Диссертация (Зубцовые зоны энергоэффективных трехфазных асинхронных микродвигателей с короткозамкнутым ротором), страница 11

Выбирать соотношения между площадью пазов и зубцов магнитопровода асинхронного двигателя следует по данным таблицы 3.3, полученной методом параметрической оптимизации магнитной системы.964 ФОРМИРОВАНИЕЗУБЦОВОЙЗОНЫАСИНХРОННЫХДВИГАТЕЛЕЙ МОЩНОСТЬЮ 90 И 120 Вт4.1 Моделирование асинхронного двигателя 4А50А2 методом конечныхэлементовВ качестве исследуемого исполнения выберем электродвигатель 4А50А2.Из всего отрезка серии 4А его номинальная мощность на валу наименьшая иравна 90 Вт. В соответствии с данными справочника [9] этот двигатель имеетпараметры и размеры, указанные в таблице 4.1.Таблица 4.1 – Основные данные электродвигателя 4А50А2Параметр или размерЗначениеНоминальная мощность, Вт90Номинальное линейное напряжение, В380Синхронная частота вращения, об/мин3000Номинальное скольжение, %8,6Номинальный КПД, %60Номинальный коэффициент мощности,0,70Номинальный ток, А0,325Пусковой ток, А1,14Кратность пускового момента, о.е.2,0Внешний диаметр сердечника статора, мм81Внутренний диаметр сердечника статора, мм41Длина сердечника статора, ммОдносторонний воздушный зазор между статором и ротором, ммЧисло пазов статора42Число пазов ротора0,25129Число эффективных проводников в пазу97450Продолжение таблицы 4.1Число параллельных ветвей обмотки1Число пазов на полюс и фазу2Форма паза статораРисунок 2.1Высота паза статора, hc , мм9,6Большая ширина паза статора, b1c , мм10,9Меньшая ширина паза статора, b 2c , мм8,7Ширина шлица паза статора, mc , мм1,8Высота шлица паза статора, ec , мм0,5Форма паза ротораВысота паза ротора, h p , ммРисунок 2.18,2Большая ширина паза ротора, b1 p , мм5,8Меньшая ширина паза ротора, b 2 p , мм3,1Ширина шлица паза ротора, m p , мм1,0Высота шлица паза ротора, e p , мм0,75Диаметр отверстия под вал, мм14Для моделирования номинального режима работы исследуемого асинхронного двигателя воспользуемся известными данными.

По результатам приведенным в справочнике [9] определено фазное значение тока обмотки статора,которое равно I1н = 0,325 А, и номинальное скольжение, равное Sн = 0,086 .Для анализа электромагнитного поля машины методом конечных элементов и последующего расчета электромагнитного вращающего момента необходимо задать свойства материалов: электротехнической стали магнитопроводовстатора и ротора, меди обмотки статора, алюминия клетки ротора и воздуха,который окружает электрическую машину и является проводником магнитногопотока между ротором и статором.Двигатель имеет на статоре однослойную концентрическую обмотку [9].Как и в предыдущем разделе, провод обмотки статора имеет магнитную проводимость, равную проводимости воздуха.

Обмотка является проводником элек98трического тока, поэтому для целей дальнейшего анализа необходимо задатьзначение ее электрической проводимости. Для медной обмотки с классом изоляции В проводимость равна 2,12·10-8 Ом·м.В двигателе 4А50А2 магнитопровод изготовлен из электротехническойстали марки 2013 по ГОСТ 21427.2-83 с толщиной листа 0,5 мм. Сталь имеетмагнитные свойства, приведенные в таблице 2.2.Воздух имеет постоянное значение относительной магнитной проводимости, оно равно 1.Короткозамкнутая клетка обмотки ротора также имеет относительнуюмагнитную проводимость, равную 1.

Но электрическая проводимость стержняротора должна учитывать активное сопротивление короткозамыкающих колец.Так для алюминиевой клетки ротора исследуемого двигателя электрическаяпроводимость равна 5,29·10-8 Ом·м.При расчете номинального режима моделируется электромагнитное поленизкой частоты. В качестве нагрузки задается плотность тока в обмотке статора, амплитуда которой равнаJ1mн =где U п=I1н ⋅ 2 ⋅ U п 0,325 ⋅ 2 ⋅ 450== 2,527 ⋅ 106 А м2 .−6Sп81,84 ⋅ 10(4.1)450 – число проводников в пазу статора [9];Sп = 81,84 ⋅10−6 м2 – площадь поперечного сечения паза статора.Частота тока принимается равной частоте тока в обмотке ротора при номинальной нагрузке.

