3640
.pdfУДК 621.313.821
А.А. Агапов, С.А. Белозоров
МИКРОЗУБЦОВАЯ ОБМОТКА БЕСКОНТАКТНЫХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА БЕСПАЗОВОГО ИСПОЛНЕНИЯ
Рассматривается возможность создания двигателя с улучшенными характеристиками за счет формирования микрозубцовых беспазовых обмоток обмотки
Ключевые слова: БДПТ, беспазовая обмотка, зубцы
На сегодняшний день одним из наиболее передовых направлений разработки электрических машин является проектирование бесконтактных микромашин постоянного и переменного тока. Отсутствие щеточно-коллекторного узла в значительной степени позволило повысить надежность и ресурс работы таких машин. Особое место среди них занимают электродвигатели с беспазовым типом обмотки.
Применение данного типа обмотки приобрело достаточно массовый характер распространения в области микромашин, в частности в бесконтактных двигателях постоянного тока (БДПТ).
Причиной перехода к беспазовому типу обмотки является возможность размещения большего числа активных проводников обмотки за счет отсутствия зубцов. Помимо этого, отсутствует ограничения, налагаемые на форму катушки обмотки, что в свою очередь позволяет применять в конструкции электродвигателя диагональные, ромбовидные и другие типы обмоток, для достижения необходимых параметров машины. Так же в машинах беспазового исполнения отсутствует реактивный зубцовый момент, что обеспечивает плавность хода на низких оборотах.
Однако имеются и недостатки. Отрицательным фактором является увеличение эффективного воздушного зазора и как следствие увеличение намагничивающей силы возбуждения магнита индуктора. Несмотря на то, что в такого рода машинах применяются мощные редкоземельные магниты, проблема повышенного магнитного сопротивления воздушного зазора остается актуальной.
Возможным решением данной проблемы может стать применение микрозубцовых беспазовых обмоток.
51
На рис. 1 представлена поперечная геометрия машины с беспазовым типом обмотки.
1 – вал;2 – постоянный магнит;3 – воздушный зазор; 4 –обмотка якоря;5 – сердечник якоря; 6 – корпус.
Рис. 1. Поперечная геометрия двигателя
сбеспазовым типом обмотки
Вбеспазовых электродвигателях обмотка в полной мере определяет величину воздушного зазора, так как медь обмотки имеет то же магнитное сопротивление, что и воздух, поэтому чтобы замкнуться в сердечнике якоря (5) магнитному потоку необходимо преодолеть расстояние, обусловленное не только воздушным зазором, но и обмоткой якоря (4).
Ввиду снижения величины магнитного потока снижается и величина результирующего момента, что негативно сказывается на характеристиках машины.
Решением данной проблемы в некоторой степени может стать применение мелкодисперсных магнитопроводящих частиц (металлическая стружка или частицы пермаллоя) в качестве добавки
ккомпаунду для заливки обмотки. Однако применение данного решения становится затруднительным ввиду повышения вязкости компаунда по мере добавления различного рода частиц. Увеличение вязкости повлечет за собой недостаточное проникновение компаунда между слоями обмотки. При этом даже заливка в условиях вакуума не обеспечит необходимой степени дегазации и
52
проникновения компаунда в обмотку, в результате чего образуются области неравномерной заливки.
Образование подобных областей повлечет за собой локальное снижение отвода тепла от проводников и как следствие пробой изоляции и короткое замыкание.
Так же возникновение такого рода областей увеличит магнитное сопротивление данного участка и приведет к неравномерному распределению магнитного поля в зазоре, что повлечет за собой неравномерность вращения ротора машины.
Стоит отметить, что существует и другое решение проблемы увеличенного воздушного зазора, а именно применение микрозубцовой обмотки. По сути это та же беспазовая обмотка, однако, между витками секций установлены тонкие магнитопроводящие пластины (микрозубцы) (рис. 2).
1 –проводник, 2 –микрозубец
Рис. 2. Часть секции обмотки с микрозубцами
Подобное конструктивное исполнение обмотки имеет ряд преимуществ по сравнению с классическим исполнением беспазовой обмотки.
