Асимметричный двигатель что это
Перейти к содержимому

Асимметричный двигатель что это

  • автор:

АСИММЕТРИЧНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯХ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

однофазный двигатель / асинхронный двигатель / электродвигатель с косыми магнитными полями / тяговый двигатель / транспорт. / single-phase motor / induction motor / electric motor with oblique magnetic fields / traction motor / transport.

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Зуев Александр Сергеевич

В настоящей статье с точки зрения явления большей величины сил притяжения магнитов по сравнению с силами отталкивания рассмотрен принцип работы известного в некоторых областях техники однофазного асинхронного электродвигателя с релактантым пуском (reluctance-start induction motor ), а также электродвигателя с косыми магнитными полями , предложенного Виноградовым А.А., Шишовым А.В. в 2017 г. Предложена концептуальная идея разработки тяговых двигателей электротранспорта на основе асимметричных конструкций, усовершенствованных путём увеличения числа фаз, расположения части обмотки в увеличенных немагнитных промежутках, применения активных слоёв с наклонными зубцами, применения асимметричного ротора.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Зуев Александр Сергеевич

Анализ надёжности электродвигателей, используемых в современных электроприводах
Конструкция однофазного асинхронного электродвигателя с повышенным пусковым моментом

Оптимизационный метод формирования геометрических размеров зубцовой зоны вентильно-индукторного двигателя

Проектирование и оптимизация линейного цилиндрического индукторного двигателя

Повышение коэффициента полезного действия в результате изменения магнитодвижущей силы обмоток машин переменного тока

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

ASYMMETRIC ELECTROMAGNETIC INTERACTIONS IN ELECTRIC MOTORS

In this article, from the point of view of the phenomenon of a greater value of the forces of attraction of magnets in comparison with the forces of repulsion, the author considered the principle of operation of a single-phase reluctance-start induction motor , known in some fields of technology, and an electric motor with oblique magnetic fields , proposed by Vinogradov A.A. and Shishov A.V. in 2017 (patent RU180432U1). A conceptual idea is proposed for the development of electric traction motors based on asymmetric designs, improved by increasing the number of phases, the location of the winding part in increased non-magnetic gaps, application of active layers with inclined slots and the use of an asymmetric rotor.

Текст научной работы на тему «АСИММЕТРИЧНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯХ»

VII Международная научно-практическая конференция УДК 621.313

Зуев Александр Сергеевич Zuev Aleksandr Sergeevich

Аспирант PhD student

Российский университет транспорта Russian University of Transport

АСИММЕТРИЧНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

ASYMMETRIC ELECTROMAGNETIC INTERACTIONS IN

Аннотация. В настоящей статье с точки зрения явления большей величины сил притяжения магнитов по сравнению с силами отталкивания рассмотрен принцип работы известного в некоторых областях техники однофазного асинхронного электродвигателя с релактантым пуском (reluctance-start induction motor), а также электродвигателя с косыми магнитными полями, предложенного Виноградовым А.А., Шишовым А.В. в 2017 г. Предложена концептуальная идея разработки тяговых двигателей электротранспорта на основе асимметричных конструкций, усовершенствованных путём увеличения числа фаз, расположения части обмотки в увеличенных немагнитных промежутках, применения активных слоёв с наклонными зубцами, применения асимметричного ротора.

Abstract: In this article, from the point of view of the phenomenon of a greater value of the forces of attraction of magnets in comparison with the forces of repulsion, the author considered the principle of operation of a single-phase reluctance-start induction motor, known in some fields of technology, and an electric motor with oblique magnetic fields, proposed by Vinogradov A.A. and Shishov A.V. in 2017 (patent RU180432U1). A conceptual idea is proposed for the development of electric traction motors based on asymmetric designs, improved by increasing the number of phases, the location of the winding part in increased non-magnetic gaps, application of active layers with inclined slots and the use of an asymmetric rotor.

Ключевые слова. однофазный двигатель, асинхронный двигатель, электродвигатель с косыми магнитными полями, тяговый двигатель, транспорт.

Keywords: single-phase motor, induction motor, electric motor with oblique magnetic fields, traction motor, transport.

«Научные исследования и инновации»

Характеристики электродвигателей зависят от целого спектра сложных

физических процессов, включающих электрические, магнитные, механические, тепловые явления. Магнитное поле возникает в магнитных цепях сложной геометрической формы. Поэтому для получения наиболее выгодных характеристик особо важен выбор оптимальной конструкции электродвигателя.

