Автореферат (Зубцовые зоны энергоэффективных трехфазных асинхронных микродвигателей с короткозамкнутым ротором)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальностьработы.Трудызнаменитыхроссийскихэлектротехников:ВольдекаА.И., ГлебоваИ.А.,ГореваА.А.,ДанилевичаЯ.Б.,ЗагорскогоА.Е.,Иванова-СмоленскогоА.В.,Казовского Е.Я., Копылова И.П., Костенко М.П., Пиотровского Л.М.,Петрова Г.Н., Сипайлова Г.А., Стрельбицкого Э.К., Трещева И.И.,Хрущева В.В., Чечета Ю.С., Юферова Ф.М. и других стали классическимидля изложения теории электрических машин, в целом, и асинхронных машинв частности. Написаны эти учебники были в разные годы, но их объединяетподробность изложения материала и несомненное качество проработкивопросов.

Теория изложения асинхронной машины аналитическая.Уравнения, схемы замещения и векторные диаграммы позволяют получатьаналитические выражения рабочих характеристик, а в ряде случаев ипусковых. Основные допущения, используемые при этом – это допущенияидеализированной электрической машины.Точно оценить реальную энергетическую эффективность асинхронноймашины при помощи аналитической теории невозможно.

Первая причина –это нелинейность кривой намагничивания магнитопровода. В этом случаеметод наложения, которым пользуются для оценки суммарного влияниявысших гармоник магнитного поля на работу электрической машины, строгоговоря, неприменим. Магнитопроводы статора и ротора асинхронноймашины, в основном, имеют зубчатое строение. Попытка учесть увеличениевоздушного зазора за счет шлицов введением коэффициента Картера неявляется строго обоснованным.

Так можно было бы поступить, если бызубчатое строение в равной степени влияло бы на все высшие гармоникимагнитного поля. Ожидать от метода наложения удовлетворительныхрезультатов в методиках по проектированию неоправданно.Таким образом, аналитическая теория асинхронной машины натекущий момент нуждается в объяснении результатов уже полученных иподтверждении их работоспособности в области микромашин. Объектисследования выбран не случайно. Проведя заявленные исследования васинхронных микродвигателях можно получить подтверждение илиопровержение уже полученных особенностей влияния зубчатого строениямагнитопровода на энергоэффективность асинхронных двигателей малой исредней мощности.Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы являетсяразвитие методики проектирования асинхронных микродвигателей в частирационального расчета пазовой зоны ротора.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующиенаучно-технические задачи:1.

Выполнитьмоделированиетрехфазныхасинхронныхмикродвигателей мощностью 1,5; 40; 90 и 120 Вт, предназначенных длямодернизации.32. Предложить варианты конструкции магнитной системы и ротора вчастности,позволяющейулучшитьэнергоэффективностьработытрехфазного асинхронного микродвигателя данной мощности.3. Сформулироватьтребованияпопроектированиюусовершенствованной зубцовой зоны ротора энергоэффективных трехфазныхасинхронных микродвигателей с короткозамкнутым ротором.4.

Провести экспериментальные исследования для подтвержденияправильности основных положений работы.Методы исследований. При проведении в работе исследований,посвященных обозначенным вопросам электротехники, использовалисьметоды теории электрических и магнитных цепей и методы теории поля.Теоретические исследования проводились на базе широко известных,прошедших широкую апробацию математических методов.

Дляподтверждения достоверности полученных результатов использовался методфизического эксперимента.Научная новизна. В диссертационной работе получены следующиерезультаты, имеющие научную новизну:- научно обоснован и дополнен перечень требований кпроектированию ротора энергоэффективного асинхронного микродвигателя:знать только соотношения пазов ротора и статора с предельно-допустимымиуровнями индукций на отдельных участках оказывается необходимо, нонедостаточно;- выдвинута и подтверждена научная идея о том, что для каждой парычисле пазов ротора и статора существует оптимальная суммарная площадьпазов ротора, которая повышает эффективность электромеханическогопреобразования энергии в трехфазных асинхронных микродвигателях скороткозамкнутым ротором;- варьирование в широких пределах геометрических параметровзубцовых зон позволило выявить новые закономерности влияния активногосопротивления ротора на способность асинхронного двигателя кэффективному преобразованию энергии.Практическая значимость работы.

Практическую ценностьдиссертационной работы составляют:- рекомендации по проектированию пазовой зоны ротора асинхронныхмикродвигателей;- результаты физического эксперимента, подтверждающего основныеположения диссертационной работы.Основные положения диссертации, выносимые на защиту:- варьирование в широких пределах геометрических параметровзубцовых зон, позволило выявить новые закономерности влияния активногосопротивления ротора на способность асинхронного двигателя кэффективному преобразованию энергии;- проведенные исследования эффективности магнитных системмикроэлектродвигателей мощностей 1,5; 40; 90 и 120 Вт показали, что4следующие соотношения между пазами и площадью стали магнитопроводовпозволяют получить лучшие результаты:1) часть площади зубцового деления листа статора, занимаемая пазомлежит в пределах 0,25 – 0,26;2) отношение площадей пазов ротора к пазам статора составляет0,21 - 0,31;3) доля всех пазов в поперечном сечении активной части равна0,23-0,25;- проведенные испытания на физическом образце электродвигателя сновым ротором, спроектированным в соответствии и рекомендациямитеоретических разделов данной работы, дали положительные результаты:o КПД в модернизируемом электродвигателе возрос на 7,7%;o пусковой момент сохранился, а ток уменьшился на 3%.Реализация результатов работы.

Полученные теоретические иэкспериментальные результаты диссертационной работы реализованы напредприятии ЗАО «МЭЛ» г. Воронеж, а также внедрены в учебный процесскафедры «Электромеханических систем и электроснабжения» ГОУ ВПО«Воронежский государственный технический университет» в лекционныекурсы«Проектированиеспециальныхэлектрическихмашин»и«Математическое моделирование и переходные процессы электрическихмашин».Апробация работы. Основные положения диссертационной работыдокладывались: на научно-технической конференции профессорскопреподавательского состава кафедры электромеханических систем иэлектроснабжения в рамках всероссийской конференции «Новые технологиив научных исследованиях, проектировании, управлении производства»(Воронеж, 2013); на всероссийской научной конференции «Прикладныезадачи электромеханики, энергетики, электроники» (Воронеж, 2012, 2013,2014). Всего по теме диссертации было опубликовано 12 работ.Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит извведения, четырех разделов, заключения, списка литературы из 93наименований. Работа изложена на 142 страницах, на которых приведены 14таблиц, 89 рисунков и приложения.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении определены цели и задачи исследований и обоснованаактуальность диссертационной работы.В первом разделе рассмотрено современное состояние вопроса спроектированием асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором имикродвигателей в частности.

Показана причина возникновениязначительных погрешностей при проектировании трехфазных асинхронныхмикродвигателей с короткозамкнутым ротором. В научной и техническойлитературе нет достаточных рекомендаций в части проектированиямагнитопровода ротора и формирования пазовой зоны. Показано, что в5известных методиках проектирования асинхронных двигателей имикродвигателей указанная проблема изложена нечетко и позволяетиспользовать неоднозначные толкования. Рассмотрены существующиеметодики и предложены способы решения вопроса. В завершении разделаопределена цель и сформулированы задачи исследования.Во втором разделе рассмотрен подход к оптимальному техникоэкономическому формированию зубцовой зоны трехфазного асинхронногомикродвигателя мощностью 40 Вт.Для получения точного значения электромагнитного моментавращения асинхронного микродвигателя с короткозамкнутым роторомследует воспользоваться расчетом электромагнитного поля.Используя понятие векторного магнитного потенциала ( B = rotA )можно заметно упростить решение, заключающееся в том, что количестворешаемых уравнений сокращается вдвое, поскольку по известной величинеB можно найти H .Задача по решению поля сводится к краевой задаче решения уравненияПуассона относительно нового вектора А .

Учитывая сложность геометриилистов магнитопровода статора и ротора, аналитическими методами такаязадача решена быть не может. Выходом является сведение краевой задачирешения поля к вариационной и использование метода конечных элементов.Вариационная формулировка задачи предусматривает использованиеэнергетического функционала и его минимизацииByBxByBx(1)F ( A) = ∫ ( ∫dBx + ∫dB y ) − ∫ AjdS ,S 0µµ00µµ0Sгде: S – площадь конечного элемента;B x , B y - составляющие вектора магнитной индукции;j – вектор плотности тока в конечном элементе.Для решения задачи будем использовать гармонический анализстандартного пакета ANSYS.Найдя значения вектора магнитной индукции и напряженности ккаждой точке поля рассматриваемой области задачи, перейдем копределению электромагнитной силы и вращающего момента через тензорынатяжений.