Высокоиспользованные электродвигатели постоянного тока с полым якорем и возбуждением от постоянных магнитов Соловьев Анатолий Алексеевич

Содержание к диссертации

Введение

1. Современные двигатели постоянного тока с полым якорем: проблемы проектирования и применения 13

1.1 Классификация электродвигателей по назначению и области применения. Технические требования и характеристики 13

1.2 Магнитные материалы электродвигателей малой мощности и применяемые материалы 25

1.3 Проблемы повышения ресурсных характеристик высокоиспользован-ных коллекторных электродвигателей с полым якорем 32

Выводы и постановка задачи 37

2. Магнитное поле электродвигателя 39

2.1 Магнитное поле индуктора 39

2.2 Магнитное поле якоря и его индуктивные параметры 62

Выводы 71

3. Ресурс коллекторных электродвигателей постоянного тока с полым якорем 72

3.1 Коммутационные параметры двигателей с полым якорем 72

3.2 Современные материалы и перспективные технические решения в области шеточно-коллекторного узла 84

3.3 Влияние конструкции щеточно-коллекторного узла на ресурсные характеристики двигателя 101

Выводы 119

4. Оптимальное проектирование электродвигателей с полым якорем 120

4.1 Методы решения оптимизационных задач. Критерии оптимальности и ограничения.

4.2 Функциональные связи параметров электродвигателей с полым якорем 125

4.3 Серия электродвигателей с полым якорем и возбуждением от высокоэнергетических постоянных магнитов 135

4.4 Методы электромагнитных расчетов ДП-Р11 с высокоэнергетическими магнитами и предельным уровнем основных электромеханических параметров 137

Выводы 149

Заключение 150

Литература

• Магнитные материалы электродвигателей малой мощности и применяемые материалы
• Магнитное поле якоря и его индуктивные параметры
• Современные материалы и перспективные технические решения в области шеточно-коллекторного узла
• Функциональные связи параметров электродвигателей с полым якорем

Введение к работе

В современном мире в условиях формирования новой военной доктрины страны и изменения приоритетов при проведении военной реформы происходит интенсивное совершенствование видов вооружения и военной техники (В и ВТ) при одновременном сокращении количества находящихся в производстве и эксплуатации объектов этой техники. Электропривод постоянного тока, содержащий коллекторный электродвигатель в качестве исполнительного элемента, традиционно является "сердцем" любого автоматического устройства военного, авиационного, ракетно-космического и т.п. назначения, обычно относящимся к объектам специального назначения. Выпускаемые промышленностью микроэлектродвигатели автоматических устройств все чаще не удовлетворяют предъявляемым к ним повышенным требованиям, в частности, по энергетическим и весогабаритным характеристикам, по сохранению параметров в течение длительной работы или хранения.

Широкое применение в автоматических устройствах различного вида, в том числе и специального назначения, получили микроэлектродвигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Задача их совершенствования, в конструкторско-технологическом смысле, является актуальной по следующим причинам:

1.Современные достижения в области электротехнического материаловедения дают возможность существенно улучшить электромеханические характеристики двигателей при одновременном уменьшении их габаритов и веса.

Увеличение срока службы двигателя, в том числе минимальной наработки на отказ и срока сохраняемости в условиях штатного хранения, позволяет использовать его в условиях жестких длительных механико-климатических воздействий внешних факторов (далее ВВФ).

Сочетание улучшенных динамических качеств со стойкостью к нагреванию в кратковременных или повторно-кратковременных режимах работы определяют возможность применения коллекторного двигателя для средств высокоточных следящих систем разового использования.

Более высокий коэффициент полезного действия по сравнению с двигателями переменного тока дает возможность использовать коллекторный электродвигатель в любой аппаратуре, имеющей ограниченную мощность источника питания (аккумулятора, генератора и т.п.) при одновременном уменьшении массы или полетного веса агрегата в целом.

5 Особое место среди современных электродвигателей постоянного тока занимают двигатели с полым якорем (ДПР). К числу их несомненных преимуществ перед другими типами коллекторных двигателей относятся: низкий собственный момент инерции якоря, обусловливающий лёгкость и плавность регулирования скорости; отсутствие металлического магнитопровода якоря, приводящее к исключению одного из существенных видов потерь - потерь в стали и повышающее качество коммутации; отсутствие зубцов на якоре, позволяющее снизить собственный момент трогания при пуске от минимального напряжения (напряжения трогания) и добиться его независимости от угла поворота вала. Возможность выполнить магнитоэлектрическое возбуждение как «внешним», так и «внутренним» по отношению к якорю приводит к большему разнообразию конструкций магнитных систем, что ставит задачу выбора оптимальной из них.

Под термином "высокоиспользованный двигатель" здесь и далее понимается двигатель постоянного тока с магнитоэлектрическим возбуждением с предельным уровнем электромагнитных и тепловых нагрузок, обеспечивающих рабочий процесс в пределах заданного технического ресурса, обладающий максимальными удельными характеристиками, такими как мощность и пусковой момент на единицу объема, минимальными энергопотреблением и постоянной времени.

Работа содержит результаты более чем 30-летней деятельности автора в составе коллектива научно-производственного предприятия: "ЭЛТОН ЭНВО", входящего в концерн "Энергия", г. Воронеж - головного предприятия страны в области разработки и производства двигателей для объектов специальной тех ники. Большинство из публикуемых здесь результатов получены под руково дством и при непосредственном участии автора настоящей работы совме стно со следующими сотрудниками НЛП "ЭЛТОН ЭНВО": лауреатами Государственной премии СССР И.А.Цирлиным и Ю.ПШироковым, канд. тех. наук, нач; секторов Ю.Д.Харизманом и В.А.Хомяком, нач. отделов В.В.Чумаком, В.В.Малышевым и ЮА.Илларионовым, инжене рами С АЛмищенко, Р.Б.Колосковым, В.П.Остапенко и др. Работа выполне на в соответствии с «Комплексной программой развития ЭМММ на 1981- 1990гг. №001-1», утвержденной Минэлектротехпромом СССР; госзаказам, ут вержденным постановлением Правительства РФ Ж227-15 от 02.03.1996г.; гос заказом, утвержденным постановлением Правительства РФ №35-2 от 27.01.2003г

Цель работы. Комплексные исследования способов улучшения энергетических и ресурсных характеристик электродвигателей постоянного тока с полым немагнитным якорем, направленные на выработку рекомендаций по их оптимальному проектированию.

Для достижения этой цели в работе необходимо решить следующие задачи:

Классифицировать двигатели указанного типа по показателям назначения, электромеханическим характеристикам, устойчивости к ВВФ и технологическим параметрам. Установить причинно-следственные связи между применяемыми типами магнитных систем и получаемыми характеристиками двигателей.

Определить предельные значения критериев эффективности магнитных систем на базе численного моделирования картины поля индуктора с учетом физических характеристик современных магнитов на основе редкоземельных материалов (РЗМ) и влияния поля якоря.

На основе моделирования магнитного поля в зоне коммутации определить, индуктивные параметры полого якоря с возможностью прогнозирования ресурса электродвигателя.

Проанализировать существующие и предложить перспективные технические решения по выбору щёточных материалов, формированию микрорельефа и многокомпозиционных покрытий поверхности коллектора, устойчивых к ВВФ конструкций щёткодержателей.

Создать математическую модель и разработать методику оптимального проектирования высокоиспользованных электродвигателей с полым якорем и принципы построения серии таких машин.

Методы исследования. Решение поставленных задач выполнено на основе современных средств численного моделирования магнитных полей, с использованием программ высокого уровня Quick Field и ANSYS. Оптимизационные расчёты электродвигателей осуществлялись с использованием методов нелинейного и целочисленного программирования (метод сканирования). Математическая модель реализована на языке программирования C++, обработка результатов расчётов произведена с помощью программного средства MATH-CAD. Ресурсные характеристики электродвигателей исследовались экспериментально по существующим методикам натурных и ускоренных испытаний на наработку и сохраняемость.

Научная новизна работы:

1. Предложено и научно обосновано комплексное понятие "высокоис-пользованный двигатель" применительно к методике его проектирования и эксплуатационным требованиям; установлены причинно-следственные связи между показателями назначения и типом применяемой магнитной системы, а также между синтезированными критериями оптимальности и получаемой при этом геометрии поперечного сечения двигателя с полым ротором.

2. Обоснованы критерии эффективности магнитной системы двигателей по максимальному использованию материала магнита и максимальной энергии в немагнитном зазоре между якорем и индуктором. Установлено, что для РЗМ магнитов (в отличие от магнитов ЮНДК) оптимальные геометрические разме ры машины, синтезированные по обоим критериям, существенно различаются.

Получено аналитическое выражение для расчёта среднего значения магнитной индукции в зазоре для базовой магнитной системы ВЦН2 (рис.2) и поправочные коэффициенты к расчёту средних значений индукции для пяти других широко применяемых магнитных систем .

На основе анализа магнитного поля двигателя в зоне коммутации предложены совокупности коэффициентов для оценки влияния электромагнитных факторов на процесс коммутации в двигателях с различными типами магнитных систем.

Сформирована методика оптимального проектирования серии двигателей по обмоточным данным, по стандартизованной шкале мощностей и показателям назначения, реализующая выполнение проектных расчетов с учетом специфики хранения и эксплуатации.

Практическая ценность работы:

Предложена современная классификация силовых и управляемых двигателей для объектов спецтехники, позволяющая установить причинно-следственные связи между показателями назначения и типами магнитных систем.

Установлены и обоснованы оптимальные геометрические соотношения между поперечными размерами магнита и якоря для различных магнитных систем и двух критериев энергетической эффективности, дающие возможность выбора конфигурации индуктора из общей номенклатуры магнитных систем и обеспечивающие целенаправленное решение задачи проектирования и обеспечения высокого использования двигателя, повышения его быстродействия, экономичности и ресурса.

