РАЗДЕЛ 2
2. РАЗРАБОТКА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЁТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ С ЛИТОЙ МЕДНОЙ КОРОТКОЗАМКНУТОЙ ОБМОТКОЙ РОТОРА
2.1. Анализ существующих методик расчёта электромагнитных и электродинамических характеристик
Основным этапом в проектировании АД с ЛАКО ротора является определение его главных размеров: внутреннего диаметра статора и расчётной длины воздушного зазора , от которых зависят остальные размеры АД. Связь и определяется зависимостью [42]:
,
где: P? - расчётная мощность АД, кВт;
ad - коэффициент полюсного перекрытия;
КВ - коэффициент формы магнитного поля;
К01 - обмоточный коэффициент АД по основной гармонике;
А - линейная токовая нагрузка, А/м;
В? - максимальная индукция в воздушном зазоре, Тл.
Для АД с ЛАКО ротора: = 0,64; КВ = 1,11; К01 = 0,96 (для однослойных обмоток); К01 = 0,92 (для двухслойных обмоток). Соотношение полезной мощности P2, наружного диаметра сердечника и высоты оси вращения h выбирается с использованием международных стандартов NEMA, CENELEK, PC и др., а также национальных стандартов и технических условий.
Связь внутреннего и внешнего диаметров сердечника статора определяется
зависимостью
,
где: =0,52-0,54 для 2p=2;
=0,64-0,68 для 2p=4.
Конструктивная длина сердечника статора равна . Значение коэффициента ? определяется по рис.2.1.
Рис. 2.1. Зависимость ? (2р) для ВАД с ЛАКО ротора
Воздушный зазор является одним из важнейших параметров ВАД, т. к. от него зависят все характеристики. На основании опыта создания серий ВАД воздушный зазор выбирают в соответствии с рис. 2.2.
Рис.2.2. К выбору воздушного зазора ВАД с ЛАКО ротора
Для ослабления действия зубцовых гармоник осуществляется подбор числа пазов статора и ротора в соответствии с данными [43], приведенными в приложении В.
Форма паза ротора определяется, исходя из заданных значений пусковых характеристик, полезной мощности, числа полюсов, нормированного уровня индукции в зубцах и т.д.
Для ВАД с ЛМКО ротора такие подходы приводят к значительным ошибкам ввиду того, что возрастает полезная мощность при тех же и ; демпфирующая способность сплава меди ослабляет действие высших гармонических, влияющих на уровень электромагнитной составляющей звукового давления и, следовательно, рекомендуемые выше значения ?, , неприемлемы; принятые к разработке перспективные формы пазов ротора не соответствуют общепринятым для ВАД с ЛАКО ротора.
Методики расчета ВАД для привода горных машин предполагают, что источник электроснабжения - неограниченной мощности, и только механические характеристики корректируются с учетом параметров реальной сети электроснабжения. Методики не учитывают существенного различия температуры обмоток статора и ротора (потери рассчитываются при температуре 115 °С как для статора, так и для ротора, что не соответствует действительности).
Расчёты ВАД с ЛАКО ротора не оценивают рационального соотношения полезной мощности и устойчивой нагрузки, что приводит к преждевременному выходу из строя обмотки статора, т. е. к высокой аварийности.
Не оценивается и отсутствие провалов механической характеристики, что в условиях реальной маломощной сети электроснабжения иногда приводит к "застреванию" ВАД на неполной частоте вращения при разгоне и выходу его из строя вследствие перегревания обмоток. Не корректируется максимальный момент по температуре обмотки статора, вследствие чего реальная перегрузочная способность ВАД оказывается недостаточной.
При проектировании ВАД с ЛАКО ротора не оценивается влияние переменной электрической проводимости сплава меди по высоте стержня ротора на начальный пусковой момент, перегрузочную способность и критическое скольжение.
Методики поверочных расчётов ВАД с ЛАКО ротора, разработанные в УкрНИИВЭ, а также многочисленные публикации [17, 35, 42, 44, 45] содержат методические материалы по расчёту параметров и характеристик ВАД в установившихся режимах работы, с детерминированной нагрузкой на валу, без учёта влияния на эти характеристики параметров сети электроснабжения ограниченной мощности, стохастического характера нагружения, при условии однородности материала стержня ротора, без учёта влияния переходного сопротивления между обмоткой ротора и сердечником и т. д. Поэтому они не могут быть использованы для проведения электромагнитного расчёта, анализа электродинамических процессов ВАД с ЛМКО ротора без существенных корректировок, продиктованных специфическими конструктивными особенностями, условиями эксплуатации и режимами нагружения ВАД горной машины.
2.2. Определение главных элементов конструкции двигателей и основные расчетные зависимости
Литейная медь имеет удельную электропроводность почти в 2 раза большую, чем алюминий, она обладает также и другими положительными физико-техническими свойствами, представленными в табл. 2.1.
Технология изготовления ЛМКО ротора вносит изменения в структуру контактного перехода "стальной шихтованный сердечник - медная обмотка ротора" как в стенках пазов ротора, так и в зоне прилегания короткозамыкающих колец в связи с тем, что температура в этих областях при заливке медью почти в 2 раза больше, чем при заливке алюминием. Удельное электрическое сопротивление этого перехода изменяется от значения (Al)=10-4 Ом/м до (Cu)=4,8·10-4 Ом/м, а удельное магнитное сопротивление ЭТС в зоне перехода также изменяется по определенному закону. При этом претерпевают изменение не только значения поперечного сопротивления для тока и магнитного потока полей рассеяния, но также и продольного сопротивления в связи с тем, что удельная электропроводность при замене алюминия на литую медь увеличивается.
Таблица 2.1
Физико-технические характеристики литейных меди и алюминия
ХарактеристикаМедьАлюминийУдельная электропроводность, МСМ/м
при температуре: 20 °С
75 °С