Full Text

Введение Для электрических двигателей малой мощности, предназначенных для работы на предприятиях по переработке радиоактивных отходов, в патентах [1-2] предложен принцип создания перемещающегося вокруг оси вращения воображаемой цилиндрической поверхности разноименнополюсного магнитного поля путем размещения 2m катушек кольцевого типа и чередования геометрии магнитных масс различной конфигурации. Катушки кольцевого типа выбраны с целью минимизации и типизации углов изгиба изоляции обмоточного провода, а также с целью получения возможности нанесения дополнительной изоляции на провод в любом месте витка в процессе изготовления катушки при применении неорганической, например, керамической изоляции, как показано в [3-5]. Геометрические оси всех катушек кольцевого типа якорной многофазной обмотки совпадают между собой и осью вращения воображаемой поверхности, относительно которой создается перемещающееся разноименнополюсное магнитное поле, что отражено в [6]. Магнитные массы охватывают каждую из катушек и имеют различную конфигурацию, что также описано в [7]. На рис. 1, а показаны геометрические формы магнитных масс статора, размещение в пространстве и порядок их сопряжения для случаев, когда число пар полюсов равно единице, p = 1. На рис. 1, б показано размещение катушек фаз кольцевого типа относительно магнитных масс. Магнитная система ротора имеет классическое исполнение. На рис. 2 изображен опытный образец АДКО, разработанный на кафедре «Электрические машины» УрФУ совместно с заводом «Уралэлектромаш», г. Каменск-Уральский. а б Рис. 1. Геометрические формы магнитных масс в пространстве и порядок их сопряжения при р = 1 (а); размещение катушек фаз кольцевого типа относительно магнитных масс (б) Рис. 2. Опытный образец АДКО Для АДКО при любом числе пар полюсов минимальное число катушек трехфазной якорной обмотки с катушками кольцевого типа равно шести при построении шестидесятиградусной фазной зоны обмотки. При разработке конструкции магнитной системы якоря опытного образца АДКО, назначение которого состояло либо в подтверждении, либо в опровержении принципов организации перемещающегося разноименнополюсного магнитного поля относительно ротора, разработчиком для уменьшения стоимости статора опытного образца была использована листовая лакированная электротехническая сталь марки Э 2211, толщиной 0,5 мм. Испытания опытного образца АДКО подтвердили справедливость принципов организации перемещающегося разноименнополюсного магнитного поля относительно ротора, что изложено в [8], и показали, что пусковой и максимальный электромагнитный моменты существенно меньше расчетных значений [9-13]. Это означает, что рабочий поток в машине меньше расчетного, а поток рассеяния больше расчетного. Поскольку в ярме статора существует осевая составляющая потока рассеяния и рабочего потока, то из этого следует, что часть потока фазы идет поперек листа через лаковую поверхность и технологические зазоры, величина которых зависит от усилия опрессовки статора. Вышеописанная проблема вызывает необходимость учитывать увеличение магнитного сопротивления для осевой составляющей магнитного потока, которое связано с наличием оксидной пленки между листами шихтованного сердечника статора. Научная новизна проводимого исследования заключается в описании расчетных способов и алгоритмов действий, помогающих учесть и оценить влияние слоистой структуры сердечника статора АДКО на осевую составляющую магнитного потока машины, являющейся частью рабочего потока в зазоре, в то время как в двигателях классической конструкции, например серии 4А или АО, в данном учете нет необходимости, так как рабочий поток машины определяется главным образом радиальной составляющей. Цель работы - оценить влияние слоистой структуры сердечника статора АДКО на рабочий поток и поток рассеяния машины. Задачи проводимого исследования: 1) определить значение полного потока рассеяния двигателя типа АДКО, а также отдельных составляющих потока рассеяния; 2) определить коэффициент рассеяния магнитного потока двигателя типа АДКО и оценить значение рабочего потока машины по отношению к ее потоку рассеяния; 3) учесть влияние применяемой в опытном образце АДКО электротехнической стали и оксидной пленки между листами стали на осевую составляющую магнитного потока, сравнив варианты