных клиньев.
Если делать выбор между этими мероприятиями, то следует учесть и то, что увеличение раскрытия паза повышает надежность асинхронной ма- шины, так как уменьшается вероятность повреждения изоляции при укладке обмотки в пазы. Кроме этого, большее раскрытие паза влечет снижение трудоемкости изготовления двигателя, поскольку позволяет применять для обмоточных работ современное производительное оборудование.
Оценено влияние магнитных клиньев, расположенных в пазах статора на электромагнитный вращающий момент трехфазных асинхронных двигателей. Даны рекомендации по их использованию при проектировании. Глава завершается выводами.
В четвертой главе приведены данные экспериментальных исследований конденсаторных асинхронных двигателей. Рассмотрены два серийных образца электродвигателей ДАК 116 и опытный образец с ротором, имеющим конфигурацию зубцовой зоны в соответствии с рекомендациями второй главы. Сделаны выводы о сопоставлении результатов испытаний с данными расчетов.
В заключении сформулированы основные выводы и результаты, полученные в работе.
В приложении приведены акты внедрения.
1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА
Особенности расчета электромагнитного поля
Расчет электромагнитного поля, как уже отмечалось, необходим для исследования влияния на работу асинхронного двигателя таких факторов, которые идеализированная электрическая машина и методы теории цепей не учитывают. Результаты расчета электромагнитного поля можно сразу использовать для определения электромагнитного вращающего момента для исследуемого режима. При этом можно обойтись без промежуточного определения параметров схемы замещения.
Электромагнитное поле в асинхронной машине описывается системой дифференциальных уравнений Максвелла в частных производных [1, 49, 113].
При составлении уравнений электромагнитного поля для электрической машины, как правило, делаются следующие допущения [48, 49]: 1. По сравнению с ЭДС электромагнитной индукции ЭДС другой природы пренебрегаем (контактной ЭДС, ЭДС Томпсона, возникающей при градиенте температуры в проводнике, ЭДС Холла и др.). 2. Пренебрежимо малы по сравнению с токами проводимости в проводниках: а) токи проводимости в диэлектриках; б) конвекционные токи, возникающие при движении зарядов вместе со средой. 3. Пренебрежимо малы токи смещения и запаздывание в распространении электромагнитных волн в пределах области поля, что позволяет считать электромагнитное поле в асинхронной машине квазистационарным. 4. При рассмотрении поля в неферромагнитной среде относительная магнитная проницаемость этой среды принимается равной единице.
Для аналитического решения общая система уравнений Максвелла слишком сложна. При рассмотрении же всей картины магнитного поля на первом этапе становления теории асинхронной машины использовался "цепной" подход, основанный на использовании закона полного тока. В этом случае единое поле машины разбивалось условными границами на ряд локальных областей: воздушного зазора, паза с обмоткой, торца статора или лобовых частей обмотки и т. д. Использовалось допущение, что поле в каждой из этих областей можно рассматривать независимо [18].
Несмотря на то, что все физические поля в электрической машине являются трехмерными, на практике эти поля сводят к двумерным полям, пренебрегая изменением поля в одном из направлений. В результате такого допущения для многих задач удается значительно сократить трудоемкость расчетов.
Сравнение результатов расчетов электромагнитного поля в цепной постановке задачи с опытом позволило проверить на практике систему допущений. Согласно принимавшейся системе допущений рабочее поле полагалось сосредоточенным в пределах сердечников статора и ротора и в воздушном зазоре. Поля лобовых частей обмоток относились к полям рассеяния, взаимодействием обмоток статора и ротора в лобовой части пренебрегали. Применялся метод суперпозиции полей, что в нелинейных средах приводит к неоправданно большим погрешностям [34].
Эта система допущений и сейчас обеспечивает удовлетворительную точность при расчете некоторых характеристик. Она позволяет проводить расчеты асинхронных машин без применения сложных вычислительных методов и вычислительной техники графо-аналитическим способом. Однако в целом ряде случаев упрощенные методы расчета электромагнитного поля приводят к совершенно противоречивым результатам. Особенно остро стоит эта проблема в высокоиспользованных машинах, в которых принцип наложения неприменим в силу нелинейностей, вызванных насыщением магнито-провода [24,49,128].
