CC BY
196
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.313.8 ББК 31.261
А.А. АФАНАСЬЕВ, НГУЕН КОНГ ТАМ
БЕСПАЗОВЫЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С КОМБИНИРОВАННЫМ ПРОВОДОМ
Ключевые слова: беспазовый статор, вихревые токи, магнитные потери, комбинированный провод.
В беспазовых вентильных двигателях с постоянными магнитами (БВДМ) устраняются многие недостатки конструкции аналогичных двигателей в пазовом исполнении статорного сердечника: наличие реактивного момента, вибрация и повышенный шум, наведение вихревых токов в постоянных магнитах, их нагрев и частичное размагничивание.
Приводятся результаты опытного исследования макетного образца БВДМ, показывающие, что, во-первых, из-за снижения магнитных потерь увеличивается верхний рабочий уровень скорости вращения, во-вторых, длительный электромагнитный момент составляет примерно 70% момента пазового вентильного двигателя. Использование комбинированных обмоточных проводов, медная сердцевина которых имеет ферромагнитную оболочку, позволяет поднять электромагнитный момент БВДМ до такой же величины, как у вентильных двигателей классической конструкции.
Постановка задачи. Вентильные электродвигатели с постоянными высокоэнергетическими магнитами получили широкое распространение в различных областях промышленности, энергетики, транспорта, бытовых устройствах.
Расположение обмотки статора в пазах обеспечивает высокий уровень магнитной индукции в воздушном зазоре между статором и ротором и, следовательно, большое значение электромагнитного момента в заданных габаритах активных материалов. По этому показателю магнитоэлектрические двигатели превосходят все другие типы электродвигателей [4]. Однако такое расположение проводников обмотки статора приводит и к отрицательным последствиям:
- образованию реактивного момента (момента «залипания»), обусловленного неравномерностью воздушного зазора;
- повышенным магнитным потерям в стали зубцов статора;
- появлению вихревых токов в массиве магнитов.
Первый нежелательный фактор вызывает неравномерность вращения ротора, особенно на низких скоростях, повышенную вибрацию и шум электродвигателя.
Второй фактор, вызывая нагрев статорного сердечника, снижает допустимый уровень тока статора по условиям нагревостойкости изоляции проводников обмотки.
Третий фактор, связанный с нагревом магнитов, приводит к их размагничиванию и, следовательно, уменьшению перегрузочной способности двигателя.
Вентильные двигатели, у которых отсутствуют статорные пазы, лишены этих недостатков.
Беспазовые вентильные двигатели с обмоткой статора из обычных проводов. Беспазовое исполнение коллекторных двигателей постоянного тока позволяет в 2-3 раза снизить реактивную ЭДС и тем самым существенно улучшить коммутацию тока коллектором [3].
Беспазовые обмотки могут применяться и в вентильных двигателях с постоянными магнитами [1, 2, 5].
На Чебоксарском электроаппаратном заводе выпускаются магнитоэлектрические вентильные двигатели (ВД) серии 5 и 6 ДВМ в пазовом исполнении с диаметрами присоединительных фланцевых отверстий 85, 115, 165, 215 и 300 мм, имеющие длительные моменты от 0,23 до 70 Н-м.
На заводе был изготовлен макетный образец беспазового ВД с диаметром фланцевых отверстий 115 мм, которому соответствует серийный ВД с активной длиной 140 мм, длительным моментом Md 0 = 7 Н-м, максимальной частотой вращения nmax = 6000 об./мин.
Технические данные опытного двигателя следующие: nmax = 6000 об./мин; m = 3; 2p = 6; q = 1,5. Материал магнита - неодим-железо-бор с Br = 1,12 Тл. Толщина магнита 4,3 мм. Радиальная толщина двухслойной обмотки составляет 6,25 мм. Воздушный зазор между обмоткой и магнитом равен 1,5 мм. Сердечники выполнены из стали 2013, вал - из стали 3. Расчетная длина ls = 0,14 м.
Результаты численного моделирования макетного образца беспазового ВД показывают, что максимальное значение индукции в воздушном зазоре равно примерно 0,5 Тл. Индукции в ярмах статора и ротора составляют, соответственно, 0,37 и 1,24 Тл, что позволяет уменьшить сечение ярма статора в 3,7 раза (индукция в этом участке увеличивается до 1,37 Тл) с целью экономии материала и увеличения электромагнитного момента за счет роста наружного диаметра ротора (при сохранении наружного диаметра сердечника статора).
