Введение к работе
Актуальность темы. Для решения проблем механизации и автоматизации производственных процессов требуется не только совершенствование существующих электроприводов, но и создание новых. Для значительной части технологических процессов необходимо использование электроприводов с низкими скоростями вращения, производство которых во многих случаях не обеспечивается современным электромашиностроением. Одним из путей решения данной проблемы является применение в электроприводах двигателей с электромагнитной редукцией скорости вращения, обеспечивающих получение низких скоростей без использования редукторов с зубчатым зацеплением. Это позволяет значительно повысить надежность и увеличить срок службы (до 50 тыс. часов и выше), уменьшить габариты и вес и снизить трудоемкость изготовления всего электропривода.
Особое внимание к таким машинам стало проявляться с начала 60-х годов, когда был разработан ряд базовых конструкций синхронных редукторних двигателей реактивного и возбужденного типа, их теория и методика проектирования, выполнен большой цикл теоретических и экспериментальных исследований. Большая заслуга в разработке теории и создании двигателей с электромагнитной редукцией скорости вращения принадлежит В.В. Жуловяну, П.Ю. Каасику, Ю.С. Чечету, B.C. Шарову, Ф.М. Юферову. Огромный вклад в теорию и практику конструирования двигателей с электромагнитной редукцией скорости вращения внес профессор А.С. Куракин (1929-1996гг.), сотрудничество с которым явилось основой данного исследования.
Потребность в машинах данного типа только для электроисполнительных механизмов, широко используемых в промышленности и сельском хозяйстве, составляет на сегодняшний день около миллиона штук в год. В 80-х годах она удовлетворялась только на 10%. В настоящее время в литературе обсуждаются проблемы создания и применения таких двигателей с мощностью от единиц ватт до сотен киловатт.
Главной особенностью всех конструкций редукторных электродвигателей является наличие на внутренних поверхностях статора и ротора развитой зубцо-вой зоны. В отличие от обычных электрических машин пазы статора и ротора раскрыты на половину зубцового деления как статора, так и ротора. Это позволяет создать амплитудную модуляцию магнитного потока полюсов обмотки питания и получить низкие скорости вращения ротора. Конструкция, энергетические показатели двигателя, скорость его ротора определяются, главным образом, величинами взаимодействующих гармоник поля в воздушном зазоре, которые, в свою очередь, зависят от конфигурации используемых зубцовых зон. Для полезного электромеханического преобразования энергии могут быть использованы только основные волны зубцовых полей с периодами, равными зубцовому делению статора и зубровому делению ротора. Высшие гармонические составляющие зубцового поля, как и в обычных электрических машинах, оказывают
отрицательное влияние на процесс электромеханического преобразования энергии из-за непроизводительного рассеивания энергии, ухудшения пусковых и рабочих характеристик за счет увеличения потерь"в стали, искажения механических характеристик провалами от дополнительных синхронных и асинхронных моментов и снижения равномерности вращения ротора.
Таким образом, решение проблемы синтеза формы зубцовой зоны, обес
печивающей оптимальный состав гармоник поля в воздушном зазоре, является
актуальной задачей. ^..
Данная диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ Воронежского государственного аграрного университета по теме: "Разработка и исследование новых конструкций тихоходных электродвигателей".
Цель и задачи исследования. Целью исследования являлось построение математической модели магнитного поля в зубчатом воздушном зазоре и разработка методики расчета, позволяющей определить такую геометрию зубцовой зоны, при которой высшие гармоники поля либо полностью отсутствуют, либо были бы значительно уменьшены при наибольшей амплитуде основной гармоники зубцового поля. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
L, разработать математические модели поля в зубцовой зоне при различной форме границ статора и ротора;
-
провести исследование влияния геометрических параметров зубцовой зоны на амплитуды гармоник проводимости магнитного поля;
-
разработать методику синтеза границы воздушного зазора, обеспечивающей создание поля с заданными параметрами.
В основу работы положена гипотеза о том, что исследуемое поле в области, образованной сложной системой границ, можно взаимно однозначно отразить на известное поле, создаваемое двумя плоскостями, являющимися одна продолжением другой и разделенными изолирующей линией (преобразование Шварца-Кристоффеля).
Методы исследования. Поставленные задачи работы решались методами математического моделирования статического магнитного поля на основе теории функций комплексного переменного, численного интегрирования, анализа Фурье и методов нелинейного программирования. Моделирование, экспериментальные.исследования и их обработка проводились на ЭВМ.
Научная новизна полученных в ходе исследования результатов заключается в следующем:
-
получено аналитическое выражение интеграла Шварца-Кристоффеля для конформного преобразования верхней полуплоскости на внутренность бес- . конечного трапециевидного паза с произвольным наклоном стенки;
-
исследовано магнитное поле в воздушном зазоре, образованном трапе-, циевидным пазом бесконечной ширины, и определены условия синтеза трапе-, циевидного паза конечной ширины;
-
разработана методика приближенного вычисления интеграла Шварца-Кристоффеля и изучено поле в зазоре с симметричным треугольным пазом;
-
проведено исследование влияния скруглення ребер пазов на гармонический состав проводимости магнитного поля в воздушном зазоре редукторного электродвигателя;
-
предложена методика синтеза границ зубцового слоя, обеспечивающих создание в воздушном, зазоре поля с заданными параметрами.
Практическая значимость. Полученные теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы служат основой для проектирования зубцовых зон двигателей с электромагнитной редукцией скорости вращения и были использованы в 3 авторских свидетельствах и 1 патенте на изобретение.
Математические модели, реализованные в виде пакета программ, могут быть использованы и как составная часть САПР редукторных двигателей.
Защищаемые положения. На защиту выносятся:
-
основанная на методах нелинейного программирования методика определения формы зубцовой зоны редукторного двигателя, обеспечивающая создание в воздушном зазоре поля с заданными параметрами;
-
аналитическое выражение для конформного преобразования верхней полуплоскости на внутренность трапециевидного паза бесконечной ширины;
-
методика проведения конформного преобразования с использованием приближенного вычисления интеграла Шварца-Кристоффеля;
4. расчетные выражения геометрических параметров зубцовых зон.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на
научных конференциях ВГАУ им. К.Д. Глинки (1983-99гг.), на Международной научно-технической конференции "Комплексное обеспечение точности автоматизированных производств" (г. Пенза, 1995г.).
Публикации. По результатам теоретических и экспериментальных исследований опубликовано 18 печатных работ, включая 3 авторских свидетельства и 1 патент.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав результатов работы и их обсуждения, заключения, списка литературы. Материал изложен на 127 страницах машинописного текста, содержит: 67 рисунков, 7 таблиц, список литературы из 92 наименований и 4 приложения.