В настоящее время в нашей стране и в мире многие исследователи занимаются вопросами расчетов электромагнитных полей [1, 9, 10, 24, 29, 48, 49, 58, 85, 90, 99, 102-106, 115, 125, 151]. При этом авторами используются различные аналитические, численные, численно-аналитические методы, а также их комбинации.
Повышенный интерес к этой проблеме, и ряд возможностей для ее решения объясняется во многом возросшими в последнее время возможностями персональной вычислительной техники, а также большой глубиной теоретической проработки вопроса [48, 105, 124].
Метод конечных элементов в настоящее время является одним из самых распространенных методов решения прикладных задач (МКЭ или FEM -finite element method) [39, 102-105]. Наглядность метода и сравнительная простота его применения сделали его популярным у инженеров, занимающихся анализом сложных систем. К таким сложным задачам относится и расчет электромагнитного поля в электрических машинах. Как и любой численный метод, МКЭ является мощным средством приближенного решения дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитное поле в электрических машинах переменного тока.
Основной идеей МКЭ является минимизация функционала, определяющего магнитную энергию системы, связанная с разбиением исследуемой области на элементы конечной величины, в которых неизвестная функция представляется полиномиальной зависимостью. Приближенное решение, минимизирующее исходный функционал и будет решением задачи по методу конечных элементов. Известно много программных средств, реализующих МКЭ, применительно к электромагнитным полям. Ведущие производители программных продуктов предлагают EMAS [149], Maxwell 2D [143], FEMM [35], FLUX 2D, 3D [103], ANSYS [124] и другие.
Выбор электромагнитных нагрузок для анализа основных режимов работы
Основными рассматриваемыми режимами являются режим работы асинхронного электродвигателя с номинальной нагрузкой на валу и пусковой режим, когда ротор неподвижен и скольжение равно единице.
После того, как каждая из рассматриваемых областей электродвигателя разбита на конечные элементы, необходимо задать электромагнитные нагрузки, описывающие исследуемый режим работы. Воспользуемся данными, полученными в результате эксперимента [3, 57].
Из данных эксперимента необходимо использовать величины амплитуд плотностей токов в фазах электродвигателя (рабочей и пусковой фазы, в которую включен фазосдвигающий конденсатор); угол временного сдвига между токами фаз (определяется из построения векторной диаграммы для рассматриваемого режима работы) и величину скольжения.
Обмотка электродвигателя ДАК, на примере которого рассматривается построение математической модели для исследования, двухслойно-однослойная [3]. В номинальном режиме амплитуда плотности тока принята по результатам экспериментальных исследований следующей: 3,34 106 А/м2 (рабочая фаза), 2,63 10 А/м (пусковая фаза). Для определения временного фазового сдвига токов по фазам воспользуемся построением векторных диаграмм. Ток в рабочей фазе будет отставать от тока в пусковой фазе на 107.
В пусковом режиме ток будет несколько больше. Его значение в рабо-чей фазе равно 8,01 10 А/м , а в пусковой - 2,14 10 А/м Возникающая асимметрия объясняется тем, что используется только один конденсатор, обеспечивающий круговое вращающееся поле в номинальном режиме работы. Ток в рабочей фазе будет отставать от тока в пусковой фазе на 110.
В качестве метода расчета выберем гармонический анализ. Для этого нужно знать скольжение в рассматриваемом режиме. Для режима пуска, когда ротор неподвижен (а именно такой режим рассматривался), скольжение равно единице. В номинальном режиме оно составляет величину s = 0,10, то есть частота тока в короткозамкнутой обмотке ротора равна 5 Гц.
Схема обмотки электродвигателя представлена на рис. 2.5. Используя эту схему и рис. 2.1, на котором показано расположение пазов статора электродвигателя, задаем токи в его пазах.
Решая задачу в соответствующем режиме: рабочем или пусковом, определяем распределение линий магнитной индукции в поперечном сечении электродвигателя, форму кривой распределения электромагнитного поля на полюсном делении и величину электромагнитного момента вращения.
Расчет электромагнитного поля в конденсаторном асинхронном электродвигателе при работе с номинальной нагрузкой на валу и в режиме пуска позволил получить результаты, приведенные на рис. 2.6 - 2.9.
Сопоставление рис. 2.6 и рис. 2.8 показывает различное распределение силовых линий магнитного поля в номинальном режиме и режиме пуска. В пусковом режиме магнитный поток, в основном, вытесняется на пути потока рассеяние по коронкам зубцов. В этом режиме, по сравнению с номинальным режимом работы, магнитопровод статора насыщен в 1,85 раза меньше.
