Удк 621. 313. 5/8 Оптимізація котушок неперехресних обмоток безпазових icon

Удк 621. 313. 5/8 Оптимізація котушок неперехресних обмоток безпазових




Скачати 101.32 Kb.
НазваУдк 621. 313. 5/8 Оптимізація котушок неперехресних обмоток безпазових
Дата10.10.2012
Розмір101.32 Kb.
ТипДокументи

ЕЛЕКТРИЧНІ МАШИНИ І АПАРАТИ



УДК 621.313.5/8

Оптимізація КОТУШОК НЕПЕРЕХРЕСНИХ обмоток БЕЗПАЗОВИХ

електричних машин

Чучман Ю.І., Черепаняк М.В.

Національний університет ″Львівська політехніка″


Вступ. Електричні машини з циліндричними і дисковими безпазовими якорями завдяки своїй швидкодії, низькому рівню пульсацій основного вихідного параметра (момент – у двигунів і вихідна напруга – у генераторів) та практично повній відсутності одностороннього магнітного тяжіння ротора до статора знайшли широке розповсюдження в інтелектуальних системах керування енергетичними та транспортними засобами, прецизійній автоматиці, електроприводах промислового устаткування та в інших галузях техніки [1, 2, 3]. Такі машини можуть бути виконані у вигляді колекторних машин постійного струму [1], безконтактних двигунів постійного струму [4] або багатофазних машин змінного струму [5, 6]. Жорсткі вимоги до рівня енергоспоживання таких машин, їх габаритів, трудомісткості виготовлення, електромагнітної сумісності, простоти керування та ряд інших вимог ставлять перед розробниками багато складних, іноді суперечних вимог, одночасне задоволення яких є досить складним, а в деяких випадках, практично неможливим. Надзвичайно важливими моментами створення таких машин є синтез структури машини, який повинен враховувати особливості використання створюваної машини, технологічні особливості її виготовлення та конкурентоспроможність. В усіх випадках при розробці таких машин в першу чергу необхідно оптимізувати якірну обмотку.

Мета роботи – аналіз чинників, що впливають на ефективність використання обмоток у машинах з безпазовими якорями всіх видів і розробка практичних рекомендацій по підвищенню ефективності використання якірних обмоток таких машин.
^

Матеріал і результати дослідження.

Обмотки безпазових якорів.


Безпазові якорі можуть бути виконані з традиційними барабанними, кільцевими або неперехресними обмотками. Виготовлення перших двох типів обмоток викликає необхідність застосування достатньо складного технологічного обладнання, що негативно впливає на їх вартість. Застосування неперехрестних обмоток значно спрощує технологічні процеси їх виготовлення, може здійснюватися на найпростіших намотувальних верстатах, не вимагає високої кваліфікації робітників, забезпечує підвищення надійності машин.

В
63
той же час, використання таких обмоток змушує приділяти підвищену увагу питанням вибору оптимальної величини повітряного проміжку, в якому розташовується обмотка, визначенню її розмірів та оптимізації співвідношення кількості полюсів системи збудження і кількості котушок, з яких складається обмотка.

Методи визначення величини повітряного проміжку, зокрема для машин зі збудженням від постійних магнітів, які найбільш поширені серед машин даного виду, знайшли достатнє висвітлення у науково-технічній літературі [7]. Питання пошуку можливих шляхів підвищення ефективності використання магнітоелектричних систем збудження, призначених спеціально для безпазових машин, є актуальною проблемою сучасного електромашинобудування, яку деякою мірою відображено у [1, 8].

Питання пошуку оптимальної структури безпазових якірних обмоток, зокрема співвідношення геометричних розмірів активних частин котушок та вибір кількості котушок обмотки при заданому числі полюсів системи збудження, привертають увагу багатьох фірм і спеціалістів, які займаються питаннями створення машин даного класу [9, 10].

Фрагмент характерної структури такої машини показано на рис. 1. Якірна обмотка складається з S рівномірно розташованих по обводу якоря котушок, закріплених на несучій основі, в якості якої може виступати гладке феромагнітне осердя або немагнітний каркас. Котушки якірної обмотки 1 розташовані в одній площині, лобові частини котушок не накладаються одна на другу, що дає назву обмоткам даного виду – неперехрестні. Система збудження складається з 2p>S полюсів 2, встановлених на феромагнітному магнітопроводі 3. Виконання умови 2p>S зумовлене необхідністю зменшення пульсацій основного вихідного параметра машини.



