автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Вентильный многопакетный индукторный электродвигатель

í'OCKOBCKíLi 3iíeptetíi423 :г.;стлггуг ( Техн;гческ::2 укипррслтет )

Г Б О»

; п-1 пртзях V.Í !-:оя::с::

гзегпп ЯяколзЗ лнэ?с,тъобт:ч

вегпшыш" .•¿югематпиг. мндуктоеип эдатрогд.гглт&ть

Сясцгольносгь 05.09.gl - Олоктапозкао

Л В Г С Р 2 5 3 Р к Г Л^ссертяцЕЛ но со yicr/:/. етспр:;п

чТ'ГТ^ТЭТП TCyjï'trlССТСГХ

■'У/

¿focisj-issi

Работа выполнена на кафедре электромеханики Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института и КБ "Электропривод".

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

A.В.Иванов-Смоленский.

Оцифиальные оппоненты - доктор технических наук,профессор

B.В.Варлей; кандидат технических наук, доцент В.А.Мартынов.

Ведущее предприятие - МЗМЗ (г. Носх&а }. \

Защита состоится 1994 г. в аудитории

в /6 час. мин, на заседании специализированного

Совета K-053.I6.04 Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 105835, ГСП, Москва, Е-250, Красноказарменная ул., 14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией монно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан " 4° " аг.ул^*. 1994г. •

Ученый секретарь специализированного Совета K-053.I6.04

кандидат технических наук, доцент" ' В. А. «СРОЗОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми. Для обеспечения конкурентоспособности и возросших требований к бытовым электрическим приборам необходимо существенно повысить качественные показатели электродвигателей и расширить их функциональные возможности.

Решение этой задачи связано с созданием эффективного безре-дукторного электропривода на базе вентильного многопакетчого индукторного двигателя (В.ЭД).

Применение ЖИД позволяет исключать редуктор, повысить КПД п надежность электропривода, снизить шум и вибрации, и создать новую, более совершенную компановку бытовых приборов.

Цель работа. Проверка работоспособности и исследование перспективности создания безредукторного электропривода на базо БИ-'Л, создание основ методик расчета стационарных и днкагдаческих режимов работы двигателя.

Задали исследования.

1. Выявление области применения ВИЦД.

2. Создание математической модели. Анализ на её основе особенностей работы Е.ВД.

3. Распространение области применения метода зубцовых контуров (МЗК) еще на один класс электрических малин - индукторных.

4. Создание алгоритмов и гг.>. грамм расчета стационарных и динамических режимов работы 0Щ.

5. Сравнение экспериментальных и теоретических асследованиЗ.

Метода исследования. При расчете электромагнитных процессов

в ШВД использовался метод МЗК. Параметры двигателя определялись из расчета магнитной цепи методом Ньютона-Ргфсона и по результата.; экспериментальных исследований на макетном образце. Для выполнения расчетов на ЭШ использовался алгоритмический язык Фортран-77.

Научная новизна.

1. Разработана принципиально новая конструкция гяюгопакетного индукторного двигателя.

2. Создана математическая модель, на основе которой проведен анализ электромагнитных процессов Б?*С'Д.

3. Р&зработаны алгоритмы и пакеты программ для расчета стационарных и динамических рекямов работы двигателя.

4. Создай: основы методики расчета рабочих характеристик

ащ.

Практическая ценность уяботм. Применение разработанной математической кодели и методик расчета на основе метода МЗН позволяет провести расчет стационарных и динамических режимов ЕЩД с учетом наскцения, потерь б стали и изменения параметров двигателя. Скон- -струирован, изготовлен и экспериментально исследован кзкет К.5ИД, обеспечивающий устойчивую работу при малых частотах вращения.

Реализация работн. Результаты исследований и разработанная конструкция К.51Д использовались при разработке альтернативного варианта беэредукторного электропривода .плк стиральной катины.

Л:-тгор ;ает.

1. Конструкции многопакетного индукторного электродвигателя.

2. Схеж замещения магнитной цепи.

3. Основы методик расчета стационарных и динамических режимов работы 3.'3!Д.

Алробация. Диссертационная работа в полном объеме рассматривалась на кафедре "Электрические малины" Московского энергетического института. Основние положения диссертационной работы обсуждались на региональной научно-технической .конференции» "Управляемые электромеханические системы" г.Киров Т990г.

Публикзгии. Сбцее количество публикаций по теме диссертации -- 4, вшззчая 3 авторских свидетельства.

Структура и объем работы.'Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Общий объем - 177 страниц, включая Об страниц иллюстраций и 32 страница приложений.

