Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЙ ИССЛЕДОВАНИЯ 17
1.1. Анализ применения МЭД в современных электроприводах 17
1.2. Краткий обзор методов исследования и расчета магнитного поля в электрических машинах 26
1.3. Современное состояние исследований квазиустановившихся электромагнитных процессов МЭД 31
1.4. Выводы. Задачи исследования 39
Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И ПАРАМЕТРОВ МЭД С ТРЕХЗУБЦОВЫМ ЯКОРЕМ
2.1. Аналитическое исследование основного плоскопараллельного магнитного по ля МЭД 41
2.2. Численное моделирование трехмерного основного магнитного поля МЭД
66
2.3. Экспериментальное исследование МЭД с трехзубцовым якорем
типа ДП-32 73
2.4. Выводы 89
Глава 3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ МЭД С ТРЕХЗУБЦОВЫМ ЯКОРЕМ 91
3.1. Математическая модель квазиустановившихся электромагнитных процессов МЭД с трехзубцовым якорем 91
3.2. Программа моделирования на ПК квазиустановившихся электромагнитных процессов МЭД с трехзубцовым якорем 112
3.3. Результаты численного моделирования квазиустановившихся электромагнитных процессов МЭД с трехзубцовым якорем 115
3.4. Выводы 128
Глава 4. ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МЭД С ТРЕХЗУБЦОВЫМ ЯКОРЕМ 129
4.1. Анализ конструкций современных МЭД с трехзубовым якорем 129
4.2. Технологические особенности изготовления МЭД 3-х зубцовым якорем 147
4.3. Характеристики и технико-экономические показатели современных МЭД 163
4.4. Выводы 171
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 172
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 173
ПРИЛОЖЕНИЯ:
Приложение 1. Дополнительные материалы к «аналитической» математической модели основного плоскопараллельного магнитного поля МЭД с эквивалентным гладким якорем 183
Приложение 2. Программа для аналитического исследования на ПК основного плоскопараллельного магнитного поля МЭД с эквивалентным гладким якорем 188
Приложение 3. Геометрические размеры и параметры МЭД с трехзубцовым якорем типа ДП-32 191
Приложение 4. Дополнительные материалы к «численной» математической модели основного трехмерного магнитного поля МЭД с эквивалентным гладким якорем 193
Приложение 5. Программа моделирования на ПК квазиустановившихся электромагнитных процессов МЭД с трехзубцовым якорем 197
Приложение 6. Акты внедрения 214
- Анализ применения МЭД в современных электроприводах
- Аналитическое исследование основного плоскопараллельного магнитного по ля МЭД
- Математическая модель квазиустановившихся электромагнитных процессов МЭД с трехзубцовым якорем
- Анализ конструкций современных МЭД с трехзубовым якорем
Введение к работе
В настоящее время в нашей стране и в мире выпускается значительное количество микроэлектродвигателей (МЭД) для бытовой радиоэлектронной аппаратуры (БРЭА) и сервисных устройств как на базе крупносерийного и массового производства, так и малыми или разовыми партиями. По данным японской фирмы Мацусита Электрик общий годовой выпуск МЭД в мире составляет более 2,2 миллиарда штук. При этом следует отметить, что постоянное улучшение потребительских свойств электробытовой аппаратуры, увеличение номенклатуры сервисных устройств, автоматизация производственных процессов неизбежно приводят к увеличению потребности в МЭД различных типов и конструкций. Достаточно сказать, что современные автомобили комплектуются до 40 МЭД и электрическими машинами малой мощности; бытовые видеокамеры, звукозаписывающие аппараты и другие устройства также имеют до 6 -^ 10 МЭД.
Согласно практике массового выпуска МЭД и литературным источникам основными достоинствами МЭД с зубцово-пазовым якорем являются их относительно высокие регулировочные свойства и выходные параметры, технологичность и относительно низкая себестоимость изготовления. Сказанное особо относится к коллекторным МЭД постоянного тока с трехзубцовым якорем и возбуждением от постоянных магнитов (ПМ). Эти МЭД наиболее широко применяются в приводных механизмах БРЭА и сервисных устройствах. Их выходные характеристики достаточно высоки и удовлетворяют требованием многих потребителей, а конструкция позволяет относительно легко автоматизировать их производство. Этим в значительной степени определяется существующий потребительский спрос к рассматриваемому типу МЭД - в дальнейшем автор употребляет наиболее часто встречающиеся в технической литературе сокращения либо МЭД с трехзубцовым якорем, либо 3-х зубцовые МЭД или МЭД с 3-х зубцовым якорем - и всё" возрастающие требования рынка в части повышения их технического уровня.