Выработаны рекомендации по применению современных марок графитных и металлосодержащих щеток для низковольтных коллекторных двигателей в сочетании с нормируемым рельефом рабочей поверхности коллектора и многокомпозиционными покрытиями, повышающие как наработку на отказ, так и срок сохраняемости двигателя.

Экспериментально получены вольтамперные характеристики наиболее распространенных марок щеток в сочетании с предложенными приемами подготовки поверхностей коллектора,, пригодные для использования в качестве справочного материала при проектных расчетах.

Сформулированы и экспериментально подтверждены теоретические предположения о механизме деградации щеточно-коллекторного узла, позволяющие и обосновано выбирать материал щеток, параметры нормированного микрорельефа и многокомпозиционных покрытий поверхности коллектора, устойчивых к широкому комплексу ВВФ.

Основные положения работы, представляемые к защите:

Комплексный подход к понятию "высокоиспользованный двигатель" применительно к методике его проектирования и эксплуатационным требованиям, причинно-следственные связи между показателями назначения и типом применяемой магнитной системы.

Оптимальные соотношения между величиной воздушного зазора и размерами магнита, полученные по различным критериям энергетической эффективности магнитных систем различных типов.

3- Совокупность коэффициентов для оценки коммутационных параметров электродвигателя на стадии синтеза магнитной системы.

Способы минимизации напряжения трогания, увеличения наработки на отказ и срока хранения путем сочетания никель-палладий и никель-палладий-бор содержащих покрытий рабочей поверхности коллектора с нормированным микрорельефом рабочей части.

Уточнение математической модели и методики оптимального проектирования "высокоиспользованного" микродвигателя постоянного тока с полым якорем.

Апробация работы

Основные положения; работы докладывались и обсуждались на секции НТС "Электрические машины и электропривод" концерна "Энергия" и научном семинаре кафедры "Электромеханические системы и электроснабжение" Воронежского государственного технического университета, а также 5-ой Всесоюзной научно-технической конференции (Каунас, 1991), X Всесоюзной конференции по постоянным магнитам (Суздаль, 1991), Совещании по проблемам применения электроугольных изделий (Электроугли, 1993) и ряде других.

Реализация работы.

Работа является результатом более 10 НИР прикладного и 5 НИР поискового характера выполненных в течение 1985-2003 гг. в концерне «Энергия" и завершившаяся созданием свыше 40 типоисполненией электродвигателей, в т.ч. 2 освоенных в производстве серий для объектов В и Вт.

Внедрение результатов работы производилось на предприятиях оборонного комплекса страны - основных потребителях двигателей указанной номенклатуры, в том числе КБ им. С.А.Лавочкина, НПО им. Н.В.Хруничева, НПО "Геофизика", НПО им. А.Я. Нудельмана, КБ "Вымпел", г. Москва, НПО "Светлана", НПВК "Ленинец" ЦНИИ РТК, г. Санкт-Петербург, НИИ прикладной механики, г. Красноярск и многих других.

Публикации:

Всего по теме настоящей работы опубликовано 9 печатных работ и получено 6 авторских свидетельств и патентов на изобретения, В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: [13,112,113] - анализ применимости синтезированных критериев оптимальности для оптимизации силовых и управляемых электродвигателей; [107,110,120] - анализ влияния технологической подготовки коллектора и режимов работы двигателя на устойчивость контактирования и ресурс; [6,108,119] - совершенствование методики натурных испытаний, исследование влияния ВВФ и конструкции щеточно-коллекторного узла (ЩКУ) на параметры и сохраняемость контакта; [7,8] — разработка и исследование конструкций щеткодержателей; [9,10] — экспериментальное исследование микротвердости коллектора с различными покрытиями; [11,12] - использование резонансных явлений и пьезоэлектрических эффектов для экспериментальных исследований ЩКУ.

Во введении показана актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены общие сведения о применяемых методах, структуре работы и предполагаемых результатах.

В первой главе на основе анализа технической литературы, имеющихся публикаций и специальных источников сформулирована проблема выбора исполнения в сочетании с условиями применения электродвигателей постоянного тока в приводах специального и гражданского назначения применительно к современным тенденциям совершенствования видов и образцов новой техники. Функционально основные параметры силовых и управляемых двигателей дополнены такими характеристиками, как ресурс по наработке и сохраняемости, специальные характеристики, условия хранения и применения, экономические параметры и др. Ранжирование факторов по уровню значимости произведено по методике [90] с использованием синергетических коэффициентов. Ранги определены по пятибалльной шкале. Для наглядности процедура выбора представлена' в виде диаграмм. Показано, что реализовать в одном изделии все предельные значения требований невозможно. На основе анализа специальной литературы, реальных технических заданий и перспективных проектов сделан вывод об актуальности поиска путей и исследовании способов получения высо-коиспользованных микродвигателей с предельными ресурсными характеристиками. Перспективным в этом плане является двигатель постоянного тока с полым якорем, достоинства которого обусловлены отсутствием магнитопровода, вращающегося вместе с якорем. На основе анализа имеющихся конструкций выбраны перспективные типы магнитных систем, допускающие применение высокоэнергетических постоянных магнитов.

Обоснована целесообразность использования современных программных средств (Quick Field, ANSYS и др.), предусматривающих возможность реализации моделей объекта и их анализа с применением метода конечных элементов. Одновременно, на основе анализа материалов по промышленным испытаниям и штатной эксплуатации двигателей, сформулировать направления оптимизации элементов щеточно-коллекторного узла (ЩКУ) с целью достижения предельных значений ресурса по наработке и сохраняемости, в том числе в объекте назначения.

Во второй главе выполнен анализ магнитного поля различных конструкций магнитных систем, определены основные критерии для сравнения и выбора магнитной системы в зависимости от функционального назначения электродвигателя. Ранее детальные исследования магнитных систем двигателей с полым якорем с целью оценки их энергетических показателей и влияния на ресурсные показатели электродвигателя проводились недостаточно. В качестве основных программных средств при моделировании магнитного поля использовались Quick Field и ANSYS. Результатом анализа является картина распределения магнитного поля в поперечном сечении активной зоны магнитной системы. Основу численных методов расчета электромагнитных полей составляет система уравнений Максвелла. Для оценки энергетических параметров магнитной системы и оптимальных геометрических соотношений целесообразно, на первом этапе, рассмотреть магнитную систему с малым полем рассеяния. Для этого идеально подходит система ВЦН 2 (рис. 1.2). Она позволяет аналитически на- ходить оптимальные геометрические соотношения в магнитной системе, обеспечивающие предельные энергетические параметры электродвигателя. Решение уравнений в примененных программных средствах сводится к решению уравнений Пуассона при заданных граничных условиях и выполнено с допущениями, что материал корпуса (магнитопровода) не насыщен, магнит намагничен в однородном поле в собранной магнитной системе, магнитное поле плоскопараллельное. В результате получены уравнения, позволяющие выполнить анализ энергетических параметров магнитной системы. Проанализированы по отдельности магнитные поля различных индукторов, магнитное поле якоря и его влияние на основное магнитное поле возбуждения. Получены рекомендации по проектированию магнитных систем с высококоэрцитивными магнитами, в частности: ЮН14ДК24 и Нм28Ди4Р.

Третья глава посвящена анализу факторов, определяющих срок службы коллекторного микродвигателя с полым якорем: ресурс по наработке и сохраняемости.

Для оценки коммутационной составляющей использованы аналитические выражения МДС якорной обмотки при четном и нечетном числе секций. С учетом результатов анализа магнитных полей индуктора и якоря уточнены аналитические выражения для ЭДС самоиндукции (pi), ЭДС от поперечной составляющей поля якоря (е_щ) и ЭДС от поля индуктора в наиболее перспективных вариантах магнитных систем с учетом ограниченного числа секций. Наилучшие показатели должны обеспечивать явнополюсные магнитные системы с диаметрально намагниченными постоянными магнитами.

Исследования природы механического износа носят преимущественно эмпирический характер, что связано с большим числом факторов, одновременно влияющих на показатели износа. Среди них первостепенное внимание уделено материалам контактной пары щётка - коллектор, шероховатости поверхности контакта и типам применяемых щёткодержателей. Анализу наблюдаемых явлений и разработке новых технических решений посвящены три подраздела главы. Приводится большой экспериментальный материал, в том числе собранный по результатам испытаний на сохраняемость электродвигателей - типа представителей в различных климатических зонах страны. Период натурных испытаний составляет около 18 лет наблюдений, а представленный в приложениях 2, 3 экспериментальный материал ранее в открытой печати не публиковался. Глава заканчивается выводами и задачами последующих исследований. ¹² В четвертой главе изложены рекомендации оптимального проектирования электродвигателей с полым якорем. Дана краткая характеристика методов решения оптимизационных задач применительно к высокоиспользованным электродвигателям. Делается вывод о том, что наилучшим методом в данном случае является упорядоченный перебор вариантов. Формируются целевые функции, которые в общем случае могут одновременно содержать до 8 - 10 переменных. Подробно обсуждается состав независимых переменных при анализе, а также ограничений, накладываемых на систему уравнений. Последние формируются как в виде неравенства, так и в виде равенств. Решение производится методом сканирования по всему пространству независимых переменных, даются практические рекомендации по использованию результатов решения в проектной практике. Далее в главе описывается методика инженерного проектирования серии электродвигателей с полым якорем, в которой исходными данными служат результаты предшествующего электромагнитного оптимизационного расчёта. Обращается внимание на различие в подходах к проектированию электродвигателей военного и гражданского назначения. Результаты проектирования отрезка серии ДП-Р11 с редкоземельными магнитами приведены в виде таблиц оптимизированных параметров. В конце главы проводится анализ полученных оптимальных соотношений на примере одной из широко распространённых магнитных систем ВЦН.

