Диссертация (Зубцовые зоны энергоэффективных трехфазных асинхронных микродвигателей с короткозамкнутым ротором), страница 4

Использование распределенных обмоток с укороченным шагом мераизвестная, но часто при этом умалчивают о форме воздушного зазора, котораяопределяется очертаниями зубцовых зон статора и ротора и их взаимным перемещением при вращении электродвигателя. Зубчатое строение магнитопроводаявляется одним из препятствий, которые сложно преодолеть. Известны беспазовые конструкции асинхронных машин, но они относятся к специальным исполнениям, и в данной работе рассматриваться не будут.Основные физические процессы в асинхронных электрических машинахпеременного тока происходят с участием только основной гармоническойсоставляющей магнитного поля в воздушном зазоре.

Все остальные гармоникимагнитного поля, которые называют высшими, сцепленные с обмотками, неявляются рабочими и называются полями рассеяния. Поле рассеяния обмотокпринято делить условно на три части: поле рассеяния в пазах, в лобовых частяхи поле рассеяния за счет высших гармоник, или поле дифференциального рассеяния.Основное влияние полей рассеяния заключается в создании в обмоткахЭДС рассеяния.

Поля рассеяния в основном замыкаются по воздуху, поэтому22можно считать, что индуктивности рассеяния – это величины постоянные[1,2,6,7], или практически постоянные.При анализе работы и расчете асинхронной машины представляютдействительную асинхронную машину эквивалентной электрической схемойзамещения,аналогичнойвращающийсяроторсхемезамещениязаменяюттрансформатора.эквивалентнымПриэтомнеподвижным.Дляпредставления асинхронной машины схемой замещения требуется привестироторные обмотки к статорным. Схема замещения асинхронной машины имеетбольшое значение для анализа ее работы так, как позволяет свести процессы,происходящие в машине с вращающимся ротором, к процессам в асинхронноймашине с неподвижным ротором. Основными характеристиками асинхронногодвигателя являются рабочие характеристики.

Они могут быть определеныэкспериментальноилирассчитаныспомощьюкруговойдиаграммы.Установлено, что при постоянном напряжении сети и постоянных параметрах(активных и индуктивных сопротивлениях) - геометрическим местом концавекторатокаобмоткистатораявляетсяокружность,которуюсдополнительными построениями называют круговой диаграммой. Обычно воснову построения круговой диаграммы положена Г–образная схема замещенияасинхронной машины [1,2,6,7].Большинство существующих методик расчета асинхронной машиныисходятизупрощающихдопущений,позволяющихприменятьсхемызамещения и круговые диаграммы.

Методы теории цепей с успехом используюти для моделирования переходных процессов, происходящих в обмоткахасинхронной машины или в самой системе электропривода [22-27].Систематическое изложение теории переходных процессов и подходы кмоделированию и расчету электромагнитного поля изложены в трудахроссийских и зарубежных ученых [22-27].Теория электромагнитного поля получила стройное математическоеописание благодаря усилиям ее основоположника Д.К. Максвелла [31].

Тольконаееосновеоказалосьвозможным23выполнитьточныерасчетыэлектромагнитных сил и моментов, действующих на активные частиэлектрических машин.Работа И.Е. Тамма [32] явилась тем фундаментом, на котором оказалосьвозможным создание серьезных научных школ в России по развитию теории ипрактики расчетов электромагнитного поля. В работе приводятся основные положения и формулы, которые требуются исследователю для корректного расчета электромагнитных сил, в том числе с использованием термина тензора«натяжения», под которым понимают удельную силу, приходящуюся на единицу поверхности.Кроме отмеченных Московской и Санкт-Петербургской научных школ,большой вклад в развитие теории электромагнитного поля внесли ученыеНовочеркасска и Томска [29, 36, 37, 39].Расчет электромагнитного поля в асинхронной машине позволяетотказаться от целого ряда упрощающих допущений и, как следствие, повыситьточность расчетов.

