Погружные вентильные электродвигатели с зубцовым шагом обмотки статора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Сан Ю

• Сан Ю
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Сан Ю

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СИСТЕМЫ ВДПМ С ЗУБЦОВЫМ ШАГОМ ОБМОТКИ СТАТОРА

1.1. Выбор сочетания чисел полюсов ротора и зубцов магнитопровода статора

1.2. Определение обмоточных коэффициентов ЭДС ВДПМ с зубцовым шагом обмотки статора обмотки статора с помощью векторных диаграмм

1.3. Определение обмоточных коэффициентов ЭДС ВДПМ с зубцовым шагом обмотки статора аналитическим способом

Выводы по материалам главы 1:

ГЛАВА 2. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ВДПМ С ЗУБЦОВЫМ ШАГОМ ОБМОТКИ СТАТОРА

2.1. Магнитное поле, созданное постоянными магнитами ротора

2.2. Магнитное поле, созданное фазой обмотки статора при нечетном числе катушек в катушечной группе

2.3. Магнитное поле, созданное фазой обмотки статора при четном числе катушек в катушечной группе

2.4. Индуктивность и взаимная индуктивность фаз статора

Выводы по содержанию главы 2:

ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА, СОЗДАВАЕМАЯ ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ РОТОРА В ФАЗАХ ВДПМ

3.1. Магнитный поток, созданный полюсами ротора в зубце статора

3.2. Магнитный поток ротора, связанный с фазой статора при нечетном числе зубцов магнитопровода статора в катушечной группе фазы

3.3. Магнитный поток ротора, связанный с фазой статора при четном числе зубцов магнитопровода статора в катушечной группе фазы

3.4. Электродвижущая сила, создаваемая магнитным полем ротора в фазах ВДПМ

Выводы по результатам главы 3:

ГЛАВА 4. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВДПМ С ЗУБЦОВЫМ ШАГОМ ОБМОТКИ СТАТОРА

4.1. Момент ВДПМ

4.2. Динамические характеристики ВДПМ при отсутствии ограничения токов

фаз

4.3. Динамические характеристики ВДПМ с учетом ограничения токов фаз

Выводы по результатам главы 4:

ГЛАВА 5. ПОГРУЖНЫЕ ВДПМ С ЗУБЦОВЫМ ШАГОМ ОБМОТКИ СТАТОРА

5.1. Сравнение массогабаритных показателей ВДПМ с распределенной обмоткой статора и с зубцовым шагом обмотки статора

5.2. Погружные электродвигатели

5.3. Экспериментальный образец погружного ВДПМ с зубцовым шагом обмотки статора

Выводы к главе 5:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Словарь Символов и Аббревиатур

Список используемой литературы

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Погружные вентильные электродвигатели с зубцовым шагом обмотки статора»

ВВЕДЕНИЕ

Вентильные электродвигатели с постоянными магнитами на роторе (ВДПМ) имеют высокий к.п.д., минимальные массу и габариты и нашли широкое применение в самых разнообразных управляемых электроприводах, от приборных электроприводов мощностью в доли ватт до судовых гребных электрических установках с выходной мощностью в несколько мегаватт.

Примером ВДПМ для приборных электроприводов являются двигатели типа ДБМ [1, 2, 3] - первой в России серии вентильных электродвигателей с постоянными магнитами на роторе, которые были созданы в 80-х годах на заводе «Машиноаппарат» (рисунок 1).

ДБМ 120 - 1,6 - 0,5 - 3 Рисунок 1 Вентильные электродвигатели серии ДБМ

Электродвигатели ДБМ имеют встраиваемую конструкцию и предназначены для работы в маломощных приводах. Различные модификации двигателей ДБМ имеют момент от 0,01 Нм до 16 Нм и частоту вращения ротора от сотен до 9150 об/мин. В качестве датчиков положения ротора в комплекте с электродвигателями ДБМ используются редуктосины типа ВТ.

Наиболее мощные ВДПМ используются в судовых гребных электрических установках. На основе ВДПМ фирма АВВ создала гребные электрические установки Л71роё®СО (рисунок 2) и Л71роё®С7 [4, 5, 6, с. 51-57] (рисунок 3).

Рисунок 2 - Схема конструкции движительного модуля ГЭУ Л71роё®СО: 1 - гребной винт фиксированного шага; 2 - защитный конус уплотнения вала; 3 -уплотнение вала; 4 - защита подшипника со стороны винта; 5 - подшипник со стороны винта; 6 - ротор; 7 - статор; 8 - стопорный тормоз; 9 - упорный подшипник; 10 - корпус упорного подшипника; 11 - силовые и информационные

кабели и трубопроводы; 1 2 - опора

6

Рисунок 3 - Установка Л71роё®С7: 1 - электродвигатели рулевого управления; 2 -блок контактных колец; 3 - редуктор рулевого привода; 4 - опора; 5 -электродвигатель; 6 - гребной винт с насадкой

Установки Azipod®CO имеют тянущий гребной винт и номинальную мощность от 1,3 МВт до 4,5 МВт. Установки Azipod®CZ имеют толкающий винт, размещенный в цилиндрической насадке, и номинальную мощность 3,3 МВт.

На рисунке 4 показаны фотографии гребного электродвигателя PERMASYN фирмы Siemens, предназначенного для привода подводной лодки U-212 [7].

Рисунок 4 - Гребной электродвигатель PERMASYN фирмы Siemens

Электромагнитные системы ВДПМ отличаются большим разнообразием. Применяются ВДПМ с вращающимся ротором и линейным перемещением

ротора. По расположению рабочего зазора в машинах с вращающимся ротором различают ВДПМ с радиальным и с осевым рабочим зазором. Машины с радиальным рабочим зазором имеют цилиндрический ротор, а в машины с осевым рабочим зазором - дисковый ротор. По направлению намагничивания и расположению постоянных магнитов на роторе различают ротор «звездочка» и коллекторного типа [8, с. 19] (рисунок 5), применяются также комбинированные магнитные системы ротора.

а) б)

Рисунок 5 - Магнитные системы ротора ВДПМ

В роторе «звездочка» (рисунок 5а) постоянные магниты имеют радиальное направление намагниченности и устанавливаются на магнитной втулке ротора. В роторе коллекторного типа (рисунок 5б) постоянные магниты имеют тангенциальную намагниченность, устанавливаются на немагнитной втулке и чередуются с полюсами из магнитной стали.

Наилучшими магнитными характеристиками в настоящее время обладают постоянные магниты на основе редкоземельных магнитотвердых материалов: неодим-железо-бор и самарий-кобальт. В таблице 1 приведены характеристики постоянных магнитов, разработанных одним из ведущих производителей магнитов в России ОАО НПО «Магнетон» (г. Владимир) [9].

Таблица 1- Характеристики постоянных магнитов ОАО НПО «Магнетон».

Марка Bг, Тл Нсв, кА/м НО, кА/м (ВН)ма х, кДж/м3 Тра б, °С (мак с) Марка матери ала Магнитная анизотропия

СМ 110/1300 0,77-0,79 540-560 1200-1400 105-120 230 SmCo5 анизотропная

СМ 130/1000 0,81-0,82 560-580 1100-1200 125-140 250 SmCo5 анизотропная

СМ 150/900 0,95-0,98 690-710 900-1100 180-190 300 Sm2Co 17 анизотропная

НМ 220/1800 1,04-1,08 800-860 1800-2000 200-220 160 NdFeB анизотропная

НМ 240/1440 1,1-1,15 800-850 1440-1600 240-250 150 NdFeB анизотропная

НМ 240/1800 1,08-1,12 800-850 1800-2000 240-250 160 NdFeB анизотропная

НМ 250/1200 1,15-1,2 850-900 1200-1300 250-270 100 NdFeB анизотропная

НМ 250/1440 1,15-1,23 850-950 1440-1600 250-270 150 NdFeB анизотропная

НМ 260/2000 1,21-1,25 840-900 2000 260-280 180 NdFeB анизотропная

НМ 265/900 1,15-1,22 850-1000 900-1000 265-290 80 NdFeB анизотропная

НМ 270/1150 1,2-1,25 900-1000 1150-1250 270-295 100 NdFeB анизотропная

НМ 285/850 1,25-1,3 850-1100 900-1150 285-320 80 NdFeB анизотропная

НМ 300/900 1,2-1,3 900-1040 1040-1200 300-320 80 NdFeB анизотропная

НМ 310/1300 1,3-1,33 900-920 ?1300 310-340 120 NdFeB анизотропная

НМ 310/1600 1,30-1,32 920-950 ?1600 310-330 150 NdFeB анизотропная

НМ 320/800 1,3-1,35 850-1080 1080-1150 320-340 80 ШЕеВ анизотропная

НМ 340/860 1,32-1,37 860-985 985-1000 340-350 80 ШЕеВ анизотропная

По конструкции статора различают ВДПМ с двухслойной распределенной обмоткой статора [10], машины с зубцовым шагом, описанные в [11, с. 9], и машины с поперечным магнитным потоком (ТЕМ), конструкция которых приведена в [12, 13].

Машины с поперечным магнитным потоком находятся на стадии исследования и пока не применяются.

ВДПМ с двухслойной распределенной обмоткой статора известны с 60-х гг. ХХ века и широко применяются в электроприводах [10]. На рисунке 6 приведена схема ВДПМ с двухслойной распределенной обмоткой статора, имеющей число фаз т=3; число пар полюсов р=2; число пазов статора г=24; шаг обмотки у=5/6; число пазов на полюс и фазу #=2.

