3618

УДК 621.313.33

Е.А. Кузнецова, С.А. Белозоров

ОПТИМИЗАЦИЯ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ БЕСКОНТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

В данной работе рассматриваются способы влияния изменяющейся геометрии магнитной системы на оптимизацию бесконтактного двигателя постоянного тока с выполнением критерия оптимальности

Внастоящее время применение бесконтактных двигателей постоянного тока широко распространено. В условиях современной экономической обстановки и жесткой конкуренции между предприятиями по выпуску данных двигателей, а также с новыми ограничениями, установились дополнительные требования. Вопервых, жесткость механической характеристики не должна выходить за пределы технического задания. Во-вторых – есть ограничение по внешнему диаметру. Этот показатель определяет удельную массу двигателя. Таким образом, улучшение конструкции бесконтактного двигателя постоянного тока крайне актуально.

Оптимизация геометрии магнитной системы двигателя – это многовариантная и многоступенчатая задача. При этом наилучшей геометрией будет называться совокупность размеров элементов магнитной системы, при которых удаётся выполнить критерий оптимальности. В качестве такового для двигателей наиболее часто выступает величина момента на валу, т.к. этот показатель косвенно позволяет оценить потери в двигателе.

Врассматриваемом случае оптимизация геометрии двигателя выполняется поэтапно. Первый этап заключается в оптимизации ширины спинки статора. При аналитическом расчёте высота спинки составила 3,4 мм (внешний диаметр статора – 19 мм), при том, что индукция в ней стремилась к 1,9 Тл. Следует отметить, что при аналитическом расчёте принимается ряд допущений. В частности принимается, что магнитный поток замыкается по спинке статора и не рассеивается в окружающее пространство.

Для поиска оптимальной толщины спинки статора воспользуемся математической моделью двигателя. Она была

рассчитана для номинального режима работы двигателя (ток 0,21 А). В результате решения модели с помощью МКЭ была

41

построена зависимость момента от внешнего диаметра статора

(рис. 1).

Рис. 1. Зависимость момента от внешнего диаметра магнитопровода статора

На основании полученных данных можно сделать выводы:

1)Влияние размера диаметра статора на электромагнитный момент подтвердилось.

2)Электромагнитный момент при достижении размера диаметра статора 17 мм не возрастает, т.е. найдена оптимальная геометрия.

Сравним картины распределения магнитной индукции для диаметра 19 мм (рис. 2а) и для диаметра 17 мм (рис. 2б).

Рис.2. Поле двигателя при диаметре магнитопровода статора 19 мм

(а) и 17 мм(б)

Из картин поля видно, что максимальное значение индукции

42

в спинке статора для диаметра 19 мм составила Bc = 1,3 Тл, для диаметра 17 мм – Bc = 1,6 Тл. Увеличение полей рассеяния не наблюдается.

Таким образом, получено лучшее использование магнитной системы бесконтактного двигателя постоянного тока. При большем размере спинки статора образуется недонасыщение машины и, кроме того, повышается расход стали. Отсюда вывод, что оптимальным решением будет уменьшение внешнего диаметра статора, что дополнительно уменьшит итоговую массу изделия. Это приведет к удешевлению и облегчению конструкции, а также к увеличению удельной массы двигателя.

Второй этап заключается в оптимизации размеров магнита. Известно, что мощность двигателя зависит от объёма цилиндра, ограниченного воздушным зазором, а так же величиной индукции в нём. Для бесконтактных двигателей постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, это условие можно преобразовать. Мощность бесконтактного двигателя зависит от объёма магнита. Т.е. в процессе оптимизации, необходимо, чтобы объём магнита был постоянен. В конструкции существует ограничение по максимальному диаметру двигателя, поэтому для оптимизации доступны два размера магнита – осевая длина и его внутренний диаметр. Т.к. объём – постоянный, то диаметр (d) с длиной магнита будут связаны следующим выражением:

где V– объём магнита;

Dвн – внешний диаметр магнита.

Поскольку из-за постоянства объёма магнита номинальный момент двигателя не изменяется, то в качестве критерия оптимизации был выбран вид механической характеристики, который очень важен для системы электропривода. Оптимальной формой характеристики будет такая, для которой перепад частоты вращения между холостым ходом и номинальным режимом будет минимальным, т.е. характеристика должна быть максимально жёсткой.

