автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Моделирование и алгоритмизация в проектировании асинхронных двигателей с гладким массивным ротором

На правах рукописи

СЛЕПОКУРОВ Юрий Сергеевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ И АЛГОРИТМИЗАЦИЯ В ПРОЕКТИРОВАНИИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ГЛАДКИМ МАССИВНЫМ РОТОРОМ

Специальность 05. 09. 01 "Электромеханика"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ВОРОНЕЖ-1998

Работа выполнена в Воронежском государственном техническом университете.

Научный руководитель -

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Шиянов А.И.

Научный консультант -

кандидат технических наук Анненков А.Н.

Официальные оппоненты - заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Фалеев В.В.

кандидат технических наук Картавцев В.В. доцент

Ведущая организация - Федеральный научно — производственный

центр НПК(О) «ЭНЕРГИЯ»

Защита состоится 22 декабря 1998 года в 1200 часов на заседании диссертационного совета К 063.81.10 при Воронежском государственном техническом университете по адресу: 394026 г. Воронеж, Московский проспект, д. 14, конференц-зал ВГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета.

Автореферат разослан ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

_ Фролов Ю.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Энергетические показатели электропривода переменного тока на основе асинхронных двигателей с массивным ротором в значительной степени определяются характеристиками электрической машины. В настоящее время созданы к успешно применяются большое число конструктивных модификаций двигателей с массивным ротором, которые уступают по номинальным энергетическим показателям асинхронным двигателям единых серий основного исполнения, поэтому их применение целесообразно в тех случаях, когда к электрической машине предъявляется ряд дополнительных требований. Среди этих требований первостепенное значение имеют следующие: высокое значение отношения кратности начального пускового момента к кратности начального пускового тока (т.е. высокая добротность пусковых характеристик), которая в двигателях с массивным ротором более чем в два раза выше, чем у двигателей единых серий (в том числе с повышенным пусковым моментом), возможность длительной работы двигателя на упор, высокая механическая и термическая надежность ротора, а также устойчивость к воздействию агрессивных сред (что особенно характерно для экранированных или бессальниковых двигателей с массивным ротором).

Для традиционных процессов проектирования индукционных двигателей с массивным ротором характерно использование частных математических моделей, описывающих отдельные варианты конструктивной реализации машины. Можно сказать, что многочисленные исследования двигателей с массивным ротором сосредоточились в конкретных совокупностях граничных условий, соответствующих основным вариантам их конструктивной реализации. Анализ расчетных методик показывает, что адекватность имеющихся моделей двигателей с массивным ротором колеблется в сравнительно широких пределах 191. Наряду с упрощенными (идеализированными) моделями в последнее время усиливается тенденция разработки моделей, предполагающих использование численных методов расчета, которые требуют применения высокопроизводительных ЦВМ. Наличие точных моделей позволяет уменьшить объем дорогостоящего и трудоемкого натурного моделирования.

В настоящее время одним из перспективных путей развития теоретической базы асинхронных двигателей с массивным ротором является направление, связанное с уточнением математических моделей и оптимизацией алгоритмов их решения. Важное значение приобретает поиск общих подходов к анализу и разработке методик расчета различных конструктивных модификаций двигателей с массивным ротором на основе единой теоретической базы.

Таким образом, актуальность темы диссертации связана с необходимостью разработки асинхронных двигателей с массивным ротором с высокими удельными энергетическими показателями, требованием повышения качества и сокращения сроков проектных разработок, что предполагает создание уточненных математических моделей электрических машин, разработку эффективных алгоритмов задачи проектирования, а также поиск общих подходов к анализу и

разработке методик расчета конструктивных модификаций асинхронных двигателей с массивным ротором на основе единой теоретической базы.

Тема диссертации сформулирована в рамках исследований по электромеханическим элементам роботов в соответствии с планом госбюджетных НИР ВГТУ по НИР № 06/96.

Цель работы: разработка единой методики и программных средств расчета асинхронных двигателей с массивным ротором, позволяющих осуществлять качественный и количественный анализ электромагнитных и электромеханических свойств и характеристик различных конструктивных модификаций двигателей с учетом особенностей их применения в современных технических системах.

Задачи работы. Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

1. Определить структуру и параметры моделей для расчета основных исполнений асинхронных двигателей с гладким массивным ротором на основе схем электрических цепей с сосредоточенными параметрами.

2. Определить структуру и параметры модели для расчета магнитного поля численным методом на основе теории цепей в области краевых зон индукционных машин с разомкнутым магнитопроводом.

3. Разработать методику уточненного расчета стационарных режимов асинхронных двигателей с гладким массивным ротором на основе детализированных схем магнитных цепей с сосредоточенными параметрами.

4. Разработать математическое обеспечение для численного и гармонического анализа моделей асинхронных двигателей с гладким массивным ротором на основе универсального пакета математических функций МАТЬАВ.

5. Выработать стратегию проектирования асинхронных двигателей с гладким массивным ротором и определить структуру программного обеспечения.

6. Провести численный анализ зависимостей характеристик основных исполнений асинхронных двигателей с гладким массивным ротором от конструктивных размеров и параметров с целью повышения устойчивости и снижения времени процесса проектирования.

7. Провести экспериментальные исследования с целью проверки адекватности математических моделей и достоверности основных положений методик расчета и разработать рекомендации по проектированию.

Методы исследования. Поставленные задачи решены аналитическими, численными и экспериментальными методами. При разработке программных средств расчета использован алгоритмический язык СИ и пакет прикладных программ МАТЬАВ. Экспериментальные исследования проведены на специально разработанных стендах.

Научная новизна.

1. В соответствии со стратегией, основанной на применении построенного по иерархическому принципу древа моделей, определена последовательность основных этапов расчета двигателей с конструктивными признаками

предыдущего варианта, полностью включенного в последующий, а также получена структура программ расчета с учетом обеспечения возможности использо-• вания ее основных элементов в качестве составных частей пакетов объектно-ориентированных программ проектирования электроприводов.

