автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Исследование асинхронных двигателей с экранированными полюсами с целью совершенствования конструкции

Воронежский государственный технический университет

КОРОБОВ Геннадий Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ЭКРАНИРОВАННЫМИ ПОЛЮСАМИ С ЦЕЛЬЮ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ

Специальность 05.09.01 Электромеханика

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Научный руководитель -заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Е. В. Кононенко

Воронеж 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение............................................................................................................4

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...............................................................................10

1.1. Область применения и конструкции однофазных асинхронных двигателей с экранированными полюсами........................................................10

1.2. Асинхронные двигатели с экранированными полюсами, выпускаемые отечественной промышленностью и за рубежом......................16

1.3. Краткий обзор теории и методов расчёта.........................................21

Выводы и постановка задачи.....................................................................35

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МИКРОЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ .... 37

2.1. Основные допущения..........................................................................37

2.2. Математическая модель магнитного поля в воздушном зазоре.....38

2.3. Схема замещения магнитной цепи....................................................47

2.4.лАнализ работы АДЭ............................................................................49

2.4.1. Математическая модель микродвигателя..................................49

2.4.2. Расчёт рабочих характеристик....................................................57

2.4.3. Инженерная методика расчёта пускового момента..................60

Выводы.........................................................................................................64

3. ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИКРОДВИГАТЕЛЯ..........66

3.1. Целевые функции оптимизации и ограничения на них...................66

3.1.1. Формулировка задачи оптимального проектирования.............66

3.1.2. Определение целевой функции оптимизации методом планирования эксперимента............................................................................70

3.1.3. Ограничения, налагаемые на параметры...................................78

3.2. Оптимизация конструкции двигателей с экранированными полюсами...............................................................................................................80

3.2.1. Выбор и обоснование метода решения задачи оптимизации .. 80

3.2.2. Методика и алгоритм оптимизации двигателя..........................81

Выводы.........................................................................................................85

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ......................................87

4.1. Определение параметров микродвигателя........................................87

4.2. Определение комплексных характеристик намагничивания по действующим значениям величин......................................................................95

4.3. Исследование магнитного поля в воздушном зазоре двигателя.....99

4.4. Исследование влияния параметров на рабочие характеристики двигателя..............................................................................................................101

4.5. Рекомендации по проектированию..................................................106

Выводы.......................................................................................................107

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................................108

ЛИТЕРАТУРА...............................................................................................110

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Программа расчёта характеристик двигателя с

экранированными полюсами.............................................................................123

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Программа расчёта коэффициентов при планировании

эксперимента.......................................................................................................128

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Программа перехода от кодированных значений

факторов к реальным..........................................................................................135

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Программа оптимизации АДЭ....................................138

ПРИЛОЖЕНИЕ 5 Справка о внедрении....................................................146

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В последние годы наблюдается заметный рост интереса к электродвигателям переменного тока малой мощности. Это объясняется, во-первых, простотой и технологичностью конструкции этих машин, во-вторых, их высокой надёжностью и, в - третьих, всё расширяющейся областью их применения в быту и промышленности.

Основную долю среди микроэлектродвигателей переменного тока занимают однофазные явноплюсные асинхронные двигатели. Типичными представителями машин этого класса являются асинхронные электродвигатели с экранированными полюсами (АДЭ), асинхронные электродвигатели с аксиальным смещением полюсов (АДАС), асинхронные электродвигатели с асимметричным магнитопроводом статора (АДА). Наиболее весомую часть среди перечисленных составляют асинхронные электродвигатели с экранированными полюсами, имеющие наибольший пусковой момент в сравнении с асинхронными электродвигателями с аксиальным смещением полюсов и асинхронными электродвигателями с асимметричным магнитопроводом статора, в то время, как другие технико-экономические показатели отличаются незначительно. Как правило, такие двигатели выполняют с сосредоточенной обмоткой на статоре. Эта особенность конструкции - причина магнитной и электрической асимметрии. Очевидно, что в воздушном зазоре электродвигателя присутствует широкий спектр высших пространственных гармоник индукции со значительными амплитудами. Каждой гармоникой создаётся электромагнитный момент. В зависимости от амплитуды магнитной индукции высших пространственных гармоник результирующий электромагнитный момент отличается от момента, обусловленного первой пространственной гармоникой. Особенно сильное влияние оказывают третья и пятая пространственные гармоники [111,118]. Вот почему одной из основных задач, решаемых при разработке конструкции АДЭ, является задача уменьшения составляющих момента, обусловленных высшими

гармониками магнитного поля, в кривой момента, улучшение пусковых свойств двигателя.

