Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время стала заметной тенденция повышения требований к энергоэффективности электрических машин. Она вызвана всеобщим стремлением человечества к сокращению расходов медленно возобновляемых ресурсов. Особо остро эта проблема затрагивает асинхронные двигатели малой мощности, которые имеют наибольшее распространение в различных отраслях промышленности. Сегодня многие производители данных машин поставили перед собой задачу разработки новых энергоэффективных асинхронных двигателей. Они делают основной акцент на повышение коэффициента полезного действия путем использования новых технологических и конструктивных решений, но не уделяют достаточного внимания вопросам оптимального проектирования электромагнитной системы машины.
В большой мере коэффициент полезного действия асинхронного двигателя зависит от степени проявления потерь мощности, вызываемых рядом дополнительных сил и моментов. Исследованию этих явлений посвящено много работ таких авторов, как А.И. Вольдек, В.В. Домбровский, Б. Геллер, А.И. Иванов-Смоленский, П.Ю. Каасик, А.С. Куракин, Ф.М. Юферов. Результаты их трудов нашли широкое отражение в решении проблемы оптимизации асинхронных двигателей по энергетическим характеристикам. Однако с момента опубликования работ этих авторов прошло уже более 30 лет. Сегодня появились новые средства научного анализа и решения прикладных задач. Поэтому разработка современных методик, позволяющих точно определить величины дополнительных сил и моментов в асинхронных двигателях, даст возможность оценить степень их влияния на энергетические характеристики машины.
Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя во многом зависит от жесткости механической характеристики. Чем больше жесткость рабочей части механической характеристики, тем меньше номинальное скольжение и выше коэффициент полезного действия машины. Однако при таких условиях
значительно снижается пусковой момент асинхронного двигателя, а его величина также важна для потребителей.
Значение пускового момента на валу двигателя существенно снижается из-за дополнительных реактивных моментов. При неподвижном роторе они имеют наибольшее значение, так как в этом случае ток в обмотке статора максимален. Устранение негативного влияния реактивных составляющих на пусковой момент асинхронного двигателя может позволить получить необходимое его значение при более жесткой механической характеристике.
Таким образом, на основании изложенного выше, актуальность темы исследования определена необходимостью создания методики определения реактивных моментов в асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором, подробного анализа вопроса борьбы с ними и формирования рекомендаций к проектированию, позволяющих осуществить выбор оптимальных конструктивных решений для обеспечения высоких показателей энергоэффективности готовых изделий.
Диссертационная работа выполнялась в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы «Совершенствование проектирования электромеханических систем на основе аналитических методов и численного моделирования» ГРНТИ 45.29.02; 45.29.31; 45.29.33.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является анализ возможности определения характера реактивных моментов, как одной из основных составляющих пускового момента асинхронной машины с короткозамкнутым ротором, путем формирования методики, основанной либо на аналитическом аппарате, либо на способах численного моделирования, и постановка конкретных рекомендаций к проектированию машин малой мощности.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие научно-технические задачи:
1. Произвести расчет величины пускового момента асинхронного двигателя при различных положениях ротора путем
численного моделирования процесса пуска при помощи метода конечных элементов.
-
Определить характер и величину реактивного момента исследуемого двигателя методике аналитического расчета через приращение проводимости воздушного зазора.
-
Сопоставить результаты исследований и определить возможность дополнения классических методик проектирования асинхронных двигателей алгоритмом оценки величины реактивного момента на основе одного из способов расчета.
-
Исследовать зависимость характера реактивной составляющей пускового момента от геометрических параметров магнитной системы машины.
-
Проанализировать возможность устранения реактивного момента различными способами и дать конкретные рекомендации по проектированию асинхронных двигателей с коротко-замкнутым ротором малой мощности.
-
Провести экспериментальные исследования для подтверждения правильности предложенных методик расчета и рекомендаций.
Методы исследования. При проведении в работе исследований, посвященных вопросам электротехники и электромеханики, использовались методы теории электрических и магнитных цепей и методы теории поля. Все теоретические исследования проводились на базе широкоизвестных математических методов. Для подтверждения достоверности полученных результатов использовался метод физического эксперимента.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие результаты, имеющие научную новизну:
выявлена возможность определения реактивных моментов в машинах, имеющих зубчатое строение магнитопроводов, путем проведения аналогии с синхронными реактивными двигателями;
установлена зависимость величины реактивных моментов, возникающих в асинхронных машинах, от характера изменения магнитной проводимости воздушного зазора при одновременной зубчатости статора и ротора;
определена возможность сокращения времени и трудоемкости конечно-элементного моделирования магнитных систем асинхронной машины при различных взаимных расположениях подвижной и неподвижной частей магнитопровода, основанный на использовании свойства кратности чисел пазов статора и ротора;
выявлено свойство существенного влияния реактивной составляющей на величину результирующего пускового момента асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором;
определена закономерность влияния соотношений чисел пазов статора и ротора при проектировании асинхронных двигателей малой мощности на величину и период пульсаций реактивного момента и предложен метод количественной оценки вероятности его возникновения при различных числах пазов статора и ротора;
выявлена связь между амплитудой реактивного момента и величиной скоса пазов и установлена возможность устранения реактивных составляющих пускового момента асинхронной машины.
Практическая значимость работы. Практическую ценность диссертационной работы составляют:
алгоритм расчета реактивного момента асинхронного двигателя через приращение проводимости воздушного зазора;
программа расчета величины реактивного момента, реализованная в пакете математических программ MathCAD;
графические зависимости соотношений размеров магнитной системы, обеспечивающих отсутствие реактивных моментов при различных числах пазов статора и ротора;
рекомендации по выбору величины скоса пазов ротора и соотношения чисел пазов статора и ротора для уменьшения реактивных моментов асинхронной машины.
Предложенные результаты позволяют произвести оценку величины реактивных составляющих электромагнитного момента асинхронного двигателя на стадии разработки, а также принять правильные конструктивные решения, необходимые для устранения данных паразитных моментов.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
на основе современного состояния теории электротехники и электромеханики предложены методики, наиболее приемлемые для расчета реактивных моментов в асинхронных машинах;
результаты математического исследования асинхронного двигателя, подтвердили существенное влияние реактивной составляющей пускового момента машины на ее свойства;
алгоритм расчета реактивного момента через приращение проводимости воздушного зазора позволяет быстро и с достаточной точностью определить характер и величину пульсаций пускового момента, имеющих реактивную природу;
предложенное аналитическое описание реактивного момента позволяет оценить влияние на его величину таких параметров, как соотношение чисел пазов ротора и статора, размеры зубцовой зоны двигателя и величина скоса пазов ротора;
для полного устранения реактивной составляющей пускового момента асинхронного двигателя необходимо произвести скос пазов ротора на величину, кратную периоду пульсаций реактивного момента и обеспечить минимальность угловой погрешности выполнения скоса;
для минимизации реактивных моментов в асинхронных машинах с прямыми пазами необходимо обеспечить, чтобы числа пазов статора и ротора были взаимно простыми;
-результаты экспериментальных исследований, подтверждающие необходимую для практики точность предложенных методов расчета реактивных моментов
- практически подтверждена возможность применения
методики расчета реактивных (зубцовых) моментов через при
ращение проводимости воздушного зазора не только в асин
хронных двигателях, но и в электрических машинах другого ти
па.
Реализация результатов работы. Полученные теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы реализованы на предприятии ООО «МЭЛ» (000 НПО
«Электротехнический холдинг "Энергия"», г. Москва) в рамках опытно-конструкторской работы, выполняемой в интересах Министерства обороны Российской Федерации, а также внедрены в учебный процесс кафедры электромеханических систем и электроснабжения ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в лекционные курсы «Специальные электрические машины» и «Математическое моделирование и переходные процессы электрических машин».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава кафедры электромеханических систем и электроснабжения в рамках Всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2007); на Международной научной конференции «Компьютерные технологии в технике и экономике» (Воронеж, 2007).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 научных работ, в том числе 1 - в издании, рекомендованном ВАК РФ.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [3] результаты исследования влияния зубчатого строения магнитопро-водов статора и ротора асинхронного двигателя на величину пускового момента; [2, 4] формирование метода учета скоса пазов при численном моделировании поля машины; [6] обоснование возможности аналитического расчета реактивного момента через приращение проводимости воздушного зазора; [1, 5] формирование рекомендаций к проектированию асинхронных двигателей малой мощности в части обеспечения минимизации реактивных моментов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 61 наименования и трех приложений. Основная часть работы изложена на 144 страницах, содержит 9 таблиц и 83 рисунка.