Рисунок 1 - Фрагмент структури електричної

машини з безпазовим якорем:

1 – котушки якірної обмотки; 2 – полюси системи збудження; 3 – магнітопровід системи збудження

^

Оптимізація котушок обмоток безпазових якорів.


Ефективність використання котушки якірної обмотки, а отже, і обмотки в цілому, визначається вибором співвідношення кількості полюсів 2p до кіль­­-

кості котушок S, з яких складається обмотка, або співвідношення розміру полюсної поділки до граничного розміру поділки, яку може займати котушка неперехресної обмотки ; співвідношення кутової ширини котушки і полюсної поділки та співвідношення кутової ширини відстані між котушками , у випадках, коли котушки не прилягають одна до одної, і полюсної поділки .

Для оцінки ефективності використання котушки якірної обмотки введемо поняття коефіцієнту використання котушки, величину якого будемо визначати за формулою

, (1)

де ; - координати розташування початку і кінця сторони котушки відносно картини розподілу індукції у повітряному проміжку у межах однієї полюсної поділки відповідно; - ширина котушки (рис. 2).




Рисунок 2 - До визначення коефіцієнту

використання котушки


Зважаючи на те, що картина розподілу індукції у повітряному проміжку визначається взаємним розташуванням елементів магнітної системи, їх розмірами та особливостями конструкції (тип збудження: електромагнітне чи магнітоелектричне, характеристики застосованих матеріалів, спосіб намагнічування постійних магнітів, якщо вони використовуються в системі збудження, тощо), дістати однозначні рекомендації щодо вибору розмірів котушок можна тільки для конкретної конструкції машини після розрахунку магнітного поля в машині. В цьому зв’язку для отримання вихідної інформації щодо закономірностей вибору оптимальних співвідношень розмірів котушок та кількостей 2р та S доцільно встановити ці закономірності при синусоїдальному розподілі індукції в повітряному проміжку.

З міркувань інженерної раціональності конструкції машини, під час виконання досліджень приймаються наступні припущення: ширина котушки зна знаходиться в межах , а зовнішній розмір котушки не перевищує .

На рис. 3 наведено результати досліджень для випадку коли . Крива 1 являє собою залежність величини коефіцієнту використання котушкивід співвідношення за умови, що відносна ширина котушки ; крива 2 - і т.д.



Рисунок 3 - Величина коефіцієнту при

синусоїдальному розподілі індукції у повітряному проміжку і


З рис. 3 видно, що для будь-якої ширини котушки існує оптимальне співвідношення , відхилення від якого як в бік зменшення, так і в бік збільшення веде до погіршення використання машини, тобто до зменшення величини основного вихідного параметра. Окрім того, нескладно зауважити, що при збільшенні ширини котушки для отримання максимальної величини основного вихідного параметра необхідно йти на збільшення числа полюсів системи збудження, зберігаючи ту саму кількість котушок в якірній обмотці.

Введення проміжків між котушками призводить до зсуву екстремумів в бік більших значень , при цьому максимальна величина для даної ширини котушки залишається практично незмінною, як і при відсутності проміжків (рис. 4).

П
64
ри створенні машин, призначених для використання в об’єктах з жорсткими обмеженнями щодо рівня енергоспоживання (зменшеними втратами в обмотці), коли постає питання мінімізації маси обмотки (лімітований момент інерції ротора, на якому розташована обмотка, чи висунуті жорсткі обмеження по масі обмотувальних провідників, необхідних для виготовлення обмотки), рівень довершеності машини може бути оцінений за показником ефективності використання якірної обмотки, величину якого будемо визначати за формулою
:

. (2)



Рисунок 4 - Величина коефіцієнту при синусоїдальному розподілі індукції у повітряному проміжку і


Виконані дослідження дозволили встановити залежності від співвідношення 2р/S та ширини котушки. На рис. 5 наведено залежності у випадку, коли індукція в повітряному проміжку розподілена за синусоїдальним законом, а проміжок між сусідніми котушками .




Рисунок 5 - Величина коефіцієнту при синусоїдальному розподілі індукції у повітряному проміжку і


У
65
випадках, коли картина розподілу індукції відрізняється від синусоїдальної відбувається зміна характеру залежностей
, координат розташування їх оптимальних значень та величин.