В приложениях к работе содержится программа оптимизационного расчета электродвигателя постоянного тока с РЗМ магнитами (магнитная система ВСР4) и результаты оптимизационного расчета электродвигателя, соответствующего габариту машины ДПР-62 (приложение 1), результаты экспериментальных исследований (приложения 2 и 3) электродвигателей с различными материалами щёточно-коллекторных узлов, в том числе характеристик износа щёток и параметров сохраняемости (напряжение трогания, вероятность внезапного отказа и ряд других). В приложении 4 приводятся материалы о внедрении результатов работы. ІЗ ГЛАВА І. СОВРЕМЕННЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ПОЛЫМ ЯКОРЕМ: ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ

1.1. Классификация электродвигателей по назначению и области применения. Технические требования и характеристики

Электродвигатель постоянного тока с полым якорем и возбуждением от внутриякорного магнита (далее двигатель), как тип коллекторной электрической машины, известен с середины XIX века. Освоение новых технологических процессов, развитие производства активных материалов, расширение сферы применения электродвигателей с полым якорем привели к появлению множества конструкций таких машин. Это связано, прежде всего, с необходимостью совершенствования электроприводов систем автоматики, военной, авиационной и позже - ракетно-космической техники. Поэтому в основу их классификации целесообразно положить совокупность технических требований к электроприводам, где они используются. Удобно сгруппировать эти факторы по физической природе, степени влияния (значимости), взаимосвязи с другими ограничениями и перспективами ужесточения технических требований.

Используя известные [43,90] методы ранжирования возмущений, необходимо определить функциональные связи геометрии активных частей с показателями назначения двигателя и описать достигнутые на сегодняшний день результаты. Такой анализ позволяет максимально точно очертить возможную область применения двигателей, своеобразную «техническую нишу» на размерно-параметрической шкале и сформулировать исходные данные для последующих оптимизационных расчётов. В отечественной литературе по электрическим машинам и электроприводам малой мощности указанной теме посвящен ряд фундаментальных работ [42, 77, 108, 109]. Обобщая изложенное в них, можно прийти к следующим выводам:

Функционально основными параметрами силовых и управляемых двигателей молено считать момент или мощность на валу при заданном напряжении на входе. Принципиальным является лишь то, что силовой двигатель должен работать при номинальных значениях момента нагрузки и напряжения питания (одна «рабочая точка» на механической характеристике), а управляемый - в некотором диапазоне вращающих моментов и напряжений питания.

Совокупности факторов для двигателей гражданского и специального назначения сильно различаются. Прежде всего это относится к эксплуатацией-

14 ным требованиям и технико-экономическим показателям. Требования по стойкости к внешним механико-климатическим факторам для военной сферы применения являются гораздо более жёсткими, чем для двигателей гражданского назначения. Самые жёсткие требования по стойкости имеют объекты В и ВТ разового назначения. Менее жёсткие требования - объекты авиационной В и ВТ и ещё менее жёсткие - объекты наземной и морской техники. Уровень технических требований к объектам В и ВТ находится в прямой связи с показателями надёжности входящих в их состав коллекторных двигателей. Они применяются, как правило, в очень сложных и дорогостоящих видах Ви ВТ, стоимость которых на несколько порядков превышает стоимость комплектующих изделий, в том числе и двигателей. Поэтому экономические показатели для двигателей военного применения имеют ограниченную значимость по сравнению с техническими показателями.

Для двигателей гражданского назначения определяющими являются экономические показатели - трудоёмкость и себестоимость. Связано это с уровнем серийности производства, со стоимостью комплектующих изделий (в основном со стоимостью магнитов), с количеством типоразмеров двигателей в серии, степенью унификации элементов конструкции и технологии.

3. Научно-производственный опыт автора работы позволяет отнести к особо значимым в современных условиях факторам, влияющим на правильный выбор двигателя, степень отработанности методик проектирования, включающих, помимо проверенных на практике математических моделей расчёта режимов и геометрии двигателя, и наличие библиотеки стандартных типовых программ проектирования, являющихся подсистемой САПР. В последние десятилетия стоимость программно-технических средств значительно снизилась, но стоимость опытно-экспериментальной отработки новых технических решений: многократно повысилась по сравнению с базовым уровнем середины 80-х годов прошлого века. Причины такого положения общеизвестны, обсуждались в литературе [4] и не нуждаются в особом анализе.

Исходя из изложенного в табл. 1.1 приведена систематизированная классификация факторов, влияющих на правильный выбор электродвигателя. Здесь и далее предполагается, что технические требования к электродвигателю не только сформулированы, но и оптимизированы. В частности, известен закон управления, выбран понижающий редуктор или другой передаточный механизм, определен способ монтажа двигателя в аппаратуре, известны уровни механико-климатических нагрузок и другие показатели. Классификация режимов

15 работы на продолжительный, повторно-кратковременный и кратковременный соответствует действующим стандартам [27, 28, 29]. Объекты разового назначения для изделий ВТ. в классификацию не включались. Ранжирование факторов по уровню значимости произведены по методике [90]. Приняты во внимание не только обычно учитываемые факторы, но и перспективные, полученные из анализа современной литературы, заказов на проектирование электродвигателей и электроприводов.

Ранги, как это принято в [90,106], определены по пятибалльной шкале, где индекс "5" соответствует наиболее весомому показателю, а уровень индекса "I" — наименее часто упоминаемому параметру у различных авторов. Интегральным показателем, определяющим применимость фактора для его учета при проектировании, может служить так называемый синергетический показатель где К_син.— синергетический показатель для двигателя (силового или управляемого) выбранного режима работы; Kj - значение ранга для каждого из факторов в группе.

Очевидно, что чем ближе будет значение К_син к любой из сумм Kj, тем более весомым является данный фактор. Наиболее наглядно процесс выбора может быть представлен графически (рис. IЛ). Нетрудно видеть, что как для силовых, так и для управляемых двигателей степень близости показателей назначения к синергетическому показателю наиболее высока. Площадь многоугольника характеризует здесь сложность объекта проектирования. Очевидно, чем меньше параметров имеется в исходном задании, тем проще выбор из имеющихся альтернатив. Подобный подход позволяет значительно упростить исходное задание и перейти к рассмотрению возможных вариантов его выполнения.

Широкий диапазон требований, предъявляемых к приводам, постоянное появление материалов с улучшенными характеристиками, научные результаты и развивающиеся технологические возможности привели к тому, что в настоящее время; коллекторные микродвигатели постоянного тока: характеризуются\ широкой номенклатурой исполнений. Среди них: с возбуждением электромагнитным и от постоянных магнитов; с полым, зубцовым, гладким или дисковым

Таблица 1.1

Факторы, влияющие на выбор двигателя и их ранжирование

Продолжение табл. 1.1

Продолжение табл. 1.1

Окончание табл. 1.1

2. Показатели 1,1; 1,3; 1,6; 1,8; 2,3; 2,9; 2,14; 2,15 - могут являться для двигателей разного назначения либо показателями назначения, либо характеристиками. якорем; с наружным или внутренним индуктором; с различным числом полюсов; с полным или неполным комплектом щеток; двигатели унифицированного или оригинального исполнения и др. Поэтому при необходимости выполнения новой разработки возникает проблема выбора базовой конструкции. В ответе на этот и другие вопросы и состоит первоначальный этап эскизно-технического проектирования.

СИЛОВІ* ПВИГАПЛН

УПРАВЛЯЕМЫОВИГАТт

ШялаА

Харанптриапки

ИкапвА Q^JO А І >'р> > *—

Техюппямвхис тюрвнепры

ШзмаО Сіяйкаспь є ВВФ

Стайкоат» к ВВФ -і—І—І—І—І Я І 60 ІО 20

Пояхпыи тжачгмія

Тежнатхнесаг

26,89 26,60 26.Ю

28,97 27,68 26,785

Рис. 1.1, Факторы, влияющие на выбор параметров двигателя

Из литературы по проектированию электрических машин [78, 84] и результатов анализа параметров существующих двигателей следует, что реализовать в одном двигателе все предельные значения электромеханических параметров (см. табл. 1.1) невозможно. Параметрами-антагонистами являются 1,8 и 2,3; 3,1-=-3,4 и 1,7; 1,3 и 2,3 и др. И на практике цели проектирования напрямую связаны с достижением максимума определенной технической характеристики. Поэтому целесообразно установить взаимную связь и встречающиеся на практике сочетания факторов, влияющих на выбор двигателя.

Сначала рассмотрим подгруппу силовых двигателей продолжительного или повторно-кратковременного режима работы с ПВ > 60 %. Это - силовые двигатели с практически постоянной нагрузкой. Сферой их применения являются объекты с большим сроком службы, с невысокими требованиями по меха- но-климатическим нагрузкам. Они должны иметь высокий КПД, минимальный уровень шума и радиопомех, хорошее использование по мощности. Такие двигатели проектируются унифицированными сериями с модификациями по напряжению питания, частоте вращения, способу монтажа и др. В СССР и за рубежом выпускалась широкая номенклатура таких двигателей в диапазоне от 10 до 500 Вт. Наилучшие энергетические характеристики имели двигатели с частотами вращения от 4000 до 8000 об/мин [86, 123, 125], которые и получили распространение. Среди указанных типов выпускаемых изделий этого класса выгодно отличаются микродвигатели с полым якорем. Достаточно отметить, что в них отсутствуют перемагничиваемые участки магнитной цепи, а относительная индуктивность секций якоря - минимальна. Следствием этих особенностей является отсутствие потерь в стали, минимальный уровень реактивной ЭДС в коммутируемых секциях. Отсутствие же быстро насыщающихся зубцов позволяет существенно поднять индукцию в зазоре.