Несколько электромеханических процессов могут протекать одновременно, например, отталкивание электрических токов может сопровождаться притяжением ферромагнитных элементов к электрическим токам. Это объясняет вывод о том, что силы отталкивания магнитов меньше сил притяжения в зазоре от 2 до 8 мм, сделанный А.Я. и А.А. Красильниковыми на основе экспериментальных исследований [1]. Соотношение силы притяжения и силы отталкивания достигало 2,35 в зазоре 2 мм.

Эта теория согласуется с принципом работы асимметричных магнитопроводов, применяемых, например, в однофазных электродвигателях. В электротехнике известны своим применением однофазные явнополюсные асинхронные электродвигатели с неодинаковыми воздушными зазорами под различными участками полюсов (reluctance-start induction motors). Известно о выпуске таких двигателей в США [2, c. 47]. В однофазном исполнении направление вращения, показанное стрелкой на рис. 1, предопределено конструктивно. На рис. 1 через асимметричную магнитную цепь ток клетки ротора под полюсом сильнее взаимодействует с правой частью обмотки, чем с левой. С точки зрения рассмотренной теории о различии сил притяжения и отталкивания магнитов, распространённой на электромагниты, сила притяжения ротора с током, индуцированным одной из вращающихся в противоположных направлениях последовательностей магнитного поля, будет больше силы отталкивания ротора с током, индуцированным другой последовательностью, что объясняет раскручивание ротора по часовой стрелке.

VII Международная научно-практическая конференция

Рис. 1. Однофазный асинхронный двигатель с релактантным пуском и двумя парами полюсов: 1 — обмотка статора, 2 — клетка ротора, 3 — узкий воздушный зазор, 4 — широкий воздушный зазор

Целесообразно рассмотрение вопроса совершенствования рассмотренного электродвигателя путём применения асимметричного ротора, увеличения числа фаз, расположения части обмотки в увеличенных немагнитных промежутках, равноценного применению активных слоёв с наклонными зубцами.

В настоящее время проводятся различные исследования, направленные на повышение эффективности электродвигателей путём применения асимметричной магнитной системы. Значительный эффект увеличения момента на валу в 2,16 раза заявлен в 2017 г. Виноградовым А.А. и Шишовым А.В., запатентовавшим электродвигатель с косыми магнитными полями. Ими предложено наклонить полюса статора и ротора на 30° и более.

Автором настоящей статьи проведено компьютерное моделирование тяговой электрической машины пассажирского электровоза, показывающее снижение потерь энергии в асинхронном двигателе с прямыми пазами статора и наклонными пазами ротора в 2,3 раза в среднеэксплуатационном режиме. Угол

«Научные исследования и инновации» наклона пазов ротора к радиусу у зазора 70°, у основания зубца 48° к первоначальному радиусу, в средней части 59° к первоначальному радиусу.

Перспективна разработка инновационных энергоэффективных тяговых двигателей электротранспорта на основе рассмотренных асимметричных конструкций.

1. Красильников А.Я., Красильников А.А. Расчёт силы взаимодействия (отталкивания) высококоэрцитивных постоянных магнитов в торцевых магнитных муфтах и плоских магнитных системах // Вестник машиностроения. 2013. №1. С. 15 — 17.

2. Юферов Ф.М. Электрические двигатели автоматических устройств. -М.: Госэнергоиздат, 1959. — 226 с.

3. Патент RU180432U1 Российская Федерация, МПК Н02К 99/00. Электродвигатель с косыми магнитными полями / Виноградов А.А., Шишов А.В., Седов М.К., Каиров А.А., Сидоров А.О. ; патентообладатель Шишов А.В. — № 2017120558 ; заявл. 14.06.17 ; опубл. 14.06.18, Бюл. № 17.

