автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Торцевые асинхронные электродвигатели интегрального изготовления

На правах рукописи

ОД

- о СЕЧ Т

Вильданов Камнль Якубович 1

ТОРЦЕВЫЕ АСИНХРОННЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ИНТЕГРАЛЬНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Специальность 05.09. 01 - электромеханика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

г. Екатеринбург 2000

На правах рукописи

Вильданов Камиль Якубович

Торцевые асинхронные электродвигатели интегрального изготовления

Специальность 05. 09. 01 - электромеханика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

г. Екатеринбурр-2000

Работа выполнена в Московском институте коммунального хозяйства и строительства на кафедре электротехники и электрооборудования и отраслевой лаборатории микроэлектродвигателей. Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Гольдберг О. Д. Доктор технических наук, профессор Беспалов В.Я. Доктор технических наук, профессор Пластун А.Т.

Ведущее предприятие:

Московский

электромашиностроительный ^ завод " Памяти революции 1905 г г. Москва.

Защита состоится 24.05.2000 г. в 10- часов в аудитории Э212 на заседании диссертационного Совета Д 063.14.05 в Уральском государственном техническом университете.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург ул. Мира, 19, УТТУ, учёному секретарю совета С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, ]У,- /

кандидат наук, доцент ¡р? /В.Ф. Шутько/

/

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Проблема увеличения выпуска электрических машин, комплексного ресурсосбережения и создания более экономичных и менее металлоемких асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором является актуальной задачей.

Развитие этого направления происходит в двух направлениях. Во-первых, решаются задачи дальнейшего усовершенствования двигателей классической схемы с целью выпуска высокоэкономичных серий. Во-вторых, разрабатываются специальные двигатели дом конкретных механизмов или условий работы. Двигатели единых серий в составе ряда механизмов не позволяют создавать устройства, удовлетворяющие современным требованиям. В этом случае дополнительно применяются торцевые двигатели. Однако, существующие технические решения торцевых двигателей, соответствующие традиционным витым магнитопроводам, всыпным обмоткам, зачастую не удовлетворяют современным требованиям. Кроме этого, такие двигатели уступают по показателям удельного использования и массы активной части традиционным двигателям. Существующие способы снижения удельной и технологической материалоемкости электрических машин на основе совершенствования электротехнических материалов, оптимизационных расчетов, а также резервов традиционной технологии почти исчерпаны, например в части снижения расхода материала магнитопроводов, снижения трудоемкости обмоточно-изолировочных работ. Поэтому повышение технического уровня асинхронных двигателей различного назначения возможно на основе внедрения новых конструктивных решений и малоотходных технологий.

Одним из таких направлений являются работы по торцевым асинхронным микродвигателем интегрального изготовления. В понятие интегральное изготовление входит:

- прессование магнитопроводов из магнитомягких порошковых материалов;

- штамповка, фотолитография или напыление обмоток;

- электроосаждение, напыление изоляции;

- комбинированное изготовление, включающее традиционное выполнение и интегральное.

Одним из положительных факторов повышения технического уровня является возможность управления параметрами электромагнитных цепей на стадии изготовления в зависимости от конкретных технических условий с учётом интегральных технологий.

Подобное изготовление эффективно в плоской, торцевой конструкции активной зоны статора и ротора. Известно, что на первоначальной стадии развития электрических машин на подобное решение обращалось внимание. Однако имеющееся на этой стадии технологическое обеспечение не позволило достаточно эффективно решить проблему совершенствования торцевых электрических машин. В дальнейшем разрабатывались единичные образцы и малые партии для специфичных электроприводов, но в целом задача улучшения технологичности, снижения трудоемкости, повышения технического уровня торцевых двигателей решена недостаточно полно.

В последние годы большое внимание уделено торцевым двигателям в связи с оптимальным сочетанием их конструкции с рабочим механизмом электропривода. Они объединяют как конструктивную пластичность (встраиваемость) двигателей, так и улучшенные технико-экономические показатели электромеханизма в целом.

Комплексное решение проблемы повышения технического уровня торцевых двигателей с короткозамкнутым ротором представляет собой научно-техническую задачу, на решение которой направлена данная работа. В процессе ее выполнения оказалось необходимым решить задачу оптимального распределения магнитного поля с учетом несимметрии торцевых машин по радиусу, определения рациональной геометрии элементов активной зоны и рационального соотношения диаметров,

расчетно-экспериментального исследования и разработки теории проектирования торцевых асинхронных микродвигателей интегрального изготовления.

Научные исследования, отраженные в диссертации, проводились в рамках хоздоговорных и госбюджетных НИР и ОКР при участии и под руководством автора. Основанием для выполнения работы являлись:

- комплексный план Госкомитета по науке и технике, программа 05. 16. 09;

- приказы Минэлектротехпрома № 106/116 и 38/50; темы Ы № 1219 III, Д 0385051;

- координационный план Минчермета (1975-1980) п. 1П 1а;

- Российская научно-техническая программа «Актуальные проблемы физики конденсированных сред» - тема 310-16 «П».

Целью диссертации является развитие теории и совершенствования торцевых электродвигателей на базе методов интегральной технологии с учетом несимметрии активной зоны вдоль радиуса, а также решения вопросов, связанных с практической разработкой и внедрением. Для достижения этих целей были проведены теоретические и экспериментальные исследования указанных двигателей, направленные на решение следующих задач:

1. Исследование распределения магнитного поля в активной зоне с учетом различного конструктивного исполнения.

2. Анализ особенностей расчета магнитной цепи торцевых двигателей интегрального изготовления и разработка методики расчета.

3. Разработка методов улучшения использования активных материалов с учетом особенностей плоских обмоток статора и ротора, прессованных и комбинироватгаых сердечников.

4. Анализ влияния конструктивно-технологических факторов на электромеханические характеристики и их оптимизация.

5. Разработка практических рекомендаций по проектированию двигателей со сниженным расходом активных материалов и улучшенными показателями.

6. Экспериментальное исследование торцевых двигателей интегрального изготовления с целью проверки теоретических положений.

7. Разработка способов изготовления многослойных плоских обмоток, прессованных и комбинированных сердечников для двигателей с улучшенными показателями.

Методы исследований. Исследования проведены с использованием аналитических, графоаналитических и численных методов, теории электромагнитных полей, методов оптимизации. Экспериментальные исследования выполнены на образцах и опытных партиях торцевых асинхронных двигателей с использованием специального оборудования и физических моделей.

Научная новизна.

1. Обоснован новый концептуальный подход к выполнению активной зоны в торцевых двигателях.

2. Разработаны аналитические выражения для определения магнитного поля в активном объеме торцевых асинхронных двигателей различных исполнений.

3. Получены аналитические выражения для определения рациональных соотношений размеров активной зоны машины.

4. Определены выражения электромагнитного момента с учетом возможностей его увеличения.

5. Получены аналитические соотношения для учета в электромагнитных расчётах:

влияния несимметрии активной зоны вдоль радиуса на распределение магнитного поля в зазоре;

- распределения магнитного поля в прессованном ярме;

- реальной конфигурации активной зоны с учетом особенностей технологии изготовления.

6. Предложены конструкции элементов и двигателей, защищенных авторским приоритетом, позволяющих повысить электромагнитный момент, улучшить распределение тепловых потерь, снизить трудоемкость изготовления.

7. Разработана методика проектирования торцевых двигателей со сниженным расходом активных материалов.

Основные научные результаты и положения диссертации, представленные на защиту.

1. Обоснование концепции выполнения обмоток и сердечников в торцевом исполнении, позволяющая снизите материалоемкость и трудоемкость изготовления.

2. Аналитические выражения для распределения магнитного поля в воздушном зазоре торцевых двигателей.

3. Результаты анализа распределения магнитного поля в прессованном сердечнике.

4. Обоснование способов повышения электромагнитного момента с учетом возможности увеличения индукции от внутреннего диаметра к внешнему.

5. Методика расчета магнитной цепи с учетом несимметрии магнитного поля вдоль радиуса.

6. Аналитические выражения для определения внутреннего и внешнего диаметров, позволяющих минимизировать расход активных материалов для различных чисел пар полюсов и соотношения диаметров.

7. Аналитические выражения для минимизации потерь в обмотках статора и оптимизации геометрии обмотки к.З, обмотки ротора.

8. Результаты аналитического решения задачи распределения тепловых потоков от внутреннего диаметра к внешнему и способы его выравнивания.

9. Результаты оценки надежности статора с учетом специфики возможных дефектов изоляции и проводников.

10. Конструктивно-технологические принципы и способы изготовления торцевых микродвигателей интегрального изготовления.

Практическая ценность работы состоит в том, что на основе исследований установлена возможность и предложены способы усовершенствования асинхронных двигателей с аксиальным рабочим зазором. Предложены нетрадиционные конструкторско-технологические решения активной части, позволяющих повысить технический уровень торцевых двигателей интегрального изготовления. Разработаны инженерные методики расчета и технологии производства обмоток и сердечников на базе нетрадиционных способов изготовления. Практическая ценность работы подтверждена использованием инженерных методик при создании опытных образцов электродвигателей различного назначения.

ь.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при разработке ряда двигателей, среди которых:

1. Опытная партия торцевых асинхронных электродвигателей с печатными обмотками мощностью до 180 Вт (АДПО 9, 10, 12, 13) на базе ИОВНИИЭМ (Привод бытовой техники).

2. Опытная партия торцевых асинхронных электродвигателей для вспомогательного привода валков мелкосортного стана (координационный план Минчермета АДПО 14,14В),

3. Опытная партия и технологии изготовления торцевых асинхронных электродвигателей со штампованно-прессованными элементами активной зоны (координационный план Минэлектротехпрома - тема ы-1219111 АДПО 22, 23).

4. Техническая документация для выпуска опытных образцов торцевых электродвигателей для робототехники (АДПО 24) ( комплексный план ГКНТ АДПО 24, 25).

5. Техническая документация и образцы электродвигателей со сниженным расходом активных материалов в соответствии с планом Минэлектротехпрома (тема Д0385051 - ЗД82) (АДПО 26, 28).

6. Торцевые двигатели с роторами из высокотемпературных сверхпроводниковых композиционных материалов. (Российская программа 310-16 «П».)

Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались на III, IV, V, VII, VIII Всесоюзных научно-технических конференциях (ВНТК) «Новые технологические процессы и оборудование для производства электрических машин малой мощности», г. Тбилиси (1977 - 1987 гг.); VI -VII Всесоюзной НТК «Перспективы развития производства асинхронных двигателей», г. Владимир, 1982, 1985 гг.; IV, V ВНТК «Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов», г. Днепродзержинск 1985 г.; г. Каунас 1988 г.; Всесоюзный НТК «Печатные

У.

резисторы и приборы на их основе» г. Краснодар 1974 г.; III Уральской зональной НТК «Прогрессивные методы порошковой металлургии в машиностроении», г. Оренбург 1978 г.; II Поволжской конференции по автоматическому управлению, г. Казань, 1974 г.; заседаниях секций ОНТС Минэлектротехпрома, на научно-техническом семинаре Мипрадиопрома, г. Йошкар-Ола 1985 г.; XIX-XXVII НТК Московского института радиотехники, электроники и автоматики (1969-1976 гг.); ХШ-ХУ1 НТК Всесоюзного заочного инженерно-строительного института (МИКХиС) (1980-1999 гг.); Республиканской научно-технической конференции: «Исследование, разработка и внедрение магнитоэлектриков в электропромышленности» г. Харьков 1972 г.

