Підвищення ефективності використання активних матеріалів магнітної системи в машинах постійного струму середньої потужності - Автореферат

В даний час більше 60% обєму машин постійного струму, що випускаються, складають машини середньої потужності які мають загальнопромисловє призначення та виконуються серіями. Підвищення коефіцієнту корисної дії і ефективності використання матеріалів у кожній знову створюваній серії машин постійного струму досягається важче, ніж в попередніх серіях і з кожною новою серією величина цього поліпшення поступово зменшується. Існуючі в цей час серії машин постійного струму середньої потужності вже мають достатньо високий ступінь використання матеріалів, і до того ж прийшов час їх заміни, тому подальше підвищення ефективності використання матеріалів в новій серії машин постійного струму є досить складною і значущою проблемою, яку необхідно вирішувати. Основною проблемою при створенні нових серій машин постійного струму середньої потужності є те, що методики проектування, які використовуються в цей час, засновані на спрощених методах розрахунку і довгий час істотно не змінювалися. Здобувач брав участь у якості виконавця при проведенні робіт повязаних з проектуванням машин постійного струму серії 5П: - "Розробка електродвигунів постійного струму багатоцільового призначення 132 габариту в закритому і захищеному виконанні" виконаною на підставі КЦНТП "Електротехніка" (додаток 6.2.2, напрямок 18, розділ 4, п. п.Виконано порівняльний аналіз конструкцій машин постійного струму середньої потужності зарубіжного та вітчизняного виробництва та визначені напрями розвитку конструкцій електричних машин розглянутого типу. В роботі відзначено, що значна кількість зарубіжних виробників машин постійного струму середньої потужності загального призначення перейшла від традиційної круглої форми магнітної системи (для розглянутого типу машин) до прямокутної, що дозволило підвищити їх питому (габаритну) потужність. Даної ж тенденції притримується провідний український виробник машин постійного струму середньої потужності - ВАТ "Електромашина", який почав поетапну розробку і освоєння виробництва нової серії машин постійного струму загального призначення - 5П, що повинна замінити морально застарілі двигуни серії 4П. Відзначено, що в даний період часу неможливо підвищити техніко-економічні показники машин постійного струму середньої потужності шляхом використання нових матеріалів або удосконалення вентиляції. У другому розділі розглянуті види розрахунків, з яких складається методика проектування машин постійного струму середньої потужності загального призначення, що використовується в даний час.Обробка результатів експерименту проводилася за допомогою програми PLAN 86, яка дозволяє отримати оптимальний апроксимуючий поліном, що описує функціональний звязок між компонентами вектора критеріїв ефективності і вектора параметрів, виходячи з критеріїв максимального і сумарного квадратичного відхилень. За результатами аналізу залежностей отримано, що конструкцію обмотки збудження визначає геометрія котушки обмотки збудження і конструкція ізоляції котушки. Встановлено, що застосовуючи ту або іншу конструкцію обмотки збудження при решті незмінних параметрів машин постійного струму можна впливати на вектор критеріїв оцінки ефективності магнітної системи. Різниця у величині робочого магнітного потоку створюваного котушкою обмотки збудження з гіршою і кращою геометрією складає 3%. Встановлено, що найбільший вплив на вектор критеріїв оцінки ефективності магнітної системи надає висота осердя головного полюса.У дисертаційній роботі приведено теоретичне обґрунтування та розвязання науково-практичної задачі, що полягає в економії матеріальних ресурсів в магнітній системі машин постійного струму середньої потужності загального призначення, підвищення її техніко-економічних показників шляхом вдосконалення методики проектування. Розглянувши види розрахунків, з яких складається методика проектування машин постійного струму середньої потужності загального призначення, що використовується в даний час, було встановлено, що практично всі види розрахунків мають значну погрішність через застосування спрощених методів. Для проведення чисельного моделювання магнітної системи при варіюванні вектора параметрів, що визначають її геометрію, розроблено програмний комплекс на основі методу скінченних елементів. Обрано вектор критеріїв оцінки ефективності магнітної системи машин постійного струму середньої потужності що складається з наступних компонентів: коефіцієнт розсіяння, робочий магнітний потік, сумарний магнітний потік.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИПлан експерименту та результати розрахунку критеріїв ефективності

У дисертаційній роботі приведено теоретичне обґрунтування та розвязання науково-практичної задачі, що полягає в економії матеріальних ресурсів в магнітній системі машин постійного струму середньої потужності загального призначення, підвищення її техніко-економічних показників шляхом вдосконалення методики проектування.

