Введение к работе
Актуальность проблеми. Развитие электромашиностроения как ведущем отрасли народного хозяйства Российской Федера-щш характеризуется непрерывным повышением технического уровня и снижением материалоемкости электрических машин, среди которых ocodoe место занимают асинхронные двигатели, отличающиеся больший разнообразием целевого назначения и конструктивного исполнения.
Снижение материалоемкости электрических машин достигается за счет повышения их энергоемкости, увеличения ресурса, внедрения новых конструктивных решений Е малоотходных технологий.
При изготовлении магкитопроводов электрических машин путем штамповки отход электротехнической стали составляет в производстве асинхронных двигателей серии 4А в среднем 43%, при изготовлении автомобильных электрических генераторов -80*. Большой отход электротехнической стали, превышающий сот-іга тысяч тонн, наносит значительный урон народному хозяйству. Это обуславливает необходимость изучения з разработки электрических машин с понитакной материалоемкостью магнмтопрово~ дов, выполненных из отходов электротехнической стали при штамповко, материалов порошковой металлургии, кагнатода-злектркков, металлокерамики и др. В ряде случаев в качестве дополнительного магиитопровода целесообразно использовать конструктивные элементы электродвигателей. Относительная таг-іштная проницаемость таких ».огцитопроводов составляет величину порядка нескольких десятков единиц, поэтому я расчетном плане они образуют группу нвзкомагкитных магнитопроводов.
В настояяео время иа стадии промышленного освоения находятся конструкции 5СИ, г.Москва и ВіПШТгИ), г. Владимир (электрические машины с гофрированными зонами); іСТії, г.Новосибирск (электрические машины с составными активными зонами); ТПЕГ,Я0 "Сибэлектронютор", г.Томск (электрические машины с витым магнитопроводом); ХА/5, г.Харьков (электродвигатели с прессованным магнитопроводом]; ОрЛИ, г.Гамбург (электродвигатели с порошковым магнитопроводом); К;С, г.Красноярск (электродвигатели с витыта и л/.тыми магнят^ро-водами) а др.
Исследования электромеханических характеристик асинхронных двигателей с ннзкоыагтгншми магішгопроводаш показали, что в области малых скольжений нвблвдастся расхождения по току н ькщпостп опыттпс и рассчитанных по традиционной методике результатов, которые составляют 30 - 50 в зависимости от величины магнитной проницаемости мапгатопровода. Важной проблемой электромашиностроения является разработка уточненных теоретических положения, связанных с расчетом электрических параметров и электромеханических характеристик индукционных электрических машин с иизкоьгігнитннмя шихтованными, прессованными и лптшяі мапгатопроводами, от решения которой в значительной степени зависит прогресс в сокращения сроков проектирования, повышения производительности труда, сіовкения затрат и издержек производства и конечном итоге - уменьионие материалоемкости при изготовлении электрических машин.
Научиыо исследования, отраженные в диссертации, проводились в рамках хоздоговорное п госбхдаотннх работ при научном руководстве и непосредственном участии автора. На важность и актуальность таких исследований указывалось в Постановлении ГКНТ при СМ СССР №'188 от 18.04.74, координационном плане AJI СССР по проблеме "Механизма и управление движением роботов, манипуляторов к шагающих машин" (раздел 1.11.4.2j, решении секции "Электрические машини" ТЭС ЗПО "Союзэлоктромаи" от 02.07.81, в Приказе министра электротехнической промышленности от 12.05.85 & 260 г.Москва "Об организации работ по освоению производства электродвигателей с малоотходным тгнитопро-водом для бытовых стиральных машин", а также в решениях ряда международных и всесоюзных конференций по проблемам развития производства низковольтных асинхронных двигателей.
Целью работы является разработка теоретических полонений, математических и программных средств обеспечения элек-тро\агнитннх расчетов, создание п исследование индукционных электрических машин с шихтованными, прессованными, литыми и комбинированными кагкитопроводами - одного из перспективных направлений в электромашиностроении.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
- на единой основе выполнено теоретическое исследование закономерностей электромагнитного процесса в индукционных
злчктричбскиг мапгішах с імз.чошігилтіінш магнитопроводауи, спггтовантши и прессованными глубокопазпцыи, масешні&я ко-рсткозамкпутивд, пс;;ыад л-эррокагнитинм-л и комбинированными ротораиа;
разработана оборонная теория электромагнитного расчета пусковых рвжлж)» асаях^ннах мааии о п^сслшииша статором, Егостованігами, прессованными, литшдй к кассишшьы короткэзакк-иут*.а роторами;
Сіикезароваї'а универсальная влектрлчве^ая схема заседания для исследования асинхронных двигателей с прессоваяны-кл и лптта уороткозчмкнуїиіш рої'ороія л рсхї7!С іаянт скольжений;
предложен и реализован способ ступенчатого регулирования асинхронного двигателя, разработаны, спроектировали и находятся на стадии промышленного освоения асинхронные двигатели специального назначения с улучшенными тохнико-экономичес-кими показателями.