2. Разработаны единая методика расчета асинхронных двигателей с гладким ротором на основе схем электрических цепей с сосредоточенными параметрами, а также методика уточненного расчета на основе детализированных схем магнитных цепей с сосредоточенными параметрами.

3. На основе использования детализированной схемы магнитной цепи определены параметры модели в краевых зонах и решена задача учета потоков торцевого рассеяния в разомкнутой магнитной системе асинхронного двигателя с гладким дискозым ротором.

4. Разработано математическое обеспечение для численного и гармонического анализа моделей асинхронных двигателей с гладким ротором на основе универсального пакета математических функций МАТЬАВ.

5. Для основных конструкций двигателей с гладким ротором получены зависимости импеданса вторичной цепи от размеров активных частей и режимных параметров, а также разработаны рекомендации по проектированию, направленные на повышение энергетических показателей.

Практическая ценность.

1. В соответствии с разработанной единой методикой расчета асинхронных двигателей с гладким массивным ротором получен пакет прикладных программ расчета этих двигателей, позволяющий формировать произвольные структуры баз данных, в том числе и интегральных характеристик, основные элементы которых могут быть использованы в качестве составных частей объектно-ориентированных программ проектирования электроприводов.

2. Выработаны рекомендации по проектированию ряда конструктивных исполнений асинхронных двигателей с массивным ротором, которые позволяют исходя из электромагнитных нагрузок, механических и пусковых характеристик определять совокупности основных размеров, обеспечивающие повышение энергетических показателей в номинальном режиме работы.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях ВГТУ (1995 н- 1998 гг.) а также были представлены в материалах Республиканской электронной научной конференции "Современные проблемы информатизации" (1996 г).

Публикации. По результатам выполненных теоретических и экспериментальных исследований опубликовано 9 работ, в том числе одна монография.

Реализация результатов работы.

Результаты работы внедрены в учебный процесс ВГТУ, что подтверждено соответствующим актом.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 132 страницы основного текста, 32 рисунка, список литературы из 134 наименований и 3 приложения. Общий объем работы составляет 162 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность разработки методики и программного обеспечения для проектирования и исследования асинхронных двигателей с гладким массивным ротором, а также указана цель работы.

В первой главе определены объекты исследования, изложены классификация, основы теории и поставлены задачи исследования.

Определены главные отличительные особенности двигателей с массивным ротором, в т.ч. сложный характер распределения параметров электромагнитного поля во вторичной цепи, что связано с затуханием электромагнитной волны в ферромагнитном полупространстве (поверхностным эффектом).

Рассмотрены основные конструкции: двигатель с цилиндрическим гладким ферромагнитным массивным ротором, дугостаторные машины и их "развернутые" аналоги - линейные асинхронные двигатели с гладкой необмотаиной частью, линейный двигатель с гладким массивным дисковым ротором. Известен целый ряд оригинальных конструктивных модификаций массивного ротора, в том числе с зубчатым ротором.

На основе анализа литературы выделено три основные конструкции двигателей с гладким цилиндрическим массивным ротором, которые получили широкое распространение. Первой, которую можно считать базовой, является конструкция двигателя с трехфазной распределенной обмоткой статора и гладким массивным ферромагнитным ротором. Во второй конструкции на массивном роторе использовано токопроводящее покрытие. В третьей конструкции применён двухслойный ротор. В каждой из рассмотренных конструкций на статоре может быть использована тонкостенная гильза (экран) из неферромагнитного материала, а на роторе могут быть применены торцевые короткозамы-кающие кольца.

Основные области применения двигателей с цилиндрическим массивным ротором:

асинхронные двигатели с массивным ротором из магнитомягкой стали мощностью до 200 кВт в специальных герметичных насосах для перекачки теплоносителей в атомных энергетических установках;

экранированные двигатели с массивным ротором в установках, где возможно проникновение внутрь машин через подшипниковые узлы агрессивных жидкостей или газов;

массивные роторы из стали 20ХНЗМФЦ с короткозамкнутой обмоткой для высокоскоростных асинхронных двигателей большой мощности (высокая механическая прочность ротора);

массивнороторные асинхронные двигатели малой и средней мощности в регулируемых и нерегулируемых приводах, в системах автоматического управления, в исполнительных механизмах (в приводах, работающих в интенсивных старт-стопных режимах, в которых нагрев двигателя происходит, главным образом, во время пуска или реверса).

Рассмотрены индукционные машины с разомкнутым магнитопроводом (ИМРМ), имеющие значительные конструктивные отличия. Основные области

их использования: магнитогидродинамические машины для перекачивания жидких металлов и тяговые индукционные машины для высокоскоростного транспорта. Промышленное изготовление и практическое применение индукционных машин с разомкнутым магнитопроводом началось в конце сороковых годов. Сегодня различные организации в ряде ведущих стран мира проектируют и изготавливают единичные экземпляры и небольшие партии этих машин. На рис. 1 приведена классификационная схема ИМРМ.

Определен главный вопрос теории и расчета индукционных машин с гладким ротором - расчет сопротивления вторичной цепи, оказывающего существенное влияние на выходные характеристики. Сопротивление гладкого ротора может быть определено, если известен закон распределения плотности вихревых токов в роторе, либо применяют решение задачи по теории поля.

Основы теории массивнороторных индукционных двигателей составляют вопросы, связанные с исследованием электромагнитных процессов в характерных областях пяти основных конструкций машин данного вида. В первую очередь в качестве таких областей можно выделить экран статора и токопроводя-щее покрытие ротора.

На основе обзора и анализа научных исследований определены основные методы исследований асинхронных двигателей с массивным ротором:

1. Аналитическое исследование на основе теории поля;

2. Расчет магнитного поля численным методом на основе теории цепей.

Глава завершается формулировкой задач исследования.

