Лавриненко В.А. Автоматизированный расчет и проектирование ряда унифицированных однофазных асинхронных двигателей малой мощности
Подождите немного. Документ загружается.
Автоматизированный расчет и проектирование ряда
унифицированных однофазных асинхронных двигателей
малой мощности
В.А. Лавриненко
С целью учета параметрических явлений, оказывающих
существенное влияние на работу машин с магнитной асимметрией,
теория однофазных асинхронных двигателей малой мощности
получила развитие [1]. Созданы многоуровневые математические
модели асинхронных машин малой мощности, которые учитывают
взаимодействия высших гармонических магнитного поля [2-11]. Для
формирования подсистемы расчетного проектирования однофазных
асинхронных двигателей использовалась математическая модель
асинхронного двигателя с экранированными полюсами [2, 3, 8].
Для синтеза двигателей с заданным уровнем технических
характеристик применялся метод поверочных расчетов [4-6]. Суть
метода состоит в том, что на каждом шаге поиска определялся
некоторый вариант исполнения проектируемого двигателя. Этот
вариант однозначно описывался набором исходных данных, которые
отражали основные конструктивные особенности двигателя. После
расчета технических характеристик моделируемого варианта
проводилась оценка его совершенства. Изменение хотя бы одной из
исходно задаваемых величин приводила к разработке нового варианта
исполнения электродвигателя, для которого также рассчитывались
характеристики. Затем снова проводилась оценка.
При поверочном расчете учитывались все конструктивные и
технологические особенности, заложенные в конкретный вариант.
Технические и эксплуатационные характеристики при выбранных
конструктивном варианте и технологических процессах изготовления
деталей, узлов и сборки рассчитывались после определения
электрических и магнитных параметров схем замещения. Через
параметры схем замещения определялись и те величины, по которым
судят о выполнимости или работоспособности варианта (например,
коэффициент заполнения пазов обмоточным проводом или
температуры нагрева обмоток, подшипников и т.п.). Важно, что при
данной системе электроснабжения и схеме включения технические и
эксплуатационные характеристики двигателя определялись при
поверочном расчете однозначно [12,13].
Подсистема расчетного синтеза и оптимизации использовалась для
электромагнитных и оптимизационных расчетов ряда унифицированных
2
однофазных асинхронных двигателей с экранированными полюсами в
соответствии с рисунком 1. В подсистеме конструкторской проработки
использовалась программа автоматизированного проектирования
Pro/Engineer’2001.
Конструкционная модель двигателя построена по модульному
принципу, т.е. каждый конструктивный элемент представляет собой
графический модуль. Рабочие чертежи двигателей распечатывались при
помощи плоттера Hewlett Packard Design Jet 430.
Разработанные асинхронные электродвигатели с экранированными
полюсами типа ДАО64 мощностью от 1 до 10 Вт предназначены для
привода бытовых электромеханических приборов [14-16].
По сравнению с электродвигателями предыдущего поколения ДАО62
двигатели нового поколения характеризуются повышенным уровнем
качества, меньшей на 25 % массой при той же мощности на валу [17].
Автоматизированный расчет и проектирование позволили выбрать
оптимальные варианты и существенно сократить время разработки
ряда унифицированных однофазных асинхронных двигателей.
На рисунке 2 приведены расчетные зависимости моментов от
относительной угловой скорости ротора v=
R
/
1
нового двигателя
ДАО64-2,5-2,5. Моменты высших гармонических могут оказывать
особенно сильное влияние в процессе запуска электродвигателя.
Наибольшие по значению дополнительные асинхронные моменты
образуются первыми зубцовыми гармониками поля статора порядка
n=kZ/p±1, где k – любое целое число; Z-число зубцов, p-число пар
полюсов.
Рисунок 1 - Поперечный разрез двигателей ДАО64-2,5-2,5 (а) и ДАО62-2,5
(б): 1 – ярмо сердечника статора; 2 – главная обмотка статора; 3 –
вспомогательная обмотка статора; 4 – магнитный шунт; 5 – к.з. обмотка
ротора
3
Для рассматриваемого двигателя число фаз m=1; число зубцов на
полюс и фазу q=1; p=1, Z=2p
m
q=2. Первая зубцовая гармоника n=1
считается основной, остальные высшими. Дополнительные
асинхронные моменты с наибольшими значениями создаются
высшими зубцовыми гармониками поля статора порядков n=3 и n=5.
Пятая гармоника вращается в том же направлении, что и основная, с
угловой скоростью
5
=
1
/5; третья - в обратном направлении с
угловой скоростью
3
=
1
/3.
По мере увеличения угловой скорости ротора скольжение пятой
гармоники s
5
= (
5
-
R
)/
5
по отношению к ротору уменьшается и при
R
=
5
, когда скольжение s
5
=4/5 (а относительная скорость v=1-s=1/5),
обращается в нуль в соответствии с рисунком 2. При этом пятая
гармоника не создает электромагнитный момент (М
5
=0). Дальнейшее
увеличение угловой скорости ротора по отношению к пятой гармонике
(s
5
<0) приводит к образованию отрицательного момента М
5
.
Особенность зависимости М
3
=f(v)
состоит в том, что при запуске
двигателя момент М
3
имеет отрицательное значение и обращается в
нуль при v=1/3.
Рисунок 2 - Расчетные зависимости моментов от относительной угловой
скорости v двигателя ДАО64-2,5-2,5: М
1
– первая гармоника; М
3
- третья
гармоника; М
5
– пятая гармоника; М – на валу; М
эм
– электромагнитный
M
,
Гсм
М
1
М
эм
М
М
5
М
3
v
,
о.е.