В связи с отмеченными обстоятельствами возрастающее значение приобретает оптимизация конструкций и технологий изготовления МЭД с трехзубцовым якорем на базе разработки уточненного математического описания их квазиуста-новившихся электромагнитных и электромеханических процессов, представляющего собой теоретическую основу для дальнейшего уточнения инженерных методик электромагнитного расчета рассматриваемых МЭД. Эти методики обязаны с позиций современных требований к качеству разработки новых типов электрических микромашин по возможности более полно учитывать описываемую ниже специфику МЭД с трехзубцовым якорем.
Электромагнитные и коммутационные процессы в МЭД с трехзубцовым якорем имеют ряд существенных отличий от обычных МЭД с многопазовым якорем, а, именно: значения индуктивностей и взаимоиндуктивностей укороченных секций переменно и зависят от углового положения якоря; значительное влияние на выходные характеристики двигателя оказывает реактивный момент, обусловленный притяжением зубцов к полюсам - магнитам; - наконечники зубцов якоря, имеющие значительные угловые размеры (не многим менее 120), периодически шунтируют основной магнитный поток; периодически существенно изменяется структура коммутирующих контуров в якорной цепи; периодически изменяются мгновенные значения активной и реактивной составляющих электромагнитного момента; вследствие значительной величины коммутирующей ЭДС секций заметно повышена коммутационная напряженность; значительно влияние на параметры возможных технологических отклонений размеров и параметров элементов коллекторно-щеточного узла. Большинство указанных проблем в той или иной мере изучалось различными исследователями. Следует выделить труды М.А. Ваганова, Т. Глинки, А.В. Иванова-Смоленского, В.Ф. Матюхова, И.К. Севрюгина, Б.В. Сидельникова, А.И. Скороспешкина, И.Т. Талышинского, В.В. Хрущева, В.Н. Цыпкина.
Однако до сих пор комплексного исследования электромагнитных процессов МЭД с трехзубцовым якорем с учетом отмеченных выше их особенностей не проводилось. Таким образом, дальнейшая разработка математических моделей (ММ), элементов расчета и проектирования МЭД с трехзубцовым якорем является актуальной задачей, решение которой позволит значительно оптимизировать расчетные и проектные работы, связанные с рассматриваемыми изделиями.
Работа велась по заказу ряда предприятий: ОАО "Псковский электромашиностроительный завод", г. Псков; ОАО "Завод бытовой техники", г. Ижевск; ОАО "Искра", г. Смоленск; ОАО "Радиозавод", г. Арзамас, АО "Микромашина", г. Псков; ОАО Островский завод электрических машин, г. Остров, ОАО "НИК-Тистройкоммаш", г. Санкт-Петербург.
Исследования, результаты которых отражены ниже, проводились по важнейшей тематике МинВУЗа РФ - по хоздоговорной теме "Разработка САПР и исследование процессов управления вентильных и коллекторных электродвигателей", № ГР 01880011987, по госбюджету (программа "Надежность конструкций", приказ Госкомвуза № 107 от 20.04.1992), и в рамках Постановления ЦК КПСС и СовМина СССР № 115 от 23.01.1989 "О развитии материально-технической базы по производству бытовой записывающей и воспроизводящей аппаратуры".
Работа выполнена в рамках комплекса НИОКР кафедры "Электрические машины" Санкт-Петербургского электротехнического Университета и кафедры "Электромеханики и нетрадиционной энергетики" Самарского политехнического университета, связанных с разработкой и исследованием МЭД с трехзубцовым якорем.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Целью работы является усовершенствование эксплуатационных свойств МЭД с трехзубцовым якорем - коллекторного трехзубцового микроэлектродвигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов - на основе уточнения математического описания его основного магнитного поля и моделирования квазиустановившихся и пусковых электромагнитных процессов.
Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи: разработать ММ на базе аналитического решения уравнений плоскопараллельного основного магнитного поля МЭД; провести упрощенное численное моделирование трёхмерного основного магнитного поля МЭД; провести экспериментальные исследования электромагнитных полей и параметров препарированных образцов МЭД с трехзубцовым якорем; разработать ММ для численного исследования квазиустан о вившихся и пусковых электромагнитных процессов МЭД с трехзубцовым якорем; провести анализ современных конструкций и технологий изготовления МЭД с трехзубцовым якорем, выработать рациональные конструкторско-технологические решения.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В теоретических исследованиях использованы основные положения теории сосредоточенных электрических цепей, теории электромагнитного поля, аналитических методов, методов моделирования на ЭВМ, а так же экспериментальных методов исследования препарированных образцов МЭД с трехзубцовым якорем. Экспериментальные методы исследования использованы для оценки адекватности использованных и вновь разработанных ММ.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
Разработаны две новые ММ (аналитическая и численная), описывающие, соответственно, плоскопараллельное и трехмерное основное магнитное поле МЭД.
