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

Воронежский государственный технический университетНа правах рукописиЮрканов Владимир ВладимировичЗУБЦОВЫЕ ЗОНЫ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ТРЕХФАЗНЫХАСИНХРОННЫХ МИКРОДВИГАТЕЛЕЙС КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМСпециальность: 05.09.01 – «Электромеханика и электрические аппараты»ДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководитель: доктор технических наук,профессор Кононенко К.Е.Воронеж – 2015СОДЕРЖАНИЕВведение………………………………….………………………………….

41Анализ современного состояния вопроса………………………...1.1Научнаяитехническаялитературапо11проектированиюасинхронных микродвигателей……………………………………1.2Обзорспособоврасчетаэлектромагнитногомоментавасинхронных машинах………………………………………..……1.3Использованиечисленныхметодовдля1122расчетаэлектромагнитного поля……………………..…………………….251.4Выводы и постановка задачи……………………………………...282Формированиезубцовойзонытрехфазногоасинхронногомикродвигателя мощностью 40 Вт……………………………….2.1Положенияаналитическойтеорииасинхронноймашины,нуждающиеся в уточнении………………………………………...2.2Созданиеконечно-элементноймоделиСовершенствованиемагнитопровода49Увеличение числа пазов ротора модернизируемого варианта прификсированных размерах последних……………………………..2.4.349Число пазов ротора принято неизменным, варьируется ихплощадь…………………………………………………………….2.4.243универсальногоасинхронного микродвигателя УАД-62……….…………………..2.4.132Моделирование номинального и пускового режимов базовойконструкции…………………..…………………………………….2.429универсальногоасинхронного микродвигателя серии УАД……………………….2.32952Форма паза ротора по результатам п.2.4.2 и паз статораварьируется…………………………………………………………582.5Выводы………………………………………………………………663Формированиезубцовойзонытрехфазногоасинхронногомикродвигателя мощностью 1,5 Вт………………………………2673.1Моделирование универсального асинхронного микродвигателясерии УАД методом конечных элементов……………………….3.2Совершенствованиемагнитопроводауниверсальногомикродвигателя…………………………………………………….3.3Разработкавариантаактивнойчасти6775энергоэффективногомикродвигателя и проверка выполнимости обмотки…………….883.4Выводы……………………………………………………………...964Формированиезубцовойзоныасинхронныхдвигателеймощностью 90 и 120 Вт ……………………………………………4.197Моделирование асинхронного двигателя 4А50А2 методомконечных элементов………………………………………………..974.2Совершенствование зубцовой зоны ротора…………………….… 1074.3Выводы……………………………………………………………...5Экспериментальноеподтверждениедостоверностипроведенных теоретических исследований………………………5.1115116Исследование серийного асинхронного электродвигателя скороткозамкнутым ротором……………………………………….1165.2Разработка нового ротора………………………………………….1195.3Проведение сравнительных испытаний…………………………..1255.4Выводы……………………………………………………………...130Рекомендации по проектированию асинхронных микродвигателей……131Заключение………………………………………………………………….132Список использованной литературы……………………………………...134Приложение…………………………………………………………………1443ВВЕДЕНИЕАктуальность темы.

Аналитическая теория асинхронной машины напротяжении длительного времени используется для проектирования и расчетаее характеристик. Учебники знаменитых российских электротехников: Вольдека А.И., Глебова И.А., Горева А.А., Данилевича Я.Б., Загорского А.Е., ИвановаСмоленского А.В., Казаковского Е.Я., Копылова И.П., Костенко М.П., Пиотровского Л.М., Петрова Г.Н., Сипайлова Г.А., Стрельбицкого Э.К., ТрещеваИ.И., Хрущева В.В., Чечета Ю.С., Юферова Ф.М. и других стали классическими для изложения теории электрических машин, в целом, и асинхронных машин в частности. Написаны эти учебники были в разные годы, но их объединяет подробность изложения материала и несомненное качество проработки вопросов.

Теория изложения асинхронной машины аналитическая. Уравнения,схемы замещения и векторные диаграммы позволяют получать аналитическиевыражения рабочих характеристик, а в ряде случаев и пусковых. Основные допущения, используемые при этом – это допущения идеализированной электрической машины.Даже сегодня, с учетом современных возможностей вычислительнойтехники и развития численных методов, следует отметить, что по-другому качественно изложить теорию асинхронной машины не получится.

