полный текст (PDF, ~518 КБ)

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
17
УДК 621.316
АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ЖЕЛЕЗОМЕДНЫМ ЗУБЧАТЫМ РОТОРОМ
Р.О. Нюхин
Доцент кафедры электромеханических систем и электроснабжения Воронежского
государственного технического университета, кандидат технических наук,
e-mail: emses@list.ru
C целью улучшения пусковых свойств асинхронных двигателей и повышения технологичности их изготовления предлагается изменить конструкцию ротора, применив
массивную втулку из железомедного сплава, в которой фрезеруются продольные пазы
на всю длину активной части. Приводятся результаты численного анализа электромагнитного поля на примере конкретной машины при использовании различных железомедных сплавов. Показывается состоятельность предложенной идеи.
Ключевые слова: зубчатый массив, поперечный краевой эффект, железо-медный
сплав, метод конечных элементов, расчёт электромагнитного поля.
Для механизмов, имеющих тяжелые условия
пуска, где по ряду причин необходимо использовать асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутым ротором, применяются двигатели с улучшенными пусковыми свойствами: большим пусковым моментом и меньшим пусковым током,
чем у двигателей общего назначения. Эти двигатели отличаются от двигателей нормального
исполнения только устройством короткозамкнутой обмотки ротора. Одни из них снабжены двумя самостоятельными обмотками типа «беличьей клетки», другие имеют более глубокие пазы
ротора. Такие меры позволяют усилить проявление эффекта вытеснения тока, что в результате повышает пусковой момент машины.
Однако в машинах малой мощности (до нескольких киловатт) в связи с малым диаметром
ротора повысить таким образом пусковой момент не удается. Кроме того, в машинах средней и большой мощности оказывается сложной
конструкция ротора.
Далее рассматривается способ улучшения
пусковых свойств серийных АД как малой мощности, так и средней и большой мощности с
одновременным удешевлением путем упрощения конструкции и технологии изготовления.
В основе обозначенной идеи по улучшению
характеристик серийных АД с короткозамкнутыми роторами лежит использование в качестве материала обмотки ротора железомедных
сплавов типа СМ, обладающих хорошими как
магнитными, так и проводящими свойствами
[1]. При этом предлагается существенно изменить конструкцию ротора по сравнению с серийными машинами, а статор оставить неизменным.
Ротор представляет собой втулку из железомедного сплава типа СМ, в которой фрезеруются продольные пазы на всю длину активной части таким образом, чтобы получились
короткозамыкающие кольца. В результате значительно упрощается зубцовая зона. Такая
конструкция, как показывают проведенные расчеты, позволяет значительно улучшить пусковые свойства АД. Кроме того, предложенная
конструкция в технологическом отношении помогает избежать дорогостоящей операции заливки ротора.
Описанную конструкцию ротора авторы
предлагают называть железомедным зубчатым
ротором (ЖМЗР).
Эффективность использования ЖМЗР проверялась с использованием данных конкретного серийного двигателя АИР56В2, имеющего
следующие номинальные данные: P2н = 250 Вт,
U1н = 220/380 В, 2p = 2, f 1 = 50 Гц. Геометрия и
обмоточные данные статора принимались как у
серийной машины. Изменена только конструкция и материалы ротора. На рис. 1 представлена рассматриваемая геометрия ротора описанной конструкции.
В качестве материала обмотки ротора рассматривались железомедные сплавы СМ-15,
СМ-20, СМ-30, СМ-40, СМ-60 [1]. Марка сплава
означает процентное содержание в сплаве меди, а соответственно все остальное – сталь.
Эти сплавы обладают как электрическими, так и
магнитными свойствами. Свойства сплавов СМ
различных марок сильно различаются. Причем
с улучшением электрических свойств (увеличением процентного содержания меди в сплаве)
магнитные значительно ухудшаются.
Электротехнические комплексы и системы управления
№ 2/2012
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
18
На рис. 2–4 приведены некоторые результаты численного решения задач электромагнитного расчёта в виде картин распределения силовых линий магнитного поля в некоторый рассматриваемый момент времени. На рис. 5
представлены рассчитанные зависимости пускового момента АД с ЖМЗР от процентного содержания меди в сплаве СМ. Значение пускового момента серийного двигателя АИР56В2
для сравнения составляет 1,95 Н∙м.