Двигатель с расщепленными полюсами — Shaded-pole motor

Малый C-образный двигатель с расщепленными полюсами двигатель с короткозамкнутым ротором. С показанными полюсами ротор будет вращаться по часовой стрелке. Затеняющие катушки (медные стержни)

электродвигатель с расщепленными полюсами является исходным типом AC однофазного асинхронный двигатель, созданный как минимум еще в 1890 году. Двигатель с расщепленными полюсами — это небольшой двигатель с короткозамкнутым ротором, в котором вспомогательная обмотка состоит из медного кольца или стержня, окружающего часть каждого полюса. Когда на обмотку статора подается однофазный переменный ток, из-за затенения полюсов создается вращающееся магнитное поле. Эта вспомогательная одновитковая обмотка называется затеняющей катушкой. Токи, индуцируемые в этой катушке магнитным полем, создают вторую электрическую фазу, задерживая фазу изменения магнитного потока для этого полюса (заштрихованный полюс), достаточный для обеспечения двухфазного вращающееся магнитное поле. Направление вращения — от незакрашенной стороны к заштрихованной (кольцевой) стороне опоры. Поскольку фазовый угол между заштрихованными и незатененными участками мал, двигатели с расщепленными полюсами вырабатывают лишь небольшой пусковой крутящий момент относительно крутящего момента на полной скорости. Электродвигатели с расщепленными полюсами показанного асимметричного типа могут быть реверсированы только путем разборки и переворота статора, хотя некоторые похожие на вид электродвигатели имеют небольшие вспомогательные обмотки из тонкой проволоки с коротким замыканием вместо толстых медных стержней и могут электрически реверсировать. Другой метод электрического реверсирования включает четыре катушки (две пары одинаковых катушек).

Обычная асимметричная форма этих двигателей (на фото) имеет только одну обмотку, без конденсатора или пусковых обмоток / пускового переключателя, что делает их экономичный и надежный. Более крупные и современные типы могут иметь несколько физических обмоток, хотя электрически только одну, и можно использовать конденсатор. Поскольку их пусковой крутящий момент невелик, они лучше всего подходят для привода вентиляторов или других легко запускаемых нагрузок. У них может быть несколько ответвлений около одного электрического конца обмотки, что обеспечивает регулируемую скорость и мощность путем выбора одного ответвления за раз, как в потолочных вентиляторах. Более того, они совместимы с регуляторами скорости на основе TRIAC, которые часто используются с вентиляторами. Они имеют мощность примерно до ⁄ 4 лошадиных сил (190 Вт). Выше ⁄ 3 лошадиных сил (250 Вт) они не распространены, а для более крупных двигателей другие конструкции предлагают лучшие характеристики. Главный недостаток — их низкий КПД около 25%. Основным преимуществом является то, что ток остановки двигателя лишь немного выше, чем рабочий ток, поэтому существует низкий риск сильного перегрева или срабатывания защиты цепи, если двигатель по какой-либо причине остановился.

Типы

  • Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором: Наиболее распространенный тип двигателя с экранированными полюсами при использовании дробной мощности — это асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором . Ротор состоит из многослойного стального цилиндра с проводящими медными или алюминиевыми стержнями, продольно встроенными в его поверхность и соединенными на концах.

См. Также

Ссылки

Wikimedia Commons содержит материалы, относящиеся к двигателям с экранированными полюсами .

Однофазный асинхронный электродвигатель

Однофазный асинхронный электродвигатель — это асинхронный электродвигатель, который работает от электрической сети однофазного переменного тока без использования частотного преобразователя и который в основном режиме работы (после пуска) использует только одну обмотку (фазу) статора.

Однофазный асинхронный электродвигатель с пусковой обмоткой

Конструкция однофазного двигателя с вспомогательной или пусковой обмоткой

Основными компонентами любого электродвигателя являются ротор и статор. Ротор — вращающаяся часть электродвигателя, статор — неподвижная часть электродвигателя, с помощью которого создается магнитное поле для вращения ротора.

Конструкция однофазного двигателя

Основные части однофазного двигателя: ротор и статор

Статор имеет две обмотки, расположенные под углом 90° относительно друг друга. Основная обмотка называется главной (рабочей) и обычно занимает 2/3 пазов сердечника статора, другая обмотка называется вспомогательной (пусковой) и обычно занимает 1/3 пазов статора.

Двигатель фактически является двухфазным, но так как рабочей является только одна обмотка, электродвигатель называют однофазным.

Ротор обычно представляет из себя короткозамкнутую обмотку, также из-за схожести называемой "беличьей клеткой". Медные или алюминиевые стержни которого с торцов замкнуты кольцами, а пространство между стержнями чаще всего заливается сплавом алюминия. Так же ротор однофазного двигателя может быть выполнен в виде полого немагнитного или полого ферромагнитного цилиндра.

