Диссертация (Зубцовые зоны энергоэффективных трехфазных асинхронных микродвигателей с короткозамкнутым ротором), страница 6

Серия этих двигателей на статоре имеет трехфазную обмотку и предназначена для работы от трехфазной и однофазной сети переменного тока. Требования, которые разработчики предъявляли к серии этих микродвигателей, позволяют отнести их по конструктивным особенностям и области применения к асинхронным двигателямобщепромышленного исполнения.В качестве исследуемого исполнения выберем электродвигатель УАД-62.В соответствии с данными справочника [16] этот двигатель имеет параметры иразмеры, указанные в таблице 2.1.Таблица 2.1 – Основные данные электродвигателя УАД-62Параметр или размерЗначениеНоминальная мощность, Вт40Номинальное линейное напряжение, В220Синхронная частота вращения, об/мин3000Номинальное скольжение, %7,0Номинальный КПД, %69*Номинальный коэффициент мощности,0,69*Номинальный ток, А0,22*Пусковой ток, А1,03*Кратность пускового момента, о.е.3,5Внешний диаметр сердечника статора, мм71Внутренний диаметр сердечника статора, мм38Длина сердечника статора, ммОдносторонний воздушный зазор между статором и ротором, ммЧисло пазов статора400,1518Число пазов ротора15Число эффективных проводников в пазу28436Продолжение таблицы 2.1Число параллельных ветвей обмотки1Число пазов на полюс и фазу3Форма паза статораРисунок 2.1Высота паза статора, hc , мм9,8Большая ширина паза статора, b1c , мм8,1Меньшая ширина паза статора, b 2c , мм5,8Ширина шлица паза статора, mc , мм1,5Высота шлица паза статора, ec , мм0,5Форма паза ротораВысота паза ротора, h p , ммРисунок 2.18,5Большая ширина паза ротора, b1 p , мм4,2Меньшая ширина паза ротора, b 2 p , мм2,5Ширина шлица паза ротора, m p , мм0,8Высота шлица паза ротора, e p , мм0,3Диаметр отверстия под вал, мм9Рисунок 2.1 – К определению размеров пазов статора и ротора исследуемых двигателей УАДВ таблице 2.1 звездочкой отмечены данные эксперимента [16].37Для моделирования номинального режима работы исследуемого асинхронного двигателя воспользуемся известными данными.

По результатам испытаний [16] известно фазное значение тока обмотки статора, которое равноI1н = 0,22 А, и номинальное скольжение, равное S н = 0,067 .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 двухслойную петлевую обмотку с шагом изпервого паза в восьмой [16].

Провод обмотки статора имеет магнитную проводимость, равную проводимости воздуха. Обмотка является проводником электрического 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 УАД-62 магнитопровод изготовлен из электротехническойстали марки Э-31 с толщиной листа 0,35 мм. Для удобства дальнейшего анализаи возможного изготовления макетов примем электротехническую сталь 2013 поГОСТ 21427.2-83. Сталь имеет магнитные свойства, приведенные в таблице2.2.Таблица 2.2 – Магнитные свойства стали 2013Магнитная индукция, ТлНапряженность магнитного поля, А/м0,4560,6700,8881,01101,214138Продолжение таблицы 2.21,43001,617001,913000Воздух 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.Создадим геометрию решаемой задачи. Возможности пакета ANSYS [55]позволяют создавать геометрию непосредственно. Чтобы смоделировать затухание вектора магнитной индукции в окружающем электрическую машинупространстве, проведем из центра (оси вращения) окружность радиусом 90 мм.Будем считать, что поля рассеяния, выходящие за эту границу пренебрежимомалы.

Кроме этого создадим все области, которые можно описать только концентрическими окружностями. Результат приведем на рисунке 2.2.По известным размерам построен паз статора, что иллюстрирует рисунок2.3. Зная число пазов рассчитаем угол сдвига между ними и выполним операцию копирования.

