Научная статья на тему 'Особенности конструкции и расчета вентильного электродвигателя с когтеобразными полюсами'

Особенности конструкции и расчета вентильного электродвигателя с когтеобразными полюсами Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
553
120
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
КОНСТРУКЦіЯ / РОЗРАХУНОК / ВЕНТИЛЬНИЙ ЕЛЕКТРОДВИГУН / КОГТЕОБРАЗНИє ПОЛЮС / ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ / КОНСТРУКЦИЯ / РАСЧЕТ / КОГТЕОБРАЗНЫЙ ПОЛЮС / DESIGN / CLAW POLE / PAYMENT / VALVE MOTOR

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Друбецкий А. Е.

Рассмотрены особенности конструкции и расчета вентильного электродвигателя с когтеобразными полюсами

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

FEATURES OF CONSULTATION AND CALCULATION OF THE VALVE ELECTRIC MOTOR WITH CLAW POLES

The peculiarities of structure and calculation of the semiconductor rectifier electric engine with beak-shaped poles have been considered

Текст научной работы на тему «Особенности конструкции и расчета вентильного электродвигателя с когтеобразными полюсами»

УДК 629.423:62-83

А. Е. ДРУБЕЦКИЙ (ДИИТ)

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТА ВЕНТИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ С КОГТЕОБРАЗНЫМИ ПОЛЮСАМИ

Розглянуто особливостi конструкци та розрахунку вентильного електродвигуна з к1гтеобразними полюсами.

Рассмотрены особенности конструкции и расчета вентильного электродвигателя с когтеобразными полюсами.

The peculiarities of structure and calculation of the semiconductor rectifier electric engine with beak-shaped poles have been considered.

Введение

Основными типами бесконтактных электродвигателей, используемых в регулируемом электроприводе, в частности тяговом, являются асинхронные и вентильные. В настоящей работе рассмотрены вентильные двигатели (ВД), как одно из быстроразвивающихся научно-технических направлений. Действительно, электропривод на основе вентильных двигателей все более широко используется в таких областях техники и промышленности, как приборная автоматика, станкостроение и робототехника, автоматизированные технологические линии, транспорт, аэрокосмическая техника, насосное и компрессорное оборудование и др. [1], где ранее в основном использовали асинхронные двигатели. Этому, кроме развития силовой полупроводниковой техники, в основном способствовало внедрение бесконтактной конструкции вентильных двигателей.

Преимущества бесконтактной конструкции очевидны: простота и технологичность производства, практически полное отсутствие технического обслуживания в процессе эксплуатации, высокая ремонтопригодность. Такой конструкцией обладают следующие ВД: индукторные, реактивные, с постоянными магнитами, с когтеобразными полюсами и с вращающимися трансформаторами. ВД с вращающимися трансформаторами в электроприводе не применяются поскольку, несмотря на бесконтактность, конструктивно являются еще более сложными, чем машины со скользящими контактами.

В настоящее время наиболее перспективными для применения в диапазоне малых мощностей являются реактивные ВД, малых и средних мощностей - ВД с постоянными магнитами [1], средних и больших мощностей - индуктор-

ные. Однако, для применения в тяговом приводе наибольший интерес представляют собой индукторные ВД и ВД с когтеобразными полюсами.

Особенности конструкции и расчета

Ниже представлены особенности конструкции и расчета ВД с когтеобразными полюсами как наименее изученного и представляющего большой интерес как основа для тягового привода, охватывающего весь диапазон мощностей.

Статор и якорная обмотка у ВД с когтеоб-разными полюсами такие же, как и в обычных синхронных и асинхронных машинах. В остальном имеются существенные отличия. Ротор не имеет обмоток и состоит из вала с немагнитной вставкой (три части вала сварены трением) и двух полюсных систем северной и южной полярности, каждая из которых представляет собой цилиндрическую стальную отливку с когтеобразными полюсными выступами (рис. 1 и рис. 2).

Рис. 1. Общий вид ротора с когтеобразными полюсами

© Друбецкий А. Е., 2010

ми для малой и средней мощности после проведенного расчета ВД мощностью 1220 кВт оказалась применимой и для машин большой мощности [2].