Для ілюстрації останнього ствердження наводимо залежності при прямокутному (рис.6, а) та трапецоїдальному (рис.6, б) розподілах індукції у повітряному проміжку (параметри розподілу індукції, зазначені на рис. 6, прийняті довільними).




Рисунок 6 - Приклади розподілу індукції у повітряному проміжку:

а) прямокутному; б) трапеціїдальному


На рис. 7 показано залежність при прямокутному розподілі індукції в повітряному проміжку для випадку, коли , а на рис. 8 - при трапеціїдальному розподілі, коли .



Рисунок 7 - Величина коефіцієнту при прямокутному розподілі індукції у повітряному проміжку і



Рис. 8 Величина коефіцієнту при трапеціїдальному розподілі індукції у повітряному проміжку і


Для отримання можливості співставлення величин коефіцієнтів при різних картинах поля було прийнято, що амплітуда індукції у всіх випадках дорівнює одиниці, а значення коефіцієнту вираховується за формулою:

. (3)

Співставлення даних, наведених на рис. 3 та рис. 7 і 8, дає можливість дійти до висновку, що картина розподілу індукції у повітряному проміжку суттєво впливає на величину коефіцієнта використання котушок обмоток безпазових якорів, при цьому можуть змінюватися координати розташування оптимуму цього показника ефективності використання обмотки.

Зважаючи на те, що варіації ширини котушок та відстані між ними ведуть до отримання інших закономірностей зміни величини потокозчеплення при обертанні ротора, необхідно виконати додаткові дослідження, які дадуть змогу врахувати вплив вищих гармонік поля на величину коефіцієнта використання котушок.

Висновки.

Виконані дослідження дозволяють дійти до наступних висновків:

- при вибраній ширині котушки і величині проміжку між ними оптимальне використання якірних обмоток безпазових машин досягається при певному співвідношенні числа полюсів і кількості котушок;

- при вибраній кількості полюсів системи збудження збільшення ширини котушки вимагає зменшення кількості котушок неперехресної обмотки якоря;

- координати екстремумів мінімального розходу активних матеріалів на виготовлення обмотки і мінімумів електричних втрат в обмотці співпадають з координатами екстремумів досягнення найбільшої величини основного вихідного параметра машини (момент – у двигунів і вихідна напруга – у генераторів);

- координати екстремумів основного вихідного параметра машини залежать від величини проміжку між котушками обмотки: при збільшенні цього проміжка координата зміщується у сторону більших значень;

-
66
характер розподілу індукції у повітряному проміжку суттєво впливає на величину коефіцієнта використання котушок обмоток безпазових якорів та координати його оптимуму;

- результати виконаних досліджень свідчать про те, що запропонований метод оцінки ефективності використання окремих котушок повинен стати складовою частиною комплексної оцінки ефективності використання безпазових обмоток.


ЛІТЕРАТУРА

1. Chuchman Y., Zavgorodny V. Direct Drive DC Torque Motors and Tachogenerators with Permanent Magnet Extitatetion for Astrophysics Equipment / Proc. of the 33rd Int. Symp. on Electrical Mashines, Poznan, 09-12.07. 1997, pp. 79-84.

2. Ludowit Klug. Permanent magnet drives used in computer hardware and in commercial electronics / International XI Symposium on “Micromashines and Servodrives”, Malbork, 14-18.09.1998, V2, pp. 419-425.

3. Low T.S., Jabbar M.A., Tan T.S. Slotless PM Motor Design for Hard Disc Drives / IEEE Ind. Applic. Magazine, USA, Nov/Dec. 1997, pp. 43-51.

4. Jacek F. Gieras, Jerzy Zadrożny. Small Permanent Magnet Brushless Motors State of the Art / International XIII Symposium on “Micromashines and Servodrives”, Krasiczyn, 15-19.09.2002, V2, pp. 415-430.

5. Sławomir Wiak. Disk-Type Motors – New Constructions (invited paper) / International XII Symposium on “Micromashines and Servodrives”, Kamień Śląski, 10-14.09.2000, V1, pp. 193-211.

