Создание уточненной методики теплового расчета бесконтактного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат наук Акимов Сергей Сергеевич

• Акимов Сергей Сергеевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Акимов Сергей Сергеевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 Аналитический обзор, объекты и задачи исследования

1.1 Общая характеристика, классификация и задачи теоретического исследования бесконтактных двигателей с возбуждением от 11 высококоэрцитивных магнитов

1.2 Тепловой расчёт электрических машин: основы теории, отраслевые методики расчёта, модели и программное обес-

27

печение на основе численных методов расчёта

1.3 Выводы и постановка задачи

2 Методы расчета теплообмена в БДПМ

2.1 Детализированные тепловые схемы замещения БДПМ

2.2. Моделирование тепловых процессов на основе теории цепей

2.3 Основные результаты моделирования теплового поля на основе

теории цепей

3 Анализ теплового поля образцов БДПМ1 и БДПМ 2 методом

конечных элементов

3.1 Средства ПО для тепловых расчётов МКЭ

3.2 Тепловой анализ различных конструкций БДПМ

методом конечных элементов

3.2.1 Принятые допущения и граничные условия

3.2.2 Тепловой анализ различных конструкций БДПМ

3.2.3 Переменные граничные условия

3.2.4. Анализ результатов и выводы

4 Экспериментальный анализ теплового поля бесконтактных 118 двигателей на постоянных магнитах

4.1 Экспериментальный анализ теплового поля макетных

Образцов различных конструкций БДПМ

4.2 Выводы и рекомендации по проектированию 140 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 144 Список литературы 148 ПРИЛОЖЕНИЕ 1 159 ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Создание уточненной методики теплового расчета бесконтактного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов»

Актуальность темы.

Бесконтактные двигатели малой мощности с возбуждением от постоянных магнитов далее БДПМ имеют ряд достоинств, среди которых наиболее важными являются следующие: высокий ресурс работы; отсутствие жёстких ограничений по максимальному уровню напряжения питания, что позволяет снизить плотность тока и уровень электрических потерь, также отсутствие коллектора обеспечивает уменьшение габарита и снижение уровня электрических потерь; более широкий диапазон регулирования скорости под нагрузкой в том числе за счёт обеспечения возможности работы в нижней его части.

В настоящее время одной из проблем в электромеханике является точность оценки и расчётов электрических машин на нагрев и тепловыделение. Причем данную задачу необходимо решать без значительных временных затрат, особенно на начальном этапе.

В ходе проектирования БДПМ малой мощности важно достаточно точно учесть тепловые процессы. Эти двигатели характеризуются высокими магнитными и электрическими нагрузками, что автоматически предполагает большие тепловые нагрузки, которые существенно влияют на все характеристики БДПМ, в том числе на его работоспособность. Именно уровень тепловых нагрузок определяет предельное воздействие на изоляцию проводов обмоток, материал постоянных магнитов, подшипниковые узлы, а также прочие зоны, ограничивая ресурс работы двигателя. Оценка теплового поля позволяет внести необходимые изменения параметров БДПМ, находящегося на этапе проектирования для оптимизации его конструкции с требуемыми выходными характеристиками, условиями и продолжительностью работы. Довольно часто встречаются случаи, когда продолжительность работы изделия составляет минуты или даже секунды, за которые температуры составных частей не смогут достигнуть критических значений. В таком случае изделие может обеспечивать завышенные выходные показатели, работая с увеличенными перегрузками, которые сопровождаются обильным нагревом. Но для этого необходим

тщательный анализ теплового режима изделия, учитывающий алгоритм и условия его работы, связанные с тепловыми нагрузками.

Анализ существующих методов расчета (оценки) температурных полей БДПМ, а также прочих электротехнических изделия, выявил наличие различных способов теплового расчета методом теории цепей и численным методом, показавшим необходимую точность. Для достижения наибольшего эффекта необходимо учитывать как можно больше факторов, способствующих нагреву/остыванию, и рассматривать в динамике тепловое поле БДПМ. При этом следует совместно использовать вышеупомянутые методики: с целью выявления нежизнеспособных вариантов целесообразно использовать метод теории цепей, для более детального рассмотрения механизма теплопередачи применять численные методы расчета.

Все изложенное определяет значительный практический и научный интерес к изучению тепловых процессов БДПМ и актуальность работы, связанной с созданием специализированной методики расчета теплового поля машины с целью выявления на этапах проектирования проблемных мест в конструкции, возникающих при работе машины.

Диссертационная работа выполнялась в рамках одного из приоритетных научных направлений: Постановление Правительства РФ от 15.04.2014 N 301 "Об утверждении государственной программы Российской Федерации "Развитие науки и технологий" на 2013 - 2020 годы"

Цель и задачи работы

Целью диссертации является создание уточнённой методики расчета теплового поля на основе теории цепей и методом конечных элементов 3Б -моделей БДПМ.

Для достижения указанной цели в работе требуется решить следующие задачи:

1. Выполнить обзор современного состояния теории расчёта и моделирования тепловых процессов в электрических машинах.

2. Разработать методику теплового расчета БДПМ на основе теории цепей,

учитывающую распространение тепловых потоков в трехмерном пространстве.

5

3. Разработать математическую модель БДПМ, позволяющую в течение кратчайшего времени получать результаты, изменяя входные воздействия, размеры и свойства элементов конструкции БДПМ, при этом процессы ввода, редактирования исходных данных и оценки результатов должны занимать короткое время и не требовать от разработчика навыков владения используемой программной средой.

4. Выполнить оптимизацию алгоритмов расчета. Выработать и обосновать рекомендации в части выбора параметров БДПМ.

5. Получить структуры трёхмерных моделей теплового расчёта БДПМ методом конечных элементов. На основе 3D - моделей выполнить анализ температурного поля БДПМ, получить уточнённую методику теплового расчёта.

6. Сравнить полученные результаты расчета по методике на основе теории цепей и с результатами, полученными методом конечных элементов. По результатам сравнительной оценки продолжить работу на предмет совершенствования уточнённой методики и её экспериментальной проверки.

Методы исследования.

При решении поставленных задач в диссертационной работе использовались методы теории цепей и метод конечных элементов. При решении вычислительных задач использовались пакеты программ MathCad, Matlab, КОМПАС, Autodesk Simulation Multiphisics. Экспериментальные исследования теплового поля БДПМ проводились на специально собранном стенде.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработана методика теплового расчета БДПМ отличающаяся тем, что в ней на начальном этапе проектирования тепловое поле рассматривается на основе теории цепей с использованием локальных выделенных слоев. На последующих этапах расчёта используются тепловые модели, полученные на основе метода конечных элементов, который позволяет получить наглядные картины распределения поля температуры, в том числе в виде градиента его изменения в пределах различных сечений рассматриваемых физических объектов.

2. Разработана математическая тепловая модель на базе тепловой схемы замещения БДПМ для аналитического рассмотрения его температурного поля. Тепловая модель не требует расчета ее составляющих для различных геометрических размеров и тепловых параметров. Достаточно ввести конструктивные (диаметральные и линейные размеры, число и размеры пазов, кол-во витков и т.д.) теплофизические (коэффициент теплопроводности, теплоемкость элементов конструкции, коэффициент излучения и т. д.) параметры в соответствующие блоки-элементы математической модели.

