автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Поиск рациональных конструкций и исследование асинхронных двигателей с массивным зубчатым ротором

На правах рукописи

УИ46У6227

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

2 2010

Воронеж-2010

004606227

Работа выполнена в НОУ ВПО "Международный институт компьютерных технологий" (г. Воронеж)

Научный руководитель

доктор технических наук, доцент

Анненков Андрей Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Литвиненко Александр Михайлович;

кандидат технических наук, доцент

Шапошников Виктор Николаевич

Ведущая организация

ЗАО "Научно - исследовательский институт механотронных технологий -Альфа - научный центр" (г. Воронеж)

Защита состоится «29» июня 2010 г. в 10°° часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.09 ГОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" по адресу: 394026, 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

о/**--

Кононенко К.Е.

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 пере-магничивания, 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 электромеха-

нических 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 новнзна 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 К.Д. Глинки». 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 XXI 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 короткозамы-

. 4

кающими 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 маг-нитопровода 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 Ех и магнитного Н2 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 У в функции удельного магнитного сопротивления 2(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:

Ъ

Ь-р

где р2 =ц02(1)-€/Ь + >2уц0;

А = l,ll+jl,85 - коэффициенты Неймана;

b - ширина паза;

h - высота паза;

€ - активная длина.

С целью определения рациональной совокупности конструктивных параметров зубцовой зоны массивного ротора было выполнено исследование зависимостей сопротивления поверхностного слоя зубчатого массива от геометрических и режимных параметров методом поверочного расчёта.

В качестве базовой конструкции выбран двигатель со статором АИР56В2 и массивным зубчатым ротором, выполненным из сплава СМ-20. Расчёт сопротивления зубчатого массива проводился в широком диапазоне состояний магнитной цепи: от насыщенного (^«1000) до линейного участка по основной кривой намагничивания СМ-20.

Результаты исследования зависимостей изменения действительной части и модуля магнитного сопротивления Zc в функции скольжения s при постоянной геометрии, а также при изменении одного из геометрических размеров: ширины b и высоты h паза, активной длины Е и постоянстве остальных при s=l сводятся к следующему.

Зависимости real Zc, modul Zc от скольжения являются монотонно возрастающими, что связано с увеличением составляющих магнитного сопротивления стенок пазов в результате уменьшения глубины проникновения электромагнитного поля в массив при увеличении частоты вихревых токов.

На малых скольжениях характер этих зависимостей является нелинейным за счет большего относительного влияния сопротивления стенок паза на составляющие сопротивления. На больших скольжениях (частота перемагничива-ния ротора велика, глубина проникновения электромагнитной волны в массив мала) зависимость real Zc становится практически прямо пропорциональной, а зависимость modul Zc остаётся нелинейной. Следует отметить, что нелинейность кривых зависит от соотношения конструктивных размеров зубцовой зоны ротора.

Увеличение h сопровождается ростом real Zc, modul Zc, что объясняется увеличением потоков рассеяния в паз и одновременно ростом активной составляющей магнитного сопротивления поверхностного слоя стенок паза.

Зависимости real Zc, modul Zc в функции активной длины £ являются нелинейно убывающими.

Увеличение ширины паза b сопровождается нелинейным увеличением составляющих сопротивления Zc, что связано увеличением сечения паза и увеличением доли потоков рассеяния в паз. Влиянию данных факторов препятствует увеличение составляющих магнитного сопротивления поверхностного слоя стенок паза, в результате чего рассматриваемые зависимости являются нелинейными.

На основе графоаналитического анализа зависимостей значений сопротивлений от параметров двигателя с массивным зубчатым ротором получены

6

рекомендации для проектирования, позволяющие определять предпочтительные соотношения между конструктивными параметрами зубцовой зоны массивного ротора.

Третья глава посвящена расчету электромагнитных полей в АД с ДЗР и ЖМЗР.

Приведены основные допущения, математический аппарат анализа и описание моделей. Анализ электромагнитного поля в поперечном сечении АД с ДЗР и ЖМЗР производился с использованием численного метода конечных элементов, реализованного в пакете /\NSYS. В основе электромагнитного расчета численным методом лежит модель, включающая в себя геометрию машины, магнитные и электрические свойства её активных материалов, режимные параметры и действующие нагрузки.

Порядок работы в А^УБ при электромагнитном анализе состоял из следующих этапов: выбор типа анализа, создание геометрии, выбор типов элементов, ввод свойств материалов, назначение свойств материалов и элементов геометрическим областям, разбиение областей на сетку из конечных элементов, ввод нагрузок и граничных условий, выбор вида электромагнитного анализа и установка опций решателя, запуск на решение, анализ результатов и использование макросов постпроцессора для расчета интересующих интегральных величин.

Расчеты и затем эксперименты проводились на базе серийного двигателя АИР56В2, имеющего следующие номинальные данные: Р2Н=250 Вт, и,„=220/380 В, 2р=2, ^==50 Гц. Геометрия и обмоточные данные статора соответствуют серийной машине. АД с ДЗР и ЖМЗР отличались от серийной машины конструкцией и материалами активных областей роторов.

При моделировании АД с ДЗР рассматривалось несколько вариантов конструкции ротора. Число пазов ротора и толщина зубцов были приняты как у серийной машины. Высота перемычки над зубцом (Ъ) принималась равной 0 мм (перемычки нет), 1 мм, 2 мм, и 3 мм (рис. 1).

1 — обмотка ротора из сплава СМ (массивная втулка);

2 - шихтованный магни-топровод ротора (сталь 2013);

3 - вал, сталь 45

Рис. 1. Конструкция АД с ДЗР (изображено для случая И = 2 мм)

7

В качестве материала обмотки ротора рассматривались железомедные сплавы СМ-15, СМ-20, СМ-30, СМ-40, СМ-60. Марка сплава означает процентное содержание в сплаве меди, а все остальное, соответственно, сталь.

Электрические свойства сплавов СМ

Марка сплава Удельное электрическое сопротивление р, хЮ "7, Ом-м

М-15 2,2

СМ-20 1,3

СМ-30 1,0

СМ-40 0,8

СМ-60 0,6

Эти сплавы обладают как электрическими (таблица), так и магнитными свойствами. Кривые намагничивания железомедных сплавов приведены на рис. 2.

Свойства сплавов СМ различных марок существенно различаются. Как видно из таблицы и рис. 2, с улучшением электрических свойств (увеличением процентного содержания меди в сплаве) магнитные значительно ухудшаются. Очевидно, что оптимум должен приходиться на конкретное соотношение стали и меди в сплаве при заданной геометрии ротора.

В качестве материала магки-толровода статора и ротора используется электротехническая сталь 2013, а вала - конструкционная сталь 45. Как вариант в качестве материала магнитопровода ротора рассматривалась также конструкционная сталь Ст 10. Соответственно учитывались их кривые намагничивания, приведенные в справочной литературе.