Разработана ММ квазиу становившихся и пусковых электромагнитных процессов МЭД с учетом зависимости индуктивных параметров секций от угла поворота, нелинейности вольтамперных характеристик (ВАХ) скользящего контакта наличие, варисторов, реактивного момента.
Получены экспериментальным путем параметры МЭД с трехзубцовым якорем для моделирования квазиустановившихся и пусковых электромагнитных процессов.
Предложены новые инженерные решения для совершенствования конструкции и технологий изготовления МЭД с трехзубцовым якорем.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ
Разработанные ММ для исследования основного магнитного поля могут использоваться при проектировании новых типов МЭД.
Разработана математическая база уточнения расчета эксплуатационных характеристик МЭД с использованием ММ квазиустановившихся и пусковых электромагнитных процессов.
Результаты экспериментальных исследований магнитных полей и электромагнитных параметров позволяют уточнить ряд положений инженерных методик расчета МЭД.
Выработанные рекомендации по уточнению расчетно-конструктивных констант МЭД с трехзубцовым якорем позволяют осуществить выбор рационального варианта их конструкции на этапе электромагнитного расчета.
МЭД с трехзубцовым якорем, разработанные с участием автора, освоены в производстве и используются в составе приводов БРЭА и сервисных устройств.
РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ Основные положения, выводы и рекомендации работы нашли применение при освоении производства и использовании МЭД с трехзубцовым якорем на предприятиях: ОАО "Псковский электромашиностроительный завод", г. Псков; ОАО "Завод бытовой техники", г. Ижевск; ОАО "Искра", г. Смоленск; ОАО "Радиозавод", г. Арзамас; СПКТБ "Псковэлектромаш", г. Псков, ОАО Островский завод электрических машин, г. Остров, Псковской области, ОАО "НИКТИстрой-коммаш", г. С.-Петербург и других.
МЭД с трехзубцовым якорем, разработанные при участии и руководстве автора диссертации, нашли применение в электроприводах радиоэлектронной аппаратуры и сервисных устройствах на более чем 20 предприятиях России и СНГ. Они обеспечивают надежную и эффективную работу аппаратуры, для которой предназначены.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены: - на Всесоюзном научно - техническом семинаре в г. Ленинграде, 25-27 октября 1989 г. на научных семинарах кафедры "Электрические машины" Ленинградского электротехнического института (ныне университет) в 1988 - 1993 г.г. на всероссийской научно-технической конференции "Современные проблемы энергетики, электромеханики и электротехнологии", Екатеринбург, 1995 г. - на научных семинарах кафедры "Электромеханика и нетрадиционная энергети ка", СамГТУ, 1997 - 2005 г.г.
ПУБЛИКАЦИИ
Основные результаты диссертационной работы изложены в 25 публикациях, в процессе работы над диссертацией получены 5 авторских свидетельств, а также две серебряные медали ВДНХ СССР, утвержденные постановлениями Главного комитета ВДНХ СССР № 132-Н от 30.04.1987 и № 658-Н от 05.09.1988.
Настоящая диссертационная работа является итогом многолетней научно-производственной деятельности автора, связанной с проведением НИОКР по рассматриваемой тематике.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 182 стр. основного текста, списка использованных источников из 104 наименований, приложений на 32 стр., 79 иллюстраций, 8 таблиц.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена ее цель, сформулированы задачи исследований и описаны основные результаты, полученные при их решении.
В первой главе проведен анализ проблемы, связанной с разработкой и исследованием МЭД с трехзубцовым якорем (рис. В Л.).
Приведены сведения об областях применения и основных технических функций МЭД в составе конкретного объекта, приведена схема функционального
Рис.В.1. Коллекторный микроэлектродвигатель постоянного т ока с трехзубцовым якорем и возбуждением: от постоянных магнитов:
1-корпус, 2-постоинные магниты, 3-якорь, 4-щит-еборка,
5-щеткодержатель-сборка, 6-коллектор, 7-подшипник, 8-вывод деления БРЭА, в которых широко применяются МЭД с трехзубцовым якорем.
Рассматриваются вопросы моделирования магнитных полей. Показана перспективность изучения магнитных полей в электрических машинах с применением всего ряда известных методов исследования - как экспериментальных, так и теоретических. Из числа первых на практике применяются традиционные методы, основанные на непосредственном проведении экспериментов на макетных образцах; и графоаналитические методы, основанные на моделировании поля на токо-проводящей бумаге. В настоящее время в основном используются теоретические методы, предполагающие получение аналитического или приближенного численного решения дифференциальных уравнений Максвелла для электромагнитного поля машины. Аналитические методы позволяют произвести лишь упрощенный анализ магнитного поля без учета эффектов насыщения и с применением ряда других упрощающих допущений. Наибольшие же надежды исследователи связывают с применением теоретических методов, предполагающих получение приближенных решений уравнений поля на персональной ЭВМ, т.е. на персональном компьютере (ПК), численными методами прикладной математики. Эти методы позволяют учесть такие влияющие на точность факторы как насыщение, реальную геометрию магнитопровода и перемещение якоря МЭД относительно полюсов. Отмечаются также специфические особенности расчетов поля с использованием теории отражения электромагнитных волн.
