Диссертация (Зубцовые зоны энергоэффективных трехфазных асинхронных микродвигателей с короткозамкнутым ротором), страница 7

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.Рисунок 2.12 - Распределение магнитных силовых линий для решаемойзадачи в режиме пуска47Средний электромагнитный момент вращения при пуске, рассчитанныйдля ряда положений ротора относительно статора, равен 0,421 Н ⋅ м. Примемэту величину также, как базовое значения для целей дальнейшего анализа.Рисунок 2.13 - Распределение уровней магнитной индукции в магнитопроводе моделируемого двигателя УАД-62 (базовой конструкции) в режимепуска48Bδ·10-1, Тлτ·10-2, мРисунок 2.14 - Форма кривой магнитной индукции на двойном полюсномделении при пуске базовой конструкции УАД-622.4 Совершенствование магнитопровода универсального асинхронногомикродвигателя УАД-622.4.1 Число пазов ротора принято неизменным, варьируется их площадьБазовый электродвигатель УАД-62 имеет площадь паза статора 58 мм2, аплощадь паза ротора – 25,8 мм2.Выдвинем предположение, что площадь паза ротора завышена.

Если это,действительно, так, то активное сопротивление ротора имеет минимальное значение, а степень насыщения магнитопровода ротора искусственно увеличена.Предпримем заметное снижение площади паза ротора. Вместо 25,8 мм2, как убазового двигателя примем ее 10, 24 мм2. Если сделанное предположение ошибочно, то более, чем в 2 раза увеличение активное сопротивления ротора приведет к такому снижению электромагнитного вращающего момента, что говорить о номинальной мощности в 40 Вт станет неактуально. Новая геометрияпазов ротора приведена на рисунке 2.15.49Рисунок 2.15 – Геометрия модернизации ротора УАД – 62Все параметры статора сохраняются, то есть, схема обмотки, обмоточныеданные, плотность тока. Расчет электромагнитного поля проведем для режима,когда частота скольжения равна аналогичной величине базового электродвигателя в номинальном режиме работы. Другими словами принимаем, чтоf 2 н = s н ⋅ f1 = 3,33 Гц .Расчет электромагнитного поля позволил рассчитать величину электромагнитного вращающего момента равную 0,172 Н ⋅ м.

Имеется 9-ти процентноеснижение момента. На самом деле, при номинальной нагрузке на валу электромагнитный момент не уменьшится, поскольку электрическая машина обладаетсвойством саморегулирования. В этом случае снизится частота вращения, возрастет ток, увеличится потребляемая мощность и снизится КПД.

Можно ориентировочно оценить увеличение тока и потребляемой мощности как 19%. Сделанные расчеты проиллюстрированы рисунками 2.16 – 2.18.50Рисунок 2.16 - Распределение магнитных силовых линий модернизируемого микродвигателя при номинальном скольженииBδ·10-1, Тлτ·10-2, мРисунок 2.17 - Форма кривой магнитной индукции на полюсном делениипри положении ротора относительно статора в соответствии с рисунком 2.1551Рисунок 2.18 - Распределение уровней магнитной индукции в магнитопроводе модернизируемого двигателя УАД-62 при номинальном скольженииСравнение графиков магнитной индукции на полюсном делении по рисункам 2.10 и 2.17 показывают ее почти 30-ти процентное увеличение.

Объяснить это можно уменьшением пазов и увеличением проводимости для магнитного потока через магнитопровод ротора.2.4.2 Увеличение числа пазов ротора модернизированного варианта прификсированных размерах последнихТот факт, что электромагнитный момент уменьшился незначительно, посравнению с более чем существенным уменьшением площади паза ротора, позволяет принять исходный модернизированный паз за основу. Начнем последовательно увеличивать число пазов.

Электромагнитный момент будет изменяться. Приведем данные варианта, который лучше базового. В этом случае числопазов ротора равно 22. Площадь паза ротора равна 10,24 мм2. Магнитная систе52ма модернизированного варианта УАД-62 приведена на рисунке 2.19, где наряду с площадью паза увеличилось их число.Рисунок 2.19 - Геометрия модернизации ротора УАД – 62 (z2 =22)Создание новой модели привело к необходимости перестроения сети конечных элементов.

Модель стала «тяжелее»: число конечных элементов увеличилось до 43697, а узлов – до 87454. Фрагмент разбиения и графические результаты расчетов приведены на следующих рисунках (2.20 – 2.23).53Рисунок 2.20 - Фрагмент сети конечных элементовПри решении вначале был рассмотрен вариант с частотой тока в роторе,соответствующей номинальному скольжению. Эта частота равна 3.33 Гц.

Расчет при нескольких положениях ротора относительно статора и их усреднениедал величину электромагнитного момента вращения равную 0,216 Н ⋅ м. Сравним результат с базовым значением. Момент увеличился на 14%. При этомсуммарная площадь пазов статора, залитых алюминием, в базовом вариантеравна 386,7 мм2, а в новом, модернизируемом варианте, равна 225,28 мм2. Произошло сокращение площади пазов на 41%.54Рисунок 2.21 - Распределение магнитных силовых линий модернизируемого микродвигателя при номинальном скольжении (z2 =22)Рисунок 2.22 - Распределение уровней магнитной индукции в магнитопроводе модернизируемого двигателя УАД-62 при номинальном скольжении(z2 =22)55Bδ·10-1, Тлτ·10-2, мРисунок 2.23 - Форма кривой магнитной индукции на полюсном делениипри положении ротора относительно статора в соответствии с рисунком 2.19По аналогичной методике произведем расчет электромагнитного поля врежиме пуска.

