CC BY
81
УДК 621.313
СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ ПОЛЮСНЫМ И ЗУБЦОВЫМ ДЕЛЕНИЯМИ В БЕСКОНТАКТНОМ ДВИГАТЕЛЕ С ВОЗБУЖДЕНИЕМ ОТ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ
А.Н. Анненков, О.В. Родионов, М.А. Иванов
На основании оптимизационных электромагнитных расчётов бесконтактных двигателей с возбуждением от постоянных магнитов методом конечных элементов определено рациональное соотношение между шириной полюса ротора и зубцовым делением статора для БДПМ мощностью до 1 кВт
Ключевые слова: электромагнитный расчёт, постоянные магниты, метод конечных элементов, геометрия зубцовой зоны
С целью определения рациональной геометрии магнитной цепи бесконтактного двигателя БД 40 исследовались конструкции с радиальным намагничиванием постоянных магнитов.
Во всех конструкциях применены постоянные магниты Ю8Н (М-Ре-В). В качестве материала магнитопровода статора использовалась шихтованная сталь 2212. В качестве материалов вала и ярма ротора использовалась сталь 20Х13. Марка провода обмотки статора - ПЭВТЛД.
Ставилась задача обеспечить приемлемый уровень потерь в двигателе, работающем в старт -стопном режиме, который соответствует выбранному классу изоляции (Н), а также максимально возможное быстродействие - время пуска двигателя на уровне 5^6 тс (ускорение привода центрифуги, для которого предназначен данный двигатель, должно составлять не менее 5000 рад/с, а на валу БД 40 установлен массивный технологический столик с обрабатываемыми подложками диаметром до 150мм и соответствующими моментами инерции).
Аксиальная длина машины Ьа = 40 мм. Это значение используется при расчете моментов.
В качестве исходных условий задаются плотности токов в обмотке статора с учетом схемы обмотки в некоторый фиксированный момент времени. Именно поэтому задача формулируется как магнитостатическая [1]. Также задается угол нагрузки в, определяемый как угол в электрических градусах между полем ротора и полем статора в фиксированный момент времени. Величина угла нагрузки в вводится путем изменения фазового сдвига плотностей токов в пазах статора.
Ниже приведены результаты расчетов магнитного поля опытных образцов БД 40. Показаны картины магнитного поля в виде силовых линий (рис. 1, 2). В магнитном отношении сечения стали в обеих машинах нагружены примерно одинаково. Точность расчета подтверждается соблюдением баланса мощностей и совпадением расчетных характеристик с экспериментальными.
Анненков Андрей Николаевич - МИКТ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: annenkov_mikt@mail.ru Родионов Олег Валерьевич- ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: saums@vorstu.ru Иванов Михаил Алексеевич - ВГТУ, аспирант, e-mail: rorto@mail.ru
По полученным характеристикам электромагнитного поля и моментам определены потери и полезная мощность, а также рассчитаны постоянные времени. Величина момента в двухполюсной конструкции на 12% меньше, чем в четырёхполюсной, что свидетельствует о том, что в одном габарите рассеяние двухполюсного исполнения в относительных единицах больше.
Рис. 1. Картина магнитного поля БД 40 р =1
Рис. 2. Картина магнитного поля БД 40 р =2
Для оценки влияния зубчатости статора на распределение магнитной индукции в зазоре приведены соответствующие кривые (рис.3, 4). Зубчатость
сердечника в большей степени влияет на распределение индукции в двухполюсной машине, в которой поэтому средний уровень индукции в зазоре несколько ниже, чем в четырёхполюсной. Последнее позволяет сделать важный вывод, который можно использовать в качестве общей рекомендации по проектированию БДИМ: с целью повышения среднего уровня индукции в зазоре и снижения уровня её пульсации отношение ширины полюса ротора к величине зубцового деления статора должно стремиться к нечётному числу, но не быть кратным ему.
11.0 Ш7 4 2011 16:30:19 FUJI NO. 1 FCST1 STEP=1 SUB =1 TIME-1 PATH PLOT HCD1-32 NCD2-32 BSOM
ZV -1 *DIS]>.75 XF =.5 YF =.5 ZF =.5 Z—BUFFER VSCft-.3
Рис. 3. Распределение индукции в зазоре, р=1
Рис. 4. Распределение индукции в зазоре, р=2
То есть должны выполняться следующие критериальные соотношения (К - натуральное число):
2• N + 0,5<-^< 2• N +1
^z\
2 • N +1< ^ < 2 • N +1,5 i-,
Численный анализ, к которому относится МКЭ, несмотря на мощное развитие вычислительной тех-
ники, требует некоторой идеализации реальной конструкции. Поэтому результаты вычислений МКЭ не свободны от погрешностей [2]. Погрешности машинной реализации МКЭ связаны с вычислением коэффициентов и параметров дискретных задач за счет численного интегрирования, заменой начальной функции её интерполянтом, а также накоплением ошибок округления в процессе машинного счёта. В расчётных моделях количество конечных элементов, на которые были разбиты активные области БД 40 лежало в пределах 50 ^ 60 тыс.
Оценка точности получаемого решения содержит три вида погрешности: одна связана с соответствием нелинейной кривой намагничивания материала его фактическому насыщению, другая - с ошибками при получении модели, а третья - с точностью машинной реализации численного метода конечных элементов [3]. В целом при исключении ошибок при постановке задачи погрешность расчёта по сравнению с экспериментом не превышает 5%.
Сопоставление результатов численного моделирования с экспериментальными исследованиями БД 40 показало, что главными факторами влияния на точность результатов являются погрешности, связанные с воспроизведением геометрии объекта в модели и аппроксимацией нелинейных свойств материалов его областей, а также число конечных элементов разбиения и степень их аппроксимирующих полиномов.
Основные выводы.
1. Четырёхполюсный БД-40 более напряжён в тепловом отношении по сравнению с двухполюсным из - за повышенного уровня потерь в стали (примерно вдвое больше электрических потерь в обмотке статора).
2. Практика расчётов показала, что в БДИМ, спроектированных с учётом обеспечения высоких энергетических показателей, потери в стали и в меди примерно равны.
3. С целью повышения среднего уровня индукции в зазоре и снижения уровня её пульсации отношение ширины полюса ротора к величине зубцового деления статора должно стремиться к нечётному числу, но не быть кратным ему.
Литература
1. Бахвалов Ю.А., Никитенко А.Г., Гринченков В.П., Косиченко М.Ю. Численное моделирование стационарных магнитных полей магнитоэлектрических систем методом конечных элементов. Электротехника,1999, №1. С. 29-32.
2. Анненков А.Н., Иванов М.А. Электромагнитный расчёт электродвигателя с возбуждением от постоянных магнитов // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве: Тр. всероссийской конф. - Воронеж, 2009. - С. 133-134.
3. http://www.ansvs.ru
Воронежский государственный технический университет Международный институт компьютерных технологий
PARITY BETWEEN POLAR AND TEETH DIVISIONS IN THE THYRATRON MOTOR WITH EXCITATION FROM CONSTANT MAGNETS A.N. Annenkov, O.V. Rodionov, M.A. Ivanov
On the basis of optimizing electromagnetic calculations of thyratron motor with excitation from constant magnets оп the basis of a method of final elements, defines a rational parity between width of a pole rotor and teeth division of stator for thyratron motor capacity to 1 kw
Key words: electromagnetic calculation, eonstant magnets, method of final elements, geometry teeth zones