Обмотки однофазного двигателя

Однофазный двигатель с вспомогательной обмоткой имеет 2 обмотки расположенные перпендикулярно относительно друг друга

Принцип работы однофазного асинхронного двигателя

Для того чтобы лучше понять работу однофазного асинхронного двигателя, давайте рассмотрим его только с одним витком в главной и вспомогательной обмотки.

Обмотки асинхронного двигателя

Проанализируем случай с двумя обмотками имеющими по оному витку

Рассмотрим случай когда в вспомогательной обмотки не течет ток. При включении главной обмотки статора в сеть, переменный ток, проходя по обмотке, создает пульсирующее магнитное поле, неподвижное в пространстве, но изменяющееся от +Фmах до -Фmах.

Магнитное поле витка

Остановить
Пульсирующее магнитное поле

Если поместить ротор, имеющий начальное вращение, в пульсирующее магнитное поле, то он будет продолжать вращаться в том же направлении.

Чтобы понять принцип действия однофазного асинхронного двигателя разложим пульсирующее магнитное поле на два одинаковых круговых поля, имеющих амплитуду равную Фmах/2 и вращающихся в противоположные стороны с одинаковой частотой:

  • где nпр – частота вращения магнитного поля в прямом направлении, об/мин,
  • nобр – частота вращения магнитного поля в обратном направлении, об/мин,
  • f1 – частота тока статора, Гц,
  • p – количество пар полюсов,
  • n1 – скорость вращения магнитного потока, об/мин

Разложение пульсирующего магнитного потока

Остановить
Разложение пульсирующего магнитного потока на два вращающихся

Действие пульсирующего поля на вращающийся ротор

Рассмотрим случай когда ротор, находящийся в пульсирующем магнитном потоке, имеет начальное вращение. Например, мы вручную раскрутили вал однофазного двигателя, одна обмотка которого подключена к сети переменного тока. В этом случае при определенных условиях двигатель будет продолжать развивать вращающий момент, так как скольжение его ротора относительно прямого и обратного магнитного потока будет неодинаковым.

Будем считать, что прямой магнитный поток Фпр, вращается в направлении вращения ротора, а обратный магнитный поток Фобр — в противоположном направлении. Так как, частота вращения ротора n2 меньше частоты вращения магнитного потока n1, скольжение ротора относительно потока Фпр будет:

  • где sпр – скольжение ротора относительно прямого магнитного потока,
  • n2 – частота вращения ротора, об/мин,
  • s – скольжение асинхронного двигателя

Магнитное поле однофазного двигателя

Прямой и обратный вращающиеся магнитные потоки вместо пульсирующего магнитного потока

Магнитный поток Фобр вращается встречно ротору, частота вращения ротора n2 относительно этого потока отрицательна, а скольжение ротора относительно Фобр

  • где sобр – скольжение ротора относительно обратного магнитного потока

Магнитное поле пронизывающее ротор

Остановить
Вращающееся магнитное поле пронизывающее ротор

Ток ротора асинхронного двигателя

Ток индуцируемый в роторе переменным магнитным полем

Согласно закону электромагнитной индукции прямой Фпр и обратный Фобр магнитные потоки, создаваемые обмоткой статора, наводят в обмотке ротора ЭДС , которые соответственно создают в короткозамкнутом роторе токи I2пр и I2обр. При этом частота тока в роторе пропорциональна скольжению, следовательно:

  • где f2пр – частота тока I2пр наводимого прямым магнитным потоком, Гц
  • где f2обр – частота тока I2обр наводимого обратным магнитным потоком, Гц

Таким образом, при вращающемся роторе, электрический ток I2обр, наводимый обратным магнитным полем в обмотке ротора, имеет частоту f2обр, намного превышающую частоту f2пр тока ротора I2пр, наведенного прямым полем.