СМ-60

35 W Н.Ю.А/н

Рис. 2. Кривые намагничивания железомедных сплавов СМ

Граничные условия и нагрузки определялись следующим образом. Двигатель окружен воздухом. На наружной границе рассматриваемой области заданы граничные условия - магнитный поток параллелен этой границе. Относительная магнитная проводимость материалов воздуха и проводников принимается равной единице. В качестве исходных условий задавались плотности токов в обмотке статора с учетом схемы обмотки в некоторый фиксированный момент времени.

На рис. 3 приведена геометрия АД с ЖМЗР.

Поскольку машина цилиндрическая, то, как показывает опыт, двумерный

анализ является наиболее целесообразным с точки зрения трудоемкости расчетов, с одной стороны, и достаточной точности, с другой. Аксиальная длина машины при этом принимается как у серийной машины равной 1г = 56 мм. Это значение использовалось при расчете моментов.

При моделировании АД с ЖМЗР рассчитывался один вариант конструкции, а в качестве материала обмотки ротора также рассматривались железомед-ные сплавы СМ-15, СМ-20, СМ-30, СМ-40, СМ-60.

На рис. 4, 5 приведены некоторые результаты численного решения задач электромагнитного расчёта в виде картин распределения силовых линий магнитного поля для различных конструкций АД с ДЗР и с ЖМЗР. Представлены результаты для режима пуска, когда ротор неподвижен. При этом частота индуцируемой ЭДС и соответственно тока в обмотке ротора составляет 50 Гц.

На рис. 6 представлены результаты расчета пусковых моментов АД с ДЗР. Значение пускового момента серийного двигателя АИР56В2 для сравнения составляет 1,95 Н-м.

Аналогичная серия расчетов была произведена в предположении, что ярмо магнитопровода ротора изготовлено не из шихтованной стали 2013, а из массива конструкционной стали Ст 10. Очевидно, что такое решение удешевило бы конструкцию. Как показали расчеты, на значении пускового момента это сказалось незначительно. Хотя очевидно, что в случае изготовления магнитопровода ротора го массивной стали увеличатся потери на гистерезис и вихревые токи, что приведет к большему нагреванию машины.

На рис. 7 приведены зависимости пускового момента АД с ЖМЗР от процентного содержания меди в сплаве.

3 - паз (воздух)

2 - ват из стали 45;

1 - массивная втулка из сплава СМ;

Рис. 3. Конструкция АД с ЖМЗР

11 = 0 мм, сплав СМ-20

¡¡¡¡Ё

И = 0 мм, сплав СМ-60

Ь = 3 мм, сплав СМ-20

И = 3 мм, сплав СМ-60

Рис. 4. Картина магнитного поля АД с ДЗР в поперечном сечении в виде силовых линий при пуске

сплав СМ-15 сплав СМ-60

Рис. 5. Картина магнитного поля АД с ЖМЗР в поперечном сечении при пуске

10

Рис. 6. Зависимости пускового момента АД с ДЗР от процентного содержания меди в сплаве для разных величин перемычки над зубцом ротора:

1 - И = 0 мм;

2 — Ь = 1 мм;

3 - И = 2 мм;

4-Ь = 3 мм

Ма Нм

Рис. 7, Зависимость пускового момента ¿5 АД с ЖМЗР от про-

го

центного содержания меди в сплаве 15

го

0,5

0.0

Проведенные расчеты показали следующее.

1. Использование железомедных сплавов и предложенных конструкций ротора позволяет значительно увеличить пусковой момент машины по сравнению с серийной. Объясняется это тем, что в предложенных конструкциях усиливается проявление эффекта вытеснения тока. Об этом также свидетельствуют полученные распределения плотностей токов, представленные в приложении А. Причем в серийной машине эффект вытеснения тока не проявляется, что характерно для машин малой мощности ввиду малой высоты стержня ротора.

2. Наибольшие значения пускового момента приходятся на сплавы с наименьшим содержанием меди и, соответственно, наибольшим содержанием стали. Таким образом, определяющим здесь является магнитное сопротивление обмотки ротора, а ухудшение электрических свойств сильно не сказывается. Последнее объясняется большим поперечным сечением элементов обмотки ро-

11

тора. Кроме того, анализ кривых распределения модуля вектора магнитной индукции в зазоре свидетельствует, о том, что среднее значение индукции выше в случае использования сплавов с наименьшим содержанием меди. Это также свидетельствует о возможности получения более высокого пускового момента.

3. Значения пускового момента АД с ДЗР зависят от величины перемычки над зубцом ротора. Максимальные значения момента соответствуют минимальной величине перемычки (Ь = О мм). Однако из технологических соображений нельзя отказаться от нее, поскольку обмотку ротора предполагается изготавливать в виде массивной втулки. С этих позиций оптимальным будет вариант геометрии, при котором И = 2 мм.

4. Использование в качестве материала магнитопровода ротора массивной конструкционной стали незначительно уменьшает значения моментов. Однако при этом следует учитывать потери в стали, обусловленные возникающими поперечными токами, которые приводят к дополнительному нагреву. Особенно существенно будет их влияние при больших скольжениях.

5. Полученные значения пусковых моментов АД с ЖМЗР несколько ниже, чем у АД с ДЗР, однако первый проще по конструкции и технологичнее при изготовлении.

6. Поскольку проведенные электромагнитные расчеты не учитывают потери в стали, то полученные значения моментов, очевидно, несколько завышены. Точно определить их из результатов численного анализа трудно, а использование классических методик также даст приблизительный результат. Кроме того, вероятен значительный нагрев машины за счет протекающих поперечных токов в обмотке ротора в перемычках над зубцами. Эти токи не создают электромагнитного момента, но при этом создают потери. Поэтому следующим этапом должна быть экспериментальная проверка полученных результатов.

7. Анализ электромагнитного поля в поперечном сечении АД с ДЗР является одним из наименее формализованных этапов, имеющим принципиально важное значение и очень большую трудоёмкость. Даже мощные средства расчёта и визуализации выходных параметров машины не дают представления о том, насколько и какие входные параметры её конечно-элементной модели необходимо изменить, чтобы обеспечить требования технического задания. Именно поэтому для сокращения времени проектирования необходимо численный анализ дополнить аналитическим, который позволяет на основе результатов численного анализа определить тенденции изменения выходных параметров в функции входных, в том числе найти конкретные количественные зависимости.

8. Двумерные конечно-элементные модели позволяют учитывать поверхностный краевой эффект. Наилучшие результаты на основе таких моделей имеют место при анализе АД с ДЗР, в которых поперечный краевой эффект выражен в наименьшей степени, то есть величина указанной перемычки над зубцом ротора мала, а также в АД с ЖМЗР. Таким образом, наиболее перспективными конструкциями являются те, в которых поперечный краевой эффект про-

является в наименьшей степени, поскольку в этом случае пусковой момент ока-1 зывается выше, а потери меньше.