О - катуш ки ф азы и ^ - катуш ки ф азы V О - катуш ки ф азы №

ротора

магнитопровод статора

Рисунок 6 - ВДПМ с двухслойной распределенной обмоткой статора: т=3; р=2;

1=24; у=5/6; д=2

В машинах этого типа обмотка статора укладывается в пазы по тем же схемам, что и в классических синхронных машинах с обмоткой возбуждения на роторе. При подаче трехфазного напряжения на обмотку статора статор создает вращающееся магнитное поле. Применением укороченного шага и распределением обмотки по пазам магнитопровода статора, использованием скоса пазов можно получить очень близкое к синусоиде изменение индукции магнитного поля в зазоре по угловой координате с минимальными пульсациями. В этом варианте исполнения ВДПМ имеют практически равномерное вращение магнитного поля, созданного обмоткой статора, низкие пульсации момента и близкие к нулю потери в роторе. Однако по массогабаритным показателям и быстродействию, по простоте конструкции ВДПМ с двухслойной распределенной обмоткой статора уступает другому виду вентильных машин - ВДПМ с зубцовым шагом.

ВДПМ с зубцовым шагом появились примерно двадцать лет назад, согласно данным источников [14], [15], и в ряде электроприводов они предпочтительнее, чем машины с распределенной обмоткой статора.

Как и ВДПМ с распределенной обмоткой статора, ВДПМ с зубцовым шагом позволяет получить высокий обмоточный коэффициент и хорошую форму электродвижущей силы в фазах, от которой зависит коэффициент полезного действия машины. В [16] значения обмоточного коэффициента различных конструктивных вариантов ВДПМ с зубцовым шагом определены с помощью векторных диаграмм, а в [17, 18] аналогичные значения обмоточного коэффициента получены аналитическим способом.

Наиболее распространенный вариант исполнения ВДПМ - трехфазная машина с двухслойной распределенной обмоткой статора и цилиндрическим ротором. Обмоточный коэффициент таких ВДПМ определяется по известным формулам для машин переменного тока [19, с. 49, 20 с. 81].

В последние годы распространение получил еще один вид ВДПМ с радиальным магнитным потоком, который в [11, с. 9] назван ВДПМ с зубцовым шагом. В зарубежных публикациях ВДПМ с зубцовым шагом называют «with tooth concentrated windings» (с зубцовыми, сосредоточенными обмотками) или «with non-overlapping concentrated windings» (с не перекрывающимися, сосредоточенными обмотками) [16]. Особенностью машин этого типа является то, что на каждом зубце статора размещается только одна катушка, и каждую фазу составляют ряд зубцовых катушек, соединенных по определенной схеме.

Машины с зубцовым шагом работоспособны при определенных сочетаниях числа полюсов ротора и числа зубцов статора. Правила выбора сочетаний числа полюсов ротора и числа зубцов статора для ВДПМ с зубцовыми обмотками приведены в [14]. Число полюсов ротора 2р и число зубцов статора z связаны соотношением 2p=0-(m.zzp±1), где m-число фаз; 0=1,2,3,...- число повторяющихся частей статора, в каждой из которых содержится m катушечных групп; Zzp = 1,2,3. число катушек в катушечной группе.

На рисунке 7 приведена схема типичного ВДПМ с зубцовыми обмотками, у которого z=18, 0=2, Zzp = 3, p=10, m=3 и число пазов на полюс и фазу #=0,3.

Б

фаза U фаза V фаза W

W

Рисунок. 7 - Схема ВДПМ с зубцовым шагом обмотки статора

Зубцы статора разделены на две диаметрально расположенные зоны по девять зубцов, схема соединения зубцовых катушек в фазы в обеих зонах одинакова. В каждой зоне катушки одной и той же фазы размещены на трех, расположенных подряд зубцах магнитопровода статора и соединяются так, чтобы при постоянном токе в фазе полярность зубцов фазы чередовалась. В схеме на рисунке 7 катушки в фазах соединены последовательно, а фазы соединены звездой.

В машинах с распределенной обмоткой статора число полюсов ротора ограничивает минимально необходимые размеры зубцов статора и их число. Ширина зубцов статора должна быть достаточной, чтобы выдерживать действующие на зубцы механические силы, а число зубцов статора на один полюс равно q•m. С увеличением # форма электродвижущей силы в фазах статора становится ближе к синусоиде, возрастает к.п.д. машины, а пульсации момента на валу уменьшаются, поэтому в машинах с распределенной обмоткой статора # может составлять несколько единиц. Вследствие этого в ВДПМ с распределенной обмоткой статора число пар полюсов ротора ограничено. Угловая ширина полюса должна быть равна углу т=а^-т, где аг=360°/г - угловая ширина зубца статора. При этом постоянные магниты позволяют выполнить ротор со значительно большим числом пар полюсов.

В машинах с зубцовым шагом обмотки статора угловая ширина полюса ротора и зубца статора примерно равны, и в этих машинах при одном и том же диаметре расточки статора можно выполнить ротор со значительно большим числом полюсов, чем в машинах с распределенной обмоткой. При увеличении числа полюсов в машине заданного диаметра расточки статора магнитный поток полюса ротора уменьшается, и необходимая для магнитного потока ширина ярма магнитопровода статора и ярма ротора также уменьшаются. В результате масса и габариты магнитопровода машин с зубцовым шагом существенно меньше, чем у машин с распределенной обмоткой статора [21].

