автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Построение электроприводов на базе самотормозящихся асинхронных двигателей различных конструкций

/

Кубанский государственный технологический университет

Построение электроприводов на базе самотормозящихся асинхронных

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

08.00.20 - Экономика стандартизации и управление качеством продукции

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор

Б.Х. Гайтов;

кандидат экономических наук, доцент А.И. Горбатовский

ПОПОВ СЕРГЕИ АНАТОЛЬЕВЕ

двигателеи различных конструкций ^

Краснодар - 1998

СОДЕРЖАНИЕ с.

ВВЕДЕНИЕ........................................................................... 4

I.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 .Общие сведения.............................................................. 9

1.2.Способы и средства формирования осевых усилий в двигателях с целью самоторможения. Их сравнительный анализ.............................................................................. 10

1.3.Методы расчета осевых усилий известных конструкций САД............................................................................ 36

1.4.Вывод ы......................................................................... 41

II.РАЗРАБОТКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ САД

2.1 .Общие сведения.............................................................. 43

2.2.Разработка цилиндрических САД с осемагнитно- асимметричным ротором (САД с ОАР).......; ..................... 44

2.3.Разработка методики расчета осевь^х'Мек^ШЯагнитных усилий в САД с ОАР........................V. .тГ: .;....................... 48

2.4.Разработка самотормозящихся аксиальных асинхронных двигателей (С А АД)........................................................ 65

2.5.Вывод основных геметрических соотношений в СААД 69

2.6.Разработка методики расчета осевых электромагнитных усилий в СААД.................................................................. 75

2.7.Вывод ы......................................................................... 81

НЕМАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ САД с ОАР С

УЧЕТОМ НАСЫЩЕНИЯ

3.1. Общие сведения.............................................................. 83

3.2.0бобщенный ЭМПЭ как основа для моделирования САД..... 84

3.3.Обобщение модели ЭМПЭ с учетом аксиальных усилий........ 85

3.4.Обобщение и преобразование математической модели САД с

ОАР с учетом насыщения................................................ 91

3.5.Вывод ы......................................................................... 99

IY.ИССЛЕДОВАНИЕ САД с ОАР

4.1. Общие сведения.............................................................. 100

4.2.Преобразование дифференциальных уравнений САД с ОАР с учетом насыщения......................................................... 100

4.3.Установление функциональных связей между параметрами и динамическими характеристиками САД с ОАР. Применение метода планирования эксперимента................................. 104

4.4.0боснование программы и методики экспериментального

исследования.................................................................. 116

4.5,Обоснование рационального экспериментального стенда................................................................................. 116

4.6. Выводы........................................................................ 121

с.

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕХАНИЗМА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ПРОДУКЦИИ И

ПРЕДПРИЯТИЕМ В ЦЕЛОМ............................................ 122

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................... 158

ЛИТЕРАТУРА..................................................................... 159

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 .Программа расчета электромагнитных переходных процессов в САД с ОАР....................... 172

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.Результаты расчета электромагнитных переходных процессов в САД с ОАР....................... 190

ПРИЛОЖЕНИЕ З.Акт о внедрении результатов НИР.................. 196

ПРИЛОЖЕНИЕ 4.Постановление правительства Российской

Федерации о присуждении премий в области

качества...................................................... 197

ПРИЛОЖЕНИЕ 5.Заявка на участие в Программе «100 лучших

товаров России» 198

ВВЕДЕНИЕ

Развитие индивидуального привода и оснащение промышленности высокопроизводительными автоматическими линиями и машинами ставит перед электромашиностроением задачи по созданию совершенных конструкций электрических машин, которые за счет увеличения скорости и сокращения непроизводительного времени, затрачиваемого на их остановку, должны значительно повысить производительность исполнительных механизмов [6, 7, 11, 32, 35, 41, 46, 51, 53, 54].

В настоящее время наиболее массовой продукцией электромашиностроения являются асинхронные электродвигатели (АД), которые широко применяются в различных отраслях промышленности и в сельском хозяйстве.

Для нормальной эксплуатации большинства машин и механизмов необходимы АД с надежно действующими тормозными устройствами, обеспечивающими в нужный момент быструю и точную остановку электропривода.

Значение тормозных устройств существенно возрастает в связи с увеличением движущихся масс, скоростей движения и частоты торможения. За последние годы разработано и освоено большое количество конструктивных разновидностей таких устройств [57, 59, 60, 65, 91, 92, 96, 123].

Изучение и зарубежных каталогов показывает, что в настоящее время электродвигатели с тормозными устройствами выпускаются во всех про-мышленно развитых странах, при этом основная масса электродвигателей изготавливается со встроенными электромагнитными тормозами постоянного и переменного тока.

Отечественной промышленностью электродвигатели со встроенными электромагнитными тормозами постоянного и переменного тока практиче-

ски не выпускаются, за исключением небольших партий электродвигателей, которые изготавливаются на заводах «Вольта», «Динамо» и др.

Данные конструкции, как правило, громоздки и устанавливаются рядом с приводным механизмом.

В настоящее время из всех известных конструкций наиболее перспективным направлением в этой области является самотормозящийся асинхронный двигатель (САД) со встроенным тормозом [96, 109, 112], который получил наибольшее распространение в силу своих конструктивных преимуществ. Такие электродвигатели находят применение в станкостроении, в промышленных и строительных подъемно-транспортных механизмах, в деревообрабатывающей и перерабатывающей промышленности, различных агрегатах и автоматических линиях [106, 113]. Их быстрое развитие вызвано тем, что управление тормозным устройством осуществляется с помощью магнитного потока самого электродвигателя, что позволяет спроектировать САД довольно простой, компактной, надежно действующей конструкции, которая исключает возможность неправильного или ошибочного действия. Кроме этого, САД позволяет резко увеличить число торможений, обеспечить постоянство тормозного момента, улучшить тепловой режим двигателя, упростить схему управления и сократить количество пусковой аппаратуры.

Потребность в этих электродвигателях из года в год увеличивается, однако до настоящего времени еще не удалось создать такие электродвигатели, которые удовлетворяли бы всем требованиям, предъявляемым к электродвигателям с тормозным устройством. Поэтому актуальными являются вопросы совершенствования конструкций САД, разработки методики расчета осевых усилий в САД различных конструктивных исполнений, разработка математической модели, построения рациональных электроприводов на основе САД.

Цель работы. Целью работы является разработка перспективных конструкций, методик расчета осевых электромагнитных усилий и математических моделей САД и управление качеством их производства на основе сертификации предприятия.

Задачи исследования. Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

-разработка перспективных конструкций САД посредством формирования магнитной асимметрии магнитопровода в осевом и радиальном направлениях;

-разработка методики расчета осевого электромагнитного усилия в самотормозящемся асинхронном двигателе с осемагнитно - асимметричным ротором (САД с ОАР) с учетом осевой магнитной анизотропии ротора и осевого сдвига ротора относительно статора;

-разработка методики расчета осевого электромагнитного усилия в самотормозящемся аксиальном асинхронном двигателе (СААД);

-определение основного геометрического соотношения магнитопрово-дов статора и ротора в СААД;

-создание математической модели САД с ОАР с учетом насыщения, с целью определения осевого электромагнитного усилия в динамических режимах;

-создание более надежного в эксплуатации САД, экономичного по трудозатратам и с большим числом выполняемых функций.

Методика исследований. Исследования проводились с помощью теории обобщенного электромеханического преобразователя энергии с применением математического аппарата матричного анализа электрических машин, теории поля и теории электрических цепей. Поставленные задачи решены аналитическими, численными и экспериментальными методами с использованием метода планирования эксперимента. Экспериментальные исследования проведены на экспериментальном образце САД с ОАР, с помощью специально разработанного стенда.

Автор защищает:

-методику расчета осевого электромагнитного усилия в САД с ОАР с учетом осевой магнитной анизотропии ротора и осевого сдвига ротора относительно статора;

-методику расчета параметров САД с ОАР с учетом перемещения ротора;

-методику расчета осевого электромагнитного усилия в СААД; -определение основного геометрического соотношения магнитопрово-дов статора и ротора в СААД;

-математическую модель САД с ОАР с учетом насыщения; -методику внедрения различных систем управления качеством работы предприятий электротехнической промышленности. Научная новизна:

-в работе предложены методики расчетов осевых электромагнитных усилий в САД с ОАР и СААД;

-определены основные геометрические соотношения магнитопроводов статора и ротора в СААД с целью их оптимизации;

-предложена методика расчета параметров САД с ОАР с учетом перемещения ротора;

-разработана математическая модель САД с ОАР на основе обобщенного электромеханического преобразователя энергии (ЭМГТЭ) с учетом насыщения, осевой магнитной асимметрии ротора и изменения параметров двигателя в зависимости от перемещения ротора для исследования динамических характеристик машины;

-разработана методика технико-экономического сравнения вариантов САД.

