Учебное пособие 800623

электродвигателя с учетом того, что напряжение питания снизилось до своего минимального уровня.

Исследования магнитных систем электрических машин показывает, что наиболее целесообразным является применение четырехполюсных конструкций для машин малой мощности

Главные размеры машины можно определить при помощи средней касательной (тангенциальной) силы fт, действующей на единичную площадь поверхности якоря и создающей вращение ротора двигателя

где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерения и характера распределения индукции и тока в проводниках вдоль окружности ротора; В – максимальное значение индукции на поверхности ротора (в воздушном зазоре), Тл; А – линейная нагрузка, А/м;

Dа

где I – ток в проводниках, А; N – число активных проводников якоря; Dа – диаметр расточки якоря, м.

В рассматриваемой машине линейная нагрузка находится в пределах А = (1,0…2,0) 104 А/м . Магнитная индукция в зазоре имеет характерные значения Вδ = 0,1…0,25 Тл. Если учесть, что удельная касательная сила fт у хорошо использованных линейных машин не превосходит 0,2…0,5 Н/см2 при номинальной нагрузке, т.к. величина силы fт определяется свойствами современных материалов применяемых в машине, которые и определяют электромагнитные нагрузки двигателя А и B . В кратковременном режиме работы величина fт может быть увеличена до 10…20 кН/м2

.Таким образом, получаем площадь активной поверхности

где Fm – максимальная сила развиваемая машиной, Н ; fт – удельная касательная сила, Н/м2;

41

Расчет главных размеров машины сведен в таблицу.

На основе предварительного расчета определены ориентировочные размеры машины для построения моделей возможных конструкций магнитных систем электродвигателей с пазовым якорем, которые сведены в таблицу.

Расчет главных размеров линейного электродвигателя

Воронежский государственный технический университет

42

УДК 621.313

А.А. Агапов, С.А. Белозоров

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО СОСТОЯНИЯ БЕСКОНТАКТНЫХ МИКРОЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА БЕСПАЗОВОГО ИСПОЛНЕНИЯ

Рассматривается проблематика повышенной напряженности и распределения температурного поля в беконтактных электродвигателей постоянного тока беспазового исполнения с различными типами обмоток якоря

Ключевые слова: БДПТ, беспазовая обмотка, температурное состояния машины

Выпускаемые на сегодняшний день бесконтактные электрические микромашины постоянного тока (БДПТ) нашли применение в различных областях техники от простейших систем обеспечения охлаждения и вентиляции до высокоточных систем робототехники. Однако, главной особенностью, благодаря которой эти машины завоевали такую популярность, является высокая степень их надежности, по сути, ресурс машины ограничен только ресурсом подшипниковых узлов. При этом необходимо отметить, что такого рода заявление справедливо только в случае, если машина работает в установленном заводом-изготовителем режиме без каких-либо перегрузок.

Среди основных достоинств БДПТ можно выделить возможность сохранять работоспособность при воздействии значительных перегрузок. Данный тип машин способен без повреждения обмотки якоря выдерживать работу с заторможенным ротором длительностью более 10 секунд. Учитывая, данный факт многие разработчики электроприводов на основе БДПТ осознано эксплуатируют машину в режимах с повышенным токопотреблением, в так называемом форсированном режиме.

Исследования показывают, что, нагрев изоляции на каждые 8 ºС сверх допустимой нормы вдвое уменьшает срок ее службы, что делает вопрос исследования температурного состояния электрической машины (ЭМ) довольно актуальным.

На данный момент широкое распространение получили беспазовые БДПТ. Отсутствие реактивного зубцового момента, а также повышенное быстродействие по сравнению с зубцовыми машинами позволило разработчикам выйти на новый уровень проектирования электрических машин. Однако одним из важнейших

43

преимуществ беспазовых обмоток является возможность изменять параметры машины путем конструктивного изменения формы обмоток. Касаясь конструктива обмоток беспазовых БДПТ их можно условно разделить на два типа.

К первым относятся классические обмотки различной конфигурации и типоисполнения с возможностью изменения количества активных проводник за счет увеличения высоты секции

(рис.1).

Рис.1. Беспазовая обмотка с изменяемой высотой секции

К другому типу относятся так называемые двухпроводниковые обмотки или обмотки с фиксированной высотой секции. Наиболее известными обмотками данного типа являются диагональные (сотовые) обмотки Фаулхабера или ромбовидная обмотка компании MAXON (рис. 2).

Рис.2. Беспазовая ромбовидная обмотка

44

Однако главный вопрос заключается в прогнозировании температурного состояния электрической машины, для определения степени её безотказности при работе в условиях с повышенным токопотреблением.

Для определения температурного состояния электрической машины необходимо определить температуру источников тепла. В БДПТ источником тепла является обмотка. Для расчета и дальнейшего прогнозирования температурного состояния электрической машины необходимо определить температуру обмотки.

При проектировании первое на что необходимо обратить внимание — это величина плотности тока. Данный показатель уже на начальном этапе способен указать будет машина перегреваться или нет. В среднем исходя из рекомендаций для микромашин величина плотности тока должна находится в пределах 5…10 А/мм2. Данное утверждение справедливо только в случае с машинами с изменяемой высотой секции. И это достаточно просто объяснить.

Температура обмотки напрямую зависит от её объема, а именно от объемной плотности тепловыделения и определяется потоком тепла на единицу объема. Таким образом при одинаковой величине тока и сопротивления обмотки, тепловыделение, а значит и нагрев остальных частей ЭМ, будет у обмотки, имеющей меньший объем.

Подтверждением тому являются обмотки с фиксированной толщиной секции. К примеру ЭМ компании Maxon motor (Швейцария) серии ЕС-max под кодировкой производителя 283841 (рис.3).

Рис.3. Maxon motor ЕС-max 283841

45

Номинальная величина силы тока по каталожным данным 0,432 А. При этом диаметр провода составляет 0,1 мм. Не сложно рассчитать, что величина плотности тока составит 55 А/мм2, однако расчет показал превышение температуры обмотки над температурой окружающей среды всего на 15 ºС при этом превышение температуры по корпусу ЭМ не превышало 5 ºС.

Однако описывая температурное состояния микромашин беспазового исполнения особое внимание следует уделить машинам с изменяемой высотой секции обмотки. Именно в таких машинах изза большой плотности тепловыделения даже при невысокой плотности тока машина может серьезно разогреться и выйти из строя.

В заключении следует отметить, что данное исследование проводилось для продолжительного режима работы ЭМ (S1). Однако на сегодняшний день БДПТ, работающих в данном режиме довольно сложно найти. Преимущественно данные машины используют в следящих системах с собственным режимом работы ЭМ. В результате при определении температурного состояния машины и прогнозирования срока её безотказной работы следует учитывать множество различных параметров касающихся условий и режимов работы машины в конкретной системе.

Литература

1.Кенио Т. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами: Пер. с англ. / Т. Кенио, С. Нагамори – М.: Энергоатомиздат, 1989. —184 с.

2.Овчинников И.Е. Бесконтактные двигатели постоянного тока. / И.Е. Овчинников Н.И Лебедев – Л., "Наука", 1966. – 270 с.

3.Писаревский Ю. В. Тепловые и гидравлические расчеты электрических машин: учеб. пособие / Ю. В. Писаревскаий, А. Ю. Писаревскаий, Р. О. Нюхин. – Воронеж: Издательство «Научная книга», 2009. – 127 с.

4.Официальный сайт компании Maxon motor. – Электрон.

дан. – Режим доступа: http://www.maxonmotor.com/maxon/view/ /content/index

Воронежский государственный технический университет

46

УДК 621.313.821

А.А. Агапов, Т.Е. Черных

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УГЛА НАКЛОНА РОМБОВИДНОЙ ОБМОТКИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ БЕСКОНТАКТНОГО МИКРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Рассматривается проблематика выбора оптимального соотношения параметров ромбовидной обмотки бесконтактных двигателей постоянного тока беспазового исполнения для достижения наилучших показателей

Ключевые слова: БДПТ, беспазовая обмотка, ромбовидная обмотка

Бесконтактные микромашины постоянного тока (БДПТ) на данный момент являются лидерами по использованию в высокоответственных областях техники, при этом все чаще можно наблюдать их внедрение в таких областях, к примеру, как бытовая техника. При этом стоит отметить, что использование БДПТ беспазового исполнения позволяет обеспечить отсутствие реактивного остаточного момента сопротивления, а также исключить пульсации вращающего момента, что в ряде случаев играет важную роль.

В свою очередь, если речь заходит о микромашинах основополагающим является фактор минимизации массогабаритных параметров при сохранении электромеханических.

Средством достижения данной цели может стать использование нестандартных типов обмотки. Особое место среди них занимает ромбовидная обмотка. На сегодняшний день подобный тип обмотки активно применяется в разработках компании Maxon motor (Швейцария), обеспечивая при этом довольно неплохие массогабаритные показатели.

Вспоминая обмотку классического типа (Рис. 1а) можно выделить две её основные части: первая принимает непосредственное участие в создании электромагнитного момента и называется активной частью, другая же участия в создании момента не принимает, а лишь обеспечивает замыкание электрического контура и называется лобовой.

47

При этом, как показала практика, зазоров в искусственном пазу, вызванных наклоном лобовой части можно избежать, для этого необходимо выбрать оптимальный угол наклона. Формула (2) показывает, как зная величину ширины искусственного паза (b) и угол наклона (α) можно рассчитать место, которое впоследствии будет отведено в искусственном пазу под проводники.

Врезультате подбор оптимального угла наклона ромбовидной обмотки сводится к определению необходимых параметров машины. На сегодняшний день компания Maxon motor при производстве обмоток БДПТ используют угол α = 45º. При этом обмотка имеет коэффициент снижения потока близкий к 1, а также достаточно высокий коэффициент заполнения обмоточного пространства проводником.

Как отмечалось ранее данная задача является многокритериальной и по сути сводится к определению одного параметра относительно которого будет производится оптимизация системы.

Взаключении необходимо отметить, что именно параметры и машины и условия, в которых она будет работать в конечном итоге, будут определять оптимальность принятых конструктивных решений.

Литература

1.Кенио Т. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами: Пер. с англ. / Т. Кенио, С. Нагамори – М.: Энергоатомиздат, 1989. —184 с.

2.Овчинников И.Е. Бесконтактные двигатели постоянного тока. / И.Е. Овчинников Н.И Лебедев – Л., "Наука", 1966. – 270 с.

3.Официальный сайт компании Maxon motor. – Электрон.

дан. – Режим доступа: http://www.maxonmotor.com/maxon/view/ /content/index

Воронежский государственный технический университет

50