Силовые электродвигатели с ПВ=15; 25 и 40 %, а также двигатели кратковременного режима работы чаще проектируются для объектов с источником питания ограниченной мощности. Двигатели имеют минимальные габариты и вес, развивают максимальный момент при минимальном потребляемом токе, допускают высокую рабочую температуру обмотки. По принципам конструирования и эксплуатационным требованиям они тяготеют к машинам кратковременного режима работы. Последние же отличаются сравнительно высокими электромагнитными нагрузками (индукция магнитного поля и плотность тока), и поэтому их нередко относят к разряду высокоиспользованных машин. Ресурс двигателей составляет до нескольких часов (или десятков часов, включая обкаточные испытания на наземной аппаратуре). Выпускаются такие машины единичными исполнениями по 100-200 штук в год при практически полном игнорировании стоимостных показателей [54, 57]. Двигатели с полым якорем в этих случаях обладают неоспоримыми достоинствами благодаря хорошему охлаждению тонкостенного якоря воздушными потоками, как с внешней, так и с внутренней поверхностей. Уникальные условия коммутации позволяют рассчитывать и на приличный ресурс таких машин при форсированной нагрузке щеточного контакта. Отсутствие зубцов на якоре, быстро насыщающихся магнитным полем машины, создает возможность радикального повышения индукции магнитного поля в зазоре.

Управляемые электродвигатели также можно разделить на ряд групп по условиям применения и назначению: управляемые двигатели продолжительного режима работы с широким диапазоном регулирования скорости вращения; управляемые двигатели кратковременного и повторно-кратковременного режима работы с повышенным пусковым моментом и минимальными габаритами и массой; низким собственным моментом инерции подвижных частей (ротора); управляемые двигатели следящих электроприводов с частотно-токовым управлением и высоким быстродействием; управляемые двигатели для повторно-кратковременного режима работы объектов разового применения с повышенным пусковым моментом.

Управляемые двигатели характеризуются разнообразием применяемых типов магнитных систем и высоким уровнем достигаемых электромагнитных нагрузок. Прогресс в электрическом микромашиностроении в последние годы связан с новейшими разработками в области управляемых двигателей постоянного тока [56,60,118]. Нередко технические характеристики электродвигателя определяют технический уровень объекта в целом. Двигатели с полым якорем обладают рядом достоинств, принципиально важных для их применения ' в управляемых приводах: малая инерционность якоря из-за отсутствия магнитного сердечника, возможность повышения КПД и пускового момента за счет полной ликвидации потерь в стали и увеличения индукции в зазоре, улучшенные условия коммутации и др.

В табл. 1.2 приведена описанная выше классификация во взаимосвязи с показателями назначения и типами применяемых магнитных систем . Данные в таблице заимствованы из [87, 88, 121, 124] и представляют собой результаты выполненных в 1993-1999 гг. под руководством автора комплексных НИР по разработке серий электродвигателей постоянного тока для специальной техники с предельными характеристиками.

В то же время опыт проектирования и промышленного выпуска электродвигателей с полым якорем показывает, что заложенные в их конструкции достоинства еще слабо реализуются в готовых изделиях.

Проблема еще более обостряется и нуждается в безотлагательном решении в связи с появлением широкого спектра новых высокоэнергетических магнитных материалов, большого многообразия типов магнитных систем, отсутствием методик проектирования, приемлемых для эффективного использования современных технических средств и программного материала.

Таблица 1.2 Классификация электродвигателей по функциональному назначению и областям применения магнитной системы (по рис, 1.2)

Режим работы (по ГОСТ 183)

Продолжение табл. 1.2

1.2 Магнитные системы электродвигателей малой мощности и применяемые материалы

Конструкция электродвигателя во многом определяется свойствами применяемого постоянного магнита, В настоящее время известно большое число магнитных материалов, предназначенных для изготовления постоянных магнитов (ПМ). Магнитные свойства современных ПМ изменяются в весьма широких пределах: остаточная индукция (В_г) от 0,3 до 1,3 Тл; коэрцитивная сила (Не») от 45 до 1000 кА/м; максимальное энергетическое произведение (ВЩм от 20 до 370 Дж/м³ [22, 70,90].

Все магнитотвердые материалы (МТМ) подразделяются на докритиче-ские и закритические [70, 90] в соответствии со своей способностью восстанавливать магнитный поток после воздействия размагничивающего поля. Первые не восстанавливают, а вторые восстанавливают магнитный поток после такого воздействия. К" первой, группе относятся литые МТМ^ ко второй - РЗМ и ферриты.

В настоящее время в России и за рубежом при производстве электрических машин преимущественное распространение получили магниты из ферритов, редкоземельных материалов а сплавов «альнико» (ЮНДК). Сплавы ЮНДК сохраняют стабильность магнитных свойств при эксплуатации в условиях высоких (выше 200 С) температур. Например, широко применяемые сплавы ЮН14ДК24 и ЮНДК35Т5 имеют наиболее высокую точку Кюри (около 850 С) Они обладают высокой структурной устойчивостью. До 500 С в них не наблюдалось структурных изменений, влияющих на магнитный поток [34,99].

Однако эти сплавы чувствительны к влиянию внешних магнитных полей, оказывающих в электрических машинах существенное размагничивающее воздействие (до 30 % потери первоначального магнитного потока).

МТМ на основе редкоземельных материалов обладают высокой коэрци тивной силой. Они практически не подвержены размагничиванию под воздей ствием внешних магтггаых полей, возникающих в микроэлектродвигателях. Наиболее перспективными высокоэнергетическими МТМ являются компози ции неодим - железо - бор (Nd-Fe-B) [22,85,91]. Главное их преимущество - это применение менее дефицитного и более дешевого, чем са марий, неодима при сохранении более высоких магнитных характеристик и приемлемых механических свойств. Существенным недостатком является низкая темпера турная стабильность его магнитных свойств и малая коррози-

26 онная стойкость. Основные свойства промышленных МТМ отечественного производства представлены втабл.П. I-e-4.

При выборе МТМ для постоянного магнита, комплектующего магнитную систему разрабатываемой электрической машины, главными показателями являются магнитные свойства и стоимость. Для ферритовых магнитов стоимость сырьевых материалов самая низкая. В настоящее время стоимость 1 кг ферритовых постоянных магнитов примерно в 10 раз ниже, чем магнитов из сплава альнико ив 20 раз ниже редкоземельных [34]. Сокращение объемов выпуска, постоянных магнитов из сплавов альнико (ЮНДК) связано с высоким содержанием дефицитного и дорогого кобальта.

Прогноз производителей постоянных магнитов о снижении стоимости РЗМ не оправдался. Эйфория по поводу разработки новых соединений на основе Nd-Fe-B начинает спадать. Поэтому и сейчас надежным заказчиком специальных электрических машин с РЗМ магнитами остаются лишь военные ведомства.

Одним из важнейших показателей, который характеризует материал постоянных магнитов, является стоимость единицы удельной магнитной энергии. Использо вание этого критерия для оценки вновь появляющихся МТМ очень важно для сравнения их с разработанными ранее [99].

Обобщая все сказанное выше, можно сделать выводы. В магнитных системах с малыми воздушными зазорами (до 1 мм) и небольшими размагничивающими полями (до 10 кА/м) предпочтительно применение магнитов из сплавов ЮН14ДК24, ЮНДК35Т5БА, ЮНДК35Т5АА и др. Поэтому сфера применения этих сплавов ограничивается электрическими машинами малой мощности (Р<100 Вт). В системах с большими магнитными зазорами и сильными размагничивающими полями, в которых не предъявляются особые требования к мас-согабаритн ым характеристикам и температурной стабильности, должны применяться анизотропные феррит-бариевые (22БА220, 28БА190 и др.) и феррит -стронциевые (24СА200, 28СА250 и др.) постоянные магниты. Малая стоимость и доступность исходных материалов делают возможным их использование в электрических машинах широкого профиля:

Применение высокоэнергетических постоянных магнитов на основе РЗМ соединений (НмЗбР, НмЗОДибР, Нм28Ди4Р и др.) возможно практически в большинстве магнитных систем электрических машин при условии тщательного технико-экономического обоснования. На рис. 1.2 схематически представле-

' т. 'їїи _{f$:?%m- \}

HCP2 HCP4

Рис. 1.2. Возмолсные конструктивные исполнения индукторов электродвигателей с полым ротором ны магнитные системы двигателей с полым якорем, нуждающиеся в сравнительном анализе.

Сложность расчета магнитных систем с постоянными магнитами определяется исключительно особенностями самого постоянного магнита, являющегося нелинейной, анизотропной средой с гистерезисными свойствами. Основная функция магнита - создание постоянного магнитного поля в рабочем объеме электрической машины. Задача проектирования магнитной системы с постоянными магнитами заключается в выборе материала, формы и размеров магнита. При этом постоянный магнит должен обеспечивать требуемую магнитную энергию в рабочем зазоре и необходимую напряженность магнитного поля в рабочем объеме электрической машины при оптимальных технико-экономических параметрах [34, 99, 71, 81].

Методы расчета систем с постоянными магнитами, использующиеся в на-

28 стоящее время, можно подразделить на две основные группы: основанные на расчете цепных схем замещения; основанные на использовании дифференциальных и интегральных уравнений магнитного поля.

Методы, основанные на расчете цепных схем замещения, находят широкое применение в инженерных расчетах. Они были разработаны в условиях, когда отсутствовали технические средства, позволяющие численно решать задачу расчета магнитного поля как краевую задачу математической физики [15, 42, 44]. Эти методы предлагают замену полевой задачи расчетом цепной схемы замещения. Применяя методы электрической аналогии [68], получают схему замещения, аналогичную электрической, и используют методы расчета электрических цепей. Точность, с которой схема замещения позволяет описывать магнитные процессы, протекающие в магнитной системе, зависит от точности определения рабочей проводимости воздушного зазора G& и проводимости рассеяния G₀, поскольку именно они определяют положение рабочей точки на диаграмме постоянного магнита.

В связи с появлением в 50-е годы новых анизотропных магнитных сплавов ЮНКД с высокой удельной магнитной энергией получили развитие неяв-нополюсные конструкции магнитных систем [15, 23,42,44,49].