Для обеспечения более точного результата и устранение итерационных приближений на границах выхода/входа теплового потока из/в окружающую среду, где температурная зависимость значительно влияет на конечный результат, введена обратная связь по температуре теплоотдающих поверхностей, а также введена зависимость активного сопротивления обмоток от их температуры. Введение обратных связей по температуре позволяет проводить нелинейный тепловой анализ и избежать итерационных приближений.

Математическая модель дает возможность ввести корректировки в плане дополнительного ввода зависимости теплофизических свойств материала(ов) от температуры в случае значительного влияния данного фактора на результат расчета. Возможен ввод дополнительных граничных условий, что повлечет незначительное изменение в математической модели.

3. Разработана структура новых информационных моделей для расчета тепловых процессов в БДПМ на основе 3Б модели методом КЭ. В данных моделях дается аналитическое описание механизма теплообмена между конструктивными частями БДПМ и окружающей средой. Данное описание учитывается в формировании граничных условий моделей.

4. На основании теоретических и экспериментальных исследований макетных образцов получены наглядные картины распределения температур, благодаря которым разработаны рекомендации по проектированию БДПМ.

Практическая значимость работы.

1. Разработанная методика предоставляет разработчику возможность оценить температуры конструктивных частей на начальной стадии проектирования типовой конструкции БДПМ, вводя конструктивные и теплофизические параметры и задавая граничные условия аналитически в виде размеров, коэффициентов и математические зависимости параметров (ток в обмотках, скорость вращения вала, частота перемагничивания статорного железа), определяющих мощности тепловых потерь. Тепловой расчет согласно разработанной методике не занимает временных ресурсов, за исключением времени ввода данных.

2. Исключены итерационные приближения и значительно снижены расхождения в результатах благодаря обратным связям по температурам.

3. Разработано аналитическое описание механизма теплообмена БДПМ и окружающей средой, которое учитывается в формировании граничных условий для анализа численным методом.

4. На основании экспериментальных и теоретических результатов разработаны рекомендации по проектированию БДПМ с учетом условий работы и выбору соотношения конструктивных параметров.

5. Использование предложенного подхода к проектированию экономически и технологически оправдано в первую очередь в ходе НИОКР, так как позволяет решить задачу без создания опытных образцов и доработок, сокращает затраты времени и затраты на технологическую оснастку.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Обзор и анализ существующих методик и способов теплового расчета БДПМ.

2. Теория метода теплового расчета на базе локальных выделенных слоев.

3. Математические модели на базе метода теории цепей и результаты их анализов.

4. Моделирование теплового поля методом конечных элементов БДПМ и его результаты.

5. Результаты экспериментальных исследований.

6. Рекомендации по проектированию БДПМ.

Реализация результатов работы.

Полученные теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы реализованы на предприятии ЗАО «НИИ механотронных технологий - Альфа - научный центр», г. Воронеж при разработке БДПМ для электропривода рулевого механизма, а также ЗАО «Орбита» г. Воронеж при проектировании рулевого электропривода.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

Основные положения диссертации рассматривались на Международной научной конференции «Информационные технологии в связи, вычислительной технике и энергетике» (Воронеж-2010); региональной научно-технической конференции «Автоматизация и роботизация технологических процессов» (Воронеж 2009); опубликована монография в международном иностранном издательском доме LAMBERT Academic Publishing; на международная научно-практической конференции «Актуальные проблемы в современной науке и пути их решения» (Москва 2016).

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 12 работ, в том числе 2 в списке изданий, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и содержит 144 страницы основного машинописного текста, 83 рисунка, 15 таблиц, список литературы из 142 наименований. Общий объем работы составляет 160 страниц.

Краткое содержание работы.

Во введении обоснована актуальность тематики, определена основная цель диссертации, сформулированы новизна, основные положения, представляемые к защите и практическая ценность научных результатов.

В первой главе дана классификация БДПМ по конструктивным признакам и задачи теоретического исследования бесконтактных двигателей c возбуждением от

высококоэрцитивных магнитов, проведен анализ существующих методик и способов теплового расчета.

Дано обоснование необходимости проведения тепловых расчетов и подчеркнуто влияние их результатов на дальнейшее проектирование изделия. Дано описание тепловых процессов в дифференциальной записи. Приведены примеры программных продуктов для расчета численным методом.

Рассмотрены особенности постановки задачи расчета тепловых полей БДПМ и других электротехнических изделий. Сделаны выводы и определены задачи для работы.

Во второй главе рассмотрен механизм теплопередачи на примере конструкции БДПМ на основе теории цепей и приняты допущения, предоставляющие необходимую точность при расчетах. Приведены выражения, позволяющие представить конструкцию БДПМ в виде тепловых сопротивлений, образующих расчетную тепловую детализированную схему замещения. Реализованы тепловые математические модели двух конструкций БДПМ согласно разработанной методике; одна из моделей является параметрической - ввод входных параметров типовой конструкции (см. п. 1 практической значимости работы) и мгновенное получение результатов.

В третьей главе дано описание численного метода и практического применения его к проведению расчетов; произведен обзор и возможности расчетных программ, работающих на базе численного моделирования.

Проведен анализ численным методом двух образцов БДПМ (методом конечных элементов - МКЭ) и сравнен с результатами математического моделирования. Приведены допущения и граничные условия, применяемые в моделировании. Дана наглядная картина тепловых полей электрических машин.

В четвертой главе приведены методика и программа экспериментальных исследований. Выполнен сравнительный анализ результатов экспериментов, математического моделирования и анализа методом МКЭ. Даются научно обоснованные рекомендации по проектированию БДПМ.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в

диссертации, и возможные перспективы для дальнейшей работы.

10

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР, ОБЪЕКТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Общая характеристика, классификация и задачи теоретического исследования бесконтактных двигателей c возбуждением от высококоэрцитивных магнитов.

Одним из радикальных путей повышения надежности, расширения функциональных возможностей и улучшения общих характеристик электрических машин является отказ от использования щеточных электрических контактов и переход к бесконтактным электрическим машинам (БЭМ). [10]

Справедливость этого положения подтверждается следующими соображениями:

- во-первых, по имеющимся статистическим данным щеточный контакт при нормальных условиях работы наряду с изоляцией и подшипниковыми узлами вызывает наибольшее число отказов в работе электрических машин;

- во-вторых, при жёстких воздействиях окружающей среды щеточный контакт резко ухудшает свою работу, либо вообще становится неработоспособным (с ростом высоты понижается электрическая прочность воздуха, поэтому на высоте резко возрастает искрение в контакте, которое способствует его повышенному износу; кроме того, с ростом высоты уменьшаются влажность воздуха и его плотность, что лишает контакт естественной «смазки» и также вызывает быстрый механический износ контакта, поэтому использование щеточного контакта при высотах более (18^20)км практически невозможно; наличие щеточного контакта недопустимо в присутствии воспламеняющихся газов или паров; щёточный контакт выхолдит из строя при вибрационных нагрузках и т.п.);

- в-третьих, щеточный контакт существенно ограничивает допустимую скорость ротора электрической машины (предельные линейные скорости не превышают (80^100) м/с);

- в-четвертых, щеточный контакт создает дополнительные электрические и механические потери, а также является источником акустических шумов и электромагнитных помех.