Отдельные результаты докладывались и обсуждались в МЭИ, НИИПТИЭМ, ВНИИТМЭ, ВНИИТЭлектромаш, объединении «Эльфа», ВНИИКИЭМП, ИЧМ, ИОВНИИЭМ, ОЗВНИИЭМ, СКБ «Кристалл», СКВ ХЭЛЗ, завод «Ромб», МАИ и в других организациях.

Образцы электродвигателей интегрального изготовления, выполнение с использованием материала диссертации, экспонировались на ВДНХ и удостоены наград.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 49 печатных работ, из них 1 монография, 15 изобретений и 2 патента.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 277 стр. текста и 173 стр., включающих 186 иллюстраций и 13 таблиц. Работа также содержит список литературы из 187 наименований и приложение.

Основное содержание работы.

Введение. Обоснована актуальность проблемы, указаны цель и задачи исследования, сформулированы выносимые на защиту результаты, представляющие научную новизну и практическую значимость.

IU.

Первая глава посвящена анализу состояния вопроса и проблем разработки. Приводится обзор литературных источников, отражающих состояние теории, конструкции и технологии производства торцевых электрических машин. Рассматриваются возможные пути снижения расхода активных материалов и улучшения технико-экономических показателей торцевых асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Проблеме улучшения показателей машин переменного тока и, в частности торцевых асинхронных двигателей, уделено достаточное внимание в работах, Н.В. Астахова, В.А. Винокурова, О.Д. Гольдберга, А.И. Иосифьяна, A.B. Иванова-Смоленского, И.П. Копылова, Б.И. Кузнецова, В.М. Казанского, Е.М. Лопухиной, Л,М. Паластина, В.И. Радина, Г.А. Сипайлова, Т.Г. Сорокера, Ф.М. Юферова и других.

Кроме этого, проведен ряд исследований, направленных на разработку малоотходных конструкций и снижение трудоемкости изготовления, а также развитие методов анализа и проектирования машин нетрадиционного конструктивно-технологического направления. Эти вопросы нашли отражение в работах Е.П. Бойко, В.Я. Беспалова, Б.Х. Гайтова, В.А. Игнатова, А.И. Инкина, A.B. Корицкого, В.А. Кузнецова, Ф.А. Мамедова, Д.В. Свечарника, Э.К. Стрельбицкого, Н.В. Шулакова, А.И. Яковлева и других.

Анализ показывает, что возможности дальнейшего повышения технического уровня асинхронных двигателей малой мощности традиционного исполнения ограничены. Причем в значительной степени эти ограничения обусловлены существующей практикой применения традиционных технологий производства. Перспективным направлением решения этой задачи является такое, в котором реализуются современные технологии, присущие различным отраслям производства. К таким машинам относятся торцевые асинхронные электродвигатели интегрального изготовления, имеющие плоскую открытую активную зону статора и ротора.

Это позволяет выполнять основные трудоемкие процессы за меньшее число операций, исключить малопроизводительные ручные операции, повысить степень автоматизации производства.

Плоская активная зона рассматриваемых двигателей допускает беспазовые, пазовые и модульные модификации с блочным построением элементов, содержащих как магнитопровод, так и обмотку. В этом случае выполняются прессованные сердечники из магнитомягкого композиционного материала и плоские многослойные обмотки (печатные, напыленные, штампованные, комбинированные).

Помимо этого, в зависимости от функционального назначения двигателя, могут быть реализованы различные варианты общей конструктивной компоновки электропривода. В принципе реализуется идея блочно-модульного построения как активной зоны, так и частей двигателя в целом.

С учетом всех этих обстоятельств в работе реализуется системный подход к разработке двигателя, охватывающий по возможности все фазы разработки и освоения производства двигателей.

На рис. 1 представлена классификация торцевых асинхронных двигателей по конструктивно-технологическому принципу.

Области применения и пределы по мощности двигателей интегрального изготовления во многом определяются возможностями технологического оборудования (нижний предел ограничен разрешающей способностью по обмотке статора, верхний - по мощности прессового оборудования для изготовления сердечника).

В работе рассмотрены особенности двигателей различных мощностей: от б до 2000 Вт, отмечены их недостатки и преимущества в зависимости от конструктивно-технологического варианта.

На базе анализа вариантов, с учетом электромагнитных особенностей и сложившейся практики применения торцевых двигателей в различных

Классификация торцевых двигателей

Общая конструктивная схема

I Двухп

Однопакетная

Дисковая

Многопакетная

Конструктивная схема подшипникового узла

| Разнесенная | Одноопорная Встроенная

Консоль

Тип обмотки

]

Волновая катушечная двухсторонняя Волновая двухсторонняя Волновая односторонняя Петлевая двухсторонняя Петлевая Односторонняя

| Технология изготовления обмотки |

1

II 1 1 I

Печатная Слоистая Газотермич. напыленная Штампованная В сыпная

Технология изготовления

сердечника

Витой Прессован, гладкий Прессован, зубчатый Прессован, составной Комбинированный Модуль

Технология нанесения изоляции

Вихревое напыление Прокладки Электрофорез Газотермическое Напыление

Рис.1

злектромеханизмах сформулированы основные вопросы, на решение которых направлена данная работа.

Вторая глава содержит результаты исследования магнитных полей с учетом особенностей торцевых двигателей интегрального изготовления: несимметрия активной зоны вдоль расчетной длины, модульное построение пазовой зоны, развитая магнитаая система из порошковых композиционных материалов.

На основе анализа предлагается для каждого диапазона двигателей по мощности использовать свои методы решения, имеющие приемлемые погрешности и трудоемкость вычислений.

Модульная активная зона, включающая в себя часть зубцовой зоны и плоских трапецевидных проводников представлена на рис. 2.

Приняты следующие допущения: поле в исследуемой области двумерно и квазистационарио, токи равномерно распределены по сечению печатных обмоток магнитная проницаемость бесконечно большая.

Ввиду сложности нахождения аналитического решения в общем виде задача решена с помощью итерационного метода. При этом область представляется в виде пересечения более простых частичных областей, для каждой из которых находится решете задачи Дирихле. Интегральные уравнения для активной зоны набираемой из модулей в общем виде имеют вид:

СО

(1)

при К = 2,3

оо

при К = 1,3

a pâC43Tv щц^яьяого sapkisHís»

o¿ = <?<9° £ta = /мм

/-/? = 0.3. Z-fi=0,5,

У>

L Vh

?яс,3 Зависимость лсгрешаостЕ расчета доза s рабочем зазоре.

Г

и3(рк)= J КяСЬР^ U3(Pз')dt + J и!(р}")<И (3)

-со -10

при К = 1,2

где Ц, иг, и3 - гармонические функции в соответствующих частичных областях на границах р. Однородные уравнения Фредгольма второго рода (1, 2, 3) имеют нетривиальные решения только при определенных собственных значениях ядер уравнений. В работе приводится алгоритм решения и оценивается погрешность расчета.

На рис. 3 показаны кривые для определения точности расчета в зависимости от числа итерации V для наиболее характерных геометрических соотношений модуля.

Магнитное поле машин со штампованно-сварными обмотками, размещаемыми в прямоугольной пазовой части сердечника, проводится с помощью уравнения для скалярного магнитного потенциала:

к Ж.2 Я Ж Я2 дер2 2 дг 1 ;

где ит - скалярный магнитный потенциал; К. - текущее значение радиуса, ср и ъ - соответственно, угловая и осевая координата. (1о, |лт, \хг - магнитные проницаемости в радиальном, тангенциальном и осевом направлениях.

С учетом закона полного тока м. д. с. магнитной цепи и скалярный магнитный потенциал неизменны вдоль радиуса, поэтому для случая распределения поля в зазоре:

(5,

Ж.

А для случая распределения поля в зубцах и ярме:

ц* (т) > ; (6)

и уравнение (4) можно свести к виду:

Мг д2ит

Я2 с <р2

д2ип

О 2

Решение уравнения (7) является функция:

00 1

-е^" +Ст2-е^ЧсоъЫ

(8)

где Су,,! и Сщ2 - коэффициенты, определяемые начальными условиями; ат - коэффициент для изотропной среды, равен ар, а для анизотропной

Составляющие напряженности магнитного поля выражаются через потенциал ит в виде:

Н, = -

дг ^ Я

1 эи

.еа"г/к - Ст2 • е"а-г/к]• соз(арф) (Ю)

Н, ■=!= - е^Мар,) (П)

К Оф а=1 к

В случае анализа поля в зазоре (щ = р2 = 0)и осевая высота кольца равна значению зазора Аг = 5, определяющегося соответственно радиусу II выражением

6"(К) = б

I,

и

1

1

(12)

^ - У151~ ь5 ] 11 - У 12)8 / 2тгТ1 _][ 1 - у2г26 / 2тгЯ _

где Ук2) - известные коэффициенты, зависящие от ширины шлица статора (ротора).

Коэффициенты С^ и С ¡¡а для поля в зазоре определяются исходя из следующих граничных условий:

и5т(2=0)=2Хсо8(урф)

где - амплитуда у-той гармонической М. Д.С. обмотки статора;

и^п (г-о) - скалярный магнитный потенциал при ъ — 0 и изменении координаты рф.

При ъ = 5" тангенциальная составляющая напряженности в зазоре

Нбт(г=5")=0 (14)

С учетом (13) и (14) выражения (10) и (11) принимают вид

X

Н = 1 ^Мг^уУРр 5т(2=б") Я Эф ¿Я

® ур

X 8Ш(урф) = Х^(Ст1+Ст2)5т(Урф) (15)

у=1 К

На +Сю2.е-^]5т(урф) = 0 (16)

г(г=б") К дф К

С учетом (15) и (16) выражение для составляющих напряженности магнитного поля в аксиальном рабочем зазоре

^'^■^■^^Г1'008^ <17>

^ = § я■ й^ткГ'008^ <18)

Коэффициент ослабления тангенциальной составляющей напряженности магнитного ноля:

Ур5" 1(ур5'

Для анализа поля в ярме цг > и Дг = Ьа

Кя К-8Ь(ур5"/Я) (19)

1(2)

где И - толщина ярма статора (ротора); коэффициенты СЩ1 и С,

■т2

1(2)

определяются из соответствующих граничных условий (нормальная составляющая индукции повторяет закон распределения индукции по дну

пазов при г = О, при г = Ьа нормальная составляющая в ярме равна нулю. С учетом этого максимальное и среднее значения тангенциальной составляющей первой гармонической индукции на нейтрали ярма выражаются в виде.

сЬ

В.

_ К

V ^«г

вЬ

р-^-Ь./Я

и,

В,

=2_ 1тшср }}

"а I

1т А II

Я

(20)

(21)

-.о рК

где Вь - амплитуда кривой распределения индукции по дну пазов. Из (20) и (21) следует, что максимальное и среднее значения индукции и, следовательно, насыщения ярма торцевого мапштопровода возрастает с ростом радиуса II.

