исследование влияния формы пазов статора и ротора на

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ НГТУ. – 2012. – № 2(68) –125–132
УДК 621.313.13.043.001.5
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФОРМЫ ПАЗОВ
СТАТОРА И РОТОРА НА ПУСКОВЫЕ СВОЙСТВА*
П.А. ПОСКОТИНОВ
Проведен обзор технической литературы и рассмотрены различные формы пазов статора и ротора. Рассмотрены расчеты асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым
ротором двумя различными способами: с помощью методики, представленной в [1], и с
помощью программы конечно элементного анализа FEMM, под управлением языка инженерного программирования MATLAB.
Ключевые слова: асинхронные машины, короткозамкнутый ротор, метод конечно элементного и конечно разностного анализа, паз, кратность пускового момента, кратность
пускового тока.
ВВЕДЕНИЕ
Асинхронные машины применяются во всех отраслях промышленности
как в нашей стране, так и в большинстве стран мира. Недостаточно исследованной областью асинхронных двигателей является проблема пуска. В настоящее время известны различные методы расчета параметров электрических
машин с помощью: эквивалентных схем замещения (метод зубцовых контуров, эквивалентных каскадных схем замещения); методы конечно элементного и конечно разностного анализа и другие. Наибольшее применение среди
них нашли методы эквивалентных схем замещения и конечно элементного
анализа.
В основу определения параметров короткозамкнутого ротора положен
расчет электромагнитного поля ротора методами конечно элементного анализа. Выбор данного метода расчета обусловлен тем, что в течение последних
десятилетий метод конечно элементного анализа, благодаря развитию вычислительной техники и программных средств, автоматизировавших построение
и решение систем вариационно-разностных уравнений, позволил решать прикладные задачи различной степени сложности. Созданный для решения сложных уравнений теории упругости и строительной механики, метод конечно
элементного анализа оказался гораздо эффективней метода конечных разностей. Данный метод незаменим, когда необходимо учитывать сложность геометрической формы расчетных областей и физические свойства материалов.
* Статья получена 13 января 2012 г.
126
П.А. Поскотинов
Современные программные средства позволяют исследователю выполнить расчет с учетом нелинейных характеристик материалов. При этом нет
необходимости записи довольно сложных исходных дифференциальных
уравнений теории поля, поскольку расчет ведется в интерактивной среде, а
получаемые результаты наглядны. Особенно это важно при применении метода в инженерной практике.
Исходными данными для расчета магнитного поля являются: геометрические размеры, характеристики материалов и сред, плотности токов в обмотках, а также граничные условия, которые вводятся для получения однозначности решения.
В настоящее время асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором
и привода на их основе получили широкое распространение. Широта области
использования асинхронных электродвигателей столь велика благодаря
большому диапазону мощностей, простой конструкции, надежности и высоким технико-экономическими показателями, возможности исполнения данных машин с различными степенями защиты, что позволяет применять их как
в нормальных условиях эксплуатации, так и при жестком воздействии окружающей среды. Анализ технической литературы последних лет показывает,
что развитие асинхронных двигателей неразрывно связанно с совершенствованием изоляционных материалов, повышением эффективности систем охлаждения, применением новых конструктивных решений, направленных на повышение надежности и улучшение технико-экономических показателей.
Также в процессе проектирования всегда уделяется внимание снижению материалоемкости и улучшению показателей энергоэффективности. При этом
широкое распространение получают методики исследования и проектирования асинхронных двигателей на основе математического моделирования, что
позволяет повысить точность расчетов.
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Первые решения по улучшению пусковых характеристик были предложены уже через несколько лет после появления на свет асинхронного двигателя
с короткозамкнутым ротором. В 1892 году М.О. Доливо-Добровольский предложил конструкцию обмотки ротора, названной «двойная беличья клетка»,
или якорь Бушеро, которая нашла свое применение в 1898 г. благодаря работам французского инженера Бушеро.
Наиболее распространенные конструкции короткозамкнутых роторов
приведены на рис. 1.1–1.2. Существует две технологии изготовления короткозамкнутых обмоток асинхронных двигателей: путем заливки пазов ротора
алюминием и путем укладки в пазы ротора стержней преимущественно из
Исследование влияния формы пазов статора и ротора на пусковые свойства
127
меди или медных сплавов с последующим их соединением с короткозамыкающими кольцами с помощью пайки или других. способов.
Применение пазов ротора различной формы (рис. 1.1) позволяет достичь
необходимой кратности пускового момента, при сохранении допустимой
кратности пускового тока.
Рис. 1.1. Различные конфигурации пазов короткозамкнутого ротора
с обмоткой типа «беличья клетка»
Еще один способ улучшения пусковых характеристик является применение различных материалов для стержней и колец, обладающих повышенным
удельным сопротивлением.