- в пятых, щеточный контакт усложняет обслуживание машины, загрязняет внутренние полости машины графитовой пылью, снижающей электрическую прочность изоляции, препятствует использованию в машине высокоэффективного струйного жидкостного охлаждения, ухудшает стабильность параметров машины и т.п.

Особое значение имеет разработка БЭМ для автономно функционирующих систем, где перечисленные выше недостатки щеточного контакта проявляются особенно резко. В этой связи создание высокоэффективных БЭМ - одна из наиболее актуальных задач, выдвигаемых перед специалистами в области энергетики летательных аппаратов, судовых и транспортных установок. Существенную роль БЭМ призваны сыграть в химической технологии, медицине, робототехнике и других важных областях, где применяются высокоиспользуемые электромеханические преобразователи, а также существуют требования повышенной надежности работы.

Классификация БЭМ показана на рисунке 1.1

Рисунок 1.1 - Классификация БЭМ

Несмотря на многообразие БЭМ, большинство из них, как правило, основано на физических процессах, в той или иной мере присущих синхронной или асинхронной машине.

Среди сравнительно новых типов электродвигателей важное место занимают бесконтактные двигатели, в которых коммутация обмоток осуществляется полупроводниковыми ключами по сигналам датчика положения ротора, род возбуждения - магнитоэлектрическое от расположенных на роторе высококоэрцитивных постоянных магнитов. Такие машины называются бесконтактными двигателями с возбуждением от постоянных магнитов (БДПМ) или вентильными. По сравнению с коллекторными и асинхронными машинами БДПМ имеют ряд существенных преимуществ:

— возможность работы на малых оборотах;

— высокие регулировочные свойства, в частности при соответствующем законе управления их используют как шаговые двигатели, при этом момент на валу в 3^5 раз больше, чем у шаговых при той же массе и габаритах;

— повышенная перегрузочная способность;

— высокие динамические характеристики;

— высокая надежность, повышенный ресурс работы;

— высокие удельные энергетические показатели (отсутствие потерь на возбуждение за счёт применения постоянных редкоземельных магнитов).

Непрерывное возрастание роли БДПМ объясняется быстрым развитием полупроводниковой техники и технологии производства постоянных магнитов, т.е. тех составляющих, сочетание которых обеспечивает высокие ресурс работы, энергетические и динамические показатели, широкие функциональные возможности и технологичность конструкции. Кроме того, рост достижений в области создания новых магнитотвердых материалов, а также в области промышленного освоения новых силовых полупроводниковых элементов и систем управления с использованием микропроцессоров способствует дальнейшему совершенствованию этих машин в части конструктивного исполнения, повышения удельных показателей, увеличения надежности и срока службы.

БДПМ содержит три основных функциональных элемента:

— синхронный двигатель с постоянными магнитами на роторе;

— управляемый коммутатор, выполненный на вентилях, осуществляющий коммутацию тока в обмотке статора;

— датчик положения ротора двигателя относительно фаз обмотки, определяющий интервал времени и последовательность коммутации фаз обмотки.

Бесконтактные двигатели с постоянными магнитами на роторе получили наиболее интенсивное развитие в 90-е годы прошлого века. Эта же тенденция в развитии, вероятно, сохранится и в ближайшие десятилетия. Предпосылками для такого вывода являются следующие обстоятельства. Во-первых, наиболее энергоемкими машинами (за исключением машин с применением криогенной техники) в настоящее время являются машины с постоянными магнитами. Во -вторых, мощность вновь разрабатываемых двигателей постоянно возрастает, что влечет за собой постановку новых задач как в области теории, так и в области проектирования БДПМ. Однако главные перспективы роста интереса к БДПМ исследователей, разработчиков и производственников следует, очевидно, связывать с появлением новых магнитотвердых материалов со сравнительно низкой стоимостью, которые имели бы высокие удельные энергетические показатели. В настоящее время отечественной промышленностью серийно выпускаются БДПМ с встроенными датчиками положения ротора и температуры следующих серий: ДВД (таблица 1.1) [106], ДВМ производства КБ мехатроники, г. Златоуст Челябинской области (таблица 1.2), 5ДВМ и 6 ДВМ [107] производства ОАО «Чебоксарский электроаппаратный завод» (таблица 1.3).

Тип двигателя ДВД - 1 - 120 ДВД - 3,5 - 155 ДВД - 5 - 180

Номинальный длительный момент, Н-м 1,0 3,5 5,0

Наружный диаметр, мм 120 155 180

Осевая длина, мм 50 80 80

Удельный момент, Н-м/кг 0,76 1,0 1,2

Таблица 1.2 Двигатели серии ДВМ

Тип двигателя ДВМ - 100 ДВМ - 150 ДВМ - 200

Номинальный длительный момент, Н-м 2,5 8,0 20

Наружный диаметр, мм 107 148 220

Осевая длина, мм 56 56 65

Удельный момент, Н-м/кг 2,5 8,5 8,0

Таблица 1.3 Двигатели серии 5 ДВМ

Параметр 5ДВМ85 5ДВМ115

А S M L А S M L

Длительный момент, Н-м 0,23 0,47 0,7 1,3 2,3 3,5 4,7 7,0

Частота вращения, об/мин. 2000;3000; 4000; 6000

Продолжение таблицы 1.3

Параметр 5ДВМ85 5ДВМ115

А S M L А S M L

Длина без тормоза, мм 168 178 198 218 262 282 302 342

Длина с преобразователем угловых перемещений без тормоза, мм 270 280 300 320 362 382 402 442

Масса без тормоза/с тормозом, кг 2,15 2,65 2,45 2,95 3,05 3,55 3,75 4,25 6,6 6,95 7,65 8,0 8,7 9,05 10,8 11,15

Момент инерции ротора без тормоза/с тормозом, кг-см2 0,56 1,17 0,76 1,36 1,1 1,7 1,5 2,1 3,74 5,46 4,7 6,4 5,64 7,40 7,5 9,3

Анализ технологического производства отечественных БДПМ показывает общность в подходе к проектированию таких изделий, что наиболее характерно выражается в приведенных ниже факторах:

- обеспечение высоких тягово-энергетических показателей зависит от формы результирующего магнитного поля в воздушном зазоре, при этом БДПМ мощностью от единиц киловатт выпускаются с распределённой трёхфазной якорной обмоткой статора;

- применение на роторе высококоэрцитивных постоянных магнитов из сплавов с редкоземельными элементами: «неодим-железобор» (Nd-Fe-B, например, №-30) или «самарий-кобальт» ^тСо5). Магниты такого класса обладают высокими характеристиками: коэрцитивная сила не менее 850 кА/м, остаточная индукция не менее 1,05 Тл. Это, в свою очередь, позволяет получить больший магнитный поток в рабочем зазоре машины, уменьшить габариты и массу активной части двигателя;

- технологическое единство статоров БДПМ и информационного канала;

— применение подшипниковых опор с оптимизированными коэффициентами нагрузок, обеспечивающими необходимый качественный запас по уровню гарантированной наработки и диапазону регулирования частоты вращения ротора;

— возможности прецизионной сборки с минимальными допусками и обеспечением необходимой селективности сопрягаемых поверхностей деталей и узлов;

— наращивание функциональной совместимости БДПМ с устройствами различного назначения (датчиком положения ротора, электромагнитной муфтой-тормозом, электровентилятором).