Кроме того, форма кривой магнитной индукции вдоль полюсного деления в режиме пуска значительно больше отличается от синусоидального закона распределения, чем в номинальном режиме работы. В этом смысле можно утверждать, что высших гармоник магнитного поля зубцового порядка в пусковом режиме становится больше.
На рис. 2.7 и рис. 2.9 по осям ординат отложены значения суммарного значения вектора магнитной индукции в Тл, а по осям абсцисс - расстояние вдоль полюсного деления в метрах.
Для определения электромагнитного момента вращения воспользуемся специальным макросом расчета момента по тензорам натяжения на цилиндрической поверхности, проходящей в воздушном зазоре и охватывающей ротор. Поскольку задача решалась как двумерная, то электромагнитный момент определяется на единицу длины, то есть 1 м. Действительное значение момента найдем, умножив полученное значение на расчетную длину машины. В нашем случае это 34 мм.
Электромагнитный момент, действующий на ротор в номинальном режиме равен 0,92 Н-м, а в пусковом - 0,38 Н-м. От электромагнитного момента к моменту на валу можно перейти, если из первого вычесть момент потерь холостого хода. Он состоит из потерь в стали, механических и добавоч ных. Однако для дальнейшего сравнения удобнее оперировать величиной электромагнитного момента.
Заметим, что число пазов короткозамкнутого ротора в ДАК - 116, равное 17, принято в соответствии с рекомендациями [73, стр. 55]. Параметры электродвигателя получаются удовлетворительными, за исключением пускового момента. В современных условиях на первый план выходят задачи, во-первых, получить высокие энергетические характеристики электродвигателя, а, во-вторых, рационально использовать материалы, цены на которые равны мировым.
Статор спроектированного электродвигателя рассматривался как законченный узел, а ротор являлся объектом оптимизации. Такой подход обусловлен двумя причинами. Во-первых, в литературе приводятся противоречивые данные по выбору числа пазов на роторе [7, 19, 23, 67, 68, 73, 95, 101], поэтому необходимо проверить несколько вариантов. Во-вторых, этого стоимость алюминия выше, чем электротехнической стали. В ходе оптимизации ротора уменьшим суммарную площадь его пазов.
В результате вычислительного эксперимента была определена конструкция ротора, обеспечивающая сформулированные выше требования. Результаты расчетов показаны на рис. 2.10-2.16. Геометрия ротора, обеспечивающего больший начальный пусковой момент, а также 30 % экономию алюминия обмотки ротора, показана на рис. 2.10.
Ротор имеет полузакрытые пазы и вентиляционные отверстия для лучшего охлаждения. Возможность выполнения вентиляционных отверстий вытекала из анализа предыдущих расчетов 17 - пазовой конструкции, в которой магнитная индукция в спинке ротора не превышала 0,85 Тл. В модернизированной конструкции максимальная величина магнитной индукции в спинке ротора не более 1,10 Тл.
Влияние величины воздушного зазора на электромагнитный момент асинхронного двигателя
Из теории асинхронных машин известно, что величину воздушного зазора следует выбирать минимально возможной для уменьшения тока холостого хода и повышения коэффициента мощности. С другой стороны, уменьшение воздушного зазора до некоторых значений приводит к возрастанию добавочных потерь и уменьшению КПД.
Литература по проектированию электрических машин точных рекомендаций по выбору величины воздушного зазора не содержит, поскольку методики, в ней используемые, основаны на цепных методах расчета и допущении о равномерном воздушном зазоре. Применим подход, используемый в предыдущем разделе, основанный на расчете электромагнитного поля методом конечных элементов.
Проанализируем асинхронные электродвигатели с внешним ротором мощностью 90 Вт с числом пазов статора Z1 =24. На роторе размещена однослойная концентрическая обмотка, как и в предыдущем случае. Число пазов ротора Z2 примем 30 и 32. Варьировать будем величину воздушного зазора. Короткозамкнутая клетка ротора имеет пазы круглой формы, залитые алюминием. Для сопоставимости полученных результатов предполагаем, что при изменении величины воздушного зазора возникает необходимость пересчета тока обмотки статора электродвигателя исходя из классической методики расчета методом электрических цепей. Таким образом плотности тока обмотки статора при изменении величины воздушного зазора будут несколько различаться. За номинальный режим будем считать такой, при котором частота тока в роторе будет равной 4,3 Гц. Это соответствует номинальной нагрузке на валу.
