автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Разработка однофазных асинхронных двигателей малой мощности с пониженными энергопотреблением и уровнем магнитных вибраций

ЮСКОВСКИЙ ордена ЛЕНИНА и ордена ОКТЯБРЬСКОЙ РЕГОЛГЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

шшкдо Владимир Геннадьевич

РАЗРАБОТКА 0ДШАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МАЛОЙ МОЩНОСТИ С ПОНИЖЕННЫМИ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ И УРОВНЕМ МАГНИТНЫХ ВИБРАЦИЙ

Специальность 05.09.01 - электрические машины

■' Л'

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Косхт - 1991

/V 1^/УЛ

Работа выполнена на кафедре электромеханики Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент ЫВДВВДЕВ В.Т.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, доцент ,

ЕЙШЕНКО Е.И.

кандидат технических наук,

ДАДОАШИ Ф.П.

Ведущее предприятие - Всесоюзный научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт электромашиностроения (ВНИПТИЭИ) г.Владимир

Защита состоится " -¿/¿Ж^Л 1991 г. на заседании Специализированного Совета К 053.16.04 Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института в аудитории ¿¿у?. в час. иии.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 105835 ГШ, Москва Е-250, Красноказарменная ул., д.14. Учений Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮИ.

Автореферат разослал

1991 г.

Ученый секретарь Специализированного

Совета К 053.16.04 И.Ы.Беседин.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность работы. Однофазные асинхронные двигатели (ОАД) с распределенной обмоткой на статоре, отличавщиеся простотой конструкции и высокой надежностью, широко применяются в народном хозяйстве. Они являются изделиями многономенклатурнтаи и выпускаются в виде серий и параметрических рядов миллионами штук в год. Наиболее массовыми являются ОАД малой мощности от 6 Вт до I кВт с высотой оси вращения от 40 до 71 мм (двух и четырехголосные) бытового и общего назначения, особенно для привода компрессоров холодильников, стиральных машин, кухонных приборов.

Ускорение темпов разработки и внедрения новых серий и рядов малин малой мощности нового поколения с улучшенными технико-экономическими показателя®, имегоими пониженные расход материалов, энергопотребление и уровень магнитных вибраций невозможно без автоматизации проектных и исследовательских работ. Разработка и исследование математических моделей ОАД открывает широкие возможности для изучения и оптимизации сложных многопараметрических процессов. В зависимости от решаемых задач при автоматизированном проектировании целесообразно применять математические модели с различными уровнями допущений, используадие новейяие достижения электромеханики и математики.

Цель работа и задачи исследований. Целью работы является раз-»-".ботка ОЛД с распределенной обмоткой на статоре, обладающих высокими энергетическими показателями и потиенным уровнем магнитных вибраций на основе развитой подсистемы автоматизированного проектирования ОАД малой мощности. Для этого било необходимо:

- провести анализ конструктивных и схемных решений ОАД и определить пути снижения их материалоемкости, энергопотребления и вибраций магнитного происхождения;

- провести сравнение, оценку и выбор методов исследования электромеханических характеристик ОАД, вибровозмущающих сил (ВВС) и магнитных вибраций;

- разработать и включить в подсистему расчетного проектирования ОАД алгоритмы и программы расчета ВВС и магнитных вибраций;

- разработать математические модели ОАД с регулированием напря-г.?нил во вг.помогателькой фазе, с составным ярмом статора, с синусной обмоткой;

- «--«» единой ».'?*•?этпогшэтгко И основе сравнение схем

згспп'ечи- О*,'!, з^^лв «««гсг.'п и преимущества каждой из них;

- на основе проведенных исследований разработать рекомендации по снижении магнитных вибраций и энергопотребления ОАД;

- разработать ОАД с пониженными энергопотреблением и уровнем магнитных вибраций и провести их экспериментальные исследования.

Методы исследований. В работе использованы аналитические, численные и экспериментальные методы исследований. При разработке математических моделей применялись современные методы исследования магнитных полей и цепей в электрических машинах: конечных разностей (МКР), проводимостей зубцовых контуров (МЗК), индуктивных коэффициентов, симметричных составляющих. .При определении электромагнитных сил, действующих на зубцы статора ОАД, использовался закон сохранения энергии, а исследование динамических деформаций корпуса статора проводилось методом граничных элементов (МГЭ).