В главе приводится также описание работ по моделированию электрофизических свойств скользящего контакта, показывается необходимость использования его реальных нелинейных ВАХ в моделях электромагнитных процессов МЭД. Анализируются работы, посвященные исследованию электромагнитных процессов. Приводится описание различных моделей, позволяющих рассчитать токи секций обмотки якоря МЭД на коммутационных и межкоммутационных интервалах, пульсации активной составляющей электромагнитного момента. Кратко рассматриваются работы, посвященные анализу различных вариантов схем соединений секций обмотки якоря и расчету электродвижущих сил и электромагнитного момента МЭД.
На основании проведенного анализа работ установлено, что: электромагнитные и коммутационные процессы МЭД с трехзубцовым якорем имеют ряд существенных отличий от обычных многопазовых МЭД; разработанные к настоящему времени модели основного магнитного поля МЭД выполнены, как правило, с некоторыми существенными упрощающими допущениями, а именно, рассматривается ненасыщенная магнитная система и плоскопараллельное магнитное поле;
ММ электромагнитных процессов, в том числе коммутации, не учитывают зависимости индуктивных параметров секций МЭД с трехзубцовым якорем от угла поворота якоря и наличие трех нелинейных резисторов - варисторов, шунтирующих секции обмотки якоря, а также дросселя в якорной цепи; в существующих ММ не учтены фактически имеющие место технологические отклонения параметров МЭД с трехзубцовым якорем, в частности, несоосность и разброс размеров щеток, сдвиг ламелей коллектора относительно нормального положения.
На основании изложенного делается вывод о необходимости проведения дальнейших исследований по разработке ММ для анализа основного магнитного поля и электромагнитных процессов на ПК, по совершенствованию конструкции и технологии изготовления МЭД с трехзубцовым якорем.
Вторая глава посвящена разработке двух ММ - «аналитической» и «численной». Модели описывают, соответственно, плоскопараллельное и трехмерное основное магнитное поле и позволяют рассчитать упрощенную картину его распределения в расчетной области существования. Обе модели построены с использованием единой системы упрощающих допущений: насыщение стальных участков магнитной цепи МЭД не учитывается; реальный 3-х зубцовый сердечник якоря заменяется гладким с тем же наружным диаметром;
ПМ предполагаются равномерно намагниченными по всему объему; боковые грани ПМ принимаются ориентированные радиально; материал ПМ рассматривается как однородная изотропная среда с магнитной проницаемостью, равной магнитной проницаемости воздуха.
Решение дифференциальных уравнений Максвелла для параметров магнитного поля в первой из моделей получено полностью в аналитической форме, т.е. в виде конечного набора алгебраических выражений. Модель позволяет рассчитать в любой точке расчетной области параметры основного магнитного поля, возбуж- даемого ПМ: скалярный <рм и векторный Лг магнитные потенциалы; радиальную Вг и тангенциальную Ва составляющие вектора индукции, а также радиальную Нг и тангенциальную На составляющие вектора напряженности. Для получения аналитических выражений для параметров поля радиальная Мг и тангенциальная Ма составляющие вектора намагниченности ПМ, представляющие собой в соответствии с чередованием полярности полюсов некоторые периодические функции от угловой координаты а (отсчет которой ведется от оси магнита "южной" полярности), раскладывались в усеченный ряд Фурье.
Вторая из разработанных моделей описывает приближенную картину распределения трехмерного основного магнитного поля. В этой модели рассматриваемое поле описывается через скалярный магнитный потенциал. Этот потенциал согласно методике, предложенной, в частности, в работах Горюнова В.Н., в любой точке расчетной области представляется как трехмерная функция от координат рассматриваемой точки. С использованием данного подхода задача расчета скалярного магнитного потенциала трехмерного основного магнитного поля Фм = Фм(2> г>а) в каждой интересующей исследователя точке сведена к двухмерной задаче, связанной с определением распределения амплитуды к - той гармонической скалярного магнитного потенциала Фм к =ФМ k(r,z) в соответствующей точке, принадлежащей плоскости, проходящей через ось вала и продольную ось ПМ. Последняя задача решается в диссертации с применением численного метода конечных разностей (метода сеток). Данная ММ позволяет упрощенно проанализировать распределение трехмерного основного магнитного поля в практически важных случаях, когда осевая длина ПМ превышает осевую длину сердечника якоря.