В силу этого вводится поправочный коэффициент (2) 2Ь. р

(22)

V Л1*

учитываемый при определении магнитного напряжения ярма.

Распределение магнитной индукции в зазоре вдоль активной длины получено методом последовательных приближений путем разбивания длины на п - участков шириной 1д& и расчёта индукции Во, средней в пределах каждого участка.

На рис. 4 представлена зависимость распределения индукции в рабочем зазоре

Как видно из рис. 4 из-за различного насыщения зубцов и ярма и различного относительного раскрытия пазов на текущем радиусе И. индукция В5 имеет более уплощенную форму во внутренней области и более заостренную - во внешней области в зазоре. В свою очередь повышенное насыщение на внешней части ярма влияет на уменьшение индукции в наружной части рабочего зазора,

В третьей главе рассматривается теория и методы расчета активных частей торцевых асинхронных двигателей с к.з. ротором. В качестве базовой величины, в основном определяющей объем, принято отношение наружного диаметра активной зоны к внутреннему. Приводятся уравнения для определения диаметров:

где Двт и Двш - соответственно внутренний и внешний диаметры; а - отношение внешнего диаметра к внутреннему; Уа - активный объем;

Квт и Квш - коэффициенты внутреннего и внешнего диаметров. Число витков фазы:

где А - линейная нагрузка.

Как видно из выражений (23) и (24) при уменьшении «а» наиболее резкое изменение Квт и Квш имеют место при а < 2.

Объем проводникового материала равен:

(23)

(24)

(25)

где Д] - плотность тока;

кте - коэффициент объема проводящего материала обмотки

K-VW, ~

1+

тгКуКл(а + 1)'

а-1 а+1

2р(а-1)

где Ку - коэффициент укорочения между длиной 1Я и т; Кп - коэффициент пропорциональности.

Наиболее резкое увеличение Ку\У имеет место при а ¿С 2, а уменьшение

длины и объема проводников лобовых частей преобладает над увеличением длины и объема проводников пазовой части.

Объем к.з. обмотки:

а-1" а + 1

+ ■

2Aksin(7tp/z23pii)

V а — 1

(28)

где 1с и Дс - ток и плотность тока стержня;

Дк - плотность тока колец

ъг - число стержней.

Или в преобразованном виде:

7tK1K01 з/ТТТ т^

^-VVa -К

W2

(29)

где К«« - коэффициент объема материала к.з. обмотки. С учетом объемов ярма статора и ротора зубцов статора и ротора можно получить выражения для оценки стоимости активных материалов:

С = СсОю к^к^оъ+у^+к,

иЛ,

Ai

где Сс - удельная стоимость магнитопровода; См - удельная стоимость обмотки статора; Охс - плотность магнитопровода;

К, с - коэффициент заполнения материала магнитопровода;

Кгс - коэффициент, характеризующий отходы при изготовлении магнитопровода;

Кс - коэффициент изменения стоимости активных материалов в функции от «а»;

Кос - коэффициент изменения стоимости активных материалов в функции от «а»;

Кс - коэффициент стоимости активных материалов в функции от «а»

На основании выше приведенных выражений получены соотношения для минимизации активных материалов.

Суммарные потери равны;

Значительную долю механических потерь в однопакетном исполнении составляют потери в подшипниках от силы магнитного притяжения:

(31)

где Р31 - потери в ярме;

кР1 - суммарный коэффициент изменения потерь.

(32)

(33)

а среднее значение изгибающего момента:

В

При наличии перекоса удельная сила притяжения имеет постоянную и переменную составляющую.

В силу этого:

Рр2 = Рр±ЛРр (35)

где Рр£ - равнодействующая постоянной составляющей на половине ротора;

АБр - равнодействующая переменной составляющая удельной силы в зонах уменьшения зазора (+) и увеличения (-).

Таким образом, показано, что с увеличением среднего диаметра при неизменных электромагнитных нагрузках уменьшается величина тяжения, но возрастают амплитуда колебаний величины рабочего зазора и переменная составляющая осевой силы тяжения, что вызывает усилие вибраций и изгибающего момента ротора. В свою очередь асимметрия рабочего зазора вызывает деформацию магнитного поля и повышает добавочные потери.

Вопросы расчета магнитной цепи решаются с учетом несимметрии активной зоны по радиусу, даются рекомендации по расчету магнитных напряжений с учетом поправочного коэффициента.

На базе этого приведен алгоритм расчета индукции в зазоре в радиальном направлении. Проведен анализ распределения индукции в зависимости от геометрии зубцово-пазовой зоны, высоты ярма и т.п. Так, например, при увеличении ширины проводника статора происходит снижение индукции в зазоре в области наружного диаметра, а с увеличением зазора распределение индукции более равномерное в связи с насыщением. Помимо этого приводятся кривые распределения индукции в зависимости' от материала сердечников.

Выполнен анализ плоских обмоток статора и ротора. Определение их размеров проводится в ходе электромагнитного расчета после выбора типа

обмотки (односторонняя, двухсторонняя), а также диаметров активной зоны, составления схем и таблиц соединения проводников полюсно-фазовых групп. В качестве базовых размеров приняты толщина и ширина проводников и просечек в активных и лобовых частях, высота пакета, а также диаметры окружностей копцевых участков проводников наружных и внутренних лобовых частей и их границ с активными частями проводников.

Наиболее важным является определите наружного и внутреннего диаметров лобовых частей и ширины межпроводникового расстояния, в основном определяющих расход материала и компоновку подшипникового узла.

Рассматриваются особенности геометрии наиболее распространенной обмотки двухстороннего типа, характерной для большинства двигателей с пазово-зубцовой зоной (рис. 5). На базе этой обмотки формируются многослойные обмотки большинства торцевых асинхронных двигателей. Решены задачи оптимизации обмоток с использованием частных критериев оптимизации (по допустимой плотности тока, минимуму активного сопротивления проводников лобовых частей; минимуму произведения сопротивления наружных лобовых частей и относительного наружного радиуса обмотки; минимуму произведения сопротивления наружных лобовых частей и квадрата относительного радиуса).

На рис. 6, 7 показаны зависимости относительного радиуса Я' лобовой части от его центрального угла а соответствующие указанным критериям минимуму потерь в лобовых частях Ртт и минимуму сопротивления в лобовых частях.

Оптимизация геометрии к.з. обмотай ротора проведена из условия минимизации массы ротора и постоянства активного сопротивления. Показано, что величина потерь в к. з. обмотке не зависит от соотношения сопротивлений стержней и колец при условии постоянства их суммарного сопротивления. На базе этого даются практические рекомендации по

w wf ***

Рис.5 R £&очвщ- гзомегпщ ялоской ойшзже егатора*

JUo w zumoso so 70 ео a, rpaa

Pre.6 брвл'-чггрс?* G-ïîO" - Зав^ск^осгь опгииаль

■ÇjSîï* ¿DC^JÁbZXi, СГ aro 1,3-:-! CZ CZll.y^li.

'¿разноге cooxütí'i'C'iBj* го утла.

кщая крд:хбрш;Г Ри,^ и

минимизации массы ротора. Помимо этого рассмотрены особенности учета скоса пазов ротора при различном числе полюсов и соотношении наружного и внутреннего диаметров. Показано, что для всего диапазона углов скоса коэффициент скоса обмотки торцевого ротора несколько выше, чем цилиндрического.

Проведен анализ влияния копструкгорско-технологических факторов на характеристики двигателей с зубцово-пазовой структурой. Определено влияние на энергетические показатели двигателей величины среднего диаметра, активной длины, величины индукции в зазоре, толщины проводника обмотки статора, величины рабочего зазора, соотношения высоты ярма к полюсному делению, раскрытия паза, величины магнитной проницаемости клина и коэффициента заполнения. Это позволяет оцепить влияние конструктивно-технологических отклонений размеров на выходные параметры и проводить оптимизацию этих размеров.

Например, на рис 8-11 показаны зависимости к.п.д. и кратности пускового тока и момента для двигателей с Р2 = 120 : 270 Вт в функции среднего диаметра П>*0 и активной длины 1*0 (в относительных единицах), где П*п - 1 и 1*о =1 соответствует оптимальному значению.

Тепловой режим машины анализируется на базе метода эквивалентных тепловых схем. С этой целью рассмотрены температурные связи и с помощью метода конечных разностей для приближенного решения уравнений теплового баланса в «п» частях машины получена модель с симметричной матрицей проводимостей. Рассмотрен ряд участков с условно одинаковыми температурами внутри каждого из пих.

п

' 1я*1 = I £ Аа + ^о! > |Аа1 + \хи\ +... + 1х„| (36)

ы

где А. - теплопроводности соответствующих элементов.

Определено число элементов, наиболее существенно влияющих на тепловой режим, а решение уравнений теплового баланса проводится при

035

lïô

125

f. !

J

i JSûbT

* л A

/ ír f чШ>Ь7

I

2.0

Kn

<1,5

-W

0.S

-

1 i- -

1 К

V / / /л/ v/

/Of ж í

- - "flJJ J 1

*

До-

Q8 Q9 / ^ qß Ç9 У /,¿>

Рас.8 Завйсшосгь КПД ог о-гнсг Ряс.9 Зашашость кратности

iï'vCKOSoro момента, ого

Q0O 0t4f

%зо

2?DB г

jé

/ çx /gs

V Y,

& "У

qw J7û /?25~ S,S

Рис.10 ЗавЕсшосгь КПД

st -J, OS S,£-Рис.П Завшшосгь крагмосгж

относительной атшхяж ssœat* » пускового тоха os ¿* .

основных допущениях, обычно принимаемых при решении подобных задач (коэффициенты теплопроводности независимы в каждой координате, теплопередача различных неподвижных поверхностей и охлаждающей среде независима от температуры и координат, влияние подогрева охлаждающей среды производится приближенно методом наложения, функции потерь независимы от температуры, температура каждой однородной части машины - постояшга и усреднена, а реальное распределение потерь заменяется суммой).

Определение тепловых связей, наиболее существенно влияющих на распределение температуры в торцевых двигателях, осуществляется по методу вариаций в форме частных производных. Приводятся кривые, характеризующие эти влияния на температуру нагрева. Рассмотренные тепловые взаимосвязи позволяют оценить установившиеся тепловые режимы.

Четвертая глава посвящена рассмотрению особенностей проектирования и технологии изготовления с целью повышения использования активного объема.

Анализируется среднее значение диаметра и влияние соотношения наружного и внутреннего диаметров на степень использования активного объема и конструктивную схему двигателя в целом. Показано, что среднее повышение расхода активных материалов торцевых двигателей по сравнению с равными по мощности и одинаково используемыми в электромагнитном отношении цилиндрическими уменьшается с ростом числа полюсов.

В двигателях с витым ярмом уравнительное перераспределение поля отсутствует, а, следовательно, на элемент сечения ярма в зоне наружного диаметра приходится большая часть потока, чем в зоне внутреннего диаметра. В силу этого ярмо в зоне наружного диаметра насыщено больше,

что приводит к ухудшению использования стали в этой зоне и понижению электромагнитного момента.

намагничивающего тока и параметров.

