Автореферат (Зубцовые зоны энергоэффективных трехфазных асинхронных микродвигателей с короткозамкнутым ротором), страница 2

Если система натяжений Т n на поверхности S эквивалентнаэлектромагнитной силе, действующей на некоторый объем V, то эту силуможно найти, суммируя элементарные силы натяжения Т n dS :F = ∫ Tn dS = q x Fx + q y Fy + q z Fz .(2)SВ качестве объекта исследования выберем универсальныйасинхронный микродвигатель с короткозамкнутым ротором серии УАД.Серия этих двигателей на статоре имеет трехфазную обмотку ипредназначена для работы от трехфазной и однофазной сети переменного6тока. Требования, которые разработчики предъявляли ксерии этихмикродвигателей, позволяют отнести их по конструктивным особенностям иобласти применения к асинхронным двигателям общепромышленногоисполнения.В качестве исследуемого исполнения выберем электродвигательУАД-62.

Создадим геометрию решаемой задачи по известным справочнымданным. Возможности пакета ANSYS позволяют создавать геометрию любойсложности. Чтобы смоделировать затухание вектора магнитной индукции вокружающем электрическую машину пространстве, проведем из центра (осивращения) окружность радиусом 90 мм.

Будем считать, что поля рассеяния,выходящие за эту границу пренебрежимо малы.Моделируемую область электродвигателя и окружающего его воздухапредставим на рисунке 1.Были рассмотрены два режима работы базового двигателя: пусковой ипри номинальном скольжении. В этих режимах оценены значенияэлектромагнитных вращающих моментов и сделаны предварительныесуждения об энергетике.Рисунок 1 - Моделируемая область асинхронного микродвигателяУАД-62: магнитопровод и слой окружающего воздухаДля проверки идеи, предложенной вначале работы, произведенапараметрическая оптимизация магнитной системы, которая показала, чтоэффективность электромеханического преобразования повышается, если призаданном соотношении чисел пазов ротора и статора выбрать определеннуюсуммарную площадь пазов.

Варьирование числом пазов ротора вправо и7влево от оптимального приводят к ухудшению результата. Последнееиллюстрируется рисунком 2, где при неизменной площади пазов ротораизменялось их количество.Рисунок 2 – Влияние числа пазов ротора на средний электромагнитныйвращающий момент асинхронного микродвигателя при оптимизациимагнитной системыСформированная геометрия поперечного сечения магнитопроводамодернизированного электродвигателя дает следующие коэффициентыиспользований поперечного сечения, которые приведем таблицей.Таблица 1 Основные геометрические соотношенияКоэффициентЧасть площади зубцового деления листастатора, занимаемая пазомОтношение площадей пазов ротора к пазамстатораДоля всех пазов в поперечном сеченииактивной частиновыйвариант0,26базовыйУАД-620,370,280,370,240,37По результатам данного раздела сделаны выводы.1.

Существует некоторая достаточная площадь пазов (таблица 1),которая в исследуемом габарите асинхронного микроэлектродвигателя8позволяет получить повышение эффективности электромеханическогопреобразования энергии.2. Как показывают результаты параметрической оптимизации(рисунок 2) существуют экстремумы электромагнитного вращающегомомента, показывающие наличие варианта, обладающего максимальнойэффективностью электромеханического преобразования.В третьем разделе выполнена модернизация асинхронногомикродвигателяУАД-12.Варьируяпараметрамипазовыхзонмагнитопровода, произведем оптимизацию листов ротора и статора.

