Диссертация (Зубцовые зоны энергоэффективных трехфазных асинхронных микродвигателей с короткозамкнутым ротором), страница 8

Активное сопротивление фазы обмотки статора базового микродвигателя по даннымсправочника равно 60 Ом. Следовательно, активное сопротивление обмоткистатора модернизируемого двигателя возрастет до величины 120 Ом.Электрические потери в обмотке статора базового микродвигателя будутравныp1эл = I12н ⋅ r1 = 0,222 ⋅ 60 = 2,90 Вт.(2.12)Электрические потери в обмотке статора модернизируемого микродвигателя будут равны63p1эл ( нов ) = I12н ( нов ) ⋅ r1 = 0,178 2 ⋅120 = 3,80 Вт.(2.13)Увеличение электрических потерь в обмотке статора составит 0,9 Вт. Длятого, чтобы оценить, как изменятся потери в стали модернизируемого микродвигателя по сравнению с базовым, сравним уровни магнитных индукций нарисунках 2.11 и 2.28.Для базового микродвигателя максимальное значение магнитной индукции в зубцах статора достигает 1,8 Тл; в спинке статора – 1,5 Тл.

Усредним этизначения и получим величину 1,65 Тл. Для модернизируемого микродвигателяполучим соответственно 1,75 Тл, 1,35 Тл и 1,55 Тл.Потери в стали пропорциональны квадрату индукции, поэтому 1,652=2,72,а 1.552=2,4. Происходит некоторое снижение потерь в стали.Оценим мощности, которые потребляют из сети базовый и модернизируемый микродвигатели.P1 = U 1 ⋅ I1 ⋅ m ⋅ cos ϕ = 127 ⋅ 0,22 ⋅ 3 ⋅ 0,69 = 57,8 Вт.(2.14)P1( нов ) = U1 ⋅ I1( нов ) ⋅ m ⋅ cos ϕ = 127 ⋅ 0,178 ⋅ 3 ⋅ 0,75 = 50,8 Вт.Ориентировочные значения КПД базового и модернизируемого двигателяможно оценить такη н ( нов ) =ηн =P240== 0,78.P1( нов ) 50,8(2.15)P240== 0,69.P1 57,8(2.16)Для более наглядного представления о произведенной оптимизации в таблице2.3 представим результаты, полученные при варьировании пазами ротора.64Таблица 2.3М,4,24,951,64,325,233,844,774,42M, Н·м 0,1680,1980,0640,1720,2090,1540,1910,177Z217181920212223Н·м/м16Данные таблицы представим на графике (рисунок 2.33).Рисунок 2.33 – Влияние числа пазов ротора на средний электромагнитный вращающий момент асинхронного микродвигателя при оптимизации магнитной системыНаибольший, явно выраженный максимум имеет конструкция магнитнойсистемы с 20 пазами на роторе.65Сформированная геометрия поперечного сечения магнитопровода модернизированного электродвигателя дает следующие коэффициенты использований поперечного сечения, которые приведем таблицей.Таблица 2.4КоэффициентЧасть площади зубцового деления листа ста-новыйбазовыйвариантУАД-620,260,370,280,370,2370,367тора, занимаемая пазомОтношение площадей пазов ротора к пазамстатораДоля всех пазов в поперечном сечении активной части2.5.