1. Розглянувши види розрахунків, з яких складається методика проектування машин постійного струму середньої потужності загального призначення, що використовується в даний час, було встановлено, що практично всі види розрахунків мають значну погрішність через застосування спрощених методів. Тому кожний етап розрахунку потребує підвищення точності, тобто застосування чисельних методів. Проте, виходячи з необхідної трудомісткості і точності, що вимагається, цілком достатнім буде використовування чисельного методу тільки для електромагнітного розрахунку.

2. Для проведення чисельного моделювання магнітної системи при варіюванні вектора параметрів, що визначають її геометрію, розроблено програмний комплекс на основі методу скінченних елементів. Особливістю програмного комплексу є можливість використовування його для дослідження магнітних полів електричних машин різного типа та потужності.

3. Запропонована уточнена методика розрахунку коефіцієнта розсіяння машин постійного струму середньої потужності. Отримані уточнені значення коефіцієнта розсіяння для машин постійного струму, що мають магнітну систему прямокутної форми, які можна використовувати в заводських (інженерних) методиках розрахунку.

4. Для перевірки адекватності методики розрахунку моделі магнітного поля машин постійного струму середньої потужності була визначена характеристика холостого ходу двигуна 5ПБ112М. Отриманий порівняльний аналіз показав, що максимальне відхилення існуючої методики від експерименту складає 16%, а пропонованої - 1,8%.

5. Обрано вектор критеріїв оцінки ефективності магнітної системи машин постійного струму середньої потужності що складається з наступних компонентів: коефіцієнт розсіяння, робочий магнітний потік, сумарний магнітний потік.

6. Скомпоновано вектор параметрів, що визначає геометрію магнітної системи, який складається з наступних компонентів: ширина і висота осердя головного полюса, ширина і висота котушки збудження, величина повітряного проміжку під віссю і краєм головного полюса, глибина і кут вирізу в полюсному наконечнику, коефіцієнт полюсного перекриття, висота полюсного наконечника

7. Отримані оптимальні поліноміальні залежності, що описують поведінку вектора критеріїв оцінки ефективності магнітної системи від вектора параметрів, які описують геометрію магнітної системи з використанням теорії планування експерименту в різних режимах роботи. Була підтверджена адекватність отриманих поліноміальних залежностей шляхом фізичного моделювання. Отриманий порівняльний аналіз показав, що максимальне відхилення складає - 2,1%.

8. Для економії активних матеріалів запропоновано виконати виріз в полюсному наконечнику під кутом 0°, глибина вирізу складає 0,25 від висоти полюсного наконечника. Таке технічне рішення зменшує витрату активної сталі головного полюса на 3,2% та приводить до незначного збільшення величини робочого магнітного потоку.

9. Запропонована уточнена методика розрахунку машин постійного струму середньої потужності із станиною прямокутної форми особливістю якої, є уточнений розрахунок геометрії головного полюса, геометрія котушки збудження, і уточнення коефіцієнта розсіяння при електромагнітному розрахунку.

10. По уточненій методиці розрахунку проведено проектування модернізованого двигуна 5ПБ112М з новою геометрією магнітної системи. Застосування такої магнітної системи дозволило зменшити витрату обмотувальній міді на 1,3 кг (11%) і активну сталь головного полюса на 0,2 кг (3,2%), підвищити коефіцієнт корисної дії двигуна на 0,8%, результати було підтверджено при іспитах дослідного зразка.

11. Отримані акти впровадження результатів дисертаційної роботи у ВАТ „Електромашина” (м. Харків) та ДП НПП „ЕЛМЕС” (м. Харків).

Шайда В. П. Анализ путей повышения эффективности использования активных материалов при проектировании машин постоянного тока средней мощности. // Вестник ХГПУ. - Харьков: ХГПУ, 1999. - № 46. - С. 69 - 71.

Шайда В. П., Егоров Б. А. Влияние геометрии катушки обмотки возбуждения на энергетические показатели машины постоянного тока. // Вестник ХГПУ. - Харьков: ХГПУ, 1999. - № 47. - С. 70 - 72.