Применение изложенной методики к расчету неявнополюсных магнитных систем ВЦН2, ВЦЯ2 привело к необходимости определения длины 1_м и сечения S_M магнитов, имеющих форму, отличную от призмы. Распространение получил прием приведения реальных магнитных систем к эквивалентным с магнитами в форме призмы, причем за критерий эквивалентности принимается равенство рабочих потоков в реальной и эквивалентной магнитных системах [92]. В этих методиках расчета к эмпирическим формулам для определения проводимостей воздушных промежутков добавляются еще и эмпирические коэффициенты приведения реального магнита к эквивалентной призме, что должно снижать точность расчета. Главным недостатком рассмотренной методики является отсутствие возможности выполнения какого-либо анализа магнитного поля в магнитной системе, который на современном этапе необходим для создания конкурентоспособных изделий.

Расчет электрической машины в полевой постановке задачи - единственный путь разработки электрических машин с максимальной степенью использования активных материалов. Математическое моделирование магнитного поля в электрической машине осуществляется на основе уравнений Максвелла VxH = j,j где В и Н - векторы соответственно индукции и напряженности магнитного поля; j - вектор объемной плотности тока в обмотках.

Векторы В и Н связаны с намагниченностью вещества уравнением

В = |1₀.(Н+М), (1.3) где М - вектор намагниченности вещества.

Уравнения (1.2) сводятся обычно к уравнению Лапласа V²cp = 0, (1.4)- относительно скалярного потенциала <р или к уравнению Пуассона V²A = -n₀j, (1.5) относительно векторного магнитного потенциала А.

Аналитические методы расчета можно реализовать для магнитных систем простейшей геометрической формы [25,49, 83, 108]. В работах [25,49, 108] рассматриваются магниты цилиндрической формы из сплава ЮНДК без центрального осевого отверстия, магнитное состояние которых можно характеризовать лишь одной точкой на кривой размагничивания В(Н). При этом магнитное поле в машине определяется из решения уравнения Лапласа методом разделения переменных. Однако даже незначительное изменение геометрии, например за счет центрального осевого отверстия в магните, делает эту методику непригодной для анализа магнитного поля. Ряд методик [25, 83] может быть применен только для РЗМ магнитов, имеющих линейную характеристику размагничивания В(Н) и намагниченность М(Н), неизменную в широком диапазоне размагничивающих полей.

Аналитические методы ценны тем, что позволяют получить решение задачи в общем виде. При этом были достигнуты определенные успехи. Например, для электродвигателей с полым якорем [72, 73, 74] решение было получено в виде

В_г(г,3)= k(a_Kr^w -^)coska; (1.6) k=l,3 Г (1.2) B_a(r,S) = -2k<_ay-4-^)sink&, (1.7) k=l,3 Г где: В_г и В з - индукция в магнитной системе радиальная и тангенциальная со- ответственно; а_к и в_к - коэффициенты, которые определяются с учетом свойств постоянного магнита; г и 3 - текущие координаты (радиус и угол) в цилиндрической системе координат.

В результате можно рассчитать магнитное поле не только в воздушном зазоре, но и внутри постоянного магнита с учетом неоднородного магнитного состояния, вызванного центральным осевым отверстием.

Однако в настоящее время интерес к этим методам снизился, т.к. стали доступны чрезвычайно мощные средства математического моделирования магнитных, тепловых, электрических и других физических полей, которые в полной мере используют возможности современной вычислительной техники. В свое время были получены хорошие практические результаты при помощи интегральных методов расчета [66, 69,76].

Существует два подхода к формулировке математического описания магнитных систем на основе интегральных уравнений, которые могут быть признаны перспективными в силу своей универсальности. Первый подход использует в основе математического описания краевые условия на границе исследуемой области и на границах разнородных в магнитном отношении сред. Методы, основанные на этом подходе, получили наименование "методов вторичных источников" [69, 76,115].

Второй подход базируется на использовании общего интегрального выражения. (1.8) Mbr._dv_jkM)._d

I _е -1. где Н — напряженность магнитного поля; М - намагниченность ; г — радиус - вектор от точки наблюдения Q к текущей точке А; п - внешняя нормаль к поверхности S в точке интегрирования. Преимущество этих методов состоит в возможности определения индукции в любой точке магнитной системы и окружающего пространства по известным источникам магнитного поля.

Однако наиболее распространенными и известными методами решения полевых задач являются метод конечных разностей и метод конечных элементов [46, 67, 105]. Метод конечных разностей можно считать частным случаем метода конечных элементов. Последний получил широкое распространение. Он реализован в программных средствах Quick Field (Россия), ANSYS (США).

Вне зависимости от метода расчета магнитной системы задача применения постоянного магнита имеет типичную схему решения. Рабочая зона маши-

31 та выбирается вблизи точки максимума энергетического произведения —— , или W = -- , —; (1.9) V ^ /max ^ ^м где по соотношению Ба и На, в простейшем случае, определяется длина постоянного магнита где 5 - величина воздушного зазора, М; ц₀ - магнитная постоянная (12,57-10'⁷ Гн/м), и по требуемой величине магнитного потока Ф₆ определяется площадь полюса постоянного магнита S_n где В_ср - среднее значение индукции в воздушном зазоре, Тл.

При таком подходе постоянный магнит используется в магнитной системе с максимальной отдачей.

Электрические машины с полым или гладким якорем имеют относительно большой немагнитный зазор, а проводники якоря расположены непосредственно в воздушном зазоре. Для получения предельных динамических показателей машины целесообразно исходить из максимума магнитной энергии в рабочем зазоре машины

П^=^^-У₈-2р, или n_3(ms=-?4V5).2p, (1.12)

2 2-^о где Вд - индукция в воздушном зазоре электрической машины, Тл; V& - объем воздушного зазора под полюсом, м³; S_n - площадь полюса, м²; 8 - воздушный зазор, м; 2р - число полюсов; ц₀ - магнитная постоянная (ц,₀ = 4к 1СГ⁷ Гн/м). Это выражение можно преобразовать к следующему виду: _ ФІ 5 ^П.=-~-^-Р, (1.13) где Фа - магнитный поток с полюса постоянного магнита, Вб,

Таким образом, очевидна необходимость разработки такой методики маг- нитостатического расчета магнитных систем с постоянными магнитами, которая позволяла бы синтезировать размеры магнитной системы с последующим детальным анализом магнитного поля с целью оптимизации по заданным технико-экономическим параметром, в том числе и синтезированным критериям оптимальности. Единственный путь - это объединение в единую структуру аналитических методов расчета (на стадии синтеза) и численных методов (на стадии анализа и оптимизации).

1.3. Проблемы повышения ресурсных характеристик высокоиспользованных коллекторных электродвигателей с полым якорем

Ресурсные характеристики электродвигателей с полым якорем обусловлены, во-первых, как и у всех коллекторных двигателей, скоростью износа их щеток. В дальнейшем под величиной ресурса ДПТ будем понимать его наработку (минимальную или до отказа) в режиме, принятом за номинальный, до полного износа щеток. Вторую важнейшую характеристику ресурса ДПТ, определяющую его срок службы, будем называть сроком сохраняемости и понимать под этим термином в отличие от [95] будем время хранения двигателя в хранилище либо в аппаратуре потребителя до ввода или в период эксплуатации в нерабочем состоянии.

Решение задачи увеличения срока сохраняемости состоит в основном в правильной оценке физико-химических свойств щеточно-коллекторного узла (ЩКУ) под воздействием опасных или вредных факторов внешней среды с течением времени [94, 104, 107].

Анализ современного состояния проблемы увеличения наработки ДПТ с полым якорем позволяет определить следующие направления исследований: - изучение и систематизация разрозненных экспериментальных данных по ресурсу электродвигателей с полым якорем типа ДПР, ДП-РН; выявление определяющих износ факторов; экспериментальное исследование доли коммутационного износа в зависимости от конструкции ДПТ и режима его работы; экспериментальные исследования кинетики износа ЩКУ в зависимости от режимов эксплуатации ДПТ производятся на двигателях-типо-представителях серии; конструкторско-технологическая оценка перспективных и существую-

33 щих типов щеткодержателей, выработка рекомендаций по совершенствованию их конструкций; - экспериментальные исследования реальных вольт-амперных характеристик щеточно-коллекторных пар, их аналитическое описание и создание справочного материала для последующих расчетов электрических машин малой мощности.

Проблема увеличения ресурса напрямую связана со снижением веса агрегата в целом.

Особенности условий применения ДПТ в части ресурсных характеристик состоят в следующем:

Большинство объектов (агрегатов, узлов и т.д.) авиационной и ракетно-космической техники относится к числу необслуживаемых в эксплуатации, возможность замены щеток в которых не предусмотрена.

В течение одного рабочего цикла возможна неоднократная смена направления вращения двигателя, что увеличивает скорость износа щеток.

Условия внешней среды характеризуются повышенными механическими нагрузками, что отрицательно влияет на механику контакта.

Наибольшее влияние на срок сохраняемости ДПТ имеют повышенная влажность воздуха и температурные перепады при хранении. Первый из перечисленных факторов вызывает образование под щеткой непроводящих окислов класса CujO, что увеличивает переходное падение напряжения на коллекторе и приводит к незапуску двигателя после длительного хранения. Второй фактор особенно опасен для полых якорей, залитых термореактивным компаундом, чувствительным к изменению линейных размеров якоря (или медных проводников, входящих в состав его обмотки).

Для обеспечения установленных в техническом задании характеристик ДПТ в части минимальной наработки используются следующие типовые технические решения:

Магнитная система ДПТ выбирается с минимально возможным числом полюсов 2р, т.к. в этом случае можно обеспечить (при одинаковых коэффициентах полюсного перекрытия а₅) большую ширину зоны коммутации.

Секции обмотки якоря выполняют с возможно меньшим количеством витков, что снижает величину реактивной ЭДС в зоне коммутации е_р.