В четвертой главе приведены данные экспериментальных исследований. Исследования проводились на опытном образце АД с ЖМЗР, поскольку технологически оказалось изготовить его проще и дешевле, чем АД с ДЗР. На рис. 8 приведена фотография ротора исследуемого АД с ЖМЗР.

В ходе экспериментальных исследований была использована установка (рис. 9), состоящая из набора блоков учебного лабораторного комплекса «Модель электрической системы» производства ООО «Учебная техника» ЮУрГУ и персонального компьютера, оснащенного платой сбора данных PCI 6024Е производства National Instruments. Установка управлялась от ПК из среды ПО MATLAB.

Рис. 8. Ротор опытного образца АД с ЖМЗР

В составе испытательного оборудования были использованы следующие блоки из указанного выше комплекса: трехполюсный выключатель, указатель частоты вращения, источник питания двигателя постоянного тока, трехфазный источник питания, терминал, блок ввода-вывода цифровых сигналов, коннектор, блок мультиметров.

Система управления реализуется с помощью стандартных блоков библиотеки Simulink и блоков взаимодействия с периферийными устройствами в реальном времени (Real-time windows target) пакета прикладных программ MATLAB. Использованные блоки: аналоговый вход (Analog Input), аналоговый выход (Analog Output), цифровой выход (Digital Output), источник скачкообразно изменяющегося сигнала (Step), сумматор (Sum), таймер (Timer), усилитель (Gain), осциллограф (Scope).

Условно экспериментальную установку можно разделить на две части: силовую (аппаратную) и информационную. К силовой части относятся: трехфазный источник питания, источник питания двигателя постоянного тока, электромашинный агрегат, трехполюсный выключатель. Электромашинный агрегат состоит из исследуемого АД и двигателя постоянного тока (ДПТ) независимого возбуждения, выполняющего роль нагрузочной машины. Источник питания ДПТ формирует напряжение возбуждения и напряжение якоря в ручном или автоматическом режимах. Напряжение возбуждения в данном случае является величиной неизменной (200 В). Напряжение, подаваемое на обмотку якоря, источником питания можно изменять в пределах от 0 до 250 В. Тем самым регулируется момент, создаваемый нагрузочной машиной. Трехполюсный выключатель служит для подачи на обмотку статора АД трехфазного напряжения.

К информационной части относятся: система управления установкой, реализованная в среде MATLAB, плата сбора данных PCI 6024Е, коннектор, блок ввода-вывода сигналов, терминал, датчик частоты вращения, указатель частоты вращения, блок мультиметров.

Digital Outputl National Instruments PCI-6024E lauto]

Digital Output2

National Instruments PCÍ-6D24E [auto]

Analog Outputl National Instruments PCl-fiQ24E fauto|

Analog

Input /

Analog Inpurl National Instruments РС1-6024Е [auto]

Рис.10. Структура математической модели системы управления экспериментальной установкой

Математическая модель системы управления экспериментальной установкой в среде MATLAB представлена на рис. 10 в виде структурной схемы.

Экспериментальные исследования АД с ЖМЗР проводились следующим образом. Сначала двигатель запускался с использованием только силовых блоков на холостом ходу, прогревался в течение 5 мин, а потом отключался. Затем из MATLAB запускалась экспериментальная установка. Напряжение на обмотке якоря ДПТ изменялось ступенчато с шагом 30 с от 0 до максимального значения 250 В, что сопровождалось соответствующим изменением момента сопротивления на валу исследуемого АД. При этом фиксировались соответствующие показания приборов, а затем через некоторое время установка отключалась. Таким образом, были экспериментально сняты механическая и рабочие характеристики опытного образца АД с ЖМЗР.

Проведенные экспериментальные исследования позволили сделать следующие выводы.

1. Использование железомедных сплавов в АД с ЖМЗР позволяет значительно улучшить механическую характеристику машины. Это выражается в увеличении пускового момента по сравнению с аналогом (примерно на 44 %) и увеличении максимального (критического) момента (примерно на 45 %). Если сравнивать экспериментальные результаты с тем, что получено при расчете электромагнитного поля методом конечных элементов, то он значительно лучше, чем для заявленной в опытном образце марки сплава СМ-20. Это можно объяснить тем, что в изготовленном роторе реальное процентное содержание меди отличается от 20 % в меньшую сторону, поскольку полученный экспериментальный результат ближе к расчетному значению момента при использовании сплава СМ-15.

2. Рабочие характеристики опытного образца АД с ЖМЗР оказались несколько хуже, чем у серийного двигателя. Так, у АИР56В2 потребляемая мощность Р1ном = 360 Вт, а у АД с ЖМЗР - 450 Вт. Соответственно, ток статора 0,73 А и 1 А.

Таким образом, АД с массивным зубчатым ротором целесообразно использовать в приводах, работающих в интенсивных старт-стопных режимах, в которых нагрев происходит главным образом во время пуска или реверса.

В приложениях приведены распределения модуля вектора магнитной индукции в виде сплошной заливки и плотностей токов в поперечном сечении АД с ДЗР и с ЖМЗР, а также акты о внедрении.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Решения уравнений поля для участка массивного зубчатого ротора, позволяющие учитывать влияние насыщения материала массива, толщинный эффект и рассеяние магнитного потока в паз, а также выражения для расчета параметров стержня, стенок и дна паза с учетом влияния названных факторов.

2. Решения уравнений поля для участка токопроводящего покрытия глад-

15

кого массивного ротора, соответствующего зубцовому делению статора, а также выражения для расчета параметров схемы магнитной цепи, относящихся к ротору.

3. Модели для расчета магнитного поля асинхронных двигателей с различной конструкцией массивного зубчатого ротора численным методом конечных элементов и методика электромагнитного расчёта, сочетающая численный и аналитический методы расчёта и позволяющая за счёт увеличения доли аналитической переработки выходных данных обеспечить возможность вести направленный поиск рациональной конструкции электрической машины, сократив тем самым время проектирования.

4. Результаты расчетно-теоретических и экспериментальных исследований асинхронных двигателей с разными вариантами конструкций массивного зубчатого ротора.

5. Содержание рекомендаций по проектированию, направленных на повышение эффективности определения варианта конструктивных размеров и параметров асинхронных двигателей с массивным зубчатым ротором, обеспечивающего требования технического задания.

Рекомендации по использованию полученных результатов

Применение АД с массивным зубчатым ротором наиболее эффективно в следующих условиях:

1. В приводах продолжительного режима работы с тяжелыми пусками (особенно приводах, питание которых идет через длинные линии с повышенным падением напряжения) и в этих же приводах повторно-кратковременного и перемежающегося режимов работы.