Экспериментальные исследования механических характеристик ОАД проводились на специализированной установке АШ-5, разработанной в Каунасской политехническом институте. Измерение магнитных вибраций осуществлялось с использованием комплекта приборов фирмы

» ЯИ " (гдр).

Научная новизна. Разработаны методика и математическая модель по расчету радиальных и тангенциальных электромагнитных сил в ОАД с учетом дискретности расположения обмоток, реальной конфигурации зубцовой зоны, скоса пазов и влияния поперечных токов, протекающих между стержнями ротора.

Впервые оценена неравномерность распределения радиальных и тангенциальных сил по зубцам статора ОАД, и выявлены пути снижения ее влияния на вибрацию корпуса.

Разработан и включен в подсистему расчетного автоматизированного проектирования пакет прикладных программ по расчету электромагнитных сил и вибраций.

Разработана математическая модель ОАД с регулированием напряжения во вспомогательной фазе, определены законы регулирования, позволяющие значительно снизить энергопотребление.

Предложен алгоритм расчета ОАД с составным ярмом статора.

Практическое значение результатов работы. Применение разработанных алгоритмов и пакетов программ расчета ОДД позволяет значительно сократить общие сроки разработки однофазных двигателей,улучшить виброакустические показатели машин и при этом ощутимо снизить средства, затрачиваемые на изготовление и доводку образцов. Предложены конструктивные и схемные решения по снижению амплитуд электромагнитных ВВС, неравномерности их распределения и уровня

вибраций.

Рекомендованы экономичные пути снижения энергопотребления ОАД за счет регулирования напряжения на вспомогательной фазе. Разработан ряд конденсаторных регулируемых: двигателей серии АИРЕ56... с сохранением полезной мощности основного трехфазного исполнения.

Разработаны на базе серии ЛИР однофазные модификации двигателей с пониженными энергопотреблением и уровнем магнитных вибраций.

На основе обоснованных в диссертации рекомендаций по разуни-фикации ротора для однофазных модификаций серии АИРЕ56... разработаны двухполюсные двигатели при разных схемах включения и 17 (вместо - 18) с улучшенными энергетическими показателями и значительно уменьшенными колебаниями пускового момента.

Реализация работы. Разработанные на базе серии АИР однофазные модификации двигателей с пониженными энергопотреблением и уровнем вибраций внедрены на Лобненском электротехническом заводе (ЛЭЗ).

Результаты исследований ОАД и полученные рекомендации переданы в НИИ Электромаш (г.Ереван) для использования в процессе разработки новой серии двигателей АИ2.

Созданные пакеты программ внедрены и использувтся при проектировании модификаций бытовых двигателей серии КД..,/Р и ДАО... в Филиале БНШШЭМ (г.Вильнюс), а также з МЭИ при выполнении курсовик и дипломных проектов и проведении лабораторных работ по курсу ■'Вычислительная математика и программирование".

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на шести конференциях: Всесоюзном научно-техническом совещании "Регулируемые электродвигатели переменного тока" (г.Владимир, 1987 г.), научно-технической конференции "Состояние и перспективы совершенствования, разработки, производства и применения электрических двигателей переменного тока" (г.Владимир, 1988 г.), 5-й Всесоюзной научно-технической конференции "Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов" (г.Каунас, 1988 г.), Всесоюзном научно-техническом совещании "Вопросы проектирования, исследования и производства мощных турбогенераторов и крупных электрических машин" (г.Ленинград, 1988 г.), Всесоюзном научно-техническом совещании "Автоматизация проектирования и производства в электромашиностроении" (г.Владимир, 1969 г.). Всесоюзной научно-технической конференции временя!» • зробчомы электромеханики" (г.Москва, 1989 г.) и на ...--и .'-'^ес.' •'.' '.г;злг;.-• т.; ; . .•.".''"оакуо'гиче огегтрнческих ма-

- б -

Публикации. Содержанке диссертационной работы отражено в 8 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (153 наименования) и трех приложений. Она содержит 148 страниц машинописного текста, 56 рисунков и 22 таблицы.