На рис. 3 представлены механические характеристики, составленные для разных внутренних диаметров магнита. Диаметр менялся от 3,5 мм до 7 мм, с шагом 0,5 мм.

Исходя из результатов моделирования, можно сделать

43

следующие выводы:

1)Наибольшая жёсткость механической характеристики наблюдается при внутренних диаметрах магнита от 4,5 мм до 5,5 мм;

2)При увеличении диаметра уменьшается кривизна характеристики (она становится более прямолинейной);

3)При увеличении диаметра уменьшается частота холостого

хода.

Рис. 3. Механические характеристики при различных внутренних диаметрах магнита

Литература

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

Энергия, 1980. – 496с.

2.Вентильные электрические двигатели и привод на их основе (малая и средняя мощность) / И. Е. Овчинников: Курс лекций. СПб.: КОРОНА-Век, 2006.-336 с.

Воронежский государственный технический университет

44

УДК 621.313.33:621.382.233.026

Е.А. Левин, А.Ю. Писаревский

ВКЛЮЧЕНИЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ В ОДНОФАЗНУЮ СЕТЬ

На основе сравнения вариантов подключения асинхронного двигателя в однофазную сеть сделан вывод о целесообразности использования полупроводниковых ключей для решения задача запуска

Всовременных условиях существенно возросла потребность

вэлектродвигателях переменного тока, допускающих эффективную эксплуатацию при питании от однофазной сети. При этом практикуется два варианта: асинхронный двигатель выполняется специально только для работы от однофазной сети или трехфазный двигатель массового применения приспосабливается для подключения к однофазной сети. В обоих случаях различными специальными способами решается задача получения вращающегося магнитного поля, образуемого токами в обмотке статора. Как правило, с включением фазосдвигающих элементов во вспомогательную фазу. Применение асинхронных двигателей, работающих в однофазном режиме, получило распространение везде, где электропитание ограничено однофазной сетью промышленной частоты, не требуются частоты вращения вала выше 3000 об/мин. Такие привода сравнительно надежны, недорогие и просты в управлении.

Внастоящее время выполнено много исследовательских и практических работ, решающих задачу подключения асинхронного двигателя к однофазной сети. В работах Адаменко А.И. предлагается множество решений этой задачи с применением приемов управляемого изменения параметров вспомогательной фазы с помощью ёмкостей, индуктивностей, активных сопротивлений как в отдельности, так и в различных сочетаниях. Хорошо известен вариант конструкции асинхронного двигателя с экранированными полюсами. Техническая и патентная литература публикуют множество решений этой задачи другими способами, например, выбором конфигурации магнитной цепи, использованием явления гистерезиса магнитных материалов, даже путем включения в магнитную цепь участков с магнитожесткого материала и др. Эти решения ещё не находят широкого применения, нуждаются в дополнительных

45

исследованиях. Опубликованные материалы показывают, что такие решения пока еще обеспечивают запуск однофазного асинхронного двигателя на холостом ходу. Появились публикации с применением полупроводниковых ключей для формирования вращающегося магнитного поля в однофазном асинхронном двигателе. Предложения заслуживают внимания, однако из-за недостаточности исследования происходящих в такой машине электромагнитных процессов, их влияния на эксплуатационные характеристики такие решения ещё не получили широкого применения. В исследованиях была поставлена задача попытаться проанализировать возможности применения полупроводниковых приборов для создания вращающегося магнитного поля в однофазном асинхронном двигателе, определить оптимизируемые параметры управления ключами, сформулировать требования к двигатель, допускающему указанный режим работы. Установлено, что для решения поставленной задачи возможно применение полупроводниковых ключей с неполной управляемостью. Это – симметричные и несимметричные динисторы, тиристоры, симисторы. Не смотря на то, что в каждом случае необходимо применять специфическую схему управления полупроводниковым ключом, во всех случаях достигается общий эффект: ток во вспомогательной фазе может отставать от тока в основной фазе на некоторый угол.

Одновременно установлено, что ток во вспомогательной фазе при этом отличается и по действующему значению, его форма отличается от синусоидальной. Эти особенности ставят задачу оптимизации параметров вспомогательной обмотки, что расширяет возможности приближения формы поля к круговой, так как фазовый сдвиг тока определяется только углом коммутации ключа и от скольжения ротора практически не зависит.

