автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Асинхронные исполнительные микродвигатели с распределенными параметрами ротора для устройств авиационного оборудования

Введение.

Глава Г АНАЛИЗ ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ ИНДУКЦИОННЫХ МИКРОМАШИН УСТРОЙСТВ АВТОМАТИКИ АВИАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

1.1. Классификация, эксплуатационные показатели и технические требования, предъявляемые к авиационным микромашинам с полым ротором.

1.2. Анализ методик расчета асинхронных микромашин с полым ротором.

1.2.1. Особенности физических процессов в асинхронных микромашинах с полым ротором.

1.2.2. Методы исследования машин с полым немагнитным ротором . 32 1.3 Основные направления развития теории-и применяемое на современном этапе алгоритмическое обеспечение для проектных расчетов индукционных микромашин.

1.4. Выводы и постановка задачи на исследование.

Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АСИНХРОННЫХ МАШИН С ПОЛЫМ РОТОРОМ.

2.1. Исходные допуш;ения.

2.2. Уравнения напряжений идеализированной машины.

2.3. Метод анализа электромагнитных процессов.

2.4. Схема электрических цепей с сосредоточенными параметрами

2.5. Выводы.

Главл 3. УТОЧНЕННАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА МАШИН С ПОЛЫМ

РОТОРОМ.

3.1. Подход к решению задачи распределения плотности вихревых токов в материале полого ротора. Система основных допущений.

3.2. Закон распределения токов в полом роторе. Основные выражения для расчёта рабочих характеристик.

3.3. .Расчёт параметров уточнённой схемы замещения.

3.4. Выводы.

Глава 4. МЕТОДЖА И РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА МАШИН С ПОЛЫМ РОТОРОМ.

4.1. Методика и программы поверочного расчета микродвигателя

4.2. Зависимости, полученные в результате расчёта: их вид и физический смысл.

4.3. Определение рациональных соотношений между конструктивными размерами на основе результатов расчета.

4.4. Выводы.

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

5.1 Методика испытаний исполнительных асинхронных микродвигателей с полым ротором.

5.2 Характеристики микродвигателей с полым ротором.

Малогабаритные двухфазные асинхронные двигатели с полым немагнитным ротором ДИД-0,1ТА, обладающие высоким быстродействием, использутются в системе вращающихся подшипников гироагрегата точной курсовой системы; микродвигатели ДИД-0,5, ДИД-0,5ТА применяются в узлах согласования гироагрегата гироиндукционного компаса и стабилизации гироузла по крену, а также в коррекционном механизме гироагрегата курсовой системы; микродвигатели ДИД-0,5, а также асинхронные тахогенераторы с полым ротором ДГ-0,5, ДГ-1 применяются в составе исполнительных приводов в каналах крена и тангажа дистанционных авиагоризонтов; микродвигатели ДИД-0,6 применяются в узлах широтной коррекции, реверса, в системе стабилизации по крену гироагрегата точной курсовой системы и т.д.

Основное требование к асинхронным исполнительным микродвигателям ЛА - при снятии управляющего сигнала ротор должен остановиться без применения тормозящих устройств (т.е. должен отсутствовать самоход). Данное требование сводится к обеспечению высокой степени линейности механической характеристики. Ещё одним важным требованием является обеспечение возможно меньшей нелинейности регулировочных характеристик.

А Последнее необходимо для обеспечения высокой точности отработки сигналов управления в сл5Д1ае применения микромашин данного типа в составе регулируемых приводов. Поскольку для микродвигателей с полым ротором кпд составляет (8-Л20)%, повышение энергетических параметров также является одной из первостепенных задач.

Применение новых материалов полого ротора, а именно: железомедных сплавов с различным процентным содержанием меди, по сравнению с серийной машиной с немагнитным ротором, позволяет повлиять на величину критического скольжения (т.е. на линейность механической характеристики) за счёт повышения активной составляющей сопротивления ротора, обеспечить более высокий коэффициент линейности регулировочной характеристики за счёт введения нелинейной зависимости сопротивления полого ротора от частоты перемагничивания, электрической проводимости и магнитной проницаемости его материала, а также повысить удельные энергетические показатели двигателя за счёт применения сплава с вполне определённым соотношением между электрической проводимостью и магнитной проницаемостью, позволяющим увеличить процентную долю активной составляющей тока ротора в интервале частот (400Л1200 Гц).

Особенно важно знать, какой именно сплав для данного серийно выпускаемого микродвигателя позволяет обеспечить рациональное соотношение между коэффициентами нелинейности механической и регулировочной характеристик, энергетическим фактором и постоянной времени.

Изложенные факты определяют значительный научный и практический интерес к асинхронным исполнительным микродвигателям с полым ротором из железомедных сплавов и актуальность исследований, направленных на разработку уточнённых методик расчёта, позволяющих определять рациональное соотношение между процентным содержанием железа и меди сплава ротора по известной для серийного микродвигателя совокупности геометрических размеров и обмоточных данных с целью обеспечения заданных

U "I "I U U U значений коэффициентов нелинейности механической и регулировочной характеристик, а также энергетического фактора и пусковых свойств, а также количественное исследование этого вопроса.

Тема диссертации сформулирована в рамках исследований по электромеханическим элементам роботов (НИР № 06/96) в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ ВГТУ.

Цель работы:

Основной целью диссертации является создание уточненной методики расчета асинхронных микромашин с полым ротором из железомедного сплава с улучшенными пусковыми, регулировочными и энергетическими показателями для автоматических систем авиационного оборудования летательных аппаратов.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи: Определены структура и параметры уточненных схем замещения асинхронных микромашин с алюминиевым, железомедным и стальным полым ротором.