Одним из проявлений общемировой тенденции развития производства высокотехнологичной электротехнической продукции являются определенные успехи в области создания нового поколения регулируемых электроприводов с использованием вентильных электродвигателей.

Выпуск таких электроприводов осваивают в настоящее время практически все ведущие электротехнические компании. Предложение на рынке вентильных электродвигателей характеризуется широким мощностным диапазоном — от единиц ватт до сотен киловатт, которые могут использоваться в самых различных отраслях промышленности, в том числе и аэрокосмической.

Вентильные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов SmCo5, Sm2Col7 и Nd-Fе-В в настоящее время остаются наиболее перспективными из всех типов электродвигателей, применяемых в современных регулируемых электроприводах малой и средней мощности [26]. Это объясняется целым рядом конструктивных и технико-эксплуатационных преимуществ двигателя по сравнению с существующими типами электрических машин, к числу которых можно отнести:

— бесконтактность и отсутствие узлов, требующих обслуживания. Отсутствие у вентильных электродвигателей скользящих электрических контактов существенно повышает их ресурс и надежность по сравнение с

электрическими двигателями постоянного тока или асинхронными двигателями с явно выраженной обмоткой на роторе;

— большая перегрузочная способность по моменту (кратковременно кратность максимального момента равна 5 и более);

— высокое быстродействие;

— наивысшие энергетические показатели (кпд и соs). Показатели кпд вентильных двигателей превышают 90% и очень мало меняются при изменении нагрузки двигателя по мощности и при колебаниях напряжения питающей сети, в то время как у асинхронных электродвигателей максимальный кпд составляет не более 86% и зависит от изменений нагрузки;

— минимальное значение токов холостого хода и рабочих токов, что позволяет достаточно точно измерять нагрузку на привод и оптимизировать режим работы;

— широкий диапазон регулирования частоты вращения (1:10000 и более);

— у вентильных двигателей более простая схема преобразователя по сравнению с асинхронным частотно регулируемым электроприводом;

— низкий перегрев вентильного электродвигателя увеличивает срок службы электропривода, поскольку увеличивается ресурс изоляционных материалов, работающих при более низких температурах. Этот же фактор позволяет электроприводу работать в нестандартных режимах с возможными перегрузками;

— минимальные массогабаритные показатели при прочих равных условиях;

— значительный срок службы (наработка на отказ составляет 10000 ч и более), надежность. Ресурс электродвигателя и всего агрегата увеличивается также за счет возможности оптимизации режимов работы по скорости и нагрузке.

Однако у вентильных двигателей есть и недостатки. До недавнего

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Акимов Сергей Сергеевич, 2017 год

■ источники тепла;

■ конвективный теплообмен;

■ теплообмен излучением.

Эти условия могут задаваться в узле, по линии и поверхности. Тепловыделение может быть объёмным [132]

Femap - это программная среда для решения задач инженерного анализа, позволяющая создавать конечно-элементные модели сложных изделий и систем, и анализировать полученные результаты. Femap дает возможность моделировать компоненты, узлы и системы и помогает четко представить картину поведения исследуемой конструкции.

Система Femap на базе решателя NX Nastran позволяет: проводить анализ динамики и прочности конструкций, машин и сооружений, получать решение нестационарных нелинейных пространственных задач, задач механики композитов и композитных структур, строительной и технологической механики, проводить анализ теплопереноса, получать решение задач механики жидкости и газа, связанных многодисциплинарных задач [133].

Численное моделирование базируется на умении создавать качественную КЭ-модель (рисунок 3.7), которая позволяет получить результат достаточной точности. Основа основ — это возможность создания качественной КЭ-сетки быстрым и удобным способом. КЭ-модель должна содержать сгущения в зонах концентрации напряжений, а степень детализации зависит от цели расчета.

Последняя версия Femap фокусируется именно на наборе инструментов для создания качественной КЭ-сетки. Добавлены как инструменты автоматического создания КЭ-сетки, так и интерактивные средства построения и редактирования КЭ-модели. Пользователям, редко применяющим компьютерное моделирование, неопытным пользователям или инженерам, создающим КЭ-сетки в автоматическом режиме, последние изменения в Femap позволят быстро получать результаты необходимой точности. Рабочие процессы в Femap стали более удобными и интуитивно понятными, что позволяет создавать КЭ-модели, соответствующие требованиям и проводимым расчетам. Для экспертов в области компьютерного анализа Femap предоставляет набор инструментов для создания, управления и редактирования самых сложных КЭ-сеток, а также прямого управления элементами и узлами. [48]

а) результаты анализа б) Создание КЭ сетки в Femap

Рисунок 3.7 - Анализ в Femap

Практически из всех перечисленных ПО для расчета численным методом способны применять результаты одного типа расчетов в качестве условий для другого. Например, результаты теплового расчета можно использовать в анализе на прочность, где учитываются тепловые нагрузки, вызывающие напряжения в материалах рассчитываемой конструкции. Также программы предоставляют возможность проводить расчеты различного рода: линейный и нелинейный (учитывать нелинейные свойства материалов и зависимости граничных условий

100

от поведения исследуемого объекта) анализ; статический или динамический и даже изменять размеры и параметры геометрической модели, оптимизируя ее под требуемые данные.

3.2. Тепловой анализ различных конструкций БДПМ методом конечных элементов

3.2.1 Принятые допущения и граничные условия

В основе теплового расчета численным методом лежит модель, включающая в себя геометрическую модель машины (реализованную в CAD системе), тепловые и физические свойства её материалов, режимные параметры и действующая мощность тепловых потерь. В ходе расчёта определяется температурное поле в объеме электрических машин.

После задания типа и размера конечных элементов встроенный сеточный генератор позволяет в автоматическом режиме разбить объемной сеткой данных конечных элементов рассматриваемую геометрическую модель машины.

Тепловой расчёт МКЭ состоял из следующих этапов [84]:

1. Выбор типа анализа и создание геометрии модели для МКЭ.

2. Выбор типов элементов, ввод свойств материалов, назначение свойств материалов и элементов геометрическим областям.

3. Разбиение областей модели на сетку конечных элементов.

4. Приложение к модели граничных условий и нагрузок.

5. Выбор вида теплового анализа, установка опций решателя и численное решение системы уравнений.

6. Использование макросов постпроцессора для расчёта интересующих интегральных величин и анализ результатов.