Во второй главе представлены модели и математическое обеспечение для расчета электромагнитных процессов.

На первом этапе поверочного расчета индукционного двигателя с массивным ротором в качестве модели используется схема электрических цепей с сосредоточенными параметрами.

Рассмотрены особенности физических процессов в двигателях с разомкнутым магнитопроводом (продольный краевой эффект, шунтирующие магнитные потоки, неравенство индуктивных сопротивлений катушек первичной обмотки и т.д.), которые дают основание считать их наиболее общим случаем конструктивного исполнения двигателя индукционного типа. Адекватность результатов теоретического анализа ряда модификаций массивнороторных двигателей целесообразно проверять на таких общих вариантах с учетом характерных особенностей физических процессов.

На первой стадии расчета рассматривается идеализированная машина, в которой влиянием продольного краевого эффекта пренебрегается. Вывод уравнения напряжений первичной обмотки (используется схема электрических цепей идеализированной симметричной машины) делается на основе теории обобщенной электрической машины. На второй - рассматривается симметричная машина с разомкнутым магнитопроводом. При анализе составных (двухслойных) конструкций вторичной цепи при учете продольного краевого эффекта токами, протекающими через материал массивного магмитопровода, шунтированного токопроводящим покрытием, пренебрегается. Подобное упрощение вводится на основе результатов анализа многочисленных эксперимен-

Конструкция ИМРМ

Поступательного движения

х

Цилиндрическая Плоская

Ж

Вращательного движе-

_пия_

-С

Дисковая Дугостаторная

Индуктор

Ж-

Односторонний1

1

Двусторонний

ж

"Длинный''

''Короткий" ^

Вторичная цепь

"Короткая"

"Длинная'(Г)|<-

С распределенными параметрами обмотки

е-

Изотропная

V

Составная (многослойная)

С сосредоточенными параметрами обмотки

Анизотропная

С поперечным магнитным потоком

С продольным магнитным потоком

С секционной стержневой корот-козамкнутой обмоткой

Беличья клетка Волновая Петлевая

Массивный маг-нитопровод

(Т) - с учетом кривизны поверхности дискового ротора

Рис. 1 Классификационная схема ИМРМ с вторичным ферромагнитным

массивом

тальных данных, полученных разными авторами и полностью согласуется с изложенными в /9/ рекомендациями.

В основу расчетной модели машины положена схема магнитной цепи с выделением элементарных участков, соответствующих шагу дискретности. Схема магнитной цепи машины, соответствующая принятой системе допущений на первой стадии второго этана представлена на рис. 2.

Для данной линейной магнитной схемы (т.е. при идеализации ферромагнитных материалов) составляются уравнения вида

(к, + г,(-)(Ф, - Ф,,)+(я*. + )(Ф, - Ф,Ч1 )=

Рис. 2. Фрагмент схемы идеализированной магнитной цепи двигателя

С учетом влияния насыщения стали статора на магнитное поле в расчетном зазоре , а также сопротивлений пазового рассеяния, схема магнитной цепи двигателя имеет вид, показанный на рис. 3. Нелинейные алгебраические уравнения, составленные по методу контурных потоков для насыщенной схемы магнитной цепи, изображенной на рис. 3, можно записать в следующем виде:

(118. + яЛфг,- -Фг,-.,)+(11. ' +^уЛФг, -Фгы)+

+ Яы(Фг/ -Ф5,)+Кс, фп = Рэ, (2)

»./-...(Фв/ -Ф5,Ч,)+МФ3, -Фг,-) + + -Ф5; =Р1Э., -Рш+1. (3)

При составлении модели ИМРМ реальный индуктор заменялся бесконечно широким (то есть пренебрегалось поперечным краевым эффектом вторичной цепи с распределенными параметрами).

Существенной особенностью магнитных схем машин с разомкнутым магнитопроводом является наличие в краевых зонах модели за пределами активной зоны магнитных сопротивлений шунтирования, а также параметров, относящихся к вторичной цепи (для конструкций с "длинной" вторичной цепыо).

4/» 2

1ГМ

1Эг*2

Рис. 3. Фрагмент схемы магнитной цепи насыщенного двигателя

Структура и параметры модели в краевых зонах определяют точность учета продольного краевого эффекта.

Для элементарных участков массивного магнитопровода справедливы уравнения вида

Ре, = ;

•£,„,„ Ф

Спт ^ тп •

(4)

Схема магнитной цепи машины с учетом насыщения магнитопровода ферромагнитного массива показана на рис. 4. Уравнения, составленные по методу контурных потоков для схемы, изображенной на рис. 4, имеют следующий вид:

2чш(Фп1п ~ Фтп+1 )+ 2Сп1пФгап ^тп-^Фщп ~~ Ф тп-1 ) = Рэтп — Р>пт -1

гт1 (ф„„ - Фт2)+ + (я. + гм ХФ„. - Ф. ) = рЭт, - к,,

(я, + г4( ХФ, - Ф, ,)+ zClФl + + ХФ, - Ф,+| )=

= Рг)< + Г':)! ~' Рэ,+1 .

(5)

Значения Цс/(Мсп )>2С) ^стп ), Фс, (фстп ) элементарных участков ферромагнитного массива в соответствии с методом последовательных приближений уточняются при каждом последующем решении уравнений вида (4), (5).

В третьей главе определена стратегия и методика моделирования. Приведены методики расчета электромагнитных параметров и основных показателей двигателей.

Определено, что модели асинхронных машин с цилиндрическим массивным ротором по сути являются частными случаями моделей машин с гладким

Рис. 4. Схема магнитной цепи в краевой зоне ИМРМ с учетом насыщения ферромагнитного массива

ферромагнитным массивным ротором, которые легко могут быть получены на их основе.

