Содержание к диссертации
Введение
1 Конструктивные особенности вентильно-индукторной электрической машины, область применения и анализ факторов, сдерживающих ее использование 12
1.1 Конструктивные особенности 12
1.2 Область применения 18
1.3 Анализ основных факторов, сдерживающих применение ВИМ 28
1.4 Определение допустимой величины силы одностороннего магнитного притяжения 44
Выводы по главе 1 45
2 Математическое моделирование вим с учетом неуравновешенных сил одностороннего магнитного притяжения ротора к статору 47
2.1 Алгоритм расчета параметров и характеристик ВИМ с учетом несимметричного расположения ротора 47
2.2 Расчет влияния несимметричного расположения ротора на характеристики ВИМ с общим магнитным потоком катушек в пределах одной фазы 52
2.3 Расчет влияния асимметрии ротора на характеристики ВИМ с независимы магнитным потоком катушек в пределах одной фазы 61
2.4 Расчет статических характеристик магнитных систем 12/14, 12/10 и 12/8. Сравнительный анализ вариантов 66
2.5 Расчет сил ОМП в магнитной системе 12/14 при двух разных вариантов смещения ротора 71
Выводы по главе 2 74
3 Способы уменьшения негативного влияния неуравновешенных сил одностороннего магнитного притяжения ротора к статору 77
3.1 Исследование параметров ВИМ при последовательном и параллельном соединении катушек обмотки двигателя в пределах одной фазы для ВИМ с конфигурацией магнитной системы 12/14 77
3.2 Активный магнитный подвес ротора ВИМ 83
3.3 Устройство для гашения колебаний в ВИМ от сил ОМП 85
Выводы по главе 3 87
4 Экспериментальные исследования вим при несимметричном расположении ротора 88
4.1 Состав и описание испытательного оборудования 88
4.2 Измерение силы ОМП для верификации исходных расчетных данных 90
4.3 Определение уровня шума макетного образца ВИМ при последовательном и параллельном соединении катушек 93
Выводы по главе 4 101
Заключение 102
Список литературы 104
- Анализ основных факторов, сдерживающих применение ВИМ
- Расчет влияния несимметричного расположения ротора на характеристики ВИМ с общим магнитным потоком катушек в пределах одной фазы
- Активный магнитный подвес ротора ВИМ
- Определение уровня шума макетного образца ВИМ при последовательном и параллельном соединении катушек
Введение к работе
Актуальность работы.
В настоящее время электромеханические преобразователи энергии вентильно-индукторного типа находят все большее применение в промышленности, на транспорте, в бытовой и медицинской технике.
Теория вентильно-индукторных электрических машин (ВИМ) в последнее время интенсивно развивалась, благодаря этому по основным технико-экономическим показателям ВИМ не уступает лучшим образцам традиционных электрических машин с круговым полем в воздушном зазоре.
Однако далеко не все проблемы решены. Актуальность избранной темы диссертации заключается в исследованиях, направленных на решение задач по улучшению потребительских качеств ВИМ, в частности, виброакустических показателей и показателей надежности – важных для подавляющего большинства областей применения.
ВИМ имеет электромагнитное возбуждение, и величина КПД существенно зависит от величины воздушного зазора. Чем меньше зазор, тем выше КПД. Стремление уменьшить зазор порождает серьезную проблему роста радиальных сил взаимодействия статора и ротора вследствие роста неравномерности магнитных проводимостей между зубцами возбужденных фаз. При малых воздушных зазорах, соизмеримых с допусками в конструкторской документации на изготовление магнитопровода и корпусных деталей ВИМ, магнитные проводимости воздушного зазора между зубцами статора и ротора, зависящие от его величины, существенно отличаются. При работе ВИМ в этом случае возникает результирующая неуравновешенная сила одностороннего магнитного притяжения (ОМП) между статором и ротором, направленная в сторону меньшего воздушного зазора. Величина и направление этой силы в каждый момент времени зависит от магнитодвижущей силы обмотки статора и взаимного расположения ферромагнитных тел статора и ротора, которое при вращении ротора меняется.
