МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С УЛУЧШЕННОЙ РАВНОМЕРНОСТЬЮ ВРАЩЕНИЯ
MAGNETOELECTRIC MACHINE WITH IMPROVED ROTATION UNIFORMITY

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическим машинам с возбуждением от постоянных магнитов, и может быть использовано в электромашиностроении.
Известно, что в магнитоэлектрической машине наблюдается эффект "залипания" ротора, что значительно ухудшает плавную работу привода на малых частотах вращения ротора, уменьшая тем самым диапазон регулирования частоты вращения привода и ограничивая область его применения [1, с.45].
Основной причиной нарушения плавного движения ротора ("залипания" ротора) является реактивный момент, который уменьшает пусковой момент магнитоэлектрической машины, вызывает остановку ротора в определенных положениях и увеличивает неравномерность вращения магнитоэлектрической машины [2, с.38].
Под реактивным моментом магнитоэлектрической машины понимают момент, возникающий в электрической машине за счет зубчатого строения якоря, асимметрии его магнитной цепи и неравномерного рабочего зазора [2, с.38].
Реактивный момент, являющийся одной из составляющих пульсаций вращающего момента, не зависит от формы потребляемого тока и питающего напряжения, так как сохраняется и в обесточенном состоянии магнитоэлектрической машины.
Вследствие зубчатого строения статора кривая реактивного момента отличается от синусоиды и при разложении ее в ряд Фурье получается спектр гармоник, которые называют зубцовыми [5, с.456-457].
Скос пазов является самым эффективным способом борьбы с зубцовыми гармониками.
Наиболее близкой к заявленному техническому решению является электрическая машина с выполненным скосом пазов статора на полюсную дугу, равную целому числу зубцовых делений статора [5, с.457-459]. Недостатком данного технического решения является большая дискретность принимаемого скоса пазов и, как следствие, уменьшение коэффициента скоса и ЭДС, что приводит к снижению энергетических показателей электрической машины.
Задача изобретения состоит в минимизации реактивного момента, который является причиной снижения равномерности вращения ротора магнитоэлектрической машины.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение, заключается в снижении пульсаций реактивного момента магнитоэлектрической машины, содержащей якорь с обмоткой, уложенной в z пазов, и неявнополюсный ротор с постоянными магнитами, выполнением скоса пазов якоря на угол α, соответствующий целому числу периодов зубцовой гармоники.
р
Теоретический анализ и расчет реактивного момента представляет значительные трудности. В общем виде выражение для реактивного момента М магнитоэлектрической машины можно записать следующим образом [2, с.38]
<mrow><msub><mi>М</mi><mi>р</mi></msub><mo>=</mo><mi>k</mi><mo>⋅</mo><mi>Ф</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>λ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>θ</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                         (1)</mtext></mrow>
где k - конструктивный коэффициент;
Ф - магнитный поток постоянного магнита, Вб;
λ - проводимость магнитной цепи, Гн;
θ - угол поворота ротора, эл. град.
Зависимость проводимости λ от угла поворота θ обусловлена влиянием зубчатости якоря и может быть записана в виде [3, с.201]
<mrow><mi>λ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>θ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>λ</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>∞</mi></munderover><mrow><msub><mi>λ</mi><mi>п</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>z</mi><mo>⋅</mo><mi>θ</mi><mo>⋅</mo><mi>n</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mstyle><mo>,</mo><mtext>                            </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где n - номер гармоники;
0
λ - постоянная составляющая магнитной проводимости, Гн;
п
λ - переменная составляющая магнитной проводимости, Гн;
z - число зубцов.
Тогда
<mrow><msub><mi>М</mi><mi>р</mi></msub><mo>=</mo><mi>k</mi><mo>⋅</mo><mi>Ф</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mi>d</mi><mrow><mi>d</mi><mi>θ</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>λ</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>∞</mi></munderover><mrow><msub><mi>λ</mi><mi>п</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>z</mi><mo>⋅</mo><mi>θ</mi><mo>⋅</mo><mi>n</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mstyle></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>           (3)</mtext></mrow>
р
Из формулы (3) видно, что момент М изменяется по закону косинуса и является нежелательной пульсацией, таким образом, число пульсаций реактивного момента за один оборот кратно числу зубцов якоря z и составляет [4, с.12]
<mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>z</mi><mtext>                                                                  (4)</mtext></mrow>
Так как пульсации имеют зубцовый порядок, то целесообразно рассматривать зубцовую гармонику с порядковым номером n, соответствующим числу зубцов z
<mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>N</mi><mi>p</mi></mfrac><mtext>                                                                      (5)</mtext></mrow>
где p - число пар полюсов магнитоэлектрической машины.
Пульсации, вызванные остальными гармониками, будут иметь существенно меньшие значения и ими можно пренебречь [5, с.457].