Тепловые испытания этого беспазового ВД показали, что его обмотка статора с классом нагревостойкости F имеет номинальный ток 4,4 А (при этом токе превышение ее температуры над температурой окружающей среды, измеренное методом сопротивления, составило 100°C).
Указанному току соответствует опытное значение максимального момента 3,6 Н-м.
Как уже отмечалось, серийный пазовый ВД с диаметром фланцевых отверстий 115 мм имеет длительный момент на валу Md0 = 7 Н-м (согласно стандарту такой момент должен выдерживаться в интервале скоростей от нуля до 0,25 nmax; на последующих интервалах (0,25 - 0,5) nmax и (0,5 - 1,0) nmax момент может быть не более 0,8 Md 0 и 0,5 Md 0, соответственно). Тепловые испытания серийного ВД показали, что его моменты в конце трех указанных интервалов не превышают, соответственно, значений (0,54; 0,33; 0) Md 0.
При аналогичных испытаниях опытного макета в беспазовом исполнении получили значения: (0,86; 0,71; 0,43) Md 0, причем у него Md 0 = 3,6 Н-м. Эти экспериментальные данные свидетельствуют, что, начиная с частоты вращения
2800 об./мин, беспазовый ВД может развивать длительно больший момент на валу, чем его серийный пазовый аналог.
Результаты тепловых испытаний ВД приведены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты тепловых испытаний ВД
Показатели Пазовый ВД Беспазовый ВД
п, об./мин 0 3000 4500 0 3400 10460
М, Н-м 7,0 2,33 0 3,6 2,43 0
В линейном приближении опытные данные могут быть представлены в виде двух пересекающихся прямых (рис. 1) с координатами точки пересечения: М = 2,64 Н-м; п = 2800 об./мин.
8 7 6 5
± 4
3 2 1 0
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 п, об./мин
Рис. 1. Экспериментальные данные пазового (кривая 1) и беспазового (кривая 2) вентильных двигателей
Для улучшения использования беспазового ВД в его математической модели были реализованы следующие мероприятия:
1. Межполюсные промежутки на роторе были заполнены тем же магнито-твердым материалом, что и индуктор, но эти участки имеют либо радиальное, либо тангенциальное направления намагничивания. Обе эти модернизации ротора увеличивают его момент при номинальном токе, соответственно, на 11,3 и 14,6%.
2. Увеличение толщины магнитов с 4,3 до 5 и 6 мм. В результате электромагнитный момент увеличивается, соответственно, на 3,4% и 8,2%, принимая значения 3,7 и 3,9 Н-м.
3. Уменьшение высоты спинки ярма статора с 5,5 до 2 мм и соответствующее увеличение диаметра ротора при неизменном наружном диаметре статорного сердечника. Это мероприятие увеличивает момент ВД при номинальном токе на 9,7%.
Перечисленные мероприятия позволяют в итоге увеличить первоначальный момент беспазового ВД на 33%, т.е. его величина может возрасти до 4,8 Нм, что составит 69% от момента серийного пазового ВД.
В [8] приводится анализ величин активного сопротивления и тока обмотки якоря при постоянстве омических потерь в ней для различного исполнения обмотки ВД. Результаты анализа представлены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты анализа различного исполнения обмотки ВД
Тип статорной обмотки Активное сопротивление обмотки, Ом Ток обмотки, А Потери в обмотке, Вт
Распределённая 0,74 3,0 20
Сосредоточенная 0,49 3,7 20
Беспазовая 1,33 2,2 20
Если предположить, что электромагнитный момент ВД пропорционален току якоря, то из табл. 2 следует, что момент беспазового ВД составит 2,2 • 100/3,0 = 73% от момента пазового ВД с распределённой обмоткой.
Беспазовые вентильные двигатели с обмоткой статора из комбинированных проводов. Для увеличения магнитной проводимости воздушного зазора беспазового ВД целесообразно применение обмоточного провода, имеющего кроме медной основы ферромагнитную оболочку [7, 8]. Как показывают исследования [8], наиболее оптимальным будет комбинированный провод, у которого ферромагнитная часть поперечного сечения составит примерно 40%. Применение комбинированного провода с медной оболочкой снаружи оказывается менее эффективным (рис. 2).
^Г
4 3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5 0
Ре \ Магнитная проницаемость
С/ ^ ..........