В общем случае неравномерность воздушного зазора ВИМ может быть порождена бесчисленным количеством вариантов взаимного расположения статора и ротора. Провести расчеты для всех возможных вариантов не представляется возможным, поэтому в данной работе при построении математической модели и последующих расчетах под понятиями «неравномерный воздушный зазор» или «несимметричное расположение ротора» понимается параллельный сдвиг оси симметричного ротора относительно оси расточки статора.
Силы ОМП являются фактором, существенно ускоряющим износ подшипниковых узлов ВИМ и порождающим вибрации и шум. Задачи исследования надежности работы подшипниковых узлов и исследования вибрации и шума в ВИМ – это две разные задачи с существенно отличающимися методами исследований. Однако в данной работе эти задачи рассмотрены во взаимосвязи, поскольку предметом исследования является один из основных источников как одних, так и других проблем.
Вследствие невозможности абсолютно точно изготовить детали, из которых состоит ВИМ, и исключить микронеточности сборки, силы ОМП будут присутствовать всегда. Поэтому, важной задачей является выбор рациональной геометрии активной части, разработка методики определения этих сил и разработка технических предложений по их снижению до допустимой величины. Также необходимо уточнить понятие «допустимой величины"» для силы ОМП, поскольку существующие ГОСТы не дают ответа на этот вопрос.
Целью диссертационной работы является разработка алгоритма расчета сил ОМП ротора к статору в ВИМ при неравномерном воздушном зазоре, исследование этих сил и выработка рекомендаций по их снижению.
Предмет исследования: вентильно-индукторные электрические машины с различной конфигурацией зубцовой зоны и неравномерным воздушным зазором.
Для достижения указанной цели решены следующие задачи:
проведен аналитический обзор и анализ способов повышения потребительских качеств ВИМ, таких как виброакустические показатели и износ подшипниковых узлов, а так же осуществлена оценка степени влияния сил ОМП ротора к статору на эти показатели;
предложен алгоритм расчета ВИМ, учитывающий наличие сил ОМП ротора к статору и ориентированный для решения производственных задач;
произведен расчет и анализ влияния несимметричного расположения ротора на характеристики ВИМ для магнитных систем с общим магнитным потоком в пределах одной фазы и со слабой магнитной связью между возбужденными зубцами одной фазы, даны рекомендаций по снижению сил ОМП;
исследованы параметры ВИМ при последовательном и параллельном соединении диаметрально расположенных катушек обмотки в пределах одной фазы для магнитных систем с коротким путем замыкания магнитного потока;
- проведены экспериментальные исследования макетного образца ВИМ.
Методология и методы диссертационного исследования: при решении
поставленных задач использовалась широко распространенная методология комбинированного подхода, основанного на сочетании метода теории поля и теории электрических цепей. В области математического моделирования ВИМ с учетом сил ОМП применялись программные продукты Matlab (Simulink), FEMM 4.2.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что:
разработан алгоритм расчета ВИМ, ориентированный на решение производственных задач, отличающийся в постановочной части анализом допусков конструкторской документации на ВИМ и выбором максимально возможного смещения ротора в сторону действия силы тяжести;
дано обоснование показателя, с которым сравниваются расчетные значения силы ОМП в разработанном алгоритме: допустимой величиной силы ОМП предложено считать амплитуду силы, действующей на подшипник при остаточном дисбалансе, предельно допустимое значение которого регламентируется ГОСТ ИСО 1940-1-2007;
- в результате анализа расчетных данных определено, что при неравно
мерном воздушном зазоре максимум силы ОМП в конце цикла коммутации фа
зы в двигательном режиме работы ВИМ достигается как следствие двух при
чин: 1) при повороте ротора в сторону соосного положения с зубцами статора
вследствие роста магнитного взаимодействия ферромагнитных тел растет раз
ница величины магнитной индукции в воздушном зазоре между диаметрально
расположенными возбужденными зубцами статора и зубцами ротора; 2) пере
ход из насыщенного состояния магнитной системы на линейный участок вслед
ствие уменьшения тока в конце цикла коммутации.