Пример: для однофазного асинхронного двигателя, работающего от сети с частотой f1 = 50 Гц при n1 = 1500 и n2 = 1440 об/мин,

скольжение ротора относительно прямого магнитного потока sпр = 0,04;
частота тока наводимого прямым магнитным потоком f2пр = 2 Гц;
скольжение ротора относительно обратного магнитного потока sобр = 1,96;
частота тока наводимого обратным магнитным потоком f2обр = 98 Гц

Магнитный момент действующий на ротор

Согласно закону Ампера, в результате взаимодействия электрического тока I2пр с магнитным полем Фпр возникает вращающий момент

  • где Mпр – магнитный момент создаваемый прямым магнитным потоком, Н∙м,
  • сM — постоянный коэффициент, определяемый конструкцией двигателя

Электрический ток I2обр, взаимодействуя с магнитным полем Фобр, создает тормозящий момент Мобр, направленный против вращения ротора, то есть встречно моменту Мпр:

  • где Mобр – магнитный момент создаваемый обратным магнитным потоком, Н∙м

Результирующий вращающий момент, действующий на ротор однофазного асинхронного двигателя,

Справка: В следствие того, что во вращающемся роторе прямым и обратным магнитным полем будет наводиться ток разной частоты, моменты сил действующие на ротор в разных направлениях будут не равны. Поэтому ротор будет продолжать вращаться в пульсирующем магнитном поле в том направлении в котором он имел начальное вращение.

Тормозящее действие обратного поля

При работе однофазного двигателя в пределах номинальной нагрузки, то есть при небольших значениях скольжения s = sпр, крутящий момент создается в основном за счет момента Мпр. Тормозящее действие момента обратного поля Мобр — незначительно. Это связано с тем, что частота f2обр много больше частоты f2пр, следовательно, индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора х2обр = x2sобр току I2обр намного больше его активного сопротивления. Поэтому ток I2обр, имеющий большую индуктивную составляющую, оказывает сильное размагничивающее действие на обратный магнитный поток Фобр, значительно ослабляя его.

  • где r2 — активное сопротивление стержней ротора, Ом,
  • x2обр — реактивное сопротивление стержней ротора, Ом.

Если учесть, что коэффициент мощности невелик, то станет, ясно, почему Мобр в режиме нагрузки двигателя не оказывает значительного тормозящего действия на ротор однофазного двигателя.

Моменты сил действующие на неподвижный ротор

С помощью одной фазы нельзя запустить ротор

Моменты сил действующие на вращающийся ротор

Ротор имеющий начальное вращение будет продолжать вращаться в поле создаваемом однофазным статором

Действие пульсирующего поля на неподвижный ротор

При неподвижном роторе (n2 = 0) скольжение sпр = sобр = 1 и Мпр = Мобр, поэтому начальный пусковой момент однофазного асинхронного двигателя Мп = 0. Для создания пускового момента необходимо привести ротор во вращение в ту или иную сторону. Тогда s ≠ 1, нарушается равенство моментов Мпр и Мобр и результирующий электромагнитный момент приобретает некоторое значение .

Пуск однофазного двигателя. Как создать начальное вращение?

Одним из способов создания пускового момента в однофазном асинхронном двигателе, является расположение вспомогательной (пусковой) обмотки B, смещенной в пространстве относительно главной (рабочей) обмотки A на угол 90 электрических градусов. Чтобы обмотки статора создавали вращающееся магнитное поле токи IA и IB в обмотках должны быть сдвинуты по фазе относительно друг друга. Для получения фазового сдвига между токами IA и IB в цепь вспомогательной (пусковой) обмотки В включают фазосмещающий элемент, в качестве которого используют активное сопротивление (резистор), индуктивность (дроссель) или емкость (конденсатор) [1].

После того как ротор двигателя разгонится до частоты вращения, близкой к установившейся, пусковую обмотку В отключают. Отключение вспомогательной обмотки происходит либо автоматически с помощью центробежного выключателя, реле времени, токового или дифференциального реле, или же вручную с помощью кнопки.

Таким образом, во время пуска двигатель работает как двухфазный, а по окончании пуска — как однофазный.

Подключение однофазного двигателя

С пусковым сопротивлением

Двигатель с расщепленной фазой — однофазный асинхронный двигатель, имеющий на статоре вспомогательную первичную обмотку, смещенную относительно основной, и короткозамкнутый ротор [2].

Однофазный асинхронный двигатель с пусковым сопротивлением — двигатель с расщепленной фазой, у которого цепь вспомогательной обмотки отличается повышенным активным сопротивлением.

Схема однофазного двигателя с пусковым сопротивлением

Омический сдвиг фаз, биффилярный способ намотки пусковой обмотки

Однофазный двигатель с разным сопротивлением обмоток

Разное сопротивление и индуктивность обмоток

Для запуска однофазного двигателя можно использовать пусковой резистор, который последовательно подключается к пусковой обмотки. В этом случае можно добиться сдвига фаз в 30° между токами главной и вспомогательной обмотки, которого вполне достаточно для пуска двигателя. В двигателе с пусковым сопротивлением разность фаз объясняется разным комплексным сопротивлением цепей.