Еще одно достоинство машин с зубцовым шагом обмотки статора -уменьшение длины проводников фаз. В машинах с распределенной обмоткой статора каждый виток обмотки статора охватывает не только ряд зубцов, но также и пазы магнитопровода статора. В машинах с зубцовым шагом витки обмотки статора охватывают только зубец магнитопровода статора, ширина которого в машинах с закрытыми и полузакрытыми пазами меньше ширины зубцового наконечника. Поэтому средняя индукция в площади контура, охватываемом витком в машинах с зубцовым шагом может составлять до 1,5 Тл и значительно превышать среднюю индукцию в площади контура витка машины с распределенной обмоткой статора. Эта разность особенно проявляется при сложной форме катушек и большой длине лобовых частей витков распределенной обмотки статора. Вследствие этого для получения той же самой фазной э.д.с. в машинах с зубцовым шагом обмотки требуется меньшее число витков фазы, чем в машинах с распределенной обмоткой, уменьшается длина проводников фаз, сопротивление фаз и потери в обмотке статора. Свойства и особенности ВДПМ с зубцовым шагом обмотки статора изучены недостаточно полно, и данная работа посвящена изучению этого вида машин.

Целью диссертационной работы является исследование массо-габаритных и динамических характеристик ВДПМ с зубцовым шагом обмотки статора и их применение в судовых электроприводах.

В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи:

1. Уточнить характер взаимодействия магнитных полей статора и ротора и механизм возникновения электромагнитного момента в ВДПМ с зубцовым шагом обмотки статора.

2. Найти аналитические выражения обмоточных коэффициентов для гармоник электродвижущей силы, возникающей в фазах статора при вращении ротора.

3. Определить параметры магнитной цепи, по которой в ВДПМ с зубцовым шагом обмотки замыкаются силовые линии магнитного поля, созданного постоянными магнитами ротора.

4. Определить особенности магнитного поля, созданного токами каждой из фаз статора, и результирующего магнитного поля статора.

5. Определить взаимно индуктивную связь фаз статора в ВДПМ с зубцовым шагом обмотки.

6. Найти закон изменения потокосцепления фазы статора с магнитными потоками ротора от углового положения ротора.

7. Определить зависимость электродвижущей силы, создаваемой постоянными магнитами ротора в фазах статора от параметров машины и от углового положения ротора.

8. Вывести зависимость момента на валу двигателя от геометрических параметров машины, характеристик постоянных магнитов ротора и токов в фазах статора.

9. Составить систему уравнений динамики ВДПМ с зубцовым шагом обмотки.

10. Сопоставить массогабаритные характеристики ВДПМ с распределенной обмоткой статора и ВДПМ с зубцовым шагом обмотки статора.

11. Разработать гребной двигатель с электромагнитной системой ВДПМ с зубцовым шагом обмотки статора.

ГЛАВА 1

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СИСТЕМЫ ВДПМ С ЗУБЦОВЫМ ШАГОМ

ОБМОТКИ СТАТОРА

1.1. Выбор сочетания чисел полюсов ротора и зубцов магнитопровода статора.

Особенностью ВДПМ с зубцовым шагом обмотки статора является то, что на каждом зубце статора размещается только одна катушка, и каждую фазу составляют ряд зубцовых катушек, соединенных по определенной схеме.

Машины с зубцовым шагом работоспособны при определенных сочетаниях числа полюсов ротора и числа зубцов статора. Момент, действующий на ротор, создается в результате действия на полюсы ротора тангенциальных сил, возникающих при взаимодействии полюсов ротора и зубцов статора. Критерием правильного выбора чисел полюсов ротора и зубцов магнитопровода статора может быть одинаковое направление тангенциальных сил, действующих на каждый полюс ротора, при изменении токов в фазах по мере поворота ротора.

Правила выбора сочетаний числа полюсов ротора и числа зубцов статора для ВДПМ с зубцовыми обмотками приведены в [14]. Число полюсов ротора 2р и число зубцов статора г связаны соотношением

2 р = в(т1гр± 1) (1.1),

где т-число фаз; 0=1,2,3,...- число повторяющихся частей статора, в каждой из которых содержится т катушечных групп; ггр = 1,2,3. число катушек в катушечной группе.

Если ггр - нечетное число, то катушечные группы каждой фазы соединены между собой согласно, если ггр - четное число, то катушечные группы каждой фазы соединены между собой встречно.

На рисунке 1.1а приведена схема типичного трехфазного ВДПМ с зубцовым шагом обмотки статора, у которого г=18, 0=2, ггр = 3, р=10, т=3 и число пазов на

полюс и фазу #=0,3. На рисунке 1б - линейная развертка электромагнитной системы двигателя.

а).

б).

Рисунок 1.1 - Схема трехфазного ВДПМ с зубцовым шагом обмотки статора:

г=18, 0=2, ггр = 3,р=10, т=3

Ротор выполнен по схеме «звездочка» - постоянные магниты расположены на поверхности магнитной втулки ротора и имеют радиальное направление намагниченности. Зубцы статора разделены на две диаметрально расположенные зоны по девять зубцов, схема соединения зубцовых катушек в фазы в обеих зонах одинакова. В каждой зоне катушки одной и той же фазы размещены на трех, расположенных подряд зубцах магнитопровода статора и соединяются так, чтобы при постоянном токе в фазе полярность зубцов фазы чередовалась. Поскольку ггр - нечетное число, то обе катушечные группы одной и той же фазы соединены

согласно. В схеме на рисунке 1.1 катушки в фазах соединены последовательно, а

фазы соединены звездой.