Теоретическая значимость работы состоит в том, что полученным расчетным значениям сил ОМП дано физическое обоснование, а также теоретически обоснованы мероприятия, связанные с уменьшением негативного влияния сил ОМП ротора к статору, и приводящие к снижению вибрации, шума и повышению ресурса работы подшипниковых узлов ВИМ.
Практическая значимость: предложены технические решения, связанные с уменьшением негативного влияния сил ОМП ротора к статору и приводящие к снижению вибрации, шума и повышению ресурса работы подшипниковых узлов.
Результаты диссертационного исследования могут быть использованы на производстве для улучшения эксплуатационных показателей ВИМ, в частности: увеличения ресурса работы подшипниковых узлов; снижения вибраций и шума при работе, что в целом позволит повысить конкурентоспособность ВИМ на рынке электромеханических преобразователей.
Реализация результатов работы:
Результаты диссертационной работы были использованы для подготовки серийного производства ВИМ на предприятии ЗАО «КомТех-Плюс». Были выполнены расчеты сил ОМП при неравномерном воздушном зазоре с учетом допусков на изготовление магнитопроводов статора и ротора. Выполнен анализ распределения сил, даны рекомендации по величине воздушного зазора и допускам на изготовление деталей, влияющих на степень асимметрии ротора в расточке статора. Даны рекомендации по корректировке допусков на изготовление оснастки для сборки ВИМ.
Также результаты диссертационной работы использованы в ОАО «Тихорецкий машиностроительный завод им. В.В. Воровского» при исследовании путевой машины с тяговым двигателем вентильно-индукторного типа в рамках договора «Исследование и разработка электротрансмиссии путевой машины».
Научные положения, выносимые на защиту:
алгоритм расчета ВИМ с учетом сил ОМП ротора к статору;
критерий оценки и способы ограничения негативного влияния сил ОМП на потребительские качества ВИМ;
- результаты исследования сил ОМП, возникающих в несимметричном
воздушном зазоре ВИМ с различными магнитными системами, и с выдачей ре
комендаций по их снижению;
- результаты экспериментальных исследований сил ОМП при несиммет
ричном расположении ротора.
Достоверность и обоснованность основных полученных результатов диссертационной работы обеспечены:
- корректностью принятых допущений при математическом моделировании физических процессов;
- использованием современного программного обеспечения при проведе
нии расчетов на ЭВМ;
- анализом данных математического моделирования и эксперименталь
ных исследований, полученных на макетном образце ВИМ.
Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2011», РГУПС, Ростов-на-Дону, 2011 год;
VIII международной научно-практической конференции «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика», Одесский национальный политехнический университет, г. Одесса, 2011 год;
Научно-практической конференции «Перспективы развития локомоти-во- и вагоностроения России», РГУПС, Ростов-на-Дону, 2011 год;
Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2012», РГУПС, Ростов-на-Дону, 2012 год;
I международной научно-технической конференция «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика», п. Николаевка, Крым,
2012 год;
- Научно-практической конференции «Перспективы развития локомоти-
во- и вагоностроения России», РГУПС, Ростов-на-Дону, 2012 год;
- Международной научно-практической конференции «Транспорт-2013»,
РГУПС, Ростов-на-Дону, 2013 год;
- Международной научно-технической конференции «Электроэнерге
тическая инфраструктура и электроподвижной состав железнодорожного
транспорта. Современные проблемы и задачи», РГУПС, Ростов-на-Дону,
2013 год.
Международной научно-практической конференции «Транспорт-2014», РГУПС, Ростов-на-Дону, 2014 год.
VIII Международный симпозиум «Электрификация, развитие электроэнергетической инфраструктуры и электрического подвижного состава скоростного и высокоскоростного железнодорожного транспорта» (Eltrans-2015), Санкт-Петербург, 2015 год.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 18 печатных работ, из них три в изданиях, рекомендованных ВАК, и две в изданиях, индексируемых в системе цитирования Scopus, один патент на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 100 наименований. Общий объем работы составляет 117 страниц , 60 рисунков, 4 таблицы.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования
и науки Российской Федерации (Соглашение № 14.604.21.0040 от
19.06.2014 г.) в рамках реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы» по теме: «Разработка для транспортных систем тягового вентильно-индукторного привода с пониженным уровнем вибраций и шума». Уникальный идентификатор Соглашения RFMEFI60414X0040.
Анализ основных факторов, сдерживающих применение ВИМ
По сравнению с традиционными электрическими машинами ВИМ имеет следующие преимущества: регулируемое возбуждение, которое обеспечивает реализацию требуемого алгоритма управления; высокая надежность за счет простоты конструкции; конструкция обмотки статора позволяет выполнять ВИМ на более высокие напряжения; технологичность изготовления; высокая ремонтопригодность; относительно небольшое количество обмоточной меди; высокий КПД; - относительно невысокая стоимость. Эти преимущества ВИМ важны для ряда применений в промышленности и на транспорте. ВИМ привлекает внимание разработчиков прежде всего в тех случаях, где имеются тяжелые условия эксплуатации, а показатели надежности и энергоэффективности являются определяющими.
За рубежом и в нашей стране и накоплен значительный опыт проектирования и использования ВИМ [5,8-15]. Они находят применение в различных областях, таких как: - автономные транспортные средства (трамвай, троллейбус, железнодо рожный транспорт и др.); - новые типы машиностроительного оборудования (металлообрабаты вающего, деревообрабатывающего, газодобывающего, нефтеперерабатыва ющего и др.); - новые типы бытовой техники (сепараторы, пылесосы, стиральные машины и т.д.); - источники электрической энергии (гидроэнергетика, ветроэнергетика и т.д.)[16].
Специализированные компании по производству ВИМ существуют в Японии, США, Великобритании, Швеции, Бельгии, Италии и других странах (наиболее известные из них: Aisin Seiki, Emerson/SRDL, Elektro Magnetix Ltd, Emotron A/b, Picanol, Sicmemotori) [16].
Фирма Switched Reluctance Drives Ltd. (SRDL, Harrogate, Великобритания) является пионером в практическом использовании технологии ВИП. По ее лицензиям ряд производителей выпускают продукцию, демонстрирующую универсальность и эксплуатационную гибкость концепции ВИП[16].
В 2000 г. биомедицинская компания Beckman InstrumentsInc. применила ВИП по лицензии SRDL в своих лабораторных центрифугах Avanti серий J &JE на частоту вращения до 30 000мин-1 [16].
Также по лицензии компании SRDL английская фирма Allenwest выпускает общепромышленные электроприводы 7,5-22 кВт, а Jeffrey Diamond -электроприводы 35-300 кВт для шахт и других отраслей с тяжелыми условиями работы. Diamond Drive мощностью 180 кВт используется также в металлургии на установках продольной резки полосы.
Emerson Electric совместно с фирмой Maytag разработана стиральная машина Neptune. Повышенная до 800 мин-1 скорость отжима обеспечивает удаление воды на 30% больше, чем в стандартной машине, что на 25... 30% сокращает время отжима.
В кухонном комбайне Smallfry нового поколения использован компактный привод, разработанный по технологии SR Drive для бытовой техники [16]. CompAirLtd. и Broomwade совместно производят винтовые компрессоры в диапазоне мощностей 1...300 кВт. В винтовых воздушных компрессорах с регулируемой частотой вращения L45SR, L75SR, L120SR применены ВИП, произведенные по лицензии SRDL. Они позволяют точно согласовать потребляемую мощность с потреблением сжатого воздуха. Использована двухфазная машина с четырьмя катушками на статоре [16].
Работая совместно с бельгийской компанией Green Propulsion, которая специализируется в разработке прототипов более чистых транспортных средств, SR Drives создала два двигателя-генератора мощностью 50 и 160 кВт для трансмиссии гибридного типа, позволяющей снизить выделения углерода в транспортных средствах типа автобусов и мусоросборщиков.
Фирма LeTourneau, изготовитель полной гаммы колесных погрузчиков для угля, железной руды, меди и руды драгоценных металлов, использовала SR-технологии в новом колесном погрузчике L-1350. Погрузчик приводится в движение четырьмя тяговыми двигателями SR Drive типа B40 номинальной мощностью 300 кВт (по одному в каждом колесе через планетарный редуктор с передаточным отношением 141:1), питаемыми независимо от дизель-генератора [16].
