CC BY
147
170
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
УДК 621.313.3
С.И. Качин, О.С. Качин, А.В. Киселев, Л.Ю. Бурцев
Исследование конструкции однофазного асинхронного двигателя с повышенным пусковым моментом
Показана необходимость повышения пускового момента однофазного асинхронного двигателя. Предложено конструкторское решение изменения геометрии статора. С помощью симуляции в программных продуктах ANSYS Maxwell и ANSYS Simlorer выполнено моделирование различных модификаций статора асинхронного двигателя. Отмечены варианты модифицированных конструкций однофазного электродвигателя с улучшенными пусковыми свойствами. Ключевые слова: Однофазный асинхронный двигатель, пусковой момент, механическая характеристика, моделирование, магнитное поле, немагнитный зазор, статор, ANSYS, Maxwell, Simplorer.
В настоящее время асинхронные электродвигатели (АД) являются основой силового электропривода, применяемого в различных областях человеческой деятельности. Известно, что от всей производимой электрической энергии в нашей стране, данный вид электрических машин потребляет до 50% энергии [1], а доля однофазных асинхронных двигателей от общего числа АД составляет около 30%.
Широкое распространение однофазные АД получили в различных сферах применения, преимущественно бытовых, таких как холодильные установки, стиральные машины, станки по обработке дерева и металла, системы вентиляции и отопления, а также в других сферах. Для большинства перечисленных устройств важно, чтобы электродвигатель имел высокий номинальный момент, а также обладал высокой кратностью пускового момента:
k = М П
**'ТТ
М„
(1)
где МП - пусковой момент, Н*м ; МНОМ - номинальный момент, Н*м.
Высокая кратность пускового момента особенно необходима для двигателя, применяемого в приводе компрессоров холодильных установок, для обрабатывающих станков по дереву и металлу, а также для различных дробильных и измельчительных установок. Особенно актуальна данная проблема, проявляется при питании устройств от сети с пониженным напряжением, что часто встречается в нашей стране в отдаленных районах, в сельской местности и даже в пригородных поселках.
Повышение номинального момента, а также повышение пускового момента однофазных асинхронных электродвигателей является актуальной задачей для предприятий, занимающихся проектированием и производством данных двигателей. Решение указанной задачи позволит обеспечить стабильную и безопасную работу вышеперечисленных устройств. Кроме этого, для некоторых устройств и приборов за счет увеличения кратности пускового момента можно будет рекомендовать асинхронные двигатели меньшей мощности, что позволит решить ряд других задач:
- снижение массо-габаритных показателей установок;
- расширение возможностей и областей применений некоторых изделий;
- уменьшение стоимости готового изделия за счет снижения расхода активных материалов.
Постановка задачи. В настоящий момент времени известны разные технические решения, позволяющие решать задачи по повышению момента [2, 3]. Одно из таких решений предложено коллективом авторов Томского политехнического университета [4]. Основная суть предложенного решения заключается в том, что в ярме статора в области пазов, расположенных в зонах магнитных осей основной обмотки, выполнены немагнитные зазоры с образованием мостиков насыщения. Это позволяет снизить индуктивность ротора до двух раз по сравнению с обычной конструкцией статора. В результате снижения индуктивности обмотки ротора удается достичь снижения величины индуктивного сопротивления фазы ротора, и, соответственно, повышения пускового момента.
В данной работе объектом исследований стал однофазный асинхронный двигатель с рабочей и пусковой обмотками, используемый в шлифовальных машинах настольного исполнения (электрото-
Доклады ТУСУРа, № 2 (36), июнь 2015
С.И. Качин, О. С. Качин, А.В. Киселев, Л.Ю. Бурцев. Исследование конструкции 171
чило «Томск-УХЛ 4», потребляемая мощность P = 460 В*А, напряжение питания U = 220В, номинальная частота вращения n = 2700 мин1).
Целью проведенных исследований являлся анализ механических характеристик (пусковой, средний и максимальный моменты) нескольких вариантов исполнения однофазного асинхронного электродвигателя при равных условиях испытаний:
1 вариант. Электродвигатель с традиционной конструкцией статора серийного производства (прототип).
2-4 варианты. Электродвигатели модернизированной конструкции, изготовленные в соответствии с предложенным техническим решением и отличающиеся друг от друга расположением немагнитных зазоров в статоре электродвигателя.
Моделирование модификаций статора асинхронного двигателя. Первым этапом работы было создание различных геометрических моделей в программном продукте ANSYS Spaceclaim. Результатом этой работы стало создание четырех моделей: модель серийной конструкции однофазного электродвигателя и трех вариантов модификаций. При помощи программной платформы ANSYS Workbench была интегрирована геометрия в среду ANSYS Maxwell 2D.