Заслуживает особого внимания монография профессораИванова-Смоленского А.В. «Электромагнитные силы и преобразованиеэнергии в электрических машинах» [47]. Начиная с момента ее издания, уинженеров и разработчиков асинхронных машин появилось понимание того,какимиспособамиипокакимформуламследуетрассчитыватьэлектромагнитный момент, электромагнитные силы. Конечно, расчеты сиспользованием понятий тензоров натяжений в магнитном поле, требуютсерьезной математической подготовки. Кроме этого значительный объемпоследующих вычислений требует применения современных компьютеров ипакетов прикладных программ. Большим шагом в этом направлении сталоиспользование численных методов расчета электромагнитного поля и, вчастности, метода конечных элементов.241.3 Использование численных методов для расчета электромагнитногополяТеория метода конечных элементов широко представлена в работахзарубежных и отечественных ученых [50-56].

Основная идея метода конечныхэлементов, которая придала ему такую привлекательность при расчетеэлектромагнитногополя,довольнопроста.Электромагнитноеполераспределяется по магнитопроводу электрической машины и окружающемупространству так, чтобы его энергия была минимальна. Энергию магнитногополя выражают функционалом, в подынтегральном выражении которого частозаписываютсимволвекторногомагнитногопотенциала.Методамивариационного исчисления этот функционал исследуется на экстремум. Затемнаходят приближенное значение векторного магнитного потенциала [50,53].Другими словами, краевая задача расчета электромагнитного поля сводится квариационной задаче, когда уравнения поля непосредственно не решаются, азначения потенциала отыскивают, исследуя на экстремум энергетическийфункционал.Метод конечных элементов обладает важным свойством.

Если расчетноезначение векторного магнитного потенциала достаточно мало отстоит от егоистинного значения, то погрешности, с которыми затем определяютсяэлектромагнитные силы, электромагнитные моменты вращения, энергиямагнитного поля весьма малы. По этой причине термин «вычислительныйэксперимент» можно считать обоснованным словосочетанием.Работы по исследованию асинхронных машин с использованием методаконечных элементов ведутся в Воронеже на кафедре электромеханическихсистем и электроснабжения с 2001 года под руководством профессораКононенко К.Е.

[57-78]. К настоящему времени получены следующиерезультаты. Индуктивные параметры схемы замещения асинхронной машиныизменяются в зависимости от режима работы. По этой причине и круговаядиаграмма, описывающая работу асинхронной машины, при изменении режима25работы не остается неизменной. Метод конечных элементов позволяетполучить хорошие результаты в однофазных и конденсаторных асинхронныхдвигателях малой мощности, а также там, где классические методикипроектирования применить не удается, например, при расчете асинхронныхдвигателей с внешним ротором. Пазы ротора асинхронного двигателяпреимущественно должны иметь простую форму с округлыми очертаниями.Выбором соотношения пазов статора и ротора можно получить уменьшениереактивных моментов зубцового порядка, что ранее достигалось только скосомпазов ротора относительно статора. Геометрия зубцовой зоны оказывает заметное влияние на энергетику асинхронных двигателей малой и среднеймощности.Большое внимание в зарубежной технической литературе уделяетсячисленным методам и, в частности, методу конечных элементов и работам посозданию асинхронных двигателей с высокой энергоэффективностью.Хороших результатов в исследовании и разработке энергоэффективныхасинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором достигли бразильскиеученые и инженеры [79].