Генератор MorElectric фирмы Caterpillar мощностью 7,3 кВт разработан как прямая замена существующих автомобильных генераторов переменного тока на 12В и 24В. Имеет КПД 79...83% против 40...60% у обычных автомобильных генераторов. Генератор предназначен для увеличения энерговооруженности вспомогательных электрифицированных систем автомобиля. При примерно одинаковых габаритах новый генератор имеет в 3 раза большую мощность (7,3 кВт против 2,3 кВт) и 2-кратное увеличение срока службы. Используется водяное охлаждение через общий охладитель машины. Масса 22 кг (против 12 кг у стандартного генератора) [16].
Двигатель пылесоса Dyson Digital имеет частоту вращения ротора 100000 мин-1, что в пять раз больше, чем у двигателя болида «Формулы 1» (19 000мин-1) и срок службы более 1000 часов - важный факт с учетом того, что большинство двигателей пылесосов обычно имеют ресурс 600 часов, изнашиваясь намного раньше остальных частей изделия. При массе 1000 г по сравнению с 1300 г для стандартного двигателя, Dyson Digital имеет хорошую удельную мощность на единицу массы. Вес ротора уменьшился на 50%, при этом масса этого вращающегося узла меньше 100 г [16]. Инженерами Elektrotechnisches Institut университета в Карлсруе в сотрудничестве с компанией WEKA ElectricTools разработан переносной сверлильный станок на основе ВИП, который используется в строительной промышленности для сверления отверстий диаметром до 350 мм в стенах и потолках. Он имеет мощность 3700 Вт (из них 73%, а именно 2700 Вт используются для процесса сверления)[16]. Рисунок 1.6 – Ротор и статор двигателя НТИ-350 В России также проводятся системные исследования и разработки ВИМ, соответствующие мировому уровню. Одной из вероятных областей применения ВИМ является тяговый электропривод электрического транспорта. В этой области учеными и инженерами предложен ряд перспективных разработок [9-11,13,17-35].Одним из применений ВИМ на железнодорожном транспорте является индукторный двигатель НТИ-350 для электропоезда
Расчет влияния несимметричного расположения ротора на характеристики ВИМ с общим магнитным потоком катушек в пределах одной фазы
Исследованию радиальных сил взаимодействия статора и ротора ВИМ при неравномерном воздушном зазоре посвящен ряд научных работ [6,75-79]. В [6] представлены результаты расчета электромагнитного момента и радиальных электромагнитных сил для четырехфазной ВИМ с числом полюсов 16/12 при различных вариантах конфигурации геометрических размеров зубцовой зоны статора. В [79] приведено математическое моделирование радиальных сил в ВИМ с конфигурацией магнитной системы 12/8 без опорных подшипников с магнитным подвесом ротора.
Влиянию радиальных электромагнитных сил на работу ВИМ посвящена публикация [75], где представлен алгоритм расчета в обобщенном виде, пригодном для оценки радиальных усилий в вентильно-индукторном генераторе. Алгоритм учитывает взаимное влияние фаз и позволяет получить мгновенное, максимальное и среднее значение усилий, вращающий момент и фазные токи.
Однако представленные алгоритмы носят исследовательский характер и не дают конкретных рекомендаций, на какую величину следует уменьшить силу ОМП и какие допуски следует установить на детали ВИМ в конструкторской документации при производстве.
Ниже приведен алгоритм расчета сил ОМП в ВИМ, представляющий собой итерационную процедуру, который основан на понятии «допустимой величины» (глава 1, параграф 1.4)[80]. Алгоритм, ориентированный на решение производственных задач, отличается тем, что в постановочной части ана-47 лизируются допуски в конструкторской документации на детали ВИМ и выбирается максимально возможное смещение ротора (при неблагоприятной сборке), в сторону действия силы тяжести (для горизонтально расположенных ВИМ).
Для упрощения расчетов в алгоритме не предусмотрен учет взаимного влияние фаз и катушечных групп, поскольку основное внимание уделено магнитным системам ВИМ, у которых взаимное влияние фаз незначительно даже при смещенном роторе.