Рис. 1. Поперечное сечение АД с ЖМЗР:
1 – массивный втулка из сплава СМ;
2 – вал из стали 45; 3 – паз (воздух)
Расчет машины проводился методом конечных элементов, реализованным в ANSYS. Порядок работы в ANSYS при электромагнитном
анализе состоит из следующих этапов: выбор
типа анализа, создание геометрии, выбор типов
элементов, ввод свойств материалов, назначение свойств материалов и элементов геометрическим областям, разбиение областей на сетку
из конечных элементов, ввод нагрузок и граничных условий, выбор вида электромагнитного
анализа и установка опций решателя, запуск на
решение, анализ результатов и использование
макросов постпроцессора для расчета интересующих интегральных величин. Поскольку машина цилиндрическая, то, как показывает опыт,
двумерный анализ является наиболее целесообразным с точки зрения трудоемкости расчетов, с одной стороны, и достаточной точности –
с другой. Аксиальная длина машины при этом
принимается как у серийной машины равной
l = 56 мм. Это значение используется при
расчете моментов.
В электромагнитном анализе используется
четырехугольный восьмиузловый конечный
элемент типа PLANE 53 [2]. В качестве исходных условий задавались плотности токов в обмотке статора с учетом схемы обмотки в некоторый фиксированный момент времени. Тип
проводимого анализа – гармонический. Железомедная втулка (обмотка ротора) представлялись как массивный проводник с короткозамкнутыми условиями.
Рассматривался режим пуска, когда ротор
еще неподвижен. Тогда частота индуцируемой
ЭДС и соответственно тока в обмотке ротора
составляет 50 Гц. С использованием понятия
тензоров натяжения Максвелла и соответствующих макросов рассчитывались значения
пускового момента.
electrotech@v-itc.ru
Рис. 2. Картина магнитного поля АД с ЖМЗР
в виде силовых линий (сплав СМ-15)
Рис. 3. Картина магнитного поля АД с ЖМЗР
в виде силовых линий (сплав СМ-30)
Рис. 4. Картина магнитного поля АД с ЖМЗР
в виде силовых линий (сплав СМ-60)
www.v-itc.ru/electrotech
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Рис. 5. Зависимость пускового момента АД
с ЖМЗР от процентного содержания меди
в сплаве
Проведенные расчеты показали следующее:
1. Использование железомедных сплавов и
предложенной конструкции ротора позволяет
значительно увеличить пусковой момент машины по сравнению с серийной. Объясняется это
тем, что в такой конструкции усиливается проявление эффекта вытеснения тока. Об этом
также свидетельствуют полученные распределения плотностей токов. Причем в серийной
машине эффект вытеснения тока не проявляется, что характерно для машин малой мощности ввиду малой высоты стержня ротора.
19
2. Наибольшие значения пускового момента
приходятся на сплавы с наименьшим содержанием меди и, соответственно, наибольшим содержанием стали.
Таким образом, определяющим здесь является магнитное сопротивление обмотки ротора,
а ухудшение электрических свойств сильно не
сказывается. Последнее объясняется большим
поперечным сечением элементов обмотки ротора. Кроме того, анализ кривых распределения модуля вектора магнитной индукции в зазоре показывает, что среднее значение индукции выше в случае использования сплавов с
наименьшим содержанием меди. Это также
свидетельствует о возможности получения более высокого пускового момента.
3. Поскольку проведенные электромагнитные расчеты не учитывают потери в стали, то
полученные значения моментов, очевидно, несколько завышены. Точно определить их из результатов численного анализа трудно, а использование классических методик также даст
приблизительный результат.
Кроме того, вероятен значительный нагрев
машины за счет протекающих поперечных токов в обмотке ротора в перемычках над зубцами. Эти токи не создают электромагнитного
момента, но при этом создают потери. Поэтому
следующим этапом должна быть экспериментальная проверка полученных результатов.
Литература
1. Могильников, В. С. Асинхронные двигатели с двухслойным ротором и их применение /
В. С. Могильников, А. М. Олейников, А. Н. Стрельников. – М. : Энергоатомиздат, 1983. – 120 с.
2. ANSYS Theory Reference. 001242. Eleventh Edition. SAS IP, Inc. 1286 p.
ASYNCHRONOUS MOTOR WITH THE IRON-COPPER GEAR ROTOR
R.O. Nuhin
With the purpose of improvement of starting properties of asynchronous engines and increases of adaptability to manufacture of their manufacturing offers to change a design of a rotor,
having applied the massive plug from iron-copper an alloy in which longitudinal grooves for all
length of an active part are milled. Results of the numerical analysis of an electromagnetic field on
an example of the concrete machine are resulted at use various железомедных alloys. The solvency of the offered idea shows.
Key words: gear massive, cross-section regional effect, iron-copper alloy, finite elements
method, calculation of an electromagnetic field.
Электротехнические комплексы и системы управления
№ 2/2012