Этапы 1-4 относятся к препроцессорной стадии расчёта, этап 5 - к процессорной стадии, этап 6 - к постпроцессорной стадии.

Численное решение системы уравнений выполняется автоматически и при всех прочих равных условиях определяется аппаратными ресурсами используемой вычислительной техники.

Анализ результатов несколько облегчён имеющимися в составе используемых программных средств инструментальными средствами визуализации, вместе с тем это один из наименее формализованных этапов, имеющий самую большую трудоёмкость.

Задачей данного теплового анализа методом конечных элементов является проверка тепловых расчетов образцов БДПМ 1 и БДПМ 2, выполненных в главе 2 в ПО Matlab и последующего сравнения с результатами экспериментов, приведенных в главе 4. Расчет проводится методом конечных элементов в трехмерной постановке с использованием пакета ПО Autodesk Simulation Multiphysics.

В качестве механизма теплопередачи рассматривались кондуктивный теплообмен (между элементами конструкции обоих машин), конвективный и радиационный (теплообмен наружными поверхностями машин и окружающей средой). Проведен динамический нелинейный тепловой анализ при граничных условиях:

— конвективный теплообмен (зависимость коэффициента теплоотдачи от температуры) приведен на рисунке 3.8 - для БДПМ 1 и на рисунке 3.15 - для БДПМ 2.

— радиационный теплообмен со степенью черноты наружных поверхностей 0,7 - для БДПМ 1 и 0,9 - для БДПМ 2.

— температура окружающей среды и начальная температура БДПМ 22°С, БДПМ 2 - 25°С.

Теплофизические свойства элементов конструкции БДПМ 1 и БДПМ 2, участвующих в тепловом расчете приведены в таблице 3.1 и таблице 3.2.

Тепловые потери в обмотках с ростом температуры увеличиваются за счет зависимости электрического сопротивления от температуры. При данном расчете, как и в расчете, методом теории цепей данная зависимость учтена и приведена на рисунке 3.9 - для БДПМ 1 и на рисунке 3.17 а - для БДПМ 2. В БДПМ 2 присутствуют и магнитные потери, сосредоточенные в пакете статора машины, которые приведены на рисунке 3.11 б.

Расчетные модели БДПМ 1 и БДПМ 2 приведены на рисунке 3.10 и рисунке 3.18. Обмотки и их эмаль сформированы в виде выделенных объемов, исходя из коэффициента заполнения в пазу. Для проведения расчетов модели электрических машин были разбиты на сеть конечных элементов (рисунок 3.11 и рисунок 3.19). Как видно из рисунков сеть имеет достаточно крупные размеры конечных элементов. Поскольку ПО позволяет назначать тип и размеры КЭ каждого элемента индивидуально, элементы с малыми объемами, такие как воздушная прослойка, пазовая изоляция и эмаль обмоток разбиты на более мелкую сеть КЭ. Это позволяет регулировать баланс точности и времени обработки результатов.

3.2.2 Тепловой анализ различных конструкций БДПМ.

; ! !

- У

й | : | | | ||| 1 1 1 ; 1 1 1 ; 1 1 1 ; 1 1 1 ; 1 1 1 ;

Temperature ("С)

а) наружная цилиндрическая поверхность корпуса

Temperature

б) наружные торцевая поверхность корпуса и щита

в) наружные цилиндрические поверхности вылетов вала

Рисунок 3.8 - Зависимость конвективного коэффициента теплоотдачи,

2

Вт/(°Ом ) (вертикальная ось) от температуры соответствующей поверхности (горизонтальная ось)

20 40 60 80 100 120 140 160

Temperature ("С)

Рисунок 3.9 - Зависимость удельной мощности потерь (Вт/м ) в каждой выделенной обмотке от температуры

Таблица 3.1 Теплофизические свойства элементов конструкции БДПМ 1

Элемент БДПМ Материал элемента, используемого для расчета Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С) Плотность, кг/м3 Удельная теплоемкос ть, Дж/(кг0С)

Корпус Щит Вал Сталь 20Х13 23 7670 460

Втулки Сталь 12Х18Н10Т 16 7900 460

Обмотки Медь 390 8890 385

Эмаль обмоток Лак полимидный 0,16 900 800

Пазовая изоляция Пленка полимидная П-ПМ/180 0,2 1000 400

Статор Сталь электротехнич еская А2421 45,4 7650 613

Магнит Сплав NdFeB 9 7400 502

Продолжение таблицы 3.1

Элемент БДПМ Материал элемента, используемого для расчета Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С) Плотность, кг/м3 Удельная теплоемкос ть, Дж/(кг°С)

Шарикоподшипники ШХ15 45 7800 400

Воздушная прослойка воздух 0,025 1 1000

Рисунок 3.10 - Расчетная модель БДПМ 1 в разрезе

Ниже на рисунке 3.11 представлена геометрия БДПМ 1 в виде сети конечных элементов.

Ниже приведены картины тепловых полей в объеме БДПМ 1 на момент времени 10000 с после начала нагрева. Это соответствует установившемуся режиму.

а) наружные поверхности

б) БДПМ 1 без корпуса и щита Рисунок 3.12 - Распределение температурного поля в объеме БДПМ 1

Рисунок 3.13 - Температуры БДПМ 1 в поперечном разрезе Ниже на рисунке 3.14 приведены результаты теплового анализа БДПМ 1.

Время, с

Рисунок 3.14 - Изменение температур конструктивных частей БДПМ во времени 1 - лобовых частей обмоток; 2 - цилиндрическая поверхность корпуса;

3 - магнита; 4 - торцевые поверхности корпуса

На рисунке 3.15 приведена картина плотности теплового потока БДПМ 1 в радиальном и аксиальном направлениях. Как видно из рисунков, интенсивность теплового потока неравномерна и возрастает ближе к наружным теплоотдающим поверхностям. Наибольшая плотность теплового потока сосредоточена на выходном конце вала. Это объясняется неравномерностью прогрева вала (в основном в радиальном направлении) за счет низкой теплопроводности и достаточно большого вылета, что снижает его теплоотдачу в окружающую среду.

а) радиальное направление

б) аксиальное направление Рисунок 3.15 - Тепловой поток в объеме БДПМ 1

3.2.3 Тепловой анализ образца БДПМ 2.