При построении поперечного сечения двигателя учтем, что снаружи ротор окружен слоем воздуха, и силовые линии магнитного потока будут параллельны этой границе. Это сечение приведено на рис. 3.28.
Для удобства расчета электромагнитного момента вращения при создании геометрической модели удобно разбить воздушный зазор дополнительной линией, концентрично расположенной в середине воздушного зазора. Это будет гарантировать то, что на этой линии после построения сетки конечных элементов будут располагаться их узлы. Фрагменты построения модели для величины воздушного зазора 8 = 0,25 мм приведены на рис.
Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что величину воздушного зазора асинхронных двигателей мощностью 90 Вт с числом пазов статора Zl = 24 и числом полюсов, равным четырем, следует выбирать в диапазоне от 0,3 до 0,35 мм. Уменьшение величины воздушного зазора до 0,25 мм приводит к возрастанию добавочных потерь в виду более резкого проявления гармоник магнитного поля зубцового порядка. Пусковой момент при этом снижается на величину до 17 %, и снижается электромагнитный момент в области рабочих частот вращения до 11 %. Это означает, что при той же самой нагрузке на валу в асинхронном двигателе будет возрастать скольжение и снижаться КПД. Выявленная тенденция была проверена при двух соотношения чисел пазов ротора Z2 : 30 и 32. При этом выявлено хорошее соответствие между этими обоими вариантами. К эффективным мероприятиям, уменьшающим добавочные потери в асинхронных двигателях малой мощности, относят выбор оптимального раскрытия паза статора и применение магнитных клиньев [7, 19, 76].
Применяя магнитные клинья можно улучшать форму кривой поля. Это ослабляет влияние высших гармоник поля на работу асинхронного двигателя и повышает КПД. Приближенно можно считать, что магнитные клинья в пазах статора изменяют эффективное раскрытие пазов.
Практикой электромашиностроения доказано, что существует некоторая оптимальная величина раскрытия паза статора, которая существенно снижает добавочные потери. То же обеспечивает и применение магнитных клиньев [7].
Если делать выбор между этими мероприятиями, то следует учесть, что увеличение раскрытия паза повышает надежность асинхронной машины, так как уменьшается вероятность повреждения изоляции при укладке обмотки в пазы. Кроме этого, большее раскрытие паза влечет снижение трудоемкости изготовления двигателя, поскольку позволяет применять для обмоточных работ современное производительное оборудование.
На основании изложенного, более рациональным способом снижения добавочных потерь является использование в пазах статора магнитных клиньев. До сих пор задачи исследования влияния магнитного клина на характеристики асинхронных электродвигателей решались только экспериментально. Использование метода конечных элементов применительно к расчету электромагнитного поля позволяет проанализировать влияние магнитных клиньев в пазах статора асинхронного двигателя. На рис. 3.41 и 3.42 приведены различные конструкции машин с магнитными клиньями. Кроме клиньев из электротехнической стали, существуют еще конструкции из полимерных материалов с наполнителем в виде железного порошка. Их достоинством, особенно для экспериментальных исследований, является возможность задать магнитную проницаемость клина. То есть, вначале проведем расчеты по выбору магнитных параметров клиньев, а затем клинья с выбранными параметрами порекомендуем для практического применения.
Проще всего учитывать клин, находящийся в пазу статора, изменяя относительную магнитную проницаемость пространства шлица статора. Единица будет говорить о том, что магнитный клин в пазу отсутствует.
Испытание опытных образцов ДАК с 17 и 30 пазами на роторе
Два из испытуемых электродвигателя имели число пазов ротора Z2 = 17, а один - экспериментальный ротор Z2 - 30. Устройства экспериментальной установки и приборы показаны на рис. 4.3 - 4.5.
Результаты испытаний электродвигателей сведены в табл. 1. Результаты испытаний показывают, что увеличение числа пазов ротора для конденсаторного асинхронного двигателя с рекомендуемых 17 до 30, позволяет увеличить начальный пусковой момент на 46 %. 2. Электромагнитный момент вращения при этом снижается только на 2 - 3 %, что при столь заметном увеличении пускового момента можно считать допустимым. 3. Выводы сделанные в разделе 2 получили экспериментальное подтверждение. 4. Таким образом, использованный в работе метод конечных элементов для расчета электромагнитного поля адекватно отражает процессы, протекающие в асинхронных электродвигателях малой мощности.