В литературе [5, с.459] приведен метод снижения гармоник зубцового порядка, заключающийся в выполнении скоса пазов на полюсную дугу, равную целому числу зубцовых делений якоря.
z
При этом в одно зубцовое деление, на которое выполняется скос пазов, может укладываться несколько периодов зубцовой гармоники. Существенное ослабление пульсаций можно получить, выполнив скос пазов на угол, соответствующий одному периоду зубцовой гармоники, т.к. среднее значение амплитуды A одного периода зубцовой гармоники имеет нулевое значение [6, с.526]
<mrow><mo><</mo><msub><mi>A</mi><mi>z</mi></msub><mo>></mo><mo>=</mo><munder><mrow><mi>lim</mi></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mi>z</mi></msub><mo>→</mo><mi>∞</mi></mrow></munder><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>T</mi><mi>z</mi></msub></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><msub><mi>T</mi><mi>z</mi></msub></mrow></munderover><mrow><mi>cos</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>=</mo><mn>0,</mn></mrow></mrow></mstyle><mtext>                                  (6)</mtext></mrow>
z
где T - период зубцовой гармоники, эл. град.
z
Следовательно, величину скоса пазов необходимо выбирать из условия кратности периоду зубцовой гармоники T в эл. град.
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><msub><mi>T</mi><mi>z</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>i</mi><mo>,</mo><mtext>                                                                         </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>7</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где i=1, 2, 3, … - порядковый номер гармоники;
<mrow><msub><mi>T</mi><mi>z</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>360</mn></mrow><mi>n</mi></mfrac><mtext>                                                                         </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>8</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
На основании формул (4)-(8) получаем
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>360</mn><mo>⋅</mo><mi>p</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mtext>i                                                                   </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>9</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Определение угла скоса пазов по формуле (9) при различных i позволяет получить ряд значений, при которых пульсации реактивного момента будут минимальны.
При выборе числа i необходимо учитывать, что большим значениям i соответствует большая величина скоса пазов и меньшая амплитуда пульсаций, сохраняющаяся за счет наличия в кривой реактивного момента других гармоник высшего порядка.
Скос пазов выполняется известным способом при изготовлении пакета якоря [7, с.84-85].
Например, скашивание пазов может выполняться после пакетирования, изолирования и заполнения намотанными катушками якоря при помощи специального устройства с гидравлическим приводом, которое поворотом скашивает якорь на требуемый угол скоса, используя для этого либо специальный паз, либо выпуклость на внешнем диаметре якоря. Рекомендаций по размеру этого паза не существует, так как его глубина и ширина определяются размером якоря и зависят от угла скоса наименьшего из сердечников. После этой операции скошенные якоря можно скреплять или склеивать. Во время сварки якоря рекомендуется, чтобы сварочный шов был параллелен скосу и проходил по оси зубцов по наружному диаметру якоря, чтобы обеспечить оптимальное сечение магнитопровода в этой части магнитной цепи якоря.
Таким образом, решена поставленная задача по минимизации реактивного момента, заключающаяся в снижении пульсаций реактивного момента, а следовательно, улучшении равномерности вращения магнитоэлектрической машины.
Предлагаемое техническое решение, помимо улучшения равномерности вращения, позволяет повысить энергетические показатели (КПД, cos(φ)), снизить шум и вибрации магнитоэлектрической машины.
Примером реализации предлагаемой магнитоэлектрической машины с улучшенной равномерностью вращения может служить вентильный электродвигатель постоянного тока ДБМ142-18-3 с постоянными магнитами разработки предприятия-заявителя ОАО "Электропривод". Электродвигатель ДБМ 142-18-3 имеет z=45; p=3.
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>360</mn><mo>⋅</mo><mi>p</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mtext>i</mtext><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>360</mn><mo>⋅</mo><mn>3</mn></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mn>45</mn></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mn>4</mn><mo>=</mo><mn>48</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>э</mi><mi>л</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mi>г</mi><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>д</mi><mo>.</mo></mrow>
,
при этом пульсация реактивного момента составляет 0,27% (опытное значение) от номинального вращающего момента, что обеспечивает улучшенную равномерность вращения.
При создании предложенной магнитоэлектрической машины на предприятии-заявителе ОАО "Электропривод" практически была решена задача разработки ряда вентильных электродвигателей постоянного тока с постоянными магнитами для прецизионных электроприводов металлообрабатывающего оборудования (технологических роботов), одним из требований к которым является высокая равномерность вращения и точность позиционирования.
Источники информации
[1] Лузин М.И. Магнитоэлектрический вентильный двигатель с улучшенными массогабаритными показателями и малым значением момента «залипания» ротора [Текст] / М.И.Лузин // Электричество. - 2010. - №6. - с.45-48.
[2] Дубенский А.А. Бесконтактные двигатели постоянного тока [Текст] / А.А.Дубенский. - М.: Энергия, 1967. - 144 с.
[3] Осин И.Л. Электрические машины автоматических устройств [Текст]: учеб. пособие для вузов / И.Л.Осин, Ф.М.Юферов. - М.: Издательство МЭИ, 2003. - 424 с.
[4] Ефимов В.В. Численное и экспериментальное моделирование электромеханических компонентов автоэлектронных систем [Текст]: Автореферат диссертации канд. техн. наук / В.В.Ефимов. - Чебоксары: ЧГУ, 2011. - 23 с.
[5] Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств [Текст]: учебник для студентов вузов, обучающихся по спец. "Электромеханика" / Ф.М.Юферов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1988. - 479 с.
[6] Корн Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров [Текст] / Г.Корн, Т.Корн; под ред. И.Г.Арамановича; пер. с англ. - М.: Наука, 1968. - 720 с.
[7] Виноградов Н.В. Производство электрических машин [Текст]: учебное пособие для Втузов / Н.В.Виноградов. - 2-е изд., перераб. - М., Энергия, 1970. - 288 с., с ил.