Рис. 2. Составные части когтеобразного ротора:

1 - вал; 2 - немагнитная вставка; 3 - когтеобразные

полюсные выступы; 4 - цилиндры полюсных систем

Обмотку возбуждения располагают на статоре и выполняют в виде двух колец.

Роль магнитопровода выполняют не только ротор и статор, но также подшипниковые щиты и станина [2] (рис. 3).

Рис. 3. Магнитная цепь ВД с когтеобразными полюсами:

1 - полюс; 2 - воздушный зазор; 3 - статор;

4 - цилиндр полюсных систем; 5 - дополнительный воздушный зазор; 6 - подшипниковый щит; 7 - станина;

8 - обмотка возбуждения; МСЛ - магнитная силовая линия

Особенностями расчета ВД с когтеобразны-ми полюсами являются расчеты: магнитной цепи, индуктивных сопротивлений и добавочных потерь.

Как указано в [2], магнитная цепь ВД с ког-теобразными полюсами является сложной благодаря своей трехмерной пространственной конфигурации и наличию развитых магнитных потоков рассеяния. Упрощенная схема замещения магнитной цепи двухполюсного ВД с ког-теобразными полюсами представлена на рис. 4 [3]. Обозначения без штрихов относятся к левой половине, а обозначения со штрихами - к правой половине машины относительно оси поперечной симметрии машины на рис. 3. Элементы магнитной цепи представлены в виде источников МДС и магнитных сопротивлений. Однако в инженерной практике используется метод магнитных проводимостей [4]. Приведенная в [4] методика расчета магнитной цепи синхронных машин с когтеобразными полюса-

Рис. 4. Упрощенная схема замещения магнитной цепи ВД с когтеобразными полюсами:

^ - МДС одной ОВ; ¥аЛ - МДС якоря на один полюс,

приведенная к ОВ; К , Кщ , Ка , Кт , К , К , К , К ,

К0 - соответственно, магнитные сопротивления половины наружного корпуса, левого бокового щита, дополнительного зазора, цилиндра полюсных систем, полюса, зубцового слоя якоря, спинки якоря (на полюс), пакета якоря между рабочим зазором и корпусом для полюса одной полярности; Кав , Кап , Кпвт, Кот - соответственно, магнитные сопротивления рассеяния вокруг ОВ, между полюсами, между цилиндрами полюсных систем, между торцами пакета якоря и выступающими за пределы активной зоны участками полюсов

При расчете магнитного поля в воздушном зазоре ВД с когтеобразными полюсами, как и для явнополюсных машин, пользуются следующими коэффициентами: расчетной полюсной дуги аг-, формы поля возбуждения кф и ку, формы поля реакции якоря по продольной кай и ка и поперечной кад осям и приведения

МДС реакции якоря к МДС обмотки возбуждения кй и кч .

Несмотря на то, что у ВД с когтеобразными полюсами воздушный зазор между активными поверхностями выполняется равномерным, расчет магнитного поля в воздушном зазоре в общем случае усложняется. Этому способствует не только указанная выше сложная конфигурация магнитопровода и значительная протяженность пути потока, но также аксиальная составляющая магнитного потока в полюсах и, как следствие, переменная ширина активных поверхностей полюсов [5]. Переменная ширина активных поверхностей полюсов необходима

для уменьшения неравномерного распределения индукции по поверхности полюса.

В связи с этим в расчетные формулы для aj, к^, кай, ка, ка и кч введены поправки,

уменьшающие эти коэффициенты в зависимости от величины скоса полюсов.

В результате проведенного расчета ВД большой мощности выяснилось, что рекомендуемая оптимальная геометрия активной поверхности полюса, при которой средняя относительная полюсная дуга равна 0,6...0,62, а максимальная - 0,9.0,95 [6] не улучшает добротность магнитопровода, а только увеличивает магнитные потоки рассеяния, делая невозможным размещение обмотки возбуждения таких размеров, чтобы создать требуемый основной магнитный поток. Опытным путем удалось установить, что для ВД с когтеобразными полюсами большой мощности более оптимальной будет средняя полюсная дуга, равная «0,583 и максимальная « 0,664. В связи с этим, формулы для определения вышеназванных коэффициентов можно использовать без поправок, что упрощает расчет. Более сильное же искажение кривой противо-ЭДС, чем в случае с большим скосом полюсов, не имеет существенного значения для ВД.