В многополюсных машинах устанавливают неполный комплект щеток для уменьшения механических потерь на коллекторе.

Если необходимо одновременно обеспечивать повышенную устойчи- вость щеточно-коллекторного узла (ЩКУ) к вибрационным воздействиям, целесообразно вместо "узки*" в поперечном сечении щеток устанавливают более вибрационно-устойчивые "широкие", близкие к квадрату в поперечном сечении.

5. Нажатие на щетку выбирают близким к оптимальному, обеспечиваю щему минимальные потери на трение - с одной стороны и наибольшую по верхность контакта - с другой. Величина контактного электрического сопро тивления на поверхности с коническими микровыступами хорошо описывается уравнением [80] ^[ -Л/3TifcJ -^м- ^(1Л4) где S_HOM ~ номинальная площадь контакта, мм ; Р_щ - нажатие на щетку, г; НВ - твердость (по Бринеллю) материала щетки; ф - угол при основании микровыступа (2 < (р < 10 ); h - высота микронеровностей, мкм.

Нажимные элементы конструкции щеткодержателя должны иметь минимальную массу и собственный момент инерции.

Плотность тока под щеткой (точнее; кажущаяся плотность) j_nioirr выбирается из условия оптимизации потерь в ЩКУ по формуле [100] и^.А/ш*², (1-15) где 1_а - ток в режиме, принятом за номинальный, А; С=2-р.-р_щ -v_K - конструктивный коэффициент; В=(2-Ди_щ - А)/}_щ — постоянный коэффициент, полученный из вольт- амперной характеристики ЩКУ; v_K - окружная скорость коллектора, м/с; д - коэффициент трения контактной пары, о.е.

8. Величина давления на щетку Р_щ во всех режимах и условиях эксплуата ции ДПТ и в течение срока наработки должна оставаться практически неизмен ной, что хорошо согласуется с требованием обеспечения j_n[onr в течение срока службы. Следовательно, пружина щеткодержателя должна иметь нагрузочную диаграмму, близкую к линейной, и не испытывать деформаций свыше предела пропорциональности о*пр для материала пружины.

В микромашинах с полым якорем, имеющих малую индуктивность обмотки, воздушный зазор, в 5-10 раз превышающий воздушный зазор в ДПТ с зубцовым якорем, а также неферромагнитный магнитопровод, наработка нахо- дится в пределах от 1000 до 5000 ч в зависимости от мощности и частоты вращения. Это в 2-5 раз превышает ресурс ДПТ с зубцовыми якорями той же мощности.

К числу типовых технических решений, обеспечивающих срок сохраняемости ДПТ во всех условиях эксплуатации, относятся:

Применение многослойных покрытий коллектора и щеток на основе материалов, имеющих малую величину контактного сопротивления (палладий-никель, серебро, золото и др.).

Снижение концентрации в окружающей среде веществ, вызывающих коррозию, а также ингибиторов (инициаторов коррозии). Сюда, в первую очередь, относятся соединения серы и мышьяка, вызывающие не только деградацию элементов ЩКУ, но и появление трещин в компаунде, которым залит якорь ДПТ.

Введение в технологический процесс изготовления двигателя технологических тренировок (обкатка, регулировка и др.), задачей которых является формирование политурной пленки на коллекторе.

Герметизация внутреннего объема двигателя путем использования закрытого или водонепроницаемого исполнения взамен брызгозащищенного или: каплезащищенного. Это условие не всегда выполнимо, но приводит к хорошим результатам при хранении ДПТ в неблагоприятных условиях свыше 5 лет.

Оценка сохраняемости микромашин производится по величине напряжения трогания после длительной выдержки в неблагоприятных условиях внешней среды, имитирующих реальную обстановку. В настоящий момент нормативными документами [33] установлены методы так называемых ускоренных испытаний на сохраняемость, при которых меньшее время воздействия фактора заменяется большим значением его величины. На взгляд автора, такая оценка является условной и может служить только как оценка стабильности производства. По отношению к условиям реальной эксплуатации подобная оценка не является правомерной. Здесь, как это было принято ранее, следует основываться на результатах натурных испытаний ДПТ в представительных климатических зонах страны. Следует отметить, что данный подход громоздок, требует значительных затрат времени, средств и длительных испытаний. Однако он имеет несомненное преимущество относительно достоверности результатов. Кроме того, вопрос сокращения длительности испытаний (при ускоренных испытаниях) за счет возрастания концентрации агрессивного компонента в достаточной степени не изучен и относится, по данным [117], к той области прикладной электрохимии, ко-

36 гда при различных концентрациях в окружающей среде агрессивных компонентов могут инициироваться различные химические реакции и меняться кинетика отказа.

Многочисленные исследования [58, 59, 119] показали, что основным механизмом, обусловливающим отказ машины после длительного хранения в нерабочем состоянии, является контактная коррозия элементов ЩКУ или адсорбция на поверхности контакта нетокопроводящих органических веществ, содержащихся в окружающей среде. Доминирующей тенденцией, как показывает анализ научно-технической и патентной литературы в этой области [126], является проблема поиска новых контактных материалов. Подобный поиск сводится к построению многослойного контактного покрытия коллектора типа "сэндвич" на основе электролитически осажденных металлов. Такое гальваническое покрытие не имеет пор, трещин и равномерно по толщине. Другим методом предупреждения коррозионных процессов на электрических контактах является ограничение плотности тока под щеткой и нагрева коллектора при эксплуатации. Повышенная величина}щ приводит к интенсивному искрению и формированию в зоне горения дуги сажевых отложений на поверхности коллектора. С целью профилактики подобных явлений в инструкции по эксплуатации ДПТ с полым якорем вводятся обязательные регламентные работы после истечения определенных сроков хранения. Они включают в себя так называемую технологическую прокрутку (от источника питания или от руки) с последующей проверкой напряжения трогания двигателя.

Еще одним фактором, ограничивающим срок сохраняемости двигателя, является старение ЩКУ с изменением физико-химических свойств контакта. Как уже отмечалось в настоящей работе, первостепенное значение для создания хороших электропроводящих свойств контакта имеет правильный выбор контактной пары. Если разброс переходных сопротивлений контакта относительно невелик и составляет (в среднем) для щеток графитовой группы от 1,75 до 3,72 Ом, а металлизированных - от 0,175 до 0,92 Ом, то наилучшими износными характеристиками обладают щетки серебряно-графитовой группы марок СГ1М и СГИ-1,2. Наличие присадки индия во второй марке выполняет роль высотной смазки, т.е. существенно снижает износ в условиях пониженного атмосферного давления.

Анализ литературных источников [126,58] по выполнению параметров связи микрогеометрии поверхности с электрофизическими свойствами контакта показал, что методы механической обработки занимают значительное место ере-

37 ди факторов, влияющих на величину износа и на электрическую проводимость контакта. Из существующих на сегодня трех методов образования контактной поверхности (полирование, точение или накатка роликами) предпочтение, по данным [42], следует отдать точению, как обеспечивающему оптимальную форму параметров микропрофиля, близкого к коническому. Наихудшие результаты с точки зрения механики контактирования дает полирование (с Ra < 15 мкм), уступающее и другим методам образования контактной поверхности по электрическим свойствам. Однако проблема выбора метода и режима резания еще далека от своего решения и, по мнению автора, нуждается в дальнейшем исследовании с изменением параметров микрорельефа в сочетании с другими марками щеток и в других режимах работы.

Выводы и постановка задачи

Перспективы применения электродвигателей с полым якорем обусловлены рядом преимуществ этих двигателей перед традиционными. Основными преимуществами являются: отсутствие пульсации вращающего момента (якоря не имеет зубцов); отсутствие потерь в стали (якорь не имеет стального сердечника); высокий коэффициент полезного действия (г| = 50-^60%); высокое быстродействие (постоянная времени Т_м<15 мс); большой срок службы (более 1000 ч). Перечисленные преимущества определяют чрезвычайно обширную область применения этих электродвигателей от самых современных средств высокоточного оружия до исключительно мирного медицинского оборудования.

Освоенные промышленностью современные магнитотвердые материалы на основе композиции Nd Fe В с рекордно высокими магнитными свойствами позволяют поднять энергетические параметры этих машин на более высокий качественный уровень.

Известные методики расчета и проектирования этих машин не позволяют однозначно определить конструкцию электродвигателя, отвечающую требованиям технического задания и технологическим возможностям предприятия. Точность расчета по существующим методикам недостаточна для применения в широком диапазоне типоразмеров машин с учетом особенностей геометрии магнитных систем с РЗМ магнитами.

Исходя из вышеизложенного в диссертационной работе была поставлена цель: уточнение методики расчета электродвигателей с полым немагнитным якорем и возбуждением от постоянных магнитов, а также разработка рекоменда- ций по выбору конструкции магнитной системы, оптимизации и проектированию.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

Оценить предельные энергетические параметры различных магнитных систем, применяемых в электродвигателях с полым якорем.

Выполнить анализ магнитного поля индукторов различных конструкций и определить оптимальные соотношения активных размеров магнитных систем.

Выполнить анализ влияния магнитного поля якоря на магнитное поле возбуждения, разработать такую методику магнитостатического расчета магнитных систем с постоянными магнитами, которая позволяла бы синтезировать размеры магнитной системы с последующим детальным анализом магнитного поля с целью оптимизации по заданным технико-экономическим параметром, в том числе и синтезированным критериям оптимальности.

На основе анализа магнитного поля секции оценить индуктивные параметры якоря и степень их влияния на коммутационный процесс электродвигателя.

На основе анализа магнитного поля в зоне коммутации оценить влияние на коммутационный процесс поля якоря и совместно с магнитным полем индуктора; разработать методику оценки ресурсных показателей различных конструкций электродвигателей.

Разработать предложения и технические решения по повышению сохраняемости ДПТ с полым якорем, включая использование новых марок щеток и разработку новых износоустойчивых покрытий для коллектора.