2. В приводах, требующих большого начального пускового момента и стоянки под током короткого замыкания (например, в приводах запорной арматуры).

3. В нерегулируемых приводах повторно-кратковременного режима бЗ, б4 и в приводах с частыми пусками (по условиям перегрева АД с массивным зубчатым ротором допускают число пусков подряд в 3^4 раза больше, чем АД с шихтованным короткозамкнутым ротором, обеспечивая более высокую надежность работы и более высокую производительность механизма).

4. В частотно-регулируемых приводах с частыми реверсами и торможениями, или если нагрузочная диаграмма характеризуется наличием "коротких пиков" порядка критического момента, особенно при широком диапазоне регулирования скорости, и для приводов повышенной надежности.

5. В приводах, требующих регулирования частоты вращения, в большом диапазоне, изменением подводимого напряжения (особенно для интенсивных старт-стопных и перемежающихся режимов), в которых, например, при малой частоте вращения потери в обмотке статора АД с массивным зубчатым ротором в разы меньше, чем в АД с шихтованным короткозамкнутым ротором.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Анненков А.Н. Моделирование и поиск рациональной конструкции асинхронного двигателя малой мощности с повышенным пусковым моментом / А.Н. Анненков, С.А. Филонов, А.И. Шиянов // Вестник Воронежского государственного технического университета,- 2009.-Т.5. № 4,- С. 120 - 123.

Статьи и материалы конференций

2. Филонов С.А. Распределение электромагнитного поля на зубцовом делении в эквивалентном стержне короткозамкнутого ротора из железомедного сплава / С.А. Филонов // Автоматизация и роботизация технологических процессов: труды науч.-техн. конф. - Воронеж: ВГТУ, 2008. С. 100 - 104.

3. Филонов С.А. Численное решение задач электромагнитного поля / С.А. Филонов, P.O. Нюхин // Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники. Инженерные идеи XXI века: труды Всерос. студенческой науч.-техн. конф. - Воронеж: ВГТУ, 2009. С. 35 - 36.

4. Филонов С.А. Допущения и математический аппарат анализа двигателя с двухслойным зубчатым ротором / С.А. Филонов, P.O. Нюхин // Электротехнические комплексы и системы управления. 2009. № 3. С. 34 - 37.

5. Анненков А.Н. Математическое моделирование и оптимизация асинхронного двигателя с двухслойным зубчатым ротором / А.Н- Анненков, С.Ю.Кобзистый, С.А. Филонов // Электротехнические комплексы и системы управления. 2009. № 1. С. 57 - 59.

6. Анненков А.Н. Асинхронные двигатели с улучшенными пусковыми свойствами на основе использования в конструкции зубчатого ротора железо-медных сплавов / А.Н. Анненков, С.Ю. Кобзистый, С.А. Филонов // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве: труды Всерос. конф. - Воронеж: ВГТУ, 2009. С. 101 -102.

7. Филонов С. А. Исследование опытного образца асинхронного двигателя с железомедным зубчатым ротором / С.А. Филонов, P.O. Нюхин // Электротехнические комплексы и системы управления. 2009. № 4. С. 33 - 36.

Подписано в печать 27.05.2010. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 85 экз. Заказ № /47 ГОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" 394026 Воронеж, Московский просп., 14

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР, ОБЪЕКТЫ И ЗАДАЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Общая характеристика, классификация и задачи теоретического исследования асинхронных двигателей с массивным зубчатым ротором.

1.2 Методы исследования: история развития и современное состояние

1.3 Выводы и постановка задачи.

2 АНАЛИТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ.

2.1 Распределение электромагнитного поля на зубцовом делении массивного зубчатого ротора.

2.2 Расчетно-теоретическое исследование параметров массивного зубчатого ротора.

2.3 Выводы.

3 РАСЧЁТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ЧИСЛЕННЫМ МЕТОДОМ

3.1 Основные допущения, математический аппарат анализа, и описание моделей.

3.2 Выбор конечных элементов, оценка точности результатов.

3.3 Результаты численного анализа.

3.4 Выводы.

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.1 Экспериментальная установка, управляемая средствами ПО MATLAB от ПК.

4.2 Реализация математической модели системы управления экспериментальной установкой в среде MATLAB.

4.3 Результаты испытаний.

4.4 Выводы.

Актуальность темы.

Определение среди многообразия асинхронных машин отдельного типа двигателей с массивным зубчатым ротором 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 с массивным зубчатым ротором 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 массивным зубчатым 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.

Первоочередной задачей теоретического исследования асинхронных двигателях с массивным зубчатым ротором 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 конкурентноспособной методики расчета асинхронных двигателях с массивным зубчатым ротором, 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 дан- ' ных и обеспечения возможности вести направленный поиск рациональной конструкции электрической машины даёт возможность сократить время проектирования.

В настоящее время, учитывая тенденцию создания объектно-ориентированных электротехнических систем имеется значительный практический и научный интерес к асинхронным двигателям с массивным зубчатым ротором, 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. Получены аналитическое решение для распределения напряженно-стей 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 массивным зубчатым ротором 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 AN-SYS 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 программного обеспечения MATLAB. Достоверность результатов и выводов диссертации подтверждается сравнением результатов, полученных с использованием методов математического моделирования и путем проведения экспериментальных исследований опытного образца.

Научная новизна.

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, а также 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 железо-медным зубчатым ротором, создана база для проведения экспериментальных исследований, определены характеристики двигателей в стационарных режимах работы.

3. Выработаны научно обоснованные рекомендации по проектированию асинхронных двигателей 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 К.Д. Глинки». Внедрение результатов диссертации в проектные работы и в учебный процесс подтверждено соответствующими актами (приложение В).

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 г.), Всероссийской конференции студентов и молодых учёных "Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники. Инженерные идеи XXI века" (Воронеж, 2009 г.), на Всероссийской конференции "Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве" (Воронеж, 2009 г.).

Публикации.

По теме диссертационной работы 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 и приложений.

4.4 Выводы

Проведенные экспериментальные исследования опытного образца АД с ЖМЗР позволили сделать следующие выводы.

Использование железомедных сплавов в АД с ЖМЗР позволяет изменить механическую характеристику машины. Это выражается в увеличении пускового момента по сравнению с аналогом (примерно на 44 %), и увеличении максимального (критического) момента (примерно на 45 %). Если сравнивать экспериментальные результаты с тем, что получено при расчете электромагнитного поля методом конечных элементов (п. 3.4, рисунок 3.34), то он значительно лучше, чем для заявленной в опытном образце марки сплава СМ-20. Это можно объяснить тем, что в изготовленном роторе реальное процентное содержание - меди отличается от 20 % в меньшую сторону, поскольку полученный экспериментальный результат ближе к расчетному значению момента при использовании сплава СМ-15 (рисунок 3.34).

Рабочие характеристики опытного образца АД с ЖМЗР оказались несколько хуже, чем у серийного двигателя. Так у АИР56В2 потребляемая мощность Pi ном = 360 Вт, а у АД с ЖМЗР - 450 Вт. Соответственно, ток статора 0,73 А и 1 А. Таким образом, использование АД с массивным зубчатым ротором в сравнении с АД единых серий дает ряд преимуществ, к которым необходимо отнести следующие:

В равных габаритах и при одинаковых плотностях токов и моментах инерции ротора потери энергии во время механических переходных процессов в массивном зубчатом роторе и в обмотке шихтованного ротора одинаковы, а потери в обмотках статора для АД с массивным зубчатым ротором меньше, чем в АД единых серий.

АД с массивным зубчатым ротором по сравнению с АД единых серий равного габарита обеспечивает меньшую продолжительность механических переходных процессов.

При высоких значениях скольжения энергетический фактор (произведение к.п.д. и coscp) АД с массивным зубчатым ротором выше, чем для АД единых серий.

За счет более высокого коэффициента мощности в зоне высоких скольжений добротность АД с массивным зубчатым ротором на низких скоростях выше, чем добротность АД единых серий.

В целом АД с массивным зубчатым ротором целесообразно использовать в приводах, работающих в интенсивных старт-стопных режимах, в которых нагрев происходит, главным образом, во время пуска или реверса.

Для АД с массивным зубчатым ротором малой мощности пусковые и рабочие характеристики имеют наилучший вид, когда значения jir массива лежат в интервале (20-J-50) о.е., а именно (20^25) о.е. в момент пуска (учитывая сильное насыщение массива при пуске потоками рассеяния и (40 -=- 50) о.е. в номинальном режиме. Точка Кюри для обеспечения постоянства магнитных свойств массива должна быть не менее (300^-350) °С. В машинах малой мощности, рассчитанных на продолжительный режим работы, для материала массива значеп ния р должны лежать в интервале (1,0ч-2,0)-10" Ом м.

Применение серийных АД с двойной клеткой или с глубоким пазом не решает полностью проблем пуска. Кроме того, из-за увеличения пазового рассеяния ротора, эти АД имеют меньший coscp при номинальной нагрузке (на 4-7-6%), и меньшую перегрузочную способность (на 15-^20 %) по сравнению с АД единых серий основного исполнения. Замена ротора с двойной клеткой массивным зубчатым ротором с рациональным соотношением основных конструктивных параметров приводит примерно при том же начальном пусковом токе к увеличению пускового момента в среднем в 2,2 раза. Добротность пуска АД с массивным зубчатым ротором в 1,5ч-2 раза выше по сравнению с АД единых серий основного исполнения.

Постоянно предпринимаются попытки более широко использовать АД с массивным зубчатым ротором в регулируемом электроприводе. Во-первых, это позволяет обеспечить повышение энергетических показателей в частотных

93 приводах с частыми реверсами и торможениями, так как в результате инвертирования токов в фазах первичной обмотки при жестком режиме управления и осуществления торможения фактически противовключением, а реверса - переключением, частота перемагничивания ротора, например, при реверсе, изменяется в удвоенном интервале высоких скольжений. Известно, что применение жесткого режима частотного управления АД единых серий, в том числе имеющих специальную форму паза ротора (т.е. с вытеснением тока), ограничивается на практике не только экономическими соображениями, связанными с дополнительными потерями, но и с нагревом АД, так как токи в жестком режиме в большинстве случаев превышают допустимые значения, и тогда приемлемы только мягкие режимы, резко снижающие производительность всей системы. Кроме того, так как АД с массивным зубчатым ротором в одних габаритах с АД единых серий обеспечивают в 1,5 раза большие значения критического момента, а их механическая характеристика приближается к экскаваторной, то в частотно-регулируемом приводе, нагрузочная диаграмма которого характеризуется "короткими пиками" порядка значения критического момента, применение АД с массивным зубчатым ротором при ухудшении энергетических показателей в целом, позволяет повысить надежность работы, особенно если диапазон регулирования скорости близок к предельному, а прерывание работы системы недопустимо.

Во-вторых, при меньших по сравнению с АД единых серий потерях на высоких скольжениях, в АД с массивным зубчатым ротором открываются благоприятные перспективы для регулирования частоты вращения простейшим способом - путем изменения амплитуды питающего напряжения. Во всех случаях эти АД работали в приводах с интенсивными повторно-кратковременными или перемежающимися режимами работы, то есть таких, в которых частота перемагничивания массивного зубчатого ротора постоянно изменяется во всем интервале высоких скольжений, а для приводов с частыми реверсами - в удвоенном интервале.

Экскаваторный вид механической характеристики АД с массивным зубчатым ротором позволяет эффективно использовать их в приводах с вентиляторным моментом сопротивления при регулировании скорости в широком диапазоне изменением подводимого напряжения [128].

Обобщая все сказанное можно заключить, что применение АД с массивным зубчатым ротором актуально в приводах со следующими режимами работы:

1. В нерегулируемых приводах повторно-кратковременного режима s3, s4 и в приводах с частыми пусками (по условиям перегрева АД с массивным зубчатым ротором допускают число пусков подряд в 3-^4 раза больше, чем АД с шихтованным короткозамкнутым ротором, обеспечивая более высокую надежность работы и более высокую производительность механизма).

2. В приводах продолжительного режима работы с тяжелыми пусками (особенно приводов, питание которых идет через длинные линии с повышенным падением напряжения), и в этих же приводах повторно-кратковременного и перемежающегося режимов работы.

3. В приводах, требующих большого начального пускового момента и стоянки под током короткого замыкания (например, в приводах запорной арматуры).

4. В частотно-регулируемых приводах с частыми реверсами и торможениями, или если нагрузочная диаграмма характеризуется наличием "коротких пиков" порядка критического момента, особенно при широком диапазоне регулирования скорости и для приводов повышенной надежности.

5. В приводах, требующих регулирования частоты вращения ,в большом диапазоне изменением подводимого напряжения (особенно для интенсивных старт-стопных и перемежающихся режимах), в которых, например, при малой частоте вращения потери в обмотке статора АД с массивным зубчатым ротором разы меньше, чем в АД с шихтованным короткозамкнутым ротором.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основное результаты работы.

1. Решения уравнений поля для участка массивного зубчатого ротора, позволяющие учитывать влияние насыщения материала массива, толщинный эффект и рассеяние магнитного потока в паз, а таюке выражения для расчета параметров стержня, стенок и дна паза с учетом влияния названных факторов

2. Решения уравнений поля для участка токопроводящего покрытия гладкого массивного ротора, соответствующего зубцовому делению статора, а также выражения для расчета параметров схемы магнитной цепи, относящихся к ротору.

3. Модели для расчета магнитного поля асинхронных двигателей с различной конструкцией массивного зубчатого ротора численным методом конечных элементов и методика электромагнитного расчёта, сочетающая численный и аналитический методы расчёта, и позволяющая за счёт увеличения доли аналитической переработки выходных данных обеспечить возможность вести направленный поиск рациональной конструкции электрической машины, сократив тем самым время проектирования.

4. Результаты расчетно-теоретических и экспериментальных исследований асинхронных двигателей с разными вариантами конструкций массивного зубчатого ротора.

5. Содержание рекомендаций по проектированию, направленных на повышение эффективности определения варианта конструктивных размеров и параметров асинхронных двигателей с массивным зубчатым ротором, обеспечивающего требования технического задания.

Рекомендации по использованию полученных результатов.

Применение АД с массивным зубчатым ротором наиболее эффективно в следующих условиях:

1. В приводах продолжительного режима работы с тяжелыми пусками (особенно приводов, питание которых идет через длинные линии с повышенным падением напряжения), и в этих же приводах повторно-кратковременного и перемежающегося режимов работы.

2. В приводах, требующих большого начального пускового момента и стоянки под током короткого замыкания (например, в приводах запорной арматуры).

3. В нерегулируемых приводах повторно-кратковременного режима s3, s4 и в приводах с частыми пусками (по условиям перегрева АД с массивным зубчатым ротором допускают число пусков подряд в 3+4 раза больше, чем АД с шихтованным короткозамкнутым ротором, обеспечивая более высокую надежность работы и более высокую производительность механизма).

4. В частотно-регулируемых приводах с частыми реверсами и торможениями, или если нагрузочная диаграмма характеризуется наличием "коротких пиков" порядка критического момента, особенно при широком диапазоне регулирования скорости и для приводов повышенной надежности.

5. В приводах, требующих регулирования частоты вращения в большом диапазоне изменением подводимого напряжения (особенно для интенсивных старт-стопных и перемежающихся режимах), в которых, например, при малой частоте вращения потери в обмотке статора АД с массивным зубчатым ротором разы меньше, чем в АД с шихтованным короткозамкнутым ротором.

1. Анненков А.Н. Математическое моделирование и оптимизация асинхронного двигателя с двухслойным зубчатым ротором / А.Н. Анненков, С.Ю.Кобзистый, С.А. Филонов // Электротехнические комплексы и системы управления, № 1, 2009, с. 57 59.

2. Артемьев Б. А. Экспериментальное исследование магнитного поля некоторых типов асинхронных машин со сплошным ротором / Б. А. Артемьев, В. Я. Лавров, Ю. А. Розовский и др. // Тр. Ленингр. ин-та авиац. приборостр. — 1968, вып. 57. — С. 215-225.

3. Афанасьев А.А. Аналитические подходы к расчету электрических машин на основе решения краевых задач для кольцевых областей методом разделения переменных. / А. А. Афанасьев, А. Г. Бабак, А. В. Николаев // Электричество. 2006. — № 6. - С. 34-41.

4. Бахвалов Ю.А. Численное моделирование стационарных магнитных полей магнитоэлектрических систем методом конечных элементов / Ю. А. Бахвалов, А. Г. Никитенко, В. П. Гринченков, М. Ю. Косиченко // Электротехника. 1999. - № 1 - С. 29-32.

5. Бертинов А.И. Индукционные трехфазные двигатели с различными роторами / А. И. Бертинов, Н. В. Синева. М.: Изд-во МЭИ, 1967. - 72 с.

6. Брук И.С. Теория асинхронного двигателя с массивным ротором (4.1) / И. С. Брук // Вестн. эксперим. и теорет. электротехники. 1928, № 2. — С. 58-67.

7. Брук И.С. Теория асинхронного двигателя с массивным ротором (4.2)/ И. С. Брук // Вестн. эксперим. и теорет. электротехники. — 1929, № 5. — С. 175-193.

8. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. заведений / А. И. Вольдек. JI: Энергия, 1974 - 840 с.

9. ГОСТ 21427.2-83 Сталь электротехническая тонколистовая. — Введ. 21.04.78. М.: Изд. стандартов. - 1983.

10. Гречихин В.В. Моделирование магнитных полей разомкнутых магнитных систем с малыми воздушными зазорами модифицированным методом интегральных уравнений / В. В. Гречихин, Ю. В. Юфанова // Известия вузов. Электромеханика. — 2001. — № 4-5. — С. 5-8.

11. Турин Я.С. Проектирование серий электрических машин / Я. С. Турин, Б. И. Кузнецов. М.: Энергия, 1978. - 480 с.

12. Зенкевич О. Конечные элементы и аппроксимация (перевод с англ.) / О. Зенкевич, К. Морган. М.: Мир, 1986. - 318 с.

13. Иванов-Смоленский А.В. Метод расчета магнитных полей, с учетом трехмерной неоднородности сердечников электрических машин / А. В. Иванов-Смоленский, В. А. Кузнецов // Электричество. — 2005. —№11. — С. 2-7.

14. Иванов-Смоленский А.В. Определение электромагнитных сил в нелинейной магнитной системе по натяжениям / А. В. Иванов-Смоленский // Электричество. 1985. -№ 7. - с. 12-21.

15. Иванов-Смоленский А.В. Развитие комбинированного метода анализа электрических машин / А. В. Иванов-Смоленский, В. А. Кузнецов, Д. А. Петриченко // Электротехника. -2007. № 8. - С. 4-12.

16. Иванов-Смоленский А.В. Универсальный метод расчета электромагнитных процессов в электрических машинах / А. В. Иванов-Смоленский, Ю. В. Абрамкин, А. И. Власов и др. Под ред. А. В. Иванова-Смоленского. -М.: Энергоатомиздат, 1986. - 216 с.

17. Иванов-Смоленский А.В. Электромагнитные силы и преобразование энергии в электрических машинах: Учеб. пособие для вузов по спец. "Электромеханика" / А. В. Иванов-Смоленский. -М.: Высш. шк., 1989-312 с.

18. Иванов-Смоленский А.В. Электромагнитные поля и процессы в электрических машинах и их физическое моделирование / А. В. Иванов-Смоленский. -М.: Энергия, 1969. 304 с.

19. Кашарский Э.Г. Специальные вопросы расчета и исследования асинхронных машин с массивным ротором / Э. Г. Кашарский. — M.-JL: Наука, 1965.- 104 с.

20. Кашарский Э.Г. Экспериментальное исследование параметров электрических машин с массивным ротором / Э. Г. Кашарский. // Изв. вузов. Электромеханика. 1962, № 10. - С. 1181-1185.

21. Ковалев О.Ф. Расчет магнитных полей комбинированным методом конечных элементов и вторичных источников / О. Ф. Ковалев // Известия вузов. Электромеханика. — 2000. — № 4. — с. 14-16.

22. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин / И. П. Копылов. М.: Высш. шк., 1987. - 248 с.

23. Копылов И.П. Проектирование электрических машин: Учеб. пособие для вузов / И. П. Копылов, Ф. А. Горяинов, Б. К. Клоков и др. — М.: Энергия, 1980.-496 с.

24. Копылов И.П. Электромеханические преобразователи энергии / И. П. Копылов. М.: Энергия, 1973. - 400 с.

25. Кравчик Э.А. Асинхронные двигатели серии 4 А: Справочник / А. Э. Кравчик, М. М. Шлаф, В. И. Афонин, Е. А. Соболенская — М.: Энергоатомиздат, 1982. — 504с.

26. Крон Г. Применение тензорного анализа в электромеханике / Г. Крон. -М.: Госэнергоиздат, 1956. 720 с.

27. Кислицын A. JI. Расчет магнитных полей электрических машин методом конечных элементов / A. JI. Кислицын, А. М. Крицштейн, Н. И. Солнышкин, А. Д. Эрнст Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 1980. — 174 с.

28. Курант Р., Гильберт Д. Методы математической физики. Пер. с англ./ Р. Курант, Д. Гилберт. M.-JI. : Гостехтеориздат, 1951. - 476 с.

29. Куцевалов В.М. Асинхронные и синхронные машины с массивным ротором / В. М. Куцевалов. М.: Энергия, 1979. - 160 с.

30. Куцевалов В.М. Вопросы теории и расчета асинхронных машин с массивными роторами / В. М. Куцевалов. — М. : Энергия, 1966. 302 с.

31. Куцевалов В.М. Об учете краевого эффекта в индукционных машинах с распределенными вторичными параметрами / В.М. Куцевалов, В. С. Могильников. В кн. : Бесконтактные электрические машины. Вып. 6. — Рига: Зинатне, 1964. С. 169-180.

32. Лесник В.А. Расчет электромагнитного поля и определение эквивалентных параметров ярма зубчатого ферромагнитного ротора / В. А. Лесник, А. И. Лищенко. В кн.: Расчет электромагнитных процессов в роторе АТТ. — Киев: Наук, думка, 1981. — С. 67-73.

33. Лищенко А.И. Асинхронная машина с массивным ферромагнитным ротором оптимальной геометрии / А. И. Лищенко, В. А. Лесник. Киев: изд-во АН УССР, 1978.-54 с.

34. Лищенко А.И. Асинхронные машины с массивным ферромагнитным ротором / А. И. Лищенко, В. А. Лесник. Киев: Наук, думка, 1984. — 168 с.

35. Лищенко А.И. Оптимальные конструктивные параметры массивного ротора асинхронных машин различной мощности / А. И. Лищенко // Электротехника. 1983, №1. - С. 4-7.

36. Лищенко А.И. Расчет поля рассеяния в зубцовой зоне ферромагнитного массива от токов ярма и определение эквивалентных параметров / А. И. Лищенко, В. А. Лесник. В кн.: Расчет электромагнитных процессов в роторе АТГ. Киев: Наук, думка, 1981. — С. 60-67.

37. Лищенко А.И. Расчет поля рассеяния и определение параметров ферромагнитного стержня прямоугольного сечения при различной частоте тока / А.И. Лищенко, В.А. Лесник, А.П. Фаренюк // Техн. электродинамика. -1980, № 2. С. 50-56.

38. Лопухина Е.М. Асинхронные микромашины с полым ротором / Е. М. Лопухина, Г. С. Сомихина. — М.: Энергия, 1967. — 488 с.

39. Максвелл Д.К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля / Д. К. Максвелл. М.: Гостехиздат, 1954. — 688 с.

40. Могильников B.C. Асинхронные двигатели с двухслойным ротором и их применение / В. С. Могильников, А. М. Олейников, А. Н. Стрельников — М : Энергоатомиздат, 1983. 120 с.

41. Могильников B.C. Асинхронные электродвигатели с массивными и двухслойными роторами. (Физические процессы и методы расчета) / B.C. Могильников, А.А. Жуков. Николаев: изд.-во НКИ, 1977. - 52 с.

42. Могильников B.C. Расчет параметров двухслойного ротора при малых скольжениях / B.C. Могильников, A.M. Олейников // Электротехника — 1983, №5.-С. 28-30.

43. Нейман JI.P. Поверхностный эффект в ферромагнитных телах / Л.Р.Нейман. — Л.: Госэнергоиздат, 1949. — 190 с.

44. Олейников А. М. Анализ характеристик и свойств асинхронных двигателей с массивными роторами / А. М. Олейников // Электротехника. — 1974, № 3. С. 6-8.

45. Постников И.М. Вихревые токи в синхронных и асинхронных машинах с массивным ротором / И. М. Постников // Электричество. — 1958, № 10.-С. 7-14.

46. Постников И.М. Годограф тока и параметры массивного ротора асинхронной машины / И. М. Постников, Л. Б. Остапчук, В. И. Постников // Электричество, 1975. №1. - С. 38-42.

47. Постников И.М. Магнитное поле и параметры схемы замещения массивно-роторной машины при малых скольжениях / И.М. Постников, И.Д. Майергойз, В.И. Постников // Электричество. — 1977, №4. -С. 35-39.

48. Применение метода проводимостей зубцовых контуров для расчета электромагнитных полей в электрических машинах. — М.: Информэлектро, 1985.-32 с.

49. Пульер Ю.М. Индукционные электромеханические элементы вычислительных и дистанционно-следящих систем / Ю. М. Пульер. — М.: Машиностроение, 1964. -256 с.

50. Путилин К.П. Асинхронный двигатель с двухслойным анизотропным ротором / К. П. Путилин // Изв. АН Латв. ССР. 1979, № 6. -С. 101-107.

51. Руководство пользователя плат 6023Е/6024Е/6025Е. Многофункциональные платы ввода/вывода для компьютеров с шинами PCI, PXI и CompactPCI / Перевод с английского, верстка К. Ю. Галишникова : National Instruments Corporation, 2001. — 116 с.

52. Сабоннадьер Ж.-К. Метод конечных элементов и САПР: Пер. с франц. / Ж.-К. Сабоннадьер, Ж.-Л. Кулон М.: Мир, 1989. - 190 с.

53. Сарапулов Ф.Н., Расчет характеристик холостого хода индукционных двигателей на основе магнитных схем замещения / Ф. Н. Сарапулов, Н. М. Пирумян, Ю. В. Барышников // Электричество, 1973. № 2. -С. 15-18.

54. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов: Пер. с англ./ Л. Сегерлинд М.: Мир, 1979. - 392 с.

55. Сильвестр П. Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров-электриков: Пер. с англ. / П. Сильвестр, Р. Феррари — М.: Мир, 1986.-229 с.

56. Синев Н.М. Герметические водяные насосы атомных энергетических установок / Н. М. Синев, П. М. Удовиченко. — М.: Атомиздат, 1967. 375 с.

