Диссертация (Зубцовые зоны энергоэффективных трехфазных асинхронных микродвигателей с короткозамкнутым ротором), страница 10

18.Рисунок 3.17 – Значения магнитной индукции в поперечном сеченииэлектродвигателя УАД-12 в номинальном режиме работы83Рисунок 3.18 – Значения магнитной индукции в номинальном режимеаботы модернизируемого микродвигателя.Итак, базовый микродвигатель имеет на статоре 12 пазов. Площадь одного паза статора равна 31,3 мм2. Используемая в расчетах амплитудная плотность тока в обмотке статора равна 2367000 А/м2. Перемножим эти цифры,приведенные к системе единиц СИ.Sпс ⋅ J1mн = 74,25 А.Площадь паза ротора базового микродвигателя равна 13,3 мм2.

Электромагнитный момент вращения, действующий на ротор в номинальном режимеравен 8,385⋅10-3 Н ⋅ м.Новый вариант микродвигателя, имеющий с базовым вариантом толькоодинаковый внешний диаметр статора и расчетную активную длину, имеет заметно отличающиеся размеры пазовых зон статора и ротора. Итак, базовыймикродвигатель имеет на статоре 12 пазов. Площадь одного паза статора равна8417,1 мм2. Используемая в расчетах амплитудная плотность тока в обмотке статора также равна 2367000 А/м2. Перемножим эти цифры, приведенные к системе единиц СИ.Sновпс ⋅ J1mн = 40,43 А.Площадь паза ротора модернизируемого микродвигателя равна 3,08 мм2,при этом их число увеличено с 8 до 14.

Электромагнитный момент вращения,действующий на ротор в номинальном режиме равен 8,21⋅10-3 Н ⋅ м. Если заметить, что потребляемый ток заметно снизился, говорить об ухудшении энергоэффективности модернизируемого двигателя будет неправильно.Сравним, пока качественно, потери в стали и электрические в обмоткестатора. Номинальный ток нового микродвигателя уменьшится по сравнению сэкспериментально измеренным током базового микродвигателя в отношении,обратном оцененным полным токам пазов.I1н( нов ) = I1н ⋅40,43= 0,019 А.74,25(3.8)При меньших пазах статора модернизируемого микродвигателя, уменьшится сечение обмоточного провода в 17/31 =0,548 раза. Сопротивление фазыобмотки статора при этом неизбежно (обратная пропорция) возрастет.

Активное сопротивление фазы обмотки статора базового микродвигателя по даннымсправочника равно 1348 Ом. Следовательно, активное сопротивление обмоткистатора модернизируемого двигателя возрастет до величины 2460 Ом.Электрические потери в обмотке статора базового микродвигателя будутравныp1эл = I12н ⋅ r1 = 0,0352 ⋅1348 = 1,65 Вт.85(3.9)Электрические потери в обмотке статора модернизируемого микродвигателя будут равныp1эл( нов ) = I12н ( нов ) ⋅ r1 = 0,019 2 ⋅ 2460 = 0,89 Вт.Уменьшениеэлектрическихпотерь(3.10)в обмотке статора составит 0,76Вт. Для того, чтобы оценить, как изменятся потери в стали модернизируемогомикродвигателя по сравнению с базовым, сравним уровни магнитных индукцийрисунках 3.17 и 3.18.Для базового микродвигателя максимальное значение магнитной индукции в зубцах статора достигает 2 Тл; в спинке статора – 1,6 Тл.

Усредним этизначения и получим величину 1,8 Тл. Для модернизируемого микродвигателяполучим соответственно 1,6 Тл, 1,4 Тл и 1,5 Тл.Потери в стали пропорциональны квадрату индукции, поэтому 1,82=3,24,а 1.52=2,25. Происходит снижение потерь в стали и его можно оценить как 30%.Оценим мощности, которые потребляют из сети базовый и модернизируемый микродвигатели.P1 = U1 ⋅ I1 ⋅ m ⋅ cos ϕ = 127 ⋅ 0,035 ⋅ 3 ⋅ 0,6 = 8,0 Вт.(3.11)P1( нов ) = U1 ⋅ I1( нов ) ⋅ m ⋅ cos ϕ = 127 ⋅ 0,019 ⋅ 3 ⋅ 0,6 = 4,4 Вт.Ориентировочные значения КПД базового и модернизируемого двигателяможно оценить такηн( нов ) =ηн =P2P1( нов )=1,5= 0,34.4,4P2 1,5== 0,19.P1 8(3.12)(3.13)Для того, чтобы вышеизложенное было обоснованным, приведем итоговую таблицу с результатами параметрической оптимизации исследуемого микроэлектродвигателя мощностью 1,5 Вт.86Таблица 3.2 Результаты параметрической оптимизации магнитной системыМ,0,3180,330,1180,425 0,430,407 0,3890,420,37Н·м/мM,0,0076 0,0079 0.0028 0,010,0103 0,098 0,0093 0,0101 0,00891014Н·мZ211121315161718Для моделирования эффекта вращения ротора, как и в предыдущем случае, расчет проводился при перестроении магнитной системы для несколькихположений ротора относительно статора.