распределения потока для различных расчетных моделей АДКО; 4) дать рекомендации по дальнейшему совершенствованию конструкции двигателя типа АДКО. Ход работы Рассмотрим особенности распределения потока рассеяния и рабочего потока магнитной системы якоря опытного образца АДКО для принятой геометрии магнитной цепи и параметров обмотки якоря опытного образца, выполненного с числом пар полюсов р = 3 и q = 1, для трехфазного питания обмотки якоря, например, IC = Imax = 5 А, IA = IB = 2,5 Imax, для трех вариантов исполнения магнитной системы якоря: 1) в первом варианте исполнения магнитной системы якоря в расчетной модели АДКО прикладного программного пакета ANSYS Maxwell с целью определения возможных величин потока рассеяния, рабочего потока и коэффициента рассеяния при минимально возможном влиянии сопротивления магнитной цепи на указанные параметры и заданных значениях тока в фазах якоря магнитную проницаемость магнитной массы статора и ротора принимаем постоянной и равной μст=108, коэффициент заполнения сталью принимается равным единице, Кз.с=1 (отсутствуют технологические зазоры между листами электротехнической стали и изоляционные покрытия каждого из листов); 2) во втором варианте исполнения магнитной системы АДКО предполагается, что магнитная система ярма статора, зубцовых сердечников и зубцовых наконечников выполнена из листов электротехнической стали марки Э 2211, причем таким образом, что листы ярма статора и зубцовых наконечников направлены вдоль оси вращения, листы зубцовых сердечников направлены поперек оси вращения, отсутствуют зазоры в стыках между листами, для чего в первом приближении в расчетной модели статора и ротора АДКО прикладного программного пакета ANSYS Maxwell с целью определения максимально возможных величин потока рассеяния, рабочего потока и коэффициента рассеяния допустить, что магнитная масса, образующая магнитную систему якоря, изотропна, а в качестве магнитного материала массы используется электротехническая сталь марки Э 2211; 3) в третьем варианте исполнения магнитной системы рассматривается конструкция магнитной системы опытного образца АДКО, в которой магнитная система ярма статора, зубцовых сердечников и зубцовых наконечников выполнена из листов электротехнической стали марки Э 2211, причем таким образом, что листы ярма статора и зубцовых сердечников направлены поперек оси вращения, листы зубцовых наконечников направлены вдоль оси вращения, отсутствуют зазоры в стыках между листами, в ярме якоря присутствуют дополнительные воздушные зазоры, имитирующие изоляционную лаковую пленку и наличие воздуха между отдельными листами сердечника статора, где толщина отдельно взятого листа составляет 0,5 мм. С помощью пакета ANSYS Maxwell поток рассеяния фазы статора АДКО при заданных токах в фазах якоря можно определить двумя способами [14-15]. Первый способ Этап № 1. Для расчетной модели АДКО с вынутым ротором с помощью встроенной в ANSYS Maxwell функции расчета потокосцепления фазы Ψф определим потокосцепление фазы Ψф для трех вариантов исполнения магнитной цепи якоря. Этап № 2. Разделив значение потокосцепления Ψф на число витков фазы Wф, получим значение потока рассеяния фазы Фσ. Как известно, значение потока рассеяния, определенное указанным способом, больше реального значения на несколько процентов и может быть скорректировано [16]. Однако на данном этапе исследования пренебрежем указанной погрешностью. В то же время указанный подход в определении потокосцепления рассеяния не дает возможности рассчитать потоки рассеяния по участкам магнитной цепи, знание о которых позволяет определить участки с повышенными значениями потоков рассеяния и ввести коррекцию в геометрические размеры в магнитной цепи с целью уменьшения потока рассеяния фазы при проектировании [17-20]. Второй способ Расчет потока в заданном сечении с помощью вспомогательной поверхности. Для определения положения вспомогательной поверхности в расчетной модели определим потоки рассеяния для каждой катушки обмотки якоря. Суммарный поток рассеяния каждой катушки определим, как сумму потоков: (1) где ФσZN - поток рассеяния зубцовых наконечников (рис. 3); ФσZs - поток рассеяния зубцовых сердечников (рис. 3); Фσл - поток рассеяния лобовых частей катушки. На рис. 3 приведены обозначения и направления потоков зубцового