Разработка методик расчета моментного двигателя с постоянными магнитами и электромагнитной редукцией тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат технических наук Оськин, Артемий Борисович

• Оськин, Артемий Борисович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Оськин, Артемий Борисович

V Введение.

1. Расчетная модель моментного двигателя.

1.1. Базовая модель моментного двигателя.

1.1.1 Схема замещения магнитной цепи.

1.1.2 Магнитные проводимости воздушного зазора под полюсами статора.

1.1.3 Основные технические характеристики моментного двигателя.

1.1.3.1 Определение пускового момента при ненасыщенной магнитной системе двигателя.

1.1.3.2 Определение пускового момента с учетом насыщения зубцовой зоны двигателя.

1.1.4 Определение индуктивностей и электромагнитной постоянной времени фазных обмоток моментного двигателя.

1.1.5 Механическая характеристика моментного двигателя.

1.1.6 Пульсирующие моменты моментного двигателя.

1.2 Тепловая модель моментного двигателя.

1.2.1 Общие положения.

1.2.2 Метод тепловых схем замещения.

1.2.2.1 Схема тепловых потоков и схема замещения теплового равновесия.

1.2.2.2 Определение температуры на участках схемы замещения.

1.2.2.3 Определение перепада температуры в пазу.

1.2.2.4 Определение параметров моментного двигателя при переходных процессах.

1.2.3 Метод численного моделирования.

1.2.4 Результаты тепловых расчетов и экспериментов.

1.3 Механический расчет.

1.3.1 Общие положения.

1.3.2 Расчет прочности закрепления постоянных магнитов на роторе

1.3.3 Проверка механической прочности втулки ротора.

1.3.4 Проверка механической прочности ротора при осевых нагрузках.

1.3.5 Проверка механической прочности ротора при заклинивании вала во время вращения.

1.3.6 Методика механического расчета.

2 Основы проектирования моментного двигателя.

2.1 Выбор числа зубцов на полюсах статора и роторе.

2.2 Определение магнитной индукции в воздушном зазоре.

2.3 Определение геометрических параметров листа магнитопровода статора.

2.3.1 Определение геометрии листа статора при заданном наружном диаметре.

2.3.2 Определение геометрии листа статора при заданных наружном и внутреннем диаметре.

2.4 Методика проектирования моментного двигателя.

3 Исследование влияния технологических факторов на пусковые моменты и их пульсации.

3.1 Влияние магнитных свойств используемых материалов.

3.2 Влияние геометрии зубцовой зоны ротора.

4 Анализ и сравнение расчетных и экспериментальных результатов.

4.1 Расчеты моментных двигателей.

4.2 Сравнение расчетных и экспериментальных результатов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методик расчета моментного двигателя с постоянными магнитами и электромагнитной редукцией»

Современное состояние силовой электроники и электромашиностроения предоставляет большие возможности для создания регулируемых электроприводов различной степени сложности [1,2, 17, 22, 56].

Очень часто, к электроприводам, которые используются в системах ориентации, наведения и слежения предъявляется требование получения низкой скорости вращения. Традиционно задача получения низких скоростей вращения решалась за счет применения высокоскоростного исполнительного двигателя и понижающей механической передачи. Такой подход, несмотря на ряд достоинств - большой удельный момент, высокие энергетические показатели, имеет недостатки, существенно ограничивающие качественные характеристики привода [53]. Так, по данным [53] погрешность передаточного отношения прямозубых червячных передач достигает 30%, собственная динамика систем с механическими передачами низкая, поскольку развиваемое ускорение обратно пропорционально передаточному отношению. Так же, к недостаткам приводов с понижающей механической передачей можно отнести: сложность монтажа, связанную с необходимостью точной центровки валов, от которой зависят вибрация, шум и срок службы; необходимость регулярной остановки привода для осуществления смазки редуктора; относительно низкий срок службы [34].