Исходя из вышеизложенного была разработана единая методика расчета двигателей : гладким ротором, объединяющая ряд электрических машин со сходными конструктивными признаками, то есть расчетные модели были объединены в соответствии со структурой, построенной по иерархическому принципу в форме разветвляющегося древа моделей в направлении от одной, наиболее полной, которая соотзетствует базовому конструктивному исполнению (ИМРМ), к более простым, отдельные части которых заимствованы из базовой.

Основные модули программы написаны в среде МАТЪАВ. Диалог работы пользователя начинается с введения имени рабочего проекта. Под этим именем в рабочем каталоге будут сохраняться все введенные и рассчитанные данные, передаваемые от одного модуля к другому. Сохранение массива данных на диске позволяет не только вернуться к изменению исходных данных или принятого решения на любом шаге проектирования, но и сохранить результаты проекта как в качестве варианта текущего проекта, так и в качестве базы данных для последующих разработок.

Дальнейший ход профаммы основан на выборе типа проектируемой машины, что определяет как набор исходных данных, так и выбор основной расчетной функции. Система уравнений напряжений электрических цепей получена на основе уравнений напряжений первичных обмоток идеализированной машины, а также решения задачи определения эквивалентных приведенных параметров вторичной цепи при помощи комплексного магнитного сопротивления соответствующей части магнитной цепи двигателя, в котором влияние поперечного краевого эффекта на полюсном делении (в экране статора или в го-копроводящгм покрытии ротора, в зависимости от конструкции вторичной цепи) учитывается на основе решения задачи по теории поля.

Разработана структура пакета прикладных программ расчета асинхронных двигателей с гладким массивным ротором, обеспечивающая высокую степень использования программных средств. Пакет прикладных программ расчета двигателей с гладким массивным ротором получен на основе структурных решений с учетом принципов композиции и декомпозиции, что позволяет использовать не менее 70 % программного продукта для решения задач моделирования асинхронных двигателей с массивным зубчатым ротором, с шихтованным ротором, а также электроприводов переменного тока.

В четвертой главе приведены результаты комплексного исследования влияния конструктивных и режимных параметров на наиболее важные показатели, а также данные экспериментальных исследований и разработаны рекомендации по проектированию асинхронных двигателей с массивным ротором.

Учитывая существенное влияние сопротивления вторичной цгпи двигателя с массивным ротором на его характеристики проведан анализ зависимостей их значений от конструктивных размеров, что позволяет выработать на этой основе рекомендации по проектированию. Наиболее важные данные приведены на рис. 5- 8.

Отражены вопросы, связанные с поиском рационального соотношения между конструктивными параметрами в установленном габарите.

Все результаты приведены для элементарного участка активного объема вторичной цегш длиной Ьа и шириной ^ . Для всех рассматриваемых конструкций ротора была использована модель, содержащая на каждом элементарном участке параллельные ветви, число которых соответствует числу участков магнитной цепи, через которые проходит магнитный поток в пределах одного участка с оговорёнными геометрическими размерами. Критерием для эквивалентного сведения реальной конструкции к многослойной модели в соответствии с /9/ является идентичность частотных зависимостей полного сопротивления схемы и участков вторичной цепи в определяющем диапазоне частот (например, (5-5-50) Гц).

В качестве базовой конструкции массивнороторного асинхронного двигателя с распределенными параметрами обмотки выбрана машина со статором серии 4 А 100 Г 4 и гладким массивным ротором, выполненным из стали СТ-3 (далее М1). В конструкции М2 (тот же статор) на роторе (СТ-3) использовано токопроводящее покрытие. В конструкции МЗ (тот ж«; статор) ротор выполнен двухслойным. Гильза толщиной 1гв изготовлена из железомедного сплаза СМ-19. Ярмо ротора выполнено из листовой электротехнической стали.

Испытания симметричных двигателей проводилась на опытных образцах с двумя конструктивными исполнениями роторов: гладкий массивный ротор (М1) и гладкий массивный ротор с токопроводящим покрытием (М2).

В качестве базы использован статор серийного двигателя 4А Ю0Ь4 со следующими основными параметрами: Р,н = 4 кВт; Цн = 220 В; 1ш = 8,5 А; А = 2,54 • 104 А/'м; I = 6,3-106 А/м2; х\н = 0,84, с<юф„ = 0,84; р = 2; я = 3; г, -36; 1 = 8,2-Ю"5 м; Ь=0,13м; Ц„ = 0.168м; Ц, = 0,105м; т,, -2,0; тм = 1,6; ту = 22; 8„=0,04; 8К=0,32; /Г1 = 6.0; 1,„ = 0,011 кг-м2;

real Zj , o.e.

1,5 1,0 0,5

image Z?, o.e.

1,5 1,0

0,5

0,2 0,5 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 8"MM

1 70 1 90 1 11 1 13 1 15 1 170 1 190

10 1 20 . L 30 1 40 1 50 1 60 1 70 1 _J

L , мм f2, Гц

Рис.5. Зависимости составляющих импеданса ротора M 1, M 3 от L , 5К, f2 phase Zj, o.e.

0,9

0.1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 5 Рис. 6. Зависимость фазы импеданса ротора M 2 от 5К

real Z,, o.e.

1,5 1,0 0,5

image Z2, o.e.

1,5 1,0 Cl,5

70

10 20

_J_L

90 11 30

40

_1_

50

_j_

60

_j_

70 I

МДЬ) _--

- У M2(L)

M2(f2)

__--

M2(L) 1 1 1

1 1 1 1 t 1

130 15 170 190

L , мм f2, Гц

Рис.7. Зависимости составляющих импеданса ротора M 2 от L , f2

phase Z2, o.e.

1,2 1,0

0,8 0,6

100 110 120 130 140 150 160 170 Рис.8. Зависимость фазы импеданса ротора M 2 от L2

Li , мм

х = 12 °С/С; (:по - 0,04 с; Ь„ = 6500; класс нагревостойкости системы изоляции В (до130 °С).