4
Оптимизация конструкции электродвигателя позволила устранить
провалы в кривой момента и ограничить действие моментов высших
гармоник. Технические характеристики, приведенные в таблице 1,
свидетельствуют о хорошем совпадении расчетных и
экспериментальных данных.
Таблица 1 - Технические характеристики двигателя ДАО64-2,5-2,5
Наименование параметра Опыт Расчет
Напряжение, В 220 220
Частота, Гц 50 50
Мощность, Вт 2,5 2,6
Частота вращения, об/мин 2470 2400
Сила тока, А 0,125 0,135
К.п.д., % 11,5 11,0
Начальный пусковой момент, Гсм
62 66
Максимальный момент, Гсм
140 139
Подсистема расчетного проектирования может использоваться для
оптимизации электрических машин малой мощности различных
конструктивных исполнений.
Список литературы
1. Lavrinenko V.A. Generalized theory of small induction machines and its
application to the design of shaded-pole motors // International XIII Symposium on
Micromachines and Servodrives. Krasiczyn, Poland, 15...19, IX, 2002, vol.II,
pp.473-480.
2. Лавриненко В.А. Разработка и исследование многоскоростных
асинхронных двигателей с экранированными полюсами. Афтореф. дис.
на соиск. учен. степ. канд. тех. наук. М.:МЭИ. 1988. 20 с.
3. Математическая модель многоскоростных асинхронных двигателей
с экранированными полюсами / Сентюрихин Н.И., Лавриненко В.А.,
Демина Л.В., Охапкин В.В., Чебурахин И.М. // Труды МЭИ № 155. М.:
МЭИ. 1988. С. 40-45.
4. Разработка методики проектирования асинхронных однофазных
микродвигателей с улучшенными технико-экономическими
показателями/ Лопухина Е.М., Семенчуков Г.А., Лавриненко В.А.,
Антонов М.В., Демина Л.В. Отчет НИР. МЭИ. 1988. № гос.рег.
01840009074.
5. Лавриненко В.А., Сентюрихин Н.И., Демина Л.В. Уточнение
методики автоматизированного проектирования многоскоростных
явнополюсных асинхронных микродвигателей // Труды МЭИ N 196. М.:
МЭИ. 1989. С. 41-45.
5
6. Ефименко Е.И., Лавриненко В.А. Методика расчета асинхронных
явнополюсных микродвигателей при учете взаимных связей между
высшими гармоническими / Тез. докл. Всесоюз. науч.-тех. конф.
«Современные проблемы электромеханики». М.: 1989. С. 126-127.
7. Ефименко Е.И., Лавриненко В.А. Математическое моделирование
системы «Асинхронный двигатель-импульсный регулятор напряжения» //
Динамика нелин. дискрет. электротехн. и электрон. систем. Тез. докл.
межвуз. н.-т. конф. Чуваш. ун-т. Чебоксары, 1995. C. 91-93.
8. Lavrinenko V.A. Mathematical model of two-speed shaded-pole
induction motor with a stepped air gap // International XI Symposium on
Micromachines and Servodrives. Malbork, Poland, 14...18, IX, 1998, vol.1,
pp.74-81.
9. Лавриненко В.А. Математическое моделирование электромеханических
преобразователей энергии: состояние, ограничения, перспективы //
Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике:
Материалы III Всерос. науч.-техн. конф. Чебоксары, Изд-во Чуваш. ун-та,
2000. С.361-363.
10. Lavrinenko V.A. Mathematical model of small induction motors with
magnetic asymmetry // Proceedings of IPEMC'2000. The Third International Power
Electronics and Motion Control Conference. Tsinghua University, Beijing, China,
August 15-18, 2000, vol. 3, pp. 1342-1346.
11. Lavrinenko V.A. Mathematical model of small induction machines //
International XII Symposium on Micromachines and Servodrives. Kamien Slaski,
Poland, 10...14, IX, 2000, vol.II, pp.428-435.
12. Подсистема расчетной оптимизации асинхронных двигателей с
экранированными полюсами / Сентюрихин Н.И., Демина Л.В.,
Лавриненко В.А. и др. // Труды МЭИ № 120. М.: МЭИ. 1987. С. 19-23.
13. Лавриненко В.А. Оптимизация геометрии статора асинхронного
двигателя с экранированными полюсами // Задачи динамики
электрических машин. Омск. 1987. С. 89-93.
14. Лавриненко В.А. Состояние и перспективы развития
электродвигателей малой мощности / Тез. докл. науч. конф. молодых
ученых и специалистов города Чебоксары. Чебоксары. 1990. С. 144.
15. Анализ состояния производства электродвигателей для бытовой
техники и разработка технических предложений по их
усовершенствованию / Ефименко Е.И., Кулешов В.А., Лавриненко В.А. и
др. Отчет НИР. Чуваш. ун-т. Чебоксары. 1990. № гос.рег. 01900009256.
16. Модернизация электродвигателей для стиральных машин /
Ефименко Е.И., Лавриненко В.А., Михайлов Ю.А. и др. Отчет НИР.
Чуваш. ун-т. Чебоксары. 1992. № гос.рег. 01920012235.
17. Лавриненко В.А., Осипенко Р.А. Разработка и проектирование
однофазных асинхронных двигателей // Труды молодых ученых и
специалистов. Чуваш. ун-т. Чебоксары, 2001. С. 182-184.