Информация, полученная с помощью разработанных ММ, применялась для решения ряда частных задач проектирования МЭД. Так она использовалась для определения коэффициента рассеяния ПМ (по первой из моделей определялся коэффициент рассеяния с боковых граней, а по второй - еще и с торцевых поверхностей). Применение разработанных ММ позволило дать рекомендации по пред- варительному выбору геометрических размеров элементов магнитной цепи МЭД с трехзубцовым якорем - ПМ, корпуса индуктора и сердечника якоря.
В рассматриваемой главе приводятся также результаты экспериментальных исследований основного магнитного поля и параметров препарированных образцов МЭД с трехзубцовым якорем типа ДГТ-32.
В третьей главе представлены ММ для исследования квазиустановившихся и пусковых электромагнитных процессов МЭД с трехзубцовым якорем.
Рассматриваемая ММ построена на базе электромагнитной схемы замещения и учитывает зависимости индуктивных параметров секций от угла поворота, нелинейности ВАХ скользящего контакта и варисторов, а так же наличие реактивной составляющей электромагнитного момента и дросселя в якорной цепи. Анализ процессов при изменении угла поворота якоря на 360 показывает, что последовательно чередуются шесть пар интервалов, один из которых коммутационный, а второй - межкоммутационный. Уравнения моделей были получены с использованием законов Кирхгофа на основании схем замещения с использованием данных о взаимном геометрическом расположении якоря и индуктора МЭД с трехзубцовым якорем для каждого расчетного интервала.
При переходе от одного расчетного интервала к другому необходимо было осуществлять сшивку токов. Простого переприсваивания значений оказалось недостаточно. При сшивке расчетных интервалов автором использовался принцип постоянства потокосцеплений в магнитосвязанных контурах. На завершающем этапе коммутационного интервала, коммутирующая секция подключается последовательно к одной из оставшихся. Поэтому уравнений сшивки должно быть два. Первое уравнение получено из условия неизменности суммы потокосцеплений двух секций, которые на последующем межкоммутационном интервале оказываются включенными последовательно. Второе уравнение получено из условия постоянства потокосцепления секции, которая на данном этапе не участвует в коммутационном процессе.
Для численного моделирования квазиустановившихся и пусковых электромагнитных процессов МЭД с трехзубцовым якорем была разработана программа расчета на ПК. С использованием этой программы автором проведены численные исследования квазиустановившихся электромагнитных процессов МЭД с трехзубцовым якорем при различных исходных параметрах. Численные эксперименты проводились при различных величинах ширины щеток, положениях щеточной траверсы. Производился также расчет пусковых моментов при различных угловых начальных положениях ротора.
Анализ полученных результатов численного эксперимента позволил выработать рекомендации для проектирования МЭД с трехзубцовым якорем, в частности, для выбора рациональных размеров щетки и для расчета пусковых моментов.
Результаты проведенных теоретических исследований квазиустановившихся электромагнитных процессов МЭД с трехзубцовым якорем подтверждены экспериментальными исследованиями. Это осуществлено путем сравнения кривых токов секций, полученных экспериментальным и расчетным путем. Экспериментальные исследования зависимостей пускового момента от начального положения ротора МЭД с трехзубцовым якорем, проведенные в рамках приемо-сдаточных испытаний специалистами ОАО "Псковский электромашиностроительный завод", подтвердили результаты моделирования пусковых режимов. Так вывод об изменении величины пускового момента, в зависимости от начального положения ротора, в 2 ... 2,5 раза полностью соответствует расчетным данным.
В четвертой главе представлены результаты проработки основных конструктивных и технологических принципов создания МЭД с трехзубцовым якорем. Приводится обзор современных конструкций МЭД. Рассматривается система классификации МЭД по ряду предпочтительных признаков, которая распространяется и на МЭД с трехзубцовым якорем.
Различные виды МЭД имеют, как правило, ряд близких по назначению и конструкции деталей и узлов. Тем не менее, их реальные конструкторские решения многовариантны, что связано как с конкретными техническими ми к МЭД, так и с необходимостью привязки к существующей на данном предприятии технологии, оборудованию и оснащению.
Основными конструктивными элементами МЭД с трехзубцовым якорем являются: ПМ, якорь, коллектор, индуктор, узел щита, регулятор частоты вращения. В главе представлены результаты анализа современных конструкций и технологий производства МЭД с трехзубцовым якорем, а так же изложены предложения по их совершенствованию в том числе на основе рекомендаций приведенных во второй и третьих главах диссертационной работы и опыта создания и освоения микроэлектродвигателей с участием автора.
В главе так же представлены таблицы сравнения технико-экономических показателей современных МЭД с трехзубцовым якорем, разработанных и освоенных на «ОАО» «Псковский электромашиностроительный завод» при участии автора с лучшими отечественными и зарубежными аналогами, а так же приведены описания и иллюстрации основных технологических процессов при крупносерийном и массовом производстве.