Роторы М1, М2 изготовлены из СТ 3, толщина токопроводящего покрытия ротора М2 составляет 3-Ю"5 м, материал оболочки - медь. Величина конструктивного зазора 8к=3-10'4 м сохранена постоянной.

Механические характеристики М1, М2, полученные экспериментально, показаны на рис. 9 имеете с характеристиками, полученными расчетным путем разными методами, а также характеристикой базового двигателя из каталога. м2

а - гладкий массивный ротор:

1 - характеристика базового двигателя;

2 - экспериментальная характеристика;

МцЗ - расчет на основе схемы электрических цепей; 4 - расчет численным ме-0 е тодом на основе теории цепей

М2, 60

50

40

30

20

10

б - гладкий массивный ротор с токопроводящим покрытием, Лэ2=80 мкм

Мн

о.е.

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Рис. 9. Механические характеристики массивнороторных двигателей

Использовался косвенный метод определения характеристик по результатам испытаний для стационарного режима работы заторможенной системы при питании первичных обмоток напряжениями переменной частоты. Основные конструктивные параметры плоских ИМРМ, а также наиболее важные энергетические показатели приведены в таблице.

Сопоставление результатов эксперимента с данными, полученными при помощи методики поверочного расчета эквивалентной ИМРМ симметричной машинь:, показало ыаксим;шьную погрешность 14 %, а с характеристиками, полученными при помощи методики расчета магнитного поля ИМРМ численным методом на основе теории цепей, - 10 %. Это обеспечивает приемлемую для инженерной практики сходимость и подтверждает эффективность разработанной методики расчета и достоверность принятых допущений.

Параметры плоских ИМРМ

Конструктивное исполнение машины

Параметр С коротким индуктором Многоэлементная

М4 М5 Мб

Полюсное деление, м 4,5-10'2 9-10"2 4.5-НУ2

Ширина пакета индуктора, м 510"2 6-1 О*2 6-10'2

Число пар полюсов, o.e. 2 3(Р.) ЦР2) 4(Р.) 2 (р2)

Плотность тока в первичной обмотке, А/м" 5-106 3,6-106 (ОУ) 4-106 (OB) з,б:.о6(оу) 3,6-106 (OB)

Линейная нагрузка, А/м 3,5-104 2-104 (ОУ) 3-104 (OB) 2,4-104 (ОУ) 2,4-104 (OB)

Конструктивный зазор, м 1,5-10"3 2,5-Ю-3 (5,) 1,5-Ю"3 (52) 2,8-Ю'3 (8|) 1,4-10° (62)

Толщина экрана ротора, м — 0,4-10"4 0,4-10"4

Материал экрана ротора — Медь Медь

Материал массива ротора Ст-3 СТ-3 СТ-3

Материап магнитопровода индуктора 2211 2211 2211

Наружный диаметр МДР, м — 0,3 0,3

Средний радиус МДР, м — 7-10'2 7-10'2

Ширина рельса, м 5-Ю"2 — —

Высота зубца индуктора, м 2,5-10'2 2,4-10"2 (ПИ) 1,8-Ю"2 (ИС) 1,8-10'2 (ИС) 1,8-102 (ПИ)

Высота ярма индуктора, м 2,5-10"2 4,5-10"2 (ПИ) 3-102_(ИС) 3-1(Г2(ПИ) 3-Ю"2 (ИС)

Ширина паза индуктора, м 5-Ю"3 6-10'3 (ПИ) 9-Ю"3 (ИС) 4,5-10'3 (ПИ) 9-10"3 (ИС)

Число пазов на полюс и фазу, o.e. 1 3(ОВ) 2 (ОУ) 2 (OB) 1 (ОУ)

Номинальная мощность, Вт 40 250 120

Номинальное скольжение, o.e. 0,52 0,35 (МДР) 0,4 (МДР)

Тяговая сила, I I 5 22 (ПИ, £=120") 12 (МДР) 16 (ПИ, ¿¡=108 °) 8 (МДР)

КПД, o.e. 0,27 0,28 0,18

Электромагнитная добротность вторичной цепи, o.e. 0,6 1,8 0,75

Заключение содержи^' наиболее важные выводы по работе :

1. Двигатели с гладким массивным цилиндрическим ротором по сравнению с шихтованным короткозамкнутым позволяют получить в одном габарите в 1.24-2 раза больше пусковой момент при меньшем в 24-3 раза пусковом токе.

2. В двигателя;;: с двухслойным ротором, содержащим гильзу из железо-медного сплава и шихтованное ярмо, энергетические показатели близки к номинальным энергетическим показателям асинхронных двигателей единых серий основного исполнения. Дальнейшее совершенствование характеристик гладкого массивного ротора связано в том числе с применением новых анизотропных материалов с заданными электромагнитными параметрами.

3. Потери в массивнороторном двигателе большей частью приходятся на вторичную цепь машины, в связи с чем существенно изменяется его тепловой режим.

4. Для двигателей с массивным ротором с высотой оси вращения до 160 мм в качестве исходного теплового фактора кь определяющего массогаба-ритные и энергетические показатели в стационарном режиме работы, установлен интервал (0,84-1,6)-10п А/м3. При этом линейная нагрузка А = (1,7:-2,55)-104 А/м, а плотность тока I = (4н-6,3)-106 А/м. Соотношение немагнитного зазора и полюсного деления 5/ т принималось порядка 0,0024-0,02, при этом для машин с экранированным статором отношение 8/т следует выбирать из верхней части заданного интервала.

5. Наличие продольного краевого эффекта и сил одностороннего магнитного притяжения обусловливает значительно худшие массогабаритные показатели плоских ИМРМ по сравнению с симметричными двигателями с массивным ротором. В многоэлементных ИМРМ, обмотки индукторов которых имеют систему изоляции класса нагревостойкости В, при мощности порядка (0,14-1) кВА для исходного теплового фактора определен интервал к(=(14-1,9)-10" А2/«1; при этом плотность тока в обмотках 1=(5:6)-10" А/м2 , линейные нагрузки индукторов А = (0,84-3,2)-104 А/м.