наконечника и зубцового сердечника. Рис. 3. Обозначения и направления потоков зубцового наконечника и зубцового сердечника Согласно рис. 3 поток рассеяния зубцовых наконечников ФσZN можно определить как разность между потоком ФZs, выходящим из зубцового сердечника, и потоком Фδ, выходящим в воздушный зазор: (2) Для вычисления потока ФZs необходимо вспомогательную поверхность S5,6,7,8 разместить в зоне сочленения зубцового сердечника и зубцового наконечника (см. рис. 7). Согласно рис. 3 поток рассеяния зубцовых сердечников ФσZs определим как разность между потоком Фа, выходящим из ярма, и потоком ФZs, выходящим из зубцового сердечника: (3) Для вычисления потока Фа необходимо вспомогательную поверхность S9,10,11,12 разместить в зоне сочленения зубцового сердечника и ярма статора (см. рис. 3). Часть потока рассеяния, непосредственно связанного с лобовыми частями обмотки, определим как разность между полным потоком рассеяния Фσ и потоками рассеяния зубцовых сердечников ФσZs, а также потоками рассеяния зубцовых наконечников ФσZN: (4) Полный поток рассеяния фазы обмотки статора Фσ есть разность между полным потоком фазы, рассчитанным с помощью ANSYS Maxwell, и потоком в зазоре Фδ: (5) Поток в воздушном зазоре ФδА,Х, образованный катушками А и Х, на пару полюсов р, может быть рассчитан двумя способами: 1) с помощью вспомогательной поверхности; 2) как разность между полным потоком фазы ФфА,Х и потоком рассеяния фазы Фσ, рассчитанными с помощью матриц: (6) Для расчета потока в воздушном зазоре с помощью вспомогательной поверхности создадим на внешней стороне ротора, обращенной в воздушный зазор, дополнительную поверхность, ширина которой соответствует величине полюсного деления (рис. 4). Расчет потока в воздушном зазоре, проходящего через вспомогательную поверхность, расположенную на роторе, выполняется путем интегрирования значения магнитной индукции через заданную площадь поверхности, как: (7) где α, β, γ - углы между вектором магнитной индукции и вспомогательной поверхностью [21-23]. Рис. 4. Вспомогательная поверхность на роторе Поток в воздушном зазоре ФδА,Х, образованный катушками А и Х на пару полюсов р, рассчитанный с помощью интегрирования по вспомогательной поверхности, определяется как ФδА,Х = 1561 мкВб. Чтобы рассчитать поток в воздушном зазоре ФδА,Х по второму методу, а именно как разность между полным потоком фазы Фф и потоком рассеяния фазы Фσ, необходимо определить поток рассеяния фазы, выполнив расчет матриц индуктивностей при вынутом роторе (рис. 5). а б Рис. 5. Матричный расчет при значениях токов IB = 5 A, IA = IC = 2,5 A, магнитной проницаемости стали μст = 108 и Кз.с = 1: а - потокосцеплений каждой фазы обмотки статора АДКО; б - потоков, приходящихся на один виток каждой катушки статора С целью оценки количественного участия составляющих потоков рассеяния введем понятие коэффициента рассеяния магнитной системы якоря с кольцевыми обмотками kσ [24-25]. Коэффициент рассеяния магнитной системы якоря с кольцевыми обмотками kσ составим из трех составляющих, а именно из частичных коэффициентов рассеяния: 1) kσZN - частичный коэффициент рассеяния зубцовых наконечников; 2) kσZS - частичный коэффициент рассеяния зубцовых сердечников; 3) kσл - частичный коэффициент рассеяния лобовых частей обмотки статора. Частичный коэффициент рассеяния зубцовых наконечников kσZN - это отношение магнитного потока рассеяния зубцовых наконечников ФZN к потоку Фδ, выходящему в воздушный зазор, плюс единица: (8) Частичный коэффициент рассеяния зубцовых сердечников kσZS - это отношение магнитного потока рассеяния зубцовых сердечников ФσZs к потоку Фδ, выходящему в воздушный зазор, плюс единица: (9) Частичный коэффициент рассеяния лобовой части обмотки статора kσл можно определить как отношение потока рассеяния лобовой части обмотки статора к потоку Фδ, выходящему в воздушный зазор, плюс единица: (10) Общий коэффициент рассеяния магнитной системы якоря с кольцевыми обмотками kσ определим как сумму частичных коэффициентов рассеяния, а именно: частичного коэффициента рассеяния зубцовых наконечников kσZN, частичного коэффициента рассеяния зубцовых сердечников kσZs и частичного коэффициента рассеяния лобовых частей kσл. (11) Расчет параметров магнитной цепи якоря с кольцевыми обмотками будем проводить, как и ранее, для трех случаев: 1. По формулам (1)-(11) произведен расчет потоков и коэффициентов рассеяния магнитной системы якоря с кольцевыми обмотками при трехфазном питании обмотки статора АДКО Кз.