Для машин с тяжелыми условиями пуска широко применяются ротора с
«двойной беличьей клеткой» (рис. 1.2), которая также позволяет повысить
пусковой момент. При такой конфигурации обмотки ротора верхняя клетка
играет роль пусковой и работает в зоне больших скольжений, а нижняя играет
роль рабочей. В случае использования такой обмотки возможно соединение
пусковой и рабочей клетки как единым короткозамыкающим кольцом, так и
различными кольцами. Широко применяется следующий прием, когда верхняя клетка выполняется из материала с большим удельным сопротивлением,
Рис. 1.2. Различные конфигурации пазов короткозамкнутого
ротора с обмоткой типа «двойная беличья клетка»
П.А. Поскотинов
128
чем нижняя. В последнее время в асинхронных двигателях зарубежного производства находят применение короткозамкнутые ротора с «двойной беличьей клеткой», когда пазы с пусковой обмоткой чередуются с пазами с рабочей обмоткой (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Ротор асинхронного двигателя с чередующимися пазами пусковой и рабочей
обмотки
Необходимо отметить, что наряду с хорошими пусковыми характеристиками двигатели с «двойной беличьей клеткой» обладают несколько худшими
энергетическими показателями, нежели двигатели с одинарной клеткой.
В литературе описан ряд оригинальных технических решений, цель которых повышение пускового момента и снижение пускового тока. Так, изображенный на рис. 1.4 способ, позволяет, используя пазы простой прямоугольной
формы, добиваться высоких пусковых моментов. В паз вкладываются несколько массивных проводников друг над другом, взаимно отделенных стальными прокладками, с целью вызвать неравномерное распределение тока между проводниками во время пуска, увеличивая тем самым полное
сопротивление проводников, уложенных в пазу. Фактически данная конструкция представляет собой многоклеточный ротор и обладает такими же
недостатками, что и ротор типа двойная беличья клетка: повышенное рассеяние ротора и несколько худшие энергетические характеристики двигателя.
Обзор научно-технической литературы показал, что основным конструктивно-техническим отличием, влияющим на пусковые свойства электродвигателя, является форма и размерные соотношения пазов ротора.
Исследование влияния формы пазов статора и ротора на пусковые свойства
129
Рис. 1.4. Паз со стальными вкладками и картина распределения
плотности тока
При расчете по методике, представленной в учебном пособии [1], получились следующие результаты.
Таблица 1
Результаты расчёта пусковых характеристик асинхронного электродвигателя
№
п/п
1
2
Величина
′
Iп
′
Мп
Скольжение, о.е
Размерность
1
0.75
0.65
0.5
0.45
0.2
0.05
–
6.7
6.4
6.3
6.0
5.8
4.2
1.5
–
3.1
3.6
4.0
4.5
4.7
5.5
3.0
При расчете модели асинхронного электродвигателя рис. 1.5, с помощью
программы конечно элементного анализа FEMM , под управлением языка
инженерного программирования MATLAB, получаются зависимости тока и
момента в функций скольжения.
П.А. Поскотинов
130
Рис. 1.5. Модель асинхронного электродвигателя
Каждая форма паза создает свою картину распределения плотности тока
по сечению стержня и определяет своеобразную кривую вращающего момента в функции скольжения рис. 1.6.
Таблица 2
Результаты расчёта пусковых характеристик асинхронного электродвигателя
методом конечно элементного анализа, под управлением языка инженерного программирования MATLAB
№
п/п
Величина
Размер
мерность
Скольжение, о.е
1
0.75
0.65
0.5
0.45
0.2
0.05
1
I′ п
–
6.77
6.52
6.38
6.1
5.92
4.31
1.60
2
М′п
–
3.14
3.75
4.05
4.69
4.89
5.69
3.12
Исследование влияния формы пазов статора и ротора на пусковые свойства
131
Рис. 1.6. Пусковые механические характеристики:
1 – Зависимость тока от скольжения, 2 – зависимость момента от скольжения
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
По результатам исследований для конкретной машины с использованием
метода конечно элементного анализа получены наиболее точные характеристики, которые наиболее достоверно отражают реальный процесс.
Отвечающие стандарту пусковые свойства возможно получить за счет рационально выбранной формы и размерных соотношений паза. Исследование
влияния различных конструктивных решений на пусковые свойства является
актуальной задачей, так как асинхронные электродвигатели широко используются для реализации научно-технических решений в современных управляемых электромеханических системах.
[1] Копылов И.П. Электрические машины: учеб. для вузов. – 3-е изд.,
испр. – М.: Высш. шк., 2002. – 607 с.
[2] Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин:
учеб. для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2001. – 327 с.
132
П.А. Поскотинов
Поскотинов Павел Анатольевич – аспирант кафедры электромеханики
Новосибирского государственного технического университета. Основное
направление научных исследований – асинхронные машины. Имеет 8 публикаций. Е-mail: pavel51288@mail.ru.
P.A. Poskotinov
The effect of the shape of stator and rotor slots on the start-up properties
The analysis of the literature and considered the various forms of the stator and rotor slots.
Calculations are considered asynchronous motor with squirrel cage rotor in two different
ways: using the techniques presented in [1], and by using the finite element analysis FEMM,
under the control of language engineering software MATLAB.
Key words: asynchronous machine, squirrel cage rotor, the method of finite element and finite difference analysis, the slot, the starting torque, starting current.