а) верхняя поверхность корпуса

.2 3' ¡е

о

о 2

б) нижняя поверхность корпуса

__,----1----1--- -i----1----1----1 iiii 1 1

"1 ---г "1 ~ ~1---г "1 1 г "1 1 г "1 1 г "1 1 г 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

: i J i i 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

20 30 40 50 60 70 SO 90 100 110 120 Temperature (СС)

в) боковые и торцевые поверхности корпуса

г) цилиндрическая поверхность заглушки

д) торцевая поверхность заглушки

Рисунок 3.16 - Зависимость конвективного коэффициента теплоотдачи, Вт/(°Ом ) (вертикальная ось) от температуры соответствующей поверхности (горизонтальная ось) БДПМ 2

а) каждой выделенной обмотки

б) статора

Рисунок 3.17 - Зависимость удельной мощности потерь (Вт/м ) от температуры

Таблица 3.2 Теплофизические свойства элементов конструкции БДПМ 2

Элемент БДПМ Материал элемента, используемого для расчета Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С) Плотность, кг/м3 Удельная теплоемкое ть, Дж/(кг°С)

Корпус Задний щит Передний щит Сплав Д16Т 130 2800 922

Вал Заглушка Сталь 40Х13 28,9 7650 470

Обмотки Медь 390 8890 385

Эмаль обмоток Лак полимидный 0,16 900 800

Пазовая изоляция Пленка полимидная П-ПМ/180 0,2 1000 400

Статор Сталь электротехнич еская А2421 45,4 7650 613

Магнит Сплав NdFeB 9 7400 502

Шарикоподшипники ШХ15 45 7800 400

Воздушная прослойка воздух 0,025 1 1000

Рисунок 3.18 - Расчетная модель БДПМ 2 в разрезе

На рисунке 3.19, рисунке 3.20 представлено распределение температурного поля по наружным поверхностям и внутри БДПМ 2.

Рисунок 3.19 - Распределение температурного поля по наружным поверхностям БДПМ 2

Рисунок 3.20 - Распределение температур внутри БДПМ 2 (видимость переднего щита и заглушки отключена)

На рисунке 3.21 приведены результаты теплового анализа БДПМ 2.

- !______' ■

; 1 ■

1 А . ! ; ¡2

; \ ■ ------------ 3_ Т + . к ' - * *

;

1 я "Л'- ■ ♦ •

; ■

; ♦

1 ■ ж *

; ■ ; ♦

: ■ ♦ ■

I : {//

: , , ,

^ 65 ~ _

500

1000

1500

2000

2500

3000 3500 Время, с

4000

4500

5000

5500

Рисунок 3.21 - Рост температур конструктивных частей БДПМ 2 во времени 1 - лобовых частей обмоток; 2 - боковая поверхность корпуса; 3 - магнита; 4 - торцевая поверхность переднего щита

На рисунке 3.22 приведена картина плотности теплового потока БДПМ 2 в радиальном и аксиальном направлениях. Из рисунков следует, что тепловой поток распределен относительно равномерно в отличие от БДПМ 1. Здесь отсутствует выходной конец вала, где с больше всего сосредотачивается тепловой поток.

а) радиальное направление

б) аксиальное направление

Рисунок 3.22 - Тепловой поток в объеме БДПМ 2

3.2.5 Переменные граничные условия

Немногие программы для расчета МКЭ уже снабжены функционалом, понятного простому пользователю, для задания граничных условий в виде объема воздуха (или иной окружающей среды) с соответствующими параметрами. Но в большинстве случаев (и в нашем случае тоже) теплообмен задается в виде аналитического описания теплоотдающей поверхности и окружающей средой. Согласно выражениям (2.15) и (2.16) главы 2 построены по точкам графики зависимости конвективного коэффициента теплоотдачи от температуры, изображенные на рисунках 3.13 и 3.21. Здесь температура и давление окружающей среды являются постоянными величинами.

Весьма проблематично правильно задать граничные условия с переменными параметрами (колебание давления и температуры окружающей среды с течением времени). Но в нашей программе для расчета МКЭ присутствует множитель, корректирующий коэффициенты теплоотдачи с течением времени анализа. Если вынести из выражений (2.15) и (2.16) для конвективного теплообмена температуру окружающей среды Х0сС(Х) и давление, представив их в виде корректирующего множителя, получим:

аТ(г) = М (I / 4) • N (4) • к (гт) • (

1))0,215 • (I)

*о . С .(' )

0,215

р(г) р

V 10 у

0,5

), (3.10)

а™. (г) = х • А

to.it)

-1

к

0.25

ко,. (г)

0,25

Р(г) р

V р0 У

0,5

(3.11)

Для радиационного теплообмена (согласно выражениям (2.17) и (2.18)), если температура окружающей среды зависит от времени:

аи (г) = 5,67

' г, + 273 у г ос (г) + 273

л4

(г, • (го.,. (г))-1 -1)

гг о.с.(г) + 27^4Л 100 г о.с.(г)

(3.12)

г

г

пов

1

Для конвективного теплообмена части выражений (3.10), (3.11) -

(I го . с (г)

0,215

'Р(г)Л р

V р0 У

, (г0с.(г)

0,25

'Р(г)Л р

V р0 У

и радиационного (3.12) -

f , ч4Л

('клг)+273 ^ 100 го . с (г)

являются выделенными множителями для построения зависимости переменных граничных условий.

3.2.4. Анализ результатов, выводы

Сравним результаты, полученные во 2 главе методом теории цепей, реализованном в ПО МайаЬ, и методом КЭ в текущей главе. Согласно графикам на рисунке 2.15, рисунке 2.22 (теория цепей) и рисунке 3.8, рисунке 3.15 (метод КЭ) температуры элементов БДПМ 1 и БДПМ 2 в установившемся режиме следующие (таблица 3.3):

Таблица 3.3 Результаты теплового анализа методом теории цепей и численным моделированием образцов БДПМ 1 и БДПМ 2_

Конструктивный элемент Температуры БДПМ 1, °С Температуры БДПМ 2, °С

Теория цепей МКЭ Теория цепей МКЭ

Обмотки 121 123,6 85,8 86,3

Корпус 116,3 111,5 74,8 78,9

Магнит 111,9 106 77,2 80,1

Торцевые поверхности 109,7 103,2 74,2 76,9

Результаты обоих расчетов расходятся с погрешностью, не превышающей 5 - 7 %. Это дает возможность провести экспериментальную проверку и сравнить полученные результаты с результатами анализа.

Для теплового анализа БДПМ методом КЭ 3D-модели с целью сокращения временных и ресурсных затрат компьютера на обработку и получение результатов необходимо произвести доработку геометрии 3 D-модели БДПМ следующим образом:

— исключить или заменить примитивом (в виде сплошного параллепипеда, цилиндра или т.п. аналогичной массы и объема) не силовые элементы (датчики, микросхемы и т.п.);

— исключить из модели крепежные элементы;

— упростить элементы конструкции, исключив из них фаски, отверстия и

т.д.;

— добавить воздушную прослойку в виде полого цилиндра между магнитами ротора и внутренним диметром статора;

— как уже упоминалось в п. 3.2.1 обмотки и их эмаль сформированы в виде выделенных единых объемов, исходя из коэффициента заполнения в пазу. Это значительно упрощает геометрию, что ведет к снижению временных затрат на анализ и снижению вероятности возникновения ошибок при построении сети конечных элементов.

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕПЛОВОГО ПОЛЯ БЕСКОНТАКТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ПОСТОЯННЫХ МАГНИТАХ

В предыдущих главах был предложен подход для оценки теплового состояния электрической машины на постоянных магнитах методом теории цепей. Данный подход основан на делении конструкции машины на элементарные зоны тепловой проводимости, параметры которых рассчитаются стандартными выражениями (см. главу 2). Для подтверждения результатов теплового расчета методом теории цепей проведены измерения температуры отдельных областей БДПМ 1 и БДПМ 2.