Как и впредыдущем разделе, метод параметрической оптимизации позволил найтинаилучшее решение. Фиксируя полученную площадь паза ротора, оценимвлияния числа пазов ротора на электромагнитный вращающий момент.Рисунок 3 является обобщением ряда расчетов и в этом смысле достаточноинформативен.Рисунок 3 – Влияние числа пазов ротора моделируемогомикродвигателя на величину электромагнитного вращающего моментаПосле параметрической оптимизации пазов на статоре осталосьстолько же (12), а на роторе число пазов стало равным 14. Площадь пазастатора, измеренная при вычерчивании эскиза модели, равна 17,08 мм2.Площадь паза ротора уменьшилась еще в большей степени и равна 3,08 мм2.Cохраним плотности токов для номинального и пускового режимов.9Какследуетизданныхрисунка3,эффективностьэлектромеханического преобразования энергии в модернизируемомдвигателе увеличилась (электромагнитный момент при сохраненнойплотности тока располагается в заштрихованной области над пунктиром,характеризующим исходное значение до модернизации).Сформированная геометрия поперечного сечения магнитопроводамодернизированного электродвигателя дает следующие коэффициентыиспользований поперечного сечения, которые приведем в таблице.Таблица 2 Основные геометрические соотношенияКоэффициентЧасть площади зубцового деления листастатора, занимаемая пазомОтношение площадей пазов ротора к пазамстатораДоля всех пазов в поперечном сеченииактивной частиновыйвариант0,25базовыйУАД-120,560,210,280,230,45В четвертом разделе рассмотрен подход к формированию зубцовойзоны трехфазного асинхронного микродвигателя мощностью 90 Вт.

Вкачестве исследуемого исполнения выберем электродвигатель 4А50А2. Извсего отрезка серии 4А его номинальная мощность на валу наименьшая иравна 90 Вт.По сравнению с базовым вариантом электродвигателя 4А50А2,рассчитанным в разделе 3, в его модернизированном варианте М4А50А2, притой же плотности тока в обмотке статора, и той же величине скольжения вноминальном режиме, получено значение электромагнитного вращающегомомента, равное 0,56 Н·м. По сравнению с базовым вариантом эта величинаоказалось больше на 27%.Обратим внимание, результат получен за счет примененияпараметрической оптимизации при проектировании листов магнитопроводастатора и ротора.

Применительно к данному случаю это означает следующее.Количество алюминия в поперечном сечении ротора базовогоэлектродвигателя заметно превосходит требуемое значение, а ожидаемогоэффекта от этого нет (рисунок 4).Данные расчета электромагнитного поля в пусковом режиме работыследующие. Электромагнитный вращающий момент при таком же пусковомтоке увеличивается до величины 0,919 Н·м. Что больше базового значения на25%. Результаты модернизации асинхронного электродвигателя 4А50А2показали, что основное внимание при проектировании эффективноработающего асинхронного микродвигателя должно быть уделенопроектированию магнитопровода ротора и статора (рисунок 5).10Bδ·10-1, Тлτ·10-2, мРисунок 4 - Форма кривой магнитной индукции электродвигателяМ4А50А2 на полюсном делении воздушного зазора в номинальном режиме.Рисунок 5 - Картина магнитных силовых линий в поперечном сечениирешаемой задачи для режима пуска электродвигателя М4А50А2.Следует избегать чрезмерного насыщения зубцов и спинок ротора истатора, стремясь разместить в увеличенных пазах больший объемпроводниковых материалов.

Желательно уровни магнитной индукции в11зубцах и ярме уменьшать пропорционально индукции в воздушном зазоре,которая в микродвигателях меньше.Мощность двигателя 120 Вт на валу можно получить, перейдя кследующей длине активной части при том же диаметре. Другими словами:листы ротора и статора в новом двигателя 120 Вт будут такими же.Анализрезультатовоптимизационныхрасчетовпозволяетсформировать следующую таблицу рекомендаций по проектированиюмагнитопроводаэнергоэффективныхасинхронныхмикродвигателеймощностью 90 Вт.Таблица 3 Основные геометрические соотношенияКоэффициентновый4А50А2Часть площади зубцового деления листа0,26статора, занимаемая пазомОтношение площадей пазов ротора к пазам0,21статораДоля всех пазов в поперечном сечении0,238активной частиВарьирование числом пазов ротора асинхронного микродвигателяпозволяет найти их оптимальное число (14), которое обеспечивает максимумэлектромагнитного вращающего момента (рисунок 6).Рисунок 6 – Зависимость электромагнитного момента вращения отчисла пазов ротора при моделировании асинхронного микродвигателямощностью 90 Вт12В пятом разделе проведено экспериментальное подтверждениедостоверности проведенных теоретических исследований.