Наиболее нагретыми частями двигателя являются внутренние лобовые части с превышением средней температуры на 10-15 %. В отличие от цилиндрической машины вентиляционный эффект торцевого ротора вызывает воздушный поток, отводящий тепло с торцевых поверхностей. Причем, любой радиальный паз или выступ на поверхности ротора значительно усиливает вентиляционный эффект. В случае продува аксиального зазора при входе охладителя из зоны внутреннего диаметра температура обмотки статора максимальна в пазовой части. Изменение температурного поля незначительно при изменении отношения диаметров в пределах (1,5 ч- 3).

На использование активного материала и показатели двигателей также влияют конструкция и материал магнитоировода и обмоток, а также конструктивная схема корпусных элементов и опор.

В общем виде выражение электромагнитного момента с учетом неравномерности распределения индукции «В» вдоль радиуса «II» представляется в виде:

где В' - дополнительная составляющая индукции;

См - коэффициент пропорциональности. В зависимости от закона распределения В (И) компонента В' может быть положительной, отрицательной или равна нулю. Равномерное радиальное распределение возможно при равенстве произведений коэффициентов

Кроме того, расчет магнитной цепи по среднему диаметру без учета этой неравномерности обуславливает погрешности определения

(37)

насыщения и Картера на наружном и внутреннем диаметре. Для обеспечения возрастающего распределения В(Я) целесообразно применять ярмо с трапецеидальным сечением с меньшей стороной в зоне внутреннего диаметра. Это реализуется при изготовлении ярма статора из порошкового магнитного материала, а ярма ротора в виде ферромагнитного массивного основания, совмещенного со ступицей.

Для снижения радиального температурного перекоса целесообразно перераспределение потерь в зону наружного диаметра активной часта посредством повышения там плотности тока при одновременном ее снижении на внутреннем диаметре. В частности, для ротора это возможно путем повышения плотности тока и сопротивления наружного к.з. кольца при одновременном снижении этих величин на внутреннем к.з. кольце без изменения суммарного сопротивления к.з. колец. Перераспределение осуществляется с помощью стержней переменного сечения, возрастающего от внешнего к внутреннему кольцу. Подобный способ достаточно эффективно используется в прессованном роторе с переменной высотой паза.

Для статора такое перераспределение может быть осуществлено аналогичным образом для плоской обмотки с учетом ряда ее особенностей следующего плана.

Плоские обмотки подразделяются на одно- и двухстороггаие. Для первого типа рисунок обмотки формируется на одной стороне подложки без переходов, для" второй рисунок формируется одновременно с двух сторон и проводники соединяются друг с другом различными технологическими приемами (гальванические заклепки, сварка, пайка и т.п.). Каждый из типов обмотки выдвигает свои конструктивно-технологические особенности. Помимо этого плоский характер проводников позволяет получить большее заполнение паза по сравнению с круглыми проводниками (на 20 25 %). В работе рассмотрены особенности печатных и штампованно-сварных обмоток, даются рекомендации по оптимальному проектированию веерных,

малоотходных и отходных штампованных обмоток, при этом коэффициент использования проводникового материала достигает (0,7 - 0,85). В случае применения алюминиевых обмоток статора облой идет на заливку ротора. Кроме этого даются рекомендации по проектированию к.з. обмоток ротора.

Рассмотрены конструкции опор и корпусных элементов двигателей (консольные, однопорные, одно и двухпакетные, разнесенные), оценивается влияние перекоса и расположения подшипника на эксцентриситет зазора. Помимо этого оцениваются размеры двигателей, влияющие на точность обеспечения рабочего зазора в разнесенной и совмещённо-консольной схемах. Сравнение этих конструкций показывает преимущества разнесенной схемы по сравнению с консольной: меньшее заполнение зоны внутреннего диаметра конструктивными элементами, большей виброударостойкостью, большей возможностью снижения массы и момента инерции ротора, лучшими условиями работы, возможностью уменьшения эксцентриситета зазора. Однако консольная конструкция в силу своей простоты в ряде случаев предпочтительна, например, в двигателях с малым сроком службы. Для этого варианта даны различные схемы компоновки подшипникового узла.

В развитие рассмотренных выше вопросов дается оценка надежности торцевых двигателей. С этой целью приводятся данные по ресурсным испытаниям с выделением наименее надежного узла - обмотки статора. Для составления модели надежности необходимо предусмотреть возможность послойного анализа изоляционной композиции в пределах площади соприкосновения витков. Это позволяет отразить конструкторско-технологическую специфику плоских обмоток и учесть основные дефекты изоляции и самих проводников. Пробой изоляции в пределах площадки контакта приводит к отказу всей обмотки, что позволяет при расчете надежности изоляции обмоток использовать последовательную схему элементов.

В математической модели надежности наряду со сквозными должны учитываться дефекты, трансформируемые в процессе приработки в сквозные. К таким дефектам, например, относятся заусенцы, приводящие к локальным разрушениям изоляции. Помимо этого необходимо учесть отказы корпусной изоляции. С учетом этого модель надежности представляется в виде:

Р(0 = Р10)-Р2(1)-Рз(0, (38)

где Р1 , Рг - надежности витковой и корпусной изоляции, а Рз -надежность контактных соединений проводников.

Витковая и корпусная изоляции характеризуются цепочкой последовательно соединенных конденсаторов, каждый из которых эквивалентен одному слою изоляции с поверхностью равной площади контакта. В работе приводится выражение для напряжения на 1-ый слой трехслойной изоляции с учетом реальной конструкции, оценивается вероятность одновременного пробоя слоев при воздействии импульсов перенапряжения с введением реальных дефектов. Причем плотность распределения дефектов является функцией времени.

На базе этих положений решается задача оценки надежности различных композиций, приводятся статистические параметры распределения пробивного напряжения витковой и пазовой изоляции, а также даны результаты проверки согласия теоретического и эмпирического распределений. Кроме этого, оцениваются результаты дефектности пазовой и витковой изоляции.

Пятая глава посвящена реализации результатов работы и экспериментальному исследованию торцевых двигателей интегрального изготовления.

Рассмотрены конструкторско-технологические разработки, направленные на улучшение технико-экономических показателей машин. Рассматриваются многофазные печатные обмотки одностороннего типа, позволяющие уменьшить общий аксиальный размер двигателей. С этой целью активные

части проводников одной фазы каждой катушки объединены в группы, размещенные на 1/т полюсного деления (ш - число фаз) (рис. 12). В остальной части изоляционной подложки между группами выполнены окна, в которых установлены в той же плоскости выполненные аналогично группы активных частей проводников полюсных катушек остальных фаз. Лобовые части каждой фазы расположены в ш-плоскостях. Причем выигрыш более значительный для машин без ферромагнитного сердечника.

Для повышения числа витков в слое плоской двухсторонней обмотки разработана конструкция, в которой часть зубцов статора размещена между проводниками многослойной обмотки, а число проводников слоя равно числу зубцов (рис. 13).

Рассмотрены вопросы применения прессованных сердечников с явнополюсной структурой и улучшенными пусковыми параметрами (Г-образные полюса).

Представлены двигатели, активная зона которых (статора и ротора) выполняется с использованием плазменной технологии и оригинальным магнитным клином.

, Предлагаются решения для витых магнитопроводов тороидального типа с приставленными П-образными зубцами, которые существенно упрощают решение проблемы несовпадения выштампованных пазов после навивки (рис. 14). Рассмотрены конструкции двигателей, в которых ярмо выполняется составным, часта которого расположены аксиально относительно вращения. В такой конструкции обеспечивается надежное соединение зубцов с ярмом и снижение намагничивающего тока. Предположены конструкции прессованных сердечников с армированным каркасом для повышения прочности зубца в его основании. В комбинированных конструкциях предлагаются сердечники со вставными зубцами и ориентированной магнитной структурой, которые в зоне зубец - ярмо имеются более широкие пазы, чем сам зубец.

РлО.Х4 Статор с вагш Ii арйехаБжжя Д-oöpasHHiS губцщш 1 -- sjuuh; 2 -siaiiïiocBspHS^ oGisji'üa;

Рис.13 Вид сгатора со сгозеда гктднкох'о а:орца £ згашоазаснйй обгягека с ^'чззняш scecuibscsshjism акгазных материалов; I - зубцы сердечника; .рвсполсжеяша з окнах аро£одгсясов; у - зуояа; -казш верхнего слоя дзуотсроше!

Рассматривается ряд решений, направлешшх на совершенствова1ше к. з. ротора. Так рассматривается к.з. обмотка, выполненная по методу порошковой металлургии. Нижний слой - из порошка с высокой электропроводностью, а последующие - с уменьшающейся электропроводностью. С другой стороны, стержни к.з. обмотки могут выполняться с переменным сечением, возрастающим к наружному диаметру. В этом случае большая часть потерь приходится на наружную часть ротора и обеспечивается лучший теплоотвод.

Другое конструктивное решение заложено в к.з. обмотке с радиальными ребрами вдоль оси симметрии паза, а элемент для закрытия пазов выполнен в виде сектора, устанавливаемого между ребрами обмоток.

С целью разгрузки подшипникового узла консольного варианта, особенно для высокоскоростных двигателей, предложена конструкция ротора со специальными лопатками на внешней части по типу крыла. В такой конструкции создается аэродинамический эффект противоположный магнитному тяженшо. В общей сложности приводятся 17 конструкгорско-технологических решений на уровне изобретений, позволяющих улучшить технико-экономические показатели двигателей. Например, на рис. 15,16 представлены двигатели .с составным коаксиальным ярмом и переменным сечением стержня ротора.

Рассмотрены результаты экспериментального исследования магнитного поля в различных частях активной зоны. Приводятся кривые распределения индукции в ярме, зубце и зазоре в зависимости от радиуса и режима работы. Дается оценка параметров, включая величину индуктивности намагничивания, для различных режимов работы. На рис. 17 приведены наиболее характерные кривые распределения индукции.

Экспериментально определены гармоники индукции, обусловленные наличием открытых пазов статора и ротора. Приводится распределение индукции вдоль полюсной дуги при лево- и правостороннем вращении. В

. 2"> у/ Xе i» Д--

- , у " JL

ок ^ . . - ,

с ^ ,

1 t-'КЛ

РкоЛб^Дгигегад» с парбменшгд сечонявм ctspsEß ссхерв;

1 - ярао; 2 - зубец; 3 - обмотка сзагош;

6 - вз*шшкаокккв окна: 7 - гжзраеаь; iö - лсдаа'вк;4,3 -- я.З сгаотка; Б - к.З кольцо;

с50.

целом результаты экспериментальных исследований магнитного поля имеют достаточную сходимость с теорией.

Рассматриваются характеристики торцевых асинхронных электродвигателей, спроектированных и изготовленных для различных электроприводов. Двигатели первой группы АДПО-Ю, 12, 13 предназначены для бытовой электротехники. Для них характерны незначительный срок службы и жесткие ограничения по стоимости изготовления. Обмотка статора двухсторонняя, плоская, многослойная, причем возможен вариант низкооборотного двигателя с частотой вращения равной частоте вращения активатора стиральной машины исключающий усилия ременной передачи, которые ухудшают работу подшипников. Двигатели типа АДПО-22, 23 предназначены также для электробытовой техники, а обмотки выполнены штампованно-сварными, расслоенными без фазосдвигающих элементов.