ССДЕРЯАНИЕ РАБОТЫ

Во вгузг-енпи показана актуальность теш исследования, определены цель и задачи диссертационной работы.

ГТ-- лг;?.^ глава посвящена обоснованию конструкции и принципа ^■йствал !.:когопакетного индукторного двигателя. Проведен сравни-тэльН'.й анализ лногопахетного индукторного двигателя с другими типами икцукторикх двигателей. Рассмотрен рабочий процесс в ШЭД на моякгайцутационном интерзале (УК-интервале).

3 предложенной конструкции ыноголакетного индукторного двигателя (рис. 1,2) статор состоит из набора шихтовании пакетов I, разделенных немагнитопроводяциии дистанционными кольцами 2.В коль-

Рис. I 7 f

Рис.. Я

ъ081

ооаг

Рис. 3

цевых пазах 3 и в продольных пазах 5 располагаются катушки трехфазной Обмотки якоря (Ш) 4. Казаки ОН соединены таким образом (рис.3),

ЧТ°360КШд1Си после^жем лак8те создается ЦЦС, сдвинутая по фазе на — электрических градусов, где/У - число пакетов на одном периоде расподскекия пакетов ¿"'Г . Б продольных пазах 5 располагаются катупни обмотки возбуждения б. На внутренней поверхности статора заполнены зубцы ? с зубцовым делением по • окружности статора и ■•юогчутые по винтовым линиям в виде многоходовой винтовой нарезки

Рис. 4

с шагом, равшди зубцоЕому делении* ка величине одного периода ¿'Г вдоль оси Разины, т.е. зубш каждого поолс-ду®г.ег', стелет-

относительно зубцов препкдуцего пакета на Еа-.жну 1//У (ркс. Л). Зубцк 8 шихтованного пакета ротора 9 зиюлиен--.' параллельном оси машины и располагаются по окруннссти с нагом, рзгнь'.\; эубцсзо.'^ делению £ зубцов статора.

ОЯ может быть вшюднена-кольцевого типа. В этом случае катуп-ки ОЯ выполняются путем намотки провода вокруг ярем каждого пакета статора.

■Преимущества ВлДЦ:

1. Отсутствие обмотки на роторе.

2. Относительно высокие энергетические к мяссо-гсСарнтнге показатели, малые потери по отноиегега к моменту.

3. Широкие возможности управления двигателе:-; благодаря регулированию тока в обмотке возбукден-ия.

Показано, что ВЩЦ обладает достаточно впсокичи мяссо-габо-ритнгам и знергетичэскшга показателям по ерагкенга с шкукторгки двигателями с электромагнитной редукцией скорости врадгккг., так как в этих двигателях в качестве рвбо^жх полей попользуются гармоники магнитного поля, энергия которых ст'стелько кеньго энер-

гии основного поля. З.'ЛЦ икеет также лучине кассовые показатели по, еравнекио с классической трехфазной издукторной машиной благодаря возможности расположения больпего количества пар полюсов по окружности мотан--; и снижения веса активного железа. Увеличение количества пар лолксов позволяет уменыжть сечение ярем статора и ротора, улучжть .циклические характеристики двигателя.

Зтос-л - г.-'.р.а посвяцена анализу работ и обзору литературы по расчету -агнитного поля в воздушном зазоре и элементах магнигопро-вода. На основании рассмотрении: работ можно сделать вквод о том, что наиболее перспективны: методом расчета магнитной цепи ыногопа-кеткой индукторной малины является метод МЗК. '¿етод МЗК позволяет уэтгкзозь .куеторолжв зубчатость и насыщение сердечников, дискретность расположения обметок. При этом рассматривается полное магнитное поле в воздушном зазоре, без разложения его в гармонический ргд, что значительно улродает расчзт, так как магнитное поле в иногопакетноа индукторном двигателе имеет слоеный и явно вы-рау.ек.чь'Я несикусоидальный хг ■ актер. ^

?гдглава г.оевг.-ека разработке математической модели элек-троггегняипэс, оязнтромеханических и энергетических процессов в

¿а

Допущения принимаемые при расчете.

1. Папэнио напряжения на силовых ключах преобразователя частоты и диодах постоянны и не зависят от величина тока.

2. С:;.юв:,:е элементы и логические устройства переключаются мгновенно.

3. Для трехфазного вентильного двигателя при работе в режиме ::е:«у|азсвой коммутации длительность проводящего состояния одного транзистора составляет 120 эл.градусов.

4. Провода с токами, размещенные в пазах сердечников,находятся на достаточно большом расстоянии от зазора.

5. Поле пазового рассеяния рассматривается независимо от поля возяуц.ного зазора.

