CC BY
119
УДК 629.423:62-83
А. Е. ДРУБЕЦКИЙ (ДИИТ)
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТА ВЕНТИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ С КОГТЕОБРАЗНЫМИ ПОЛЮСАМИ
Розглянуто особливостi конструкци та розрахунку вентильного електродвигуна з к1гтеобразними полюсами.
Рассмотрены особенности конструкции и расчета вентильного электродвигателя с когтеобразными полюсами.
The peculiarities of structure and calculation of the semiconductor rectifier electric engine with beak-shaped poles have been considered.
Введение
Основными типами бесконтактных электродвигателей, используемых в регулируемом электроприводе, в частности тяговом, являются асинхронные и вентильные. В настоящей работе рассмотрены вентильные двигатели (ВД), как одно из быстроразвивающихся научно-технических направлений. Действительно, электропривод на основе вентильных двигателей все более широко используется в таких областях техники и промышленности, как приборная автоматика, станкостроение и робототехника, автоматизированные технологические линии, транспорт, аэрокосмическая техника, насосное и компрессорное оборудование и др. [1], где ранее в основном использовали асинхронные двигатели. Этому, кроме развития силовой полупроводниковой техники, в основном способствовало внедрение бесконтактной конструкции вентильных двигателей.
Преимущества бесконтактной конструкции очевидны: простота и технологичность производства, практически полное отсутствие технического обслуживания в процессе эксплуатации, высокая ремонтопригодность. Такой конструкцией обладают следующие ВД: индукторные, реактивные, с постоянными магнитами, с когтеобразными полюсами и с вращающимися трансформаторами. ВД с вращающимися трансформаторами в электроприводе не применяются поскольку, несмотря на бесконтактность, конструктивно являются еще более сложными, чем машины со скользящими контактами.
В настоящее время наиболее перспективными для применения в диапазоне малых мощностей являются реактивные ВД, малых и средних мощностей - ВД с постоянными магнитами [1], средних и больших мощностей - индуктор-
ные. Однако, для применения в тяговом приводе наибольший интерес представляют собой индукторные ВД и ВД с когтеобразными полюсами.
Особенности конструкции и расчета
Ниже представлены особенности конструкции и расчета ВД с когтеобразными полюсами как наименее изученного и представляющего большой интерес как основа для тягового привода, охватывающего весь диапазон мощностей.
Статор и якорная обмотка у ВД с когтеоб-разными полюсами такие же, как и в обычных синхронных и асинхронных машинах. В остальном имеются существенные отличия. Ротор не имеет обмоток и состоит из вала с немагнитной вставкой (три части вала сварены трением) и двух полюсных систем северной и южной полярности, каждая из которых представляет собой цилиндрическую стальную отливку с когтеобразными полюсными выступами (рис. 1 и рис. 2).
Рис. 1. Общий вид ротора с когтеобразными полюсами
© Друбецкий А. Е., 2010
ми для малой и средней мощности после проведенного расчета ВД мощностью 1220 кВт оказалась применимой и для машин большой мощности [2].
Рис. 2. Составные части когтеобразного ротора:
1 - вал; 2 - немагнитная вставка; 3 - когтеобразные
полюсные выступы; 4 - цилиндры полюсных систем
Обмотку возбуждения располагают на статоре и выполняют в виде двух колец.
Роль магнитопровода выполняют не только ротор и статор, но также подшипниковые щиты и станина [2] (рис. 3).
Рис. 3. Магнитная цепь ВД с когтеобразными полюсами:
1 - полюс; 2 - воздушный зазор; 3 - статор;
4 - цилиндр полюсных систем; 5 - дополнительный воздушный зазор; 6 - подшипниковый щит; 7 - станина;
8 - обмотка возбуждения; МСЛ - магнитная силовая линия
Особенностями расчета ВД с когтеобразны-ми полюсами являются расчеты: магнитной цепи, индуктивных сопротивлений и добавочных потерь.