Рассчитать ее можно, зная номинальное скольжение, какf 2 н = (sн ) ⋅ f1 = (0,086) ⋅ 50 = 4,3 Гц .(4.2)Моделируемую область электродвигателя и окружающего его воздухапредставим на рисунке 4.1.99Рисунок 4.1 - Моделируемая область асинхронного микродвигателя4А50А2: магнитопровод и слой окружающего воздухаУвеличенный фрагмент решаемой задачи, картину магнитных силовыхлиний и поле на одном полюсном делении покажем на рисунках 4.2 - 4.7.Значение среднего электромагнитного момента вращения, рассчитанноепри нескольких положениях ротора относительно статора при номинальномскольжении, равно 0,439 Н ⋅ м. Примем эту величину как базовое значения дляцелей дальнейшего анализа.

Как и во втором разделе, ротор рассчитывался безучета скоса пазов, как если бы пазы были прямые. Это, конечно, отличается отданных реального двигателя, имеющего скос пазов. Однако, как будет показанопри разработке модернизируемой конструкции электродвигателя, можно получит хороший результат и без скоса пазов.100Рисунок 4.2 - Поперечное сечение магнитопровода асинхронного микродвигателя 4А50А2Рисунок 4.3 - Увеличенный фрагмент зубцовой зоны исследуемого асинхронного микродвигателя 4А50А2.101Рисунок 4.4 - Сетка конечных элементов площади поперечного сеченияразбиения на треугольные элементы.Рисунок 4.5 - Распределение магнитных силовых линий для решаемой задачи в номинальном режиме.102Bδ·10-1, Тлτ·10-2, мРисунок 4.6 - Форма кривой магнитной индукции на полюсном деленииРисунок 4.7 - Распределение уровней магнитной индукции в поперечномсечении асинхронного микродвигателя 4А50А2103Расчет пускового режима будет отличаться другой частотой перемагничивания ротора и величиной плотности тока в обмотке статора.

В пусковом режиме, при неподвижном роторе, частота перемагничивания ротора равна частоте сети, то есть 50 Гц.В качестве нагрузки в пусковом режиме задается плотность тока в обмотке статора, амплитуда которой равнаJ1mр =I1р ⋅ 2 ⋅ U п 1,14 ⋅ 2 ⋅ 450== 8,845 ⋅106 А м2 .−6Sп81,84 ⋅10(4.3)Результаты расчетов электромагнитного поля методом конечных элементов в режиме пуска покажем на рисунках 4.8 – 4.11. Как следует из их анализа,форма магнитного поля в большей степени отличается от синусоидальной, чемв рассмотренном номинальном режиме работы.

Этот результат в асинхронныхмикродвигателях подтверждает уже полученные закономерности в асинхронных двигателях малой мощности и не является новым.Средний электромагнитный момент вращения при пуске, рассчитанныйдля ряда положений ротора относительно статора, равен 0,734 Н ⋅ м. Примемэту величину также, как базовое значения для целей дальнейшего анализа. Приведнм результаты в таблице 4.2Таблица 4.2 Основные геометрические соотношенияКоэффициентбазовый4А50А2Часть площади зубцового деления листа ста-0,26тора, занимаемая пазомОтношение площадей пазов ротора к пазам0,32статораДоля всех пазов в поперечном сечении активной части1040,258Рисунок 4.8 - Распределение уровней магнитной индукции в поперечномсечении асинхронного микродвигателя 4А50А2 в режиме пуска.Рисунок 4.9 - Распределение магнитных силовых линий для решаемой задачи в пусковом режиме.105Bδ·10-1, Тлτ·10-2, мРисунок 4.10 - Форма кривой магнитной индукции на полюсном деленииасинхронного микродвигателя 4А50А2 в режиме пуска.Рисунок 4.11 - Увеличенный фрагмент исследуемой области поперечногосечения асинхронного микродвигателя 4А50А2 в режиме пуска.1064.2 Совершенствование зубцовой зоны ротораАнализконструктивных особенностей базового электродвигателя4А50А2 показывает, что величина пазов ротора непропорционально увеличена.Воспользуемся результатами раздела 3.2, в котором выполнена модернизацияасинхронного микродвигателя мощностью 1,5 Вт.

Результаты проведенной модернизации получились весьма успешными. Найдем отношение площадей всехпазов ротора ко всем пазам статора. Это соотношение будет равноk=Sпр ⋅ Z pSпс ⋅ Zc=3,08 ⋅ 14= 0,210.17,08 ⋅ 12(4.4)Проверим следующее утверждение. Если данное отношение приводит кхорошим результатам для двухполюсных электродвигателей мощностью 1,5 Вт,то им следует воспользоваться, чтобы получить эффективно работающий электродвигатель мощностью 90 Вт.

Примем на роторе 14 пазов без скоса. Площадьпаза статора сохраним как и у базового электродвигателя, то есть равной 81,84мм2. Число пазов на статоре так же сохраним равным 12. В этом случае площадь паза ротора модернизируемого электродвигателя будет равна 14,76 мм2.Приведем эскиз предлагаемого модернизируемого варианта, обозначив его какМ4А50А2.Плотности токов в обмотке статора при анализе номинального и пускового режима работы электродвигателя М4А50А2 сохраним в соответствии с выражениями (4.1) и (4.3).