С другой стороны, аналитическая теория прочно заняла место в учебной литературе по проектированию асинхронных машин. До тех пор, пока средства вычислительнойтехники и их программное обеспечение не достигли определенного уровня развития, например, к 2000-м годам в нашей стране, такое положение можно былопризнать вполне удовлетворительным.

Однако, сегодня проектировать современный асинхронный двигатель только с позиций идеализированной асинхронной машины качественно удается не всегда. Аналитическая теория асинхронной машины в некоторых случаях приводит к неоправданно большим погрешностям при проектировании. Приходится вводить поправочные коэффициенты,выполнять дополнительное макетирование.4Точно оценить реальные характеристики асинхронной машины при помощи аналитической теории затруднительно.

Первая причина – это нелинейность кривой намагничивания магнитопровода. В этом случае метод наложения,которым пользуются для оценки суммарного влияния высших гармоник магнитного поля на работу электрической машины, строго говоря, неприменим.Магнитопроводы статора и ротора асинхронной машины, в основном, имеютзубчатое строение. Попытка учесть увеличение воздушного зазора за счет шлицов введением коэффициента Картера не является строго обоснованным.

Такможно было бы поступить, если бы зубчатое строение в равной степени влиялобы на все высшие гармоники магнитного поля. Ожидать от метода наложенияудовлетворительных результатов в методиках по проектированию асинхронныхмикродвигателей по этой причине не стоит.Таким образом,при проектировании асинхронных микродвигателейследует в расчетные методики включать численные методы расчета электромагнитного поля. Аналитическая теория асинхронной машины на текущий момент нуждается в дополнении уже полученных результатов и подтвержденияих работоспособности при крайне малых мощностях: в области микромашин.Анализ имеющихся методик проектирования асинхронных микродвигателей с короткозамкнутым ротором подводит к необходимости считать, что активное сопротивление обмотки ротора следует принимать минимально возможным. В этом случае принято считать, что КПД в номинальном режиме повышается. Как будет показано из дальнейших исследований, так бывает не всегда.

Уменьшение активного сопротивления обмотки ротора при неизменном еематериале требует увеличения площади паза. Площадь поперечного сечениязубцов ротора при этом неизбежно снижается. Как показывают предварительные результаты исследований, использовать допустимые уровни индукций насоответствующих участках магнитной системы из практики машин малой исредней мощности, следует не всегда. Это может привести к увеличению степени насыщения магнитопровода ротора и уменьшению его проводимости длямагнитного потока.5Достижения теории асинхронной машины к настоящему моменту даютоснование для следующей гипотезы, которая будет в работе проверена.

Соотношения, определяющие необходимую площадь пазов ротора, часто дают завышенные значения, что, в конечном счете, может вызвать ухудшение характеристик асинхронного микродвигателя.И, наконец, объект исследования выбран не случайно. Проведя заявленные исследования в асинхронных микродвигателях можно получить подтверждение или опровержение уже полученных особенностей влияния зубчатогостроения магнитопровода на энергоэффективность асинхронных двигателеймалой и средней мощности.Исследованию асинхронных двигателей и микродвигателей посвященыработы таких авторов, как Костенко М.П., Казовский Е.Я., Домбровский В.В.,Данилевич Я.Б., Вольдек А.И., Геллер Б., Иванов-Смоленский А.И., КаасикП.Ю., Куракин А.С., Гусельников Э.М., Муравлев О.П., Похолков Ю.П.,Стрельбицкий Э.К., Цибулевский Ф.И.

и многих других авторов. Со времениопубликования работ этих авторов прошел уже значительный срок. Сегодняпоявились новые средства научного анализа и решения прикладных задач. Поэтому усовершенствование методик, основанных на расчете электромагнитногополя в асинхронных двигателях, позволит повысить качество проектирования.Таким образом, на основании изложенного выше актуальность темы исследования определена необходимостью создания более точной методики проектирования асинхронных микродвигателей с короткозамкнутым ротором.Диссертационная работа выполнялась в рамках госбюджетной научноисследовательской работы «Исследование и оптимизация специальных электрических машин» ГРНТИ 45.29.02; 45.29.31; 45.29.33.Цель и задачи работы.

Целью диссертационной работы является развитие методики проектирования асинхронных микродвигателей в части рационального расчета пазовой зоны ротора.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующиенаучно-технические задачи:61. Выполнить моделирование трехфазных асинхронных микродвигателей разных серий мощностью 1,5; 40; 90 и 120 Вт, предназначенных для модернизации.2. Предложить варианты конструкции магнитной системы и ротора вчастности, позволяющей улучшить энергоэффективность работы трехфазногоасинхронного микродвигателя данной мощности.3.