6. Отсутствие влияния насьщения зубцов на проводимость воз-дуеного зазора.

7. ''тукция магнитного поля в зубцах имеет только радиальное направление.

8. Магнитное поле в воздушом зазоре каждого пакета плоскопараллельно вдоль оси мзпины.

Электромагнитные процессы в двигателе описываются совскугно-стью уравнений для взаимосвязанных электртчзсчих к магнитных цепей. Уравнения Магниткой цепи составляются на о:нове яналтзл схемы замещения магнитной цепк машка, составленной по методу КЗХ.

Еа рис. 5 приведен фрагмент схемы замещения магнитной цех: одного пакета в области продольного паза статора. Так как насыщение в элементах большие зубцов статоро невелико к магнитны/и сопротивлениями этих элементов мо.чно пренебречь, то получим упрощенную схему Магниткой цели (рис. в) и соответственно упрощенную схему замещения магнитной цепж одного начета (ркс. 7).

В упрощенной схеме магнитной цепи зубцы статор": к ротора заменяются элементами (зубцами) мапгатопрозода с пяричэй Ьзс^с/2. и ЬзрПр/2 , где Ьзс и Ь)р - реальная играна зубцов статора и ротора, Г)с и Пр - число зубцов стзтсра и рзссуатротаеуах зубцов ротора на одном полвенеч делении. При этом д,тя расчета магнитной цепи каждого пакета достаточно рассматривать поток-,! к яке сопротивления на половине полисного деления. Рассматривавтся количество пакетов, расположенных на одно-,: периоде вдоль оси г.ъ:г,:-нн.

В схему замещения одного пакета входят капгатннз сспрстпБлг-Ю1Я элементов воздушного зазора ( /?м<г ), магнитное сопротиаг.ен::е рассеяния в плицевой зоне продольного паза ( ймз ), шгнктакс сопротивления элементов зубцов статора и ротора (Дм2 е ) и элементов ярем статора к ротора (ймг, Яме ), эависякгле от же геометрических размеров и насыщения. Магнитное ссяроткзленто воздуз-ного зазора зависит только от углового расположен"'! зубцов статора и ротора. Проводимости взаимоиндукции зубцовых контуроз рассчитывались с помощью упрощенного аналитического метода.

'Магнитное сопротивление К-го элемента схемы замещения определн-лось по формула

п Ц_МК

И"*- &Г'

где Ымк - падение магнитного потенциала на/С-м элементе,^- магнитный поток в К -м элементе.

С целью уменьшения порядка системы уравнений удобнее рассп:-тать магнитную цепь с помощью контурных потоков Ф0 . В детроткоЗ форме вектор потоков ветвей определяется через потоки контуров

Plie

Pue. 6

о

Амб

Рис. 7

из уравнения Ф^ГтФо, где/" - контурная матрица магнитной цепи. Уравнение магнитной цепи имеет-вид

Я» фс = Л ,

О . . . ,

где Я о-

О Йог..

О.

а' . я»

(I)

- общая ма1рица контурных магнитных сопротивлений Яо всех рас^ сматриваемнх пакетов; f0~^~f - вектор контурных ЭДС\f-Wlg

- вектор ЭДС ветвей;

- общая матрица преобразования токов электрических цепей в ЦЦС-ветвей магнитной цели состоит из матриц преобразования отдельных пакетов IV"; г

Те =11 ¿ОЯ1, ¿ояг, ¡.олз, Сои\ - вектор токов ветвей электрической цепи.

Полученная система нелинейных алгебраических уравнений магнитной цепи решается методом Ньютона по итерационной формуле

Фо/^ - Фо; +Л Ф0/~ Г (Ф0))

где

Г (Фу)

г',п о... о О .. о

о.

с'"

• г ЛУ

- общая матрица производных или матрица .Якоби состоит из матриц Якоби отдельных: пакетов Р'" . Элементайи матрицы Якоби являются производные ^ им к < _с)<Рк _ РЯс-/о ~ вектор невязок.

Критерием сходимости реиения является уменьшение до заданной величины <£ любой нормы вектора приращений лФо среднеквадратичного их относительных приращений

фа/г>ах^

где П - количество контуров; Фо/пах^ - максимальное значение контурного потока на / -ой итерации.

Величина £ выбиралась порядка 0,0024-0,0001. Уравнения, описывающие процессы в-электрической цепи машины, состоят из первого и второго уравнений Кирхгофа. Второе, уравнение Кирхгофа для электрической цепи, определяющее связь между токами и напряжениями на элементах (ветвях)

где и в ■ сГГ

вектор напряжений ветвей электрической- цепи, вектор ЭДС электромагнитной индукции ветвей,

(2>

- вектор сторонних ЭДС в ветвях,

- 13 -

- матрица активных сопротивлений ветвей. Топологическое уравнение на основании первого закона Кирхгофа имеет вид

AU-O, ' (3)

где А - матрица инциденций электрической цепи.

Потокосцепления ветвей электрической цепи определяются функциями двух переменных: токов ветвей L а и углов of , которыми определяются проводимости взаимоиндукции зубцов A/f/n в каждом из пакетов, т.е. Ч*аf (¿e,&) . °

В результате расчета магнитной цепи ВМИД при заданном положении ротора определяются потокосцепления ветвей в-зависимости от потоков воздушного зазора Ф s

"Pes ~2/>/Pt 1УтФсГ,

гдер/ - количество полюсов по окружности машины,

р2 - количество периодовZH размещения пакетов вдоль оси маши-. ш.

Потокосцепления пазового рассеяния в продольных и кольцевых пазах стйтора рассчитываются независимо от поля воздушного зазора

~ 2р,рг wJ<Po',

Ye 6а ■■= pz WG0 т т

где И/<5" и ШГсг - транспонированные матрицы преобразования токов электрических цепей в t/ДС ветвей магнитной цепи для потоков рассеяния.

Фрагмент схемы замещения магнитной цепи для расчета потоков пазового рассеяния в кольцевых пазах статора приведен на рио. 8. Полное потокосцеплекие ветвей обмоток машины

% = 4>»г+ ч>а <а+(?вег«.

Для описания движения ротора следует добавить к уравнениям взаимосвязанных электрических и магнитных цепей (14-3) уравнение механического равновесия _

о г

где М - электромагнитный момент;

И с - сумма сторонних моментов; .7 - момент инерции ротора.

Электромагнитной монет находится в виде производной от энергии магнитного поля по углу поворота ротора " ■

V3 ~ ИУ/^с • • ■ УгЦ7" . - матрица-столбец потенциалов зубцов -статора и ротора,.

-¿А- - матрица производных проводимостей взаимоин- \ дукции зубцов статора и ротора от'угла ОС .

Для уменьшения порядка системы уравнений электрической цепи вводятся контурные токи электрической цепи С , .связанные с тока-ггл ветвей [ в уравнением '

где В - контурная матрица электрических цепей. ' • -

Получим систему нелинейных дифференциальных уравнений - ;

= е -яЯ';

¿¿л -У' с ■'

С б)

где '¿у - вектор контурнюс поюкосцеплекий;

ё = В Си - вектор контуртга ЭДС;

' По-'-?'"?/!^ ~ матрица контурных сопротивлений- ветвей электрической цепи.

Решение системы уравнений прово~лтск методом Адаме а. Д"я этого отрезок времени, на котором ищется решение, разбивается на равные интервалы времени с шагом Л . Решая первое уравнение относительно токов на у +1 шаге итерационного процесса, получим

^ * Л а- V * -¿'Ъ ч *< г),

¿<5 =

<- С / с

¿.й

Г. О

¿Э

и-

¿■^ с, а

матрица дифференциальных ивдуктивностей контуров электрической цепи, С - число независимых контуров электрической цепи.

Диагональные элементы ¿¿л-кравш собственным дифференциальным индухтивнсстям контуров электрической цепи. Элементы с индексами Ш и Л равны индуктивпостям взаимоиндукции между контурами/77 и К . В ВМЦД имеется три независимые контура яле"трической цепи: два относятся к ОЯ и один к обмотке возбуждения. С цель» уменьшения порядка системы уравнений можно допустить, что потоко-сцепление обмотки возбуждения постоянно к рассматривать только контуры СЯ.

I " - матрица индуктивносгей пазового рассеяния -в продольных па-

зах статора;

/ (Та - матрица индуктивностей газового рассеяния в кольцевых пазах статора;

/3, - коэффициенты интерполяционной формулы, зависящие от числа точек интерполирования £ ;

Л^'у - изменение потокосцепления, обусловленное изменением ЭДС источников. - .

Уравнение движения на у+1 шаге итерационного процесса

- угловая скорость на j шаге,

tvlJ \\Mcj- мгновенные значения электромагнитного момента и момента сторонних сил на^ шаге итерационного процесса.

С помощь») этих уравнений могут быть рассчитаны процессы при различных режимах работы двигателя. Задача реаения'этих процессов . резалась в двух вариантах: '

1. При стационарном режше работы ( /7 -cc^лst ).