Си
в ( и* /
20 40 60
Процент железа в проводе
80
Ре сверху
— + — Ре внутри
0,14
Р,
0,12 Ом/м
100
Рис. 2. Эквивалентная относительная магнитная проницаемость и удельное сопротивление комбинированного провода р
0
0
Эквивалентная относительная магнитная проницаемость может находиться по формуле [8]
_ Магнитный поток с комбинированной обмоткой (1)
г Магнитный поток с медной обмоткой
Исследования показывают, что беспазовые ВД с комбинированным проводом могут развивать электромагнитный момент, более чем в два раза превышающий момент беспазового ВД с обычным проводом (рис. 3) [7, 8]. Следовательно, момент беспазовых ВД с комбинированным проводом может быть не меньше момента пазовых ВД.
п, об./мин
Рис. 3. Характеристики беспазового ВД: момент - скорость вращения при постоянстве потерь: кривая 1- обмотка из обычного провода; кривая 2 - обмотка из комбинированного провода
При высоких скоростях (более 10 000 об./мин), как видно из рис. 2, это преимущество комбинированного провода из-за роста суммарных потерь снижается и при скоростях выше примерно 25 000 об./мин исчезает полностью - свойства беспазовых ВД с обычным и комбинированным проводом становятся одинаковыми.
Следует отметить, что в беспазовых ВД при достаточно больших скоростях вращения заметно проявляются и потери в железе статора и комбинированного провода (рис. 4), но при обычных скоростях преобладающими являются потери в меди.
Технические характеристики макета беспазового ВД, анализируемого в [7, 8], представлены в табл. 3.
Можно ожидать, что при высоких скоростях вращения комбинированный провод с железом внутри с точки зрения потерь окажется более предпочтительным, так как наружный ток в меди (он превышает ток в железном сечении) не будет наводить вихревые токи во внутреннем железе. При противоположной структуре комбинированного провода переменное магнитное поле тока в меди будет вызывать вихревые токи в наружном железе. Из-за
эффекта вытеснения этих вихревых токов к наружной поверхности провода потери в железе при высокой частоте могут быть значительными [6].
60
50
40
30
20
10
120
100
80
60
40
20
Си+Ре
Си+Ре
б
Рис. 4. Сравнительная величина суммарных потерь в ВД с беспазовыми обмотками при различных скоростях вращения: а - 2000 об./мин; б - 50000 об./мин
Таблица 3
Технические характеристики макета беспазового ВД
0
0
а
Параметр Значение
Число пар полюсов 2
Наружный диаметр статора, мм 112
Внутренний диаметр статора, мм 94
Диаметр ротора, мм 60
Диаметр вала, мм 16
Активная длина, мм 40
Толщина магнита, мм 3
Коэрцитивная сила магнита, кА/м 915
Диаметр провода, мм 1,2
Число витков в фазе 434
Выводы. 1. Электромагнитный момент беспазового ВД с медными обмотками может достигать 70% момента пазового ВД.
2. При выполнении обмотки беспазового ВД из комбинированного железно-медного провода (с наружной оболочкой из железа) его момент может не уступать моменту пазового ВД.
3. При высоких скоростях вращения может оказаться предпочтительным применение комбинированного провода с медной наружной оболочкой.
Литература
1. Афанасьев А.А., Бабак А.Г., Белов В.В., Нестерин В.А., Никифоров В.Е., Николаев А.В., Чихняев В.А. Сравнение характеристик и физико-математическое моделирование магнитоэлектрических вентильных двигателей в пазовом и беспазовом исполнении // Электричество. 2007. № 7. С. 40-47.
2. Афанасьев А.А., Бабак А.Г., Волокитина Е.В., Головизнин С.Б., Нестерин В.А., Никифоров В.Е., Николаев А.В., Чихняев В.А. Малоинерционный высокоскоростной магнитоэлектрический беспазовый вентильный двигатель // Электричество. 2007. № 4. С. 28-35.
3. Бочаров В.И. Беспазовые тяговые электродвигатели постоянного тока. М.: Энергия, 1976. 192 с.
4. Ильинский Н.Ф. Перспективы развития регулируемого электропривода // Электричество. 2003. № 2. С. 3-7.
5. Ледовский А.Н. Электрические машины с высококоэрцитивными магнитами. М.: Энергоатомиздат, 1985. 169 с.
6. Нейман Л.Р. Поверхностный эффект в ферромагнитных телах. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1949. 190 С.