Двигатели второй группы типа АДГ10-18, 19 предназначены для магнитофонов с расположением двух двигателей под кассетами и создающих необходимый натяг ленты, протяжку и перемотку; обмотки статора односторонние, печатные.

Двигатели третьей группы имеют наибольший диапазон мощностей, напряжения и частоты питания (АДПО - 14, АДПО - 20, АДСО, АДТ, АДТО, ДТ, ДВТ). В этих конструкциях реализованы идеи модуля, Т-образного магнитопровода, тороидальные обмотки, бесподшишшковские устройства, высокоскоростные двигатели, многоблочные и др. Область применения: общепромышленные системы кондиционирования, металлургия и др.

Характеристики двигателей определены с помощью многофункционального автоматизированного стенда, регистрирующего комплекс параметров и переменных.

Основные параметры разработанных двигателей представлены в табл. 1 и 2, рис. 18 - 21

Таблица 1.

Характеристики торцевых асинхронных короткозамкнутых двигателей интегрального изготовления.

Тип электродвигателей Мощность кВт Напряжение В Ток А Об/мин К.П.Д. Cos Ф ¡E 1ном Мл/Мн

АДПО-12 0,16 220 1,75 910 0,51 0,92 1,5 0,5

АДПО-14 0,35 36 19,5 7400 0,58 0,86 2,0 1,1

АДПО-18 0,006 24 1,4 960 0,2 0,89 1,7 1,2

АДГ10-20 0,35 220 3,65 960 0,5 0,87 2,5 1,3.

АДПО-23 0,18 220 2,3 920 0,48 0,86 2,6 0,8

АДПО-19 0,01 24 1,9 900 0,24 0,8 2,2 1,25

ДТ-0,25/2 0,25 220 0,81 2650 0,55 0,5 2,6 1,1

ДВТ-0,7/2 0,7 220 1,71 2750 0,71 0,88 3,2 1,13

ДТ-1,1/2 1,1 220 2,58 2815 0,75 0,86 4,3 1,6

ДТ-2,2/2 2,2 220 4,79 2820 0,79 0.88 4,08 0,9

АТ-2,2/2 2,2 220 4,96 2820 0,8 0,84 5,2 2,0

Ф

В5

¿¡г

У

is 6/5 7,5/0'% Я

4

>

í S И

1 •.г

к,

Í 1 к

\

ч >

\

\

Ч

/

Чв я я

Виброакустические характеристики двигателей различной конструкции показали, что в двигателях с прессованными сердечниками снижен уровень вибрации на 2-3 дБ, причем для двигателей с меньшим диаметром это более ощутимо.

Температура активных частей и подшипников определялась с помощью термоэлектрических преобразователей.

В целом экспериментальные данные подтвердили основные положения теории торцевых асинхронных двигателей интегрального изготовления.

В приложении приводятся документы по внедрению торцевых двигателей.

Заключение

Выполненная работа направлена на решение научно-технической проблемы по разработке теории и практики нетрадиционных конструкторско-технологических решений асинхронных электродвигателей малой мощности. Основная научная и практическая значимость диссертации состоит в разработке и обосновании теоретических положений, способов повышения технического уровня электродвигателей интегрального изготовления, а также во внедрении двигателей.

Основные результаты работы укрупненно заключаются в следующем:

1. Проведен анализ конструктивно-технологических решений перспективных электрических машин в части снижения трудоемкости изготовления и повышения качества. Показаны пути решения этой задачи в общем плане и в части машин интегрального изготовления.

2. Проведен анализ магнитных полей в торцевых микродвигателях с различным выполнением активной зоны: плоской, модульной, зубцовой. В первом случае получены выражения для распределения магнитного потенциала для семи областей с использованием метода наложения, во втором - система интегральных выражений,

решаемых по методу итераций, в третьем - уравнении для скалярного магнитного потенциала. Проведена оценка погрешности каждого метода анализа и составлены алгоритмы решения полевой задачи.

3. Рассмотрены особенности распределения магнитного поля в активной зоне с учетом несимметрии вдоль активной длины машины, соотношения размеров (высоты ярма, радиуса, ширины пазовой зоны, величины рабочего зазора и др.), материала магнитопровода (электротехническая сталь, магнитомягкий порошковый композиционный материал). В частности, особое внимание уделено распределению поля в прессованных магнитопроводах. Определены рациональные геометрические соотношения сердечников с учетом возможностей технологии.

4. Разработаны основы расчета торцевых асинхронных двигателей интегрального изготовления. Исследовано влияние геометрических соотношений и конструктивных схем элементов активной части на технико-экономические показатели. Показаны зависимости коэффициента диаметров и длины от соотношения внешнего и внутреннего диаметра, определена рациональная зона их значений. Получены выражения для оценки расхода материала обмотки статора в функции соотношения диаметров (оптимум 1,6 - 2,0) для различных чисел полюсов. Аналогичные выражения получены для оценки массы активных материалов.

5. Показаны пути более эффективного использования торцевых двигателей для различных конструктивных схем и числа полюсов. Рассмотрены вопросы расчета высокоиспользованных двигателей с учетом изменения индукции вдоль радиуса и обеспечения долговечности подшипников. Предложен алгоритм решения уравнения машинной постоянной с помощью метода последовательных приближений.

6. Разработана методика расчета плоских обмоток, имеющих фиксированное расположение проводников и взаимосвязанных с геометрией магнитопровода. В частности, получены аналитические выражения для оптимальных радиусов обмотки при различных критериях минимизации потерь. Проведена оптимизация геометрии короткозамкнутой обмотки ротора для критерия минимума ее массы

при сохранении расчетного активного сопротивления. Кроме этого, получены выражения для коэффициента скоса при различном числе полюсов и соотношении диаметров.

7. Разработаны методы проектирования с учетом особенностей технологии изготовления и повышения использования активного объема. Представлена математическая модель -установившегося теплового режима торцевого двигателя, позволяющая оценить тепловые потоки и несимметрию теплораспределения.

8. Разработаны и внедрены торцевые асинхронные электродвигатели интегрального изготовления различных исполнений с улучшенными технико-экономическими показателями. Конструкции двигателей разработаны при непосредственном участии автора и защищены рядом авторских свидетельств. Испытания двигателей подтвердили основные положения теории. Кроме того, внедрены статоры гистерезисного электродвигателя с роторами из высокотемпературных сверхпроводниковых композиционных материалов.

Основные печатные работы и изобретения по теме диссертации

1. Корицкий A.B., Вильданов К.Я. Параметры асинхронной машины. // Тр. Моск. Инст-та радиотехники, электроники и автоматики. 1971. - Вып. 54. - с.58-64.

2. Вильданов К.Я. Расчет конденсаторного асинхронного двигателя с печатными обмотками. // Тр. Моск. Инст-та радиотехники, электроники и автоматики. 1971. - Вып. 54.-е. 52- 56.

3. Вильданов К.Я. Вопросы применения методов планируемого эксперимента к задачам исследования асинхронного двигателя с печатной обмоткой. // Тр. Моск. Инст-та радиотехники, электроники и автоматики. 1972,- Вып. 62.-С.53-59.

4. Вильданов К.Я., Адаскин С.И. Силы магнитного тяжения асинхронного двигателя с печатной обмоткой. // Тр. Моск. Инст-т радиотехники, электроники и автоматики. 1972. - Вып. 62.-С.69-74.

5. Корицкий A.B., Игнатов В.А., Вильданов К.Я. Применение магнитодиэлектриков в микромашинах интегрального изготовления. // В кн.: Исследование, разработка и внедрение магнитодиэлектриков. Харьков. 1972. - Харьковский авиационный инст-т. - с. 84-90.

6. Игнатов В.А., Вильданов К.Я., Поляк Л.М. Особенности технологии изготовления электромагнитных элементов со слоистыми обмотками. //Электронная техника.'1973. - Сер. 7. Вып. 2. - с. 29-32.

7. Вильданов К.Я., Колчев А.М. Экспериментальное исследование распределения магнитного поля в воздушном зазоре электромагнитных элементов с плоскими обмотками. // Тр. Моск. инст-та радиотехники, электроники и автоматики. 1975. - Вып. 77. - с. 86-95.

8. A.c. 646998. МКИ1 Н02К 1/06. Многофазная печатная обмотка для торцевых электрических машин / Вильданов К.Я., Забора И.Г., Игнатов В.А. // Открытия. Изобретения. 1977, № 6.

9. Вильданов К.Я., Адаскин С.И., Юдин H.A. К вопросу разработки торцевых микродвигателей для лентоперетяжных устройств бытовых магнитофонов. //Электротехническая промышленность. Сер. Бытовая техника. 1978. -Вып. 7. - с. 9.-12.

10. A.c. 603229. MIGl' H02K 1/06. Магнитопровод электрической машины. /Игнатов В.А., Вилъданов К.Я., Дроздов А.Я. //Открытия. Изобретения. 1978, № 19.

11. Игнатов В.А., Саликов М.П., Вильданов К.Я. Армирование прессованного магнитопровода торцевой электрической машины. Электротехническая промышленность. Сер. Технология производства. 1979. -Вып. 8.-с. 2-3.

12. A.C. 1971177. МШГ Н02К 1/06. Электрическая машина. /Вильданов К.Я., Игнатов В.А., Трутко Д.И. // Открытия. Изобретения. 1980, № 7.

13. A.c. 795500. МКИ1 Н02К 15/02. Способ изготовления магнитопровода. /Игнатов В.А., Вильданов К.Я., Саликов М.П. // Открытия. Изобретения. 1980, №48.

14. Вильданов К.Я., Домбровский В.В., Игнатов В.А. Плазменные покрытия в технологии электрических машин малой мощности. // Новые технологические процессы и оборудование для производства электрических машин малой мощности: Тез. докл. IV Всесоюзной научно-технической конференции. - Тбилиси, 1980. - с. 33-34.

15. Вильданов К.Я., Домбровский В.В., Игнатов В.А. Особенности получения тонких плазменных покрытий в технологии микродвигателей интегрального изготовления. // Там же, с. 31-32.

16. Игнатов В.А., Вильданов К.Я., Бобков А.И. К вопросу надежности торцевых микромашин интегрального изготовления. // Там же, с. 69-70.

17. A.c. 771802, МКИ3 Н02К 1/06. Сердечник якоря электрической машины. /Вильданов К.Я., Адаскин С.И., Игнатов В.А. /У Б.И. 1980, № 38.

18. Игнатов В.А., Вильданов К.Я., Саликов М.П. Анализ характеристик торцевых микродвигателей с учетом конструктивно-технологических решений активной зоны. // Прогрессивные методы порошковой металлургии в машиностроении. Оренбург. 1980. - с. 85.

19. Игнатов В.А., Вильданов К.Я., Трутко Д.И. Оптимизация характеристик торцевых микродвигателей с учетом требований

28. Игнатов В.А., Внльданов К.Я., Ставинский A.A. Конструктивно-технологические возможности улучшения использования активного объема торцевых асинхронных двигателей. // Новые технологические процессы и оборудование для производства электрических машин малой мощности: тез. докл. V Всесоюзн. научно-технической конференции . - Тбилиси, 1983. - с. 60-61.

29. Вильданов К.Я., Игнатов В.А. Анализ динамических характеристик торцевых асинхрошшх микродвигателей. // Депон. в Информэлектро в сб. Электропривод и автоматизированные системы управления. 1983, № 10.