В качествеобъекта для дальнейших испытаний был выбран асинхронный двигатель4ААМ50В2У3.Двигатель, в соответствии с маркировкой, отличается отисследованного в разделе 4 только активной длиной и большей мощностью,равной 120 Вт. Кроме этого, отличие данного исполнения от двигателейсерии 4А состоит в том, что в маркировке присутствует дополнительнаябуква М. Следует вспомнить, что после публикации справочника по серии4А, активные размеры и обмоточные данные в открытой печати в видесправочников не появлялись.

Разработчики новой техники, таким образом,защищали особенности своих технических решений. Разборка двигателяпозволила провести анализ его конструкции и разработать вариантмодернизированного ротора.Соотношения площади пазов ротора и статора выбирались, как былополучено в разделах 2 - 4. Только было учтено, что пазов ротора 22, а не 14.Другими словами, площадь каждого из 22 пазов ротора будет в такой жепропорции меньше.Спроектированный таким образом лист ротора был изготовленметодом электроэрозионной обработки.

Следующей задачей являетсязаливка ротора и образование короткозамкнутой клетки. Стоимостьизготовления литформы для заливки ротора алюминием не позволяетповторить имеющуюся технологию изготовления ротора полностью.Поступим следующим образом. Заменим литую алюминиевую обмоткуэквивалентной медной, у которой в пазах будут медные стержни,припаянные к медным короткозамыкающим кольцам.Лист ротора имеет пазы площадью по 10,8 мм2 каждый.

Отношениесопротивления меди к сопротивлению алюминия можно принять как 1,96.Поэтому площадь поперечного сечения медного стержня в пазу должно быть10,8/1,96 = 5,51 мм2. Этому условию будет удовлетворять стерженьпрямоугольного сечения со сторонами 2,9 мм на 1,9 мм.Исследуемый двигатель был подвергнут сравнительным испытаниям сдвумя роторами: штатным и новым в испытательной лаборатории ЗАО«МЭЛ».

Указанное предприятие предоставило испытательное оборудование:поверенные приборы для измерения электрических параметров имоментомер для измерения момента нагрузки на валу.Классы точности измерительных приборов были следующими.Моментомер имел класс точности 2,5; ваттметры – 0,5; амперметр ивольтметр – 1,0. При испытаниях была использована схема с двумяваттметрами. Результаты измерений приведены в таблицах.13Рисунок 7 – Ротор в сборе после пайки и чистовой обработки натокарном станке наружной поверхности.Таблица 4 Результаты испытаний со штатным роторомНагрузка (М2), Н·мХ.х.Х.х*0,490,3920,2940,196U, В380380380380380380n,298029502709277728352885об/минP11, Вт 2085152,5132,5117,5102,5P12, Вт -12,5-3065503010I, А0,310,320,410,360,330,310,0981380293290-100,30В таблицах звездочкой отмечен режим, когда на валу электродвигателязакреплен нагрузочный стакан без установки последнего в моментомер.Таблица 5 Результаты испытаний с новым роторомНагрузка (М2), Н·мХ.х.Х.х.*0,490,3920,294U, В380380380380380n,29752960264927222793об/минP11, Вт 77,583,8155135120P12, Вт -20-25372515I, А0,300,310,420,3750,340,19638028570,09813802916107,550,3292,5-7,50,31Построение графиков КПД аппроксимацией их сплайнами в программеMathCAD дает следующие результаты.

Приведение к одной мощности(120 Вт) на валу показывает увеличение КПД в двигателе с новым ротором14на 7,7%. Это значит, что суммарные потери в базовом двигателе вноминальном режиме равны 70,8 Вт, а в модернизируемом – 48,9 Вт.Кроме этого был определен начальный пусковой момент при помощигрузов и измерительной планки. Он оказался одинаковым в обоих вариантахи равен 1,18 Н·м. Начальный пусковой ток для базового варианта был равен1,36 А, а для нового – 1,32 А. Испытания в режиме пуска проводились приноминальном напряжении 380 В. Таким образом, результаты экспериментапоказали, что:1.