На правах рукописи
ФИЛОНОВ Сергей Александрович
ПОИСК РАЦИОНАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ИССЛЕДОВАНИЕ
АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
С МАССИВНЫМ ЗУБЧАТЫМ РОТОРОМ
Специальность 05.09.01 – Электромеханика
и электрические аппараты
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Воронеж – 2010
Работа выполнена в НОУ ВПО “Международный институт компьютерных технологий” (г. Воронеж)
Научный руководитель | доктор технических наук, доцент |
Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор ; кандидат технических наук, доцент |
Ведущая организация | ЗАО “Научно – исследовательский институт механотронных технологий – Альфа – научный центр” (г. Воронеж) |
Защита состоится «29» июня 2010 г. в 1000 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.09 ГОУ ВПО “Воронежский государственный технический университет” г. Воронеж, Московский просп., 14.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО “Воронежский государственный технический университет”.
Автореферат разослан «28 » мая 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Выделение среди всего многообразия асинхронных машин отдельного типа двигателей с массивным зубчатым ротором (МЗР) связано с наличием у них ряда принципиальных особенностей. В двигателях с массивным ротором диапазон всех механических характеристик, которые могут быть получены при управлении, приближен к максимально возможному теоретически. При этом использование зубцов на массивном роторе позволяет уменьшить активную составляющую сопротивления вторичной цепи машины, а также резко снизить влияние поперечного краевого эффекта, то есть увеличить коэффициент мощности и КПД двигателя. В установках с частыми пусками, реверсами и торможениями применение асинхронных двигателей (АД) с МЗР позволяет повысить КПД и надежность работы привода в целом, улучшить условия работы пусковой аппаратуры, уменьшить влияние пусковых токов на сеть.
Главной отличительной особенностью двигателей с МЗР является сложный характер распределения параметров электромагнитного поля во вторичной цепи, что связано с затуханием электромагнитной волны в ферромагнитном полупространстве (поверхностным эффектом). При этом магнитная проницаемость нелинейно изменяется по глубине проникновения электромагнитной волны в массив.
Первоочередной задачей теоретического исследования асинхронных двигателей с МЗР является создание единой теоретической базы, позволяющей проводить количественный анализ характеристик машин в широком интервале изменения режимных и конструктивных параметров (например, частоты перемагничивания, соотношения высоты и ширины паза ротора и т. д.). Решение данной задачи возможно при условии создания конкурентоспособной методики расчета АД с МЗР, обеспечивающей преемственность моделей, используемых для расчетов, в том числе полученных численными методами анализа магнитных систем. Сочетание аналитических и численных методов расчёта за счёт увеличения доли аналитической переработки выходных данных и обеспечения возможности вести направленный поиск рациональной конструкции электрической машины даёт возможность сократить время проектирования.
В настоящее время, учитывая тенденцию создания объектно-ориентированных электромеханических систем, имеется значительный практический и научный интерес к АД с МЗР, что определяет актуальность исследований, связанных с разработкой таких машин с улучшенными энергетическими показателями при разных вариантах конструктивной реализации вторичной цепи.
Тематика диссертационного исследования соответствует одному из основных научных направлений НОУ ВПО “Международный институт компьютерных технологий” – “Разработка объектно – ориентированных электромеханических преобразователей энергии с повышенными энергетическими показателями.“
Цель и задачи исследования
Целью диссертации является получение аналитических выражений для определения основных параметров ротора, разработка конечно-элементных моделей асинхронных двигателей с двухслойным и с железомедным зубчатыми роторами, создание уточнённой методики электромагнитного расчета и экспериментальная проверка теоретических положений на опытных образцах.
В соответствии с указанной целью в работе поставлены и решены следующие основные задачи:
1. Получено аналитическое решение для распределения напряженностей электрического и магнитного полей в массивном зубчатом роторе.
2. Получены выражения для расчёта электрических и магнитных сопротивлений активных областей массивных зубчатых роторов.
3. Разработана методика расчета электромагнитного поля асинхронных двигателей с массивным зубчатым ротором.
4. Созданы опытные образцы асинхронных двигателей с массивным зубчатым ротором с целью проверки основных теоретических положений работы.
5. Проведены экспериментальные исследования, на основе которых выработаны научно обоснованные рекомендации по проектированию асинхронных двигателей с массивным зубчатым ротором.
Методы исследований
Исследования проводились с помощью уравнений математической физики, теории электромагнитного поля, электрических машин и цепей. Для аналитического моделирования электромагнитных процессов в дискретных областях массивного зубчатого ротора использовались классические методы решения дифференциальных уравнений, а также гармонического анализа. Для анализа электромагнитного поля в различных конструкциях АД с МЗР использовался конечно-элементный метод решения линейных и нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных в двумерной постановке, а также итерационные методы решения систем алгебраических уравнений. В качестве прикладного программного средства анализа полей применялся пакет конечно-элементного анализа ANSYS компании ANSYS, Inc., а для создания геометрических моделей и импорта их в ANSYS – пакет КОМПАС. Для управления экспериментальной установкой, предназначенной для испытания опытного образца, использовался инструмент визуального моделирования Simulink в среде ПО MATLAB.
Достоверность результатов и выводов диссертации подтверждается сравнением результатов, полученных с использованием методов математического моделирования, и путем проведения экспериментальных исследований опытного образца.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Получены аналитические выражения, позволяющие рассчитать распределение напряжённостей электрического и магнитного полей в зубцовой зоне массивного ротора с учётом рассеяния магнитного потока в паз, а также распределения плотности вихревых токов на участке токопроводящей перемычки аналога беличьей клетки ротора с учетом дифференциального рассеяния в зазоре.
2. Определены составляющие магнитного и электрического сопротивления участков массивного зубчатого ротора с учётом поверхностного и поперечного эффектов в стенках пазов массива, непостоянства значений магнитной проницаемости на поверхности этих участков вдоль полюсного деления, потерь в массиве на вихревые токи и гистерезис, рассеяния магнитного потока в паз, а также составляющие магнитного и электрического сопротивления участка токопроводящей поверхности перемычки двухслойного зубчатого ротора с учетом влияния потоков рассеяния, охватывающих лобовые части нитей тока.
3. Получены новые конечно-элементные модели асинхронных двигателей с двухслойным и с железомедным зубчатыми роторами, для которых определены необходимые граничные условия и типы конечных элементов. На основе данных моделей выполнен расчёт электромагнитного поля и получены выходные характеристики.
4. Разработаны основы методики расчета асинхронных двигателей с массивным зубчатым ротором, сочетающей численный и аналитический методы расчёта и позволяющей за счёт увеличения доли аналитической переработки выходных данных обеспечить возможность вести направленный поиск рациональной конструкции электрической машины, сократив тем самым время проектирования.
Практическая значимость работы
1. Определены эффективные с точки зрения энергетики конструкции асинхронных двигателей с массивным зубчатым ротором.
2. Изготовлены опытные образцы асинхронных двигателей с железомедным зубчатым ротором, создана база для проведения экспериментальных исследований, определены характеристики двигателей в стационарных режимах работы.
3. Выработаны научно обоснованные рекомендации по проектированию АД с массивным зубчатым ротором, направленные на повышение эксплуатационных и энергетических показателей и позволяющие исходя из электромагнитных нагрузок, а также механических характеристик определять совокупности конструктивных размеров двигателей и параметров массивного зубчатого ротора, обеспечивающие требования технического задания.
Реализация результатов работы
Результаты работы использованы в проектных работах конструкторского бюро мехатронных систем Научно - технического центра НОУ ВПО “Международный институт компьютерных технологий” при разработке привода опорно – поворотного устройства на базе асинхронного двигателя с массивным зубчатым ротором для ОАО “Концерн “Созвездие”, г. Воронеж, а также внедрены в учебный процесс на кафедре электротехники и автоматики ФГОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени ». Внедрение результатов диссертации в проектные работы и в учебный процесс подтверждено соответствующими актами.
Апробация работы
Диссертационная работа обсуждалась и получила одобрение на заседании кафедры “Электроэнергетика” НОУ ВПО “Международный институт компьютерных технологий”. Материалы работы рассматривались на региональной научно-технической конференции “Автоматизация и роботизация технологических процессов” (Воронеж, 2008), Всероссийской студенческой научно-технической конференции “Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники. Инженерные идеи ХХI века” (Воронеж, 2009), а также на Всероссийской конференции “Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве” (Воронеж, 2009).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 1 – в издании, рекомендованном ВАК РФ.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведённых в конце автореферата, лично соискателем получены математические модели, проведены и обработаны результаты расчётов [1]; произведён вывод уравнений, выполнен анализ результатов [2, 3]; разработаны конструкции асинхронных двигателей с токопроводящим слоем ротора [4, 6]; определены требования к электромеханической части, рассмотрены режимы работы, разработаны методики электромагнитного расчёта и экспериментальных исследований [5, 7].
