Разработка и исследование многополосных однофазных асинхронных двигателей с сосредоточенными обмотками тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат технических наук Арутюнян, Аветик Мкртичевич

• Арутюнян, Аветик Мкртичевич
• кандидат технических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат технических наук Арутюнян, Аветик Мкртичевич

ВВВДЕНИЕ

1. ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ МНОГОПОЛЮСНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ОСОБЕННОСТИ ИХ РАСЧЕТА. (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1. Анализ конструкций многополюсных однофазных асинхронных двигателей в зависимости от области применения.

1.2. Методы построения и исследования математических моделей однофазных асинхронных двигателей.

1.3. Выводы из обзора конструкций и методов их анализа. Постановка задачи

2. ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ВОЗДУШНОМ ЗАЗОРЕ МНОГОПОЛЮСНЫХ ОДНОФАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

2.1. Основные положения и допущения

2.2. Магнитное поле в воздушном зазоре асинхронного конденсаторного двигателя с сосредоточенными обмотками

2.3. Особенности расчета магнитного поля в воздушном зазоре асинхронного двигателя с экранированными полюсами

2.4. Выводы.

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МНОГОПОЛЮСНЫХ ОДНОФАЗНЫХ

АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

3.1. Система уравнений токов и напряжений ОАД с учетом высших гармонических

3.2. Определение индуктивных параметров многополюсных асинхронных двигателей.

3.3. Выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПАЗОВОГО РАССЕЯНИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ЭКРАНИРОВАННЫМИ ПОЛЮСАМИ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

4.1. Основные положения.♦.

4.2. Метод конечных элементов и его применение для расчета магнитного поля.

4.3. Расчет магнитного поля пазового рассеяния короткозамкнутого витка методом конечных элементов. Определение параметров

4.4. Выводы.

5. ВОПРОСЫ РАСЧЕТА И ОПТИМИЗАЦИОННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МНОГОПОЛЮСНЫХ ОДНОФАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

5.1. Программный комплекс для расчета ОАД.

5.2. Анализ результатов поверочных расчетов ОАД для потолочных вентиляторов и их сравнение с экспериментальными данными.

5.2.1. Анализ результатов поверочных расчетов асинхронных исполнительных двигателей

5.3. Постановка задачи оптимизации ОАД для потолочных вентиляторов и выбор критерия оптимальности

5.4. Алгоритм оптимизационного расчета ОАД для потолочных вентиляторов.ИЗ

5.5. Анализ результатов оптимизации ОАД для потолочных вентиляторов

5.6. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование многополосных однофазных асинхронных двигателей с сосредоточенными обмотками»

Электротехническая промышленность является ведущей отраслью народного хозяйства СССР. Ее продукция используется почти во всех промышленных установках, в сельском хозяйстве, в быту. Электрические машины в общем объеме производства электротехнической промышленности занимают основное место, их эксплуатационные свойства имеют важное значение для всей экономики в целом.

Повышение культурного уровня и благосостояния советских людей вызывает необходимость расширения производства и совершенствования бытовых приборов, облегчающих условия труда и способствующих комфортному отдыху. К таким приборам относятся, в частности, приборы микроклимата, в которых в качестве приводных двигателей используются однофазные асинхронные двигатели различных конструкций, характерной особенностью которых является большое число полюсов (2р >16) при числе пазов на полюс и фазу равном единице.

Стремление довести до минимума число передаточных звеньев между двигателем и функционально-исполнительным механизмом часто приводит к разработке двигателей специальных исполнений. Высокие темпы роста производства этих двигателей и большие объемы их выпуска делают важной задачу улучшения их качества, снижения материалоемкости, повышения энергетических показателей. Этого можно добиться применением новых, более экономичных материалов, новой прогрессив* ной технологии. Экономия материальных и энергетических ресурсов может быть достигцута и за счет расчетной оптимизации.

Однако существующие методики расчета однофазных асинхронных двигателей, разработанные применительно к машинам с небольшим числом полюсов (2р ^ 6), не дают удовлетворительных результатов при использовании их для многополюсных однофазных асинхронных двигателей. Они не учитывают конструктивно-технологических особенноетей многополюсных машин, в первую очередь малую величину полюсного деления и относительно большое раскрытие пазов. Это приводит к неточному определению индуктивных параметров обмоток машин, связанных с магнитным полем в воздушном зазоре и полями рассеяния этих двигателей.