Графическую часть расчета приведем на рисунках 2.24 – 2.26.Частота тока в роторе при пуске равна 50 Гц. Расчет при нескольких положениях ротора относительно статора и их усреднение дал величину электромагнитного момента вращения равную 0,549 Н ⋅ м. Сравним результат с базовым значением.

Момент увеличился на 30%. При этом, напомним, что суммарная площадь пазов статора и ротора, залитых алюминием, в базовом вариантеравна 386,7 мм2, а в новом, модернизируемом варианте, равна 225,28 мм2.56Рисунок 2.24 - Распределение магнитных силовых линий модернизируемого микродвигателя при пуске (z2 =22)Рисунок 2.25 - Распределение уровней магнитной индукции в магнитопроводе модернизируемого двигателя УАД-62 при пуске (z2 =22)57Bδ·10-1, Тлτ·10-2, мРисунок 2.26 - Форма кривой магнитной индукции на двойном полюсномделении при пуске и положении ротора относительно статора в соответствии срисунком 2.192.4.3 Форма ротора по результатам п.2.4.2 и паз статора варьируетсяПриведем окончательный результат параметрической оптимизации статора. Основные его параметры следующие: площадь паза статора с 58 мм2уменьшена до 39,9 мм2, а плотность тока в пазу увеличена на 7% и составляетвеличину 1,62·106 А/м2.

Для оценки номинального режима принимается номинальная частота тока ротора равная 3,33 Гц. Аналогичная величина для оценкипускового режима принята 50 Гц. Кратность пускового тока сохранена как в базовом варианте: 4,7. Графическую интерпретацию проведенных расчетов представим на рисунках 2.27 – 2.32.Расчет электромагнитного момента при номинальном скольжении дал результат 0,209 Н ⋅ м.

Это более значения у базовой конструкции на 11%. Однакосуммарный ток в пазу у базовой конструкции равен 88 А, а в новой – 65.58Рисунок 2.27 - Распределение полямодернизируемого микродвигателяпри номинальном скольжении (площадь паза статора 39,9 мм2)Рисунок 2.28 - Распределение уровней магнитной индукции в магнитопроводе модернизируемого двигателя УАД-62 при номинальном скольжении(площадь паза статора 39,9 мм2)59Bδ·10-1, Тлτ·10-2, мРисунок 2.29 - Форма кривой магнитной индукции на полюсном делениипри положении ротора относительно статора в соответствии с рисунком 2.27Рисунок 2.30 - Распределение магнитных силовых линий модернизируемого микродвигателя при пуске (площадь паза статора 39,9 мм2)60Рисунок 2.31 - Распределение уровней магнитной индукции в магнитопроводе модернизируемого двигателя УАД-62 при пуске (площадь паза статора39,9 мм2)Bδ·10-1, Тлτ·10-2, мРисунок 2.32 - Форма кривой магнитной индукции на полюсном делениипри пуске и положении ротора относительно статора в соответствии с рисунком 2.2761При пуске добиться увеличения момента не удалось.

Объясняется этотем, что оптимум момента при пуске достигается при другом числе пазов, чем врабочем режиме. Основной же упор в нашем случае сделан именно на номинальный режим.Сопоставим эффективность электромеханического преобразования энергии в модернизируемом микродвигателе по сравнению с базовым микродвигателем УАД-62. Для этого потребуется дополнительная информация, в частности, данные об уровнях магнитной индукции на различных участках магнитнойцепи базового двигателя и его модернизируемого варианта.

Поместим искомуюинформацию, которая была получена при расчете соответствующих вариантовэлектродвигателей методом конечных элементов, на рисунках 2.11 и рис. 2.28.Итак, базовый микродвигатели имеет на статоре 18 пазов. Площадь одного паза статора равна 58,0 мм2. Используемая в расчетах амплитудная плотность тока в обмотке статора равна 1518910 А/м2. Перемножим эти цифры,приведенные к системе единиц СИ.S пс ⋅ J1mн = 88,10 А.Площадь паза ротора базового микродвигателя равна 25,8 мм2.

Электромагнитный момент вращения, действующий на ротор в номинальном режимеравен 0,1888 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. Модернизируемыймикродвигатель имеет на статоре 18 пазов. Площадь одного паза статора равна39,9 мм2.

Используемая в расчетах амплитудная плотность тока в обмотке статора равна 1625234 А/м2. Перемножим эти цифры, приведенные к системе единиц СИ.62S нов пс ⋅ J1mн = 64,85 А.Площадь паза ротора модернизируемого микродвигателя равна 10,24 мм2,при этом их число увеличено с 15 до 20. Электромагнитный момент вращения,действующий на ротор в номинальном режиме равен 0,209 Н ⋅ м. Если заметить, что потребляемый ток заметно снизился, то можно отметить улучшениеэнергоэффективности модернизируемого двигателя.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 ⋅64,85= 0,178 А.80,10(2.11)При меньших пазах статора модернизируемого микродвигателя, уменьшится сечение обмоточного провода в 40/58 =0,51 раза. Сопротивление фазыобмотки статора при этом неизбежно (обратная пропорция) возрастет.