6. Методики расчета, разработанные на основе аналитического метода с использованием классических схем электрических цепей, а также численным методом на основе теории цепей, позволяют обеспечить достаточную для инженерных расчетов точность. Это подтверждено экспериментальными исследованиями широкой гаммы двигателей с массивным ротором.

7. Разработано математическое обеспечение для численного и гармонического анализа моделей асинхронных двигателей с гладким ротором на основе универсального пакета математических функций МАТЪАВ

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Устройство загрузки пресса на базе линейного двигателя с реактивным листом / Л.П. Анненков, В.А. Медведев, Ю.С. Слепокуров, А.И. Шиянов // Автоматизация и роботизация производственных процессов: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 1996. С. 4-9.

2. Транспортный модуль на основе асинхронного двигателя с гладким дисковым ротором / А.Н. Анненков, В.А. Медведев, Ю.С. Слепокуров,

Л.И. Шиянов //Автоматизация и роботизация производственных процессов: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 1996. С. 24-29.

3. Анненков А.Н., Буйлин О.Д., Слепокуров Ю.С. Сверхвысокоскоростные асинхронные двигатели приводов промышленных центрифуг // Автоматизация и роботизация производственных процессов: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 1996. С. 56-60.

4. Теоретические основы системы проектирования асинхронных двигателей с гладким ротором / Ю.С. Слепокуров, А.Н. Анненков, А.И. Шиянов, В.В. Орлов // Ежеквартальный научно-практический вестник "Энергия" №1-2 (23-24). Воронеж: НПК(О) "Энергия', 1996. С. 24-26.

5. Методика аналитического исследования асинхронных двигателей с массивным ротором / А.И. Шиянов, А.Н. Анненков, О.Д. Буйлин, Ю.С. Слепокуров // Республиканская электронная научная конференция "Современные проблемы информатизации". Тез. докладов. Воронеж.: Изд-во ВГТУ, 1996.

6. Расчет параметров короткозамкнутой клетки массивного ротора / А.Н. Анненков, О.Д. Буйлин, Ю.С. Слепокуров, А.И. Шиянов, В.В. Орлов // Электромеханические устройства и системы: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 1997. С. 13-18.

7. Анализ зависимостей сопротивления стержня короткозамкнутой обмотки массивного ротора от параметров машины / А.Н. Анненков, Ю.С. Слепокуров, А.И. Шиянов, О.Д. Буйлин, В.В. Орлоз // Электромеханические устройства и системы: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 1997. С. 27-33.

8. Критерий эффективности использования габаритной мощности асинхронного двигателя при повышенном уровне электромагнитных нагрузок / А.Н. Анненков, Ю.С. Слепокуров, А.Н. Стукалов, А.И. Шиянов //Автоматизация и роботизация производственных процессов: Межвуз. сб. науч. тр. Вып. 2. Воронеж: ВГТУ, 1998. С. 56-60.

9. Индукционные двигатели с массивным ротором / А.Н. Анненков, А.И. Шиянов, Ю.С. Слепокуров, О.Д. Буйлин. Воронеж: Изд- во ВГТУ, 1998. 234 с.

ЛР № 020419 от 12.02.92. Подписано в печать 18.11.98. Формат 60x84x1/16 Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 85 экз. Заказ № ¡(^

Издательство Воронежского государственного технического университета 394026 Воронеж, Московский ripccri., 14

f

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

СЛЕПОКУРОВ Юрий Сергеевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ И АЛГОРИТМИЗАЦИЯ В ПРОЕКТИРОВАНИИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ГЛАДКИМ МАССИВНЫМ РОТОРОМ

Специальность 05.09.01 "Электромеханика"

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор А.И. Шиянов

Научный консультант: кандидат технических наук А.Н. Анненков

ВОРОНЕЖ - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВЫ ТЕОРИИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С МАССИВНЫМ РОТОРОМ 9

1.1. Основные конструкции и классификация 9

1.2. Области применения 14

1.3. Современное состояние и основные направления развития теории асинхронных двигателей с массивным ротором 23

1.4. Выводы и постановка задач исследования 32 ГЛАВА 2. МОДЕЛИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ 36

2.1. Модели массивнороторных двигателей на основе классических схем электрических цепей 36

2.2. Моделирование магнитного поля симметричных двигателей на основе идеализированных схем магнитных цепей с сосредоточенными параметрами 55

2.3. Особенности использования численных методов для расчета асинхронных двигателей с разомкнутым магнитопроводом 64

2.4. Выводы 71 ГЛАВА 3. МЕТОДИКИ И ПРОГРАММЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И

РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПАРАМЕТРОВ И ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ 73

3.1. Стратегия и методика моделирования 73

3.2. Методики расчета электромагнитных параметров и основных показателей двигателей 77

3.3. Описание программных средств расчета асинхронных двигателей с массивным ротором

3.4. Выводы 89

82

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ, РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ 90

4.1. Исследование зависимостей сопротивления обмотки массивного ротора с распределенными параметрами от основных конструктивных размеров 90

4.1. Исследование зависимостей сопротивления обмотки массивного ротора с распределенными параметрами от основных конструктивных размеров 101

4.3. Рекомендации по проектированию 122

4.4. Выводы 129

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 131

ЛИТЕРАТУРА 133

Приложения 146

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Большое число приводов с повышенным энергопотреблением (как регулируемых, так и нерегулируемых) характеризуется или широким интервалом изменения скорости нагрузки, или наличием интенсивных старт-стопных режимов. В таких приводах широко применяются асинхронные двигатели единых серий. Выбор электрической машины с учетом особенностей режима работы привода способствует решению задачи энергосбережения и повышению надежности всей системы. Асинхронные двигатели являются основными электромеханическими преобразователями и потребляют более 40 % вырабатываемой в стране электроэнергии.

