Диссертация (Зубцовые зоны энергоэффективных трехфазных асинхронных микродвигателей с короткозамкнутым ротором), страница 9

Примем эту величину также, как базовое значения для целей дальнейшего анализа.73Рисунок 3.6 - Распределение магнитных силовых линий для решаемой задачи в пусковом режиме.Рисунок 3.7 - Средняя магнитная силовая линия для решаемой задачи впусковом режиме.74Bδ·10-1, Тлτ·10-2, мРисунок 3.8 - Форма кривой магнитной индукции на полюсном делениипри расчете пускового режима3.2 Совершенствование магнитопровода универсального асинхронногомикродвигателяПриступая к работе по модернизации асинхронного микродвигателяУАД-12, наметим последовательность такой работы.

Как было отмечено выше,аналитическая теория асинхронной машины в данном случае не может подсказать правильного направления, которого следует придерживаться, кроме того,что допустимые уровни магнитной индукции на участках магнитопроводадолжны соответствовать рекомендуемым значениям. Однако есть способ, которым долгие годы пользуются ученые физики, математики и энергетики. Применим некоторые основы теории подобия [22].Асинхронный микродвигатель, в части эффективности электромеханического преобразования энергии, должен быть подобен электродвигателям малойи средней мощностей.

Другое дело, что по объективным законам электротехники, коэффициент полезного действия со снижением полезной мощности на валу75уменьшается. Такое явление известно электромеханикам и является общепринятым [1,2,3,6,9,13]. В конструкции асинхронного двигателя УАД-12, проанализированной в предыдущем параграфе с позиций расчета электромагнитногополя, наблюдается существенное отличие в пропорциях пазовых частей магнитопровода статора и ротора от аналогичных пропорций электродвигателейбольшей мощности.

Если при этом брать во внимание аналитическую теориюасинхронной машины, то большие пазы магнитопроводов позволяют поместитьв них обмотки с меньшим активным сопротивлением. Но, если снижение коэффициента полезного действия с уменьшением мощности на валу – это объективная закономерность, то искусственное увеличение площади пазов, вероятно,не повышает, существенным образом, эффективность электромеханическогопреобразования энергии в асинхронных микродвигателях.Это предположение будет обоснованным, если, сохранив пропорции магнитопровода эффективных электродвигателей в микродвигателе, получим, либоувеличение электромагнитного момента вращения при той же МДС обмоткистатора, либо сохранение электромагнитного момента при меньшей МДС и, соответственно, меньшей потребляемой мощности.Данные рассуждения попробуем подкрепить предварительным анализомнекоторых расчетных соотношений, вытекающих из аналитической теорииасинхронной машины.

На рисунке 3.9 показана упрощенная круговаяа граммма асинхронной машины [2].Рассмотрим соотношения треугольника токов ОАА0 для двигателей разной мощности на валу: микродвигателя УАД-12 и, например, асинхронногодвигателя мощностью 7,5 кВт. Оценим, как изменятся пропорции треугольникатоков в электродвигателях, мощности которых разнятся в 5000 раз.Параметры схемы замещения электродвигателя УАД-12 приведены всправочнике под редакцией Э.А. Лодочникова [16], а электродвигателя мощностью 7,5 кВт – в справочнике под редакцией А.Э.

Кравчика [9].76АmU1В1двигатель0.80.71.0cos ϕ1А0.20.10.3Sϕ10В2Рмх=0I1I010А1(S=1,0)00.50.9А2 (S = ± ∞)А ʹ′mА0(S=0)O1В3 Рэм=0(М=0) DВ4В5Р =01генератор1.0Рисунок 3.9 – Круговая диаграмма асинхронной машины.На схеме замещения вектор ОА – это ток обмотки статора, а вектор А0А– приведенный ток обмотки ротора. Найдем отношения этих векторов в сравниваемых электродвигателях.Для электродвигателя УАД-12 параметры схемы замещения следующие:r1=1348 Ом; x1=328 Ом; r2′=972 Ом; x2′=775 Ом; Zm=4500 Ом (rm=385,6 Ом;xm=4483,4 Ом).Ток идеального холостого хода равенU"1127e j 90"I 0 === 0,0249e j19,81 A. (3.4)(r1 + rm ) + j ( x1 + xm ) (1348 + 385,6) + j (328 + 4483,4)0!Коэффициент мощности найдем из таблицы данных эксперимента [16]cos ϕ =P110,7== 0,51.m ⋅ U1 ⋅ I1 3 ⋅ 127 ⋅ 0,05577(3.5)Откуда угол φ =59,30.