Имитационное моделирование осуществлялось с помощью современных программных продуктов ANSYS Maxwell 2D и ANSYS Simplorer [5, 6]. С помощью приложения ANSYS Maxwell 2D была проведена симуляция работы асинхронного электродвигателя в режиме холостого хода и получены механические характеристики. Для оценки величины индукции в элементах магнитопровода асинхронного электродвигателя было получено распределение магнитного поля в поперечном сечении электродвигателя. Приложение ANSYS Simplorer применялось для связи модели асинхронного электродвигателя в среде Maxwell 2D с электрической схемой, учитывающей полное сопротивление обмоток статора и позволяющей осуществлять коммутацию пусковой обмотки статора. На рисунке 1 представлена электрическая схема управления однофазным асинхронным электродвигателем, построенная в среде ANSYS Simplorer.
Питание данной схемы осуществляется от однофазного источника переменного напряжения E1. С помощью элементов R1 и R2 учитывались активные сопротивления лобовых частей рабочей и пусковой обмоток соответственно. Аналогично с помощью элементов L1 и L2 были учтены индуктивные сопротивления обеих обмоток. Блок AM отвечает за модель магнитного состояния, рассматриваемого однофазного асинхронного электродвигателя. Блоки ROTB_ROT1, MASS_ROT и VM_ROT1 применяются для механической связки двух программных приложений, управления значениями момента инерции и демонстрации механических характеристик. Коммутация пусковой обмотки осуществляется посредством блоков S1 и STEP1.
Отключение пусковой обмотки происходит через заданный промежуток времени. При моделировании учитывался момент инерции вращающихся масс ротора электродвигателя и шлифовальных
Доклады ТУСУРа, № 2 (36), июнь 2015
172
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
кругов. Варианты модификаций электродвигателя предложенной конструкции отличаются местом расположения немагнитных зазоров в статоре и представлены на рис. 2. Характеристики конструкционных материалов асинхронного электродвигателя во всех исследованных моделях одинаковы и соответствуют прототипу. Полное время расчета, шаг расчета и размеры конечных элементов во всех исследованных моделях также одинаковы.
Рис. 2. Расположение немагнитных зазоров на статоре:
1 - прототип, 2-4 - модификации
Кроме механических характеристик исследуемых электродвигателей оценивались и сравнивались с данными прототипа следующие параметры:
- время разгона до номинальной частоты вращения;
- значения токов в статорных обмотках;
- величина индукции в различных частях магнитной цепи асинхронных электродвигателей.
В результате выполненных расчетов получена картина распределения магнитного поля в поперечном разрезе серийного однофазного асинхронного электродвигателя шлифовальной машины (прототип), представленная на рисунке 3. Картина поля указана для момента времени при котором электродвигатель достигает номинальной частота вращения (об/мин) при отключенной пусковой обмотке.
Из представленной картины распределения магнитного поля в поперечном разрезе прототипа видно, что в ярме магнитопровода статора величина индукции не превышает предела 1,7 Тл. Указанное значение индукции является допустимым для применяемой в этих двигателях марки электротехнической стали (Ст 2013). Максимальное значение индукции достигает 3 Тл и отмечается лишь в местах высокой концентрации напряжений: крайние области коронок зубцов статора, технологические отверстия, зона сварного шва магнитопровода статора. Данные области имеют локальный характер и обусловлены технологией штамповки листов магнитопровода. Аналогичные области отмечаются и в магнитопроводе ротора.
Стоит отметить, что в рассмотренных модификациях однофазного электродвигателя (2-4 модификации) с немагнитными зазорами в ярме магнитопровода статора значения индукции увеличились незначительно и не превышает порога 1,9 Тл в области, примыкающей к немагнитному зазору.
В рассмотренных модификациях изменения тока в пусковой обмотке в сравнении с прототипом незначительны. Наибольшее отклонение тока в сторону увеличения относительно тока прототипа зафиксировано в модификации №2 и составляет не более 7%.
Время разгона до номинальной частоты вращения во всех рассмотренных модификациях относительно прототипа было сокращено. Подробнее результаты представлены в таблице.
В данной работе были рассмотрены несколько вариантов расположения немагнитных зазоров в зоне пусковой обмотки. Для каждой из конструкций были получены значения пускового, среднего и максимального моментов. Результаты моделирования указанных конструкций обобщены и представлены в таблице.
Результаты моделирования прототипа и модификаций асинхронного электродвигателя
Конфигурация Прототип Модификация 1 Модификация 2 Модификация 3
Пусковой момент, Н-м 1,04 0,78 (-25%) 1,21 (+16,3%) 1,46 (+40,3%)
Средний момент, Н-м 0,86 1,06 (+23,6%) 1,21 (+40,7%) 1,1 (+27,9%)
Максимальный момент, Н-м 1,7 2,18 (+28,2%) 1,96 (+15,2%) 1,86 (+9,4%)
Время разгона, с 1,83 1,49 (-18,5%) 1,31 (-28,4%) 1,44 (-21,3%)
Из представленных результатов следует, что наибольшую ценность с точки зрения повышения среднего значения момента представляет модификация 2. В указанной модификации немагнитный зазор располагается со смещением против часовой стрелки относительно магнитной оси основной обмотки. Данная конфигурация представлена на рис. 2. Также в остальных рассмотренных модификациях были отмечены и другие положительные изменения относительно прототипа. Стоит отметить, что для получения определенного результата необходимо детально подходить к вопросу выбора конфигурации немагнитного зазора, его размеров, а также его расположения.
