Разработка и исследование немагнитных проволочных якорей электродвигателей постоянного тока

Беспазовое исполнение электрических машин использовалось практически с самого начала развития электромашиностроения. Первые электрические машины, предложенные П. Барлоу (1824г.), М. Фарадеем (1831г.) и У. Риччи (1833г.) [39], бы-ли, по существу, электродвигателями с беспазовыми обмоточными структурами.

Внедрение шихтованных магнитопроводов с начала (80.90)" х годов прошлого века, образуемых из штампованных ферромагнитных листов, позволило существенно повысить технико-экономические показатели электрических машин и, вместе с тем, решить ряд задач конструкционного и технологического характера. В частности, размещение обмотки в пазах шихтованного магнитопровода позволило решить вопрос ее надежного закрепления, особенно на вращающихся частях, при одновременном уменьшении немагнитного зазора.

Вместе с тем, использование шихтованного магнитопровода для образования зубцово-пазовых структур и ярма предопределило практически исключительное распостранение электрических машин цилиндрического исполнения. Поэтому к концу прошлого-началу нынешнего века электрическая машина постоянного тока с зубцово-пазовой структурой на цилиндрическом шихтованном магнитопроводе, ставшим своего рода конструкционной аксиомой, приобрела все основные черты, присущие современным электродвигателям [44J.

Начиная с 50″ х годов нашего столетия возникла потребность в быстродействующем электроприводе высокой точности, с высокими энергетическими и динамическими показателями.

Электродвигатели с зубцово-пазовой структурой не удовлетворяют предъявленным требованиям по указанным показателям. Они имеют в (5. .10)раз меньшее, чем требуется, собственное быстродействие при высоком уровне массы на единицу момента и низкую до (2. .3)крат перегрузочную способность из-за коммутационных ограничений. И хотя методы увеличения собственного быстродействия электродвигателей и снижения коммутационных ограничений, заключающийся в вынесении обмотки якоря из пазов магитопровода и, более того, выполнение БОС механически не связанной с магнитопроводом, были известны и ранее, освоению выпуска малоинерционных электродвигателй в промышленном масштабе препятствовала недостаточно развитая технологическая база производства и отсутствие целого ряда конструкционных материалов. Поэтому, несмотря на попытки создания малоинерционных электродвигателей с БОС, предпринимаемые с начала нашего века, например, предложенная Сайерсом (W.В.Sayers) в 1921 г. конструкция гладкого якоря [78], их успешная технологическая реализация стала возможной лишь с начала 60″ х годов [44,45].

Высокая потребность в малоинерционных электродвигателях, а главное, возможность сравнительно простого их промышленного выпуска вновь возродили интерес к поиску новых конструктивных и технологических решений как БОС так и электродвигателей в целом. В течение последних 40 лет были созданы и разработаны электродвигатели с цилиндрическим и дисковым печатным якорями, с гладким якорем (БОС расположена на магни-топроводе и механически с ним связана), полым якорем (БОС механически не связана с магнитопроводом) и дисковым проволочным якорем. Принципиальным отличительным признаком указанных электродвигателей является наличие БОС.

Обладая конструктивной общностью-БОС, рассматриваемые электродвигатели имеют одинаковыми не только оценочный уровень показателей, но и характер изменения некоторых из них [45,47]. Например, оценки реализуемого уровня показателей для электродвигателей с цилиндрическими НПЯ и печатным якорем могут быть выражены следующими соотношениями.

Юм * (0,18.0,25)-Мн0'35^ с «(2500. .3000)-Мн~0,2 ' Мн = [0.02.0.5]Ни (В. 1).

Оценки уровня показателей электродвигателей с дисковым печатным якорем могут быть произведены по соотношениям.

Юм «(0,16. .0,21)-Мнол7 с * (3600. .7000) *МН~0>77 ' Мн = [0. 5. 4]Нм. (В.2) а электродвигателей с дисковым НПЯ по соотношениям и 0,35 с «сЦ-Мн'0'77 ' Мн — [0,2. .5]Нм, (В.З) где коэффициенты а^ и а^ приведены в табл. В. 1.

Таблица В.1 а1 Марка магнита индуктора.

ЮНДК35Т5БА SmCo5 2БА1 а* 0,25 0.335 0,18 а* 4800 3100 920.

Как следует из (В.2) и (В.З) рассматриваемые электродвигатели имеют достаточно близкие уровни и одинаковый характер изменения динамических показателей. При этом в области моментов Мн<(0,2. .0,25)Нм близки по уровню и энергетические показатели. Известно [48], что потери от вихревых токов в беспазовой обмотке якоря пропорциональны ширине проводника в 3~й степени т. е. Ьп3. С уменьшением Мн уменьшаются размеры якоря в целом и, в том числе, и ширина проводника Ьп, что, соответственно, резко уменьшает уровень вихревых потерь, приближая структуру потерь в печатном якоре к структуре потерь в НПЯ, в котором потери на вихревые токи (в области dM3 < 0,001м) практически незначимы. С ростом Мн возрастает ширина печатного проводника и относительный уровень вихревых потерь. Поэтому, например, при Мн * 3,2Нм (Р2н = 1000Вт, <о = 314рад/с) удельный момент п^ ДНПЯ в 1,5 раза выше нежели у дискового электродвигателя с печатным якорем.