Отсутствие достаточно точных математических моделей приводило при разработке многополюсных однофазных асинхронных двигателей к большим затратам времени и расходам на макетирование, экспериментальные исследования и доводку.

В связи с этим возникает необходимость создания уточненных математических моделей с применением новых методов исследования электромагнитных и электромеханических характеристик, адекватно отражающих реальные физические процессы в машинах.

Перед диссертантом стояла задача создания математической модели многополюсных однофазных асинхронных двигателей с сосредоточенными обмотками, учитывающей их конструктивные и технологические особенности, бесконечный спектр пространственных гармонических магнитного поля в воздушном зазоре, и разработка на ее основе новых двигателей с улучшенными технико-экономическими показателями.

Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие основные вопросы:

1. Исследование магнитного поля в воздушном зазоре многополюсных однофазных асинхронных двигателей с сосредоточенными обмотками.

2. Исследование магнитного поля рассеяния обмоток двигателей.

3. Уточнение индуктивных параметров двигателей.

4. Создание новой математической модели многополюсных однофазных асинхронных двигателей с сосредоточенными обмотками.

5. Создание комплекса алгоритмов и программ поверочных и оптимизационных расчетов многополюсных однофазных асинхронных двигателей.

6. Разработка многополюсных двигателей для потолочных вентиляторов с улучшенными технико-экономическими показателями.

Первая глава диссертации посвящена обзору конструкций, методов расчета и оптимального проектирования многополюсных однофазных асинхронных двигателей.

Во второй главе исследуется поле в воздушном зазоре многополюсных однофазных асинхронных двигателей с учетом их конструктивно-технологических особенностей. Проводится гармонический анализ поля.

В третьей главе результаты исследования магнитного поля в воздушном зазоре используются для определения индуктивных параметров двигателей. Записана система уравнений электрического равновесия однофазных двигателей с произвольным углом сдвига между фазами. На ее основе как частные случаи рассматриваются конденсаторные двигатели и двигатели с экранированными полюсами.

Четвертая глава посвящена определению индуктивного сопротивления пазового рассеяния короткозамкнутого витка, основанному на расчете методом конечных элементов магнитного поля тока в произвольно расположенном в пазу проводнике.

В пятой главе рассмотрены вопросы оптимизационного проектирования многополюсных однофазных асинхронных двигателей и выработаны рекомеццации по улучшению их энергетических и массо-габаритных показателей. Разработаны и внедряются в производство двигатели для потолочных вентиляторов ВПК15-"Союз", ВП9-"Зангезур" и ВП12-пЗанзе1,ури с улучшенными технико-экономическими показателями.

При исследовании многополюсных однофазных асинхронных двигателей в работе использованы аналитические, экспериментальные и численные методы, а также методы физического моделирования. Все расчеты проведены с применением ЭВМ. Программы для ЭВМ написаны на алгоритмическом языке ФОРТРАН и построены по блочному принципу.

Создание математической модели многополюсных однофазных асинхронных двигателей с сосредоточенными обмотками, опирающейся на исследование магнитного поля и теорию цепей, и на ее основе алгоритма и программ автоматизированного поиска оптимального варианта машины позволяет при разработке двигателей нового поколения обеспечить экономию энергетических и материальных ресурсов, повысить уровень качества и значительно сократить общие сроки проектирования с одновременным уменьшением объема макетных испытаний и доводочных работ.

I. ОБЗОР КОНСТРУКЦИИ МНОГОПОЛЮСНЫХ ОДНОФАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ОСОБЕННОСТИ ИХ РАСЧЕТА

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

Заключение диссертации по теме «Электромеханика и электрические аппараты», Арутюнян, Аветик Мкртичевич

5.6. Выводы

I. Исследование различных многополюсных однофазных асинхронных двигателей с сосредоточенными обмотками на статоре по предложенной математической модели показало, что она имеет хорощую

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования многополюсных однофазных асинхронных двигателей с сосредоточенными обмотками позволяют сделать следующие выводы:

1. Математическая модель многополюсных однофазных асинхронных двигателей с сосредоточенными обмотками, разработанная на основе сочетания теории обобщенного электромеханического преобразователя энергии е исследованием магнитного поля, может быть рекомендована для их автоматизированного проектирования. Применение ортогональных координат для статора и симметричных составляющих для ротора позволило получить математическую модель в наиболее удобной форме с точки зрения представления связей мевду обмотками. Она адекватно отражает физические процессы, происходящие в подобных машинах и позволяет с достаточной точностью рассчитать их электромеханические характеристики с учетом высших пространственных гармонических.