Основные положения, выносимые на защиту:

- математическая модель расчета радиальных и тангенциальных электромагнитных сил в ОДД с учетом дискретности расположения обмоток, реальной конфигурации зубцовой зоны, скоса пазов и влияния поперечных токов, протекающих между стержнями ротора;

- математическая модель ОДД с регулированием напряжения во вспомогательной фазе;

- алгоритм расчета ОАД с составным ярмом статора;

- результаты и анализ расчетных и экспериментальных исследований . вибровозмуцаюцих сил и магнитных вибраций ОАД;

- рекомендации по снижению материалоемкости, энергопотребления и вибраций в однофазных двигателях;

- разработанные на базе серии АИР ( Ь ■ 56 мм) однофазные модификации двигателей с пониженным энергопотреблением и уровнем магнитных вибрация.

ОЭДЕШНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулирована цель работы и определен круг решаемых задач.

В первой главе диссертационной работы проводится системный анализ конструктивных и схемных решений ОАД с точки зрения снижения материалоемкости, энергопотребления и уровня магнитных вибраций. Рассматривалось внияние на показатели двигателей наиболее значимых факторов: малоотходных конструкций, формы и размеров пазов статора и ротора, конструкций обмоток и схем их включения, регулирования напряжения. Их роль в дальнейшем оценивалась в процессе теоретических и экспериментальных исследований. Проводился критический анализ и сравнение методов математического моделирования, используемых для автоматизированного проектирования. Заметный вклад в этой области внесли труды Сорокера Т.Г., Кольцова И.П.,Бо-родулина D.E., Иванова-Смоленского A.B., Орлова И.Н., Маслова С.И,, Лопухиной Е.М., Семенчукова Г.А., Стрельбицкого Э.К., Ефименко Е.И., Хрущева В.В., Тазова Г.В., Вферова S.U. и рада других ученых.

Особое внимание уделялось методам расчета вибровозмущащих

сил и вибраций. Следует отметить работы Иванова-Смоленского A.B., Шумилова O.A., Астахова Н.В., Медведева В.Т., Титова В,К., Булова-са Р.Э., Малыпева B.C., Полухина В.Ф., Трифоновой Н.П., Баркова A.B., Шубова И.Г. и других ученых. Однако, в опубликованных исследованиях вопросы расчета виброакустических показателей в ОАД отражены недостаточно.

Во второй главе описываются принципы построения многоуровневой математической модели, разработанной на кафедре электромеханики МЭИ в научной группе под руководством Лопухиной Е.М. для автоматизированного проектирования ОАД малой мощности различных исполнений. Уровни ее определяются по степени принятых допущений. Наиболее точная модель, основанная на сочетании методов индуктивных коэффициентов и проводимостей зубцовых контуров, позволяет учесть двухсторонняя зубчатость сердечников, дискретное расположение обмоток, поперечит токи в роторе и применяется при предпроектных исследованиях и для поверочного расчета выбранного варианта. Две другие модели основаны на методе симметричных составляющих. Одна '»3 них учитывает только первуа гармонику и используется для- выбор.! оптимальных обмоточных данных, вторая позволяет учесть высшие пространственные гар.юшчзские и неравномерность наеыцения по продольной и поперечной осям. Они используется для обследования области оптимальных вариантов разрабатываемых двигателей и при поверочтс счетах (детерминированных и вероятностных).

В диссертационной работа математические модели на базе метода симметричных составляющих и их программная реализация были существенно развиты за счет регулируемых двигателей; двигателей с составит ярмом статора, двигателей с синусной обмоткой. Для расчета 1'ДД с составным ярмом статора был разработан алгоритм, основанный на схеме замещения магнитной цепи сердечника статора. Сравнение расчетных и экспериментальных характеристик показало, что совпадение их хорошее. Это позволяет рекомендовать предложенный способ расчета дп проектирования двигателей с составным ярмом статора.

Одним из путей улучшения энергетических и вибрационных показг-^рлей асинхронного конденсаторного двигателя является регулирова-г"? напряжения на вспомогательной фазе с целью максимального приближения поля г. круговому при любой нагрузке. Бш разработан алгоритм расчета, хярактеристик, основной задачей которого являлось кгссвдекяе гтегецчоннш путем закона регулирования напряжения U&c •'r-tr. IK. '(гт.'г^ещрр "чнимум обратного поля для каядого из c:'.oswteu"i'- з ч«пгзоп» о .• моосоге хода до н-гяплпноЛ нагрузки.