с = 1, проницаемости стали постоянной и равной μст = 108, и результаты сведены в табл. 1. Таблица 1 Расчетные значения потоков, мкВб, и коэффициентов рассеяния АДКО при IA = 5 A, IB = IC = 2,5 А; Кз.с = 1 и μст = 108 Запитываемая фаза Фф Фδ ФZN ФZs Фа ФσZN ФσZs, Фσл Фσ kσZ kσZs kσл kσ IA = 5 A, IB = IC = 2,5 А 2833 2233 2035 2285 2370 250 85 265 600 1,11 1,04 1,12 1,27 2. Расчетные значения потоков, коэффициентов рассеяния магнитной цепи АДКО при трехфазном питании обмотки статора, Кз.с = 1, стали Э 2211, без учета слоистой структуры сердечника статора, сведены в табл. 2. Таблица 2 Расчетные значения потоков, мкВб, коэффициентов рассеяния магнитной цепи АДКО при IA = 5 A, IB = IC = 2,5 А, Кз.с = 1 и стали Э 2211 Запитываемая фаза Фф Фδ ФZN ФZs Фа ФσZN ФσZs Фσл Фσ kσZN kσZs kσл kσ IA = 5 A, IB = IC = 2,5 А 1174 562 722 943 1027 221 84 307 612 1,39 1,15 1,55 2,09 3. Расчетные значения потоков, коэффициентов рассеяния магнитной цепи АДКО при IA = 5 A, IB = IC = 2,5 А, стали Э 2211, при учете слоистой структуры сердечника статора, сведены в табл. 3. Таблица 3 Расчетные значения потоков, мкВб, коэффициентов рассеяния магнитной цепи АДКО при IA = 5 A, IB = IC = 2,5 А, стали Э 2211, при наличии дополнительных зазоров в ярме статора Запитываемая фаза Фф Фδ ФZN ФZs Фа ФσZN ФσZs Фσл, Фσ kσZN kσZs kσл kσ IA = 5 A, IB = IC = 2,5 А 548 182 368,9 479,9 536,9 111 57 198 366 1,61 1,31 2,09 3,01 Из табл. 1-3 видно, что при учете слоистой структуры статора - учете лаковой/оксидной пленки, которой покрываются листы сердечника статора, технологических зазоров, наличие которых вызвано опрессовкой сердечника, поток в воздушном зазоре Фδ уменьшается в 3 раза по сравнению с моделью, где слоистая структура статора не учитывается. Уменьшение значения основного магнитного потока обусловливается увеличением магнитного сопротивления для осевой составляющей магнитного потока. В качестве решения данной проблемы - уменьшения магнитного сопротивления для осевой составляющей магнитного потока, увеличения рабочего магнитного потока и, как следствие, пускового и максимального моментов предлагается применение в ярме статора магнитного шунтирования (рис. 6). Согласно [2] в ярме статора АДКО вырезаются пазы, в которые вставляются магнитные шунты, выполненные из листовой стали марки Э 2211, причем листы электротехнической стали укладываются вдоль оси вращения двигателя. Рис. 6. Геометрические размеры и расположение магнитных шунтов в ярме статора Расчетные данные магнитных потоков и коэффициентов рассеяния для модели двигателя, учитывающей слоистую структуру сердечника статора и применение магнитного шунтирования в ярме статора, представлены в табл. 4. Таблица 4 Расчетные значения потоков, мкВб, коэффициентов рассеяния магнитной цепи АДКО при IA = 5 A, IB = IC = 2,5 А, стали Э 2211, при учете слоистой структуры сердечника статора и при применении магнитного шунтирования Запитываемая фаза Фф Фδ ФZN ФZs Фа ФσZN ФσZs Фσл Фσ kσZN kσZs kσл kσ IA=5 A, IB=IC=2,5 А 1105 510 698 819 935 120 116 359 595 1,24 1,23 1,7 2,17 Расчетные модели АДКО, параметры которых приведены в табл. 1-4, не учитывают влияние вихревых токов на характеристики двигателя, поэтому с целью проверки количественного изменения тех или иных характеристик двигателя в результате воздействия вихревых токов были рассмотрены значения потока рассеяния и основного магнитного потока опытного образца АДКО. Значения потоков, показанные в табл. 5, получены из результатов опытов холостого хода и короткого замыкания. Таблица 5 Расчетные значения потоков, мкВб, коэффициента рассеяния магнитной цепи опытного образца АДКО при IA = 5 A, IB = IC = 2,5 А, полученные из опытов холостого хода и короткого замыкания Запитываемая фаза Фф Фδ Фσ kσ IA=5 A, IB=IC=2,5 А 529 69 460 7,67 С целью визуализации результаты расчетов, изложенные в табл. 1-5, представлены на рис. 7, где по оси абсцисс: 1 - значения потоков для расчетной модели АДКО при условии, что магнитная проницаемость стали статора и ротора μст ≤ ∞, коэффициент заполнения магнитной системы сталью Кз.