Как указано в [2], магнитная цепь ВД с ког-теобразными полюсами является сложной благодаря своей трехмерной пространственной конфигурации и наличию развитых магнитных потоков рассеяния. Упрощенная схема замещения магнитной цепи двухполюсного ВД с ког-теобразными полюсами представлена на рис. 4 [3]. Обозначения без штрихов относятся к левой половине, а обозначения со штрихами - к правой половине машины относительно оси поперечной симметрии машины на рис. 3. Элементы магнитной цепи представлены в виде источников МДС и магнитных сопротивлений. Однако в инженерной практике используется метод магнитных проводимостей [4]. Приведенная в [4] методика расчета магнитной цепи синхронных машин с когтеобразными полюса-
Рис. 4. Упрощенная схема замещения магнитной цепи ВД с когтеобразными полюсами:
^ - МДС одной ОВ; ¥аЛ - МДС якоря на один полюс,
приведенная к ОВ; К , Кщ , Ка , Кт , К , К , К , К ,
К0 - соответственно, магнитные сопротивления половины наружного корпуса, левого бокового щита, дополнительного зазора, цилиндра полюсных систем, полюса, зубцового слоя якоря, спинки якоря (на полюс), пакета якоря между рабочим зазором и корпусом для полюса одной полярности; Кав , Кап , Кпвт, Кот - соответственно, магнитные сопротивления рассеяния вокруг ОВ, между полюсами, между цилиндрами полюсных систем, между торцами пакета якоря и выступающими за пределы активной зоны участками полюсов
При расчете магнитного поля в воздушном зазоре ВД с когтеобразными полюсами, как и для явнополюсных машин, пользуются следующими коэффициентами: расчетной полюсной дуги аг-, формы поля возбуждения кф и ку, формы поля реакции якоря по продольной кай и ка и поперечной кад осям и приведения
МДС реакции якоря к МДС обмотки возбуждения кй и кч .
Несмотря на то, что у ВД с когтеобразными полюсами воздушный зазор между активными поверхностями выполняется равномерным, расчет магнитного поля в воздушном зазоре в общем случае усложняется. Этому способствует не только указанная выше сложная конфигурация магнитопровода и значительная протяженность пути потока, но также аксиальная составляющая магнитного потока в полюсах и, как следствие, переменная ширина активных поверхностей полюсов [5]. Переменная ширина активных поверхностей полюсов необходима
для уменьшения неравномерного распределения индукции по поверхности полюса.
В связи с этим в расчетные формулы для aj, к^, кай, ка, ка и кч введены поправки,
уменьшающие эти коэффициенты в зависимости от величины скоса полюсов.
В результате проведенного расчета ВД большой мощности выяснилось, что рекомендуемая оптимальная геометрия активной поверхности полюса, при которой средняя относительная полюсная дуга равна 0,6...0,62, а максимальная - 0,9.0,95 [6] не улучшает добротность магнитопровода, а только увеличивает магнитные потоки рассеяния, делая невозможным размещение обмотки возбуждения таких размеров, чтобы создать требуемый основной магнитный поток. Опытным путем удалось установить, что для ВД с когтеобразными полюсами большой мощности более оптимальной будет средняя полюсная дуга, равная «0,583 и максимальная « 0,664. В связи с этим, формулы для определения вышеназванных коэффициентов можно использовать без поправок, что упрощает расчет. Более сильное же искажение кривой противо-ЭДС, чем в случае с большим скосом полюсов, не имеет существенного значения для ВД.
Как отмечалось в [2], одними из важнейших параметров определяющих работу ВД в переходных режимах, являются сверхпереходные индуктивные сопротивления. Однако расчетное определение их для машин традиционной конструкции и для машин с когтеобразными полюсами идет двумя разными путями. В общем случае сопротивление магнитопровода протекающим по нему вихревым токам является комплексным. В расчетах машин традиционной конструкции можно легко отдельно определить его мнимую составляющую, являющую собой индуктивное сопротивление. Но в машинах с когтеобразными полюсами это сделать невозможно.