Также сдвиг фаз можно создать за счет использования пусковой обмотки с меньшей индуктивностью и более высоким сопротивлением. Для этого пусковая обмотка делается с меньшим количеством витков и с использованием более тонкого провода чем в главной обмотке.

Отечественной промышленностью изготавливается серия однофазных асинхронных электродвигателей с активным сопротивлением в качестве фазосдвигающего элемента серии АОЛБ мощностью от 18 до 600 Вт при синхронной частоте вращения 3000 и 1500 об/мин, предназначенных для включения в сеть напряжением 127, 220 или 380 В, частотой 50 Гц.

С конденсаторным пуском

Двигатель с конденсаторным пуском — двигатель с расщепленной фазой, у которого цепь вспомогательной обмотки с конденсатором включается только на время пуска.

Схема однофазного двигателя с пусковым конденсатором

Ёмкостной сдвиг фаз с пусковым конденсатором

Чтобы достичь максимального пускового момента требуется создать круговое вращающееся магнитное поле, для этого требуется чтобы токи в главной и вспомогательной обмотках были сдвинуты друг относительно друга на 90°. Использование в качестве фазосдвигающего элемента резистора или дросселя не позволяет обеспечить требуемый сдвиг фаз. Лишь включение конденсатора определенной емкости позволяет обеспечить фазовый сдвиг 90°.

Среди фазосдвигающих элементов, только конденсатор позволяет добиться наилучших пусковых свойств однофазного асинхронного электродвигателя.

Двигатели в цепь которых постоянно включен конденсатор используют для работы две фазы и называются — конденсаторными. Принцип действия этих двигателей основан на использовании вращающегося магнитного поля.

Однофазный электродвигатель с экранированными полюсами

Двигатель с экранированными полюсами — двигатель с расщепленной фазой, у которого вспомогательная обмотка короткозамкнута.

Статор однофазного асинхронного двигателя с экранированными полюсами обычно имеет явно выраженные полюса. На явно выраженных полюсах статора намотаны катушки однофазной обмотки возбуждения. Каждый полюс статора разделен на две неравные части аксиальным пазом. Меньшую часть полюса охватывает короткозамкнутый виток. Ротор однофазного двигателя с экранированными полюсами — короткозамкнутый в виде "беличьей" клетки.

При включении однофазной обмотки статора в сеть в магнитопроводе двигателя создается пульсирующий магнитный поток. Одна часть которого проходит по неэкранированной Ф’, а другая Ф" — по экранированной части полюса. Поток Ф" наводит в короткозамкнутом витке ЭДС Ek, в результате чего возникает ток Ik отстающий от Ek по фазе из-за индуктивности витка. Ток Ik создает магнитный поток Фk, направленный встречно Ф", создавая результирующий поток в экранированной части полюса Фэ=Ф"+Фk. Таким образом, в двигателе потоки экранированной и неэкранированной частей полюса сдвинуты во времени на некоторый угол.

Пространственный и временной углы сдвига между потоками Фэ и Ф’ создают условия для возникновения в двигателе вращающегося эллиптического магнитного поля, так как Фэ ≠ Ф’.

Пусковые и рабочие свойства рассматриваемого двигателя невысоки. КПД намного ниже, чем у конденсаторных двигателей такой же мощности, что связано со значительными электрическими потерями в короткозамкнутом витке.

Однофазный электродвигатель с асимметричным магнитопроводом статора

Однофазный асинхронный двигатель с асимметричным магнитопроводом статора

Статор такого однофазного двигателя выполняется с ярко выраженными полюсами на не симметричном шихтованном сердечнике. Ротор — короткозамкнутый типа "беличья клетка".

Данный электродвигатель для работы не требует использования фазосдвигающих элементов. Недостатком данного двигателя является низкий КПД.

Электромеханический анализ асинхронного двигателя с помощью численного моделирования

В 1800-х годах два ученых — Никола Тесла и Галилео Феррарис — независимо друг от друга пришли к созданию асинхронного двигателя переменного тока (конструкции предложенные учеными различались). Такие машины переменного тока (AC) оказались надежной альтернативой двигателям постоянного тока (DC), которые были популярны в то время. Изучение асинхронных двигателей подразумевает учёт множества физических явлений, которые в них происходят. В данной статье мы покажем, как можно провести детальный электромеханический анализ такого устройства с помощью программного обеспечения COMSOL Multiphysics®.