7. Sanada M., Morimoto S. Efficiency Improvement in High Speed Operation using Slot-less Configuration for Permanent Magnet Synchronous Motor. IEEE PES 2007 General Meeting, 24-28 June 2007, pp. 3-27.
8. Sanada M., Ogawa T., Morimoto S., Takeda Y. Thrust Improvement of Linear Electromagnetic Actuator using Compound Wire with Copper and Iron. Proc. of 2005 Int. Power Electronics Conf. Niigata, 2005, pp. 431-434.
АФАНАСЬЕВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры автоматики и управления в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (afan39@mail.ru).
НГУЕН КОНГ ТАМ - аспирант кафедры автоматики и управления в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (nguyencongtam06@gmail.com).
A. AFANASYEV, NGUYEN CONG TAM
SLOTLESS PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR WITH COMBINED WIRE
Key words: Slotless permanent magnet synchronous motor, eddy currents, magnetic losses, combined wire.
In the slotless permanent magnet synchronous motor (PMSM) many shortcomings of similar engines design in the slotting performance of the stator core are eliminated: the presence of reactive torque and as a result, vibration and increased noise, induced eddy currents in the permanent magnets, and therefore, their heating and partial demagnetization. The results of a pilot study of model sample of the slotless PMSM show that, firstly, due to the reduction of magnetic losses the upper operating level of rotation speed increases, and secondly, long electromagnetic torque is approximately 70% of the torque of the conventional PMSM. The use of combined winding wire, where copper core has ferromagnetic sheath, allows increasing electromagnetic torque PMSM to the same dimension as gate motors of classic design.
References
1. Afanas'ev A.A., Babak A.G., Belov V.V., Nesterin V.A., Nikiforov V.E., Nikolaev A.V., Chikhnyaev V.A. Sravnenie kharakteristik i fiziko-matematicheskoe modelirovanie magnitoelektri-cheskikh ventil'nykh dvigatelei v pazovom i bespazovom ispolnenii [Comparison of characteristics and physical, mathematical modeling of permanent magnet synchronous motor in slots and slotless performance]. Elektrichestvo [Electricity], 2007, no. 7, pp. 40-47.
2. Afanas'ev A.A., Babak A.G., Volokitina E.V., Goloviznin S.B., Nesterin V.A., Nikiforov V.E., Nikolaev A.V., Chikhnyaev V.A. Maloinertsionnyi vysokoskorostnoi magnitoelektricheskii bespazovyi ventil'nyi dvigatel' [Quick-response high-speed magnetoelectric permanent magnet synchronous motor]. Elektrichestvo [Electricity], 2007, no. 4, pp. 28-35.
3. Bocharov V.I. Bespazovye tyagovye elektrodvigateli postoyannogo toka [Slotless traction DC motors]. Moscow, Energiya Publ., 1976, 192 p.
4. Il'inskii N.F. Perspektivy razvitiya reguliruemogo elektroprivoda [Prospects for the development of controlled electric drive]. Elektrichestvo [Electricity], 2003, no. 2, pp. 3-7.
5. Ledovskii A.N. Elektricheskie mashiny s vysokokoertsitivnymi magnitami [Electrical machines with highly coercive magnet]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1985, 169 p.
6. Neiman L.R. Poverkhnostnyi effekt v ferromagnitnykh telakh [Skin effect in the ferromagnetic bodies]. Mosscow, Leningrad, Gosenergoizdat Publ., 1949, 190 p.
7. Sanada M., Morimoto S. Efficiency Improvement in High Speed Operation using Slot-less Configuration for Permanent Magnet Synchronous Motor. IEEE PES 2007 General Meeting, 24-28 June 2007, pp. 3-27.
8. Sanada M., Ogawa T., Morimoto S., Takeda Y. Thrust Improvement of Linear Electromagnetic Actuator using Compound Wire with Copper and Iron. Proc. of 2005 Int. Power Electronics Conf. Niigata, 2005, pp. 431-434.
AFANASYEV ALEXANDER - Doctor of Technical Sciences, Professor of Management and Computer Science in Technical Systems Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
NGUYEN CONG TAM - Post-Graduate Student of Management and Computer Science in Technical Systems Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
Ссылка на статью: Афанасьев А.А., Нгуен Конг Там. Беспазовый магнитоэлектрический вентильный двигатель с комбинированным проводом // Вестник Чувашского университета. -№ 3. - С. 5-12.