6. Kleen S., Ehrfeld W., Michel F., Nienhaus M. and Stoltin H.D. Penny-Motor: a family of novel ultraflat electromagnetic micromotors / Int. Conf. Actuator’2000, Bremen, Germany, 2000, pp. 193-196.

7. Постоянные магниты: Справочник/Альтман А.Б., Герберг А.Н., Гладышев П.А. и др.; Под ред. Ю.М.Пятина.- М.: Энергия, 1980. - 488 с.

8. Чучман Ю.И., Демин Е.А. Выбор оптимального зазора в тахогенераторах с полым ротором / Докл. и научн.сообщ. Львов. политехн. ин-т., №5,Львов: Вища шк., 1975. с.44-47.

9. А. с. 1192045 СССР Н02К 13/14. Якорь дискового моментного двигателя / Завгородний В.Д., Черепаняк М.В., Чучман Ю.И.; заявл. 14.09.83, заявка №3640956/24-07, опубл. 15.11.85. Бюл. №42.

10. Patent 4315178 USA 310-154, 1982.


Стаття надійшла 15.04.2006 р.

Рекомендовано до друку

д.т.н., проф. Родькіним Д.Й.


Вісник КДПУ. Випуск 3/2006 (39). Частина 1.


Схожі:

Удк 621. 313. 5/8 Оптимізація котушок неперехресних обмоток безпазових iconТип модуля: обов’язковий Семестр: І обсяг модуля
Виготовлення котушок якорів обертових електричних машин. Вкладання обмоток якорів електричних машин. Загальні процеси виготовлення...
Удк 621. 313. 5/8 Оптимізація котушок неперехресних обмоток безпазових iconУдк 621. 313 Проектирование электроприводов на основе совместного
Таким образом, по своим техническим показателям и характеристикам крановые ад значительно отличаются от двигателей общепромышленного...
Удк 621. 313. 5/8 Оптимізація котушок неперехресних обмоток безпазових iconУдк 621. 313. 3 Процессы в индуктивности с насыщением
Это вносит погрешность в рассуждения и не в каждом случае возможно такое допущение. Поэтому, актуальна задача, состоящая в исследовании...
Удк 621. 313. 5/8 Оптимізація котушок неперехресних обмоток безпазових iconУдк 621. 926 влияние начальных условий на динамику самозапуска и ресинхронизации привода мельниц с упругой связью
Без применения специальных защитных средств этот режим обуславливает дополнительные энергетические затраты, значительные динамические...
Удк 621. 313. 5/8 Оптимізація котушок неперехресних обмоток безпазових iconО. С. Попова кирик мар’ян іванович удк 621. 395. 7 Оптимізація телекомунікаційних мереж за критеріями якості послуг 05. 12. 02 телекомунікаційні системи та мережі автореферат
Тимченко Олександр Володимирович, Національний університет "Львівська політехніка", професор кафедри “Телекомунікації”
Удк 621. 313. 5/8 Оптимізація котушок неперехресних обмоток безпазових iconУдк 621. 313 Микропроцессорный комплекс энергомониторинга качества
Поэтому экономически оправдана необходимость полного исчерпания ресурсных возможностей эд, что требует разработки систем объективного...
Удк 621. 313. 5/8 Оптимізація котушок неперехресних обмоток безпазових iconУДк: 62-83: 621. 313 Асинхронные электроприводы с векторным
Днепродзержинского государственного технического университета по созданию глубоко регулируемых асинхронных электроприводов (аэп)...
Удк 621. 313. 5/8 Оптимізація котушок неперехресних обмоток безпазових iconУдк 621. 313 Віртуальний лабораторний комплекс для дослідження систем
Зрозуміло, що в умовах різкого скорочення фінансування навчальних закладів, у першу чергу страждають навчальні лабораторії, устаткування...
Удк 621. 313. 5/8 Оптимізація котушок неперехресних обмоток безпазових iconУдк 621. 313 исследование качества преобразования энергии в системах электропривода с общей сетью
При этом речь идет не только о различных оммических сопротивлениях, но и сопротивлениях рассеяния, а также сопротивлениях взаимной...
Удк 621. 313. 5/8 Оптимізація котушок неперехресних обмоток безпазових iconУдк 621. 313 043/045. 5 Оценка эффективности методов диагностики
Таким образом, качество реализации и настройки систем непрерывного мониторинга, частотного и векторного регулирования скорости вращения,...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи