Торцевые асинхронные электродвигатели интегрального изготовления Вильданов, Камиль Якубович

Введение к работе

Актуальность темы. Проблема увеличения выпуска электрических машин, комплексного ресурсосбережения и создания более экономичных и менее металлоемких асинхронных электродвигателей с короткозамюгутым ротором является актуальной задачей.

Развитие этого направления происходит в двух направлениях. Во-первых, решаются задачи дальнейшего усовершенствования двигателей классической схемы с целью выпуска высокоэкономичных серий. Во-вторых, разрабатываются специальные двигатели для конкретных механизмов или условий работы. Двигатели единых серий в составе ряда механизмов не позволяют создавать устройства, удовлетворяющие современным требованиям. В этом случае дополнительно применяются торцевые двигатели. Однако, существующие технические решения торцевых двигателей, соответствующие традиционным витым магнитопроводам, всыпным обмоткам, зачастую не удовлетворяют современным требованиям. Кроме этого, такие двигатели уступают по показателям удельного использования и массы активной части традиционным двигателям. Существующие способы снижения удельной и технологической материалоемкости электрических машин на основе совершенствования электротехнических материалов, оптимизационных расчетов, а также резервов традиционной технологии почти исчерпаны, например в части снижения расхода материала магнитопроводов, снижения трудоемкости обмоточно-изолировочных работ. Поэтому повышение технического уровня асинхронных двигателей различного назначения возможно на основе внедрения новых конструктивных решений и малоотходных технологий.

Одним из таких направлений являются работы по торцевым асинхронным микродвигателем интегрального изготовления. В понятие интегральное изготовление входит:

- прессование магнитопроводов из магнитомягких порошковых материалов;

4.

штамповка, фотолитография или напыление обмоток;

электроосаждение, напыление изоляции;

комбинированное изготовление, включающее традиционное выполнение и интегральное.

Одним из положительных факторов повышения технического уровня является возможность управления параметрами электромагнитных цепей на стадии изготовления в зависимости от конкретных технических условий с учётом интегральных технологий.

Подобное изготовление эффективно в плоской, торцевой конструкции активной зоны статора и ротора. Известно, что на первоначальной стадии развития электрических машин на подобное решение обращалось внимание. Однако имеющееся на этой стадии технологическое обеспечение не позволило достаточно эффективно решить проблему совершенствования торцевых электрических машин. В дальнейшем разрабатывались единичные образцы и малые партии для специфичных электроприводов, но в целом задача улучшения технологичности, снижения трудоемкости, повышения технического уровня торцевых двигателей решена недостаточно полно.

В последние годы большое внимание уделено торцевым двигателям в связи с оптимальным сочетанием их конструкции с рабочим механизмом электропривода. Они объединяют как конструктивную пластичность (встраиваемость) двигателей, так и улучшенные технико-экономические показатели электромеханизма в целом.

Комплексное решение проблемы повышения технического уровня торцевых двигателей с короткозамкнутым ротором представляет собой научно-техническую задачу, на решение которой направлена данная работа. В процессе ее выполнения оказалось необходимым решить задачу оптимального распределения магнитного поля с учетом несимметрии торцевых машин по радиусу, определения рациональной геометрии элементов активной зоны и рационального соотношения диаметров,

5.

расчетпо-экспериментального исследования и разработки теории проектирования торцевых асинхронных микродвигателей интегрального изготовления.

Научные исследования, отраженные в диссертации, проводились в рамках хоздоговорных и госбюджетных НИР и ОКР при участии и под руководством автора. Основанием для выполнения работы являлись:

- комплексный план Госкомитета по науке и технике, программа 05. 16. 09;

- приказы Минэлектротехпрома № 106/116 и 38/50; темы Ы № 1219 III, Д
0385051;

координационный план Минчермета (1975-1980) п. Ш 1а;

Российская научно-техническая программа «Актуальные проблемы

физики конденсированных сред» - тема 310-16 «П».

Целью диссертации является развитие теории и совершенствования
торцевых электродвигателей на базе методов интегральной технологии с
учетом несимметрии активной зоны вдоль радиуса, а также решения
вопросов, связанных с практической разработкой и внедрением. Для
достижения этих целей были проведены теоретические и

экспериментальные исследования указанных двигателей, направленные на решение следующих задач:

1. Исследование распределения магнитного поля в активной зоне с учетом различного конструктивного исполнения.

2. Анализ особенностей расчета магнитной цепи торцевых двигателей интегрального изготовлешія и разработка методики расчета.

3. Разработка методов улучшения использования активных материалов с учетом особенностей плоских обмоток статора и ротора, прессованных и комбинироватпых сердечников.

4. Анализ влияния конструктивно-технологических факторов на электромеханические характеристики и их оптимизация.

5. Разработка практических рекомендация по проектированию двигателей со сниженным расходом активных материалов и улучшенными показателями.

6. Экспериментальное исследование торцевых двигателей интегрального изготовления с целью проверки теоретических положений.

7. Разработка способов изготовления многослойных плоских обмоток, прессованных и комбинированных сердечников для двигателей с улучшенными показателями.

6.

Методы исследований. Исследования проведены с использованием аналитических, графоаналитических и численных методов, теории электромагнитных полей, методов оптимизации. Экспериментальные исследования выполнены на образцах и опытных партиях торцевых асинхронных двигателей с использованием специального оборудования и физических моделей.

Научная новизна.

8. Обоснован новый концептуальный подход к выполнению активной зоны в торцевых двигателях.

9. Разработаны аналитические выражения для определения магнитного поля в активном объеме торцевых асинхронных двигателей различных исполнений.

10. Получены аналитические выражения для определения рациональных соотношений размеров активной зоны машины.

11. Определены выражения электромагнитного момента с учетом возможностей его увеличения.

12. Получены аналитические соотношения для учета в электромагнитных расчётах:

влияния несимметрии активной зоны вдоль радиуса на распределение магнитного поля в зазоре;

распределения магнитного поля в прессованном ярме;

реальной конфигурации активной зоны с учетом особенностей технологии изготовления.

6. Предложены конструкции элементов и двигателей, защищенных авторским приоритетом, позволяющих повысить электромагнитный момент, улучшить распределение тепловых потерь, снизить трудоемкость изготовления.

7. Разработана методика проектирования торцевых двигателей со сниженным расходом активных материалов.

7.

Основные научные результаты и положения диссертации, представленные на защиту.

1. Обоснование концепции выполнения обмоток и сердечников в торцевом исполнении, позволяющая снизить материалоемкость и трудоемкость изготовления.

2. Аналитические выражения для распределения магнитного поля в воздушном зазоре торцевых двигателей.

3. Результаты анализа распределения магнитного поля в прессованном сердечнике.

4. Обоснование способов повышения электромагнитного момента с учетом возможности увеличения индукции от внутреннего диаметра к внешнему.

5. Методика расчета магнитной цепи с учетом несимметрии магнитного поля вдоль радиуса.

6. Аналитические выражения для определения внутреннего и внешнего диаметров, позволяющих минимизировать расход активных материалов для различных чисел пар полюсов и соотношения диаметров.

7. Аналитические выражения для минимизации потерь в обмотках статора и оптимизации геометрии обмотки к.З, обмотки ротора.

8. Результаты аналитического решения задачи распределения тепловых потоков от внутреннего диаметра к внешнему и способы его выравнивания.

9. Результаты оценки надежности статора с учетом специфики возможных дефектов изоляции и проводников.

10. Конструктивно-технологические принципы и способы
изготовления торцевых микродвигателей интегршгьного
изготовления.

Практическая ценность работы состоит в том, что на основе

исследований установлена возможность и предложены способы усовершенствования асинхронных двигателей с аксиальным рабочим зазором. Предложены нетрадиционные конструкторско-технологические решения активной части, позволяющих повысить технический уровень торцевых двигателей интегрального изготовления. Разработаны инженерные методики расчета и технологии производства обмоток и сердечников на базе нетрадиционных способов изготовления. Практическая ценность работы подтверждена использованием инженерных методик при создании опытных образцов электродвигателей различного назначения.

a.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при разработке ряда двигателей, среди которых:

10. Опытная партия торцевых асинхронных электродвигателей с печатными обмотками мощностью до 180 Вт (АДПО 9, 10, 12, 13) на базе ИОВНИИЭМ (Привод бытовой техники).

11. Опытная партия торцевых асинхронных электродвигателей для вспомогательного привода валков мелкосортного стана (координационный план Минчермета АДПО 14,14В),

12. Опытная партия и технологии изготовления торцевых асинхронных электродвигателей со штампованно-прессованными элементами активной зоны (координационный план Минэлектротехпрома - тема ы-1219111 АДПО 22, 23).

13. Техническая документация для выпуска опытных образцов торцевых электродвигателей для робототехники (АДПО 24) ( комплексный план ГКНТ АДПО 24, 25).

14. Техническая документация и образцы электродвигателей со сниженным расходом активных материалов в соответствии с планом Минэлектротехпрома (тема ДО385051 - ЗД82) (АДПО 26, 28).

15. Торцевые двигатели с роторами из высокотемпературных сверхпроводниковых композиционных материалов. (Российская программа 310-16 «П».)

Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались на III, IV, V, VII, VIII Всесоюзных научно-технических конференциях (ВНТК) «Новые технологические процессы и оборудование для производства электрических машин малой мощности», г. Тбилиси (1977 - 1987 гг.); VI -VII Всесоюзной НТК «Перспективы развития производства асинхронных двигателей», г. Владимир, 1982, 1985 гг.; IV, V ВНТК «Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов», г. Днепродзержинск 1985 г.; г. Каунас 1988 г.; Всесоюзный НТК «Печатные

У.

резисторы и приборы на их основе» г. Краснодар 1974 г.; III Уральской зональной НТК «Прогрессивные методы порошковой металлургии в машиностроении», г. Оренбург 1978 г.; II Поволжской конференции по автоматическому управлению, г. Казань, 1974 г.; заседаниях секций ОНТС Минэлектротехпрома, на научно-техническом семинаре Минрадиопрома, г. Йошкар-Ола 1985 г.; XIX-XXVII НТК Московского института радиотехники, электроники и автоматики (1969-1976 гг.); XIII-XVI НТК Всесоюзного заочного инженерно-строительного института (МИКХиС) (1980-1999 гг.); Республиканской научно-технической конференции: «Исследование, разработка и внедрение магнитоэлектриков в электропромышленности» г. Харьков 1972 г.

Отдельные результаты докладывались и обсуждались в МЭИ, НИИПТИЭМ, ВНИИТМЭ, ВНИИТЭлектромаш, объединении «Эльфа», ВНИИКИЭМП, ИЧМ, ИОВНИИЭМ, ОЗВНИИЭМ, СКБ «Кристалл», СКБ ХЭЛЗ, завод «Ромб», МАИ и в других организациях.

Образцы электродвигателей интегрального изготовления, выполнение с использованием материала диссертации, экспонировались на ВДНХ и удостоены наград.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 49 печатных работ, из них 1 монография, 15 изобретений и 2 патента.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 277 стр. текста и 173 стр., включающих 186 иллюстраций и 13 таблиц. Работа также содержит список литературы из 187 наименований и приложение.