Как отмечалось в [2], одними из важнейших параметров определяющих работу ВД в переходных режимах, являются сверхпереходные индуктивные сопротивления. Однако расчетное определение их для машин традиционной конструкции и для машин с когтеобразными полюсами идет двумя разными путями. В общем случае сопротивление магнитопровода протекающим по нему вихревым токам является комплексным. В расчетах машин традиционной конструкции можно легко отдельно определить его мнимую составляющую, являющую собой индуктивное сопротивление. Но в машинах с когтеобразными полюсами это сделать невозможно.

В этом случае расчет выполняется так же, как и для машин с массивными полюсами [7]. В данной работе определение сверхпереходных параметров производится при помощи теоремы Умова-Пойнтинга, записанной в виде:

£ = 11Ет • НА? = 2• 12т + X), (1)

где Ет и Нт - комплексные амплитуды на-пряженностей магнитного и электрического полей на поверхности полюса;

1_т - комплексная амплитуда вихревых токов в полюсе;

£ - комплексная мощность, выделяемая в полюсе.

В работе [8] проведено уточнение расчетных формул и даны рекомендации по выбору поверхностей полюсов, поглощающих мощность £.

откуда

Xд =

2 • £

(2)

Рис. 5. Область тангенциального рассеяния

Т.к. площадь междуполюсного пространства необходимо определить точно, то для этого можно воспользоваться исходными положениями для расчета магнитных проводимостей междуполюсного рассеяния [4]. После некоторых преобразований получаем весьма удобные для инженерных расчетов формулы. В [4] поверхность междуполюсного рассеяния подразделяется на ряд идеализированных составляющих: тангенциальную, торцевую, угловую и

т

внутреннюю. Область тангенциального рассеяния имеет вид рис. 5.

Площадь тангенциального рассеяния определяется по формуле

st —ctgß' (р2-р2)-

-2-Р2 • ctg ßi-(-Pi )

(3)

где ctg ß' - котангенс расчетного угла скоса полюса;

Pj, р2 - радиусы, проведенные из точки пересечения условных продолжений поверхностей тангенциального рассеяния полюсов [4].

Область торцевого и углового рассеяния имеет вид рис. 6.

Рис. 6. Область торцевого и углового рассеяния

Площадь углового рассеяния пренебрежимо мала по сравнению с остальными поверхностями, поэтому ею можно пренебречь. Площадь торцевого рассеяния определяется по формуле:

St —

п-а

mini

sin ß

( -ri2)-

sin а

(r2 - ri2)-B •( Г2 - r )):

(4)

где атЬ1 - расчетный коэффициент минимального полюсного перекрытия; в - угол скоса полюса;

г1 , г2 - радиусы нижней и верхней границы области рассеяния;

а - угол скоса поверхности полюсной системы другой полярности, расположенной напротив торца полюса, площадь поверхности которого определяется;

В - размер [4];

р - число пар полюсов.

Область внутреннего рассеяния имеет вид рис. 7.

Рис. 7. Область внутреннего рассеяния

Площадь внутреннего рассеяния определяется по формуле:

о П ^мmini

S =-+

(2 • R mini + |tg ß) • |tg ß

(5)

где Ям тЬ1 - радиус основания полюса;

10 - расстояние между цилиндрами полюсных систем [4].

Площадь поверхности рассеяния полюса определяется как сумма площадей идеализированных составляющих

ßa— 2ST+ St + S .

(6)

Далее определяются параметры элементов схемы замещения машины по продольной и поперечной осям (в переходных режимах). Сверхпереходные сопротивления определяются

+

как входные сопротивления по отношению к зажимам машины [8] (рис. 8).

Рис. 8. Схемы замещения по двум осям синхронной машины с когтеобразными полюсами для расчета сверхпереходных индуктивных сопротивлений:

Zd и Z" - полные сверхпереходные сопротивления, соответственно, по продольной и поперечной осям; Z1 -полное индуктивное сопротивление обмотки якоря; ]х5 и - индуктивное сопротивление основного воздушного зазора, соответственно, по продольной и поперечной осям; Zд л и 2 ^ - полные сопротивления, отображающие демпфирующие контуры массивных полюсов, соответственно, по продольной и поперечной осям; и

- -"- короткозамыкающих колец, соответственно, по продольной и поперечной осям; - -"- обмотки возбуждения; - -"- подшипниковых щитов; --"- станины; - индуктивное сопротивление междуполюсного рассеяния; , - индуктивное сопротивление дополнительного воздушного зазора

Мнимая составляющая и будет искомым сверхпереходным индуктивным сопротивлением, соответственно, по продольной и поперечной осям.

Добавочные потери в синхронных машинах с когтеобразными полюсами, как правило, больше, чем синхронных машинах обычного исполнения. Прежде всего, это связано с наличием массивного ротора, ферромагнитных щитов и станины по которым замыкается основной магнитный поток.

Добавочные потери состоят из: добавочных потерь в лобовых частях обмотки якоря, добавочных потерь в пазовой части обмотки якоря, добавочных потерь в обмотке возбуждения, добавочных потерь в сердечнике якоря, добавочных потерь в станине и щитах [9]. Это можно отнести и к ВД с когтеобразными полюсами. Причем точное расчетное определение их настолько сложно, что для синхронных машин с когтеобразными полюсами их определяют экспериментально и на основании эксперимента даются приближенные формулы. Также можно

воспользоваться методом физического моделирования и определить добавочные потери по переводной формуле [9].

Данные выражения целесообразно применять для высокоскоростных синхронных машин повышенной частоты. Для ВД, работающего с номинальной частотой 80 Гц, на начальном этапе проектирования допустимым является приближенная оценка добавочных потерь. В проектируемом ВД добавочные потери, рассчитанные по переводной, формуле, оказались равными 0,3 % от номинальной мощности. Более точное определение добавочных потерь требует новых исследований в области именно вентильных двигателей.

Выводы

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что ВД с когтеобразными полюсами являет собой огромную неисследованную область, которой могут быть посвящены десятки научных и инженерных работ, которые, наряду с оптимальным проектированием, могут создать мощную базу для электрической тяги и иных областей управляемого электропривода.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Продольный разрез тягового ВД с когтеоб-разными полюсами представлен на рис. 9.

2.

Рис. 9. Продольный разрез тягового ВД с когтеобразными полюсами

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Овчинников, И. Е. Вентильные электрические двигатели и привод на их основе [Текст] : курс лекций / И. Е. Овчинников. - СПб.: КОРОНА-Век, 2006. - 336 с.

Друбецкий, А. Е. Особенности конструкции вентильного электродвигателя с когтеобразны-ми полюсами [Текст] / А. Е. Друбецкий // Пр-нича електромехашка та автоматика: наук.-техн. зб. - 2009. - Вип. 83. - С. 104-110.

3. Бут, Д. А. Бесконтактные электрические машины [Текст] : учеб. пособие для электромех. и электроэнерг. спец. вузов / Д. А. Бут. - М.: Высш. шк., 1990. - 416 с.

4. Рыжков, В. С. Методика расчета магнитной проводимости междуполюсного рассеяния в машинах с когтеобразными полюсами [Текст] / В. С. Рыжков // Бесконтактные электрические машины. - 1968. - т. 7. - С. 137-157.

5. Рыжков, В. С. Расчет магнитного поля в воздушном зазоре синхронной машины с когтеобразными полюсами [Текст] / В. С. Рыжков // Бесконтактные электрические машины. - 1975. -Вып. 14. - С. 134-160.

6. Ротор синхронной машины с когтеобразными полюсами [Текст] : а. с. № 313259 (СССР) / Л. А. Зильберштейн, Г. А. Минаева, В. А. Поте-

енко и др. // Открытия, изобретения. Пром. образцы. Товарные знаки. - 1971. - № 26.

7. Пик-Пичак, А. А. К расчету массивного ротора [Текст] / А. А. Пик-Пичак. // Вестник электропромышленности. - 1959. - № 6. - С. 36-44.

8. Туманов, В. И. Расчетное и экспериментальное определение сверхпереходных параметров синхронных машин с внешнезамкнутым магнитным потоком [Текст] / В. И. Туманов // Вестник электропромышленности. - 1962. - № 6. -С. 41-44.

9. Рыжков, В. С. Добавочные потери в бесконтактных синхронных машинах с когтеобразным ротором [Текст] / В. С. Рыжков // Электротехника. - 1967. - № 5. - С. 31-35.

Поступила в редколлегию 09.03.2010.

Принята к печати 17.03.2010.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.