2. Впервые предложена система индуктивных параметров многополюсных однофазных асинхронных двигателей с сосредоточенными обмотками и методика их определения, опирающаяся на аналитический расчет распределения магнитного поля в воздушном зазоре с учетом характерного для этого класса машин относительно большого по сравнению с полюсным делением раскрытия пазов статора. Предложенный для расчета параметров алгоритм позволил не только существенно уточнить их значения, но и учесть ивдуктивную связь между симметричными составляющими токов ротора.

3. Разработан алгоритм определения индуктивного сопротивления пазового рассеяния короткозамкнутого витка, основанный на расчете методом конечных элементов магнитного поля тока в проводнике, произвольно расположенном в пазу. Его правильность подтверищена моделированием на электропроводящей бумаге. Алгоритм и программа универсальные и могут быть использованы для решения других полевых задач.

4. Показана возможность уменьшения влияния третьей гармонической в кривой момента у многополюсных двигателей за счет выбора числа пазов ротора из условия получения зубцового деления, равного примерно двум ее периодам, в результате чего ЭДС третьей гармонической в соседних стержнях беличьей клетки совпадают по фазе.

5. Проведенные экспериментальные исследования индуктивных параметров и электромеханических характеристик многополюсных однофазных асинхронных двигателей различных типов подтвердили адекватность разработанной математической модели и позволили на ее основе создать программный комплекс для их анализа и синтеза.

6. Выполненные поисковые расчеты ряда двигателей для потолочных вентиляторов позволили дать рекомеццации по экономии материалов и улучшению энергетических показателей по сравнению с серийно выпускаемыми машинами и разработать новый двигатель с высокими технико-экономическими показателями. Например, в конденсаторном двигателе для потолочного вентилятора ВПК15-пСоюз" достигнута экономия электротехнической стали около 12$ при одновременном уменьшении мощности потребления на 6-4%.

7. Проведенные исследования и оценка закономерностей, выявленных при расчетах многополюсных однофазных асинхронных двигателей с сосредоточенными обмотками показывают, что разработанный комплекс алгоритмов и программ поверочных и оптимизационных расчетов может быть рекомеццован в качестве расчетно-теоретической основы для их автоматизированного проектирования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Арутюнян, Аветик Мкртичевич, 1984 год

1. Адаменко А.И. Методы исследования несимметричных асинхронных машин.-Киев: Наукова думка, 1969.-356 с.

2. Адаменко А.И. Однофазные конденсаторные двигатели.- Киев: Изд. АН УССР, i960.-247 с.

3. Адаменко А.И. Несимметричные конденсаторные двигатели.- Киев: Изд. АН УССР, 1962.-212 с.

4. Лопухина Е.М., Сомихина Г.С. Асинхронные микромашины с полым ротором.-М.: Энергия, 1967.-488 с.

5. Лопухина Е.М., Сомихина Г.С. Расчет асинхронных микродвигателей однофазного и трехфазного тока. -М.-Л.: ГЭИ, 1962, 312 с.

6. Лопухина Е.М., Семенчуков Г.А. Проектирование асинхронных микродвигателей с применением ЭВМ. М.: Высшая школа, 1980. -359 с.

7. Постников И.М. Проектирование электрических машин.-Киев: ГИТЛ, i960, -910 с.

8. Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств. -Высшая школа: 1976,-416 с.

9. Иванов-Смоленский A.B. Электромагнитные поля и процессы в электрических машинах и их физическое моделирование. -М.Энергия, 1969.-304 с.

10. Копылов И.П. Электромеханические преобразователи энергии.-М.:Энергия, 1973. 400 с.

11. Копылов И.П., Горяинов i.A., Клоков Б.К. и др.: Под ред.Копы-лова И.П.т М.: Энергия, 1980. 496 с.

12. Уайт Д., Цудсон Г. Электромеханическое преобразование энергии. М.-Л.: Энергия, 1964.-352 с.

13. Тозони О.В. Математические модели для расчета электрических и магнитных полей.-Киев:Наукова думка,1964. -303 е.*14