Максимальный момент на валу двигателя возникнет при синусоидальных

токах в фазах двигателя ВДПМ, которые должны изменяться в зависимости от

углового положения ротора (рисунок 1.2):

1и = 1т- Б\п(ра + г])

2п (1 2)

ц, = /т ■ зт(ра -- + 1!)

47Г

^ = 1ш • §т(ра - у + 77)

где а - угол между неподвижной осью, связанной со статором и осью, связанной с ротором;

П - начальная фаза токов фаз.

Рисунок 1.2 - Изменение токов в фазах двигателя в зависимости от углового

положении ротора при ц=0

Угловое положение ротора а на рисунке 1.1 отсчитывается от неподвижной оси, связанной со статором - оси симметрии среднего зубца фазы и. Ось ротора на рисунке 1.1 - ось одного из северных полюсов ротора. В электрических радианах угловое положение ротора относительно статора равно ае=ра. Начальная фаза токов ц выбирается таким образом, чтобы обеспечить при данных токах максимальный момент двигателя. Токи в катушках фаз, охватывающих зубцы магнитопровода статора, создают магнитные потоки, проходящие через зубцы статора. В положении ротора, показанном на рисунке 1.2, ае=ра=п!2 и

максимальный ток должен протекать в фазе и, поскольку момент в этом случае будет максимальным, тогда ц должно быть равно нулю и токи в фазах будут равны:

тс

1-й Ап ' Ал

. /7Г 2тт\ /т

. /Т 4лл /т = =

На рисунке 1.3 показано направление намагниченности зубцов магнитопровода статора при заданных токах фаз и ае=р-а=п/2 и направление тангенциальных сил /, действующих на полюсы ротора при взаимодействии полюсов ротора и зубцов статора.

Рисунок 1.3 - Направление намагниченности зубцов магнитопровода статора при ае=р-а=п12 и направление тангенциальных сил/, действующих на полюсы ротора

Все тангенциальные силы имеют одинаковое направление и создают момент электродвигателя, направленный в одну и ту же сторону. Величина сил зависит от токов в катушках зубцов статора, магнитного поля, созданного постоянными магнитами ротора, и взаимного положения полюсов ротора и зубцов статора.

На рисунке 1.4 показано направление намагниченности зубцов магнитопровода статора при ае=р-а=5п/6 и токах фаз

т

5тг /.

^ и Ап ' ^

¡■у ^т ' 51П

¿IV = 1т • БШ ^

. /57Г 27Г\ 1т

т{Т--)=Т

/5л 47Г

Ь7Г 47Г\

гп

Рисунок 1.4 - Направление намагниченности зубцов магнитопровода статора при ае=р-а=5п/6 и направление тангенциальных сил/, действующих на полюсы

ротора

Как и на рисунке 1.3, здесь направление всех тангенциальных сил /, действующих на полюсы ротора, одинаково.

При определении направления сил /, действующих на полюсы ротора двигателя, изображенного на рисунке 1.1, при токах в фазах, изменяющихся в соответствии с (1.2), в других положениях ротора было установлено, что направление сил / одинаково во всех положениях ротора. Одинаковое направление тангенциальных сил /, действующих на полюсы ротора, при изменении токов в фазах в функции углового положения ротора обеспечивается выбором сочетания число полюсов ротора, числа зубцов статора, числа групп

зубцов статора и числа зубцовых катушек в группе в соответствии с правилами, сформулированными [14].

На рисунке 1.5 показана схема и линейная развертка трехфазного ВДПМ с зубцовым шагом обмотки статора при четном числе 1гр.

а)

б)

Рисунок 1.5 - Схема ВДПМ с зубцовым шагом обмотки статора: 1=12, 0=2, ггр =

2, р=5, т=3

Как и в схеме на рисунке 1.1, зубцы статора разделены на две диаметрально расположенные зоны по шесть зубцов, схема соединения зубцовых катушек в фазы в обеих зонах одинакова. В каждой зоне катушки одной и той же фазы

размещены на двух соседних зубцах магнитопровода статора и соединяются так, чтобы при постоянном токе в фазе полярность зубцов фазы чередовалась. Поскольку ггр - четное число, то в отличие от схемы на рисунке 1.1 здесь обе катушечные группы одной и той же фазы соединены встречно. В схеме на рисунке 1.5 катушки в фазах соединены последовательно, а фазы соединены звездой. Угол ае отсчитывается от оси первого зубца статора фазы и. В положении ротора, показанном на рисунке 1.5, ае=ра=п/2 и максимальный ток должен протекать в фазе и. На рисунке 1.6 показано направление мгновенных тангенциальных сил, действующих на полюсы ротора, при токах фаз: ¿и = 1т ; =

^т/2; ^ ^т/2-

Рисунок 1.6 - Направление намагниченности зубцов магнитопровода статора при ае=р-а=п/2 и направление тангенциальных сил/, действующих на полюсы ротора

Направление тангенциальных сил /, действующих на полюсы ротора на рисунке 1.6, как и на рисунках 1.3 и 1.4 одинаково.

