Беспазовый магнитоэлектрический вентильный двигатель с комбинированным проводом Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Афанасьев Александр Александрович, Нгуен Конг Там

В беспазовых вентильных двигателях с постоянными магнитами (БВДМ) устраняются многие недостатки конструкции аналогичных двигателей в пазовом исполнении статорного сердечника: наличие реактивного момента, вибрация и повышенный шум, наведение вихревых токов в постоянных магнитах, их нагрев и частичное размагничивание. Приводятся результаты опытного исследования макетного образца БВДМ, показывающие, что, во-первых, из-за снижения магнитных потерь увеличивается верхний рабочий уровень скорости вращения, во-вторых, длительный электромагнитный момент составляет примерно 70% момента пазового вентильного двигателя. Использование комбинированных обмоточных проводов, медная сердцевина которых имеет ферромагнитную оболочку, позволяет поднять электромагнитный момент БВДМ до такой же величины, как у вентильных двигателей классической конструкции.

SLOTLESS PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR WITH COMBINED WIRE

In the slotless permanent magnet synchronous motor (PMSM) many shortcomings of similar engines design in the slotting performance of the stator core are eliminated: the presence of reactive torque and as a result, vibration and increased noise, induced eddy currents in the permanent magnets, and therefore, their heating and partial demagnetization. The results of a pilot study of model sample of the slotless PMSM show that, firstly, due to the reduction of magnetic losses the upper operating level of rotation speed increases, and secondly, long electromagnetic torque is approximately 70% of the torque of the conventional PMSM. The use of combined winding wire, where copper core has ferromagnetic sheath, allows increasing electromagnetic torque PMSM to the same dimension as gate motors of classic design.

Текст научной работы на тему «Беспазовый магнитоэлектрический вентильный двигатель с комбинированным проводом»

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА

УДК 621.313.8 ББК 31.261

А.А. АФАНАСЬЕВ, НГУЕН КОНГ ТАМ

БЕСПАЗОВЫЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С КОМБИНИРОВАННЫМ ПРОВОДОМ

Ключевые слова: беспазовый статор, вихревые токи, магнитные потери, комбинированный провод.

Приводятся результаты опытного исследования макетного образца БВДМ, показывающие, что, во-первых, из-за снижения магнитных потерь увеличивается верхний рабочий уровень скорости вращения, во-вторых, длительный электромагнитный момент составляет примерно 70% момента пазового вентильного двигателя. Использование комбинированных обмоточных проводов, медная сердцевина которых имеет ферромагнитную оболочку, позволяет поднять электромагнитный момент БВДМ до такой же величины, как у вентильных двигателей классической конструкции.

Постановка задачи. Вентильные электродвигатели с постоянными высокоэнергетическими магнитами получили широкое распространение в различных областях промышленности, энергетики, транспорта, бытовых устройствах.

Расположение обмотки статора в пазах обеспечивает высокий уровень магнитной индукции в воздушном зазоре между статором и ротором и, следовательно, большое значение электромагнитного момента в заданных габаритах активных материалов. По этому показателю магнитоэлектрические двигатели превосходят все другие типы электродвигателей [4]. Однако такое расположение проводников обмотки статора приводит и к отрицательным последствиям:

- образованию реактивного момента (момента «залипания»), обусловленного неравномерностью воздушного зазора;

- повышенным магнитным потерям в стали зубцов статора;

- появлению вихревых токов в массиве магнитов.

Первый нежелательный фактор вызывает неравномерность вращения ротора, особенно на низких скоростях, повышенную вибрацию и шум электродвигателя.

Второй фактор, вызывая нагрев статорного сердечника, снижает допустимый уровень тока статора по условиям нагревостойкости изоляции проводников обмотки.

Третий фактор, связанный с нагревом магнитов, приводит к их размагничиванию и, следовательно, уменьшению перегрузочной способности двигателя.

Вентильные двигатели, у которых отсутствуют статорные пазы, лишены этих недостатков.

Беспазовые вентильные двигатели с обмоткой статора из обычных проводов. Беспазовое исполнение коллекторных двигателей постоянного тока позволяет в 2-3 раза снизить реактивную ЭДС и тем самым существенно улучшить коммутацию тока коллектором [3].

Беспазовые обмотки могут применяться и в вентильных двигателях с постоянными магнитами [1, 2, 5].

На Чебоксарском электроаппаратном заводе выпускаются магнитоэлектрические вентильные двигатели (ВД) серии 5 и 6 ДВМ в пазовом исполнении с диаметрами присоединительных фланцевых отверстий 85, 115, 165, 215 и 300 мм, имеющие длительные моменты от 0,23 до 70 Н-м.

На заводе был изготовлен макетный образец беспазового ВД с диаметром фланцевых отверстий 115 мм, которому соответствует серийный ВД с активной длиной 140 мм, длительным моментом Md 0 = 7 Н-м, максимальной частотой вращения nmax = 6000 об./мин.

Технические данные опытного двигателя следующие: nmax = 6000 об./мин; m = 3; 2p = 6; q = 1,5. Материал магнита - неодим-железо-бор с Br = 1,12 Тл. Толщина магнита 4,3 мм. Радиальная толщина двухслойной обмотки составляет 6,25 мм. Воздушный зазор между обмоткой и магнитом равен 1,5 мм. Сердечники выполнены из стали 2013, вал - из стали 3. Расчетная длина ls = 0,14 м.

Результаты численного моделирования макетного образца беспазового ВД показывают, что максимальное значение индукции в воздушном зазоре равно примерно 0,5 Тл. Индукции в ярмах статора и ротора составляют, соответственно, 0,37 и 1,24 Тл, что позволяет уменьшить сечение ярма статора в 3,7 раза (индукция в этом участке увеличивается до 1,37 Тл) с целью экономии материала и увеличения электромагнитного момента за счет роста наружного диаметра ротора (при сохранении наружного диаметра сердечника статора).

Тепловые испытания этого беспазового ВД показали, что его обмотка статора с классом нагревостойкости F имеет номинальный ток 4,4 А (при этом токе превышение ее температуры над температурой окружающей среды, измеренное методом сопротивления, составило 100°C).

Указанному току соответствует опытное значение максимального момента 3,6 Н-м.

Как уже отмечалось, серийный пазовый ВД с диаметром фланцевых отверстий 115 мм имеет длительный момент на валу Md0 = 7 Н-м (согласно стандарту такой момент должен выдерживаться в интервале скоростей от нуля до 0,25 nmax; на последующих интервалах (0,25 - 0,5) nmax и (0,5 - 1,0) nmax момент может быть не более 0,8 Md 0 и 0,5 Md 0, соответственно). Тепловые испытания серийного ВД показали, что его моменты в конце трех указанных интервалов не превышают, соответственно, значений (0,54; 0,33; 0) Md 0.

При аналогичных испытаниях опытного макета в беспазовом исполнении получили значения: (0,86; 0,71; 0,43) Md 0, причем у него Md 0 = 3,6 Н-м. Эти экспериментальные данные свидетельствуют, что, начиная с частоты вращения

2800 об./мин, беспазовый ВД может развивать длительно больший момент на валу, чем его серийный пазовый аналог.

Результаты тепловых испытаний ВД приведены в табл. 1.

Результаты тепловых испытаний ВД

Показатели Пазовый ВД Беспазовый ВД

п, об./мин 0 3000 4500 0 3400 10460

М, Н-м 7,0 2,33 0 3,6 2,43 0

В линейном приближении опытные данные могут быть представлены в виде двух пересекающихся прямых (рис. 1) с координатами точки пересечения: М = 2,64 Н-м; п = 2800 об./мин.

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 п, об./мин

Рис. 1. Экспериментальные данные пазового (кривая 1) и беспазового (кривая 2) вентильных двигателей

Для улучшения использования беспазового ВД в его математической модели были реализованы следующие мероприятия:

1. Межполюсные промежутки на роторе были заполнены тем же магнито-твердым материалом, что и индуктор, но эти участки имеют либо радиальное, либо тангенциальное направления намагничивания. Обе эти модернизации ротора увеличивают его момент при номинальном токе, соответственно, на 11,3 и 14,6%.

2. Увеличение толщины магнитов с 4,3 до 5 и 6 мм. В результате электромагнитный момент увеличивается, соответственно, на 3,4% и 8,2%, принимая значения 3,7 и 3,9 Н-м.

3. Уменьшение высоты спинки ярма статора с 5,5 до 2 мм и соответствующее увеличение диаметра ротора при неизменном наружном диаметре статорного сердечника. Это мероприятие увеличивает момент ВД при номинальном токе на 9,7%.

Перечисленные мероприятия позволяют в итоге увеличить первоначальный момент беспазового ВД на 33%, т.е. его величина может возрасти до 4,8 Нм, что составит 69% от момента серийного пазового ВД.

В [8] приводится анализ величин активного сопротивления и тока обмотки якоря при постоянстве омических потерь в ней для различного исполнения обмотки ВД. Результаты анализа представлены в табл. 2.

Результаты анализа различного исполнения обмотки ВД

Тип статорной обмотки Активное сопротивление обмотки, Ом Ток обмотки, А Потери в обмотке, Вт

Распределённая 0,74 3,0 20

Сосредоточенная 0,49 3,7 20

Беспазовая 1,33 2,2 20

Если предположить, что электромагнитный момент ВД пропорционален току якоря, то из табл. 2 следует, что момент беспазового ВД составит 2,2 • 100/3,0 = 73% от момента пазового ВД с распределённой обмоткой.

Беспазовые вентильные двигатели с обмоткой статора из комбинированных проводов. Для увеличения магнитной проводимости воздушного зазора беспазового ВД целесообразно применение обмоточного провода, имеющего кроме медной основы ферромагнитную оболочку [7, 8]. Как показывают исследования [8], наиболее оптимальным будет комбинированный провод, у которого ферромагнитная часть поперечного сечения составит примерно 40%. Применение комбинированного провода с медной оболочкой снаружи оказывается менее эффективным (рис. 2).

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