Верхняя строка таблицы рассчитанапрограммой на 1 метр активной длины. Во второй строке перемножением вычислен электромагнитный вращающий момент машины с реальной активнойдлиной. Для большей наглядности приведем графический рисунок.Рисунок 3.19 – Влияние числа пазов моделируемого микродвигателя навеличину электромагнитного вращающего момента873.3 Разработка варианта активной части энергоэффективного микродвигателя и проверка выполнимости обмоткиВопрос, вынесенный в заголовок, возник по той причине, что паз статорамодернизируемого двигателя заметно уменьшился. Таким образом, ожидаетсязначительное изменение обмоточных данных.С учетом выполненных расчетов электромагнитного поля приведем расчет обмоточных данных для макетного образца модернизируемого микродвигателя УАД-12.

Воспользуемся методикой, изложенной в [12].3.3.1 Величина полюсного деленияτ=τ=π⋅D;2p(3.14)π ⋅ 0,018= 0,028 м.23.3.2 Электромагнитные нагрузки примем следующими:линейная нагрузка - A = 4200 A м;индукция в воздушном зазоре: Bδ = 0,52 Тл.3.3.3 Расчётная мощность микродвигателяP ' = P2, н ⋅kE,η ⋅ cos ϕ(3.15)где k E = 0,76 — коэффициент, характеризующий отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению; η = 0,33, cosϕ = 0,60 - к.п.д. и коэффициент мощности модернизируемого микродвигателя:P' = 1,5 ⋅0,76= 5,8 Вб.0,33 ⋅ 0,60883.3.4 Расчётная длина воздушного зазораlδ =P'k в ⋅ D 2 ⋅ Ω ⋅ k об, 1 ⋅ A ⋅ Bδ,(3.16)где k в = 1,11 — коэффициент формы поля;Ω=2 ⋅ π ⋅ n 1 2 ⋅ π ⋅ 3000== 314,2 рад с — синхронная угловая скорость6060вращения магнитного поля;k îá , 1 = 0,966 —обмоточный коэффициент; обмотка статора выполняетсяоднослойной;lδ =5,8= 0,024 м.1,11⋅ 0,0182 ⋅ 314,2 ⋅ 0,966 ⋅ 4200 ⋅ 0,523.3.5 Число пазов статора принимаем Z1 = 12 .3.3.6 Число пазов на полюс и фазуq=Z1,2p ⋅ m(3.17)где m = 3 — число фаз обмотки статора;q=12= 2.2⋅33.3.7 Зубцовое деление статораt1 =t1 =π⋅D;Z1(3.18)π ⋅ 0,018= 4,71⋅10− 3 м.123.3.8 Номинальный ток обмотки статораI1, н =P2;m ⋅ U н ⋅ η ⋅ cos ϕ89(3.19)I1, н =1,5= 0,0199 A.3 ⋅127 ⋅ 0,33 ⋅ 0,603.3.9 Принимаем предварительно число пар параллельных ветвей обмотки a = 1.