История развития конструкции асинхронных двигателей

Не смотря на то, что и Никола Тесла и Галилео Феррарис построили ранние версии асинхронных двигателей переменного тока в одно время в 19 веке, Тесле (как большому приверженцу технологий на основе переменного тока) чаще приписывают изобретение двигателя. Это устройство оказалось одной из самых популярных электрических машин, а будущие его модификации оказались долговечными, надежными и адаптируемыми.

Фотография асинхронного двигателя Тесла.Фотография современного трехфазного асинхронного двигателя.
Сверху: Асинхронный двигатель Тесла. Изображение предоставлено Z22 — собственная работа. Доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 через Wikimedia Commons. Снизу: Современный трехфазный асинхронный двигатель. Изображение в открытом доступе через Wikimedia Commons.

Инженеры продолжают совершенствовать эти двигатели за счёт детального анализа их производительности, что требует учёта разнообразных физических эффектов. Так, электромеханический анализ конструкции трехфазного асинхронного двигателя можно реализовать за счет функциональных возможностей модулей "Динамика многотельных систем" и "AC/DC" в нашей программе. Давайте рассмотрим демонстрационную модель, которая доступна в библиотеке моделей и приложений COMSOL Multiphysics®, начиная с версии 5.3. (Вы также можете найти её в онлайн-галерее моделей и приложений.)

Численный электромеханический анализ трехфазного асинхронного двигателя

Все ключевые элементы 3D-модели трехфазного асинхронного двигателя представлены на схеме ниже. Мы будем явно моделировать каждую деталь за исключением подшипников и основания, которые мы опишем как безмассовые пружины.

Схема численной модели трехфазного асинхронного двигателя.

Геометрическая сборка трехфазного асинхронного двигателя с корпусом.

В нашем примере статор и ротор слегка смещены друг относительно друга, в результате чего появляется асимметрия небольшого воздушного зазора между ними. В результате неё в двигателе возникают вибрации, которые можно проанализировать с помощью численного моделирования. Вихревые токи в роторе при его вращении индуцируются за счёт гармонического тока в обмотках статора.

Сопряженный электродинамический и многотельный механический расчёт в COMSOL Multiphysics®

В модели мы проводим два сопряженных исследования: электродинамический расчёт в 2D и расчёт многотельной динамики в 3D. В этих исследованиях мы используем следующие физические интерфейсы: Rotating Machinery, Magnetic для описания электромагнитных полей в двигателе и Multibody Dynamics для моделирования движения ротора и вибраций корпуса.

Сначала обсудим настройки электромагнитной части модели. Мы используем упрощенную модель, содержащую только три основные части:

  1. Ламинированный стальной статор с медными обмотками
  2. Ротор, стальной внутри и алюминиевый снаружи
  3. Асимметричный воздушный зазор между ними

Обратите внимание, что 2D-геометрия, показанная ниже, является поперечным сечением полной 3D-геометрии. Переменный ток 60 Гц на многовитковых (2045 витков) обмотках статора мы задаем с помощью условия Coil с опцией Homogenized Multi-Turn.

Дополнительная информация о геометрических размерах и электромагнитной модели приведена в документации.

Поперечное сечение трехфазного асинхронного двигателя с обозначенными различными областями.

Поперечное сечение модели трехфазного асинхронного двигателя. Обозначены (A, B и C) три различные катушки статора — три фазы двигателя.

"Переключим передачу" и рассмотрим настройки для механической части задачи. В ней мы используем полную 3D-геометрию, в которой статор, ротор и вал заданы как жесткие тела, при этом ротор жестко закреплен на валу. Упругие шарнирные соединения между ротором и корпусом из конструкционной стали имитируют подшипники, которые поддерживают ротор и через которые передаются усилия/вибрации на корпус. Что касается корпуса, то в модели он рассматривается как упругий, а для его соединения с основанием используются эластичные неподвижные соединения. Угловая скорость ротора определяется заданным крутящим моментом.