Практическая ценность:

-разработаны методики расчета осевых электромагнитных усилий в САД с ОАР и СААД;

-полученное аналитическое соотношение геометрических размеров магнитопровода СААД является определяющим при проектировании, так как это позволяет уменьшить массогабаритные и стоимостные показатели электропривода;

-на основе методики расчета осевых электромагнитных усилий был построен и испытан САД с ОАР.

-получен быстрый и точный способ остановки электропривода.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Общие сведения

Повышенные требования к точности автоматического останова, при малом выбеге исполнительного двигателя, вызывают появление работ в которых для торможения электродвигателей предлагаются различные тормозные конструкции тормозов и электродвигателей.

Над проблемой создания компактных двигателей с тормозом, позволяющих обеспечить с наименьшими затратами быстрый и точный останов электропривода, работают как отечественные, так и зарубежные фирмы, выпускающие электрооборудование [6, 7, 11, 20, 21, 24, 28, 37, 48, 51, 85, 86, 91, 109, 111].

Как показывает практика, перспективным направлением в этой области является разработка и создание САД [20, 21, 24, 28, 32, 53, 85, 91, 96, 109, 111-113, 130].

Начало активного изучения САД совпадает с созданием в 1926 г. фирмой "Demag" (Германия) самотормозящегося конусного двигателя, имевшего тормозную конструкцию, при которой ротор перемещался в осевом направлении и через систему рычагов действовал на колодочный тормоз. В 1938 г. тормоз был встроен в двигатель, и его тормозной диск вместе с валом ротора осуществлял вращательное и осевое перемещение.

На сегодняшний день в нашей стране и за рубежом известно большое число конструкций САД. Проблема выбора САД - задача многоплановая и должна увязываться с общими требования к технологии производства и технико-экономическими показателями электропривода в целом.

1.2. Способы и средства формирования осевых усилий в двигателях с целью самоторможения. Их сравнительный анализ

АД быстрого останова, снабженные тормозным устройством делятся

на:

-электродвигатели со встроенным или пристроенным электромагнитным тормозом;

-самотормозящиеся.

У электродвигателей со встроенным или пристроенным тормозом управление тормозным устройством осуществляется посредством специальной обмотки.

САД представляют собой электропривод, который объединяет электродвигатель и тормоз в виде единого механизма с общей электромагнитной системой, то есть управление тормозом осуществляется магнитным потоком самого электродвигателя. Именно этот тип двигателей является в настоящее время наиболее распространенным и в силу своих преимуществ (в конструкции и в характеристиках) сохраняет свою ведущую роль в практике самотормозящихся электроприводов в обозримом будущем.

В настоящее время из литературы известно большое количество конструктивных исполнений САД [6, 24, 53, 91, 112]. На основе проведенного анализа была составлена классификация САД по конструктивным признакам, которая изображена на рис. 1.1.

Рассмотрим типичные конструктивные схемы САД и проведем их сравнительный анализ.

САД с вспомогательным ротором

Основным конструктивным признаком этих электродвигателей является то, что рядом с рабочим ротором, передающим вращающий момент, закреплен вспомогательный ротор, который служит для создания осевого усилия, необходимого для управления тормозной системой.