с. = 1 (слоистая структура сердечника статора не учитывается); 2 - значения потоков для расчетной модели АДКО при условии, что магнитная проницаемость стали статора и ротора соответствует марке стали Э 2211, коэффициент заполнения магнитной системы сталью Кз.с = 1 (слоистая структура сердечника статора не учитывается); 3 - значения потоков для расчетной модели АДКО при условии, что магнитная проницаемость стали статора и ротора соответствует марке стали Э 2211, учитывается слоистая структура сердечника статора путем введения в модель дополнительных воздушных зазоров; 4 - значения потоков для опытного образца АДКО, учитывающего влияние вихревых токов; 5 - значения потоков для расчетной модели АДКО при условии, что магнитная проницаемость стали статора и ротора соответствует марке стали Э 2211, учитываются слоистая структура сердечника статора путем введения в модель дополнительных воздушных зазоров, а также магнитное шунтирование, применяемое в ярме статора. Рис. 7. Численные значения полного магнитного потока фазы Фф, магнитного потока в воздушном зазоре Фδ, магнитного потока рассеяния Фσ при трехфазном питании обмотки статора: IA = 5 A, IB = IC = 2,5 А Заключение Рассмотрев результаты исследований для четырех расчетных моделей магнитной системы АДКО, а также конструкцию опытного образца АДКО на предмет величины рабочего потока и потока рассеяния, можно сделать следующие выводы: 1) Если магнитная система статора и ротора выполнена из материала с постоянной магнитной проницаемостью, равной, например, μст=108 с изотропной структурой, то для принятой геометрии магнитных масс якоря АДКО и зазоров между ними поток рассеяния фазы Фσ и рабочий поток Фδ приближаются к максимально возможным значениям для данной геометрии магнитной цепи АДКО и заданных токах статора. Поток рассеяния фазы Фσ составляет 35 % от рабочего потока Фδ. Поток рассеяния зубцовых наконечников составляет 43,1 % от общего потока рассеяния, поэтому наиболее эффективным способом регулирования величины потока рассеяния является изменение высоты зубцового наконечника. 2) Если магнитная система ярма статора, зубцовых сердечников и зубцовых наконечников выполнена из листов электротехнической стали, например марки Э 2211, таким образом, что листы ярма статора и зубцовых наконечников направлены вдоль оси вращения, листы зубцовых сердечников направлены поперек оси вращения, отсутствуют зазоры в стыках между листами, то при той же геометрии магнитных масс, токах в катушках статора и величине воздушных зазоров, что и в первом случае, величина рабочего потока уменьшается и зависит от уровня насыщения элементов магнитной цепи. При глубоких уровнях насыщения и принятой геометрии магнитной цепи величина рабочего потока может равняться потоку рассеяния. 3) При учете слоистой структуры статора, вызванной наличием оксидной/лаковой изоляционной пленки, которой покрыты стальные листы сердечника, а также наличием технологических воздушных зазоров, возникающих из-за опрессовки сердечника во время изготовления, рабочий магнитный поток Фδ уменьшается в 3 раза по сравнению с режимом расчета, где слоистая структура сердечника не учитывается. 4) Под влиянием вихревых токов рабочий поток Фδ становится меньше потока рассеяния Фσ примерно в 7 раз, что видно из испытаний опытного образца АДКО. 5) Применение магнитного шунтирования в ярме статора помогает увеличить поток в воздушном зазоре Фδ в 2,8 раза, а значит, увеличить максимальный и пусковой моменты и приблизить их значения к требуемым по техническому заданию. На основании проведенного исследования кафедра «Электротехника» УрФУ совместно с «Уралэлектромаш», г. Каменск-Уральский, занимается изготовлением второго опытного образца АДКО, где с целью уменьшения магнитного сопротивления для осевой составляющей магнитного потока используется магнитное шунтирование в ярме статора. Дальнейшие работы будут посвящены получению механических характеристик второго опытного образца АДКО и сравнению полученных данных с результатами испытаний первого опытного образца двигателя.

About the authors

O. V Tikhonova

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

I. V Malygin

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

A. T Plastun

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

References

Statistics

Views

Abstract - 87

PDF (Russian) - 34

Refbacks

• There are currently no refbacks.