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 115 наименований и двух приложений. Основная часть работы изложена на 127 страницах и содержит 55 рисунков.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, показана структура диссертации, отмечены научная новизна и практическая ценность результатов проведенных исследований.
В первой главе даны общая характеристика, классификация и задачи теоретического исследования АД с МЗР, приведен обзор истории развития и современное состояние методов исследования АД с МЗР. Приведена предложенная автором классификация основных существующих конструкций АД с МЗР. Различаются следующие конструкции.
Первой, которую можно считать базовой, является конструкция с ферромагнитным массивным зубчатым магнитопроводом, на котором может быть установлена короткозамкнутая стержневая обмотка с торцевыми короткозамыкающими кольцами типа “беличья клетка”.
Во второй конструкции на шихтованном зубчатом магнитопроводе установлена короткозамкнутая обмотка в виде втулки из железомедного сплава с внутренними зубцами и торцевыми короткозамыкающими кольцами. Эту конструкцию предложено называть двухслойным зубчатым ротором (ДЗР).
В третьей конструкции в качестве материала зубчатого массивного магнитопровода применён железомедный сплав. Втулка из этого сплава насаживается непосредственно на вал. На втулке выполняются продольные прорези. Такую конструкцию предложено называть железомедным зубчатым ротором (ЖМЗР). Статоры всех перечисленных конструкций подобны статорам асинхронных двигателей единых серий.
Сделан вывод о том, что в литературе недостаточно освещены вопросы, связанные с теорией и рекомендациями по проектированию и применению указанных конструкций АД с МЗР. Указано на необходимость формирования единого подхода к проектированию АД с МЗР, имеющих принципиальное сходство особенностей электромагнитных процессов во вторичной цепи.
Во второй главе содержатся результаты аналитического моделирования электромагнитных процессов в зубцовой зоне массивного ротора. На основании полученных выражений для распределения составляющих напряжённостей электрического 
и магнитного 
полей на зубцовом делении выведен критерий оптимизации магнитной цепи, который записан в виде соотношения, количественно определяющего магнитные параметры зубчатого ферромагнитного массива. Данный критерий использован для нахождения рациональных интервалов изменения конструктивных параметров АД с массивным зубчатым ротором при проведении электромагнитного расчёта методом конечных элементов.
Выразив магнитное сопротивление стенок паза в направлении оси Y в функции удельного магнитного сопротивления Z(1), а также применив закон полного тока, на основании второго уравнения Максвелла и закона электромагнитной индукции в результате решения уравнения Гельмгольца для напряженности магнитного поля для граничных условий, физический смысл которых состоит в том, что магнитный поток в зубцовой зоне массивного ротора ввиду наличия узких высоких пазов замыкается через зазор между их боковыми стенками, для расчёта магнитных и электрических параметров зубчатого ферромагнитного массива получены следующие выражения:
материалы конференций
2. Филонов электромагнитного поля на зубцовом делении в эквивалентном стержне короткозамкнутого ротора из железомедного сплава / // Автоматизация и роботизация технологических процессов: труды науч.-техн. конф. – Воронеж: ВГТУ, 2008. С. 100 – 104.
3. Филонов решение задач электромагнитного поля / , // Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники. Инженерные идеи ХХI века: труды Всерос. студенческой науч.-техн. конф. – Воронеж: ВГТУ, 2009. С. 35 – 36.
4. Филонов и математический аппарат анализа двигателя с двухслойным зубчатым ротором / , // Электротехнические комплексы и системы управления. 2009. № 3. С.
5. Анненков моделирование и оптимизация асинхронного двигателя с двухслойным зубчатым ротором / , , // Электротехнические комплексы и системы управления. 2009. № 1. С.
6. Анненков двигатели с улучшенными пусковыми свойствами на основе использования в конструкции зубчатого ротора железомедных сплавов / , , // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве: труды Всерос. конф. – Воронеж: ВГТУ, 2009. С.
7. Филонов опытного образца асинхронного двигателя с железомедным зубчатым ротором / , // Электротехнические комплексы и системы управления. 2009. № 4. С.
Подписано в печать 27.05.2010.
Формат 60х84/16. Бумага для множительных аппаратов.
Усл. печ. л. 1,0 Тираж 85 экз. Заказ № ____
ГОУ ВПО “Воронежский государственный технический университет”
394026 Воронеж, Московский просп., 14