Тогда предварительное число эффективных проводников в пазуu 'п =u 'п =π⋅D⋅A;I1, н ⋅ Z1(3.20)π ⋅ 0,018 ⋅ 4200= 995,4.0,0199 ⋅123.3.10 Окончательно принимаем a = 1 и, следовательно, уточнённое значение числа эффективных проводников в пазуu п = a ⋅ u 'п ;(3.21)u ï = 1 ⋅ 995 ≈ 995.3.3.11 Число витков в фазе обмотки статораw1 =w1 =u п ⋅ Z1;2a ⋅ m(3.22)995 ⋅ 12= 1990.2 ⋅1⋅ 33.3.12 Уточняем значение линейной нагрузкиA=A=2 ⋅ I1, н ⋅ w1 ⋅ mπ⋅D;(3.23)2 ⋅ 0,0199 ⋅ 1990 ⋅ 3= 4198 A м .π ⋅ 0,0183.3.13 Полюсное деление, выраженное в зубцах статораτ=Z1;2p90(3.24)τ=24= 12.23.3.14 Предварительное значение шага обмоткиy = β ⋅ τ,(3.25)где β = 1 — обмотка с полным шагом.3.3.15 Поток в воздушном зазореФδ =k E ⋅ Uн,4 ⋅ k Е ⋅ w1 ⋅ k об, 1 ⋅ f(3.26)где k об, 1 = k p ⋅ k y ;kp =kp =0,530!q ⋅ sinq— коэффициент распределения,0,5= 0,966;30!2 ⋅ sin2k y = 1 — коэффициент укорочения при однослойной обмотке,k об, 1 = 0,966 ⋅1 = 0,966;Фδ =0,76 ⋅127= 2,26 ⋅10− 4 Вб.4 ⋅1,11⋅1990 ⋅ 0,966 ⋅ 503.3.16 Уточняем значение индукции в воздушном зазореBδ =p ⋅ Фδ;D ⋅ lδ1 ⋅ 2,26 ⋅ 10−4Bδ == 0,524 Тл.0,018 ⋅ 0,0243.3.17 Предварительно плотность тока в обмотке статора91(3.27)j1 =A ⋅ j1,A(3.28)где A ⋅ j1 = 22 ⋅109 A2 м3 — произведение линейной нагрузки и плотности тока в обмотке статора;j1 =22 ⋅109= 5,24 ⋅106 А м2 .41983.3.18 Предварительное сечение эффективного проводникаq эф =q эф =I1, нa ⋅ j1;(3.29)0,0199= 3,82 ⋅ 10− 9 м 2 .61 ⋅ 5,2 ⋅ 103.3.19 Обмотка статора выполняется круглым проводом.