Выработать рекомендации по проектированию высокоисполъзованных электродвигателей с полым якорем в соответствии с заданным функциональным назначением.

8: Сформировать методику ускоренных и натурных испытаний ДПТ с целью подбора перспективных контактных пар, а также произвести натурные испытания на сохраняемость двигателей-типопредставителей в климатических зонах страны, сбор и систематизацию результатов исследований; провести сравнение теоретических выводов с экспериментом.

9. Разработать методику оптимального проектирования высокоиспользо-ванных двигателей постоянного тока с полым якорем.

Магнитные материалы электродвигателей малой мощности и применяемые материалы

Конструкция электродвигателя во многом определяется свойствами применяемого постоянного магнита, В настоящее время известно большое число магнитных материалов, предназначенных для изготовления постоянных магнитов (ПМ). Магнитные свойства современных ПМ изменяются в весьма широких пределах: остаточная индукция (Вг) от 0,3 до 1,3 Тл; коэрцитивная сила (Не») от 45 до 1000 кА/м; максимальное энергетическое произведение (ВЩм от 20 до 370 Дж/м3 [22, 70,90].

Все магнитотвердые материалы (МТМ) подразделяются на докритиче-ские и закритические [70, 90] в соответствии со своей способностью восстанавливать магнитный поток после воздействия размагничивающего поля. Первые не восстанавливают, а вторые восстанавливают магнитный поток после такого воздействия. К" первой, группе относятся литые МТМ ко второй - РЗМ и ферриты.

В настоящее время в России и за рубежом при производстве электрических машин преимущественное распространение получили магниты из ферритов, редкоземельных материалов а сплавов «альнико» (ЮНДК). Сплавы ЮНДК сохраняют стабильность магнитных свойств при эксплуатации в условиях высоких (выше 200 С) температур. Например, широко применяемые сплавы ЮН14ДК24 и ЮНДК35Т5 имеют наиболее высокую точку Кюри (около 850 С) Они обладают высокой структурной устойчивостью. До 500 С в них не наблюдалось структурных изменений, влияющих на магнитный поток [34,99].

Однако эти сплавы чувствительны к влиянию внешних магнитных полей, оказывающих в электрических машинах существенное размагничивающее воздействие (до 30 % потери первоначального магнитного потока). МТМ на основе редкоземельных материалов обладают высокой коэрци тивной силой. Они практически не подвержены размагничиванию под воздей ствием внешних магтггаых полей, возникающих в микроэлектродвигателях. Наиболее перспективными высокоэнергетическими МТМ являются компози ции неодим - железо - бор (Nd-Fe-B) [22,85,91]. Главное их преимущество - это применение менее дефицитного и более дешевого, чем са марий, неодима при сохранении более высоких магнитных характеристик и приемлемых механических свойств. Существенным недостатком является низкая темпера турная стабильность его магнитных свойств и малая коррози 26 онная стойкость. Основные свойства промышленных МТМ отечественного производства представлены втабл.П. I-e-4.

При выборе МТМ для постоянного магнита, комплектующего магнитную систему разрабатываемой электрической машины, главными показателями являются магнитные свойства и стоимость. Для ферритовых магнитов стоимость сырьевых материалов самая низкая. В настоящее время стоимость 1 кг ферритовых постоянных магнитов примерно в 10 раз ниже, чем магнитов из сплава альнико ив 20 раз ниже редкоземельных [34]. Сокращение объемов выпуска, постоянных магнитов из сплавов альнико (ЮНДК) связано с высоким содержанием дефицитного и дорогого кобальта.

Прогноз производителей постоянных магнитов о снижении стоимости РЗМ не оправдался. Эйфория по поводу разработки новых соединений на основе Nd-Fe-B начинает спадать. Поэтому и сейчас надежным заказчиком специальных электрических машин с РЗМ магнитами остаются лишь военные ведомства.

Одним из важнейших показателей, который характеризует материал постоянных магнитов, является стоимость единицы удельной магнитной энергии. Использо вание этого критерия для оценки вновь появляющихся МТМ очень важно для сравнения их с разработанными ранее [99].

Сложность расчета магнитных систем с постоянными магнитами определяется исключительно особенностями самого постоянного магнита, являющегося нелинейной, анизотропной средой с гистерезисными свойствами. Основная функция магнита - создание постоянного магнитного поля в рабочем объеме электрической машины. Задача проектирования магнитной системы с постоянными магнитами заключается в выборе материала, формы и размеров магнита. При этом постоянный магнит должен обеспечивать требуемую магнитную энергию в рабочем зазоре и необходимую напряженность магнитного поля в рабочем объеме электрической машины при оптимальных технико-экономических параметрах [34, 99, 71, 81].

Методы расчета систем с постоянными магнитами, использующиеся в на 28 стоящее время, можно подразделить на две основные группы: основанные на расчете цепных схем замещения; основанные на использовании дифференциальных и интегральных уравнений магнитного поля.

Методы, основанные на расчете цепных схем замещения, находят широкое применение в инженерных расчетах. Они были разработаны в условиях, когда отсутствовали технические средства, позволяющие численно решать задачу расчета магнитного поля как краевую задачу математической физики [15, 42, 44]. Эти методы предлагают замену полевой задачи расчетом цепной схемы замещения. Применяя методы электрической аналогии [68], получают схему замещения, аналогичную электрической, и используют методы расчета электрических цепей. Точность, с которой схема замещения позволяет описывать магнитные процессы, протекающие в магнитной системе, зависит от точности определения рабочей проводимости воздушного зазора G& и проводимости рассеяния G0, поскольку именно они определяют положение рабочей точки на диаграмме постоянного магнита.

Магнитное поле якоря и его индуктивные параметры

Магнитное поле якоря в электрических машинах с постоянными магнитами оказывает влияние на свойства машины, как это имеет место в машинах с электромагнитным возбуждением. Однако имеются существенные особенности, обусловленные в первую очередь относительно большим магнитным сопротивлением постоянных магнитов из-за малой магнитной проницаемости материалов, из которых они изготавливаются.

Постоянный магнит в электрической машине подвергается воздействию размагничивающего поля якоря. Степень влияния поля якоря на постоянный магнит зависит от конструкции машины, характеристик материала постоянного магнита, его геометрии и, при прочих равных условиях, определяется напряженностью поля якоря. Напряженность поля якоря зависит от его обмоточных данных и тока в обмотке.

При пуске и, в особенности, при реверсе электродвигателя напряженность магнитного поля якоря достигает такой интенсивности, при которой уже ощутимо проявляется её размагничивающее воздействие. При использовании магнитов из докритических материалов типа ЮНДК наблюдается необратимое уменьшение магнитного потока и изменение магнитных свойств постоянного магнита [45].

Магниты из закритических материалов практически не подвержены размагничивающему воздействию поля якоря [99]. Выполненные расчеты (рис..2.31.) наглядно иллюстрируют этот факт. Магнитное поле электродвигателя с учетом поля якоря рассчитывалось при различных плотностях тока в об-мотке якоря в достаточно широком диапазоне (4 А/мм , j , Ъ1 А/мм ). Анализ представленных рисунков показывает, что поле якоря вызывает смещение физической нейтрали результирующего магнитного поля, но не оказывает заметного размагничивающего влияния на постоянный магнит в допустимом диапазоне значений плотностей токов (8 А/мм2 j 15 А/мм2), который ограничивается допустимой температурой обмотки якоря (9доп = 120 С).

Очевидно, что величина Lc зависит от конструкции магнитной системы при прочих равных условиях. Это позволяет уже на стадии выбора конструкции магнитной системы прогнозировать качество коммутационного процесса и ресурсные показатели электродвигателя.. В качестве исследуемых рассмотрим наиболее перспективные типы магнитных систем ВЯН4, ВСР2, ВСР4, ВРСГ4, НСР4.

Результаты моделирования магнитного поля отдельной секции обмотки якоря представлены на рисунках 2.33 — 2.35. Сравнительный анализ кривых показывает существенную разницу в уровнях индукции создаваемой- секцией в рассмотренных магнитных- системах, при. прочих равных условиях что в свою очередь сказывается на величине ее индуктивности ив конечном счете на коммутационных параметрах двигателя с дайной магнитной системой. 1

1. Математическое моделирование магнитного поля различных систем показывает, что для создания магнитных систем с высокой степенью использования постоянных магнитов необходимо обеспечивать конструкторскими решениями максимально однородное магнитное поле постоянного магнита.

2. Наибольшую магнитную энергию в воздушном зазоре позволяют получить конструкции с максимальным заполнением внутреннего объема активным материалом (постоянным магнитом, медью якоря). Важнейшими параметрами эффективности использования объёма целесообразно считать максимальную магнитную энергию Э mnx и максимальное энергетическое произведение (BdHd).

3. Максимальная магнитная энергия Эзтах в воздушном зазоре магнитной системы и максимальное энергетическое произведение (BjHd) постоянного магнита достигаются, как правило, при различных соотношениях Я,=5/1ім в магнитной системе. Наиболее явно это выражено в магнитных системах с РЗМ магнитами и менее явно в магнитных системах с магнитами типа ЮНДК. Максимальное значение магнитной энергии в воздушном зазоре Эз шах достигается в среднем при А/ 0,4, а максимальная удельная энергия постоянного магнита WM max При АяЮ,9.

4. Энергетические зависимости Эз (X) для магнитных систем с РЗМ магнитами, имеют чрезвычайно пологий характер.

5. Использование скобообразных РЗМ магнитов при 2р=2 (сс=0,6-гО,8) требует радиального намагничивания постоянных магнитов (если это возможно технологически) или изготовления составного магнита из отдельных сегментов с соотношением средней ширины и высоты магнита Xi 2.

6. Магнитное поле якоря не оказывает существенного размагничивающего влияния на постоянный магнит в диапазоне, допустимых для полого якоря значений плотностей тока (j=8-H5 А/мм2).