Выводы1. Существует некоторая достаточная площадь пазов (таблица 2.4), которая в исследуемом габарите асинхронного микроэлектродвигателя позволяетполучить повышение эффективности электромеханического преобразованияэнергии.2. Как показывают результаты параметрической оптимизации (рисунок2.33) существуют экстремумы электромагнитного вращающего момента, показывающие наличие варианта, обладающего максимальной эффективностьюэлектромеханического преобразования.663ФОРМИРОВАНИЕЗУБЦОВОЙЗОНЫТРЕХФАЗНОГОАСИНХРОННОГО МИКРОДВИГАТЕЛЯ МОЩНОСТЬЮ 1,5 Вт3.1 Моделирование универсального асинхронного микродвигателя серииУАД методом конечных элементовВ качестве исследуемого исполнения выберем электродвигатель УАД-12.Из всего отрезка серии УАД его номинальная мощность на валу наименьшая иравна 1,5 Вт. В соответствии с данными справочника [16] этот двигатель имеет параметры и размеры, указанные в таблице 3.1.Таблица 3.1 – Основные данные электродвигателя УАД-12Параметр или размерЗначениеНоминальная мощность, Вт1,5Номинальное линейное напряжение, В220Синхронная частота вращения, об/мин3000Номинальное скольжение, %9,0Номинальный КПД, %19*Номинальный коэффициент мощности,0,59*Номинальный ток, А0,035*Пусковой ток, А0,053*Кратность пускового момента, о.е.3,5Внешний диаметр сердечника статора, мм37Внутренний диаметр сердечника статора, мм18Длина сердечника статора, ммОдносторонний воздушный зазор между статором и ротором, ммЧисло пазов статора24Число пазов ротора0,1128Число эффективных проводников в пазу671500Продолжение таблицы 3.1Число параллельных ветвей обмотки1Число пазов на полюс и фазу2Форма паза статораРисунок 2.1Высота паза статора, hc , мм6,6Большая ширина паза статора, b1c , мм6,87Меньшая ширина паза статора, b 2c , мм4,9Ширина шлица паза статора, mc , мм1,2Высота шлица паза статора, ec , мм0,5Форма паза ротораВысота паза ротора, h p , ммРисунок 2.14,5Большая ширина паза ротора, b1 p , мм3,0Меньшая ширина паза ротора, b 2 p , мм2,7Ширина шлица паза ротора, m p , мм0,6Высота шлица паза ротора, e p , мм0,3Диаметр отверстия под вал, мм2,0В таблице 3.1 звездочкой отмечены данные эксперимента [16].Для моделирования номинального режима работы исследуемого асинхронного двигателя воспользуемся известными данными.

По результатам испытаний [16] известно фазное значение тока обмотки статора, которое равноI1н = 0,035 А, и номинальное скольжение, равное Sн = 0,09 .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.68Двигатель имеет на статоре двухслойную петлевую обмотку с шагом изпервого паза в пятый [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-12 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.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 пI1н ⋅ 2 ⋅ U п 0,035 ⋅ 2 ⋅ 1500== 2,367 ⋅ 106 А м2 .−6Sп31,37 ⋅ 10= 1500(3.1)– число проводников в пазу статора [16];Sп = 31,37 ⋅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, как69f 2 н = s н ⋅ f1 = 0,09 ⋅ 50 = 4,5 Гц .(3.2)Моделируемую область электродвигателя и окружающего его воздухапредставим на рисунке 3.1.Рисунок 3.1 - Моделируемая область асинхронного микродвигателя УАД12, магнитопровод и слой окружающего воздуха.Увеличенный фрагмент решаемой задачи, картину магнитных силовыхлиний и поле на одном полюсном делении покажем на рисунках 3.2 - 3.5.70Рисунок 3.2 - Поперечное сечение магнитопровода асинхронного микродвигателя УАД-12Рисунок 3.3 - Распределение магнитных силовых линий для решаемой задачи в номинальном режиме71Bδ·10-1, Тлτ·10-2, мРисунок 3.4 - Форма кривой магнитной индукции на полюсном делениипри положении ротора относительно статора в соответствии с рисунком 3.2Bδ·10-1, Тлτ·10-2, мРисунок 3.5 - Форма кривой магнитной индукции на полюсном делениипри смещении ротора относительно статора72Значение среднего электромагнитного момента вращения, рассчитанноепри нескольких положениях ротора относительно статора при номинальномскольжении, равно 8,385⋅10-3 Н ⋅ м.

Примем эту величину как базовое значениядля целей дальнейшего анализа. Отметим еще одно допущение, принятое примоделировании: ротор рассчитывался без учета скоса пазов, как если бы пазыбыли прямые. Это, конечно, отличается от данных реального двигателя, имеющего скос пазов. Однако, как будет показано при разработке модернизируемойконструкции электродвигателя, можно получит хороший результат без скосапазов.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.В качестве нагрузки в пусковом режиме задается плотность тока в обмотке статора, амплитуда которой равнаJ1mр =I1 р ⋅ 2 ⋅ U п 0,053 ⋅ 2 ⋅ 1500== 3,55 ⋅ 106 А/м2 .−6Sп31,37 ⋅ 10(3.3)Результаты расчетов электромагнитного поля методом конечных элементов в режиме пуска покажем на рисунках 3.6 – 3.8.

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 14,94 ⋅10-3 Н ⋅ м.