Класс нагревостойкости изоляции — В.3.3.20 Принимаем число элементарных проводников в одном эффективном n эл = 1. Тогда сечение элементарного проводникаq эл =q элq эфn эл;3,82 ⋅10−9== 3,82 ⋅10− 9 м2 .13.3.21 Принимаем ближайший стандартный провод:диаметр голого провода: dг = 0,07 ⋅10−3 м;диаметр изолированного провода: dиз = 0,09 ⋅10−3 м;сечение провода: q эл = 3,85 ⋅10−9 м2 .3.3.22 Уточняем значение эффективного проводника92(3.30)q эф = n эл ⋅ q эл ;(3.31)q эф = 1 ⋅ 3,85 ⋅ 10−9 = 3,85 ⋅ 10−9 м 2 .3.3.23 Уточняем плотность тока в обмотке статораj1 =j1 =I1, нa ⋅ q эф;(3.32)0,0199= 5,16 ⋅ 106 м 2 .−81 ⋅ 3,85 ⋅ 103.3.24 По результатам расчета электромагнитного поля принимаем индукцию в зубцах статора Bz , 1 = 1,4 Тл , индукцию в ярме статора Ba , 1 = 1,24 Тл .3.3.25 Ширина зубца статораb z, 1 =Bδ ⋅ t1 ⋅ l δ,B z, 1 ⋅ l ст , 1 ⋅ k c(3.33)где l ст , 1 = l δ = 0,024 м — длина стали сердечника статора;k c = 0,9 — коэффициент заполнения сталью магнитопровода оксидированными листами;0,52 ⋅ 4,71⋅10−3 ⋅ 0,024bz , 1 == 2,0 ⋅ 10− 3 м.1,4 ⋅ 0,024 ⋅ 0,93.3.26 Высота ярма статораha =ha =Фδ;2 ⋅ Ba ⋅ l ст , 1 ⋅ k c(3.34)2,26 ⋅ 10−4= 4,5 ⋅ 10− 3 м.2 ⋅ 1,24 ⋅ 0,024 ⋅ 0,93.3.27 Принимаем высоту шлица паза статора h ш , 1 = 0,5 мм , ширину шлица паза статора bш, 1 = 1,2 мм .933.3.28 Высота паза статораh п, 1 =h п, 1 =Da − D− ha ;2(3.35)0,037 − 0,018− 4,5 ⋅10−3 = 5,0 ⋅10− 3 м.23.3.29 Ширина паза статора в нижнем основанииb1 =(π ⋅ (D + 2 ⋅ h п,1 )Z1(3.36)− b z, 1 ;)π ⋅ 0,018 + 2 ⋅ 5,0 ⋅10−3b1 =− 2,0 ⋅10− 3 = 5,33 ⋅ 10− 3 м.123.3.30 Ширина паза статора в верхнем основанииb2 =π ⋅ (D + 2 ⋅ h ш, 1 − b ш,1 ) − Z1 ⋅ b z, 1Z1 − π(;(3.37))π ⋅ 0,018 + 2 ⋅ 0,5 ⋅10−3 − 1,2 ⋅10−3 − 12 ⋅ 2,0 ⋅10−3b2 == 3,6 ⋅10− 3 м.12 − π3.3.31 Расстояние между основаниями паза статораb 2 − b ш,1 ⎞⎛⎟⎟;h1 = h п, 1 − ⎜⎜ h ш, 1 +2⎝⎠h1 = 5,0 ⋅10−3(3.38)−3−3⎛− 3 3,6 ⋅ 10 − 1,2 ⋅ 10 ⎞⎜⎟ = 3,3 ⋅10− 3 м.− ⎜ 0,5 ⋅10 +⎟2⎝⎠3.3.32 Принимаем припуски на размеры паза при сборке по ширинеΔbп = 0,08 ⋅10−3 м, по высоте Δh п = 0,08 ⋅10−3 м.3.3.33 Размеры паза статора в свету с учётом припусковb1' = b1 − Δbп ;94(3.39)b1' = 5,33⋅10−3 − 0,08 ⋅10−3 = 5,25 ⋅10−3 м.b'2 = b 2 − Δbп ;(3.40)b'2 = 3,6 ⋅10−3 − 0,08 ⋅10−3 = 3,52 ⋅10−3 м.(3.41)h1' = h1 − Δh п ;h1' = 3,3 ⋅10−3 − 0,08 ⋅10−3 = 3,22 ⋅10−3 м.3.3.34 Площадь поперечного сечения корпусной изоляции в пазу(3.42)()Sиз = b из ⋅ 2 ⋅ h 'п,1 + b1' + b '2 ,где bиз = 0,15 ⋅10−3 м — односторонняя толщина пазовой изоляции;()Sиз = 0,15 ⋅10−3 ⋅ 2 ⋅ 3,22 ⋅10−3 + 5,25 ⋅10−3 + 3,52 ⋅10−3 = 2,84 ⋅10−6 м2 .3.3.35 Площадь поперечного сечения паза для размещения проводниковS'пS'пb1' + b'2 '=⋅ h1 − Sиз ;2(3.43)5,25 ⋅10−3 + 3,25 ⋅10−3=⋅ 3,22 ⋅10− 3 − 2,84 ⋅10− 6 = 11,24 ⋅10− 6 м2 .23.3.36 Коэффициент заполнения паза статора проводникамиkз =2d из⋅ u п ⋅ n элS'п(0,09 ⋅10 )=−3 2kз;⋅ 995 ⋅ 1= 0,717.11,24 ⋅ 10 − 695(3.44)Сформированная геометрия поперечного сечения магнитопровода модернизированного электродвигателя дает следующие коэффициенты использований поперечного сечения, которые приведем таблицей.Таблица 3.3КоэффициентЧасть площади зубцового деления листа ста-новый вари-базовыйантУАД-120,250,560,210,280,2310,449тора, занимаемая пазомОтношение площадей пазов ротора к пазамстатораДоля всех пазов в поперечном сечении активной части3.4.

Выводы1. Выдвинута и подтверждена научная идея о том, что для пары чиселпазов ротора и статора существует оптимальная суммарная площадь пазов ротора, которая повышает эффективность электромеханического преобразованияэнергии в трехфазных асинхронных микродвигателях с короткозамкнутым ротором.2. Варьирование в широких пределах геометрическими параметрамизубцовых зон позволило выявить новые закономерности влияния активного сопротивления ротора на способность асинхронного двигателя к эффективномупреобразованию энергии.3.