Таким образом, сочетания числа полюсов ротора и число зубцов статора, рекомендованные в [14], обеспечивают одинаковое направление тангенциальных сил, действующих на все полюсы ротора, и, следовательно, максимальный момент на валу электродвигателя.

Возможные варианты сочетания числа пар полюсов ротора и числа зубцов (пазов) статора, определенные в соответствии с (1.1) удобно определить, исходя

из числа катушек в катушечной группе ггр. При этом варианты с числом повторяющихся частей статора 0=1 можно не рассматривать, так как при 0=1 на ротор будут действовать не сбалансированные радиальные силы. В таблице 1.11.5 приведены сочетания конструктивных параметров трехфазных (т=3) двигателей, определенные в соответствии с (1.1).

Таблица 1.1 - Возможные варианты параметров двигателей при ггр=1.

ггр Ш1гр 0 г 2р Я

1 3 2 6 4 0,5

1 3 2 6 8 0,25

1 3 3 9 6 0,5

1 3 3 9 12 0,25

1 3 4 12 8 0,5

1 3 4 12 16 0,25

1 3 5 15 10 0,5

1 3 5 15 20 0,25

Таблица 1.2 - Возможные варианты параметров двигателей при ггр=2.

ггр Ш1гр 0 г 2р Я

2 6 2 12 10 0,4

2 6 2 12 14 2/7

2 6 4 24 20 0,4

2 6 4 24 28 2/7

2 6 6 36 30 0,4

2 6 6 36 42 2/7

2 6 8 48 40 0,4

2 6 8 48 56 2/7

Таблица 1.3 - Возможные варианты параметров двигателей при ггр=3.

ггр тчгр 0 г 2р Я

3 9 2 18 16 3/8

3 9 2 18 20 0,3

3 9 3 27 24 3/8

3 9 3 27 30 0,3

3 9 4 36 32 3/8

3 9 4 36 40 0,3

3 9 5 45 40 3/8

3 9 5 45 50 0,3

Таблица 1.4 - Возможные варианты параметров двигателей при ггр=4.

ггр Ш1гр 0 г 2р Я

4 12 2 24 22 4/11

4 12 2 24 26 4/13

4 12 4 48 44 4/11

4 12 4 48 52 4/13

4 12 6 72 66 4/11

4 12 6 72 78 4/13

Таблица 1.5 - Возможные варианты параметров двигателей при ггр=5.

ггр Ш1гр 0 г 2р Я

5 15 2 30 28 5/14

5 15 2 30 32 5/16

5 15 3 45 42 5/14

5 15 3 45 48 5/16

5 15 4 60 56 5/14

5 15 4 60 64 5/16

5 15 5 75 70 5/14

5 15 5 75 80 5/16

1.2. Определение обмоточных коэффициентов ЭДС ВДПМ с зубцовым шагом обмотки статора обмотки статора с помощью векторных диаграмм.

При вращении ротора магнитное поле индуцирует в фазах статора ЭДС. Характеристики машины, в том числе КПД, зависят от состава гармоник в кривой ЭДС обмотки статора [22, с. 348]. В машинах с распределенной обмоткой статора для улучшения формы кривой ЭДС используются известные приемы выполнения обмотки статора: укороченный шаг, распределение витков обмотки под каждой парой полюсов и скос пазов магнитопровода статора или скос полюсов ротора. Эффективность использования этих приемов оценивается коэффициентами укорочения шага ку, распределения обмотки кр, общим обмоточным коэффициентом ко = ку- кр и коэффициентом скоса полюсного наконечника кс для гармонических составляющих ЭДС [19, с. 49]. Для ВДПМ с зубцовым шагом синусоидальная форма ЭДС обеспечивается с помощью тех же приемов.

Форма распределения индукции магнитного поля ротора в зазоре машины имеет сложную форму и кроме первой гармоники индукции с амплитудой Вт1 содержит также гармоники индукции более высокого порядка Вт3, Вт5 и т.д.

Для определения обмоточного коэффициента для первой гармоники ЭДС фазы статора можно использовать векторные диаграммы [16, 19, с. 57]. На рисунке 1.7 приведена схема части обмотки статора с £=18, 0=2, ггр = 3, р=10, т=3. Будем считать, что машина не имеет скоса пазов.

Рисунок 1.7 - Направление ЭДС в катушках фазы и для двигателя с параметрами

1=18, 0=2,1гр = 3, р=10, т=3

Полюсное деление в геометрических градусах равно

3 60° (1.3)

т = — = 18°. 4 '

2 р

Шаг обмотки в машинах с зубцовым шагом равен углу между осями

соседних пазов магнитопровода статора

3 60° (1.4)

у —-= 20°.