В отношении индукционных двигателей с массивным ротором известно, что по сравнению с асинхронными двигателями единых серий основного исполнения они имеют более высокое сопротивление вторичной цепи машины и, как следствие, худший энергетический фактор на малых скольжениях (в области номинального режима). На высоких скольжениях (Б > 0,146) энергетические показатели двигателей с массивным ротором при различном характере изменения момента нагрузки превосходят показатели двигателей единых серий /75/ (в том числе двигателей основного исполнения).

Основным преимуществом массивнороторных двигателей по сравнению с двигателями единых серий равного габарита (в том числе с повышенным пусковым моментом) является более высокая (в среднем в полтора раза) кратность пускового момента при меньшей (также примерно в полтора раза) кратности пусковых токов. Вид механической характеристики этих двигателей в результате резко выраженного поверхностного эффекта во вторичном массиве приближается к экскаваторному.

Энергетические показатели электропривода переменного тока на основе асинхронных двигателей с массивным ротором в значительной степени определяются характеристиками электрической машины. В настоящее время созданы и успешно применяются большое число конструктивных модификаций двига-

телей с массивным ротором, которые уступают по номинальным энергетическим показателям асинхронным двигателям единых серий основного исполнения, поэтому их применение целесообразно в тех случаях, когда к электрической машине предъявляется ряд дополнительных требований. Среди этих требований первостепенное значение имеют следующие: высокое значение отношения кратности начального пускового момента к кратности начального пускового тока (т.е. высокая добротность пусковых характеристик), которая в двигателях с массивным ротором более чем в два раза выше, чем у двигателей единых серий (в том числе с повышенным пусковым моментом), возможность длительной работы двигателя на упор, высокая механическая и термическая надежность ротора, а также устойчивость к воздействию агрессивных сред (что особенно характерно для экранированных или бессальниковых двигателей с массивным ротором).

Для традиционных процессов проектирования индукционных двигателей с массивным ротором характерно использование частных математических моделей, описывающих отдельные варианты конструктивной реализации машины. Можно сказать, что многочисленные исследования двигателей с массивным ротором сосредоточились в конкретных совокупностях граничных условий, соответствующих основным вариантам их конструктивной реализации. Анализ расчетных методик показывает, что адекватность имеющихся моделей двигателей с массивным ротором колеблется в сравнительно широких пределах 191. Наряду с упрощенными (идеализированными) моделями в последнее время усиливается тенденция разработки моделей, предполагающих использование численных методов расчета, которые требуют применения высокопроизводительных ЦВМ. Наличие точных моделей позволяет уменьшить объем дорогостоящего и трудоемкого натурного моделирования.

В настоящее время одним из перспективных путей развития теоретической базы асинхронных двигателей с массивным ротором является направление, связанное с уточнением математических моделей и оптимизацией алгоритмов их решения. Важное значение приобретает поиск общих подходов к

анализу и разработке методик расчета различных конструктивных модификаций двигателей с массивным ротором на основе единой теоретической базы.

Таким образом, актуальность темы диссертации связана с необходимостью разработки асинхронных двигателей с массивным ротором с высокими удельными энергетическими показателями, требованием повышения качества и сокращения сроков проектных разработок, что предполагает создание уточненных математических моделей электрических машин, разработку эффективных алгоритмов задачи проектирования, а также поиск общих подходов к анализу и разработке методик расчета конструктивных модификаций асинхронных двигателей с массивным ротором на основе единой теоретической базы.

Тема диссертации сформулирована в рамках исследований по электромеханическим элементам роботов в соответствии с планом госбюджетных НИР ВГТУ по НИР №06/96.

Цель работы: разработка единой методики и программных средств расчета асинхронных двигателей с массивным ротором, позволяющих осуществлять качественный и количественный анализ электромагнитных и электромеханических свойств и характеристик различных конструктивных модификаций двигателей с учетом особенностей их применения в современных технических системах.

Задачи работы.

1. Определить структуру и параметры моделей для расчета основных исполнений асинхронных двигателей с гладким массивным ротором на основе схем электрических цепей с сосредоточенными параметрами.

2. Определить структуру и параметры модели для расчета магнитного поля численным методом на основе теории цепей в области краевых зон индукционных машин с разомкнутым магнитопроводом.

3. Разработать методику уточненного расчета стационарных режимов асинхронных двигателей с гладким массивным ротором на основе детализированных схем магнитных цепей с сосредоточенными параметрами.

4. Разработать математическое обеспечение для численного и гармониче-

ского анализа моделей асинхронных двигателей с гладким массивным ротором на основе универсального пакета математических функций МАТЬАВ.

5. Выработать стратегию проектирования асинхронных двигателей с гладким массивным ротором и определить структуру программного обеспечения.

6. Провести численный анализ зависимостей характеристик основных исполнений асинхронных двигателей с гладким массивным ротором от конструктивных размеров и параметров с целью повышения устойчивости и снижения времени процесса проектирования.

7. Провести экспериментальные исследования с целью проверки адекватности математических моделей и достоверности основных положений методик расчета и разработать рекомендации по проектированию.

Методы исследования. Поставленные задачи решены аналитическими, численными и экспериментальными методами. При разработке программных средств расчета использован алгоритмический язык СИ и пакет прикладных программ МАТЬАВ. Экспериментальные исследования проведены на специально разработанных стендах.

Научная новизна:

1. В соответствии со стратегией, основанной на применении построенного по иерархическому принципу древа моделей, определена последовательность основных этапов расчета двигателей с конструктивными признаками предыдущего варианта, полностью включенного в последующий, а также получена структура программ расчета с учетом обеспечения возможности использования ее основных элементов в качестве составных частей пакетов объектно-ориентированных программ проектирования электроприводов.

2. Разработаны единая методика расчета асинхронных двигателей с гладким ротором на основе схем электрических цепей с сосредоточенными параметрами, а также методика уточненного расчета на основе детализированных схем магнитных цепей с сосредоточенными параметрами.

3. На основе использования детализированной схемы магнитной цепи оп-

ределены параметры модели в краевых зонах и решена задача учета потоков торцевого рассеяния в разомкнутой магнитной системе асинхронного двигателя с гладким дисковым ротором.

4. Разработано математическое обеспечение для численного и гармонического анализа моделей асинхронных двигателей с гладким ротором на основе универсального пакета математических функций МАТЬАВ.

5. Для основных конструкций двигателей с гладким ротором получены зависимости импеданса вторичной цепи от размеров активных частей и режимных параметров, а также разработаны рекомендации по проектированию, направленные на повышение энергетических показателей.

Практическая ценность.

1. В соответствии с разработанной единой методикой расчета асинхронных двигателей с гладким массивным ротором получен пакет прикладных программ расчета этих двигателей, позволяющий формировать произвольные структуры баз данных, в том числе и интегральных характеристик, основные элементы которых могут быть использованы в качестве составных частей объектно-ориентированных программ проектирования электроприводов.

2. Выработаны рекомендации по проектированию ряда конструктивных исполнений асинхронных двигателей с массивным ротором, которые позволяют исходя из электромагнитных нагрузок, механических и пусковых характеристик определять совокупности основных размеров, обеспечивающие повышение энергетических показателей в номинальном режиме работы.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях ВГТУ (1995 + 1998 гг.) а также были представлены в материалах Республиканской электронной научной конференции "Современные проблемы информатизации" (1996 г).

Публикации. По результатам выполненных теоретических и экспериментальных исследований опубликовано 9 работ, в том числе одна монография.

ГЛАВА 1. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВЫ ТЕОРИИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С МАССИВНЫМ РОТОРОМ

1.1. Основные конструкции и классификация Развитию теории индукционных двигателей с массивным ротором уделялось значительное внимание многими известными электротехниками и электромеханиками. Значительный вклад в теорию и расширение практического применения двигателей с массивным ротором внесли исследования Г. Мозера, В.Л. Фуллера, И.С. Брука, К.И. Шенфера,Б.А. Артемьева, А.И. Бергинова, А.И. Вольдека, И.Н. Постникова, В.М. Куцевалова, Ф.Н. Сарапулова, А.И. Олейникова, А.И. Лищенко и др.

Определение среди всего многообразия индукционных машин отдельного типа двигателей с массивным ротором связано с наличием у них ряда принципиальных особенностей. Главной отличительной особенностью двигателей с массивным ротором 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.

Асинхронные двигатели с массивным ротором имеют широкий спектр вариантов конструктивной реализации. Так, были созданы, внедрены и успешно эксплуатируются двигатель с цилиндрическим гладким ферромагнитным массивным ротором, дугостаторные машины и их "развернутые" аналоги - линейные асинхронные двигатели с гладкой необмотанной частью, линейный двигатель с гладким массивным дисковым ротором. Известен целый ряд оригинальных конструктивных модификаций массивного ротора, в том числе с зубчатым ротором.

В^ _

двигателях с гладким массивным ротором из магнитомягкои стали, впервые исследованных И.С. Бруком в 1928 г., КПД и cos q> в номинальном режиме имеют низкие значения /80,123, 133/.

Одним из возможных решений, позволяющих сохранить высокую добротность пусковых характеристик двигателей при снижении уровня потерь во вторичной цепи, является использование токопроводящей оболочки (экрана) на роторе. При экранировании массивного ротора величина эквивалентного электрического сопротивления ротора снижается за счет использования токопрово-дящего покрытия с высокой электрической проводимостью, шунтирующего массивный магнитопровод. В результате увеличения токов, протекающих по оболочке, результирующий магнитный поток, замыкающийся через поверхностный слой материала массива, уменьшается по абсолютному значению, а материал магнитопровода выводится из зоны сильного насыщения. Это приводит к снижению величины потерь в стали ротора /88/.

В настоящее время существуют разнообразные рекомендации, касающиеся выбора экранируемых областей ротора и определения их в конструктивном отношении, которые с разной степенью приближения учитывают совокупное влияние рассмотренных выше факторов /12, 58, 61, 62, 101/.

Для повышения энергетических показателей массивнороторных двигателей в первую очередь необходимо уменьшить реактивную мощность, и, следовательно, намагничивающий ток, сохранив одновременно относительно малое значение магнитной проницаемости массива. Это возможно, если применить двухслойный ротор, который представляет собой полый массивный ферромагнитный цилиндр, выполненный из сплава типа СМ (железо-медный) с заданной основной кривой намагничивания, который насажен на ярмо, набранное из листов высоколегированной электротехнической стали со значительно большей магнитной проницаемостью /6, 35, 36, 94/. В этой конструкции массив сплава типа СМ выполняет функции зубцовой зоны и короткозамкнутой обмотки (является проводником и тока, и магнитного поля), что отвечает передовым технологиям и современным тенденциям развития в электромашиностроении. Вместо шихтованного ярма можно применить и массивное с высокими значениями и р. Толщина такой втулки, выполненной из сплава типа СМ в двигателях с

высотой оси вращения до 160 мм приблизительно равна (54-10) мм /72,91/.

При больших скольжениях глубина проникновения электромагнитного поля в массив СМ меньше его толщины, а двигатель имеет большой пусковой момент при малом пусковом токе, а также малые потери энергии при пуске. В номинальном режиме (при больших скоростях) глубина проникновения поля больше толщины массива. Основное поле смещается в область шихтованного ярма ротора. Вследствие этого в массиве возрастает нормальная составляющая магнитной индукции и уменьшается тангенциальная составляющая, то есть увеличивается ЭДС в массивном цилиндре, а значит и момент двигателя. То есть жесткость механической характеристики возрастает, и в области малых скольжений о