Анализ применения МЭД в современных электроприводах
Технический уровень современных систем автоматического регулирования, счетно-решающих устройств, БРЭА, сервисных устройств и других исполнительных механизмов в значительной мере определяется совершенством и степенью автоматизации соответствующего электропривода.
В настоящее время доля регулируемых электроприводов, в которых требуемые условия работы исполнительных механизмов обеспечиваются управлением пуском и остановкой МЭД, изменением его частоты вращения или её глубокой стабилизацией, функционированием по циклограмме с варьируемыми параметрами цикла, автореверсом, использованием различных режимов его работы, в общем объеме выпуска электроприводов достаточна высока.
Следует также отметить, что в ряде областей техники имеет место тенденция замены гидропривода на электропривод. Так, в России управление положением фар автомобиля переводится с гидропривода на электропривод, как и у большинства автомобильных фирм мира.
Крупными потребителями МЭД являются отрасли, выпускающие средства оргтехники, ЭВМ, бытовые электроприборы, медицинское оборудование, БРЭА, а также станки, автоматические линии и робототехнические комплексы.
На рис. 1.1. приведена схема функционального деления БРЭА, в которых широко применяются МЭД, в том числе и МЭД с трехзубцовым якорем.
Сведения, приведенные в табл. 1.1, дают представление об областях применения и основных технических функциях МЭД в составе привода конкретного объекта.
Как уже отмечалось выше, по данным японской фирмы Мацусита Электрик общий годовой выпуск МЭД в мире в 1993 году составлял более 2,2 млрд. штук, В 2003 г только Китай, Тайвань и Гонконг произвели около 0,9 млн. МЭД и планировали нарастить объем выпуска в следующем году на 15-25 % при одновременном снижении цен примерно на 5%, японские компании произвели в 1991г около 1,3 млрд. МЭД. При этом до 90% МЭД изготавливаются за рубежом /1/.
Повторно отметим, что постоянное улучшение потребительских СВОЙСТВ электробытовой аппаратуры, увеличение номенклатуры сервисных устройств, автоматизация производственных процессов неизбежно приводят к увеличению потребности в МЭД различных типов и конструкций. Так на современных автомобилях установлено до 70 МЭД и электрических машин малой мощности; бытовые видеокамеры, звукозаписывающие аппараты и другие устройства также имеют до 6 +10 МЭД.
Отметим, что в электроприводах БРЭА, в приборах и аппаратах /2/, в преобразователях и автоматических устройствах находят применение не только МЭД постоянного тока, но и электрические машины других типов: сельсины, вращающие трансформаторы, синхронные МЭД /3/ и тахогенераторы /4, 5/, индуктосины, а также электродвигатели с электронной коммутацией 161.
Несмотря на имеющую место конкуренцию со стороны МЭД переменного тока с электронной коммутацией высокотехнологичные коллекторные МЭД постоянного тока, обладающие к тому же прекрасными регулировочными характеристиками, сохраняют свои позиции в общем объеме выпуска рассматриваемых изделий. Подавляющее большинство МЭД изготавливаются с возбуждением от ферритовых ПМ. Эта конструкция наиболее технологична и позволяет получить требуемые характеристики в минимальных габаритах.
Аналитическое исследование основного плоскопараллельного магнитного по ля МЭД
Основное магнитное поле в МЭД рассматриваемого типа возбуждается высококоэрцитивными феррит-стронциевыми ПМ. С целью проведения предварительного анализа возможностей таких магнитов в магнитной системе МЭД была разработана ММ, которая позволяет провести упрощенный расчет параметров основного плоскопараллельного магнитного поля машины аналитическими методами. Модель, описываемая ниже, представляет собой конечный набор алгебраических формул, которые при подстановке в них координат любой, интересующей исследователя, точки в пределах расчетной области поля позволяют рассчитать дифференциальные параметры (т. е. параметры в рассматриваемой точке) плоскопараллельного основного магнитного поля без применения операций численного дифференцирования и интегрирования. По указанным причинам эта модель в работе называется «аналитической».
Разработка «аналитической» ММ произведена автором с максимальным использованием опыта, накопленного при решении аналогичных полевых задач в работах/32-35/.
Прежде всего, с ориентацией на /33/, кратко отметим базисные основы математической постановки и решения рассматриваемой полевой задачи.
Для получения аналитического решения использовалась следующая система упрощающих допущений:
1. Основное магнитное поле предполагалось плоскопараллельным, т. е. двухмерным.
2. Магнитная проницаемость стальных участков магнитной цепи МЭД -корпус, зубцы и ярмо сердечника якоря - принималась подавляюще большей по сравнению с магнитной проницаемостью воздуха (вакуума).
3. ПМ предполагались равномерно и симметрично намагниченными по всему объему.
4. Реальная нелинейная кривая размагничивания ПМ заменялась идеализированной - линеаризованной.
5. Материал ПМ предполагался изотропным по магнитной проницаемости, которая принималась равной магнитной проницаемости воздуха.
6. Реальная геометрия боковых граней ПМ упрощалась - заменялась плоскостями, ориентированными по соответствующим радиус-векторам (ра-диально ориентированными плоскостями).
7. Реальная геометрия зубцово-пазового сердечника якоря также упрощалась - заменялась цилиндрической поверхностью эквивалентного гладкого якоря.
В соответствии с принятой системой упрощающих допущений «аналитическая» ММ позволяет рассчитать примерную картину распределения основного магнитного поля, возбуждаемое в МЭД высококоэрцитивными ПМ в следующих кусочно-однородных средах (областях пространства) расчетной области поля (рис. 2.1):
1. В диэлектрической среде № 1 - в кольцевом немагнитном (воздушном) зазоре между расточкой ПМ и сердечником эквивалентного гладкого якоря.
2. В намагниченной среде № 2, содержащей две подобласти. Первая - это собственно намагниченная подобласть 2а, занятая ПМ, вторая - воздушные промежутки (окна) между полюсами - магнитами. В этой диэлектрической подобласти 26 отсутствует намагниченное вещество, т.е. вектор остаточной индукции тождественно равен нулю. 3. В диэлектрической среде № 3, также содержащей две подобласти. Первая подобласть За - это немагнитный зазор между внешней поверхностью ПМ и станиной. Он в большинстве конструкций МЭД заполнен клеевым составом, так как магниты чаще всего приклеиваются к станине. Вторая подобласть 36 - верхняя зона (незначительная по объёму из-за малой толщины клеевого слоя) воздушных промежутков (окон) между полюсами - магнитами. В любой внутренней точке каждой из выделенных в расчетной области поля трех сред основное магнитное поле, которое возбуждается неподвижными ПМ, физически является магнитостатическим /18 - 22/.
Математическая модель квазиустановившихся электромагнитных процессов МЭД с трехзубцовым якорем
ММ процесса коммутации классических машин с большим количеством секции описывают электромагнитные процессы в небольшом временном интервале (менее времени одного оборота якоря). При этом в каждой параллельной ветви обмотки оказывается значительное количество секций. Данный факт позволял исследователям принимать в качестве одного из допущений постоянство тока параллельной ветви и, как следствие этого, неизменность тока якоря. Кроме того, вследствие незначительной величины периода коммутации изменение индуктивности и взаимоиндуктивности секций от угла поворота якоря в существующих ММ обычно не учитывалось.
При моделировании процесса коммутации в машинах с малым количеством секций указанные выше допущения приводят к существенным погрешностям. Так в классическом понимании процесс коммутации секций в таких машинах идет в течение времени всего оборота якоря. При этом изменяются такие параметры секций, как их индуктивности и взаимоиндуктивности. На основании выше сказанного можно сделать вывод о том, ММ коммутации машин с малым количеством секций должна существенным образом отличаться от классических.
Для моделирования квазиустановившихся электромагнитных процессов МЭД с трехзубцовым якорем автором использовалась информация о геометрическом расположении якоря и его элементов относительно индуктора. Два характерных положения приведены на рис. 3.1 и рис. На рис. 3.1 приводится интервал, когда первая секция перекрывается отрицательной щеткой. На этом интервале происходит переключение секции 1 из одной параллельной ветви в другую. Электромагнитные процессы, которые протекают при этом, близки к классическим процессам коммутации.
На интервале, показанном на рис. 3.2, перекоммутации не происходит, однако токи во всех секциях продолжают изменяться. Кроме того, следует учесть наличие межламельных промежутков, что в начале и в конце рассматриваемого интервала изменяет кажущуюся площадь контактирования отдельных ламелей со щеткой.
Простейший анализ процессов при изменении угла поворота якоря показывает, что в дальнейшем интервалы также чередуются в последовательности коммутационный и межкоммутационный. За один оборот якоря имеют место шесть коммутационных и шесть межкоммутационных интервалов.
На рис. 3.3 приведена схема замещения для первого коммутационного интервала. На этом интервале коммутирует первая секция под отрицательной щеткой. На рис. 3.4 представлена схема замещения для первого межкоммутационного интервала, когда коммутации тока щетками не происходит, а ток якоря распределяется между двумя параллельными ветвями. Первая ветвь содержит секцию 2, а вторая - две последовательно соединенные секции 1 и 3.