г

Шаг обмотки у больше половины полюсного деления т/2, то есть обмотка выполнена с удлиненным шагом, который в машинах с распределенной обмоткой статора практически не применяется. В электрических градусах разность между у и т равна

у = р (у_т) = 2 0 ° е. (1.5)

Величина относительного шага обмотки у машин с зубцовым шагом может быть определена по р и г

У 2 р (1.6)

В=- = — =1, 1 1 . ( )

т г

Как видно из рисунка 1.7 фаза и состоит из двух одинаковых катушечных групп. В первую катушечную группу входят три катушки, стороны которых расположены в пазах п1-п4, во вторую катушечную группу входят три аналогичные катушки, стороны которых расположены в пазах п10-п13. В проводниках катушек, расположенных в одном и том же пазу, ЭДС одинаковы. Действующее значение первой гармоники ЭДС в проводнике одной стороны катушки будет равно [20, с. 78]

Е1=^2^-Вт т, (1.7)

где /- частота первой гармоники ЭДС при вращении ротора;

Вт1 - амплитуда первой гармоники индукции магнитного поля в зазоре машины;

I - длина проводника катушки в активной зоне.

На рисунке 1.8 показаны векторы действующих значений первой гармоники ЭДС шести сторон катушек фазы И с учетом их сдвига по фазе на угол у.

ЕЗ1

Е21

Рисунок 1.8 - Векторы первой гармоники ЭДС в проводниках катушек одной катушечной группы фазы U для двигателя с параметрами z=18, 0=2, zp = 3, p=10,

m=3

При обходе катушечной группы фазы U ЭДС, возникающие в проводниках катушек, расположенных в пазах п2 и п4 суммируются со знаком минус (рисунок 1.9а). Суммарная ЭДС одной катушечной группы фазы U показана на рисунке 1.9б.

б)

а)

Рисунок 1.9 Сумма векторов действующих значений первых гармоник ЭДС одной катушечной группы фазы И для двигателя с параметрами £=18, 0=2, ггр =

3, р=10, т=3

Из векторной диаграммы находим суммарное действующее значение ЭДС одной катушечной группы фазы И

Еу 2 = E1 (2 ■ с о s 3 0 ° + 4 ■ с о s 3 0 °) = 0,945 ■ E^ (1.8)

Во второй катушечной группе фазы U возникает аналогичная ЭДС, и полная ЭДС фазы U равна

Еу1 = 0,945-12-Ex. (1.9)

Обмоточный коэффициент, учитывающий уменьшение первой гармоники ЭДС из-за использования шага обмотки у Ф т и распределения обмотки, для первой гармоники ЭДС двигателя с параметрами z=18, 0=2, zzp = 3, p=10, m=3 будет равен

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сан Ю, 2017 год

Список используемой литературы

1. Беленький Ю.М., Зеленков Г.С., Микеров А.Г. Опыт разработки и применения бесконтактных моментных приводов / ЛДНТП. -Ленинград, 1987. - 28 с.

2. URL : http : //mashap.maverick.ru/MenuVert/StatorPaZ/DBM%20120 1.6 0.5 3.ht ml# (дата обращения 12.12.2016).

3. URL: http : //www. npo-elektromash.ru/ (дата обращения 12.12.2016).

4. URL:https://library.e.abb.com/public/85d7a5e53e6a8e6ec12577e7002d2359/Azi pod CO Product%20Introduction rev%20C LowRes.pdf (дата обращения 12.12.2016).

5. URL:https://library.e.abb.com/public/ab3fd4cfa309a54dc1257b75003be8fa/ABB %20Azipod%20CZ%20Brochure 2013 Lowres.pdf (дата обращения 12.12.2016).

6. Королева Т.Н., Сеньков А.П. Судовые гребные электрические установки: учебное пособие / СПбГМТУ. - СПб., 2014. - 84 с.

7. URL : https : //www. industry.usa. siemens. com/verticals/us/en/marine-shipbuilding/brochures/Documents/SINAVY-Permasyn-en.pdf (дата обращения 12.12.2016).

8. Ледовский А.Н. Электрические машины с высококоэрцитивными постоянными магнитами / М. - Энергоатомиздат, 1985. -168 с.

9. URL: http://www.tdmagneton.ru/magnets/rare-earth magnets/ (дата обращения 12.12.2016).

10. Лебедев Н. И. Бесконтактные двигатели постоянного тока / Н. И. Лебедев, И. Е. Овчинников. — Л.: Наука (Ленинградское отд.), 1979. — 270 с.

11. Баранов М. В. Электрические следящие приводы с моментным управлением исполнительными двигателями / М. В. Баранов [и др.]. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. — 240 с.

12.Chen A. Y. Performance comparisons among radial-flux, multistage eaxial-flux, and three-phase transverse-flux PM machines for downhole applications / A. Y.

Chen, R. Nilssenand, A. Nysveen // Electric Machines and Drives Conference, 2009. IEMDC'09. IEEE International. — IEEE, 2009. — Pp. 1010-1017. DOI: 10.1109/IEMDC.2009.5075328.