В этом случае расчет выполняется так же, как и для машин с массивными полюсами [7]. В данной работе определение сверхпереходных параметров производится при помощи теоремы Умова-Пойнтинга, записанной в виде:
£ = 11Ет • НА? = 2• 12т + X), (1)
где Ет и Нт - комплексные амплитуды на-пряженностей магнитного и электрического полей на поверхности полюса;
1_т - комплексная амплитуда вихревых токов в полюсе;
£ - комплексная мощность, выделяемая в полюсе.
В работе [8] проведено уточнение расчетных формул и даны рекомендации по выбору поверхностей полюсов, поглощающих мощность £.
откуда
Xд =
2 • £
(2)
Рис. 5. Область тангенциального рассеяния
Т.к. площадь междуполюсного пространства необходимо определить точно, то для этого можно воспользоваться исходными положениями для расчета магнитных проводимостей междуполюсного рассеяния [4]. После некоторых преобразований получаем весьма удобные для инженерных расчетов формулы. В [4] поверхность междуполюсного рассеяния подразделяется на ряд идеализированных составляющих: тангенциальную, торцевую, угловую и
т
внутреннюю. Область тангенциального рассеяния имеет вид рис. 5.
Площадь тангенциального рассеяния определяется по формуле
st —ctgß' (р2-р2)-
-2-Р2 • ctg ßi-(-Pi )
(3)
где ctg ß' - котангенс расчетного угла скоса полюса;
Pj, р2 - радиусы, проведенные из точки пересечения условных продолжений поверхностей тангенциального рассеяния полюсов [4].
Область торцевого и углового рассеяния имеет вид рис. 6.
Рис. 6. Область торцевого и углового рассеяния
Площадь углового рассеяния пренебрежимо мала по сравнению с остальными поверхностями, поэтому ею можно пренебречь. Площадь торцевого рассеяния определяется по формуле:
St —
п-а
mini
sin ß
( -ri2)-
sin а
(r2 - ri2)-B •( Г2 - r )):
(4)
где атЬ1 - расчетный коэффициент минимального полюсного перекрытия; в - угол скоса полюса;
г1 , г2 - радиусы нижней и верхней границы области рассеяния;
а - угол скоса поверхности полюсной системы другой полярности, расположенной напротив торца полюса, площадь поверхности которого определяется;
В - размер [4];
р - число пар полюсов.
Область внутреннего рассеяния имеет вид рис. 7.
Рис. 7. Область внутреннего рассеяния
Площадь внутреннего рассеяния определяется по формуле:
о П ^мmini
S =-+
(2 • R mini + |tg ß) • |tg ß
(5)
где Ям тЬ1 - радиус основания полюса;
10 - расстояние между цилиндрами полюсных систем [4].
Площадь поверхности рассеяния полюса определяется как сумма площадей идеализированных составляющих
ßa— 2ST+ St + S .
(6)
Далее определяются параметры элементов схемы замещения машины по продольной и поперечной осям (в переходных режимах). Сверхпереходные сопротивления определяются
+
как входные сопротивления по отношению к зажимам машины [8] (рис. 8).
Рис. 8. Схемы замещения по двум осям синхронной машины с когтеобразными полюсами для расчета сверхпереходных индуктивных сопротивлений:
Zd и Z" - полные сверхпереходные сопротивления, соответственно, по продольной и поперечной осям; Z1 -полное индуктивное сопротивление обмотки якоря; ]х5 и - индуктивное сопротивление основного воздушного зазора, соответственно, по продольной и поперечной осям; Zд л и 2 ^ - полные сопротивления, отображающие демпфирующие контуры массивных полюсов, соответственно, по продольной и поперечной осям; и
- -"- короткозамыкающих колец, соответственно, по продольной и поперечной осям; - -"- обмотки возбуждения; - -"- подшипниковых щитов; --"- станины; - индуктивное сопротивление междуполюсного рассеяния; , - индуктивное сопротивление дополнительного воздушного зазора
Мнимая составляющая и будет искомым сверхпереходным индуктивным сопротивлением, соответственно, по продольной и поперечной осям.
Добавочные потери в синхронных машинах с когтеобразными полюсами, как правило, больше, чем синхронных машинах обычного исполнения. Прежде всего, это связано с наличием массивного ротора, ферромагнитных щитов и станины по которым замыкается основной магнитный поток.
Добавочные потери состоят из: добавочных потерь в лобовых частях обмотки якоря, добавочных потерь в пазовой части обмотки якоря, добавочных потерь в обмотке возбуждения, добавочных потерь в сердечнике якоря, добавочных потерь в станине и щитах [9]. Это можно отнести и к ВД с когтеобразными полюсами. Причем точное расчетное определение их настолько сложно, что для синхронных машин с когтеобразными полюсами их определяют экспериментально и на основании эксперимента даются приближенные формулы. Также можно
воспользоваться методом физического моделирования и определить добавочные потери по переводной формуле [9].
Данные выражения целесообразно применять для высокоскоростных синхронных машин повышенной частоты. Для ВД, работающего с номинальной частотой 80 Гц, на начальном этапе проектирования допустимым является приближенная оценка добавочных потерь. В проектируемом ВД добавочные потери, рассчитанные по переводной, формуле, оказались равными 0,3 % от номинальной мощности. Более точное определение добавочных потерь требует новых исследований в области именно вентильных двигателей.
Выводы
Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что ВД с когтеобразными полюсами являет собой огромную неисследованную область, которой могут быть посвящены десятки научных и инженерных работ, которые, наряду с оптимальным проектированием, могут создать мощную базу для электрической тяги и иных областей управляемого электропривода.
Продольный разрез тягового ВД с когтеоб-разными полюсами представлен на рис. 9.
2.
Рис. 9. Продольный разрез тягового ВД с когтеобразными полюсами
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Овчинников, И. Е. Вентильные электрические двигатели и привод на их основе [Текст] : курс лекций / И. Е. Овчинников. - СПб.: КОРОНА-Век, 2006. - 336 с.
Друбецкий, А. Е. Особенности конструкции вентильного электродвигателя с когтеобразны-ми полюсами [Текст] / А. Е. Друбецкий // Пр-нича електромехашка та автоматика: наук.-техн. зб. - 2009. - Вип. 83. - С. 104-110.
3. Бут, Д. А. Бесконтактные электрические машины [Текст] : учеб. пособие для электромех. и электроэнерг. спец. вузов / Д. А. Бут. - М.: Высш. шк., 1990. - 416 с.
4. Рыжков, В. С. Методика расчета магнитной проводимости междуполюсного рассеяния в машинах с когтеобразными полюсами [Текст] / В. С. Рыжков // Бесконтактные электрические машины. - 1968. - т. 7. - С. 137-157.
5. Рыжков, В. С. Расчет магнитного поля в воздушном зазоре синхронной машины с когтеобразными полюсами [Текст] / В. С. Рыжков // Бесконтактные электрические машины. - 1975. -Вып. 14. - С. 134-160.
6. Ротор синхронной машины с когтеобразными полюсами [Текст] : а. с. № 313259 (СССР) / Л. А. Зильберштейн, Г. А. Минаева, В. А. Поте-
енко и др. // Открытия, изобретения. Пром. образцы. Товарные знаки. - 1971. - № 26.
7. Пик-Пичак, А. А. К расчету массивного ротора [Текст] / А. А. Пик-Пичак. // Вестник электропромышленности. - 1959. - № 6. - С. 36-44.
8. Туманов, В. И. Расчетное и экспериментальное определение сверхпереходных параметров синхронных машин с внешнезамкнутым магнитным потоком [Текст] / В. И. Туманов // Вестник электропромышленности. - 1962. - № 6. -С. 41-44.
9. Рыжков, В. С. Добавочные потери в бесконтактных синхронных машинах с когтеобразным ротором [Текст] / В. С. Рыжков // Электротехника. - 1967. - № 5. - С. 31-35.
Поступила в редколлегию 09.03.2010.
Принята к печати 17.03.2010.