Указанных недостатков не имеют электроприводы, построенные на основе низкоскоростных электродвигателей работающих с амплитудной модуляцией магнитного потока [2, 11, 15, 29, 34, 40-42, 46, 48, 49]. В этих двигателях, обладающих двухсторонней зубчатостью, частота вращения ротора определяется числом зубцов ротора: со2 =сох12г, где 0)2 и 0)1 - частота вращения ротора и поля статора; - число зубцов ротора.

Эти электродвигатели получили название двигателей с электромагнитной редукцией. Двигатели могут иметь корпусную и бескорпусную конструкцию. Использование в составе электропривода исполнительных двигателей, датчиков угла и скорости без собственных подшипников (встраиваемой конструкции) является перспективным техническим решением задачи создания высокоточных и динамичных следящих приводов. Это объясняется, во-первых, тем, что встраиваемые в объект управления электрические машины, имеют, как правило, малую осевую длину, что позволяет увеличить жесткость кинематической цепи исполнительный двигатель - объект управления. Во-вторых, крепление статоров и роторов, встраиваемых в объект управления электрических машин, осуществляется без соединительных муфт, что в принципе исключает люфты в силовых и измерительных цепях следящего привода.

Появление двигателей с электромагнитной редукцией относится к 30-м годам 20 столетия и обязано изобретению Чеббса и Уотса [34].

В настоящее время широкое применение в автоматических системах управления различных приборов и устройств ориентации, слежения и наведения получили безредукторные следящие системы (БСС), построенные на основе низкоскоростного моментного управляемого электропривода, что позволяет существенно повысить их точностные и динамические характеристики, а также срок службы и надежность по сравнению с редукторными электроприводами. Одним из основных элементов в моментном электроприводе является моментный двигатель, характеристики которого непосредственно влияют на качество работы БСС и определяют параметры работы приборов и устройств в целом [2, 3, 11, 13, 15, 17, 20, 24, 25, 27, 29, 49-52]. К таким характеристикам относятся вращающий момент, пульсации момента, частота вращения ротора, потребляемая электрическая мощность, электромагнитная постоянная времени, тепловыделение.

Перспективу расширения использования в БСС судовых приборов и устройств в настоящее время имеет моментный электропривод, реализуемый на основе бесконтактных индукторных моментных двигателей с электромагнитной редукцией частоты вращения ротора и возбуждением от высококоэрцитивных постоянных магнитов (БМД). Эффективность моментного привода определяется уровнем достигнутых пусковых и вращающих моментов в требуемом массогабаритном объёме БМД при минимизации подводимой к нему электрической мощности и соответственно тепловыделения с одновременным обеспечением заданных рабочих частот вращения ротора и выполнением малого значения электромагнитной постоянной времени. При этом достижение оптимального соотношения указанных характеристик БМД должно сочетаться с требуемым сроком его службы.

На рубеже 1980 - 1990-х годов бурное развитие электронных коммутаторов (контроллеров), используемых для управления низкоскоростными вентильными двигателями создало условия для широкого развития низкоскоростных вентильных двигателей различных по принципиально-конструктивному и технологическому построению [3, 11, 13, 25, 35, 42, 50, 54, 55, 60].

В отечественном приборостроении для большинства вариантов БСС унифицировать низкоскоростные вентильные двигатели явилась разработка и постановка на производство двигателя типа ДБМ [2, 3, 4, 11]. В ряду ДБМ имеются различные модификации по количеству и числу обмоток, что в зависимости от схемы управления (подключение обмоток к контроллеру) обеспечивает большую гибкость в формировании управляемого электропривода. Имеются модификации ДБМ с зубчатыми и с беспазовыми статорами. На поверхности роторов устанавливаются высококоэрцитивные постоянные магниты. К достоинствам ДБМ следует отнести возможность многократной фор-сировки электромагнитного момента и малые значения электромагнитной постоянной времени. Основным недостатком двигателей типа ДБМ является большая потребляемая электрическая мощность на единицу развиваемого вращающего момента в данном массогабаритном объеме. Следует отметить, что подобное принципиально-конструктивное построение двигателей широко используется и в ведущих зарубежных компаниях [61-63].