С ОГРАНИЧЕННЫМ УГЛОМ ПОВОРОТА

ВРАЩАЮЩИМСЯ

КОНИЧЕСКИМ

ОСЕМАГНИТНО - АСИММЕТРИЧНЫМ

АКСИАЛЬНЫМ

ИЗ ПАКЕТОВ МАГНИТНОГО И НЕМАГНИТНОГО МАТЕРИАЛА

С ПРОТОЧКАМИ

С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ЯКОРЕМ

НА ПОЛОМ ВАЛУ

НА СПЛОШНОМ ВАЛУ

ВНУТРИ ПАКЕТА СТАТОРА

В ЯРМЕ СТАТОРА

В ЯРМЕ РОТОРА

У ЛОБОВОЙ ЧАСТИ ОБМОТКИ СТАТОРА

С АКСИАЛЬНЫМ СМЕЩЕНИЕМ

БЕЗ АКСИАЛЬНОГО СМЕЩЕНИЯ

ОХВАТЫВАЮЩЕЙ КОРОТКОЗАМКНУТОЕ КОЛЬЦО

РОТОРА

ПРИМЫКАЮЩЕЙ К КОРОТКОЗАМКНУТОМУ КОЛЬЦУ

_РОТОРА_

ПРИМЫКАЮЩЕЙ К ВСПОМОГАТЕЛЬНОЙ ЧАСТИ

СТАТОРА

ПРИМЫКАЮЩЕЙ К ВСПОМОГАТЕЛЬНОЙ ЧАСТИ РОТОРА

ВХОДЯЩЕЙ ВНУТРЬ ПАКЕТА СТАТОРА

ВХОДЯЩЕЙ В ТЕЛО TOTOPA

Рис. 1.1 Классификация самотормозящихся асинхронных двигателей по конструктивным признакам

с

А

М

О

т

о

р

м -

о

3

я

щ

и

и

€

Я

э

л

Е

К

т

р

о -1

Д

в

и

г

А

т

Е

Л

ь

С ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМ РОТОЮМ

СО СМЕЩАЮЩИМСЯ РОТОРОМ

С РОТОЮМ, ИМЕЮЩИМ СВОБОДНЫЙ ХОД

с

ЯКОРЕМ

С ПОВОРОТНЫМ СТАТОРОМ

с

ВТУЛКОЙ-ВСТАВКОЙ

Конструкции САД с вспомогательным ротором можно разделить на две группы.

1. САД с вспомогательным ротором, имеющим ограниченный угол поворота

Схематично конструкция изображена на рис. 1.2. В этих электродвигателях вспомогательный ротор может поворачиваться относительно вала на определенный (ограниченный) угол. При подаче напряжения на обмотку статора вал с рабочим ротором находится в заторможенном состоянии, а вспомогательный ротор под действием магнитного потока начинает поворачиваться и через винтовую передачу воздействовать на тормозное устройство [53].

САД с вспомогательным ротором имеют следующие недостатки: сложность конструкции; часть магнитного потока статора расходуется на создание растормаживающего усилия, что приводит к увеличению габаритов электродвигателя; вспомогательный ротор работает в режиме короткого замыкания и поэтому имеет низкие энергетические характеристики, увеличенный нагрев двигателя.

2. САД с вращающимся вспомогательным ротором

Схематично конструкция изображена на рис. 1.3. В данной конструкции вспомогательный ротор может вращаться с основным ротором и смещаться аксиально. При подаче напряжения на обмотку статора магнитный поток действует на вспомогательный ротор и, преодолевая сопротивление пружины, растормаживает двигатель [53].

Преимуществом данной конструкции является то, что вспомогательный ротор, так же как и рабочий, формирует и передает вращающий момент, то есть уменьшает потери электродвигателя.

Недостатками данного типа САД являются: сложность конструкции и увеличенная длина пакета статора; сложность связи вспомогательного ро-

tli1 " 1"| Щ V D С li

'А, /у л

i"l £ Щ n\\\ V «« II

11 п - ■

Рис. 1.2 Электродвигатель с вспомогательным ротором, имеющим

ограниченный угол поворота

Рис. 1.3 Электродвигатель с вращающимся вспомогательным ротором

тора и тормозного устройства; сложность изготовления вспомогательного ротора.

САД со смещающимся ротором

Эта группа САД является одной из самых эффективных, а поэтому и наиболее распространенных. Основным конструктивным признаком является наличие только одного аксиально смещающегося рабочего ротора, который формирует вращающий момент и в то же время управляет тормозящим моментом в процессе торможения и растормаживания электропривода.

САД со смещающимся ротором делятся на шесть групп.

1. САД с коническим смещающимся ротором

Схематично конструкция изображена на рис. 1.4. В этих электродвигателях расточки статора и ротора выполнены в виде кону