Из условия обеспечения допустимой по принятому классу нагревостойкости изоляции температуры обмотки наружный диаметр должен удовлетворять соотношению.

В табл. В. 2. приведены оценочные значения коэффициента KsP = EPa/Ia2-Ra и структура значимых потерь в якоре.

Структура основных потерь, представленных в табл. В. 2., подтверждает практическую реализацию более высоких энергетических показателей ДНПЯ по сравнению с другими типами двигателей.

Сопоставляя изменение показателей ДНПЯ с цилиндрическим и дисковым якорями по по (В.1) и (В.3) можно сделать следующие выводы:

1) Уровень энергетических показателей дисковых электро.

½.

De > 2Х- 1а • ?

ВЛ).

Таблица В. 2.

Электродвигатель с обмоткой якоря: Оценка Ksp Потери в якоре (Наличие-знак +).

В магнито-проводе Джоулевы в обмотке Вихревые в обмотке в пазах шихтованного магнитопровода 1,5−3 + + на поверхности магнитопровода 1,2−1.5 + + печатной 1,5−2 + + проволочной *1 + двигателей несколько выше, нежели у цилиндрических при одинаковом характере их изменения, что объясняется лучшими условиями теплоотдачи с поверхности дискового якоря, так как последняя осуществляется с двух торцевых сторон НПЯ. Следовательно, в общем случае.

М дисковой Б0с/®М цилиндрической БОС (В. 5).

2) Характер изменения динамических показателей ДНПЯ с цилиндрическим и дисковым НПЯ существенно различен. Определяющим, в данном случае, является то обстоятельство, что с ростом наружного диаметра дискового якоря De момент инерции вращающихся частей J возрастает быстрее нежели, момент номинальный Мн, что и приводит к более существенной зависимости e=f (MH). Поэтому, как следует из (В.1) и (В.3), ДНПЯ с дисковым ротором в диапазоне моментов до Мн < (2,5. .3)Нм имеют более высокие динамические показатели.

Важно отметить, что коническое исполнение НПЯ и ротора позволяет варьировать характер изменения динамических показателей ДНПЯ в пределах (-0,77.-0,22), т. е. примерно в диапазоне (-¾.-¼), обеспечивая изменением угла конусности 0 при проектировании требуемый уровень динамических показателей при максимуме энергетических.

Следует отметить еще одно чрезвычайно важное достоинство НПЯ с коническим якорем: даже при сравнительно небольших углах конусности 0 * (5.10)° осевая жесткость конического ротора существенно (на один-два порядка) возрастает по сравнению с дисковой (см. рис. 1.10).

В настоящей работе дисковое и цилиндрическое исполнения НПЯ представлены как частные случаи общегоконического исполнения.

Исследуемые в настоящей работе электродвигатели просты по конструкции, имеют высокую конструктивную гибкость, сохраняя уровень показателей при варьировании основных элементов геометрии и сравнительно просто встраиваются и совмещаются как с редукторами, шарико-винтовыми парами и т. п. изделиями, так и с устройствами в целом, например, в корпусные детали звена промышленного робота или в корпус дисковода ЭВМ. Электродвигатели обладают достаточно высоким уровнем как динамических — (е, Тэм)) так и энергетических (Р2н• ч) показателей при сравнительно малой «весовой цене» реализуемых крутящих моментов и практически безотходной технологии.

Высокий уровень динамических и энергетических показателей предопределяет и области применения ДНПЯ. Это электропривод промышленных роботов и автоматических манипуляторов, электропривод механизмов подвижных устройств с автономными источниками питания, например, электропривод микроавтомобилей, стеклоочистителей и стеклоподъёмников автомобилей, автомобильных лебедок, а также электропривод механизмов, предъявляющих повышенные требования к качеству движения, например, дисководов ЭВМ, лентопротяжных устройств приборов и ЭВМ.

Активные размеры ДНПЯ определяются, в основном, уровнем теплонагруженности НПЯ т. е. допустимой величиной суммарных потерь, отводимых с поверхности якоря пропорциональных удельныму тепловому потоку с указанной поверхности. Суммарные же потери в ДНПЯ практически равны Джоулевым потерям в проводниках НПЯ, которые, в свою очередь, пропорциональны длине витка. Вместе с тем, в конических БОС размеры активной и лобовых частей взаимосвязаны, т. е. размеры лобовых частей в радиальном направлении определяют размеры внутреннего и наружного активных диаметров НПЯ и, соответственно, активную длину витка. Следовательно, точность определения параметров ДНПЯ, а также его энергетических и динамических показателей существенным образом зависит от точности расчета всех элементов геометрии витка обмотки НПЯ и от точности расчета геометрии технологической оснастки, обеспечивающей трансформацию витка заготовки в процессе изготовления от исходного технологического состояния (как правило на шаблоне для намотки) до собственно витка обмотки НПЯ. В связи с этим тема диссертационной работы является актуальной и представляет научный и практический интерес.

