CC BY
81
ISSN 1992-6502 (Print) 2017. Т. 21, № 2 (76). С. 82-87
Вестник УГАТУ
ISSN 2225-2789 (Online) http://journal.ugatu.ac.ru
УДК 621.313
Исследование магнитного поля синхронного двигателя с постоянными магнитами и асинхронным пуском
в зависимости от формы паза
1 1 3
р. р. Мирзаянов , ф. р. Исмагилов , в. е. Вавилов
1 [email protected], 2 [email protected], 3 [email protected] ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ)
Поступила в редакцию 20.03.2017
Аннотация. Повсеместная автоматизация промышленности невозможна без синхронных двигателей с постоянными магнитами (СДПМ). Особый интерес представляет применение СДПМ в топливных насосах летательных аппаратов (ЛА) типа ЭЦН или ЭЦНГ. В данных изделиях сейчас используются асинхронные двигатели малой мощности, КПД которых составляет 60-70%, а коэффициент мощности - 0,6. При этом замена асинхронного двигателя на СДПМ позволит поднять КПД электродвигателя до 90% (за счет минимизации потерь в роторе на вихревые токи, а также отсутствия потерь в стержнях корот-козамкнутой обмотки) и повысить коэффициент мощности. Все это значительно понизит электропотребление насосов в ЛА. В статье представлены результаты исследования влияния формы паза статора на магнитное поле СДПМ с асинхронным пуском. Также были сравнены и массогабаритные показатели двигателя при различных формах паза статора.
Ключевые слова: синхронный двигатель с постоянными магнитами; асинхронный пуск; трапецеидальный паз.
ВВЕДЕНИЕ
Синхронный двигатель с постоянными магнитами на сегодняшний день является одним из перспективных направлений автоматизации промышленности. Такая востребованность обусловлена малыми размерами и массой, повышенной надежностью, увеличением КПД и использованием современных высококоэрцитивных постоянных магнитов.
Однако существует и недостаток СДПМ, связанный с использованием частотного преобразователя, что увеличивает стоимость. Одним из вариантов успешного решения является асинхронный способ пуска, который позволяет сократить величину пускового тока машины и исключить использование частотного преобразователя. Асинхронный пуск реализуется путем установки на ротор демпферной обмотки в виде короткозамкнутой «беличьей клетки» [1].
Особый интерес представляет применение СДПМ в топливных насосах летательных аппаратов (ЛА) типа ЭЦН или ЭЦНГ. В данных из-
Работа выполнена при поддержке гранта НШ-6858.2016.8.
делиях сейчас используются асинхронные двигатели малой мощности, КПД которых составляет 60-70%, а коэффициент мощности 0,6. Например, серийный асинхронный электродвигатель ЭТМ-105, используемый в топливном насосе ЭЦНГ при выходной мощности 900 Вт потребляет из бортовой сети ЛА 2142,8 Вт. В данном случае замена асинхронного двигателя на СДПМ позволит поднять КПД электродвигателя до 85-90% (за счет минимизации потерь в роторе на вихревые токи, а также отсутствии потерь в стержнях короткозамкнутой обмотки) и повысить коэффициент мощности до 0,9 (характерное значение для синхронных электродвигателей). Тем самым энергопотребление электродвигателя при номинальной мощности 900 Вт в случае применения СДПМ снижается до 1176 Вт.
Поэтому задачи разработки и проектирования СДПМ являются важными и актуальными для развития авиационной электромеханики.
При решении данных задач особое внимание необходимо уделять выбору рациональной геометрии пазовой зоны статора СДПМ, так как именно форма паза во многом определяет параметры СДПМ и его эффективность.
Наличие пазов на поверхности статора СДПМ вызывает искажение магнитного поля в зазоре и появление зубцовых пространственных гармоник этого поля. Пространственные гармоники вызывают добавочные потери в стали, искажение кривой вращающего момента, изменение индуктивных сопротивлений дифференциального рассеяния и появления шума в двигателе [2-4].
ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И РЕШЕНИЕ
Целью работы является исследование методами компьютерного моделирования магнитного поля СДПМ с асинхронным пуском при различных формах паза статора и определение на основе данных исследований наиболее рациональной формы паза.
Критериями, по которым определяется рациональность той или иной формы паза в работе, являются масса СДПМ в целом и его активных частей при условиях, что КПД и коэффициент мощности СДПМ не ниже 0,85-0,9.
Для решения поставленной задачи были проанализированы и сравнены результаты смоделированных магнитных полей в программном комплексе MaxwellRMXprt. Все магнитные поля были смоделированы на основе предварительно смоделированного СДПМ с асинхронным пуском.
В программном комплексе MaxwellRMXprt для расчета СДПМ представлены 4 вида паза статора, которые представлены в рис. 1.
В программном комплексе Ansys Maxwell были исследованы магнитные поля СДПМ с асинхронным пуском методами компьютерного моделирования при различных формах паза статора.
В табл. 1, 2 представлены расчетные значения, которые были получены при различных формах паза в программном обеспечении ANSYS RMxprt.
На рис. 2-5 представлены наглядные результаты моделирования магнитного поля при изменении формы паза статора. В рассматриваемой модели двигателя располагается концентрическая обмотка. Параметры магнита задаются 1,1 Тл и 838 кА/м, сердечник статора набран из электротехнической стали 2421.
Анализ влияния форм паза на магнитное поле двигателя показывает, что индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора уменьшается при изменении паза от овального полузакрытого 1 типа к трапецеидальному полузакрытому пазу 2 типа. Также уменьшается и плотность тока в проводах на 0,348 А/мм2 и индукция в зубцах статора на 0,034 Тл. Индукция в ярме статора, наоборот, увеличивается на 0,58 Тл. Остальные показатели изменяются незначительно.