Анализ конструкций современных МЭД с трехзубовым якорем
Количество конструктивных исполнений 3-х зубцовых МЭД настолько велико, что строго обобщенной классификации их не существует. В /51,52/ предложена система классификации по ряду предпочтительных признаков, которая распространяется на все типы МЭД, в том числе и на 3-х зубцовые МЭД (рис. 4.1 -4.3).
Различные виды МЭД с 3-х зубцовым якорем и с возбуждением ПМ имеют, как правило, ряд близких по назначению и конструкции деталей и узлов. Тем не менее, их реальные конструкторские решения многовариантны. Это связано как с конкретными техническими требованиями к МЭД, так и с необходимостью привязки к существующей на данном предприятии технологии, оборудованию и оснащению.
Конструкция МЭД с 3-х зубцовым якорем, разработанного при участии автора, приведена выше на рис. В. 1 (на примере МЭД типа ДП32-06-4 для заправки ленты бытовых кассетных магнитофонов 1111).
Проведем краткий конструктивный анализ основных сборочных единиц и деталей данного электродвигателя. ПМ используются, в основном, четырех типов: ферриты, сплавы альнико, соединения на основе редкоземельных металлов и композиции /75/. При этом имеет место тенденция значительного увеличения применения ферритов стронция Sro -6Ре20з и бария ВаСОз -Fe CV Эти ПМ имеют низкую стоимость и довольно технологичны в изготовлении. Коэрцитивная сила ферритовых магнитов относительно велика (до 260 КА/м). Однако, остаточная индукция ниже, чем у ПМ типа альнико (не превышает 0,38 Тл). ПМ выполняются как сегментными, так и кольцевыми. В случае применения кольцевого ПМ, упрощается сборка МЭД, но повышается расход материала магнита. К тому же прессование данных ПМ осуществляется, как правило, без воздействия радиального поля, что снижает их удельную магнитную энергию. Разумеется, при осевом направлении магнитного поля ПМ их прессование в магнитном поле осуществляется довольно легко.
ПМ из сплавов альни и альнико по механическим свойствам относятся к твердым хрупким материалам и успешно подвергаются последующей обработке лишь шлифовкой. Основные преимущества магнитов "альнико"- более высокая, по сравнению с ферритовыми магнитами, остаточная индукция и термостабильность, в то же время коэрцитивная сила у них заметно меньше, и они могут размагничиваться в собранном электродвигателе, а также при ремонтных работах. При значительных величинах реакции якоря предлагается выполнять скосы по краям ПМ, увеличивающие воздушный зазор на части полюсной дуги якоря.
Более высокие магнитные свойства имеют ПМ на основе самария и кобальта, например, Sm2Coi7. У них высокое значение удельной магнитной энергии, коэрцитивной силы и термо стабильности. Однако эти магниты существенно дороже ферритовых и альнико ПМ. К тому же они нетехнологичны, так как требуют применения только алмазного инструмента для обработки. Кроме того, требуют использования защитных приспособлений, так как материал очень хрупкий. Данные ПМ изготавливаются только простой геометрической формы и ограниченных габаритов. Другой способ изготовления самарий-кобальтовых ПМ-введение связующего компонента (нейлон, синтетические смолы, резина) для скрепления порошка магнитного материала. При этом значительно улучшается технологичность ПМ, правда, за счет ухудшения их магнитных свойств.
Магниты из сплава ниодим-железо-бор по своим характеристикам превосходят все типы магнитов, описанные выше. Они легче самарий-кобальтовых, не содержат дорогостоящего кобальта. Однако сплав сложен в обработке, поэтому ПМ на его основе стоят примерно одинаково с самарий-кобальтовыми магнитами. У сплава ниодим-железо-бор имеются и другие не достатки. Температура Кюри составляет всего 300 С, по сравнению с 800 С у самарий-кобальтовых магнитов и почти втрое больше температурный коэффи циент /83/. ПМ на основе сплава ниодим-железо-бор, но с добавкой галлия, тем пература Кюри значительно выше и составляет 500 С. Удельная магнитная энергия достигает 400 кДж/м3, что почти в 1,5 раза выше, чем у этого сплава без добавки галлия. В таблице 4.1 приведены основные характеристики ПМ, при меняемых в МЭД с 3-х зубцовым якорем. Якори 3-х зубцовых МЭД мало отличаются от обычных многопазовых, хотя имеются некоторые особенности. Предложено одним из основных требований к катушкам данных якорей считать равенство их омических сопротивлений и геометрических размеров. Это уменьшит пульсации момента на валу МЭД. Изоляция катушек обмотки от пакета может быть выполнена пластмассовыми изолирующими листами, глубоко заходящими в пазы, и с помощью изолирующей пленки, выполненной напылением.
Похожие диссертации на Разработка и исследование микроэлектродвигателей постоянного тока с трехзубцовым якорем и возбуждением от постоянных магнитов