Условия, которые выдвигает промышленность перед разработчиком асинхронных электродвигателей малой мощности, состоят, во-первых, в сокращении сроков разработки, а, во-вторых, в повышении требований к качеству разработки конструкторской документации. Методы проектирования, представляющие асинхронную машину цепными схемами замещения, не позволяют оперативно выполнять расчеты, когда исследуется новая конструкция, не имеющая, так называемых, поправочных коэффициентов, которыми изобилуют заводские методики расчетов.
Действительно, где взять такие поправочные коэффициенты, разработчику новой техники, еще не освоенной в производстве? Выхода может быть как минимум два: подстраховать расчеты изготовлением большого количества опытных образцов, или учитывать конкретную конфигурацию зубцовой зоны, но для этого включать в методику расчетов элементы расчета электромагнитного поля. Таким методом, хорошо зарекомендовавшим себя на практике, является метод конечных элементов.
Чем же может на сегодня воспользоваться инженер для выбора числа пазов ротора короткозамкнутого асинхронного двигателя? На первый взгляд кажется, что рекомендации обильны и достаточны. Проведенный анализ состояния вопроса показал, что если, например, для статора четырехполюсного асинхронного электродвигателя (однофазного или трехфазного) требуется выбрать число разов ротора, то вероятность того, что в имеющееся литературе рекомендации будут согласованы, составляет около 20 %. Такое положение побудило выполнить исследования, приведенные в данной работе.
Выполненные в диссертации исследования позволили сформулировать следующие основные результаты. 1. Построен ряд математических моделей асинхронных конденсаторных электродвигателей, позволяющих рассчитывать работу электродвигателя в номинальном режиме и в момент пуска. 2. Опираясь на результаты экспериментальных исследований и данные электромагнитного расчета, выбраны электромагнитные нагрузки для номинальных и пусковых режимов работы моделируемого электродвигателя. 3. Вычислительный эксперимент, проведенный в среде ANSYS, позволил уточнить рациональное соотношение чисел пазов статора и ротора че-тырехполюсного конденсаторного асинхронного электродвигателя. 4. Используя 30 пазов на роторе, вместо рекомендуемых 17 [73], при 24 пазах статора удается на 30% экономить алюминий в пазовой части электродвигателя. При этом энергетические характеристики электродвигателя практически не ухудшаются. 5. Анализ электромагнитного поля показал, что в асинхронных конденсаторных электродвигателях, работающих по схеме включения с одним конденсатором соотношение чисел пазов статора и ротора 24/30, по сравнению с 24/17 позволяет в 1,5 раза увеличить пусковой момент, практически сохранив электромагнитный момент вращения в номинальном режиме. 6. Расчет электромагнитного поля в номинальном режиме работы позволяет обосновано выбирать геометрию вентиляционных каналов ротора, не приводящую к значительному насыщению магнитной системы. 7. На выбор числа пазов ротора трехфазного асинхронного двигателя влияют несколько факторов, без учета которых нельзя получить достоверный результат: габарит электродвигателя; величина воздушного зазора; геометрия зубцовой зоны (ширина и высота шлицов статора и ротора; наличие и свойства магнитных клиньев в пазах). 8. В работе рассматривались и трехфазные асинхронные двигатели со следующими параметрами статора: Z1 = 24, 2р = 4, m = 3. Обмотка статора - однослойная концентрическая. Проведенные исследования позволяют утверждать, что менее удачным выбором, с точки зрения обеспечения лучшей кратности пускового момента, является число пазов ротора Z2 = 32. Такой вывод основан на расчете электромагнитного поля при прямых пазах на роторе. 9. Для обеспечения лучшего электромагнитного вращающего момента в номинальном режиме подходят большинство рассмотренных в табл. 3.1 вариантов, за исключением Z2 = 29. 10. Рассмотренные конструкции роторов асинхронных двигателей являются внешними, поэтому для внутреннего расположения ротора следует рекомендовать меньшие значения чисел пазов, например, Z2 = 28 и 30, поскольку большие значения усложнят изготовление штампа и ухудшат его долговечность. 11. Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что величину воздушного зазора асинхронных двигателей мощностью 90 Вт с числом пазов статора Zl = 24 и числом полюсов, равным четырем, следует выбирать в диапазоне от 0,3 до 0,35 мм.