Применение микрозубцов из магнитопроводящего материала (к примеру пермаллой) позволяет использовать менее мощные магниты в качестве индуктора БДПТ ввиду того, что необходима меньшая намагничивающая сила для преодоления воздушного зазора.
53
Стоит так же отметить, что применение большого числа микрозубцов не приведет к возникновению зубцового эффекта, однако для этого необходимо равномерное распределение данных зубцов по всей окружности воздушного зазора.
Также значительным преимуществом перед классической конструкцией обмотки является повышенный отвод тепла с обмотки, что в значительной степени позволит повысить надежность машины.
Необходимо отметить, что применение микрозубцовой конструкции обеспечит взаимное выравнивание проводников и секций обмотки. Данный критерий очень важен для обеспечения плавности и равномрности вращения вала особенно на низких оборота.
На данный момент времени в мире уже разработано, а также находится на стадии исследований огромное количество нанокомпозитных материалов с впечатляющими магнитными характеристиками. Учитывая это возможно создание микрозубцов на основе данных материалов.
При этом данный тип обмотки может найти свое применение при модернизации ранее произведенных электрических машин, что в перспективе позволит возродить их производство.
Однако данный тип обмотки не лишен недостатков, одним из которых является конструктивно-технологическая сложность производства машин данного типа, что потребует серьезной технологической подготовки производства.
Подводя итоги следует отметить, что единого критерия в вопросах оценки эффективности данной обмотки бесконтактного электродвигателя постоянного тока – нет. Сложность производства компенсирует целый ряд положительных характеристик машины.
В любом случае именно применение новых нестандартных идей позволяет вывести производство электрических машин на новый уровень.
Воронежский государственный технический университет
54
УДК 621.313
Д.Э. Штень, С.А. Белозоров, Т.Е. Черных
АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ ЗУБЦОВОЙ ЗОНЫ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
Рассматривается синхронный генератор на постоянных магнитах пазового и беспазового исполнения для применения в маломощных ветроэнергетических установках
Ключевые слова: генератор, постоянные магниты, ветроустановка, беспазовый генератор барабанного типа
На сегодняшний день во всем мире весьма актуальным вопросом является поиск новых технологий получения электрической энергии, так как запасы органических видов топлива, за счет которых получается более 50 процентов всей электрической и тепловой энергии, не бесконечны. На фоне этого, вопрос совершенствования уже известных технологий, в том числе установок на возобновляемых видах энергии (ветроэнергетические установки (ВЭУ), фотоэлектрические станции, микроГЭС и т.д.) является также весьма важным.
Вветроэнергетике в настоящее время много проблем, одной из которых является разработка специализированных генераторов для ветроэнергетических установок, которые бы имели высокий КПД при низких скоростях вращения.
Врамках разработки оборудования для ВЭУ особо важное место занимает разработка и производство надежных, с точки зрения ремонтопригодности и технологичности генераторов. Учитывая последние достижения науки, можно смело говорить о целесообразности использования магнитоэлектрических синхронных генераторов в ВЭУ.
Целью исследования – является поиск конструкции синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов с высокими энергетическими характеристиками.
55
Рис. 1. Схема ВЭУ
Комплект ВЭУ (Рис.1.) состоит из синхронного генератора на постоянных магнитах вырабатывающего переменный ток, который передается на контроллер и в дальнейшем преобразуется в постоянное напряжение. Для зарядки аккумуляторов между генератором и АКБ устанавливается контроллер, который следит за зарядкой АКБ, и при полном заряде сбрасывает лишнюю энергию на балласт, в качестве которого могут выступать ТЭН для отопления или большой резистор. Ветрогенератор с контроллером выступает в роли зарядного устройства. В аккумуляторах постоянное низкое напряжение, для питания дома нужно 230 вольт, поэтому устанавливается инвертор, который преобразует постоянное напряжение в переменное 220 вольт. Без инвертора можно обойтись, если потребители рассчитаны на питания от низкого напряжения. Например, если массив АКБ на 12 вольт, то можно использовать любые электроприборы рассчитанные на 12 вольт, автомобильные зарядные устройства, телевизоры, светодиодные ленты и лампочки и др.
Рассмотрены две конструкции СГПМ: с пазовым и беспазовым исполнением. Такие генераторы отличаются друг от друга не только выходными характеристиками, но и своей технологией изготовления.
Ниже представлены основные параметры рассматриваемых трёхфазных генераторов
56
Основные параметры: Мощность P = 3000 Вт
Номинальное напряжение U = 24 В Скорость вращения n = 250 об/мин Частота сети f = 50 Гц Количество фаз m = 3
Число полюсов р = 24 Исследование проводилось на основе численного
моделирования, посредством метода конечных элементов. На основании данных моделирования, были получены рабочие характеристики двух машин. На (Рис. 2), представлены зависимости КПД (η1, η2) и коэффициент мощности (cosφ1, cosφ2) в зависимости от генерируемой мощности. Индекс 1 соответствует безпазовой конструкции, 2 – пазовой.
Рис. 2. Сравнение КПД и коэффициента мощности машин пазовой и беспазовой конструкции
Графики напряжения в фазе А при номинальном значении активной нагрузки (Rн = 0.4 Ом) пазового и беспазового генератора представлены на (Рис. 3, 4).
57
Рис. 3. График напряжения в фазе А пазовой конструкции
Рис. 4. График напряжения в фазе А беспазовой конструкции
58
1- беспазовая, 2 – пазовая
2-
Рис. 5. Внешняя характеристика
Исходя из анализа полученных результатов можно сделать выводы:
1.Беспазовый генератор имеет больший КПД.
2.График напряжения беспазовой конструкции более приближен к синусоидальной форме, что благоприятно сказывается на работе ВЭУ в целом
Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать вывод о целесообразности использования беспазовой конструкции генератора с заданными номинальными параметрами, для работы в составе ВЭУ малой мощности.
Литература
1.Копылов И.П. Проектирование электрических машин: учебник для вузов / под ред. И. П. Копылова. – 4-е изд., перераб. и доп. – М. : Издательство Юрайт, 2011. – 767 с.
2.Яковлев А.И. Расчет и проектирование ветроэлектрических установок с горизонтально-осевой ветротурбиной и синхронным генератором на постоянных магнитах: учеб. пособие по курсовому проектированию. Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-
т», 2003. – 125 с.
3.Балагуров В. А. Проектирование специальных электри-
ческих машин переменного тока. – М.: Высш. шк., 1982.
Воронежский государственный технический университет
59
УДК 621.313
Е.Е. Некравцев, И.А. Брежнев, Ю.В. Писаревский
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ НА РАЗРАБОТКУ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА НА ПОСТОЯННЫХ МАГНИТАХ
ИПРИВОДОМ ОТ ЭЛЕМЕНТАРНОГО ДВИЖЕНИЯ
Внастоящее время, вследствие все большей зависимости человечества от электрической энергии, растет потребность в ее выработке традиционными и альтернативными им методами
Наиболее актуальными для выработки электрической энергии являются портативные устройства небольшой мощности, имеющие возможность зарядки аккумуляторов карманных гаджетов. Эти устройства могут приводиться с помощью поступательного и вращательного движения выходных органов приводных механизмов, вплоть до использования элементарных движений человеком при ходьбе и беге
Ключевые слова: портативный генератор электрической энергии, постоянные магниты, поступательное перемещение
Анализ интернет – ресурсов выявил несколько, проводимых за рубежом, разработок аналогичных устройств в виде портативных генераторов электрической энергии (ПГЭ), использующих элементарные движения, совершаемые человеком. Некоторые из них приведены в настоящей статье.
Интересным техническим решением ПГЭ является генератор без движущихся частей, разрабатываемого инженерами из Висконсинского университета. Устройство предложено в виде системы, генерирующей электрическую энергию при ходьбе, и состоящей из двух плоских пластин, между которыми циркулирует токопроводящая жидкость. В нижней пластине сделаны микроскопические отверстия, через которые подается газ, формирующий пузырьки, которые затем соединяются в более крупные пузырьки. Данный процесс является повторяющимся и происходящим с большой скоростью. Циркулирование жидкости по контуру приводит к генерации электрического тока благодаря эффекту электросмачивания. Вырабатываемая мощность экспериментальной установки составляет 10 Вт [1].
60