Методы исследрваци?;. Расчетно-творетические исследования вндолнонн на основе теории электромеханического преобразования онзргиЕ, теория порэмеиного электромагнитного поля применительно к расчету многослойных а дяс^ротннх сред, т-зо-ряи электрических цепзЭ,. методах матом.пгг-.гсксЛ І'Тізихгї о использованием средств вичиелктольиой техники, '.'кспарамонталь-ннй исследования проводились на маяетвкх, экспериментальных а прокисло шшх образцах электрических маяки с использованием комплекта измерительной аппаратуру фирм* Гриль -и Къвр, с помощью встроенных .датчиков азморитоль.ччх обмоток, термопар на зспатательных стендах НИИ AlfflO "Электромвэина", г.Прокопьевск я причинением современных мвтодов обработки экспериментальных дан кит,
LlaOIiaUI^yimf^Jl^QimilffiLaTaiXSbl^li" Разработаны гчо-ретическио полонения, совокупность которых представляет хруп-нов достижение в развития перспективного направления в элак-тромаииностроепип: выполнено 'исследование, связанное с соз-дтг.;еу. аналитических уйтодоп электгег/лгт'птнего расчета индук-пионннх электрических vwzh с прі»соовамі!н;'!т и литі/мі: мпгнито-проводячи, разіїаботакн электродвигатели сі;иц.'.-льного і:рл.-янн-ная с ул>'ч.'гртш>,ж тєхнітко-рконоу/ч^скпуи поягиат'-ля).-..;, оригинальность которых пгдтч.^іі^окя <>;; апторск/ми с.'іад'та.'.ьстьііі::
СССР.
Впервые предложены и разработаны математические модели для исследования зубцово-пазовых структур с учетом дискретности и конечной величины магнитной проницаемости магнятопро-вода, совместное влияние которых характеризует "магнитный эффект" сердечника,
В результате получены аналитические выражения коэффициентов изменения активного и индуктивного сопротивления стержня в пазу магнитопровода с учетом совместного влияния скин--эффекта от вихревых токов в проводнике и магнитного эффекта, обусловленного магнитопроводом. Установлено, что магнитный эффект вызывает увеличение активного и уменьшение индуктивного сопротивления стержня во всем диапазоне скольжений ротора.
Предложен и реализован новый подход, к исследованию установившегося режима работы асинхронных двигателей с низкомаг-нитиым магнитопроводом, прессованным или литым короткозамкну-тым ротором. Впервые расчетным путем получены критические параметры асинхронного двигателя, обусловленные магнитным эффектом магнитопровода ротора: критическое скольжение приведенного активного сопротивления и критическое скольжение фазового угла вторичного тока. Доказана теорема критических скольжений, устанавливапдая связь между данными критическими скольжениями и критическим скольжением электромагнитного момента.
Установлены общие закономерности электромагнитных процессов в пластованных и массивных короткозамкнутшс роторах л определены единые расчетные выражения электромагнитных параметров.
Существенно новым являются синтезированные в работе универсальные электрические схемы замещения асинхронных электродвигателей с шихтованным глубокопазнкм и массивным коротко-замкнутыми роторами, в которых зависимость вторичных параметров от скольжения ротора определяется значениями критических скольжений электродвигателя. На основании универсальных схем замещения получены общие расчетные выражения электрического тока, механической мощности, электромагнитного момента и др.
Разработана методика расчета электрических параметров короткозамкнутых роторов с произвольной конфигурацией паза и зубца с учетом нелинейности магнитной цепи, изменения элек-
.тропроводноста материала стертая по висото паза и влияния количества пазов ротора на полюс асинхронного двигателя.
