Учебное пособие 800623

схему вентильного или бесконтактного двигателя постоянного тока [1]. Отличие состоит лишь в том, что обмотка подключена к трехфазному источнику, а в качестве ключей применены приборы с неполной управляемостью (тиристоры).

Пуск и разгон представленного (Рис. 5) двигателя происходит подобно обычному вентильному двигателю, и пусковая характеристика будет напоминать подобную характеристику коллекторного двигателя. Это будет продолжаться до достижения частота вращения, равного скорости, отвечающей частоте тока в сети. Далее увеличение скорости прекратится, так как каждый тиристор будет пропускать ток до конца полупериода тока в соответствующей цепи. Таким образом осуществляется прямой пуск и синхронизация рассматриваемого варианта СД.

Подобное решение предложено в [6], где предусмотрено соединение фаз обмотки в «звезду», коммутируемую шестью тиристорами в соответствии с сигналами от датчика положения ротора. К сожалению, не удалось найти информацию об экспериментальной проверке этих предложений, но они, без сомнения, заслуживают внимания и всестороннего исследования.

Литература

1.Юферов Ф.М.Электрические машины автоматических устройств: учеб. для студ. вузов. – М.: Высш. шк., 1988

2.Осин И.Л. Синхронные микродвигатели с постоянными магнитами. / И.Л. Осин, В. П. Колесников, Ф. М. Юферов. – М.: -

Энергия., 1976. – 225с.

3.Способ асинхронного пуска синхронного двигателя [Текст] : а.с. 143890 СССР: / Г.А. Пархоменко, В. П. Колесников. № 733263/24; заяв. 22.05.1961; опубл. 1962г.

4.Синхронный двигатель с постоянными магнитами : А.С. 304891 СССР, / Г.А. Пархоменко и др.опубл. 01.10.73,

5.Самозапускающийся синхронный двигатель: А.С. 276238

СССР: / Г.А. Пархоменко. опубл. 14.07.1970г.

6.Самозапускающийся синхронный электродвигатель: А.С. 251674 СССР, / Г.А. Пархоменко, опубл. 10.09.69

Воронежский государственный технический университет

11

УДК 621.313.33

Е.А. Кузнецова, С.А. Белозоров

СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ТРЕХФАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

В данной работе рассматриваются различные подходы и методы при проектировании энергоэффективных машин, представлен поиск оптимальной геометрии как зубцовой зоны ротора, так и всей конфигурации асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в целом

Ключевые слова: повышение энергоэффективности, оптимальное соотношение чисел пазов, увеличение типоразмера двигателя, аналитический метод, метод конечных элементов, максимум КПД

На протяжении многих лет, проектирование электрических машин проводилось на основе аналитических методик [1], в которые заложены рекомендации на основе не только теоретического анализа конструкций машин, но и опыта практических разработок. Такой подход являлся основным для производства асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. С появлением численных методов моделирования, стало возможным существенно улучшить современные расчеты, используя новый математический аппарат. Также, есть потребность в уточнении существующих рекомендаций, используемых в аналитических расчетах при проектировании электродвигателей. Это позволит повысить их эффективность. В настоящее время требуются электрические машины высокой энергоэффективности [2], а, соответственно, и методики проектирования, которые бы позволяли их рассчитывать.

Повышения эффективности асинхронных машин можно достичь различными способами. В работах [3,4] были представлены результаты анализа, показывающие, что соотношение чисел пазов статора/ротора для каждой конкретной конструкции машины является индивидуальным и не всегда совпадает с тем, что рекомендуются в литературе [1]. Таким образом, вопрос уточнения рекомендаций классических методик проектирования, с точки зрения возможности повышения энергоэффективности – актуален.

Определение оптимальных соотношений чисел пазов на статоре/роторе, без учёта суммарной площади проводников обмотки ротора приводит к изменению характеристик машины. При этом,

12

определение оптимальной суммарной площади проводников обмотки ротора, их формы и количества – комплексная задача, решение которой позволяет получить двигатель с повышенной энергоэффективностью. К сожалению, выше перечисленные методы направлены на снижение как добавочных, так и активных потерь в обмотке ротора. Без уменьшения других видов потерь в электрической машине существенного повышения КПД достичь затруднительно.

Одним из наиболее распространённых способов повышения энергоэффективности (в том числе и на западе), направленных на снижение активных потерь в обмотках и в стали, является увеличение размеров активных частей асинхронных машин.

На рисунке 1 представлены графические зависимости КПД от числа пазов на роторе, полученные для исследуемого двухполюсного асинхронного двигателя, мощностью 5,5 кВт, с высотой оси вращения 100, 112 и 132 мм. Следует отметить, что чрезмерное повышение габаритных размеров приводит к обратному эффекту, энергетические характеристики ухудшаются, за счёт увеличение отдельных видов потерь. Поэтому габариты с высотой оси вращения выше 132 мм, на графике не представлены.

Рис. 1. КПД при высотах осей вращения 100, 112 и 132 мм

Исходя из результатов, отображенных на рис. 1, можно сделать следующие выводы:

13

1.Максимальный КПД (91,7 %) достигается при высоте оси вращения 132 мм для 21 и 22 пазов на роторе (Z2);

2.При h=112 мм - 89,7 %, Z2 = 26;

3.При h=100 мм - 87,9 %, Z2 = 26.

4.Класс энергоэффективности IE4, согласно [2], получен.

На данном этапе исследования можно утверждать, что 21 паз на роторе является оптимальным.

Проверка результатов аналитического расчёта, произведена на основе численных методов, в основе которых лежит использование метода конечных элементов, применительно к уравнениям Максвелла.

На рис. 2, представлена картина распределения магнитных силовых линий для варианта геометрии с высотой оси вращения 132 мм и 21 пазом на роторе, на рис. 3 – представлена картина распределения индукции в двигателе.

Рис. 2. Картина распределения магнитных силовых линий в энергоэффективном двигателе

14

Рис. 3. Картина распределения индукции

вэнергоэффективном двигателе

Врезультате численного моделирования получен КПД равный 97,8%. Следует отметить, что данный метод учитывает механические потери косвенно, за счёт задания коэффициентов, а также, в модели не учитываются потери от вихревых токов. При этом не стоит забывать о технологических погрешностях при изготовлении электрических машин, и о разбросе свойств материалов.

Исходя из вышеперечисленного, сделаны следующие выводы: 1. Наилучший показатель энергоэффективности, для

исследуемого двигателя получен при 21 пазе на роторе.

2. Увеличение габаритных размеров позволяет улучшить энергетические характеристики асинхронной машины. Для двигателя мощностью 5,5 кВт, с синхронной частотой вращения

15

3000 об/мин, наилучшие результаты получены для высоты оси вращения 132 мм.

3. Совместное использование методов расчетов, построенных на аналитических и численных методиках расчёта поля, позволяет создавать энергоэффективные электрические машины. В рассматриваемом двигателе КПД повышен со стандартного 87,2 % до 97,8 %, что позволяет присвоить ему класс энергоэффективности

IE4.

Литература

1.Копылов И. П. Проектирование электрических машин: – М.:

Энергия, 1980. – 496с.

2.ГОСТ Р 54413 – 2011 Машины электрические вращающиеся. Ч. 3. Классы энергоэффективности односкоростных трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (код IE).

3.Кузнецова Е.А. Повышение эффективности проектирования электрических машин при использовании современного программного обеспечения / Кузнецова Е.А., Белозоров С.А. // Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники: труды Всерос. студенческой науч.-техн. конф. Воронеж. – 2017. – С. 37-40.

4.Кузнецова Е.А. Оценка влияния числа пазов ротора на номинальные параметры асинхронных двигателей / Кузнецова Е.А., Белозоров С.А. // Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники: труды Всерос. студенческой науч.-техн. конф.

Воронеж – 2017. – С. 77-80.

Воронежский государственный технический университет

16

УДК 621.313

А.А. Агапов, П.А. Агарков, Т.Е. Черных

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ В СОВРЕМЕННОМ ЭЛЕКТРОМАШИНОСТРОЕНИИ

Рассматриваются перспективы применения различных наноматериалов при производстве электрических машин

Ключевые слова: наноматериалы, электромашиностроение

В настоящее время довольно полно разработан комплекс электротехнических материалов для обеспечения современного электромашиностроения, как для опытного производства, так и для серийного выпуска.

Использование новых электротехнических материалов в современном электромашиностроении ограничивается по большей части технологическими возможностями.

Нанотехнологии сейчас находятся в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Ожидаемый эффект от применения материалов, изготовленных по нанотехнологиям, в электромашиностроении – снижение массогабаритных показателей электрических машин (ЭМ), увеличение ресурса эксплуатации, а также улучшение энергетических показателей и многое другое.

Среди наноматериалов, перспективных к применению в электромашиностроении, следует выделить: аморфные сплавы, нанопорошки, углеродные нанотрубки, металлические порошки, новые фрикционные и электроизоляционные материалы и др. рассмотрим подробнее некоторые случаи применения наноматериалов в современном электромашиностроении.

Аморфные сплавы – особый класс прецизионных сплавов, отличающихся от кристаллических структурой, способом изготовления и комплексом физических свойств. В структуре этих сплавов отсутствует периодичность в расположении атомов. По сравнению с кристаллическим металлом, аморфные сплавы в несколько раз прочнее, имеют более высокую коррозионную стойкость и лучшие электромагнитные характеристики.

Из них могут быть навиты сердечники различной конфигурации. Придание материалам специфических свойств (например, петля гистерезиса определенной формы) достигается

17

термомагнитной обработкой, в результате чего структура может остаться аморфной, стать частично кристаллизованной или нанокристаллической.

Магнитопроводы из аморфных и нанокристаллических сплавов имеют значительно меньшие удельные магнитные потери по сравнению с электротехнической сталью и ферритами (менее 0,1 Вт/кг при f=60 Гц), обладают высокой относительной начальной магнитной проницаемостью, а также индукцией насыщения на промышленных и высоких частотах (BS=1,2…1,3 Тл при Н=800 А/м). Наряду с этим малая толщина и относительно высокое удельное сопротивление (1,6 мкОм٠м) обеспечивают низкие потери на вихревые токи и гистерезис.

К примеру, на рисунке изображена кривая намагничивания стали 2013 и нанокристаллического сплава FINEMET.

1 – сталь 2013; 2 – нанокристаллический сплав FINEMET

Сравнение кривых намагничивания

На сегодняшний день разработками подобных сплавов занимаются различные компании по всему миру – Япония (Amomet, Melylas, FINEMET), Германия (Vacodym), Россия (AMAG).

18

Весьма перспективным является использование нанопорошков металлов в композиционных материалах, содержащих пластмассы и полимеры. Данный прием позволяет изготавливать пластиковые магниты, электропроводную резину, токопроводящие лаки и краски и многое другое.

Достаточно большой интерес представляет изготовление корпусов электрических машин с использованием нанопорошков. Данная технология в некоторых случаях позволяет снизить вес двигателя в несколько раз, при сохранении прочностных характеристик. Достаточно эффективно применение в композитных материалах наноразмерного алмаза.

К примеру, добавление наноалмаза повышает микротвердость композиционного материала на основе алюминия в 4…5 раз, а на основе меди в 3…10 раз. Присадки алмазосодержащей шихты в резину, керамику, пластмассу показали существенные улучшения их характеристик: повышение износостойкости, снижение коэффициента трения увеличение предельных нагрузок.

Также нанопорошки применяются при создании смазочных веществ, коэффициент трения которых в несколько раз ниже, чем усмазок, применяемых на данный момент. Также данные смазки гораздо лучше переносят воздействие низких температур. В области электромашиностроения — это актуально в связи с тем, что подшипники, не имеющие потерь на трение, на основе магнитного подвеса, существуют только как научный проект, в результате чего возникает серьезная необходимость в производстве смазок стойких к воздействию пониженной температуры окружающей среды.

Серьезным прорывом стало появление фуллеренов. Данный наноматериал является невероятно прочным, гораздо прочнее алмаза. Использование фуллереновских соединений рассматривается в различных современных трудах по электромеханике, в которых их используют, как включение в материалы корпусов взрывозащищенных машин или же для производства роторов высокоскоростных машин, к примеру, турбогенераторов, где имеются высокие центробежные нагрузки.

Практический интерес в этом случае представляет получение легкого и прочного материала для ротора, что может быть достигнуто использованием матрицы карбида титана или алюмоборонитридной керамики с наноструктурными компонентами.

19

Это позволяет изготавливать ротора с внешним диаметром до 400 мм на частоты вращения до 60000 об/мин.

Ещё одним примером применения нанотехнологии является изготовление обмоточного провода с использованием тонкодисперсного порошка окиси кремния, введённого химическим способом в полиамидную изоляцию. Этот метод позволил улучшить качество готового провода и повысить его температурный индекс до 280 °С (по сравнению с 240 °С для стандартных эмалированных проводов).

Применение нанотрубок вместо меди позволит уменьшить объем обмоточного провода приблизительно в 4 раза. За счёт самоочищения провода имеется потенциальная возможность увеличения срока службы катушек и обмоток электродвигателей до 5 раз.

Применение аморфных сплавов для сердечников асинхронного двигателя и нанотрубок в качестве обмоток позволит уменьшить габариты в 2..3 раза по сравнению с базовой ЭМ. Т.к. у аморфных сплавов удельное электрическое сопротивление в 2,5 раза выше, чем у электротехнической стали, то отпадает необходимость в изоляции слоев сердечника лаком – для этого достаточно оксидной пленки. В лентах аморфных сплавов отсутствует кристаллическая магнитная анизотропия, но сохраняется наведенная магнитная анизотропия, что позволяет формировать магнитную структуру после отжига и охлаждения в магнитном поле в любом направлении ленты и тем самым получать магнитопроводы с заданными магнитными свойствами. Магнитные потери на вихревые токи в таких магнитопроводах в 4…10 раз меньше, чем в сердечниках из электротехнической стали. За счет высоких магнитных свойств сердечников удается снизить их габариты и соответственно затраты провода на обмотку, что дополнительно уменьшает электрические потери в обмотке.

Применение обмоточного провода, с использованием тонкодисперсного порошка окиси кремния, приведет к увеличению температурного коэффициента, что позволит уменьшить затраты на проводниковые материалы.

Ключевые технологии и материалы всегда играли большую роль в истории цивилизации, выполняя не только узко производственные функции, но и социальные. Достаточно вспомнить, как сильно отличались каменный и бронзовый века, век

20