Произведенные расчеты позволяют определитьугол треугольника токов при вершине О. Обозначим его как φ1 и определим.ϕ1 = 900 − 59,30 − 19,80 = 10,90.Две известных стороны треугольника и угол между ними позволяютнайти третью сторону. Опустим эти простейшие расчеты и приведем полученную величину приведенного тока ротора: !I'2' = 0,015 А.Найдем отношение тока статора к приведенному току ротора, а другимисловами, отношение стороны ОА треугольника тока к А0А.ОА 0,055== 3,67.А 0 А 0,015(3.6)Найдем аналогичное соотношение для двигателя серии 4А мощностью7,5 кВт. Вычисленное значение этого отношения будет равно 1,21. Из сравнения этих отношений следует вывод: увеличивать площадь паза ротора в микродвигателе мощностью 1,5 Вт по сравнению с пропорциями двигателя мощностью 7500 Вт не следует. По этой причине следует применить теорию подобияи уменьшить активные размеры эффективно работающего асинхронного двигателя малой мощности до габаритного размера листа статора микродвигателяУАД-12.

Или, другими словами, уменьшить площади пазов ротора и статора.Эскиз модернизируемого микродвигателя приведен на рисунке 3.10. Пазов на статоре оставим столько же (12), а на роторе число пазов принято равным 14. Считаем, что при таком соотношении чисел пазов можно будет можнобудет, как и в предыдущем разделе найти соотношение их площадей, повышающее эффективность электромеханического преобразования энергии. Площадьпаза статора, измеренная при вычерчивании эскиза модели равна 17,08 мм2.Площадь паза ротора уменьшилась еще в большей степени и равна 3,08 мм2.Попробуем сохранить плотности токов для номинального и пускового режимов. Результаты расчетов электромагнитного поля методом конечных элементов для номинального режима работы приведены на рисунках 3.11-3.13. Анализ78формы кривой магнитной индукции и сравнение ее с базовым электродвигателем (рисунок 3.4) показывает, что амплитуда индукции не уменьшилась, а форма ее стала больше похожа на синусоиду.Рисунок 3.10 – Геометрия модернизируемого электродвигателя.Рисунок 3.11 – Распределение магнитных силовых линий в номинальномрежиме модернизируемого микродвигателя.79Рисунок 3.12 – Средняя магнитная силовая линия для решаемой задачи вноминальном режиме.Bδ·10-1, Тлτ·10-2, мРисунок 3.13 – Форма кривой магнитной индукции на полюсном делениипри положении ротора относительно статора в соответствии с рисунком.

3.1080Расчет электромагнитного момента вращения, усредненный для ряда положений ротора относительно статора, дает величину 8,21⋅10-3 Н ⋅ м. Это на 2%меньше, чем в базовом электродвигателе. При дальнейшем анализе данный результат будет оценен. Подчеркнем, что частота скольжения принималась равной 4,5 Гц, как и в номинальном режиме базового электродвигателя. Электротехнические материалы имели аналогичные параметры. При сохраненнойплотности тока в пазу статора и резком уменьшении его площади этот результат следует признать весьма хорошим.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. Амплитуду плотности тока в пазу статора сохраним, каки в базовом варианте. Результаты расчетов приведем на рисунках 3.14-3.16.Рисунок 3.14 – Распределение магнитных силовых линий в пусковом режиме модернизируемого микродвигателя.81Рисунок 3.15 – Средняя магнитная силовая линия для решаемой задачи впусковом режиме.Bδ·10-1, Тлτ·10-2, мРисунок 3.16 – Форма кривой магнитной индукции на полюсном делениипри положении ротора относительно статора в соответствии с рисунком 3.10 вмомент пуска.82Электромагнитный момент вращений в режиме пуска, усредненный дляряда положений ротора относительно статора равен 18,81⋅10-3 Н ⋅ м.

Он возрос,несмотря на то, что результирующая МДС обмотки статора заметно уменьшилась.Сопоставим эффективность электромеханического преобразования энергии в модернизируемом микродвигателе по сравнению с базовым микродвигателем УАД-12. 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 3.17 и рис. 3.