теоретические положения я метод электромагнитного расчета дискретной структуры зубцово-пазового слоя электрической ма-вняы, содержащей кагнитопровод из материала с низками нагнит-кшн свойствами, анализ распространения электромагнитной волен в зубчатом кагнитопроводе;
"магнитный эффект" шгнитопровода, обусловленный конечной ыагнитной проницаемостью сердечника, зависящий от чиола тшзов тгнитопровода ка полюс электрической мандата » его влияние на электромагнитный процесс в активном объеме в электрические параметри обмотки статора з короткозамкнутого ротора асинхронного электродвигателя;
методика расчета коэффициентов изменения активного и индуктивного сопротивлений стержней в пазах шихтованного в массивного короткозамкнутого ротора с учетом вихревых токов в стержнях я зубцах, а также конечных магнитных проницаемоствЭ зубцов во продольной к поперечной оси а ярма ротора;
обоснование нелинейной связи между злохтрэтоскимя параметрами ротора н его приведенными к обмотке статора паракэт-рами при конечной магнитной проакцаеиостз сердечника в расчет коэффициентов изменения активного и индуктивного сопротивлений стержней а пазах шихтованного идя ьяссявного ротора» приведенных к обмотка статора;
способ улучшения пусковых характеристик асинхронных двигателей при ограниченной высоте зубцово-пазового слоя ротора в расчет электрических параметров ротора с полузакрытые несимметричными пазами, а также расчет параметров ротора с произвольной симметричной формой пазов в зубцов с учетом изменения электропроводности стертая и магнитной проницаемости зубцов по высоте зубцово-пазового слоя;
методика расчета электрических параметров многослойных статорних обмоток электрических машин переменного тока с низ-комагнитннм магнитолроводом и осредпление коэффициентов изменения активного и индуктивного сопротивлений обмотки в пятовой области с учетом вихревых токов в обмотке и магнитной проницаемости сердачнтеа статора;
фундаментальные зависимости от сколькения приведенных к обмотке статора активного и индуктивного сопротивлений корот— козамкнутого ротора в области малых скольжений ротора с магнитопроводом из прессованного или литого магнитного материала и расчет критических скольжений приведенного активного сопротивления и фазового угла вторичного тока асинхронной машины;
теорема о критических скольжениях, устанавливающая связь между критическими скольжениями приведенного активного сопротивления, фазового угла вторичного тока и электромагнитного момента асинхронной машины с малоотходным магнитопроводом;
универсальная электрическая схема замечания асинхронного двигателя с иихтованным или массивным короткозамкнутым ротором и обобщенная методика расчета электромеханических характеристик асинхронной машины;
результаты исследований электромашинных преобразователей частота торцевого исполнения, асинхронных двигателей-вентиляторов с внєшішм ротором и торцевого исполнения, бкгармонических асинхронных двигателей и научно обоснованные рекомендации по их .проектированию.
Практическая ценность. Сформулированные в работе концепции и теоретические обобщения электромагнитных расчетов асинхронных машин с малоотходным магнитопроводом и роторами различного конструктивного исполнения позволили решить крупную научную проблему по созданию единого математического описания электромагнитного процесса, расчета электрических параметров и синтеза универсальной схемы замещения - основы для научного прогнозирования и технико-экономического обоснования коыструк-торско-технологических мероприятий по применению новых магнитных материалов при разработке асинхронных двигателей общепромышленного и специального назначения.
11а базе этих расчетов разработаны инженерные методизм и программы расчета на ЭВМ электрических параметров и электромеханических характеристик асинхронных двигателей с роторами различного конструктивного исполнения. Программы использовались также при расчете электрических параметров асинхронных машин и постоянного тока с демпферами пульсации магнитного потока. Полученные методики, учитывающие магнитные и электропроводные свойства магнитопровода, конструктивные особенности различных зон электрической лапины, хорошо согласуются с результатами эксперимента.
iMM2MmL^3MkISSSEJB^Sll' В процессе работы над диссертацией в "Отраслевой научно-йсслодоватзльской лаборатория іяшял постоянного тока и алвг.троіешиккнх преобразователей час— тотн*(0ЛМПТ и ЭПЧ) Красноярского политехнического института пра научном руководство автора й его непосредственном участка полученные научные результата, а также разработанные штемати-* чвемге а программные средства обзепочешш внедрены а практику ваучне—исследовательских работ H5G! AJHI0 "Электромашина" г.Прохопьевск в ряда КБ а предприятий страны.