Алгоритм, сочетающий теорию поля и теорию электрических цепей, реализован в виде следующей последовательности действий: 1. На основании исходных технических требований разрабатывается конструкторская документация на активную часть ВИМ и элементы ее конструкции c указанием допусков на изготовление, свойств материалов и обмоточных данных. 2. По конструкторской документации определяется максимально возможное радиальное смещение ротора при суммировании допусков на изготовление в размерной цепи расположения ротора. 3. Выбирается самый неблагоприятный вариант смещения ротора: в направлении действия силы тяжести (для горизонтального расположения ВИМ). При этом в процессе работы ВИМ формируется наибольшая сила ОМП, возрастающая с увеличением износа подшипника. 4. Методом конечных элементов в ходе решения полевой задачи определяется зависимость потокосцепления каждой катушечной группы ВИМ от тока и угла поворота ротора для магнитной системы со смещенным ротором. В качестве интервала повторяемости выбирается один оборот ротора. Всего формируется к трехмерных матриц коэффициентов, где к - число катушечных групп (число катушек фазы, соединенных последовательно). 5. Определяются параметры ВИМ по результатам решения дифферен циальных уравнений математической модели. В частности, определяются то ки в катушках с учетом схем соединения катушек в обмотке фазы ВИМ в но минальном режиме и других характерных режимах работы выбранного диапазона регулирования. В общем случае, катушки в фазе ВИМ могут соединяться последовательно, параллельно, либо возможно смешанное соединение для машин с большим числом зубцов статора. 6. Найденные зависимости токов от угла поворота ротора используются в программе для расчета магнитного поля ВИМ методом конечных элемен тов и определяются силы ОМП, действующие на ротор. 7. Определяется допустимая величина силы ОМП (глава 1, параграф 1.4). 8. Полученную допустимую величину силы ОМП Fомп=F следует сравнить с расчетной силой ОМП (п.6 алгоритма), величина которой в основном определяется допусками на изготовление магнитной системы и корпусных деталей ВИМ. 9. Если реальная сила ОМП больше допустимой, следует ужесточить допуски на изготовление в пределах технологических возможностей производства. Если технологические возможности предприятия не позволяют это сделать, то следует увеличить воздушный зазор, снизив тем самым относительную неравномерность воздушного зазора. Повторить расчет по пп.1 - 8 (исключая п.7) до тех пор, пока расчетное значение силы ОМП не будет меньше или равно допустимому значению.
Определение параметров магнитного поля и электромагнитного момента осуществлялось с помощью программы FEMM4.2. Момент, действующий на ротор, в этой программе определяется из расчета магнитного поля ВИМ с помощью взвешенного тензора натяжения (Weighted Stress Tensor). Метод расчета усилий на основе взвешенного тензора натяжения базируется на объемном интеграле тензора натяжения Максвелла для вакуума по тонкой оболочке S, охватывающей подвижный элемент, в данном случае ротор.
Активный магнитный подвес ротора ВИМ
Силы ОМП ротора к статору большинства ВИМ достаточно сложно скомпенсировать путем регулирования тока в отдельных катушках, таких как ВИМ, представленной на рис. 2.1. Это объясняется тем, что в пределах одной фазы ВИМ магнитный поток является общим для радиально расположенных возбужденных зубцов (см. рис. 2.2) и увеличение тока в одной из катушек увеличит общий магнитный поток зубцов (за вычетом потоков рассеяния), принадлежащих к одной фазе. Однако эту разность можно использовать при несимметричном расположении ротора, если заменить последовательное соединение радиально расположенных зубцов фазы на параллельное. Как отмечается в [75] это обеспечивает снижения радиального усилия для магнитной системы 6/4 почти в 2,5 раза.