4.1 Экспериментальный анализ теплового поля макетных образцов различных конструкций БДПМ.

4.1.1 Анализ теплового поля БДПМ 1.

На рисунке 4.1 изображено фото макетного образца БДПМ 1, на рисунке 4.2 его конструктивная схема.

Рисунок 4.1 - Внешний вид опытного образца БДПМ 1

Рисунок 4.2 - Испытуемый БДПМ 1 в разрезе

Измерения проводились при помощи откалиброванных термопар [34, 35, 36, 37, 51], термометра для измерения температуры окружающей среды (погрешность измерения ±1°С); мультиметра, необходимого для снятия показаний с термопар; коммутатора термопар; амперметра и вольтметра; стапеля для установки БДПМ 1; источника постоянного напряжения (см. таблицу 4.1). [5, 6]

Перед началом измерений испытуемый двигатель находился в помещении с постоянной температурой +22°С не менее 30 мин. [1, 66, 73, 92]

Измерение температуры обмотки статора выполнялось бесконтактным термометром (см. таблица 4.1) через технологические отверстия в подшипниковом щите и косвенным методом на основании зависимости электрического сопротивления обмотки от её температуры [42, 87]:

=

R - R

а* R

+1„

(4.1)

где R(t) - сопротивление обмотки при температуре tкат , Ом; RHa4. - сопротивление обмотки при температуре tнач. , Ом;

а - температурный коэффициент сопротивления, °C-1 (для медного проводника а = 0,004 °C-1).

Значения сопротивлений R(t), RHa4 получены посредством измерения тока и напряжения обмотки.

а) б)

Рисунок 4.3 - Схема измерения параметров для расчета сопротивления обмоток

Для снижения погрешности измерения сопротивления обмотки следует учитывать сопротивление выводных концов статора БДПМ 1. Поскольку конструкция БДПМ 1 не позволяет измерить сопротивление выводных концов,

произведем измерение сопротивления провода Rnpoe марки, сечения и длины

аналогичного выводным концам статора, чтобы учесть его в расчете

сопротивлении R(t) , Яшч .

Измерение параметров для расчета сопротивления обмотки производилось согласно схеме на рисунке 4.3 а, что обусловлено конструктивными особенностями статора.

Для получения фактического значения сопротивления обмотки учтем сопротивление выводных концов (см. рисунок 1 б) [52]:

Л и - (1 /3)* Кпров - тпров кг Ккнач.) --^^-, (4.2)

Термопары Т1 - Т4 плотно зафиксированы на поверхностях вала и корпуса БДПМ 1 в местах, указанных на рисунке 4.4.

п Т2 Т1 ТЗ

Рисунок 4.4 - Схема установки термопар

На рисунке 4.5 приведено сравнение графиков роста температур во времени различных конструктивных частей БДПМ 1 между теоретическими и экспериментальными результатами.

На рисунке 4.6 представлено распределение температуры по наружной поверхности БДПМ 1 на момент окончания проведения измерений (установившейся тепловой режим) вдоль оси.

Таблица 4.1 Перечень приборов, применяемых в эксперименте БДПМ 1

Наименование Кол-во

Амперметр М1104 ГОСТ 5.259 - 69 1 шт.

Вольтметр М2044 ГОСТ 8711 - 78 1 шт.

Термометр лабораторный ТУ 79 РФ 529- 03 1 шт.

Регулируемый источник НУ3030Б 1 шт.

Цифровой мультиметр БТ-838 1 шт.

Термопара ТР-01А 4 шт.

Бесконтактный измеритель температуры «Кельвин ЛЦМ» 1 шт.

а) лобовые части обмоток БДПМ 1

Температура,°С 120

110 100 90 80 70 60 50 40 30 20

I \ _ _ -

\

-/■/■/- ///

/

л'

1/________

г

1000

2000

3000

4000

5000

БООО

7000

8000

9000

юооо время, с

б) цилиндрическая поверхность корпуса БДПМ 1

Температура.'°С

120

110 100 90 30 70 60 50 40 30 20

__

*"'__ -- - — -

- ^ I - ~ ~ ~

/ '/

// ы._______

/

// //

$ 11........

г

1000 2000 3000 4000 6000 6000 7000 8000 9000

в) торцевая поверхность корпуса БДПМ 1

юооо время, с

Температура. °С

1201-

11010090 -80 -70 -60 -50 -40-

_ ' - 1----- ---- ----

X,.......

/у ■о -

7

?

//■

...... __•'/_..........

/

1000

2000

3000

4000

5000

5000

7000

I время, с

г) магнит БДПМ 1 (измерение температуры магнита не проводилось)

Рисунок 4.5 - Графики изменения во времени температур конструктивных

частей макетного образца БДПМ 1 (1 - экспериментальный, 2 - математ. моделирование методом теории цепей,

3 - численный метод - МКЭ)

Из рисунка 4.5 видно, что разброс температур в указанных частях БДПМ 1 (вылеты вала не учитываются см. конструкцию на рисунке 4.2) не превышает 5 -7°С. Это объясняется компактностью машины и рациональным соотношением диаметра к базовой длине, которое составляет примерно 1:2.

Рисунок 4.6 - Распределение температуры по наружной поверхности БДПМ 1

в установившемся тепловом режиме

Как видно из рисунка 4.6 распределение температуры вдоль оси БДПМ 1 носит линейный характер. Геометрическая середина машины имеет наибольшую температуру, что вызвано расположением в непосредственной близости от нее источника тепла (статор с обмотками) и симметрией машины относительно геометрической середины.

На длине от 0 до 16,5 мм, где расположен вылет вала, температура резко отличается от температур корпуса и обмоток. Причиной этому служит низкое тепловое сопротивление (связывающее статор и ротор), которое возникает в результате:

— значительного удаления вылета вала от источника тепла;

— низкого коэффициента теплопроводности материала вала, который составляет порядка 16 Вт/(Ом);

— точечных контактов (в шарикоподшипниках) и наличия воздушных зазоров между ротором и остальной частью БДПМ 1.

На рисунках 4.7 - 4.9 представлено распределение температур на протяжении времени проведения эксперимента и длине БДПМ 1 [82, 138, 139], откуда видно, что также как и в установившемся тепловом режиме в каждый момент времени распределение температур носит линейный характер. Отсюда следует, что различные конструктивные части машины с течением времени равномерно набирают температуры друг относительно друга.

Исходя из результатов моделирования и экспериментального исследования БДПМ 1, основные выводы, сделанные в ходе выполнения работы, подтвердились. Максимальная погрешность разработанной методики теплового расчёта не более 7 %.

О 'ес!А-1_Ес1эинэ_|_

Рисунок 4.7 - Распределение температуры по времени и длине

образца БДПМ 1

О 10 20 30 40 50 60 70 80

Длина, мм

Рисунок 4.8 - Распределение температуры по наружной поверхности БДПМ 1 на протяжении всей продолжительности эксперимента

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

Время, с

Рисунок 4.9 - Рост температур в разных частях БДПМ 1 по времени

4.1.2 Анализ теплового поля БДПМ 2.

На рисунке 4.10 представлено фото макетного образца БДПМ 2, а на рисунке 4.11 - внутренняя компоновка.

Рисунок 4.10 - Фото макетного образца БДПМ 2

Рисунок 4.11 - Внутренняя компоновка макетного образца БДПМ 2

Для проведения эксперимента над макетным образцом БДПМ 2 был собран стенд [91] для задания вращения ротора и измерений электрического сопротивления обмоток на протяжении всего времени эксперимента [89]. Частота

128

вращения ротора подобрана таким образом, чтобы соотношение электрических потерь в обмотках и магнитных в статорном железе было одинаковым [86]. Для данного образца БДПМ 2 такая частота вращения соответствует примерно 700 об/мин, значение которой соответствует коммутации фаз, приведенной на рисунке 4.12. Электрическая схема стенда приведена на рисунке 4.14.

Значения сопротивлений, полученные на протяжении всей продолжительности эксперимента, необходимы для пересчета (согласно выше упомянутой формуле (4.1)) и построения графика роста температуры обмоток во времени. Также для измерения температур обмоток использовался бесконтактный термометр.

На рисунке 4.15 приведено фото оборудования и приборов для проведения эксперимента; также на рисунке 4.15 присутствует часть оборудования, не имеющего отношение к оборудованию для проведения замера температур БДПМ2. На рисунке 4.16 изображена коммутационная панель для подсоединения источников, измерительных приборов и обмоток БДПМ 2.

Рисунок 4.12 - Коммутация фазовых обмоток

Для измерения температур [24, 37, 67, 98] наружных поверхностей БДПМ 2 использовался тепловизор testo 875i, фото которого приведено на рисунке 4.13.

Рисунок 4.13 - Фото тепловизора testo 875i

Перечень приборов, обозначенных на схеме электрической (рисунок 4.14), приведен в таблице 4.2. Для питания микросхем DD1 - DD3 [33, 82, 96] и реле К1 использовался нестандартный источник G1 на 12 В [4, 8, 85].

Таблица 4.2 - Перечень приборов, применяемых в эксперименте БДПМ 2

Обозначение Наименование Количество

А1, А2 Амперметр М1104 ГОСТ 5.259 - 69 2 шт.

V Вольтметр М2017 ГОСТ 8711 - 78 1 шт.

G2 Регулируемый источник (0 - 80 В, 0 - 42 А) TDK - Lambda GEN80 - 42 1 шт.

G3 Регулируемый источник (0 - 30 В, 0 - 3 А) GPS - 4303 1 шт.

— Осциллограф С1 - 93 И22.044.084 ТУ 1 шт.

— Тепловизор testo 875i 1 шт.

— Термометр лабораторный ТУ 79 РФ 529- 03 1 шт.

— Бесконтактный измеритель температуры «Кельвин ЛЦМ» 1 шт.

— Стробоскоп PCE - T259 1 шт.

На рисунке 4.17 приведено распределение теплового поля БДПМ 2 в установившемся тепловом состоянии на момент окончания эксперимента.

На рисунке 4.18 приведено сравнение графиков роста температур во времени различных конструктивных частей БДПМ 2 между теоретическими и экспериментальными результатами.

Рисунок 4.14 - Принципиальная электрическая схема коммутации обмоток БДПМ 2 и измерения их электрического сопротивления

Рисунок 4.15 - Фото оборудования для проведения экспериментальных работ над макетным образцом БДПМ 2

Рисунок 4.16 - Коммутационная панель

Рисунок 4.17 - Картина теплового поля БДПМ 2 с тепловизора

а) лобовые части обмоток БДПМ 2

Время, с

б) боковая поверхность корпуса БДПМ 2.

в) торцевая поверхность БДПМ 2

г) магнит

(измерение температуры магнита не проводилось)

Рисунок 4.18 - Графики изменения во времени температуры конструктивных

частей макетного образца БДПМ 2 (1 - математ. моделирование методом теории цепей, 2 - экспериментальный, 3 - численный метод - МКЭ)

На рисунке 4.19 указаны поверхности и обозначены контрольные точки, откуда снимались показания температур тепловизором на протяжении всего эксперимента.

Рисунок 4.19 - Контрольные точки измерения температур испытуемого

образца БДПМ 2

На рисунке 4.20 приведено распределение температур на боковой поверхности корпуса.

На рисунках 4.21 - 4.23 представлено распределение температур на протяжении времени проведения эксперимента и длине БДПМ 2, откуда видно, что также как и в БДПМ в каждый момент времени распределение температур носит линейный характер. За счет отсутствия выходного вала у БДПМ 2 градиент температур значительно ниже, чем у БДПМ 1.

Рисунок 4.20 - Распределение температуры по боковой поверхности БДПМ 2

в установившемся тепловом режиме

Также как в экспериментальном исследовании макетного образца БДПМ 1 в п. 4.1, подтвердились основные выводы, сделанные в ходе выполнения работы и в эксперименте п. 4.2 над образцом БДПМ 2. Результаты теоретического и экспериментального исследований имеют расхождения не более 7 %.

СО Г- !£> Ш ГО СЧ

О 'ес1Л.1.эс1эи1Л1эх

Рисунок 4.21 - Распределение температуры по времени и длине

БДПМ 2

201-1-1-1-1-1-1-1

0 20 40 60 80 100 120 140

Длина, мм

Рисунок 4.22 - Распределение температуры по боковой поверхности БДПМ 2 на протяжении всей продолжительности эксперимента

201-1-1-1-1-1-1

О 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Время, с

Рисунок 4.23 - Рост температур в контрольных точках измерения

БДПМ 2 по времени

4.2 Выводы и рекомендации по проектированию.

В текущей главе были проведены анализы над двумя макетными образцами: БДПМ 1 - с цилиндрической наружной поверхностью (рисунок 4.1) и БДПМ 2 - с плоскими наружными поверхностями (рисунок 4.6). Как сказано выше, разброс температур в различных точках измерения наружных поверхностей корпусов БДПМ 1 и БДПМ 2 не превышает 5°С (БДПМ 1) и 3°С (БДПМ 2) при достижении температур корпуса БДПМ 1 - 120°С и БДПМ 2 - 79°С. Соотношение длины к диаметру (ширине поперечного сечения) обоих макетных образцов составляет примерно 2:1. Такое рациональное соотношение для подобных электрических машин дало возможность получить незначительный градиент температуры. Минимальный разброс температур способствует наиболее эффективной теплоотдачи в окружающую среду и вероятность использования радиаторов, вентиляторов и (или) какого-либо иного дополнительного способа отвода тепла значительно уменьшается.

Теперь рассмотрим наиболее эффективный в плане теплоотдачи конструктивный вариант - квадратный или круглый - при одинаковой длине Ь электрических машин (рисунок 4.24).

Рисунок 4.24 - Конструктивные варианты БДПМ Первое очевидное преимущество квадратного исполнения перед круглым -большая площадь теплоотдачи: 8кр=пВЬ - у круглого и Бкв=4БЬ - у квадратного. Соотношение составляет Бкр.: Бкв. = 1:1,27.