При расчете начальные значения контурных токов принимались равн1.»::-; нулю и, реглая первое дифференциальное ура;::зкие на протяжении нескольких гежкоммутационннх интервалов, прщ.-ходлл выход репения на уетановивгшйся режим. . •

2. При динамическом режиме {пфсощ-Ь),

Расчет проводился с учетом уравнения движения. • Время расчета одного иежкоммутационного интервала на персональной Э0.М "Электроника ' 1840я составляет 8^20 мин. ,

Четвертая глава посвящена проварке результатов расчета на .экспериментальном макетном образце И51Д. Епда разработана экспериментальная установка для проведения испытаний и определения скорости, • момента и среднего значения потребляемого -тока. Осциллогра$ироЕа- ■ кие тока в {азе В"ГД проводилось с помощь» шлейфового осциллографа. '

Исгштакия проводились при различных углах опережения включения фаз двигателя & и при различных.токёх в обмотке возбуждения.,; Расхождение расчетных и экспериментальных данных мгновенных знача- , ний токов и моментов ке'превкиает соответственно 5% и 10/5 (рис.9, '

__ . :,. '. ■ •'■ ■ ■•.. , Полученнне теоретические к экспериментальные результаты позво-

Ш)

о,г

\

// // // / f &=¿oc \ \\

¡I ji a fr 7 \\

о

Рис. 9

fêû" /30°

60°

-ЭКС/?РролГ£///Г>

--pa cve/77

3--/2-4Z-

/S--6-50Û

----/XZCVéfn ¿ûâ*ÛS/t

\\ \\ V2 \\ > \ / s / ✓ /

• s . / / \\ \S t0¡i i V A ЛЛ

/ / y if ■4s \\ V4 S.

Рис. ГО

<7 о,оз o^s qo? M(Hsf)

- 18 -

лили выявить следующие особенности работы ВМВД:

1. Предпочтительные механические характеристики двигатель имеет при угле опережения включения фаз 8 =10+30 эл.градусов.

2. Регулирование тока в обмотке возбуждения позволяет б широком диапазоне регуяиропать скорость двигателя.

3. НЛ1Д устойчиво работает при малых частотах вращения.

4. Применяемой метод расчета с достаточной точностью отражает, процессы, происходящие в двигателе.

С помощью разработанного пакета программ рассчитан ЙЩ для стиральной машины "Вятка-Автомат" на г.ять стабилизированных частот вращения. Предлагаемая конструкция ШВД позволяет исключить ременную передачу в приводе стиральной машины, повысить КПД и надежность электропривода, снизить цум и вибрации и создать более созериенную компановку стиральной машины при таком же весе электропривода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ •

Основные результаты выполненной работы:

1. Разработана принципиально новая конструкция мкогопакетного индукторного двигателя.

2. Создана математическая модель, на основе которой проЕеден анализ электромагнитных процессов ШЭД.

3. Разработан алгоритм и программы расчета характеристик ВМЭДй Расхождение расчетных и экспериментальных данных мгновенных значений токов и моментов не превышает соответственно 55? и

4. Применяемый метод зубцовых контуров позволяет с высокой точностью рассчитывать электромагнитные процессы при различных режимах работы ВДЩ с учетом насыщения, двусторонней зубчатости сердечников статора и ротора и дискретности расположения обмоток.

5. Выявлены особенности работы ВЩ:

- предпочтительные характеристики получены при угле опережений включения фаз в диапазоне 10+30 электрических градусов;

- регулирование тока в обмотке возбуждения позволяет в широки* пределах изменять скорость двигателя;

- по сравнению с классическим вентильным двигателем ВОД имеет существенно ыеныите колебания скорости при малых частотах вращения.

6. Показано, что ВЯЩ перспективно использовать в безредуктор-ных электроприводах бытовых приборов.

Оснокшо положил дггсссртац:::: опуб.тг^о^зпи в щшс работах:

1. A.c. 1352589 CGC?, MCI"-' llGPll Ir/Oc.

Ci2I3ç?ohiîhÎî ндакгорт;*; электр оде::гз?2;гь/ Н.Л.1Гзорг:н (CGC?) - ¿c.-,

2. A.c. 1309203 СССР, И'.!!4 MC2Ú' IO/CS.

С:нхр онекЗ эле^тэ сделго те ль/ II. L. Гз cz it.:; (СССР) - 3

' 3. A.c. 1554081 ССОР, !,:aí° НСТС 17/32.

Асинхронный электеодвгггатель/Н.Л.ТЬергга (СССР) - За.; ел.

4. -Н.А.Изергга. 21НТОЕОЙ Евдук?зрк!£: эдок^родЕ:ггатэ.и.//

Электричество. - 1991. - .'3 12. - 0.-1С-52.