Рассмотрим разные варианты включения катушек одной фазы в магнитных системах, в которых катушки одной фазы не имеют общего магнитного потока, подобных той, что изображена на рис. 2.17. В этом случае также целесообразно все катушки одной фазы рассчитывать на параллельную работу с источником питания. Поскольку число катушек 4 возможен вариант смешанного соединения (попарно параллельного): К1 и К2 соединены последовательно и согласно, так же как и катушки диаметрально противоположных зубцов К3 и К4, а далее К1, К2 и К3,К4 соединяются попарно параллельно. Первый вариант более подходит для высокоскоростных ВИМ. При таком соединении катушек, конструктивная асимметрия частично компенсируется асимметрией намагничивающих сил: там, где зазор окажется больше, маг-77 нитная проводимость и индуктивность будет меньше, следовательно, ток будет нарастать быстрее, чем в катушке с меньшим воздушным зазором. В итоге, на снижение силы одностороннего притяжения будет влиять отрицательная обратная связь между величиной воздушного зазора и неуравновешенной силой ОМП ротора к статору.
Были проведены расчеты для магнитной системы (рис. 2.17) при последовательном соединении всех катушек фазы (рис 3.1, а) и при попарно параллельном (рис 3.1, б).
Расчеты производились для случая смещения ротора на величину 50% от расчетной величины воздушного зазора по оси Y. Принято: частота вращения ротора 140 рад/с, напряжение при последовательном соединении 100 В, при попарно параллельном 50В. Математическая модель ВИМ представлена системой дифференциальных уравнений (2.1), приведенных в главе 2.
Как видно из графиков, при последовательном соединении катушек, когда ток одинаков во всех катушках, сила ОМП ротора к статору из-за неравномерного воздушного зазора значительно больше, чем при параллельном соединении, когда ток в катушках зависит от величины индуктивности, а индуктивность, в свою очередь, от величины воздушного зазора [95, 96]. Расчетные данные свидетельствуют о снижении силы ОМП в среднем в 3 раза (в зависимости от степени асимметрии расположения ротора), поэтому справедливо предположить, что снизится уровень вибрации и шума.
Для магнитных систем ВИМ, в которых диаметрально противоположные возбужденные зубцы одной фазы имеют независимые друг от друга магнитные потоки (рис 2.17, 2.19) есть возможность компенсировать силы ОМП ротора к статору, возникающие в асимметричном воздушном зазоре путем регулирования тока в отдельных катушках, компенсируя конструктивную асимметрию искусственно вводимой асимметрией намагничивающих сил.
В этом случае конструкция ВИМ подобна конструкции активного магнитного подшипника (рис. 3.8), которые хорошо известны [97, 98 и др.]. Активные магнитные подшипники осуществляют вращение вала без физического контакта с какой-либо поверхностью. Их работа основана на принципе левитации, что позволяет исключить систему смазки. Конструкция подшипников обеспечивает устойчивую неконтактную подвеску ротора и позволяет использовать их при низких и высоких температурах, в вакууме, а так же при высоких частотах вращения.
В перспективе для повышения надежности работы ВИМ и в качестве эффективного способа борьбы с шумом и вибрациями предлагается в замкнутой системе управления с использованием векторного датчика радиального перемещения ротора, осуществить активный магнитный подвес вращающегося ротора и разгрузить подшипники, оставив им только страховочные функции. Система управления в этом случае будет двухканальной. По первому каналу создается необходимый вращающий момент путем регулировки тока по амплитуде, а по второму каналу создается требуемая разность токов в диаметрально расположенных катушках для обеспечения активного магнитного подвеса.
Определение уровня шума макетного образца ВИМ при последовательном и параллельном соединении катушек
В результате проведения испытаний были получены следующие сравнительные данные ВИМ с магнитной системой, изображенной на рис. 3.1, при последовательном соединении всех катушек фазы и при попарно параллельном соединении тех же катушек.
При проектировании ВИМ обычно количество витков катушек фаз выбирается с учетом верхнего значения диапазона частот вращения, чтобы сохранить требуемое значение вращающего момента во всем диапазоне регулирования. Поэтому более корректным будет сравнение ВИМ, у которых суммарная индуктивность последовательного соединения катушек фазы равна индуктивности катушек при попарно параллельном соединении.
Для проведения следующего эксперимента катушки фаз были перемотаны проводом большего сечения из расчета, чтобы активные и индуктивные сопротивления каждой пары катушек подключенных к источнику (преобразователю) были равны активному и индуктивному сопротивлению четырех последовательно соединенных катушек. После сборки ВИМ измеренные значения активных и индуктивных сопротивлений не отличались более чем на 10%.