57. Стрельников А. Н. Определение оптимальной длины двухслойного массивного ротора / А. Н. Стрельников // Электротехника. 1974, № 3. — С. 12-15.

58. Темлякова З.С. О новом подходе к проектированию электрических машин на основе численного моделирования / З.С. Темлякова, М.Г. Персова, Ю.Г. Соловейчик и др. // Электротехника. -2007. № 9. — С. 15-21.

59. Филонов С.А. Допущения и математический аппарат анализа двигателя с двухслойным зубчатым ротором / С.А. Филонов, P.O. Нюхин // Электротехнические комплексы и системы управления, № 3, 2009, с. 34 -37.

60. Филонов С.А. Исследование опытного образца асинхронного двигателя с железомедным зубчатым ротором / С.А. Филонов, P.O. Нюхин // Электротехнические комплексы и системы управления, № 4, 2009, с. 33 -36.

61. Филонов С.А. Численное решение задач электромагнитного поля / С.А. Филонов, P.O. Нюхин // Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники. Инженерные идеи XXI века: Тр. всерос. конф. студентов и молодых учёных. Воронеж ВГТУ, 2009 с. 35 - 36.

62. Шенфер К.И. Ротор асинхронного двигателя в виде массивного железного цилиндра / К. И. Шенфер // Электричество. 1926, № 2. - С. 86-89.

63. Шумилин Г.Д. Исследование показателей использования габаритной мощности асинхронной машины с массивным ротором / Г. Д. Шумилин // В кн.: Сб. тр. 3 Всесоюзной конф. по бесконтакт, электр. машинам. — Рига: Зинатне, 1966. Т. 2. - С. 257-263.

64. Analysis of solid rotor induction machines using coupled analytical method and reluctance networks / Mirzaei Mehran, Mirsalim Mojtaba, Cheng Weiying, Gholizad Hooshang. // Int. J. Appl. Electromagn. and Mech. — 2007. — 25, № 1-4, p. 193-197.

65. Analysis of torsional torques in starting of large squirrel-cage induction motors / Shaltout Adel A. // IEEE Trans. Energy Convers. 1994. - 9, № 1. - p. 135-141.

66. ANSYS Theory Reference. 001242., Eleventh Edition. SAS IP, Inc. 1286p.

67. A time-stepped 2D-3D finite element method for induction motors with skewed slots modeling / Dziwniel P., Piriou F., Ducreux J.-P., Thomas P. // IEEE Trans. Magn. 1999. - 35, № 3. - p. 1262-1265.

68. Biendinger Jean-Marie Formulation pseudo-3D de la diffusion du champ magnetique duns un rotor ferromadnetique massif. Application a letude des effects d6xtremite // Rev. Phys. Appl., 1990. V. 25, № 7. - P. 669-686.

69. Chalmers В. J., Woodlley J. General theory of solid rotor induction machines. Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, 1972. - V. 119, № 9.-P. 1301-1308.

70. Christoph C. Zur Theorie des Drehstrom-Asynchronon motors with un-laminated rotors. Proc. ETZ A, 1966, № 87. - S. 137-144.

71. Coupled axisymmetric analytical and finite element analysis for induction devices having moving parts / Mohellebi H., Latreche M. E., Feliachi M. // IEEE Trans. Magn. 1998. - 34, № 5, Pt 1. - p. 3308-3310.

72. Different finite-element approaches for electromechanical dynamics: Докл. 14 Annual Conference on Computation of Electromagnetic Fields

73. COMPUMAG'03), Saratoga Springs, N. Y., July 13-17, 2003. / Bottauscio Ori-ano, Chaimpi Mario, Manzin Allessandra // IEEE Trans. Magn. 2004. - 40. — № 2, part 2.- p. 541-544.

74. Direct modeling of induction motors with skewed rotor slots using 2-D multi-slice model and time stepping FEM / Fu Wei-nong, Jiang Jian-zhong // Shanghai Univ. 2000. - 4. № 2. - p. 133-139.

75. Dorairaj K. R., Krishnamurthy M. R. Polyphase induction machine with slitted ferromagnetic rotor // IEEE Trans (PAS). 1967, №7 (86). - P. 835-856.

76. Effects of numerical formulation on magnetic field computation using meshless methods / Lee Kok-Meng, Li Qiang, Sun Hungson (Georgia Institute of Technology) // IEEE Trans. Magn. 2006. - 42, № 9, p. 2164-217.

77. Fuller B. L., Trichey P. H. Equivalent drag cup resistance // AIEE Power Appar. And Syst.- 1962, № 8.-P. 1544-1551.

78. Generation and rotation of 3-D finite element mesh for skewed rotor induction motors using extrusion technique / Ho S. L., Fu W. N., Wong H.C. // IEEE Trans. Magn. 1999. - 35, № 3. - p. 1266-12697.

79. Induction motor modelling using finite elements: Papp. Conf. int.

80. Mach. Elec. (ICEM), Paris, Sept., 1994 / Williamson S. // Rev. gen. elec. 1994. -№8.-p. 2-8.

81. Jamieson R. A. Eddi-current effects in solid iron rotors. Proc. IEE — 1968. — V.115, № 6. - P. 813-820.

82. Modeling of induction machines with skewed rotor slots / Tenhunen A., Arkkio A. // IEEE Proc. Elec. Power Appl. 2001. - 148, № 1. - p. 45-50.

83. Modeling skewed rotor slots within two-dimensional finite element analysis of induction machines / Tenhunen Asmo // Acta polytectn. scand. Elec. Eng. Ser. 2000, № 102.-p. 1-70.

84. Moser H. Gerauschunter suchunden und elektrischen maschienen // SEV. 1935, № 12. — S. 20.

85. Moser H. Gerauschunter suchunden und elektrischen maschienen // SEV. 1938, № 6. - S. 7.

86. Nicolae Galan Motorul acincron cu rotor masiv anizotrop. Buletinue institutului politehnic. — Bucuresti, Gheorghe Gheorghiutuej. - 1975. - T.37, № 3. -P. 89-96.

87. On the domain decomposition and transmission line modelling finiteielement method for time-domain induction motor analysis / Flack Tim J., Knight Rachel J. // IEEE Trans. Magn. 1999. - 35, № 3. - p. 1290-1293.

88. Polyphase induction motor performance computed directly by finite elements / Brauer J., Sadeghi H., Osterlei R. // IEEE Trans. Energy Convers. 1999. -14, №3.-p. 583-588.

89. Rajagopalan P. K., Murthy R. B. Effects of axial stils on the performance of induction machines with solid iron rotors. IEEE, Trans. (PAS). —1969. — V. 88, № 11.-P. 1350-1357.

90. Rudenberg R. Wirbelstromverluste in massiven Polschunen // ETZ. — 1905.-V.26.-S. 181.