13. Калмыков А. Н. Вентильный электродвигатель с поперечным магнитным потоком и дисковым ротором / А. Н. Калмыков, А. А. Сеньков, А. П. Сеньков, А. А. Рябов // Электротехника. — 2016. — № 4. — С. 24-28.

14. Пат. 2047936 Российская Федерация, МПК Н02К 21/00 (1995.01). Синхронный электродвигатель / Бродовский В. Н., Иванов Е. С., Лузин М. И., Петухов В. П., Пятков М. И.; заявитель Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики. — № 4001093/63; заявл. 02.01.1986; опубл. 10.11.1995.

15. Пат. 2059994 Российская Федерация, МПК Н02К 19/12 (1995.01). Синхронный электродвигатель / Шевченко А. Ф.; заявитель и патентообладатель Новосибирский государственный технический университет. — № 864037981; заявл. 17.03.1986; опубл. 10.05.1996.

16.Meier F. Permanent-magnet synchronous machines with non-overlapping concentrated windings for low-speed direct-drive applications / F. Meier. — Stockholm: KTH, 2008. — 165 p.

17.Бормотов А. В. Обмоточный коэффициент вентильных электродвигателей с зубцовыми, сосредоточенными обмотками статора / А. В. Бормотов, В. В. Николаев, Ю. Сан, А. П. Сеньков // Труды VIII Международной (XIX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2014. — Саранск, 2014. — Т. 2. — С. 72-75.

18. Сеньков А. П. Обмоточный коэффициент и потери в роторе вентильных электродвигателей с зубцовыми обмотками статора / А. П. Сеньков, А. В. Бормотов, Д. Ю. Седунов // Вестник Московского авиационного института. — 2015. — Т. 22. — № 3. — С. 122-131.

19.Костенко М.П., Пиотровский Л.М. / Электрические машины. Ч. 2 Л., «Энергия», 1973, 648 с.

20.Копылов И.П. Электрические машины / М.: Высшая школа, 2006. - 607 с. 611.

21.Ю Сан. Сравнение массогабаритных показателей вентильных электродвигателей с распределенной и зубцовой обмотками статора / Ю Сан, А. П. Сеньков // Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2016. - Выпуск №3(37) -С. 174-180.

22. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины / М.: Издательский дом МЭИ, 2006. т. 1 - 652 с.

23. Вольдек А.И. Электрические машины / Л.: Энергия, 1978. - 832 с.

24. Копылов И.П. и др. Проектирование электрических машин / М.: Энергоатомиздат, 1993. - 384 с.

25. ГОСТ 11036-75.

26. Герасимов В.Г. и др. Электротехника и электроника / Книга 1. М.: Энергоатомиздат, 1996. - 288 с.

27. Зайков М. А. Модель двигателей с катящимся ротором и расщепленным магнитным потоком // Электротехника, 1973, №2, с. 30-32.

28. Иванов-Смоленский А.В. и др. Универсальный метод расчета электромагнитных процессов в электрических машинах / М.: Энергоатомиздат, 1986. - 216 с.

29.Овчинников И.Е. Вентильные электрические двигатели и привод на их основе / С-Пб.: Корона-Век, 2007, 336 с.

30.Косулин В.Д. и др. Вентильные электродвигатели малой мощности для промышленных роботов / Л.: Энергоатомиздат, 184 с.

31. Овчинников И.Е. Электромеханические и мехатронные системы / С-Пб.: Корона-Век, 2012, часть 1, 336 с.

32.Копылов И. П. Проектирование электрических машин / И. П. Копылов. — М.: Высш. шк., 2002. — 757 с.

33.Токарев Б.Ф., Морозкин В.П., Тодос П.И Двигатели постоянного тока для подводной техники / М.: Энергия, 1977, с. 184.

34.Ястребов В.С., Горлов А.А., Симинский В.В. Электроэнергетические установки подводных аппаратов / Л.: Судостроение, 1986, 208 с.

35.Авторское свидетельство СССР №279969. Погружной электродвигатель / Богданов А.А., Чудиновский А.А., БИ№27, 1970 г.

36. Авторское свидетельство СССР №301785. Погружной электродвигатель / Богданов А.А. и др., БИ№14, 1971 г.

37.Авторское свидетельство СССР №983909. Герметичный электродвигатель / Федоров В.Ф. и др., БИ№47, 1982 г.

38.Патент РФ №1827046. Электрическая машина Ветохина ЭММВ. БИ №25, 1995 г.

39.Ветохин В.И. К вопросу о создании и развитии будущего подводного электроснабжения при освоении континентального шельфа и мирового океана // Электротехника. 2010. №8, с. 15-21.

40.Ветохин В.И. Асинхронные машины открытого исполнения с короткозамкнутым ротором для жидких агрессивных сред / Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров, 2007, 128 с.

41.Ветохин В.И. Асинхронные машины открытого исполнения с массивным ротором для жидких агрессивных сред / Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров, 2007, 128 с.

42.Сеньков А.П., Сан Ю Динамические процессы вентильного электродвигателя / Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2016617205, 29.06.2016.