Работоспособность включения асинхронного двигателя в однофазную сеть согласно предлагаемому решению проверена на электродвигателе АИР 56.А4 с тиристором Д235. Двигатель продемонстрировал надежный пуск и устойчивую работу после разгона.

Литература

1.Адаменко А.И. Несимметричные асинхронные машины. - Киев: изд. АН УССР, 1962

Воронежский государственный технический университет

46

УДК 621.313

Е.Е. Карабут, Т.Е. Черных, С.А. Белозоров

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЛАВНЫХ РАЗМЕРОВ ТОРЦЕВОГО СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА НА ОСНОВЕ МАШИННОЙ ПОСТОЯННОЙ

Рассматривается вывод формул для определения главных размеров торцевого дискового синхронного генератора. Вывод основывается на теории машинной постоянной

При проектировании новых электрических машин нередко возникает вопрос выбора диаметра воздушного зазора, а также осевой длины магнитопровода. Эти размеры определяют мощность проектируемой электрической машины. При этом мощность машины пропорциональна объёму цилиндра, образуемого воздушным зазором.

Существует два наиболее распространённых подхода к выбору главных размеров.

Первый подход базируется на рекомендациях, составленных при проектировании большого количества типовых электрических машин. Так, для определения главных размеров для асинхронных двигателей, достаточно открыть справочник, чтобы получить приблизительные размеры. Далее эти размеры корректируются с помощью стандартных методик. Главных недостаток такого способа определения размеров – наличие базы рекомендаций, что возможно только для ранее проектируемых типов электрических машин.

Второй подход базируется на определение машинной постоянной Арнольда. Для её определения не требуется наличие базы рекомендаций. Расчёт производится на основе стандартных параметров таких как средняя индукция в воздушном зазоре, линейная нагрузка, обмоточный коэффициент.

Синхронный торцевой генератор [1] – электрическая машина, которая не имеет готовой методики проектирования. Генераторы этого типа, рассмотренные в работах [2,3], позволяют наращивать мощность, просто увеличивая количество дисков, без замены самого генератора. Надёжность, простота конструкции и обслуживания, делают данный тип генераторов идеальными для использования их в ветроустановках малой и средней мощности.

47

На рисунке представлены основные размеры – средний диаметр диска (D) и длина воздушного зазора (lδ) для торцевого дискового генератора.

Главные размеры торцевого дискового генератора

Для определения главных размеров генератора – воспользуется выводом машинной постоянной из основного уравнений электрической машины, связывающего ЭДС фазы обмотки (Е) с основным магнитным потоком (Ф):

где N 2 m – полное число витков обмотки двигателя. Коэффициент формы поля:

Выразим поток через индукцию в воздушном зазоре (Bδ)

Подставив в уравнения (2) – (5) в выражение (1), получим

Преобразуем к виду:

где СА- машинная постоянна Арнольда

Тогда

Т.к. машина торцевая дисковая, то длину воздушного зазора определим исходя из длины окружности диаметра, а также полюсного перекрытия (αδ)

Тогда средний диаметр магнитопровода:

Из выражения (7) следует, что:

На основании основных формул, описывающих процессы в электрических машинах, были выведены формулы (11), (12) для определения главных размеров синхронного торцевого дискового генератора для ветроустановки. В процессе вывода, была определена постоянная Арнольда, для данного типа электрических машин.

Литература

1.Патент 111365 Российская Федерация, МПК Н02Л21/24. Электрогенератор / Писаревский Ю. В., Бе-ляков П. Ю., Писаревский А. Ю., Тикунов А. В., Черных Т. Е. – № 2011133630/07 ; заявл. 10.08.2011 ; опубл. 10.12.2011

2.Черных Т.Е. Исследование торцевого синхронного генератора прямого привода для вертикально-осевой ветроэнергетической установки / Т.Е. Черных, А.С. Павлов, П.Ю. Беляков, Ю.В. Писаревский, А.В. Тикунов. // Электротехнические комплексы и системы управления. – 2012. - №2. - С. 11-16.

3.Черных Т.Е. Моделирование синхронного генератора прямого привода для вертикально-осевой ветроэнергетической установки/ Т.Е. Черных, С.А. Белозоров, А.В. Тикунов. // Электротехнические комплексы и системы управления. – 2015. - №4. - С. 34-37.

Воронежский государственный технический университет

50