Овальный полузакрытый паз 1
Овальный полузакрытый паз 2
Трапецеидальный полузакрытый паз 1
Трапецеидальный полузакрытый паз 2
Рис. 1. Формы пазов в MaxwellRMXprt
1
2
3
4
Таблица 1
Влияние формы паза на магнитное поле двигателя
№ охх + хаЛ, охх + хщ, В, > В а В
паза Ом Ом Ом Ом Тл Тл Тл А мм2 Тл Тл
1 8,9853 11,9344 18,6968 21,646 0,320 1,429 0,842 2,883 0,842 0,377
2 8,9853 11,8782 18,6968 21,590 0,320 1,429 0,842 2,872 0,842 0,377
3 7,4906 10,4651 15,5866 18,561 0,308 1,377 1,513 2,550 0,811 0,363
4 7,4906 10,5766 15,5866 18,672 0,312 1,395 1,422 2,535 0,822 0,368
Влияние формы паза на массогабаритные показатели двигателя
Таблица 2
№ паза Шси, кг ^сш кг ШГсш, кг Шстали э, кг Шстали г, кг Ш^,кг
1 3,76097 2,03848 0,68893 8,10109 1,64747 0,14496 16,3819
2 3,73178 2,03396 0,68893 8,10109 1,64747 0,14496 16,34819
3 4,23772 1,49614 0,68893 8,10109 1,64747 0,14496 16,31631
4 4,23772 1,48041 0,68893 8,10109 1,64747 0,14496 16,30058
Рис. 2. Магнитное поле при овальном полузакрытом пазе 1 статора
Рис. 3. Магнитное поле при овальном полузакрытом пазе 2 статора
Рис. 4. Магнитное поле при трапецеидальном полузакрытом пазе 1 статора
Рис. 5. Магнитное поле при трапецеидальном полузакрытом пазе 2 статора
ВЫВОД
По массогабаритным показателям синхронный двигатель с трапецеидальным полузакрытым пазом 2 типа имеет наименьший общий вес, хотя общая масса меди наибольшая в сравнении с другими видами пазов (табл. 2).
Анализируя результат исследований, очевидно, что наименьшее индуктивные сопротивления имеют полузакрытые пазы трапецеидального типа при меньших значениях плотности тока в проводах. Также пазы, полузакрытые трапецеидального типа, имеют наименьшие значения индукции статора и ротора в отличии от овальных полузакрытых пазов. Наименьшее значение плотности тока, индуктивных сопротивлений, индукций статора и ротора у трапецеидального полузакрытого паза 2 типа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вольдек А. И., Попов В. В. Электрические машины. Машины переменного тока. СПб.: Питер, 2008. 350 с. [ A. I. Voldek and V. V. Popov, Electric machines. Alternating current machines, (in Russian). SPb.: Piter, 2008. ]
2. Кацман М. М. Электрические машины: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования. М.: Академия, 2013. 496 с. [ М. М. Katzman, Electric machines: a textbook for stud. establishments of environments. prof. education, (in Russian). М.: Academy, 2013. ]
3. Осин И. Л. Синхронные электрические двигатели малой мощности. М.: Изд. МЭИ, 2006. 216 с. [ I. L. Osin, Synchronous electric motors of low power, (in Russian). М.: Izd. MEI, 2006. ]
4. Дмитриев В. Н. Проектирование и исследование асинхронных двигателей малой мощности: учеб. пособие. Ульяновск: УлГТУ, 2013. 89 с. [ V. N. Dmitriev, Design and research of low-power asynchronous motors, (in Russian). Ulyanovsk: UlSTU, 2013. ]
ОБ АВТОРАХ
МИРЗАЯНОВ Рустем Радикович, м-т каф. электромеханики. Дипл. бакалавр электроэнергетика и электротехника (УГАТУ, 2015). Иссл. в обл. синхронных двигателей с постоянными магнитами.
ИСМАГИЛОВ Флюр Рашитович, д.т.н., проф., зав. каф. эле-тромеханики. Дипл. инж-электромех. (УАИ, 1973). Иссл. в обл. электромех. преобразователей энергии.
ВАВИЛОВ Вячеслав Евгеньевич, к.т.н., ст. преп. каф. электромеханики. Дипл. инж.-электромех. (УГАТУ, 2010). Иссл. в обл. высокоэффективных энергетических преобразователей энергии.
METADATA
Title: Study of the magnetic field synchronous motor with permanent magnets and asynchronous start in depending of shape slot.
Authors: R. R. Mirzayanov 1, F. R. Ismagilov 3, V. E. Vavilov 3
Affiliation:
Ufa State Aviation Technical University (UGATU), Russia.
Email: [email protected], [email protected], [email protected].
Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University), vol. 21, no. 2 (76), pp. 82-87, 2017. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print).
Abstract: Widespread automation industry is impossible without permanent magnet synchronous motors (PMSM). This research paper presents the results of a study of the influence of stator slot in the magnetic field of the PMSM with asynchronous start. It was also compared and the weight and size of the engine performance at different slots.
Key words: Permanent magnet synchronous motor; asynchronous start; graded slot.
About authors:
MIRZAYANOV, Rustem Radikovich, Grad. Student, Dept. of Electromechanics. Bachelor's diploma (USATU, 2015).
ISMAGILOV, Flur Rashitovich, Prof., Head of the Dept. of EM. Dipl. Ing-electromechanical (UAI, 1973), Dr. of Tech. Sci.
VAVILOV, Vyacheslav Evgenievich, Ph.D., senior lecturer of the Dept. of EM. Dipl. Ing-electromechanical (USATU, 2010).