Повторные сравнительные экспериментальные исследования ВИМ при одинаковых (в пределах 10%) постоянных времени электрической цепи показали следующие результаты. Холостой ход. - последовательное соединение катушек ВИМ – уровень шума 78 Дб; - попарно параллельное соединение катушек – уровень шума 74 Дб. Снижение уровня шума составило 4 Дб. Номинальная нагрузка. - последовательное соединение катушек ВИМ – 81 Дб; - попарно параллельное соединение катушек ВИМ - 76 Дб. Снижение уровня шума составило 5 Дб. Полученные данные подтверждают заключение, полученное расчетным путем о том, что силы ОМП статора к ротору оказывают влияние на виброакустические показатели ВИМ. Параллельное соединение катушек в пределах одной фазы при не симметричном расположении ротора позволяет частично скомпенсировать силы ОМП ротора к статору ВИМ, тем самым снизить виброактивность машины и, как следствие, шум.
Представленная диссертационная работа посвящена улучшению эксплуатационных показателей ВИМ путем исследования сил ОМП ротора к статору, возникающих при неравномерном воздушном зазоре электрической машины вентильно-индукторного типа.
По итогам диссертационной работы получены следующие основные результаты: 1. В ходе проведенного аналитического обзора и анализа причин шума и вибрации ВИМ установлено, что существенное влияние на ее виброакустические показатели и надежность работы подшипниковых узлов оказывают силы ОМП, возникающие при неравномерном воздушном зазоре электрической машины. 2. Предложен алгоритм расчета ВИМ, учитывающий наличие сил ОМП ротора к статору, основанный на понятии «допустимая величина силы ОМП» и ориентированный для решения производственных задач, в частности определения допусков на изготовление деталей ВИМ, уточнение размера воздушного зазора. 3. Произведен расчет и анализ влияния несимметричного расположения ротора на характеристики ВИМ с общим магнитным потоком в пределах одной фазы. Определено, что максимум силы ОМП в конце цикла коммутации фазы в двигательном режиме работы ВИМ зависит не только от изменения положения ротора в сторону усиления магнитного взаимодействия возбужденных зубцов статора с зубцами ротора, но и от степени насыщения магнитной системы. 4. Произведен расчет и анализ влияния несимметричного расположения ротора на характеристики ВИМ, у которых слабая магнитная связь между зубцами одной фазы. Для ВИМ с такими магнитными системами предло 102 жено компенсировать конструктивную асимметрию магнитной системы искусственно вводимой асимметрией намагничивающих сил. 5. Исследованы параметры ВИМ при последовательном и параллель ном соединении катушек обмотки в пределах одной фазы для магнитных си стем со слабой магнитной связью между катушками фазы. Определено, что при параллельном соединении катушек сила одностороннего магнитного притяжения снижается в среднем в 3 раза (в зависимости от степени асим метрии). 6. Проведены экспериментальные исследования макетного образца ВИМ при последовательном и параллельном соединении катушек. Получены количественные соотношения по снижению уровня шума: 4 Дб на холостом ходу и 5 Дб под нагрузкой. Полученные данные подтверждают заключение, полученное расчетным путем о том, что силы ОМП статора к ротору оказы вают влияние на виброакустические показатели ВИМ. 7.По результатам исследований рекомендовано: - ограничивать по амплитуде силу ОМП не более амплитуды силы, действующей на подшипник при остаточном дисбалансе, предельно допу стимое значение которого регламентируется ГОСТ ИСО 1940-1-2007; - снизить влияние сил ОМП для магнитных систем ВИМ, в которых катушки в пределах одной фазы мало зависимы друг от друга в магнитном отношении за счет компенсации конструктивной асимметрии искусственно вводимой асимметрией намагничивающих сил; - снизить виброактивность ВИМ с помощью устройства, содержащего упругий элемент, сочлененный с подшипниковым щитом ВИМ и дополнительной массой. 8. Выполненные исследования имеют перспективу дальнейшей разработки темы в плане исследования возможностей магнитного подвеса ротора ВИМ и существенного снижения сил ОМП.