В работе приводится анализ развития теории и практики создания асинхронных двигателей. Используется метод конечных элементов, быстродействующие компьютеры. Рассмотрены основные виды потерь испособы воздействия на них, а также пути и перспективы создания асинхронных двигателей повышенной эффективности (High-Efficiency Motor) с использованием методов параметрической оптимизации.Теория поля для эффективного его моделирования с последующимопределением электромагнитных сил и моментов в асинхронных двигателяхрассмотрены в работе [80]. Среди параметров машины принимаемых во внимание отмечаются следующие: номинальное напряжение, номинальная частотавращения; номинальный вращающий момент; величина воздушного зазора;внешний диаметр ротора; внешний диаметр статора; длина пакета статора;диаметр вала; материал электротехнической стали; материал обмотки статора;26материал стержней обмотки ротора; число пазов на полюс; число катушек в фазе.

Решение производится численными методами.Традиционно привлекают интерес ученых и конструкторов работы поисследованию влияния высших гармоник электромагнитного поля на характеристики асинхронной машины [81], а также исследование тепловых режимов ееработы [82]. Выводы, которые сделаны по влиянию высших гармоник на работу асинхронного двигателя трудно распространить на двигатели, заметно отличающиеся по мощности и конструкции от исследуемого.

Вопросы же исследования тепловых режимов, безусловно, заслуживают внимания.Численное моделирование электромагнитного поля в асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором находит широкое отражение и в другихстатьях, посвященных расчету асинхронных машин [83-89].Например, в [83] авторы рассматривали возможные способы учета скосапазов при моделировании асинхронной машины. В работе показано, что наличие пазов на роторе и статоре приводит не только к колебаниям электромагнитного момента вращения и пульсациям индукции в воздушном зазоре, но такжевызывает заметные пульсации мгновенных значений токов в фазах обмотки приработе электродвигателя даже в установившемся режиме работы.Уточнить анализ асинхронной машины возможно, если параметры эквивалентной схемы замещения определять на основе расчета электромагнитногополя [84-85]. Такой подход заслуживает внимания.Отметим, что анализ приведенных работ не дает четкого ответа на вопрос: как следует проектировать магнитопровод асинхронного микродвигателяс короткозамкнутым ротором? Влияние соотношений чисел пазов ротора и статора приводилось в литературе по теории и практике проектирования асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, другие же вопросы: о формеи площади паза ротора по отношению к пазу статора остаются описанными недостаточно.271.4 Выводы и постановка задачиТаким образом, на основании изложенного выше, в качестве основнойцели диссертационной работы была поставлена следующая: развитие методикипроектирования асинхронных микродвигателей в части создания рациональнойгеометрии магнитопровода, в особенности ротора.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:1.

Выполнить моделирование трехфазных асинхронных микродвигателей в диапазоне мощностей от 1,5 до 120 Вт, разработанных для серийногопроизводства.2. Предложить варианты конструкции магнитной системы и ротора вчастности, позволяющей улучшить энергоэффективность работы трехфазногоасинхронного микродвигателя данной мощности.3. Сформулировать требования по проектированию усовершенствованной зубцовой зоны ротора энергоэффективных трехфазных асинхронных микродвигателей с короткозамкнутым ротором.4. Провести экспериментальные исследования для подтверждения правильности основных положений работы.282 ФОРМИРОВАНИЕЗУБЦОВОЙЗОНЫТРЕХФАЗНОГОАСИНХРОННОГО МИКРОДВИГАТЕЛЯ МОЩНОСТЬЮ 40 Вт2.1 Положения аналитической теории асинхронной машины, нуждающиеся в уточненииАналитическая теория асинхронной машины предназначена для знакомства с принципом действия и устройством ее работы, а также для предварительных расчетов.

Поправочные коэффициенты, которые вводились в расчетные методики, на сегодня не могут удовлетворить возрастающие потребности вкачественных расчетах. Учебники знаменитых российских электротехников:Костенко М.П., Пиотровского Л.М., Вольдека А.И., Иванова-Смоленского А.В.,Копылова И.П. и других стали классическими для изложения теории электрических машин, в целом, и асинхронных машин в частности [1,2,6,13]. Написаны эти учебники были в разные годы, но их объединяет подробность изложенияматериала и несомненное качество проработки вопросов.