30. A.c. 1022261. МКИГ Н02К 17/16. Ротор асинхронного двигателя и способ его изготовления. / Игнатов В.А., Вильданов К.Я., Домбровский В.В. // Огкрытия. Изобретения. 1983, № 21.

31. Вильданов К.Я. Вопросы проектирования торцевых асинхронных микродвигателей интегрального изготовления с пониженной виброактивностыо. // Тр. МЭИ. Межведомственный сборник. 1984. - Вып. 25. С. 76-81.

32. Вильданов К.Я., Трутко Д.И. Вопросы технологии торцевых двигателей для робототехнических устройств. // Новые техпроцессы и оборудование для производства электромашин малой мощности. Информэлектро. 1985. - с. 19.

33. Вильданов К.Я., Игнатов В.А., Забора И.Г. Динамика электропривода трехвалковой клети мелкосортного прокатного стана с встроенным торцевым электродвигателем. // Динамические режимы электрических машин и электроприводов: тез. докл. IV Всесоюзной научно-технической конференции. - Днепропетровск, 1985. - с. 130.

34. Игнатов В.А., Вильданов К.Я. Особенности пуска торцевых асинхронных двигателей интегрального изготовления. // Там же, с. 63.

35. Забора И.Г., Вильданов К.Я. Усовершенствованные конструкции к.з. роторов асинхрошшх двигателей. // Депон. в Информ-электро. 1986. - Ns 4. 176-эт. с. 172.

36. A.c. 1268062. МКИ3 H02K 15/02. Способ изготовления ротора асинхронного двигателя. /Игнатов В.А., Вильданов К.Я., Домбровский В.В. / Открытия. Изобретения. 1986, № 2.

37. A.c. 1334273. МКИ3 Н02К 17/16. Ротор электрической машины. /Игнатов В.А., Вильданов К.Я., Домбровский В.В./ Открытия. Изобретения. 1987, № 32.

38. A.c. 1418850. МКИ* Н02К 1/06. Торцевая электрическая машина. /Игнатов В.А., Вильданов К.Я., Трутко Д.И./ Открытия. Изобретения. 1988, №31.

39. Игнатов В.А., Вильданов К.Я. Торцевые асинхронные электродвигатели интегрального изготовления. // Энергоатомиздат. 1988. -304 с.

40. Игнатов В.А., Вильданов К.Я., Авакян A.C. Математическая модель переходных режимов в торцевых асинхронных микродвигателях с прессованными магнитопроводами. // Динамические режимы асинхронных машин. Ч 1. Тез. докл.: V Всесоюзн. научно-технич. конф.: «Динамические режимы работы электромашин и электроприводов» Каунас. 1988. - с. 142.

41. Игнатов В.А., Вильданов К.Я., Авакян A.C. Анализ конструкторско-технологических особенностей торцевых двигателей и их взаимосвязь с динамическими показателями. // Тр. Моск. энергетич. Института 1988. - вып. № 155.-е. 109-113.

42. Вильданов К.Я. Торцевые асинхронные двигатели со сниженным расходом активных материалов. // Тр. МЭИ 1989. -е. 4.

43. A.c. 156115. МКИ3 Н02К 1/06. Однофазный асинхронный электродвигатель. /Вильданов К.Я., Трутко Д.И., Игнатов В.А. // Открытия. Изобретения. 1990, №29.

44. Вильданов К.Я., Домбровский ВВ., Жижин М.И. Моноблочные роторы асинхронных к.з. двигателей. // Депон. № 27-Эт. 1991, № 9, с. 92.

45. Ковалев Л.К., Полтавец В.Н., Вильданов К.Я. и др. Гистерезисный двигатель с дисковым составным ротором из текстурированной ВТСП керамики. // Электричество. - 1996, № 8. - с. 20-23.

46.Ковалёв Л.К., Полтавец ВН., Вильданов К.Я. и др. Многодисковый гистерезисный электродвигатель на основе объёмных высокотемпературных сверхпроводников. // Электричество. - 1998, №3. - с.33 - 43.

47.Вильданов К.Я., Забора И.Г., Учуваткин Т.Н. Асинхронные двигатели для герметичных объектов. II Доклад на юбилейной конференции «Отечественная электромеханика на пороге XXI века». М. МЭИ. 1999.

48.Патент РФ №212.53.63. от 27.01.1999. Вильданов К.Я., Забора И.Г.

49.Патент РФ №212.57.59. от 30.01.1999. Вильданов К.Я., Забора И.Г.

Формат 60x64 !/i6-Объем; 3 п.л. Тираж 100 экз. Biso печать. Заказ № HS"

МИКХкС, 1038С7, ГСП. Моста». Ж-29. Ср. Калиткикозская ул . з, 30

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПРОБЛЕМА РАЗРАБОТКИ.

1.1. Общая характеристика теории и практики применения торцевых двигателей.

1.2. Конструктивно-технологические решения современных двигателей.

1.3. Особенности торцевых асинхронных электродвигателей интегрального изготовления.

1.4. Выводы.

ГЛАВА 2. МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ В ТОРПЕВЫХ МАШИНАХ.

2.1. Магнитное поле машин е печатными обмотками, расположенными на гладких сердечниках.

2.2. Магнитное поле машин с печатными обмотками, расположенными в пазах.

2.3. Магнитное поле машин со штампоеварными и всыпными обмотками.

2.4. Выводы.

ГЛАВА 3. ТЕОРИЯ РАСЧЕТА ТОРЦЕВЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ.

3.1. Обшие положения.

3.2. Влияние геометрических соотношений и конструктивных схем элементов активной части на технико-экономические показатели.

3.3. Расчет магнитных пеней.

3.4. Расчет плоских обмоток статора и ротора.

3.5. Оптимизация геометрии короткозамкнутой обмотки ротора.

3.6. Влияние конструктивно - технологических факторов на характеристики двигателей.

3.7. гасчет теплового режима электродвигателя,

ГЛАВА 4, ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ.

4.1. Способы повышения использования активного объема.

4.2. Проектирование печатных и штампосварных обмоток.

4.3. Конструкция опор и корпусных элементов.

4.4. Вопросы надежности.

ГЛАВА 5. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

5.1. Конструкторско-технологические разработки с участием автора, направленные на улучшение технике-экономических показателей.

5.2. Исследование магнитного поля.

5.3. Характеристики торцевых асинхронных электродвигателей интегрального изготовления.

5.4. Выводы. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Список литературы.

Основной ив задач развития народного хозяйства является расширение производства новых типов электродвигателейвключая наиболее массовые по выпуску асинхронные. Особую значимость эта проблема приобретает с необходимостью увеличения народного потребления, отвечающих мировому уровню развития. Это предполагает значительный уровень автоматизации производства микродвигателей за счет применения прогрессивных технологических операций и новых конструктивных решений. Среди определяющих условий совершенствования конструкций главными в настоящее время являются снижение расходов активных материалов и трудоемкости изготовления .

В этой части перспективной представляется конструкция торцевых асинхронных электродвигателей интегрального изготовления , позволяющих повысить технический уровень производства за счет применения прогрессивных технологических процессов и высокопроизводительных гибких технологических линий.

В диссертации рассматриваются асинхронные электродвигатели., активные элементы которых (сердечник и обмотки) выполняются интегральными методами: фотолитографии, штамповки., прессования, напыления и т.п. Кроме этого, рассмотрены и обычные торцевые двигатели с вспыпными обмотками, на базе которых анализируются тить отходы стали, которые составляют до 40 % и более. гибко осуществлять построение активной зоны преобразования энергии.

Известно, что обмоточно-изолировочные работы в классических электромашинах составляют до (50 * 70)% от общей трудоемкости изготовления. Поэтому необходим /йоиск таких конструктивно-технологических решений, которые бы резко снизили эту долю трудоемкости.

Шихтованные сердечники' в большинстве случаев имеют более низкие магнитные свойства. Это связано с нарушением свойств в процессе изготовления сердечников, поэтому зачастую расчетные 1 характеристики двигателеи не соответствуют эксплуатационным.

При произвольной механизированной укладке обмоток в цилиндрических двигателях достигнут предел повышений коэффициента заполнения паза круглым проводом. Дальнейшее повышение нагревос-тойкости изоляции требует применения специальных конструктивных мероприятий по улучшению условий работы подшипников.

Эта проблема несоответствия между масштабами производства асинхронных двигателей и возможностями повышения технического уровня особенно обостряется с уменьшением единичной мощности.

Указанное обстоятельство требует поиска и разработки нетрадиционных конструкций асинхронных двигателей.

Помимо этого имеются соображения по комплексной опенке характеристик электропривода с учетом взаимоувязки двигателя и рабочего механизма.

На характеристике механизмов значительное влияние оказывают конструктивные особенности и технический уровень электродвигателей. Существенный выигрыш в габаритах; может быть получен при приближении электродвигателя к рабочему механизму, т.е. объединении общей конструктивной идеи механизма и приводного электродвигателя, Для этой цели в ряде случаев эффективно применение торцевых двигателей. Малая осевая длина обеспечивает конструк vj тивную приспособляемость таких двигателей к ряду механизмов и приборов, их компактность, удобство в эксплуатации и сборки.

Как известно, в начальный период развития электромашиностроения получили развитие торцевые машины. Однако в дальнейшем последующее развитие получили электрические машины цилиндрического исполнения, которые наиболее полно соответствовали имеющемуся уровню технологических, функциональных и производственных требований. В настоящее время непрерывный рост требований к качественно новым характеристикам электродвигателей не позволяет в ряде случаев их обеспечить в двигателям цилиндрического исполнения. Более рациональным в этом случае представляется использование торцевых двигателей, в частности, асинхронных.

В отечественной технике торцевые асинхронные электродвигатели начали применяться в 30-ые годы. Они использовались в качестве дисковых центрифуг, магнитофугальных машин и др. Позднее они получили развитие в ряде зарубежных стран.

Французские Фирмы "СЕМ" и "CEA" применяют торцевые асинхронные двигатели для различных приводов промышленного и бытового назначения., в том числе, для привода автомобильных серводвигателей, бытовых и промышленных вентиляторов, кондиционеров воздуха, устройств, работающих в агрессивных средах, прожекторов батискафа, севромеханизмов точных станков и текстильных машин, в качестве управляющих и исполнительных двигателей радиоэлектронных устройств, ЭВМ и авиационных приборов.

Английская фирма "SMC" выпускает торцевые асинхронные двигатели для привода вентиляторов, насосов, компрессоров и других промышленных приводов.

Фирма "ABGrnBN" (ФРГ) выпускает регулируемые торцевые асинхронные двигатели в блоке с электронной системой автоматического регулирования, тахогенератором и устройством принудительного охлаждения. По сравнению с электроприводом переменного и постоянного тока аналогичного назначения эти двигатели имеют большую перегрузочную способность и предпочтительную плоскую форму.

Торцевые асинхронные двигатели эффективны для применения на транспорте, так как уменьшение габаритов различные транспортных агрегатов и механизмов, обеспечиваемое конструкцией таких двигателей, увеличивает "жизненное пространство" и потенциально уменьшает габаритные размеры и снижает материалоемкость транспортных систем.

Однороторные и двухроторные торцевые асинхронные двигатели могут применяться в качестве мотор-колес. Применение встроенных в колеса электродвигателей устраняет систему специальных механических устройств (дифференциалов, карданных и гипоидных передач) и значительно упрощает устройство и повышает надежность транспортных систем.

Швейцарская ширма "Micro-Electric" выпустила серию встраиваемых торцевых асинхронные двигателей мощностью до 1.1 квт, а фирма "Фербенке. Морзе и К°" ГОША) - мощностью до 15 квт.

Непрерывно расширяющаяся область применения торцевых электродвигателей обусловлена рядом преимуществ по сравнению с машинами цилиндрической конструкции:

- жесткость конструкции;

- благоприятные условия теплоотдачи, охлаждения и вентиляции и соответственно лучшее использование;

- существенное упрощение обмоточных работ, благодаря открытой зубцовой зоне и возможность визуального контроля качества:

- достаточно высокое использование магнитных материалов;

- удобство сочленения с механизмом и приводом;

- большой момент инерции, улучшающий эксплуатацию механизмов. в которых на валу имеется реакопеременная нагрузка;

- меньшая масса и габариты при ограниченных "жизненных пространствах" механизма;

- сравнительная простота эксплуатации, ремонта. Торцевые машины имеют и недостатки: наличие силы осевого магнитного тяжения в однопакетном исполнении., повышенный момент инерции при работе с безинерционными механизмами, реверсами, быстрым торможением: повышенные потери трения в подшипниках.

Б настоящее время имеется ряд работ, направленных на дальнейшее совершенствование конструкции и технологии асинхронных двигателей С7, 11, 13, 46, 70, 82, 86, 93, 114, 120, 123, 128, 129, 137, 140 - 157, 168, 170 - 176]. Среди этих направлений особое место занимают торцевые асинхронные двигатели интегрального изготовления. Б таких двигателях активные элементы выполняются технологическими приемами, при помощи которых возможно, например, выполнение сердечника, обмотки за одну операцию. Кроме того, исключаются ручные операции по обмоточно-изолировочным работам.

Обмотка статора выполняется методами печатного монтажа или штамповки. Сердечники статора и ротора преимущественно выполняются методами порошковой металлургии: изоляция обмотки и сердечников выполняются методом пленкообразования "электрофорез". Кроме этого, возможно применение методов газотермического напыления, например, для закрытия пазов, Фотовакуумной технологии. В целом все эти методы достаточно апробированы в различных областях производства (в радиоэлектронике , приборостроении, ЭВМ и др. )

Указанные методы позволяют управлять свойствами материалов в процессе изготовления двигателей, например, классом нагревос-тойкости, магнитной проницаемостью и др., а также позволяют изготавливать двигатели на предприятиях неэлектротехнического профиля.

В основу прогрессивных технологических операций, определяющих конструкцию двигателей в пелом, положен ряд операций, условно называемых интегральными. Применение таких операций позволяет при минимальном числе технологических приемов выполнять те или иные элементы активной зоны.

Указанные интегральные способы расширяют возможности в части автоматизапии и унификации производства микромашин с одной стороны и улучшения технико-экономических характеристик с другой.

Реализация данных методов изготовления наиболее предпочтительна в торцевых конструкциях электрических машин с плоской поверхностью активной зоны.

Активные элементы таких машин выполняются за счет однокоор-динатного перемещения рабочих инструментов. Очевидно, что для разработки двигателей в целом требуется опережающее развитие технологической базы, позволяющей по новому решить ряд технико-экономических задач, для осуществления этих задач представляется целесообразным отойти от установившейся в отрасли практики выпуска новых конструкций электродвигателей и перейти к разработке технологии и гибких автоматизированных линий, обеспечивающих относительно быструю переналадку отдельных узлов для перехода от одного типоразмера двигателя к другому. Такое построение необходимо для установления границ допустимых пределов настройки того или иного оборудования и области его оптимального применения. Возможно в этом случае возникает необходимость получения нетрадиционных размеров двигателей.

Однако, разработка новой шкалы мощностей не должна сказываться на функциональных особенностях электропривода, и в принципе, привести к экономии ресурсов в производстве, повышению качества и долговечных изделий.

В развитии теории и практики торцевых электрических машин значительную роль сыграли работы Иосифьяна А.Г. [140], Гольберга 0. Д. [70 - 71] .Паластина Л.М. [137]. Копылова И.П. [114 - 116],

Астахова H.B. [8 - 9]. Казанского В.МЛ12, 14. 28], Иванова-Смоленского A.B.С8? - 90]. Постникова В.М. [1391, Игнатова В.А.[16 - 43. 53, 61, 92, 94 - 109 3, Корицкого A.B.[16 - 20, 22, 23, 92, 122], Сипайлова Г.А. С177], Сорокера Т.Г. [157] и других исследователей.

Проблема сокращения расхода активных материалов, в частности, расхода электротехнической стали, посвящен ряд работ Винокурова [ ], Юферова Ф.М. [37,167], Яковлева А.И. С1703, Адаменко А.И. [2, 13], Лопухиной Е.М. [124, 1253, Беспалова В.Я. [46, 47, 1173, Инкина А.И. [93 3 Мамедова Ф.А. [117, 1303 и других.

Основной сложностью при разработке торцевых двигателей интегральной технологии является необходимость учета многих явлений, отражающих многообразие конструктивно-технологических параметров, особенностей электромагнитных процессов.

Комплексное решение этой проблемы представляет собой самостоятельную научно-техническую задачу, на решение которой направлена данная работа. В процессе ее выполнения оказалось необходимым решить задачу оптимального распределения магнитного поля с учетом несимметрии торцевых машин, определения рациональной геометрии элементов активной зоны и рационального соотношения параметров, расчетно-экспериментального исследования и разработки общей теории проектирования торцевых асинхронных микродвигателей интегрального изготовления.

Научные исследования, отраженные в диссертации, проводились в рамках хоздоговорных и госбюджетных НИР и ОКР при участии автора:

- координационный план Госкомитета по науке и технике ( программа 05.16.09.);

- координационные планы Минзлектротехпрома (тема Ы N12.19.111; Д 0385051):

- российская научно-техническая программа "Актуальные проб

- 11 лемы шизики конденсированных сред" (тема 310-16 "П").

Пелъю диссертации явилось решение проблемы разработки торцевых асинхронных электродвигателей интегрального изготовления на базе создания теоретических основ проектирования, методов исследования и расчета, внедрения полученных результатов в промышленность .

Задачи исследования:

1. Исследование магнитных полей в двигателях,

2. Определение рациональной геометрии элементов активной зон

3. Проведение расчетно-экспериментальных исследований влияния конструктивно-технологических параметров на электромеханические характеристики,

4. Экспериментальное исследование образцов двигателей с целью проверки теоретических положений, методики расчета т рекомендаций к проектированию.

5. Выработка рекомендаций по проектированию двигателей со сниженным расходом активных материалов и улучшенными показателями.

Основные научные результаты и положения диссертации;

1. Математическая модель магнитного поля торцевых двигателей различного конструктивного исполнения.

2. Аналитические выражения и количественные соотношения. определяющие конструкцию активной зоны.

3. Теория расчета и проектирования.

4. Рациональные конструктивные схемы и элементы конструкции торцевых двигателей, обеспечивающих повышение техника-экономических показателей.

Научная новизна работы:

1. Разработаны аналитические выражения для определения магнитного поля в активном объеме торцевых асинхронных двигателей различных типов и исполнений.

2. Получены аналитические выражения для определения рациональных соотношений активной зоны преобразования энергии.

3. Определены выражения электромагнитного момента, параметров с учетом оптимальных характеристик.

4. Получены соотношения учета;

- влияния несимметрии активной зоны вдоль радиуса;

- распределения индукции в зазоре вдоль радиуса:

- распределение магнитного поля в прессованном ярме;

- насыщение магнитопровода;

- рациональной конфигурации активной зоны.

5. Предложены конструкции элементов и двигателей защищенные авторским приоритетом.

6. Разработана теория проектирования торцевых двигателей со сниженными расходами активных материалов.

Практическая ценность:

1.Разработаны, исследованы и внедрены торцевые асинхронные двигатели интегрального изготовления, имеющие сниженный расход материалов и сниженную трудоемкость изготовления.

2. Проведенный комплекс экспериментальных и опытно-конструкторских исследований на образцах машин позволил повысить технике-экономические показатели двигателей и обосновать возможность применения в различных электроприводах.

3. Определены электромагнитные величины, параметры, характеристики торцевых асинхронных двигателей малой мощности различных типов и конструктивных исполнений, служащие основой для проведения рационального проектирования.

4. Показана область рационального применения порошковых магнитных материалов в сердечниках торцевых машин.

5. Предложены конструктивные схемы и элементы конструкций, позволяющих повысить энергетические, экономические и Функциональные характеристики торцевых асинхронных двигателей.

- 13

Реализации результатов работы.

Наиболее важными из проведенных разработок, которые выполнены с использованием материалов диссертации, являются:

1. Разработка опытной партии торцевых асинхронных электродвигателей с печатными обмотками мощностью до 180 Вт (ДЩ10 9/10,12,13) (привод бытовой техники),

2. Разработка опытной партии торцевых асинхронных электродвигателей для привода мелкосортного прокатного стана в соответствии с координационным планом Минчермета (АЛЛО 14,14В).

3. Разработка опытной партии и технологии изготовления торцевых асинхронных электродвигателей со штампо-прессованными элементами активной зоны в соответствии с координационным планом Минэлектротехпрома (тема Ы1219111) (АДШ-22,23),

4. Разработка технической документации для выпуска опытных образцов торцевых электродвигателей для робототехники в в соответствии с координационным планом (АДПО 24,25) Госкомитета по науке и технике,

5. Разработка технической документации и изготовление образцов электродвигателей со сниженным расходом активных материалов в соответствии с планом Минэлектротехпрома (тема Д0385051) (АДПО 26,28).

6. Разработка торцевых электродвигателей с роторами из высокотемпературных сверхпроводниковых композиционных материалов.

Апробация работы.

Основные положения и результаты докладывались на Ш, IV. V, VII, УШ Всесоюзных научно-технических конференциях "новые технологические процессы и оборудование для производства электрических машин малой мощности г. Тбилиси (1977 - 1978 г.г.); на VI Всесоюзной НТК "Перспективы развития производства асинхронных двигателей" г. Владимир (1982, 1985 г.г.;, на IV и V ВНТК "Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов" г.

Днепродзержинск, (1985 г.); на Ш Уральской зональной НТК "Прогрессивные методы порошковой металлургии в машиностроении" г, Оренбург, 1978 г., П Поволжской конференции по автоматическому управлению, г, Казань, 1974 г.; на заседаниях секций ОНТС Мин-электротехпрома, на научно-техническом семинаре Минрадиопрома, г. Йошкар-Ола, 1985 г.; на XIX - ХХУП НТК Московского института радиотехники, электроники и автоматики (1969 - 1978 г.г.); на Ж -XVI НТК Всесоюзного заочного инженерно-строительного института (МйКХ и СА) (1980 - 1990 г.г.): на научно-технической конференции: "Исследование, разработка и внедрение магнитоэлектриков в электропромышленности", г. Харьков, 1972 г,

Отдельные результаты докладывались и обсуждались в МЭИ, ВНМПТИЭМ, ЕНИИТМ, ЕШМЭлектропром, объединение "Эльфа", ВНИИКМ-ЭМП, ЙЧМ, ИОВНИИШ, ОЗВНШЗМ, СКВ "Кристалл", СКВ Ш, завод "Ромб" и др.