2. Получены аналитические выражения для расчёта составляющих сопротивления полого ротора из ферромагнитного и немагнитного материалов с учётом изменения магнитной проницаемости по глубине проникновения плоской электромагнитной волны в материал полого ротора, а также потерь на вихревые токи и гистерезис, и растекания "лобовых" участков контуров вихревых токов гильзы ротора в область активной длины машины.

3. Разработаны методика поверочного расчета и алгоритм расчета на ЭВМ асинхронных микромашин летательных аппаратов.

4. С целью проверки основных теоретических положений работы созданы опытные образцы асинхронных микродвигателей с железомедным и стальным полым ротором и проведены их экспериментальные исследования, на основе которых выработаны научно обоснованные рекомендации по проектированию.

Методика проведения исследований Исследования электромагнитных процессов в асинхронных микромашинах вьшолнены на базе теории цепей с сосредоточенными параметрами, которые получены на основе методов суперпозиции и симметричных составляюш;их, принципов наложения и взаимности, а также при помощи аналитических методов расчета токораспределения в материале полого ротора с 5Д1етом двумерного растекания вихревых токов и затухания плоской электромагнитной волны в ферромагнитном материале гильзы полого ротора. Теоретические положения проверялись путем сопоставления результатов расчета с данными экспериментальных исследований.

Научная новизна

1. Получены аналитические выражения для расчёта составляющих сопротивления полого ротора из ферромагнитного и немагнитного материалов с учётом "толщинного" и "поперечного" эффектов.

2. На основе моделей асинхронных микромашин, полученных при помощи теории цепей, разработаны единая методика и алгоритм, а также программа расчета на ЭВМ, позволяющие проводить сравнительное расчетно-теоретическое исследование влияния свойств материала ротора на энергетические показатели, а также механические и пусковые характеристики двухфазных микродвигателей.

3. Выработаны рекомендации но проектированию асинхронных микромашин с различными конструкциями полого ротора для летательных аппаратов.

Основные положения, представляемые к защите 1. Полная схема замещения симметричной асинхронной микромашины с полым ротором и выражения, определяющие связь напряжений первичных обмоток и токов полого ротора с параметрами схемы замещения.

2. Выражения для параметров ротора с учетом изменения магнитной проницаемости по глубине проникновения плоской электромагнитной волны в материал полого ротора.

3. Результаты решения уравнений поля для полого ротора и выражение для расчёта параметров схемы замещения двигателя.

4. Методика и алгоритм программы расчёта на ЭВМ двухфазных асинхронных микродвигателей с полым немагнитным и ферромагнитным ротором.

5. Результаты расчёта влияния основных конструкционных размеров и пфаметров на энергетические показатели и коэффициенты нелинейности механической и регулировочной характфйстик двигателя и рекомендации по проектированию.

Пракшческая ценность работы

1. Разработан алгоритм программы поверочного расчета асинхронных двигатшей с ппфокой гаммой конструкций целого ротора Цюграмма можт наши граюическое трименение в качестве составной части САПР асинхронных машин. Црограмма позволяет в диалогоюм режиме ставил, численные Э1«:пфимешы, т.е. исследовазъ влияние конструЕонвных размдюв и пфаметров, атакже свойств магфиалов на:?аракгеристики двигателей.

2. Созданы опытные образцы асинхронных микродвигателей с железомедным и стальным полым ротором, установка для проведения экспериментальных исследований, определены характеристики двигателей, а также выработаны рекомендации по проектированию.

Апробация работы

Диссертационная работа обсуждалась и получила одобрение на заседании кафедры "Робототехнические системы" Воронежского государственного технического университета. Материалы работы рассматривались на III Международной электронной научной конференции 1998 г. , на Всероссийской научной конференции (Воронежский ВАИИ, 28-29 октября 1999).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 7 работ.

Реализация результатов работы

Результаты работы внедрены в НИИПМ и в учебный процесс ВВАИИ. Внедрение результатов диссертации подтверждено соответствующими актами. Акты о внедрении представлены в приложениях 2, 3.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и содержит 152 страницы основного текста, 47 рисунков, 2 таблицы, список литературы из 122 наименований и 3 приложений. Общий объем работы составляет 184 страницы.

Результаты работы получили внедрение в учебном процессе на кафедре зап],итных сооружений в курсе лекций по дисциплинам «Электрические машины и аппараты» и «Автоматизация технических систем», при курсовом проектировании по дисциплине «Электрические машины и аппараты».

Начальник кафедры защитных ссюружений, кандидат техничесллаул'/ лл,„д1 октября 2001 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обобщая результаты проведенных исследований, можно сформулировать следующие основные выводы:

Если основным является требование линейности механических и регулировочных характеристик двигателя во всем диапазоне скоростей и коэффициентов сигнала, то выполнить его можно путем повышения сопротивления ротора. При этом, однако, использование машины резко снижается, и если учесть еще, что оно является и без того низким из-за повышения намагничивающего тока, то становится ясным, что совместное влияние этих двух факторов может привести к нерациональной конструкции. Компромисс возможен за счёт изготовления полого ротора из железомедного сплава с рациональным соотношением железа и меди для конкретной электрической машины. Вместе с тем, так как глубина проникновения электромагнитной волны в ротор весьма мала, особенно на скольжениях, близких к единице, приведенное активное сопротивление такого ротора оказывается достаточно большим для получения высокой линейности регулирования. В силу зависимости параметров ротора от скорости вращения, регулировочные характеристики также приобретают линейный характер в достаточно широком диапазоне нагрузок и коэффициентов сигнала.

Недостатками двигателя с полым железомедным ротором являются некоторое увеличение момента инерции и чувствительность к неравномерности воздушного зазора (при относительно небольшом эксцентриситете за счёт действия нескомпенсированных сил одностороннего магнитного притяжения может произойти прилипание ротора).