Попыткой создания более эффективных низкоскоростных вентильных двигателей было использование двигателей с эффектом электромагнитной редукции. Таким двигателем явился моментный двигатель типа БМДР [11, 41], который был реализован в ряде модификаций. Принципиальное и конструктивное построение БМДР являлось своего рода антиподом ДБМ в части значительно меньших затрат электрической мощности на единицу вращающего момента, но при этом не удалось получить его высокого значения в сопоставимом массогабаритном объеме, что снижает преимущества БМДР перед ДБМ особенно при их применении в малогабаритных приборах. Удалось реализовать только очень низкие частоты вращения ротора БМДР из-за необходимости получения высоких значений коэффициента электромагнитной редукции частоты вращения ротора, равных 64, 77, 79, 180 для достижения высоких значений вращающего момента. Последнее существенно сузило динамические возможности приборов и устройств, при применении БМДР.

Однако наличие явных преимуществ БМДР, а именно: низкое энергопотребление и соответственно тепловыделение на единицу вращающего момента; на порядок меньший объем используемых ВПМ, чем в ДБМ, и реализация малогабаритных контроллеров для управления БМДР - позволили в ряде приборов достичь высоких тактико-технических характеристик.

Дальнейшее развитие низкоскоростных вентильных двигателей получило в разработке двигателей типа МД. В качестве базового построения была принята схема МД с радиально-аксиальным распределением магнитного потока [40, 42, 46, 48, 49]. Такое выполнение МД позволило получить в сопоставимых массогабаритных объемах рабочие вращающие моменты, превосходящие имеющиеся в ДБМ, при более низком энергопотреблении, свойственном БМДР. При этом МД обеспечивают значительно больший диапазон рабочих частот вращения ротора, чем в БМДР, но гораздо меньший, чем в ДБМ, и 1,5-2-кратную форсировку по моменту по аналогии с ДБМ.

Двигатели, имеющие сходное конструктивное исполнение с МД, но в двухфазном варианте выпускались фирмой Сошрито1ог (США) [И].

Однако рабочие процессы в БМД изучены недостаточно полно и требуются уточнения его физической и математической моделей, разработки методик расчета и выработки рекомендаций по проектированию. Поэтому весьма актуальной является задача проведения исследований и совершенствования конструкций БМД в направлении повышения их функциональных и энергетических характеристик и их взаимосвязанной оптимизации для высокоточных и долговечных судовых автоматических устройств.

Цельюработы являются теоретические и экспериментальные исследования, направленные на разработку уточненных физической и математической моделей БМД, методик его расчета, выработку рекомендаций по проектированию и наиболее рациональному конструктивно-технологическому построению, обеспечивающих повышение функциональных (пусковой момент, частота вращения), энергетических (потребляемая электрическая мощность, тепловыделение) и эксплуатационных (механическая прочность конструктивных элементов) показателей БМД.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Уточненная схема замещения магнитной цепи БМД, более полно учитывающие влияние магнитных потоков рассеяния.

2. Аналитические зависимости, определяющие влияние отклонения угла разворота магнитопроводов ротора от расчетного на пусковой момент.

3. Методика определения электромагнитных нагрузок при расчете пусковой характеристики БМД, позволяющая существенно снизить потребляемую мощность при незначительном снижении пускового момента.

4. Аналитические выражения по расчету температуры в пазу статора БМД по слоям обмотки и рекомендации по выбору числа проводников в пазу при проведении теплового расчета.

Заключение диссертации по теме «Электромеханика и электрические аппараты», Оськин, Артемий Борисович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Уточнены физическая и математическая модели БМД, более полно учтены магнитные потоки рассеяния, что позволило с большей точностью определять величину магнитного потока, участвующего в создании вращающего момента.

2. Предложена математическая модель БМД, которая позволяет выполнить расчет функциональных, энергетических и эксплуатационных характеристик БМД. Экспериментально, показано отсутствие "реакции якоря" при таком конструктивном построении двигателя.

3. Получены аналитические выражения, позволяющие учесть насыщение магнитной цепи БМД и определить влияние этого фактора на его пусковой момент.

4. На основе математической модели предложена методика определе ния электромагнитных нагрузок при расчете пусковой характеристики мо-ментного двигателя, которая позволяет существенно снизить потребляемую мощность при незначительном снижении пускового момента. При уменьшении пускового момента относительно максимально возможного на 10%, потребляемая электрическая мощность снижается на 40%.

5. Предложена методика по определению механической прочности конструкции БМД, учитывающая влияние различных внешних факторов, действующих на БМД в процессе эксплуатации.

6. На основе проведенных исследований по влиянию технологических факторов (наличия магнитной проницаемости у втулки ротора и отклонения угла разворота магнитопроводов ротора относительно расчетного), получены аналитические выражения, определяющие снижение пусковых моментов, а также оценки их пульсаций. Показано, что при числе электромагнитной редукции 64, уменьшение пускового момента на 5%, происходит при угле, определяющем точность установки магнитопроводов, равным 0,56 град.

7. На основе тепловой схемы замещения разработана методика теплового расчета БМД и выполнена проверка ее адекватности численным модели' рованием методом конечных элементов. Анализ расчетных результатов и экспериментально полученных данных, показал адекватность предложенных тепловых моделей.

8. Даны рекомендации по выбору числа проводников в пазу при расчете температуры обмотки методом конечных элементов в программном комплексе ELCUT.

9. Получены аналитические выражения для определения температуры в любом из слоев обмотки и в центре паза БМД.

10. Выработаны рекомендации по проектированию активных зон статора и ротора БМД. Предлагается, первоначально, определять площадь паза под обмотку, исходя из необходимых энергетических показателей, а затем уточнять ее, в привязке с геометрией статора и ротора.

11. Выполнена экспериментальная проверка теоретических выводов и результатов на производственных образцах типо-ряда БМД. Показано, что сходимость расчетных и экспериментальных результатов при определении пусковых, механических и тепловых характеристик находится в пределах 15%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Оськин, Артемий Борисович, 2005 год

1. Азов А.К., Угаров C.B., Щербаков В.Н. Управление бесконтактными мо-ментными двигателями постоянного тока в следящих системах и пути миниатюризации усилителей коммутаторов. JL: ЦНИИ "Румб", 1982. - 84 с.

2. Антонов Ю.В., A.B. Буреев, A.A. Гориловский и др. Цифровой привод на основе двигателя с электромагнитной редукцией. / Серия Технические средства автоматизации. - Л.: Общество "Знание" РСФСР, JIO, ЛДНТП. -1990.-28 с.

3. Беленький Ю.М., Зеленков Г.С., Микеров А.Г. Опыт разработки и применения бесконтактных моментных приводов. / Сер. "Механизация и автоматизация производственных процессов". Л.: ЛДНТП, Общество "Знание", 1987.-28 с.

4. Беленький Ю.М., Зеленков Г.С., Микеров А.Г. Бесконтактный моментныйпривод (Технико-экономическая информация). ". - Л.: ЛДНТП, Общество "Знание", 1990.-28 с.

5. Борисенко А.И., Данько В.Г., Яковлев А.И. Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах. М.: Энергия. 1974. 560 с.

6. Буль Б.К. Основы теории и расчета магнитных цепей. Л.: Энергия, 1964. -464 с.

7. Виноградов Н.В., Горяинов Ф.А., Сергеев П.С. Проектирование электрических машин. М.: Государственное энергетическое издательство, 1956. -504 с.

8. Вольдек А.И. Электрические машины. Изд. 2-е. Л.: Энергия. 1974. 840 с.

9. Гольдберг О.Д., Турин Я.С., Свириденко И.С.Проектирование электрических машин. М.: Высшая школа. - 2001. - 430 с.

10. Ю. Гузенков П.Г Детали машин. Учебное пособие для студентов втузов.-М.: Высшая школа, 1982.- 351 с.

11. Демагин A.B. Электрические машины для непосредственного приводаприборных систем. Л.: НПО "Азимут". 1991. - 80 с.

12. Дульнев Г.Н., Семяшкин Э.М. Теплообмен в радиоэлектронных аппаратах. JI.: Энергия. - 1968. - 360.

13. Каасик П.Ю. Тихоходные безредукторные микроэлектродвигатели. JL: Энергия, 1974.-196 с.

14. Каасик П.Ю. Магнитное поле и параметры электрических машин./ Учебное пособие. ЛЭТИ, 1981. - 68 с.

15. Кацман М.М., Юферов Ф.И. Электрические машины автоматических систем. М.: Высшая школа, 1979. - 261 с.

16. Лопухина Е.М., Семенчуков Г.А. Проектирование синхронных микродвигателей с применением ЭВМ. М.: Высшая школа. 1980. 359 с.

17. Михалев A.C., Миловзоров В.П. Следящие системы с бесконтактными двигателями постоянного тока. М.: Энергия, 1979. - 158 с.

18. Нейман Л.Р. Поверхностный эффект в ферромагнитных телах. Л.: Госу-I дарственное энергетическое издательство. 1949. - 190 с.

19. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. М.: Высшая шкокла. 2002.- 758 с.

20. Овчинников И.Е., Лебедев H.H. Бесконтактные двигатели постоянного тока. Л.: Наука, 1979. - 268 с.

21. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории колебаний и удара. Изд. 3-е доп. и перераб. Л.: Машиностроение. 1976. - 320 с.

22. Печкуров М.И. Шаговые двигатели и их применение в цифровых следящих системах. Л.: ЦНИИ "Румб", 1978. - 55 с.

23. Сливинская А.Г. Электромагниты и постоянные магниты. Учебное пособие для студентов вузов. М.: Энергия. 1972. - 248 с.

24. Столов Л.И., Афанасьев А.Ю. Моментные двигатели постоянного тока. -М.: Энергоатомиздат. 1989. - 196 с.

25. Столов Л.И., Зыков Б.Н., Афанасьев А.Ю., Галеев Ш.С. Авиационные моментные двигатели. -М.: Машиностроение, 1979. 163 с.

26. Филиппов И.Ф. Теплообмен в электрических машинах. Л.: Энергоатомиздат, 1986.-256 с.

27. Хрущев B.B. Электрические микромашины автоматических устройств. -Л.: Энергия, 1976.-384 с.

28. Чернин И.М., Кузьмин A.B., Ицкович Г.М. Расчеты деталей машин. -Минск: Вышэйш. школа. 1974. - 592 с.

29. Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств. Учебник для вузов. М.: Высш. школа, 1976. - 416 с.

30. Детали машин: Учеб. для вузов / JI.A. Андриенко, Б.А. Байков, И.К. Гану-лич и др.; под редак. O.A. Ряховского. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 544 с.

31. Проектирование электрических машин: Учеб. пособие для вузов / И.П. Копылов, Ф.А. Горяинов, Б.К. Клоков и др.; под ред. И.П. Копылова. М.: Энергия, 1980.-496 с.

32. Сопротивление материалов. Учебник для вузов / Под ред. Г.С. Писаренко.- 4-е изд., перераб. и доп. Киев.: Вища школа, 1979, 694 с.

33. Электрические машины. В 2 т. Т.1. Расчетные элементы общего назначения. Машины постоянного тока. Учебное пособие для энергетических втузов / Рихтер Р. JL: Главная редакция энергетической литературы, 1935.-598 с.

34. Андриенко П.Д., Жуловян В.В. Электроприводы с двигателями с электромагнитной редукцией. // Электротехника. 1991. №11. с.23-25.

35. Беленький Ю.М., Хоменко О.В., Шишкина Т.В. Исследование моментных двигателей с многополюсной магнитной системой ротора с тангенциально-радиальным намагничиванием // Электротехника. 1989. №10. - С.6-9.

36. Голландцев Ю.А. Пульсации пускового момента вентильного индукторно-реактивного двигателя // Электричество. 2003. - №6. - С.37-42.