Доклады ТУСУРа, № 2 (36), июнь 2015
С.И. Качин, О. С. Качин, А.В. Киселев, Л.Ю. Бурцев. Исследование конструкции
173
Y
О 100
Рис. 3. Картина магнитного поля в поперечном разрезе прототипа
200 (mm)
Семейство механических характеристик рассмотренных модификаций и прототипа представлено на рис. 4.
М Н-м
О 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4
Рис. 4. Семейство механических характеристик
Стоит отметить, что механическая характеристика прототипа с учетом момента инерции вращающихся масс (ротор и шлифовальные круги) в значительной степени совпадает с экспериментальными данными, полученными в результате натурных испытаний прототипа на динамометрическом стенде, что свидетельствует об адекватности рассматриваемой модели электродвигателя. Последнее в свою очередь позволяет осуществлять сравнительный анализ математических моделей модификаций и прототипа.
Заключение. На основании полученных результатов исследований можно сделать следующие выводы.
Доклады ТУСУРа, № 2 (36), июнь 2015
174
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
1. Предложенная конструкция электродвигателя обеспечивает повышение среднего и максимального моментов во всех рассмотренных модификациях. В большинстве моделей также отмечено повышение пускового момента.
2. Максимальное увеличение пускового момента в одной из модификаций за счет применения немагнитного зазора составило 40,7%. Что позволит уверенно осуществлять пуск асинхронного двигателя с модернизированной конструкцией статора при пониженных значениях напряжения питания сети.
Литература
1. Копылов И.П. Электрические машины: учебник для бакалавров / под ред. И.П. Копылов. -2-е изд., перераб. и доп. - Москва: Издательство Юрайт, 2012. - 675 с.
2. Пат. 2 028 024 РФ, МПК Н 02 К 17/08. Однофазный электродвигатель / Е.И. Ефименко (РФ). -№ 5 000 293/07; заявл. 16.08.91; опубл. 27.01.95. Бюл. № 3. - 6 с.
3. Пат. 2 010 410 РФ, МПК Н 02К 17/04. Однофазный асинхронный электродвигатель / Б.Ф. Ковалев (РФ). - № 4 948 371/07; заявл. 24.06.91; опубл. 30.03.94. Бюл. № 9. - 4 с.
4. Пат. 2 5101 20 РФ, МПК Н 02К 17/08. Однофазный электродвигатель / С.И. Качин, О.С. Качин (РФ). - №2 012 139 937/07; заявл. 18.09.12; опубл. 20.03.14. Бюл. № 8. - 8 с.
5. Computational Design and Analysis of Core Material of Single-Phase Capacitor Run Induction Motor / Gurmeet Singh, Gurlad Singh, Mohd. Afaque Iqbal // Journal of Engineering Research and Applications. - 2014. - № 7. - P. 20-25.
6. O.S. Kachin, A.V. Kiselev, A.B. Serov, Research of Operation Modes of the Synchronous Electric Motor Drive System with use of Software ANSYS Maxwell and Simplorer, 15th International Conference of Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices. - Novosibirsk: Novosibirsk State Technical University, 2014. - P. 362-364.
Качин Сергей Ильич
Д-р техн. наук, профессор каф. электропривода и электрооборудования Национального исследовательского Томского политехнического университета (НИТПУ) Тел.: 8 (382-2) 56-37-59 Эл. почта: kos@tpu.ru
Качин Олег Сергеевич
Доцент каф. электропривода и электрооборудования НИТПУ Тел.: 8 (382-2) 56-37-59 Эл. почта: kos@tpu.ru
Киселев Александр Викторович
Ассистент каф. электротехнических комплексов и материалов НИТПУ Тел.: 8 (382-2) 56-34-53 Эл. почта: kiselevav@tpu.ru
Бурцев Леонид Юрьевич
Магистрант каф. электропривода и электрооборудования НИТПУ
Тел.: 8 (382-2) 56-34-53
Эл. почта: leonidburtsev@mail.ru
Kachin S.I., Kachin O.S., Kiselev A.V, Burtsev L.Y.
Simulation and analysis of a novel single-phase induction motor with increased starting torque
The article presents a novel design of a single-phase induction motor with increased starting torque. A new stator configuration is proposed. The simulation and analysis of the wide range of stator modifications of induction motor were fulfilled with help of the special software: ANSYS Maxwell and Simplorer.
Keywords: induction motor, starting torque, stator, speed-load curve, simulation, magnetic field, non-magnetic gap, ANSYS, Maxwell, Simplorer.
Доклады ТУСУРа, № 2 (36), июнь 2015
