автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Разработка и исследование многополосных однофазных асинхронных двигателей с сосредоточенными обмотками

ВВВДЕНИЕ

1. ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ МНОГОПОЛЮСНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ОСОБЕННОСТИ ИХ РАСЧЕТА. (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1. Анализ конструкций многополюсных однофазных асинхронных двигателей в зависимости от области применения.

1.2. Методы построения и исследования математических моделей однофазных асинхронных двигателей.

1.3. Выводы из обзора конструкций и методов их анализа. Постановка задачи

2. ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ВОЗДУШНОМ ЗАЗОРЕ МНОГОПОЛЮСНЫХ ОДНОФАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

2.1. Основные положения и допущения

2.2. Магнитное поле в воздушном зазоре асинхронного конденсаторного двигателя с сосредоточенными обмотками

2.3. Особенности расчета магнитного поля в воздушном зазоре асинхронного двигателя с экранированными полюсами

2.4. Выводы.

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МНОГОПОЛЮСНЫХ ОДНОФАЗНЫХ

АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

3.1. Система уравнений токов и напряжений ОАД с учетом высших гармонических

3.2. Определение индуктивных параметров многополюсных асинхронных двигателей.

3.3. Выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПАЗОВОГО РАССЕЯНИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ЭКРАНИРОВАННЫМИ ПОЛЮСАМИ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

4.1. Основные положения.♦.

4.2. Метод конечных элементов и его применение для расчета магнитного поля.

4.3. Расчет магнитного поля пазового рассеяния короткозамкнутого витка методом конечных элементов. Определение параметров

4.4. Выводы.

5. ВОПРОСЫ РАСЧЕТА И ОПТИМИЗАЦИОННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МНОГОПОЛЮСНЫХ ОДНОФАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

5.1. Программный комплекс для расчета ОАД.

5.2. Анализ результатов поверочных расчетов ОАД для потолочных вентиляторов и их сравнение с экспериментальными данными.

5.2.1. Анализ результатов поверочных расчетов асинхронных исполнительных двигателей

5.3. Постановка задачи оптимизации ОАД для потолочных вентиляторов и выбор критерия оптимальности

5.4. Алгоритм оптимизационного расчета ОАД для потолочных вентиляторов.ИЗ

5.5. Анализ результатов оптимизации ОАД для потолочных вентиляторов

5.6. Выводы.

Электротехническая промышленность является ведущей отраслью народного хозяйства СССР. Ее продукция используется почти во всех промышленных установках, в сельском хозяйстве, в быту. Электрические машины в общем объеме производства электротехнической промышленности занимают основное место, их эксплуатационные свойства имеют важное значение для всей экономики в целом.

Повышение культурного уровня и благосостояния советских людей вызывает необходимость расширения производства и совершенствования бытовых приборов, облегчающих условия труда и способствующих комфортному отдыху. К таким приборам относятся, в частности, приборы микроклимата, в которых в качестве приводных двигателей используются однофазные асинхронные двигатели различных конструкций, характерной особенностью которых является большое число полюсов (2р >16) при числе пазов на полюс и фазу равном единице.

Стремление довести до минимума число передаточных звеньев между двигателем и функционально-исполнительным механизмом часто приводит к разработке двигателей специальных исполнений. Высокие темпы роста производства этих двигателей и большие объемы их выпуска делают важной задачу улучшения их качества, снижения материалоемкости, повышения энергетических показателей. Этого можно добиться применением новых, более экономичных материалов, новой прогрессив* ной технологии. Экономия материальных и энергетических ресурсов может быть достигцута и за счет расчетной оптимизации.

Однако существующие методики расчета однофазных асинхронных двигателей, разработанные применительно к машинам с небольшим числом полюсов (2р ^ 6), не дают удовлетворительных результатов при использовании их для многополюсных однофазных асинхронных двигателей. Они не учитывают конструктивно-технологических особенноетей многополюсных машин, в первую очередь малую величину полюсного деления и относительно большое раскрытие пазов. Это приводит к неточному определению индуктивных параметров обмоток машин, связанных с магнитным полем в воздушном зазоре и полями рассеяния этих двигателей.

Отсутствие достаточно точных математических моделей приводило при разработке многополюсных однофазных асинхронных двигателей к большим затратам времени и расходам на макетирование, экспериментальные исследования и доводку.

В связи с этим возникает необходимость создания уточненных математических моделей с применением новых методов исследования электромагнитных и электромеханических характеристик, адекватно отражающих реальные физические процессы в машинах.

Перед диссертантом стояла задача создания математической модели многополюсных однофазных асинхронных двигателей с сосредоточенными обмотками, учитывающей их конструктивные и технологические особенности, бесконечный спектр пространственных гармонических магнитного поля в воздушном зазоре, и разработка на ее основе новых двигателей с улучшенными технико-экономическими показателями.

Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие основные вопросы:

1. Исследование магнитного поля в воздушном зазоре многополюсных однофазных асинхронных двигателей с сосредоточенными обмотками.

2. Исследование магнитного поля рассеяния обмоток двигателей.

3. Уточнение индуктивных параметров двигателей.

4. Создание новой математической модели многополюсных однофазных асинхронных двигателей с сосредоточенными обмотками.

5. Создание комплекса алгоритмов и программ поверочных и оптимизационных расчетов многополюсных однофазных асинхронных двигателей.

6. Разработка многополюсных двигателей для потолочных вентиляторов с улучшенными технико-экономическими показателями.

Первая глава диссертации посвящена обзору конструкций, методов расчета и оптимального проектирования многополюсных однофазных асинхронных двигателей.

Во второй главе исследуется поле в воздушном зазоре многополюсных однофазных асинхронных двигателей с учетом их конструктивно-технологических особенностей. Проводится гармонический анализ поля.

В третьей главе результаты исследования магнитного поля в воздушном зазоре используются для определения индуктивных параметров двигателей. Записана система уравнений электрического равновесия однофазных двигателей с произвольным углом сдвига между фазами. На ее основе как частные случаи рассматриваются конденсаторные двигатели и двигатели с экранированными полюсами.

Четвертая глава посвящена определению индуктивного сопротивления пазового рассеяния короткозамкнутого витка, основанному на расчете методом конечных элементов магнитного поля тока в произвольно расположенном в пазу проводнике.

В пятой главе рассмотрены вопросы оптимизационного проектирования многополюсных однофазных асинхронных двигателей и выработаны рекомеццации по улучшению их энергетических и массо-габаритных показателей. Разработаны и внедряются в производство двигатели для потолочных вентиляторов ВПК15-"Союз", ВП9-"Зангезур" и ВП12-пЗанзе1,ури с улучшенными технико-экономическими показателями.

При исследовании многополюсных однофазных асинхронных двигателей в работе использованы аналитические, экспериментальные и численные методы, а также методы физического моделирования. Все расчеты проведены с применением ЭВМ. Программы для ЭВМ написаны на алгоритмическом языке ФОРТРАН и построены по блочному принципу.

Создание математической модели многополюсных однофазных асинхронных двигателей с сосредоточенными обмотками, опирающейся на исследование магнитного поля и теорию цепей, и на ее основе алгоритма и программ автоматизированного поиска оптимального варианта машины позволяет при разработке двигателей нового поколения обеспечить экономию энергетических и материальных ресурсов, повысить уровень качества и значительно сократить общие сроки проектирования с одновременным уменьшением объема макетных испытаний и доводочных работ.

I. ОБЗОР КОНСТРУКЦИИ МНОГОПОЛЮСНЫХ ОДНОФАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ОСОБЕННОСТИ ИХ РАСЧЕТА

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

5.6. Выводы

I. Исследование различных многополюсных однофазных асинхронных двигателей с сосредоточенными обмотками на статоре по предложенной математической модели показало, что она имеет хорощую

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования многополюсных однофазных асинхронных двигателей с сосредоточенными обмотками позволяют сделать следующие выводы:

1. Математическая модель многополюсных однофазных асинхронных двигателей с сосредоточенными обмотками, разработанная на основе сочетания теории обобщенного электромеханического преобразователя энергии е исследованием магнитного поля, может быть рекомендована для их автоматизированного проектирования. Применение ортогональных координат для статора и симметричных составляющих для ротора позволило получить математическую модель в наиболее удобной форме с точки зрения представления связей мевду обмотками. Она адекватно отражает физические процессы, происходящие в подобных машинах и позволяет с достаточной точностью рассчитать их электромеханические характеристики с учетом высших пространственных гармонических.

2. Впервые предложена система индуктивных параметров многополюсных однофазных асинхронных двигателей с сосредоточенными обмотками и методика их определения, опирающаяся на аналитический расчет распределения магнитного поля в воздушном зазоре с учетом характерного для этого класса машин относительно большого по сравнению с полюсным делением раскрытия пазов статора. Предложенный для расчета параметров алгоритм позволил не только существенно уточнить их значения, но и учесть ивдуктивную связь между симметричными составляющими токов ротора.

3. Разработан алгоритм определения индуктивного сопротивления пазового рассеяния короткозамкнутого витка, основанный на расчете методом конечных элементов магнитного поля тока в проводнике, произвольно расположенном в пазу. Его правильность подтверищена моделированием на электропроводящей бумаге. Алгоритм и программа универсальные и могут быть использованы для решения других полевых задач.

4. Показана возможность уменьшения влияния третьей гармонической в кривой момента у многополюсных двигателей за счет выбора числа пазов ротора из условия получения зубцового деления, равного примерно двум ее периодам, в результате чего ЭДС третьей гармонической в соседних стержнях беличьей клетки совпадают по фазе.

5. Проведенные экспериментальные исследования индуктивных параметров и электромеханических характеристик многополюсных однофазных асинхронных двигателей различных типов подтвердили адекватность разработанной математической модели и позволили на ее основе создать программный комплекс для их анализа и синтеза.

6. Выполненные поисковые расчеты ряда двигателей для потолочных вентиляторов позволили дать рекомеццации по экономии материалов и улучшению энергетических показателей по сравнению с серийно выпускаемыми машинами и разработать новый двигатель с высокими технико-экономическими показателями. Например, в конденсаторном двигателе для потолочного вентилятора ВПК15-пСоюз" достигнута экономия электротехнической стали около 12$ при одновременном уменьшении мощности потребления на 6-4%.

7. Проведенные исследования и оценка закономерностей, выявленных при расчетах многополюсных однофазных асинхронных двигателей с сосредоточенными обмотками показывают, что разработанный комплекс алгоритмов и программ поверочных и оптимизационных расчетов может быть рекомеццован в качестве расчетно-теоретической основы для их автоматизированного проектирования.

1. Адаменко А.И. Методы исследования несимметричных асинхронных машин.-Киев: Наукова думка, 1969.-356 с.

2. Адаменко А.И. Однофазные конденсаторные двигатели.- Киев: Изд. АН УССР, i960.-247 с.

3. Адаменко А.И. Несимметричные конденсаторные двигатели.- Киев: Изд. АН УССР, 1962.-212 с.

4. Лопухина Е.М., Сомихина Г.С. Асинхронные микромашины с полым ротором.-М.: Энергия, 1967.-488 с.

5. Лопухина Е.М., Сомихина Г.С. Расчет асинхронных микродвигателей однофазного и трехфазного тока. -М.-Л.: ГЭИ, 1962, 312 с.

6. Лопухина Е.М., Семенчуков Г.А. Проектирование асинхронных микродвигателей с применением ЭВМ. М.: Высшая школа, 1980. -359 с.

7. Постников И.М. Проектирование электрических машин.-Киев: ГИТЛ, i960, -910 с.

8. Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств. -Высшая школа: 1976,-416 с.

9. Иванов-Смоленский A.B. Электромагнитные поля и процессы в электрических машинах и их физическое моделирование. -М.Энергия, 1969.-304 с.

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

11. Копылов И.П., Горяинов i.A., Клоков Б.К. и др.: Под ред.Копы-лова И.П.т М.: Энергия, 1980. 496 с.

12. Уайт Д., Цудсон Г. Электромеханическое преобразование энергии. М.-Л.: Энергия, 1964.-352 с.

13. Тозони О.В. Математические модели для расчета электрических и магнитных полей.-Киев:Наукова думка,1964. -303 е.*14