В итоге мы проводим электромеханический расчёт для сопряженных моделей магнитной и многотельной динамической частей двигателя. Так, электромагнитные силы и крутящие моменты, вызванные несоосностью статора и ротора, которые рассчитываются в интерфейсе Rotating Machinery, Magnetic задаются как механические нагрузки в интерфейсе Multibody Dynamics. При этом поворот шарнирного соединения, определяемый в интерфейсе Multibody Dynamics подставляется в интерфейс Rotating Machinery, Magnetic для определения угловой скорости ротора.

Результаты расчёта трехфазного асинхронного двигателя

Давайте рассмотрим данные расчёта временных зависимостей нормы магнитной индукции и электромагнитных сил, действующих на ротор. На графике для электромагнитных сил мы наблюдаем колебания силы в поперечном направлении, которые вызваны несоосностью статора и ротора.

График в COMSOL Multiphysics® для электромагнитных сил, действующих в роторе.

Норма магнитной индукции в роторе и статоре с течением времени (слева) и электромагнитные силы ротора в поперечном и осевом направлениях (справа).

Проанализируем расчетные данные по электромагнитному крутящему моменту: когда частота вращения ротора равна электрической частоте статора, электромагнитный момент падает до нуля, если к валу не приложена нагрузка. Задержка по времени, требуемая для выравнивания частоты вращения ротора и электрической частоты статора, зависит от инерции ротора. В этом случае ротору требуется 0.7 секунды для выхода на постоянную скорость.

График временной зависимости электромагнитного крутящего момента.

График, отображающий угловую скорость ротора в зависимости от времени.

Электромагнитный крутящий момент ротора (слева) и угловая скорость (справа) в зависимости от времени.

Совместная анимация скорости вращения ротора и распределением механических напряжений по Мизесу в корпусе показывает зоны с высоким напряжением. Области вблизи подшипника и места крепления корпуса на основание имеют самые высокие значения напряжений.

Распределение напряжений по Мизесу в корпусе и скорость ротора.

На приведенных ниже графиках показаны силы, действующие на Подшипник 1, Подшипник 2 и Крепление 1, в зависимости от времени. Эти силы передаются через упругий корпус к основанию.

График сил, действующих на первый подшипник в поперечном и осевом направлениях.

График сил, действующих на второй подшипник в поперечном и осевом направлениях.

График сил, действующий на крепление между корпусом и основанием.

Силы, действующие на подшипник 1 (слева) и подшипник 2 (посередине) в поперечном и осевом направлениях. Силы, действующие на одно из соединений между корпусом и основанием (справа).

Проанализировав частотный спектр электромагнитных сил, мы можем сделать вывод, что частота колебаний составляет 120 Гц, что вдвое превышает электрическую частоту статора. Несмотря на это, график частотного спектра для места соединения корпуса с основанием показывает доминирующий частотный вклад около 60 Гц с несколькими пиками около 83 Гц — первой собственной частоты корпуса асинхронного двигателя.

График частотного спектра электромагнитных сил, действующих на ротор.

График частотного спектра электромагнитных сил, действующих на соединение между корпусом и основанием.

Частотный спектр электромагнитных сил ротора (слева) и сил в соединении корпус-основание (справа).

Наконец, давайте рассмотрим вращательное (орбитальное) движение ротора, которое возникает в результате вибрации ротора в поперечном направлении относительно статора. Оно вызвано электромагнитными силами, действующими на ротор в поперечном направлении, и конечной жесткостью подшипников, поддерживающих концы ротора. Орбиты, показанные на следующем графике, не являются концентрическими из-за асимметричной инерции ротора в осевом направлении.

График вращательного движения ротора на обоих подшипниках.

Орбитальное движение ротора, сочетающее вращение и вибрации, в местах расположения первого и второго подшипников.

Хотите внимательно разобрать данный пример электромеханического расчёта? Откройте учебную модель с помощью кнопки, расположенной ниже.

Узнайте больше про асинхронные двигатели и электромеханическое моделирование

  • Ознакомьтесь с несколькими статьями нашего корпоративного блога, в которых разбирается сопряжение механических и электродинамических расчётов:
  • Численное моделирование чувствительных элементов акселерометра для измерения больших ускорений
  • Компания ETREMA анализирует магнитострикционные материалы с помощью моделирования
  • Анализ ассинхронного двигателя: Верификационная задача TEAM
  • Как автоматизировать проектирование обмоток в электрических машинах с использованием приложения для моделирования

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *