CC BY
91
УДК 621.313.323
ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИБРИДНОЙ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ
Е.Е. Суворкова, Ю.Н. Дементьев, Л.К. Бурулько
Томский политехнический университет E-mail: Suvorkova_elena@mail.ru
Представлены результаты исследования магнитных полей и распределения магнитной индукции в воздушном зазоре синхронно-реактивной и магнитоэлектрической части синхронного гибридного двигателя. Приведены результаты анализа влияния магнитных полей на электромагнитный момент и угловые характеристики синхронного гибридного двигателя.
Ключевые слова:
Синхронная машина, моделирование, электромагнитное поле, электромагнитная индукция, угол поворота.
Key words:
Synchronous machine, modeling, electromagnetic field, electromagnetic induction, shift angle.
В настоящее время идет интенсивное развитие всех компонентов электропривода: электрических двигателей, силовых полупроводниковых приборов и преобразователей на их основе, микропроцессорных средств управления.
Одним из основных направлений в развитии электрических двигателей является расширение парка электродвигателей специализированных исполнений и модификаций, объектно-ориентированных для конкурентных условий применения [1].
Анализируя перспективы развития электродвигателей в этом направлении, можно отметить использование нетрадиционных электродвигателей, таких как синхронный гибридный двигатель (СГД). Принцип работы и регулировочные возможности СГД удачно сочетаются с требованиями, предъявляемыми со стороны высокоточных станков и технологических узлов машин по производству искусственных волокон [2].
Построение электропривода, обоснование и выбор способов регулирования определяются основными характеристиками электродвигателя. Поэтому целью настоящей работы является анализ магнитных полей в воздушном зазоре СГД и определение базовых составляющих электромагнитного момента, формирующих его регулировочные и механические характеристики.
Под синхронным гибридным двигателем понимают двигатель, статор которого выполнен как у серийного асинхронного двигателя, а ротор состоит из двух частей. Основная часть выполнена в виде явнополюсного ротора без обмотки возбуждения как у синхронного реактивного двигателя и составляет 70 % активной длины магнитопровода ротора
[3], а вторая часть имеет постоянные магниты, встроенные в межполюсные промежутки ротора, и ее длина составляет 30 % активной длины магни-топровода ротора [2]. Такое конструктивное исполнение СГД позволяет объединить в себе положительные свойства синхронных реактивных и магнитоэлектрических машин с постоянными магнитами.
Магнитный поток в основной части СГД создается реактивным током обмотки статора. Вращающий момент возникает из-за различия магнитных
проводимостей по продольной и поперечной осям
[4] и определяется по следующему выражению (1):
М = 212(хф -хда)8ш20 = ЫЛ -Ыч, (1)
где в - угол между намагничивающей силой обмотки статора и осью полюса ротора; хф=юХф, хт=юЬш - индуктивные сопротивления по продольной и поперечной осям синхронной реактивной части СГД.
Таким образом, момент вращения синхронной реактивной части СГД имеет две составляющие: момент Иё - составляющая, возникающая за счет магнитного потока по продольной оси; момент Ид - составляющая, обусловленная магнитным потоком по поперечной оси.
Момент магнитоэлектрической части с постоянными магнитами СГД создается за счет взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с магнитным полем встроенных магнитов и различия магнитных проводимостей по продольной и поперечной осям [5].
При этом можно считать, что составляющая вращающего момента, определяемая наличием встроенных магнитов, есть результат взаимодействия суммарного потока в воздушном зазоре СГД с током обмотки статора. Суммарный поток магнитоэлектрической части с постоянными магнитами можно представить в виде векторного (геометрического) сложения потоков, созданного токами обмотки статора Ф1 и потоком Фм встроенных магнитов и определить по выражению (2):
ФЕ =4Ф2 + ФМ + Ф1 • фм<^в,
(2)
где в - угол между векторами потоков в воздушном зазоре магнитоэлектрической части СГД.
Составляющую вращающего момента И2 от суммарного потока можно определить через энергию магнитного поля в рабочем зазоре магнитоэлектрической части с постоянными магнитами СГД по следующему выражению (3):
Ме = dWе = рііфіф.., sin(e),
de
Mo
(З)
где M - суммарная энергия магнитного поля в рабочем зазоре; рП - число пар полюсов; ' - магнитная проницаемость воздуха.
Таким образом, выражение для определения вращающего момента магнитоэлектрической части с постоянными магнитами СГД можно представить в следующем виде (4):
Мм = Mz+ Md3 + Мдэ, (4)
1 2
где Mi3 = — I xi3 sin 20 - момент, возникающий за
счет магнитного потока по продольной оси магнитоэлектрической части с постоянными магнитами 12
СГД, Мдэ =— I xq3 sin 20 - момент, возникающий
за счет магнитного потока по поперечной оси магнитоэлектрической части с постоянными магнитами СГД.
Тогда общее выражение для определения электромагнитного момента СГД определяется по выражению (5):
М = 212(xip - xqP)sin2^ +
+ P"°'°M sin(0) + MA + M (5)
'о
Из выражения (5) следует, что для определения электромагнитного момента необходимо знать:
• действующее значение тока обмотки статора I;
• значения индуктивных параметров как в синхронной реактивной, так и в магнитоэлектрической части с постоянными магнитами СГД;
• значения потоков Фь Фм и углов в, 0.
При разработке модели распределения магнитного поля в воздушном зазоре СГД в программе El-cut в основу были положены конструктивные особенности его исполнения: синхронная реактивная часть представляет собой усовершенствованный синхронно-реактивный двигатель (СРД), а магнитоэлектрическая - простой СРД, в большие пазы ротора которого помещены постоянные магниты марки КС-37А [2, 3].
На рис. 1 и 2 представлены распределения магнитного поля в синхронной реактивной и магнитоэлектрической части СГД.
Рис. 1. Распределение магнитного поля в синхронной реактивной части СГД: а) поперечный разрез синхронной реактивной части; б) распределение линий магнитной индукции
Рис. 2.
Распределение магнитного поля в магнитоэлектрической части СГД: а) поперечный разрез магнитоэлектрической части СГД и расположение магнитов в магнитопроводе ротора; б) распределение линий магниной индукции
a
Рис. 3. Расчетные зависимости электромагнитного момента и его составляющих отугла поворота ротора: а) электромагнитный момент в магнитоэлектрической части с постоянными магнитами; б) электромагнитный момент в синхронно-реактивной части; в) результирующий момент СГД (1 - кривая, построенная по результатам моделирования, 2 - кривая, полученная при помощи аппроксимации кривой 1)
Результаты проведенных исследований показали, что наличие результирующего магнитного потока в магнитоэлектрической части с постоянными магнитами подтверждается плотностью магнитных силовых линий (рис. 2, б), обеспечивающих максимальную индукцию в воздушном зазоре и дополнительный пусковой момент СГД.
Кроме того, анализ распределения магнитных полей в воздушных зазорах синхронной реактивной и магнитоэлектрической части с постоянными магнитами СГД показывает, что наличие магнитов способствует концентрации силовых линий магнитного поля в воздушном зазоре СГД и обеспечивает дополнительный электромагнитный момент при его пуске.
С помощью программы Е1си по выражению (5) определены значения суммарного электромагнитного момента и его составляющих в зависимости от угла между векторами потоков в воздушном зазоре СГД. Расчетные характеристики электромаг-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Овчинников И.Е. Электромеханические и мехатронные системы. Ч. I: Полупроводниковые устройства в цепях электрических машин. Коллекторные и бесконтактные двигатели постоянного тока. Конструкции, характеристики, регулирование, динамика разомкнутых систем. - СПб.: Изд-во «Корона. Век», 2012. - 400 с.
2. Големгрейн В.В. Динамические режимы работы синхронного гибридного двигателя: автореф. дис. ... канд. техн. наук. -Томск, 2002. - 20 с.
нитного момента и его составляющих приведены на рис. 3.
Из графиков, приведенных нарис. 3, следует, что суммарный электромагнитный момент синхронного гибридного двигателя имеет максимум, который зависит от расположения магнитов в роторе СГД.
Выводы
1. Распределение магнитной индукции с максимальной плотностью силовых линий в воздушном зазоре магнитоэлектрической части с постоянными магнитами и синхронно-реактивной части обеспечивает дополнительный пусковой момент СГД.
2. Характеристика пускового момента СГД имеет явно выраженный максимум, зависящий от свойств магнитов и их расположения.
Статья подготовлена по результатам работ в рамках Госзадания 7.2826.2011.
3. Кононенко Е.В. Синхронные реактивные машины: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. - Томск, 1967. - 48 с.
4. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. - М.: Энергия, 1980. - 928 с.
5. Загорский А.Е. Электродвигатели переменной частоты. - М.: Энергия, 1975. - 152 с.
Поступила 10.01.2013 г.