Современные материалы и перспективные технические решения в области шеточно-коллекторного узла

Как уже отмечалось в гл. I, работоспособность и функциональные свойства щеточно-коллекторного узла ДПТ с полым якорем определяют его технический и эксплуатационный ресурс, и зависят от большого количества факторов, как правило, не поддающихся формализации. Этим, очевидно, и объясняется преимущественно эмпирический характер работ в области ЩКУ [14, 20,60] и их частный, характер.

В настоящей работе обобщается опыт разработки и промышленного освоения современных серий ДПТ с полым якорем для использования в условиях воздействия жестких факторов внешней среды. Указанные работы производились в течение более чем 30 лет в интересах предприятий и организаций отечественной оборонный промышленности. Состав и взаимосвязь основных тактико-технических требований к функционированию аппаратуры являются секретными и поэтому здесь не рассматриваются. Однако общеметодические вопросы сохраняемости и ресурса коллекторных ДПТ с полым якорем для специальной техники неоднократно обсуждались в открытый печати и представляют несомненный научный интерес.

Материалом коллектора являлись: электролитически осажденная медь марок МО, Ml, медь с присадками хрома и олова, а также высокожаропрочная бронза БрХЦрТ0,8 с присадками хрома, циркония и титана. Как показали предшествующие экспериментальные исследования, наилучшими износными свойствами обладают медные коллекторы с покрытием рабочей поверхности сплавами палладия [9, 58, 60].

Состояние рабочей поверхности коллектора варьировалось от шлифованной (высота микронеровностей на базовой длине 30 мм не превосходила 1,25 мкм до поверхности полученной в результате чернового точения (Rz=20 мкм). Рабочая частота вращения двигателя составляла от 1000 до 10000 об/мин., диапазон токовых нагрузок от 0 до 15 А, что позволяет говорить об отнесении полученных результатов к практически всей существующей гамме электродвигателей и электроприводов малой мощности.

Было изготовлено около 100 двигателей серии ДДР-Ш-Н4 двух полюсного исполнения конструктивно подобных по основным геометрическим размерам и имеющим одинаковые размеры щеток указанных выше марок. Щеткодержателем являлся используемый в серии курковый щеткодержатель со спиральной ленточной пружиной, работающей на изгиб. Исследования и регистрация волътамперных характеристик исследуемых контактных пар производились на специально разработанной экспериментальной установке, позволяющей задавать требуемые диапазоны нажатий на щетки, токовые нагрузки и различные частоты вращения. Схема установки приведена на рис. 3.6. Обработка экспериментальных данных производилась в виде построения эмпирических формул методами математической статистики. При этом наилучшие результаты были получены при использовании в качестве аппроксимирующего многочлена ортогонального полинома Чебышева для щеток графитных композиций, и кубических сплайнов для металлографитных щеток. Результаты исследований ще-точно-коллекторных пар по стандартной методике короткозамкнутого коллектора [107] приведены в приложении 2 настоящей работы. F = 0,3H, п = 7600 мин 1. 1 - СГИ1 - Пд (1,6x2); 2 - СГ02-МИ (1,6x2) мм2; 3 - СГИ1-М1 (1,6x2) мм2; 4 - СГО1-М1 (2x2,5) мм2; 5 - СГ02-Щ (2x2,2) мм2; 6 - СГ02-Пд (2x2,5) мм2; 7 - СГИ2-М1 (2,4x3) мм2. F - нажатие на щетку, в Н. Анализ полученных экспериментальных данных позволяет сделать следующие выводы:

1 .Вольтамперные характеристики ЩКУ, снятые на короткозам кнутом коллекторе (КЗК) и в составе электрической машины, удовлетворительно согласуются.

2. В АХ с погрешностью не более 10 % аппроксимируются аналитической зависимостью вида дищ = alb, а в ряде случаев: AUm = alb + ЬГ . Такой способ представления аппроксимирующей функции в отличие от классического линейного полинома Дищ = А +В более удобен для большинства практических расчетов при проектировании электрических машин. Здесь а и b - некоторые постоянные коэффициенты.

Функциональные связи параметров электродвигателей с полым якорем

Полая конструкция якоря с раздельным расположением слоя меди и стали позволяет получить аналитические зависимости, связывающие геометрические соотношения и электромагнитные нагрузки. Удельная электромагнитная сила ґ(Н/м3), действующая на проводники обмотки якоря: f a-B6M-j-K3, (4.13) где a - коэффициент полюсного перекрытия; Вдм - максимальное значение индукции в воздушном зазоре, Тл; j - плотность тока в проводниках обмотки якоря, А/м2; кз - коэффициент заполнения воздушного зазора медью.

Все остальные размеры связаны с главными и определяются особенностями конструкции магнитной системы электродвигателя. Главные размеры, как и все остальные, с ними связанные, необходимо привести в соответствие с нормальными рядами чисел. Очевидно, что все это снижает точность получения заданных параметров. Поэтому на первом этапе точность расчетов должна соответствовать точности получения заданных величин с учетом целочисленности параметров, использования величин, выбираемых по госстандарту и в соответствии с нормальными рядами чисел. После получения геометрических размеров можно определить все остальные характеристики двигателя, в том числе и его индуктивные параметры (см. гл. 2) для анализа переходных процессов.

Уравнения (4.12)-(4.36) образуют математическую модель, которая используется при оптимизационном расчете электродвигателя на первом этапе проектирования. В полученных уравнениях можно выделить следующие совокупности параметров.

Независимые переменные: 1. Ха - относительная длина полого якоря О гУ2С). Известно [123], что диапазон изменения Х=1-Ї-2,5 ограничивается снизу ухудшением динамических характеристик машины» а сверху-прочностью полого якоря. 2. j - плотность тока в проводниках обмотки якоря. Из опыта проектирования различных электрических машин известно [123], что для машин с естественным охлаждением j=8 15 А/мм2. 3. Кп - число коллекторных пластин. Обычно эта величина, для электрических машин малой мощности, лежит в пределах К„ = 5-5-15. Причем выбираются нечетные значения, при которых обмотка якоря получается укороченной (Кп = 7, 9,11, 13). 4. а - коэффициент полюсного перекрытия. Эта величина может изменяться в пределах х=0,б-ь0,8. Для двигателей с экстремальными динамическими характеристиками предельные значения а выбираются из условий обеспечения хорошей коммутации.

Очевидно, что получение однозначного результата при помощи данной математической модели непосредственно связано с использованием критериев (4.1)-(4Л0). Все перечисленные критерии являются важными показателями, каждый из которых с одинаковым успехом может быть принят за критерий оптимальности или функцию цели при проектировании электродвигателя. В таких случаях задача оптимального проектирования становится многокритериальной, а понятие оптимального решения теряет однозначный смысл [112].

Одновременная оптимизация возможна лишь в том случае, когда критерии достигают наилучшего значения в одной и той же точке допустимого множества параметров оптимизации. В этом случае задача сводится к однокритериальной и решается известными методами. Большой опыт проектирования подобных электрических машин, накопленный в НПО "Энергия", показывает, что практически все критериальные зависимости имеют довольно пологий характер. Все это позволяет проектировщику установить оптимальный диапазон изменения независимых переменных для всех рассматриваемых критериев, а затем сделать выбор по наиболее значимому критерию. В свою очередь выбор наиболее значимого критерия зависит от функционального назначения электродвигателя. При этом параметры р (4.3) и Тэм (4.5) являются функционально основными показателями технического уровня для управляемых двигателей постоянного тока, а параметр и. (4.4) — функционально основной показатель для силовых двигателей постоянного тока.

При проектировании электродвигателей с возбуждением от постоянных магнитов одной из основных задач является выбор конструкции магнитной системы, материала и размеров магнитов. При этом должно обеспечиваться оптимальное соотношение магнитных параметров [112] (см. гл. 2 и 3).

Очевидно, что для двигателей с полым якорем максимумы критериев КЭ1(4.7), Пэ (4.10), ГТЭ1 (4.37) совпадают, если неизменны константы р, С. Kw, К,, и а, критерии Тэм (4.5) и Тс при этом достигают минимального значения.

Иначе обстоит дело с критериями р (4.3) и д (4.4). При заданной частоте вращения холостого хода и ограничениях по объему машины, когда V = const, максимумы критериев р и д определяются максимально возможным моментом, который определяется номинальным напряжением двигателя UH и сопротивлением его якоря Ra.

Похожие диссертации на Высокоиспользованные электродвигатели постоянного тока с полым якорем и возбуждением от постоянных магнитов

Разработка и исследование немагнитных проволочных якорей электродвигателей постоянного токаМаслов, Павел Павлович

Исследование и разработка регулирующего устройства высокооборотного вентильного двигателя с возбуждением от постоянных магнитовХромов, Илья Сергеевич

Моделирование и поиск рациональной конструкции бесконтактного двигателя с возбуждением от постоянных магнитовИванов, Михаил Алексеевич

Разработка и исследование микроэлектродвигателей постоянного тока с трехзубцовым якорем и возбуждением от постоянных магнитовСеменов Олег Степанович

Автоматизированное проектирование электромеханических преобразователей с возбуждением от редкоземельных постоянных магнитов Куприянов Андрей Дмитриевич

Тяговые тепловозные электродвигатели постоянного тока с повышенным коэффициентом полезного действия Кузнецов Анатолий Иванович

Исследование малоинерционного электродвигателя постоянного тока с высокими технологическими характеристикамиТитова Лариса Николаевна

Исследование особенностей и совершенствование математической модели динамических режимов электродвигателей постоянного тока малой мощности высокого быстродействияСергеев, Владимир Аронович

Пути улучшения технико-экономических показателей электродвигателей постоянного тока предельного использованияХабиб Муса Шехук

Анализ электромеханических и тепловых переходных процессов в малоинерционных электродвигателях постоянного токаГоремыкин Сергей Александрович