Образцы электродвигателей интегрального изготовления, выполненные с использованием материала диссертации экспонировались на ВДНХ (ВВЦ) и удостоены золотых наград.

Публикации. Материалы опубликованы в 49 публикациях, из них 1 монография и 17 изобретений.

Структура и объем. Диссертация содержит предисловие, список обозначений, введение, 5 глав, заключение, представленных на стр.

5,4. Выводы.

1. Предложен ряд конструктивно-технологических решений, позволяющих существенно улучшить показатели торцевых электрических машин.

2. Исследование магнитных полей в торцевых асинхронных электродвигателях в пелом подтвердили основные теоретические предпосылки.

3. Изготовлены опытные образцы электродвигателей для различных областей техники с учетом реальной конструкторски-технологической базы.

4. Характеристики двигателей в целом отвечают техническим требованиям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

По результатам диссертационной работы можно сделать.следующие выводы:

1. Проведен анализ конструктивно-технологических решений перспективных электрических машин в части снижения трудоемкости изготовления, повышения качества. Показаны пути решения этой задачи в общем плане и в части машин интегрального изготовления.

2. Проведен анализ электромагнитных процессов в торцевых асинхронных микродвигателях с различным выполнением активной зоны преобразования: плоской, модульной, зубцовой. Б первом случае получены выражения для распределения магнитного потенциала для семи областей с использованием метода наложения, во втором -система интегральных выражений., в третьем - уравнения для скалярного магнитного потенциала. Проведение оценка погрешности каждого метода и составлены алгоритмы решения полевой задачи.

3. Рассмотрены особенности распределения магнитного поля в активной зоне с учетом ее несимметрии вдоль длины машины, соотношения размеров (высоты ярма, радиуса, ширины пазовой зоны и др.), материала магнитопровода (электротехническая сталь, магни-томягкий порошковый композиционный материал). В частности, особое внимание уделено распределению поля в прессованных магнитоп-роводах. Определены рациональные геометрические соотношения сердечников с учетом возможностей технологии.

4. Разработаны основы расчета асинхронных двигателей интегрального изготовления. Исследовано влияние геометрических соотношений и конструктивных схем элементов активной части на технико-экономические показатели. Показаны зависимости коэффициента диаметров и длины от соотношения внешнего и внутреннего диаметразличного числа полюсов. Аналогичные выражения получены для оценки массы и стоимости активных материалов.

5. Проведено сравнение эквивалентных в электромагнитном отношении торцевой и цилиндрической машины., исходя из условия равенства их электромагнитной мощности. Показаны пути более эффективного использования торцевых двигателей для различных конструктивных схем и числа полюсов. Рассмотрены вопросы расчета вы-сокоиспользованных двигателей с учетом изменения индукции вдоль радиуса и обеспечения долговечности подшипников, предложен алгоритм решения уравнения машинной постоянной с помощью метода последовательных приближений.

7. Разработана методика расчета плоских обмоток статора, имеющих фиксированное расположение проводников и взаимоувязанные с геометрией магнитопровода. В частности получены аналитические выражения для оптимальных радиусов обмотки для различных критериев с минимумом потерь. Проведена оптимизация геометрии корот-козамкнутой обмотки ротора с учетом минимизации ее массы и сохранением расчетного активного сопротивления. Кроме этого., получены выражения для уточнения коэффициента скоса для различной полюсности и соотношения диаметров.

3. Разработана теория проектирования с учетом особенностей л о о ^оо — авторских свидетельств. Всесторонние испытания двигателей полт вердили основные положения теории.

1. Общая теория электрических машин. - М,: Го-еэнергоиздат, 1.60. - 272с.

2. A.c. 795500. Способ изготовления магнитопровода. В,А. Игнатов, К,Я, Вильданов, М,С. Саликов и др. Б.И. i960, N 48.

3. A.c. 748691. Торцевая электрическая машина. В.А. Игнатов Б.И. 1980, N 16. J

4. A.c. 223891. Короткозамкнутый ротор. В.М. Казанский Б.И. 1968, N 25.

5. A.c. 1001316. Магнитопровод электрической машины. В.А. Игнатов, К.Я. Вильданов и др.Открытия. Изобретения,1983, N 8.

6. A.c. 771802. Сердечник якоря электрической машины. К.Я. Виль данов, С. И. Адаскин,В. А. Игнатов и др.- Б.И. 1980, N 38.

7. A.c. 985883. Статор электрической машины. В.А. Игнатов, К.Я. Вильданов, A.A. Ставинский Б.И. 1982, N 48.

8. A.c. 1008851. Асинхронная торцевая электрическая машина, В.А. Игнатов, К,Я. Вильданов, A.A. Ставинский Б,И. и др.t

9. Открытия, изобретения 1983, N 12,

10. A.c. 116092. Однородный асинхронный двигатель. В.А, Игнатов, И.Г. Забора, Д.И. Трутко. Открытия. Изобретения. 1985, N1. С-уГ)iL- ! .

11. A.c. 936225. Электрическая торцевая машина. A.A. Ставинский Б.И. 1982, N 22.

12. A.c. 1022261. Ротор асинхронного двигателя и способ его изготовления, В.А. Игнатов, К,Я. Вильданов, В.В, Домбровский. Открытия. Изобретения. 1983, N 21.

13. A.c. 982153, Ротор с к,з, обмоткой и способ его изготовления. В.А, Игнатов, К.Я. Вильданов, В.В. Домбровский, Б.И. 1982, N 46.

14. A.c. 423225, Однофазный асинхронный двигатель. Ф,М. Щепов, И,В, Марьясов Б.И. 1974, N 13,

15. A.c. 1107223. Однофазный асинхронный двигатель. В.А. Игнатов, И.В, Марьясов, И.Г, Забора и др. Открытия, Изобретения. 1984, N 29,- 437

16. A.c. 1561155, Однофазный асинхронный электродвигатель. К.Я. Вильданов, Д.И. Трутко, В.А.Игнатов Б.И. 1990, N 39.

17. A.c. 1418850. Торцевая электрическая машина. В.А. Игнатов, В.И. Вилъданов, Д.И. Трутко Б.И. 1988. N 31.

18. A.c. 1334273. Ротор электрической машины. В.А. Игнатов, К.Я. Вильданов, В.В. Домбровский. Б.И. 1987. N 33.

19. A.c. 1071177. Электрическая машина. К.Я. Еилъданов, В.А, Игнатов, д.И. Трутко Б.И. 1980. N 7.

20. A.c. 1268063. Способ изготовления ротора асинхронного двигателя. В.А. Игнатов, К.Я. Вильданов, В.В. Домбровский. Открытия. Изобретения. 1986, N 2.

21. Брынский Е,А., Данилович Я.Б., Яковлев А.И. Электромагнитные поля в электрических машинах. М.: Энергия. 1979. - 176

22. Брук И.О., Теория асинхронного двигателя с массивным ротором. Вестник теоретической и экспериментальной электротехники, 1929 ä N 5, с. 175-193.

23. Беспалов В.Я, Теоретические проблемы создания электрических машин для динамических режимов работы. В кн. Динамические режимы работы асинхронных машин, Кауная, 1988 с. 17.

24. Беспалов В,Я.} Самсонов B.C. Экономия активных и конструктивных матреиалов в асинхронных двигателях для кратковременных режимов работы. Тр. МЭИ, Вып. 624, 1984, с, 5 12.

25. Бинс К,, Лауренеон П. Анализ и расчеты электрических и магнитных полей, М.: Энергия, 1970,

26. Бухгольц Г. Расчет электрических и магнитных полей, IL: Изд-во иностранной литературы. 1961,

27. Вольдек А,И, Электрические машины. Л,: Энергия, 1974,

28. Видмар М, Экономические законы проектирования электрических машин. М.-л,: Гостехиздат, 1924.

29. Глуханов ИЛИ, Ковалев И.О. Машины и аппараты с герметичным электроприводом. М,: Машиностроение, 1977, 125с,

30. Турин Я,С . Овириденко 4,0, Проектиро-М.: Высшая школа. 1984, 431 с.- 440

31. Игнатов В,А,, Вильданов К,Я,, Авакян A.C. Анализ конструктивно-технологических параметров торцевых двигателей и их взаимосвязь с динамическими показателями, М,: Труды МЭИ N 155, 1988, с, 109 ■■ 113.

32. Игнатов В,А,, Вильданов К.Я, Особенности пуска торцевых асинхронных двигателей интегрального изготовления, В кн. Динамические режимы электроромашин и электроприводов. Всесоюзная конференция, Днепродзержинск, 1985, с, 130,

33. Игнатов В,А,, Вильданов К.я,, СаликовМ.П, Анализ характеристик торцевых микродвигателей с учетом конструктивно-технологических решений активной зоны, В кн. Прогрессивные методы порошковой металлургии, Оренбург, 1980, с. 85 . 86,

34. Орлов И,Н,, Маслов О,И, Системы автоматизированного проектирования электромеханических устройств, м.: Знергоато

35. НЬадти^ЬШШ/ОГ'Р-ЗЕЪ ШЬШШЦЛпъиЭРП№8О №1»1ГЬ ЬЧ ЗЬЬЩГти.ШЪ №8^8119,0 ¡нЛШ'гШ'К

36. НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКИИ и ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОМАШИНОСТРОЕНИЯ1. Ъ Ь Ь ЬI & «II р а 1г и §1. НННзЛЕКТРОМАШ

37. УТВЕРЖДАЮ Директор НИИэлектромашд.т.н.Алиханян К.А. 05Г 1991г.1. АКТо внедрении результатов НИР и ОКР

38. Разработки рекомендованы для внедрения в промышленность. Ориентировочный экономической эффект 217 тыс.руб.в год.1. НИН внииэм101000 Москва, Главпочтамт, а/я 496, телефакс 207-49-62, телетайп 111807 Алит1. АКТ О ВНЕДРЕНИИ,1. Ня ТА т

39. Нашим предприятием выпущена опытная партия торцевых асинхронных электродвигателей интегрального изготовления типа АДПО 14,16 для привода валков мелкосортного прокатного стана.

40. Мощность на валу Частота питания Напряжение Частота вращения350 Вт 50 Гц 220 В8000 Об/мин

41. Двигатели разработаны под руководством к.т.н. Вильданова К.Я. и при совместной конструктивно-технологической проработке.

42. Испытания двигателей подтвердили технике-экономические требования, заложенные в техническом задании заказчика (Института Черной Металлургии г. Днепропетровск),

43. Применение двигателей позволило в 3 раза сократить общие габариты стана и в 1.5 раза повысить производительность прокатки.

44. Конструкция двигателей позволила сократить расход активных материалов на 15 203 0 /Кй 'к-г'1. M4 &I -гныи инженер у )ник лаборатории доцент1. В,А. Ревенко Л.М. Поляк1. К51. Зак. 636