37. Епифанов O.K. Современный ряд высокомоментных двигателей для без-редукторных следящих систем: результаты разработки и производства. //Электротехника.-2005.-№2- С.36-48.

38. Епифанов O.K., Салова И.А., Хрущев В.В. Анализ и расчет магнитной проводимости воздушного зазора в бесконтактных моментных двигателяхмодульного типа с электромагнитной редукцией частоты вращения. //Электрофорум. 2003. - №6 . - С.8-14.

39. Епифанов O.K., Салова И.А., Хрущев В.В. Трехфазные бесконтактные индукторные двигатели с подмагничиванием постоянным магнитным полем. //Электротехника. -2005 -№1-С.21-32.

40. Епифанов O.K. Управляемые двигатели и высокоточные преобразователи угла для следящих систем //Судостроительная промышленность. Сер. "Навигация и гироскопия". 1992. - Вып.4. - С.21-34.

41. Епифанов O.K., Смоликова М.В. Бесконтактный моментный двигатель постоянного тока модульного типа с электромагнитной редукцией частоты вращения для безредукторных систем // Гироскопия и навигация. 1997. -№1(16).-с. 34-41.

42. Епифанов O.K., Оськин А.Б. Оптимизация нагрузочной способности и параметров надежности электромеханических устройств с повышенным напряжением питания. //Электрофорум. 2002. - N 4. - С.9-12.

43. Епифанов O.K., Оськин А.Б. Определение теплового состояния бесконтактного моментного двигателя. / Сб. материалов 3-го международного-> симпозиума "Аэрокосмические приборные технологии". СПб.: - 2004. 1. С.159-163.

44. Жуловян В.В., Шевченко А.Ф. Сравнительный анализ двигателей с электромагнитной редукцией частоты вращения и двигателей с катящимся ротором. // Электротехника. 1998. - №4. - с.1-4.

45. Калужский Д.Л. Электрические машины с дискретно-распределенными обмотками для низкоскоростных электроприводов // Электротехника. 1997. №9. С.10-13.

46. Короткое Г.С., Емешев А. М., Кириллов С.В. Разработка отрезка серии вентильных электродвигателей с редкоземельными магнитами // Электротехника. 1989. -№11.- С.65-67.

47. Красовский А.Б., Бычков М.Г. Исследование пульсаций момента в вен-тильно-индукторном электроприводе // Электричество. 2001. - №10. -С.33-43.

48. Нестерин В.А., Жуков В.П., Тойдеряков A.A. Освоение новых изделийг электромеханики на основе высокоэнергетических постоянных магнитов

49. Электротехника.-2001. -№11. С. 19-21.

50. Оськин А.Б., Хрущев В.В. Оценка механической прочности элементов -конструкции моментных двигателей постоянного тока модульного типа.

51. Материалы 2-ой конференции молодых ученых. "Навигация и управление движением". СПб.: ГНЦ РФ-ЦНИИ "Электроприбор" Академия навигации и управления движением. - 2001. - С.225-230.

52. Поздеев А.Д., Макурин B.C., Кондриков A.M. Состояние и перспективы развития электроприводов для станков и промышленных роботов // Электротехника. 1988. - №2. - С.2-4.

53. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука. - 1974.58. .ГОСТ РВ 51816.0-2001 "Машины электрические малой мощности. Общие технические условия".

54. ELCUT. Комплект программ моделирования двухмерных полей методом конечных элементов. Версия 4.2 /Руководство пользователя. СПб.: НПКt "Тор".-2000. 130 с.

55. Konik В. Taking into account the discreteness of the active zone in electric ma4chines. "Gutenberg". 2002.-240 p.

56. Brushless D.C. Motors and Servo Amplifiers. INLAND MOTOR. KOLLMORGEN CORPORATION. Printed in the USA, 1996.-125 p.

57. ROTARY COMPONENTS; Catalog No.T12-1214N8; Tamagawa Seiki Co. 1985. -32 p.

58. ANALOG COMPONENTS; FSCMNO. 86197; Litton Systems,Inc.CLIFTON PRECISION. Printed in the USA, 1982.-45 p.r125