Основные результаты я выводы диссертационное работы ксполь— яовакы при
- разработках зкспоргмоіггагькнг образпог? отрезка серки тор
цевых электромашинах преобразователей частоты мощностью
І + 20 кВт;
разработках а научных обоснованиях ишенерных методов расчета торцевых встроенных аевнхронкнх двагателей-вентклято-ров для охлаждения регулируемых манив постоянного тока серия 2П;
разработках цнляндрвчеоквх высокоиспользованннх асинхрон-кшс двкгатолой с ряспредалвняукз оо'могочнкма структурам» для ллвятромашгяяих преобразователей АТТ-1-100» АГТ-#-4С0; АТТ-БО-400;
разработках асякхрошага двигателей с бйилйжкрованкнм ко-роттгозалшгуткм ротором и улучвджнхмя внброаяустическикя характеристиками длк элоктрошгиюшг преобразователей АМГ-200 и АЛА-1,5;
разработках з научном обоснована ии*еи«ркых катодов проектирования сверхвнсокоскоростках силовых асинхронных двигателей для электрогагакдалоа фрезерных стаяков;
разработках матая постоянного тока с улучшрк/лми виброаяус-тичееккма к ипссогабарктпкик показателями с использованием домпіряров пульсации кагнетного потока;
разработках встроенных асинхронных двигателей с внешним ротором для нозаписишй веитвляцкя рлектромявгянного пмоб;>азо-еатвяя частоты ATT-5G.
Материалы диссертация кспольэу»тся п учебной і научной работо Rd(W. Научные результаты диссертаций использовалась в А.ЧПО "Электромаяинп", ПО "Krvicwuc", ПО ".',ехг-ч" и др. г'рализа-цая речультптог* работ годтперждсыя 6 актпла внедрения. :Х>-
яки экономический аффект составляет 635 тис.руд.
Достоверность научных положений работы подтверждена путем обвчрного сопоставления расчетво-тооретичвских результатов с даянішя экспериментальных доследование на макетных, экспериментальных і серийных образцах асинхронных двигателей малой в средней мощности.
ДйЕйіашш, Основные положения днссертацноянод работы докладывались авторои в обсуждались:
на 3 Международной симпозиуме по теоретической электротех-яике (Москва, 1985 г.);
на 1 Всесоюзной конференции по теоретической электротох-нжхв (Ташкент, 1987 г.);
на 2 Всесоюзной конференции со теоретической электротехника (Винница, 1991 г.) ;
на 5 Всесоюзной научно-сехтгческоа конференции "Состояние а перспективы развития производства низковольтных асинхронных электродвигателей (Владимир, 1980 г.);
на 6 Всесоюзной научно-технической конференция "Перспективы развития производства асинхронных двигателей в свете решений 26 съезда КПСС (Владимир, 1982 г.);
на Всесоюзном межотраслевом научно-техническом семинара "Повышение энергетических характеристик и снижение расхода материалов асинхронных двигателей низкого напряженая (Владимир, 1973 г.);
на 7 Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы совершенствования, разработки н производства асинхронных двигателей (Владимир, 1985 г.);
на 5 Всесоюзной научно-технической конференции "Динаих- . ческие режимы работы электрических машин и электроприводов" (Каунас, 1988 г.);
на Всесоюзной научно-технической конференции с международным участием "Современные проблемы электромеханики" (Москва, 1989 г.);
на 10 Всесоюзной научно-технической конференции "Интеллектуальные элоктродвигателя и экономия электроэнергии" (Суздаль, 1991 г.);
на Республиканской научно-технической конференции "Перспективы развития электромашиностроения на Украине" (іарьков, 1988 г.);
ка Республиканской научно-технической конференций "Элвк-тромвханачвскго преобразователи й ьашвяо-ввстильные систекы (Томск, 1991 г.);
ка Цеквузовекой нвучпо~гехнг,чвсю& конференции по электрическим машинам (Каунас 1969 г.) ;
гта краевых научио-техяиадсккх конференциях "Автогаткэа-цая электроприводов н оптимизация режшов элэктропотреблвнкя" (Красноярск, 1977 - I9S1 г.г.);
ий яаучно-твхничэскйх конференциях "Устройства в систеш автоматики автококннх объектов" (Красноярск, 1987 и 1990 г.) ;
Публзкяігед. Список научных трудов по работе составляет 23 канкзновзниЯ. Иэ икх: два учебных пособия, 20 авторских свидетельств, 35 научных статей, 27 тезасов докладов на н.-т. конференциях, 2 деп.работы, 1 информационный листок, 11 к.-т. отчетов по НИР.
Структура и объем диссертации. Результаты изложены на 428 страницах машинописного текста, иллюстрированного 25 таблицами а 108 рисункам на 94 страницах. Список литературы включает 270 наименования на 29 страницах.