Рис. 2

На рис. 2 показаны полученные законы регулирования напряжения на вспомогательной фазе 1'вс для отрезка серии конденсаторных двигателей АКРЕ56... "Оворное"напряжение иьоп для каждого двигателя имеет свое значение. Законы регулирования исследуемых двигателей близки между собой, в первом приближении для всех двигателей можно принять единый линейный закон (пунктирная линия). Обратную связь по напряжению вспомогательной фазы можно заменить на обратную связь по частоте вращения или скольжению. Следует отметить, что регулируемое напряжение должно приближаться к синусоиде, в противном случае появляются временные гармоники, ухудиащие виброакустические показатели двигателей.

Регулирование напряжения в конденсаторных двигателях позволяет резко снизить потери в режиме холостого хода, самом напряженном в тепловом отношении. Это позволяет уменьшить габариты машины или в том же габарите выполнить мощность на ступень выпе. Разработаны конденсаторные модификации регулируемых двигателей на базе серии АИР ( Ь - 56 мм) при сохранении привязки мощности к высоте оси вращения и габаритов таких же как и для трехфазных двигателей. Обмоточные данные и характеристики разработанных двигателей приведены

в табл. I.

Таблица I

^-^Тип двига-метр —^ АИРЕ56А2 АИРЕ56В2 АИРЕ56А4 АИРЕ56В4

Рч , Вт 180 250 120 180

Р • " I I 2 2

С , мкФ 4,7 5,3 4,7 5,7

а»Ь , см 0,36x1,09 0,36x1,09 0,36x1,1 0,36x1,1

Уд , вит. 606 504 864 774

6 А ,МЫ 0,4 0,45 0,355 0,4

^ЗА . " 0,73 0,75 0,67 0,72

у. , вит. 588 624 1536 990

6Ъ • 0.4 0,4 0,28 0,355

. - 0,71 0,75 0,735 0,76

Кт , - 1,63 1,64 1,5 1,5

К„ , - 0,52 0,5 0,41 0,55

? . % 63,2 63,6 48,8 51,7

Ъ ' БТ 146 163 175 221

с регулятором:

? , % 63,6 63,7 48,9 54,8

Вт 71 101 130 137

Использование регулятора напряжения для однофазных конденсаторных двигателей существенно эффективнее, чем для трехфазных, поскольку требуется меньшее число элементов регулятора, меньшая установленная мощность, достигаемая экономия электроэнергии выле.

Третья глава диссертационной работы посвящена разработке математической модели высшего уровня для расчета электромагнитных сил, действующих на зубцы статора ОДД. Б качестве методологической основы для расчета вибровозмущащих сил применены закон сохранения энергии и сочетание методов индуктивных коэффициентов и МЗК. Эти методы показали свою эффективность при определении добавочных моментов и потерь..в диссертационных работах Минасян В.М., Тхань Н., Возняк Н.В. Их применение позволяет учесть все основные факторы.

Допущения, принятые при построении математической модели, сзя-заны с. численным расчетом магнитного поля и определением на ого основе индуктивностей: магнитное поле в воздушном зазоре, создаваемое обмотками статора, плоскопараллельное; магнитная проницаемость стали бесконечно релика; влияние вихревых токов в стали на магнитный

поток пренебрежимо мало, магнитный поток в осевом направлении равен нулю. Предполагалось, что поперечные токи могут протекать только в плоскостях, перпендикулярных оси ротора.

В об'дем случае удельная электромагнитная сила, действующая на элемент поперечного сечения электрической малины единичной длины, может быть найдена как частная производная энергии магнитного поля в пределах этого элемента по направлению X в предположении, что токи в зубцовых контурах остаются неизменными

ЛНЖ^Л,-^ ...

Токи зубцовых контуров статора 1$ определяются по известным токам в пазах, а контурные токи ротора 1к(у) - на основе аналитического решения дифференциальных уравнений с учетом токов растекания. Индуктивные параметры, входящие в уравнения, определяются методом проводимостеЯ зубцовых контуров и изменяются по длине малины из-за наличия скоса пазов.

- После преобразований удельная электромагнитная сила, действующая на I -й зубец статора единичной длины, имеет вид

При бесконечно малом перемещении зубца статора в радиальном направлении (ЭХ'ЗЗ') определяем радиальную силу, а в тангенциальном направлении

- тангенциальную. Интегрируя выражение ( 2 ) и перемножая бесконечные ряды, получаем формулы для расчета со став летних электромагнитной силы > Р{, * ♦ В." • Результирующая радиальная электромагнитная сила, действующая на 1-й зубец статора, складывается из трех составляющих:

( 2 )

6 чи ио

( з )

- ii -

j] , ФК6)К W«-t-i).

