Обоснование выбора синхронного электродвигателя с постоянными магнитами для многообортного электропривода Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.833

К.С. Федосеев, ген. директор, (4872) 21-13-31, [email protected] (Россия, Тула, ООО «Модем-техно»)

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ ДЛЯ МНОГООБОРТНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Приведены методика и результаты расчета синхронного электродвигателя с постоянными магнитами с учетом допустимого перегрева.

Ключевые слова: многооборотный электропривод, синхронный двигатель, проектирование.

Бесконтактные моментные электродвигатели серии ДБМ производства АО «Машиноаппарат» получили широкое применение в управляемом электроприводе благодаря своим малым массе, габаритам, встраиваемому исполнению и широкой гамме типоразмеров. Применение таких электродвигателей в перспективном многооборотном электроприводе для запорной арматуры позволит уменьшить его массу и габариты, обеспечит возможность изменять как в процессе производства, так и при эксплуатации электропривода такие параметры, как частота вращения выходного вала и выходной момент без внесения изменений в конструкцию силовой трансмиссии.

Важным параметром электропривода, от которого зависит надежность функционирования, является тепловой режим электродвигателя. Встраиваемое конструктивное исполнение электродвигателей серии ДБМ дает возможность эффективного отвода тепла, выделяющегося в статоре, а использование магнитов с высокой коэрцитивной силой позволяет допускать перегрузки по току и моменту [1].

Исходные данные для расчета синхронного электродвигателя с постоянными магнитами для многооборотного электропривода с силовыми трансмиссиями 7МРЭП -88 ВЗП-01 приведены в табл. 1.

Все расчеты и выбор двигателя производятся при минимальном напряжении источника питания.

Амплитуда фазного напряжения, сформированного блоком управления, определяется по формуле

иаф ип.гаш 'ПшимKKтб,

где Пшим - КПД широтно-импульсного модулятора (ШИМ); К - коэффициент, учитывающий положение рабочей точки; Кб - коэффициент, учитывающий режим работы преобразователя ШИМ; ип.тг„ - амплитуда пониженного напряжения питания.

Таблица 1

Исходные данные для расчета синхронного электродвигателя с постоянными магнитами

№ п/п Наименование параметра Значения Размерность

1 Момент нагрузки 15 Нм

2 Момент нагрузки кратковременный 37 Нм

3 Скорость вращения 1840 об/мин

4 Ускорение 0 град/с2

5 Амплитуда повышенного напряжения питания (+10 %) 594 В

6 Амплитуда номинального напряжения питания 540 В

7 Амплитуда пониженного напряжения питания (-15 %) 459 В

Рабочая точка двигателя определяется параметрами:

- частота вращения - 1820 об/мин;

- момент нагрузки - 15 Нм.

Исходным данным удовлетворяет двигатель 5ДБМ150-4-3,7-3, технические характеристики которого приведены в табл. 2.

Таблица 2

Технические характеристики двигателя 5ДБМ150-4-3,7-3

№ п/п Наименование характеристики Значение Размерность

1 Схема включения Звезда

2 Масса 9,3 кг

3 Число пар полюсов 8 -

4 Номинальное напряжение питания 330 В

5 Частота вращения при идеальном холостом ходе: - не менее - не более 3400 3800 об/мин

6 Пусковой момент не менее 100 Нм

7 Сопротивление фазы постоянному току при 20 °С: - не менее - не более 1,80 1,84 Ом

8 Электромагнитная постоянная времени фазы 0,56 мс

9 Приведённые к фазе коэффициенты См: - не менее - не более 0,57 0,61 Нм/А

10 Момент инерции ротора 0,003 кгм2

11 Момент сопротивления при обесточенной обмотке 0,12 Нм

12 Предельно допустимая амплитуда тока в фазе 25 А

13 Номинальные обороты 3563 об/мин

14 Потери в спинке статора. 37,7 Вт

15 Потери в зубцах 51,7 Вт

Мощность потерь в обмотках статора определяется по формуле

Рм = 1,5-/2Д,

где I - ток в обмотке статора; Я - сопротивление фазы постоянному току.

Мощность потерь на перемагничивание в стали определяется по выражению

рс (Рстат + рзуб)(а / ^ном) ?

где Рс - мощность потерь на перемагничивание в стали; Рстат - потери в спинке статора; Рзуб - потери в зубцах; - текущее значение частоты вращения двигателя; Оном - номинальное значение частоты вращения. Перегрев электродвигателя определяется по формуле

П = (Рм + Рс)9, где 0 - термическое сопротивление статора.

На основании текущих значений частоты вращения двигателя и соответствующего текущего момента на валу построена механическая характеристика и рабочие зоны электродвигателя для кратковременного и долговременного режимов работы с учетом перегрева. Результаты построений показаны на рис. 1.

5000

1 4000

3 1

§ 3000

I

о 2000

1000

ч. !

Л

5 3 /

/

!

! 4

"

/

1 ! >

125

О

10

75

50

25

| « &

I

К

10 20 Момент. Нм

30

Рис. 1. Механическая характеристика рабочей зоны электродвигателя 5ДБМ150-4-3,7-3:1 - идеальная механическая характеристика;

2 - граница рабочей зоны для кратковременного режима работы;

3 - граница рабочей зоны для продолжительного режима работы; 4 - перегрев для кратковременного режима работы; 5 - перегрев

для продолжительного режима работы; «*» - рабочая точка

257

Из рис.1 следует, что рабочая зона двигателя для продолжительного режима 51 ГОСТ 183-74 ограничена механической мощностью нагрузки и перегревом двигателя.

По условиям эксплуатации многооборотного электропривода электродвигатель работает в кратковременном режиме 52 ГОСТ 183-74 .

Для проверки возможности работы двигателя 5ДБМ150-4-3,7-3 в зоне 52 были проведены экспериментальные измерения с целью определения постоянной времени нагрева обмоток.

Результаты экспериментальных измерений приведены на рис.2.

1 2 3 4 5

Время, мин

Рис. 2. График изменения температуры обмоток электродвигателя 5ДБМ150-4-3,7-3 при постоянном токе: «+»-1 = 10А; «А»-1 = 17А

Из графика изменения температуры обмоток при токе 10 А видно, что постоянная времени нагрева обмоток составляет 1,7 минуты. На основании экспериментального графика был экстраполирован график изменения температуры обмоток при токе 17 А. Из графика видно, что максимально допустимую температуру перегрева 130 °С обмотки двигателя достигают за 1,5 минуты.

Принимая во внимание, что длительность однократной работы электропривода в режиме 52 может достигать 6 минут, можно сделать вывод, что произойдет чрезмерный разогрев двигателя.

Тем не менее, двигатель 5ДБМ150-4-3,7-3 по своей мощности и механическим характеристикам подходит для работы в многооборотном электроприводе в случае изменения передаточного числа редуктора в сторону увеличения и снижения нагрузки на валу двигателя до 10 Нм. При этом рабочая точка на механической характеристике будет иметь координаты:

- частота вращения - 2820 об/мин;

- момент нагрузки - 10 Нм.

В этом случае двигатель 5ДБМ150-4-3,7-3 будет работать в зоне с температурой перегрева 87 °С, а выходные характеристики многооборотного электропривода (вращающий момент на выходном валу и скорость вращения выходного вала) не изменятся.

Аналогичные расчеты были сделаны для электродвигателя 5ДБМ185-16-3-3-540, технические характеристики которого приведены в табл. 3.

Таблица 3

Технические характеристики электродвигателя 5ДБМ185-16-3-3-540

№ п/п Характеристика Значение Размер-ть

1 Схема включения Треугольник

2 Наружный диаметр статора 175 мм

3 Масса 9,3 кг

4 Число пар полюсов 8 -

5 Номинальное напряжение питания 540 В

6 Частота вращения при идеальном холостом ходе 2971 об/мин

7 Пусковой момент не менее 79,9 Нм

8 Сопротивление фазы по постоянному току при 20°С 0,71 Ом

9 Электромагнитная постоянная времени фазы 4,28 мс

10 Приведённый к фазе коэффициент момента (СМ) 1,06 Нм/А

11 Приведённый к фазе коэффициент ЭДС (СЕ) 1,16 Вс/рад

12 Момент инерции ротора 0,005 кгм2

13 Термическое сопротивление статора 0,15 °С/Вт

14 Электромеханическая постоянная времени 2,06 мс

15 Номинальные обороты 2912 об/мин

16 Потери в спинке статора 71,0 Вт

17 Потери в зубцах 106,0 Вт

По результатам расчета построена механическая характеристика, положение рабочей точки и графики перегрева электродвигателя 5ДБМ185-16-3-3-540, приведенные на рис. 3.

Рабочая точка двигателя входит в зону продолжительного режима работы £1, а, следовательно, гарантированно удовлетворяет техническим требованиям.

Таким образом, на основании расчетов можно утверждать, что технические требования к электроприводу с использованием двигателя 5ДБМ150-4-3,7-3 могут быть удовлетворены при условии изменения передаточного числа силовой трансмиссии в сторону увеличения и снижения момента нагрузки на валу двигателя до 10 Нм. Выходные характеристики многооборотного электропривода (вращающий момент на выходном валу и частота вращения выходного вала) не изменятся, если повысить номинальную частоту вращения электродвигателя до 2840 об/мин

Рис. 3. Механическая характеристика, положение рабочей точки и графики перегрева электродвигателя 5ДБМ185-16-3-3-540: 1 - идеальная механическая характеристика: 2 - граница рабочей зоны; 3 - перегрев для кратковременного режима работы; 4 - перегрев для продолжительного режима работы; «*» - рабочая точка

Электродвигатель 5ДБМ185-16-3-3-540 полностью удовлетворяет техническим требованиям многооборотного электропривода.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ.

Список литературы

1. Электродвигатели бесконтактные моментные с постоянными магнитами. Методические указания по применению. РД 16.480-88.

K.S. Fedoseev

RATIONALE FOR THE CHOICE SYNCHRONOUS MOTOR WITH PERMANENT MAGNETS FOR MULTI-TURN ACTUATORS

The method and results of the calculation of synchronous motor with permanent magnets within the allowable overheating are given.

Key words: multi-turn electric drive, asynchronous electric motor, design engineering.

Получено 18.10.11