Геометрия листа статора окажется заданной. Это иллюстрирует рисунок 2.4. Аналогичным образом построим паз ротора по исходнымданным справочной литературы приведенным в таблице 2.1. Модель геометрии, дополненная пазом ротора приведена на рисунке 2.5.Пазов на роторе 15 и после их копирования в указанной последовательности основная геометрия поперечного сечения электрической машины оказывается заданной (рисунок 2.6).39Рисунок 2.2 - Моделируемая область асинхронного микродвигателяУАД-62 и слой окружающего воздухаРисунок 2.3 – Паз статора, разделенный на две равные площади для моделирования двух слоев обмотки40Рисунок 2.4 – Геометрия статора УАД-62 с возможностью моделированиядвухслойной обмоткиРисунок 2.5 – Геометрия листа статора, дополненная пазом ротора41Рисунок 2.6 – Геометрия моделируемого электродвигателяРисунок 2.7 – Сеть конечных элементов всей области моделирования42После задания свойств материалов в рассматриваемой области, присвоения областям свойств соответствующих материалов и выбора типа конечногоэлемента производится разбиение области на сеть конечных элементов.

Вся область и ее фрагмент после разбиения приведены на рисунках 2.7 и 2.8.Рисунок 2.8 – Фрагмент сети конечных элементовСеть конечных элементов в данном случае получилась содержащей13109 треугольных элементов с криволинейными границами и промежуточными узлами на гранях. Общее количество узлов - 26278.2.3 Моделирование номинального и пускового режимов базовойконструкцииПри 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 0,22 ⋅ 2 ⋅ 284== 1,5189 ⋅106 А м 2 .−6Sп58,0 ⋅10284 – число проводников в пазу статора [16];43(2.8)S п = 58 ⋅10−6 м 2 – 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 = s н ⋅ f1 = 0,067 ⋅ 50 = 3,33 Гц .(2.9)В дальнейшем, говоря о номинальном режиме, будем понимать под этимтермином режим, в котором двигатель имеет номинальное скольжение.После решения задачи оказалось возможным результаты вывести в видеграфиков.

На рисунке 2.9 приведено распределение магнитных силовых линийв рассматриваемой области моделирования.Рисунок 2.9 - Распределение магнитных силовых линий для решаемой задачи в при номинальном скольжении44При создании геометрии модели в воздушном зазоре была задана дополнительная средняя линия. Смысл ее создания состоял в том, чтобы упорядочитьрасположение узлов в воздушном зазоре, через которые впоследствии будутпроходить траектории линий, на которых будут определены: величина электромагнитного момента вращения по тензорам натяжения в магнитном поле(выражения (2.6) – (2.7)) и кривая магнитной индукции в воздушном зазоре.Покажем последнюю на рисунке 2.10.Bδ·10-1, Тлτ·10-2, мРисунок 2.10 - Форма кривой магнитной индукции на полюсном делениипри положении ротора относительно статора в соответствии с рисунком 2.6Значение среднего электромагнитного момента вращения, рассчитанноепри нескольких положениях ротора относительно статора при номинальномскольжении, равно 0,1888 Н ⋅ м.

Примем эту величину как базовое значение дляцелей дальнейшего анализа. Отметим еще одно допущение, принятое при моделировании: ротор рассчитывался без учета скоса пазов, как если бы пазы бы45ли прямые. Это, конечно, отличается от данных реального двигателя, имеющего скос пазов. Однако, как будет показано при разработке модернизируемойконструкции электродвигателя, можно получить хороший результат и без скосапазов [65, 66].Для дальнейшего анализа представляет интерес определить уровеньнасыщения магнитопровода статора и ротора базовой конструкции, которыенаглядно представлены на рисунке 2.11.Рисунок 2.11 – Распределение уровней магнитной индукции в магнитопроводе моделируемого двигателя УАД-62 (базовой конструкции)Расчет 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.46В качестве нагрузки в пусковом режиме задается плотность тока в обмотке статора, амплитуда которой равнаJ1mр =I1 р ⋅ 2 ⋅ U п 1,03 ⋅ 2 ⋅ 284== 7,14 ⋅10 6 А/м2 .−6Sп58 ⋅10(2.10)Результаты расчетов электромагнитного поля методом конечных элементов в режиме пуска покажем на рисунках 2.12 – 2.14.