Несмотря на многообразие разработанных конструкций малоинерционных электродвигателей и значительное количество публикаций в настоящее время нет сколько-нибудь полных исследований и разработанных способов инженерных расчетов основных элементов геометрии и параметров НПЯ и технологической оснастки для их реализации для различных чисел пар полюсов и пар слоёв обмотки, угла конусности якоря в АЧ и в зонах ЛЧ, формы витка обмотки в АЧ и исполнения ЛЧ.

Поэтому основная цель диссертационной работыразработка новых конструктивных решений ДНПЯ и НПЯ, а также способов их технологической реализации, способов расчета геометрии и параметров НПЯ и основных элементов геометрии технологической оснастки, обеспечивающей заданные размеры витка НПЯ. Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

— создание математической модели ДНПЯ, позволяющей с единых позиций исследовать влияние различных исполнений НПЯ на энергетические и динамические показатели электродвигателя;

— разработка способов расчета геометрии АЧ и ЛЧ и параметров НПЯ различных исполнений;

— разработка способов расчета основных элементов геометрии технологической оснастки по разработанным способам изготовления НПЯ;

— экспериментальная проверка на макетных образцах и физических моделях теоретических выводов и расчетных соотношений.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. разработана математическая модель ДНПЯ, учитывающая рациональные исполнения НПЯ;

2. на основе линейной и круговой итнтерполяции геометрии пространственно расположенных ЛЧ в буртах разработан способ их математического описания;

3. на основе перехода от дифференциального уравнения. описывающего геометрию ЛЧ, расположенных по эвольвенте, прямым и дуге окружности, к конечным разностям разработан итерационный способ расчета геометрии ЛЧ без бурта;

4. аналитически показана практическая инвариантность распределения температуры проводников НПЯ по радиусу от закона тепловыделения по радиусу (формы витка обмотки и исполнения ЛЧ);

5. определены геометрические ограничения и условия работоспособности обмоток НПЯ;

6. разработан аналитический способ расчета момента инерции ротора с различными формами витка обмотки и исполнениями ЛЧ.

Практическая ценность:

1. разработаны и запатентованы конструктивные решения ДНПЯ и НПЯ и способы их технологической реализации;

2. разработаны способы инженерных расчетов геометрии и параметров НПЯ в зависимости от исполнения АЧ и ЛЧ и основных элементов геометрии технологической оснастки для изготовления НПЯ. Способы ориентированы на проведение расчетов и выполнение элементов САПР на ЭВМ.

На защиту выносится:

— разработанные конструктивные решения и способы изготовления НПЯ;

— способ проведения оптимизационных расчетов применительно к ДНПЯ с получением оптимального коэффициента заполнения обмотки проводниками без проведения полной оптимизации ДНПЯ;

— способы расчета геометрии витка и параметров НПЯ различных исполнений, а также основных элементов геометрии технологической оснастки для реализации НПЯ и практические рекомендации по их проектированию;

— результаты численных и экспериментальных исследований.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 78 наименований, приложения на 9 страницах и содержит 131 страниц основного текста и 74 рисунка.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработаны и запатентованы новые конструктивные решения НПЯ и ДНПЯ, а также способы изготовления НПЯ. Получены рациональные сочетания конструктивных элементов витков НПЯ, а также рациональные сочетания элементов исполнения НПЯ и разработанных способов изготовления НПЯ.

2. На основе полученных аналитических и итерационных соотношений определены геометрические ограничения и области выполнимости НПЯ с различными исполнениями витков.

3. Получены соотношения для расчета длин полувитков конических НПЯ с ромбовидным, треугольным и круглым витками.

4. Определены относительные уровни реализуемых электромагнитных моментов ДНПЯ с эвольвентными ЛЧ и с ЛЧ по прямым с числом перегибов пР < 2.

5. Определены геометрические условия, обеспечивающие работоспособность обмотки, получаемой деформацией заготовки в «шестеренку» .

6. Получены соотношения для расчета основных элементов геометрии технологической оснастки. Определены ограничения, накладываемые способами, на геометрию витков НПЯ.

7. Получены аналитические соотношения для расчета момента инерции НПЯ для рассмотренных исполнений витков.

8. Показано аналитическим путем практическое отсутствие влияния исполнения витка НПЯ на его радиальную неизо-тормичность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе впервые решены задачи анализа и синтеза геометрии и параметров немагнитных проволочных якорей электродвигателей постоянного тока и основных элементов геометрии технологической оснастки для их изготовления по разработанным способам. Разработанная математическая модель ДНПЯ, ориентированная на применение ЭВМ, позволяет проводить сравнение исполнений НПЯ по уровню реализуемых ими энергетических и динамических показателей без проведения глобальной оптимизации ДНПЯ.