х

4 )

( 5 )

Vi) ' дд

•COS [(¿u+ty-^-H ■

R со ASÄ - A * J

P - A y ЗЦ|М A fi í^'Utb^V^f^ticfh^,)

Rl 32 f- э<5- ^ А-Ч 7 _ 4*-»!-» .COS -fP%-

-Hu.« •

Аналогично получена и формула для определения результирующей тангенциальной электромагнитной силы.

На рис. 3 показано распределение постоянных во времен:: ( Рас ) и изменяющихся с частотой 100 Гц ( Pwo ) радиальных электромагнитных сил по расточке статора в конденсаторном двигателе АУ,Р?осЛ2. По оси абсцисс отложены номера зубцов на полюсном делении ЧГ , по оси ординат - значения радиальной силы.

Физические причины возникновения неравномерности распределения сил по зубца».! статора в работе анализируется по врэуешпг.: диаграммам 1.!ДС зуйцоЕых контуров исследуемого двигателя и по амплитудным значения;.! и фазовый углам отдельных составляющих результирующей силы, действущей на кажды": зубец статора.

Для расчета динамических деформаций корпуса под действием совокупности вибровозмущающих сил, использован метод граничных элементов, успешно примененный в диссертационной работе Иганкова H.H. для исследования малин постоянного тока. Задача решается при допущениях, соответствующих теории малых перемещений для однородных изотропных материалов с линейно упруги;.« свойствами. Расчетная модель представляет собой поперечное сечение корпуса статора ОАД из однородного материала, характеризуемого плотностью, коэффициентами упругости и сдвига. Внешняя и внутренняя границы сечения разбивается на конечное число граничных элементов с узлами, в которых задаются перемещения или усилия в форме интерполирующих функций. Для ка-ядого угла записывается граничное интегральное уравнение. Задается гарничные условия и определяются виброперемещения ( S ) на каж-

холостой ход

|=МГц

номинальный режим

¿Ж

|=шгц

ю

й

ПЧ1

Рис, 3

9

дой частоте £J=2Jljf » по которым рассчитывается уровень тангенциальной и радиальной вибрации в каждом узле на поверхности корпуса по виброускорении г .

В четвертой главе описывается разработанная на кафедре электромеханики МЭИ при непосредственном участии автора подсистема, расчетного проектирования ОАД. Она охватывает решение предпроекгных и проектных задач по асинхронным двигателям малой мощности с различными конструктивными и схемными решениями.

На рис. 4 показана структурная схема подсистемы и входящие в нее пакеты прикладных программ, предназначенные для решения следующих задач: поверочные электромагнитные расчеты (ППП АКД); оптимизация обмоточных данных (ППП ОРТ); исследование области оптимальных вариантов (ППП КГОГ); проведение статистического анализа электромеханических характеристик (ППП KIF ); расчеты добавочных моментов и потерь, определение электромагнитных сил и вибраций ( ППП FORCE ). Разработанная подсистема расчетного проектирования ОАД функционирует под управлением пакета диалоговой обработки системы виртуальных машин (ГЩО СШ) для EC-I045 или командного файла (КО) для ПЭШ. В ней предусмотрена автоматизированная передача информации между отдельными пакетами через общие области памяти либо через наборы данных на магнитных носителях. На всех этапах проектирования ОАД реализована возможность контроля и вмешательства пользователя, если это необходимо. Результаты расчетов даются в простой и наглядной форме, их можно вывести на печать или сохранить в памяти ЭШ.

В раде пакетов (ППП АКД и-ППП OFT) были использованы ранее разработанные на кафедре электромеханики МЭИ программы, которые действовали автономно. В настоящей работе они были организованы в подсистему, для чего быт унифицирован ввод исходных данных, осуществлена структурная перестройка программ для обеспечения возможности максимального использования общего програм.яого обеспечения, предусмотрена автоматическая передача данных между программами через единые области памяти. Кроме того, подсистема автоматизированного проектирования ОАД получила сЕое дальнейшее развитие за счет расширения круга репаемых задач, охвата новых схем включения, типов обмоток, конфигурации магнитной системы двигателей путем подключения вновь разработанных в работе модулей и пакетов.

Для двух пакетов: многокритериальной J.P-T оптимизации (КГОТ) и вероятностных поверочных расчетов ( K7F ) автором разра-

K5l hi

И О

cl

о

(ч

о §

Ввод, запись,

чтение,

корректировка

Управление программным

комплексом

Подготовка данных для ППП KTF

Подготовка данных для ППП FORCE

0РГ1

Е 0РГ2 —

ОРГЗ

Ш 0РТ4 ■

It

И Е tri м е е —

АВД

s Авдг

АКДЗ

и— АДРЕ

Терминал

Кагнит-j

ный i

носи- ; s

теяь 1

V

ПечЕ11

Рис. 4

j P0LÇ

' -Ji ! % ÏHÎUCT

! •"--"ig -

ViiW

I"

Î !

ботаны программные оболочки. Пакет FORCE . реализую /. модель высшего уровня, был существенно дополнен новый програ,::.ма\:и по расчету радиальных и тангенциальных электромагнитных сил, де'ютзуп-щих на зубцы статора ОАД. Он включает ранее разработанное программы по определении колебаний пускового момента, расчету добавочных моментов и потерь.

В пятой главе отражены теоретические и экспериментальные исследования макетов и образцов двигателей с цельэ проверки адекватности математических моделей разных уроЕней,проектирования двигателей с поименными энергопотреблением и уровнем магнитных вибраций. Проверка адекватности математических моделей проводилась на примере конденсаторных двигателей АИРЕ55...- двухполюсных к че-тырехполюсных, изготовленных на ЛЭЗ. Она охватывала расчетное и опытное определение электромеханических характеристик, колебаний пускового момента и вибраций корпуса двигателя. Эти исследования позволяют сделать вывод о хорошем совпадении расчетных и экспериментальные данных как для нерегулируемых, так и для регулируемых ОАД (погрешность не более 12.%). Подтверждена также возможность снижения на 40% потерь холостого хода в регулируемых конденсаторных двигателях.

Для оценки эффективности применения синусных обмоток для снижения уровня магнитных вибраций в ОАД была решена задача проектирования этих обмоток при сохранении эффективного числа витков фаз. В качестве критерия оптимальности принят минимальный расход обмоточной меди. Ограничителями служат предельные коэффициенты заполнения паза и обмоточные коэффициенты высаих гармонических. Варьируются относительные числа витков в катулках.

Путем оптимизационных расчетов на исследуемых двигателях было выявлено, что выполнение обмотки статора одно-двуслойной практически не приводит к увеличению расхода провода, а обмоточные коэффициенты еыспих гармонических снижаются на 30-50!?.

На ЛЭЗ были изготовлены 8 спроектированных двигателей четырех типономиналов. Часть испытаний проведена в заводской лаборатории. В табл. 2 приведены экспериментальные и расчетные электромеханические характеристики конденсаторного двигателя A/IFE56A2 с однослойной и одно-двуслойной обмотками. Их сравнение подтверждает адекватность разработанных моделей. Снятие коментных и вибрэакус-тических характеристик разработанных двигателей было выполнено на кафедре электромеханики МЭИ.

Таблица 2

Показатель Одноело йная обмотка Одно-двуслойная обмотка

расчет эксперимент расчет эксперимент

А 0,908 0,975 0,902 0,963

? f 59,8 59,4 60,5 60,7

COSf — 0,96 0,944 0,97 0,96

5 et 3,8 3,5 3,87 3,8

Km — . 1,98 1,86 2,03 1,91

Kn — 0,46 0,44 0,51 0,49

KL —' 3,06 3,16 3,2 3,23

Проведенные эксперименты показали, что в спроектированных двигателях значительно (в 2,5-3 раза) снижены колебания пускового момента, кроме того повысился и средний пусковой момент. На рис.Ь показаны уровни радиальных вибраций двигателя AKPS56A2 с одно-двуслойной обмоткой, измеренные эксперментально и полученные расчетным путем. Для выделения магнитных составляющих вибрации измерения проводились при номинальном и пониженном напряжениях.

60 50

ад

•ÍO L .__-JL-JL2iiiJ JJMMM^LJ____.

О 50 Í00 200 500 IODO SOOO 5030 iOOOO

- эксперимент ( U - 220 В),

- - - эксперимент ( U - 66 В), ■я расчет

Рлс. 5

Проведенные расчеты показали, что ггрэход с эдкоелойной на одко-двуслойну« оба.-этку позволл:,"*' ч 2 р^а у:.;. •^•"-/Гь b-üp-Vóriu.^r -нос-ib распределения радиальных екя гю субца» ¿s*. по-гэльх -„

во времени и изменяющихся с частота Я 100 Гц, снизить их амплг.ту-ды на 10-20% и на 30-40^ - амплитуды вибрзвоэмучашцих сил более высоких частот спектра, что приводит к сгемениэ магнитных вибраций на 3-5 дБ. При проведения расчетных исследований электромеханических характеристик выявлена, что оптимальна Я является величина скоса пазов, равная зубцовому делению ротора.

Учитывая значительную неравномерность распределения вибровоз-мущаюгцих сил по зубцам статора, решалась задача о рациональном расположении обмотки статора относительно мест крепления корпуса. Установлено, что эта мера позволяет на 3-5 дБ снизить уровень магнитных вибраций на частоте 1СО Гц.

Проведенные оптимизационные расчеты конденсаторных двигателей при параллельной схеме включения позволили рекомендовать разунлфи-цировать ротор, выполнив его с числом пазов 5г =■ 17. При этом удается в 2-2,5 раза снизить величину емкости конденсатора.

Спроектированы и переданы на ЛЭЗ для внедрения варлалтьг двухполюсных конденсаторных двигателей с разунифицированным ротором при различных схемах включения (параллельной, последовательной,последовательно-параллельной и с трехфазной обмоткой, соединенной по схеме Штейнмеца), в которых удалось улучшить энергетические показатели и снизить колебания пускового момента.

При оптимизации обмоточных данных ОАД при различных схемах включения на единой методологической основе удается получить близкие характеристики. Вопрос о выборе той или иной схемы должен решаться при тесной увязке с условиями применения. Например, последовательно-параллельная схема включения двухфазной обмотки с одной емкостью позволяет получить характеристики, аналогичные двигателю с рабочим и пусковым конденсатора:.«.

злкшнжа

На основании проведение теоретических и экспериментальных исследований однофазных асинхронных "двигателей малой мощности с распределенной обмоткой на статоре можно сделать следующие выводы, отражавшие наиболее важные результаты работы:

I. Проведенный анализ конструктивных и схемных рэлеяий в ОАД показал, что можно улучпить массогабарнтнме, энергетические :: вибрационные характеристики двигателей за счет уменьшения эллиптичности поля, рационального выбора соотнэсения чисел и скоса пазов, типа и схемы включения обмоток и др.

2. Для разработки двигателей о регулированием напряжения на вспомогательно:"! фазе, с составным ярдам статора, с синусной обмоткой, а такке двигателей с различными схемами включения, обладагощих понягхеншл.гл энергопотреблением и уровнем магнитных вибраций, был применен системный подход и развита многоуровневая математическая модель,положенная в основу их автоматизированного проектирования.

3. Найденние итерационным путем законы регулирования напряженч на вспомогательной фазе конденсаторного двигателя, позволяющие почти в 2 раза снизить потребляемую мощность в наиболее напряженном t тепловом отношении рездме холостого хода, дали возможность разраб.-тать четыре кшопоминала регулируемых двигателей серии АИР256... (2р = 2 и 2р = 4) с сохранением мощности базового исполнения.

4. Впервые с использованием сочетания методов зубцовых контуро„ и индуктивных коэффициентов разработана методика расчета вибровозмущающих сил магнитного происхождения по отдельны.! зубцам статора. Она позволила оценить степень неравномерности распределения сил i ОАД и выявить рациональное,с точки зрения снижения вибраций,расположение обмоток статора относительно мест крепления корпуса. Применение этого способа в разработанных двигателях приводит к снижению уровня магнитных вибраций на 3-5 дБ на частоте IOQ Гц.

5. Получены рекомендации по снижению энергопотребления и уровня магнитных Еибраций за счет улучшения формы поля и на этой ссп.>" ве разработаны и изготовлены восемь конденсаторных двигателей четырех типокошналов с одно-двуслойной обмоткой статора. Показано, что в этих двигателя:: за счет применения такого типа обмоток удалось резко снизить колебания пускового момента (в 2,5-Z раза) и уменьшить на 4-6 дБ магнитные вибрации на частотах 800-1000 Гц.

6. В конденсаторных двигателях при 2р - Z и тачной ицлолнеь^ скоса пазов на одно зубцовое деле in? ротора удается снизить кол.:* ния пускового момента л магнитные вибрации на высоких частотах,

7. Предложено юа.зунибицировать рстор для однофазных ¡'эдифлка^.;:? АИР по сравнению с базовым исполнением. Разработанные двухполысаы.. конденсаторные двигатели серии АИРЕ55.,. с разным схемами вклвчо-ния имеют улучшенные: энергетические показатели и значительно уменьшенные колебания пускового момента. При параллельной охемз а-.-.: чения достигнуто также значительное (в 2-2,5 раза) пнажение величины емкости рабочего конденсатора.

8. Расчетные и экспериментальна; исследования коцгккгаторнн;-двигателей серии АКР при различьях суеижх аглюч-к-етя юкс.эг«г*.,*-и} при проведении опгишгационних расчетов на ецчи.-Е »уотодолот-ич^с-кой осносе удается получить близкие характеристики джя различных

Схем включения, и вопрос о выборе той или иной схемы должен решаться при тесной увязке с услошями применения.

9. Разработанные алгоритмы и программы проектирования ОАД переданы на ряд предприятий: Филиал ВНИТКШ (г.Вильнюс), ЛЭЗ (г.Лобня), НИИ Электромая (г.Ереван) и другие. Ora использовались прл разработке ОАД малой модности бытового назначения, а также е учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании.

Экономический эффект при разработке двигателей бьп достигнут за счет сокращения сроков проектирования, уменьшения объема макетирования, улучшения качества малин. Он отражен, в ряде актов о внедрении.

Основное содержание диссертации отражено-в следуюиу.х пзчатных работах:

1. Возняк Н. В., Иещкин Б. Г., Рожнова Г. А. Добавочны? моменты и потери в однофазных двигателях ]/ Тр. ин-та / ;.':оск. энерг. ин-т. - 1986. - № 87. - С. 46-51.

2. Лопухина Е. -М., Секенчуков Г. А., Маллеин В. Г. Развитие многоуровневой математической модели однофазних асинхронных дв'/гателей // Тр. ин-та / Моск. энерг. кн-т. - 1987. - 120. - С. 13-19.

3. Лопухина Е. М., Медведев В. Т., Маакин В. Г.,- Семенчун-ов

Г. А.', Рейрова 0. В. Автоматизация расчета тангенциальных зиброзэз-«уцаюцих сил однофазных асинхронных двигателей с использованием метода индуктивных коэффициентов J J Гр. ин-та / Коек, энерг. ин-т. -1987. - № 127. - С. 147-155.

4. Лопухина Е. М., Семенчуков Г. А., Мзшкин В. Г. Многоуровневая математическая модель как основа автоматизированного проектирования однофазных асинхронных двигателей с повышенными нагрузочным!

показателям // Теория и математические модели электрических цепей и интегральных схем: Сб. науч. тр. ин-та электродинамики АН УССР. -Киев, 1988. - С. 162-169.

5. Медведев В. Т., Полухии В. Ф., Малккн Б. Г., йванков Н. Н.. . Метод расчета вибрации электрических маяин в электроприводах // Тр. ин-та / Моск. энерг. ин-т. - 1988. - J? 150. - С. 93-98.

6. Лопухина Е. М., Семенчуков Г. А., Ыапкин В. Г. Автоматизированное проектирование двигателей малой юности и резервы повышения их качества // Тр. ин-та / Моск. энерг. ин-т. - 1989. - 196. -

С. 31-41.

7. Лопухина Е. Ы., Медведев В.,Т., Пашкин В. Г., Полухин В. Ф., Семенчуков Г. А. Расчет вибровозмущащих сил однофазных двигателе л с использованием метода индуктивных коэффициентов // Тр. ин-та /

Моск. энерг. ин-т. - 1989. - № 213. - С. 74-81.

8. Однофазные асинхронные двигатели единых серий общего применения / Е. С. Абрамян, К. А. Алиханян, В. И. Бернагович, А. В. 1>-лян, Е. М. Лопухина, В. Г; Маякин, А. С. Погосян, Г. А. Семенчу-ков, В. К. Хечуыян // Электротехн. пром—сть. Сер. 01. — электрические машины: Обзор шформ. - 1990. - Выл, 29. - 80 с.

Подписано к печати Л— /¿у^'&г

Печ. я. Тираж /0& Зачаз УЗС? Бссплатас.,

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.