Сложный и неоднородный состав магнитного поля в воздушном зазоре объясняет низкие технико-экономические показатели машины. Показатели трёхфазного асинхронного двигателя (АД) с распределённой обмоткой на статоре, выполненного в тех же габаритах, гораздо лучше (краткость пускового момента 3-х фазного АД в 2-3 раза выше, а коэффициент полезного действия в 2-2,5 раза больше и т. д.). Однако, наряду с недостатками, асинхронные двигатели с экранированными полюсами имеют и неоспоримые достоинства, основные из которых - надёжность и низкая стоимость. Именно достоинства определяют неизменный интерес к этим машинам и заставляют исследователей искать способы, позволяющие улучшить их эксплуатационные свойства и энергетические показатели.

В последние годы теория АДЭ развивается весьма интенсивно, и хотя многие вопросы разработаны очень подробно, нельзя не отметить, что математический аппарат, применяемый для описания процессов, громоздкий, а модели, используемые для анализа работы, не наглядны. Следовательно, анализ однофазных асинхронных двигателей с целью совершенствования конструкции и повышения технико-экономических показателей является актуальным.

Цель работы. Основной целью диссертации является создание математической модели, методов расчёта основных характеристик и оптимизации конструктивных параметров, а также разработка рекомендаций по проектированию АДЭ.

Методы исследований. Исследования проводились с помощью аналитических и экспериментальных методов. Магнитное поле в воздушном зазоре АДЭ исследовано численными методами с помощью ЭВМ на основе алгоритма, разработанного на базе метода схем замещения с комплексными магнитными сопротивлениями. Зависимость потерь в стали от магнитной индукции учтена при помощи комплексных характеристик намагничивания

(КХН) ферромагнитных материалов. При создании математической модели совместно использовались метод двух реакций, метод симметричных составляющих и принцип наложения. Задача оптимального проектирования АДЭ решена с использованием аппарата теории математического программирования.

Научная новизна. Разработана математическая модель однофазного асинхронного двигателя с экранированными полюсами для исследования двигательного режима работы.

Учёт короткозамкнутого витка при анализе работы производится введением дополнительных составляющих в систему линейных уравнений, описывающих потокораспределение.

Предлагается схема замещения магнитной цепи для расчёта магнитных потоков в воздушном зазоре, а, соответственно, и гармонического состава поля.

Исследовано влияние конструктивных параметров на характеристики двигателя, показано, что для оптимизации микродвигателя удобно использовать метод штрафных функций. Даны рекомендации по проектированию АДЭ.

Основные положения, представляемые к защите:

1. Математическая модель однофазного асинхронного двигателя с экранированными полюсами, позволяющая исследовать двигательный режим работы и влияние конструктивных параметров на характеристики машины.

2. Схема замещения магнитной цепи для расчёта магнитных потоков в воздушном зазоре двигателя.

3. Методика расчёта на ЭВМ магнитного поля в воздушном зазоре двигателя.

4. Методика расчёта рабочих характеристик.

5. Результаты оптимизации микроэлектродвигателя методом штрафной функции и рекомендации по проектированию.

6. Методика построения комплексных характеристик намагничивания ферромагнетиков по действующим значениям величин.

Практическая ценность работы. Разработана методика расчёта магнитного поля в воздушном зазоре и рабочих характеристик однофазного двигателя с экранированными полюсами. Методика реализована в виде программы расчёта рабочих характеристик на ЭВМ, которую можно включать в систему автоматизированного проектирования (САПР) однофазного АДЭ.

Проведён анализ влияния конструктивных параметров статора на работу в двигательном режиме и разработана методика оптимизации микродвигателя.

Полученные результаты позволяют:

- уже на стадии проектирования судить о форме магнитного поля в воздушном зазоре;

- выбрать параметры двигателя такими, чтобы уменьшить, а если возможно, и исключить из механической характеристики микродвигателя составляющие момента, обусловленные высшими пространственными гармониками магнитного поля;

- целенаправленно влиять на конструкцию двигателя, добиваясь необходимых соотношений его параметров.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведённых в работе, внедрены в ТОО ЭМПИ.

Апробация работы. Диссертационная работа обсуждалась и получила одобрение на заседании кафедры электромеханических систем и электроснабжения Воронежского государственного технического университета.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на научных конференциях Воронежского государственного технического университета (г. Воронеж 1996-1998 г.г.), на международной научно практической конференции, посвящённой памяти академика В. П. Горячкина (г. Москва, 1998 г.), на ежегодной научно - практической конференции студентов и аспирантов вузов России "Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве" (г. Москва, 1998 г.).

Основное содержание работы опубликовано в 5-ти печатных работах.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка литературы и приложений.

Во введении обоснована актуальность исследований и сформулирована цель работы.

В первом разделе выполнен анализ существующих конструкций АДЭ. Рассмотрены двигатели, выпускаемые как в России, так и за рубежом, область их применения. Приведён краткий обзор теоретических и экспериментальных исследований, посвящённых работе и оптимизации асинхронных двигателей с экранированными полюсами. На основе анализа литературных источников сделаны выводы о целесообразности исследований, направленных на создание математической модели АДЭ, которая просто и адекватно опишет процессы в двигателе, и исследований по оптимизации конструктивных параметров машины. Сформулированы основные задачи исследования.

Во втором разделе выведены уравнения, описывающие магнитное поле в воздушном зазоре машины при заторможенном роторе, и приведены уравнения, описывающие работу машины. Предлагается схема замещения для расчёта комплексов рабочих потоков в воздушном зазоре. Показан и обоснован способ перехода от реального АДЭ к эквивалентному двухфазному АД. Предлагаются методики расчёта механической и рабочих характеристик асинхронного двигателя с экранированными полюсами, а также инженерная методика расчёта пускового момента.

В третьем разделе исследуется влияние геометрии шунтов статора на рабочие характеристики микродвигателя. Предлагается методика оптимального проектирования асинхронных двигателей с экранированными полюсами, основанная на методе штрафной функции.

В четвёртом разделе приведены данные экспериментальных исследований промышленных образцов АДЭ, которые сопоставлялись с результатами расчётов. Предлагается метод определения индуктивных и

активных сопротивлений асинхронных микродвигателей с экранированными полюсами и метод построения комплексных характеристик намагничивания ферромагнетиков по действующим значениям величин. Даются рекомендации по выбору параметров шунтов при проектировании.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты, полученные в работе.

В приложении приведены программы расчёта характеристик АДЭ, программа расчёта коэффициентов при планировании эксперимента, программа перехода от кодированных значений факторов к реальным, программа оптимизации микродвигателя и справка о внедрении.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Область применения и конструкции однофазных асинхронных двигателей с экранированными полюсами

Однофазные асинхронные электродвигатели с экранированными полюсами - самые распространенные однофазные электродвигатели малой мощности. С конца 19 века их используют в однофазном силовом электроприводе. В последние годы АДЭ находят все более широкое

применение в различной аппаратуре, где основным требованием к машине

«

является надёжность. Они используются в бытовой аппаратуре, в приборах микроклимата, в устройствах охлаждения узлов и механизмов электронно-вычислительных машин, видеомагнитофонов и т. д.

Довольно широкому использованию АДЭ в различных отраслях техники, кроме надёжности, способствуют такие их положительные свойства, как:

- простота и технологичность конструкции;

- бесконтактность и отсутствие радиопомех;

- способность работать в повторно-коротковременном режиме;

- низкая стоимость.

Вот почему потребность в машинах этого типа неуклонно растёт. В России, среди большого количества выпускаемых микромашин, асинхронные двигатели с экранированными полюсами составляют весомую часть. Эта тенденция характерна не только для нашей страны, но и для мирового электромашиностроения. Выпуск АДЭ в высокоразвитых странах составляет 20-30 % от общего выпуска асинхронных двигателей малой мощности.

Различные области применения, а также поиск путей улучшения энергетических показателей - причина разнообразия исполнений этих машин. Обычно АДЭ выполняются на мощности до 200 Вт. Отечественной промышленностью серийно выпускаются как односкоростные, так и многоскоростные двигатели.

Первый электродвигатель с экранированными полюсами был предложен американским изобретателем Шелленбургом в 1887 году, который накоротко замкнул одну из обмоток статора двухобмоточного асинхронного двигателя. В том же году немецким инженером Хазельвандером и русским изобретателем Доливо-Добровольским была предложена конструкция ротора с короткозамкнутой обмоткой, типа "беличья клетка", что существенно упростило конструкцию асинхронных двигателей. Более чем за век развития было предложено большое разнообразие исполнений асинхронных двигателей с экранированными полюсами, преследующих цель - улучшение выходных характеристик или же создание конструкций, приспособленных к работам в специальных режимах (многоскоростные, реверсивные и др.).

По конструктивному исполнению асинхронные двигатели с экранированными полюсами делят на двигатели с несимметричным расположением главной статорной обмотки (рис. 1.1) и с симметричным расположением главной статорной обмотки (рис.1.2).

Двигатель с несимметрично расположенной главной статорной обмоткой имеет значительное рассеяние магнитного потока во внешней магнитной цепи [111], вследствие чего его КПД не превышает 10-15%, и такие двигатели изготавливаются до 10 Вт.

С точки зрения технологичности двигатель с симметрично расположенной главной обмоткой является более сложным. В двигателях от 10 до 50 Вт используется составной статор. Ввиду того что полюсы двигателя охвачены ярмом и обмотки расположены внутри магнитной системы, магнитные потоки рассеяния здесь значительно меньше, чем в предыдущей конструкции. КПД двигателя составляет 15-25%. В двигателях