Здобувачем виконана перевірка гіпотези впливу геометрії котушки обмотки збудження на величину магнітної індукції за допомогою аналітичних методів розрахунку магнітного поля.

Шайда В.П., Егоров Б.А., Мирошниченко А.Г. Расчет коэффициента рассеяния обмотки возбуждения с учетом зубчатости якоря машины постоянного тока. // Вестник ХГПУ. - Харьков: ХГПУ, 2000. № 84. - С. 195 - 198.

Здобувачем розроблена програма розрахунку магнітного поля в двигуні постійного струму методом скінченних елементів, за допомогою котрої він виконав розрахунки магнітного поля та проаналізував вплив положення зубця ротора відносно вісі головного полюса на параметри магнітного поля.

Шайда В.П., Егоров Б.А., Мирошниченко А.Г. Повышение эффективности работы обмотки возбуждения машин постоянного тока средней мощности. // Вісник Національного технічного університету „ХПІ”. - Харків: НТУ „ХПІ”, 2001. № 5. - С. 189 - 194.

Здобувачем було виконано розрахунки магнітного поля та проведено аналіз залежності повного і робочого магнітного потоку, а також коефіцієнту розсіяння від конструкції обмотки збудження.

Шайда В.П., Егоров Б.А., Любарский Б.Г. Определение зависимости величины рабочего магнитного потока от геометрии катушки обмотки возбуждения в машинах постоянного тока средней мощности. // Вісник Національного технічного університету „ХПІ”. - Харків: НТУ „ХПІ”, 2001. - № 16. - С. 163 - 166.

За допомогою розрахунків магнітного поля у двигуні постійного струму здобувач виконав аналіз впливу геометрії котушки обмотки збудження на величину повного і робочого магнітного потоків, а також коефіцієнт розсіяння.

Шайда В.П., Егорова Г.Г., Егоров Б.А. Расчет размеров наконечника главного полюса для обеспечения наибольшего рабочего потока в якоре машины постоянного тока средней мощности. // Вісник Національного технічного університету „ХПІ”. - Харків: НТУ „ХПІ”, 2001. - № 17. - С. 145 - 148.

Здобувач виконав аналіз існуючих рекомендацій щодо знаходження розмірів полюсного наконечника та дослідив їх вплив на робочій магнітний потік.

Шайда В.П., Егорова Г.Г., Мирошниченко А.Г., Егоров Б.А. Характеристики магнитного поля машины постоянного тока средней мощности при изменении размеров полюсного окна. // Електротехніка і електромеханіка. - Харків: НТУ „ХПІ”, 2002. - № 1. - С. 83 - 86.

Здобувач дослідив та проаналізував вплив висоти та ширини осердя головного полюса машини постійного струму на характеристики магнітного поля в режимі неробочого ходу.

Шайда В.П., Егоров Б.А., Мирошниченко А.Г. Влияние насыщения магнитной системы на рабочий магнитный поток при изменении формы обмотки возбуждения. // Вісник Національного технічного університету „ХПІ”. - Харків: НТУ „ХПІ”, 2002. - № 9, т.4. - С. 143 - 146.

Здобувач дослідив вплив насичення магнітної системи на отриману залежність робочого магнітного потоку від геометрії обмотки збудження.

Шайда В.П., Егоров Б.А. Влияние формы воздушного зазора на величину рабочего магнитного потока в машинах постоянного тока средней мощности. // Вісник Національного технічного університету „ХПІ”. - Харків: НТУ „ХПІ”, 2002. - № 14. - С. 142 - 146.

Здобувачем виконано аналіз існуючих рекомендацій щодо знаходження величини повітряного проміжку та геометрії частини полюсного наконечника зверненої до якоря, та перевірив ці рекомендації відносно двигунів постійного струму середньої потужності.

Шайда В.П., Егоров Б.А., Мирошниченко А.Г. Исследование геометрии наконечника главного полюса в машинах постоянного тока средней мощности общепромышленного назначения. // Вісник Національного технічного університету „ХПІ”. - Харків: НТУ „ХПІ”, 2003. - № 9, т.4. - С. 101 - 108.

Здобувач дослідив та проаналізував вплив геометрії частини полюсного наконечника спрямованої до обмотки збудження.

Шайда В.П., Егоров Б.А., Мирошниченко А.Г. Цифровое моделирование магнитной системы машин постоянного тока средней мощности общепромышленного назначения. // Вісник Національного технічного університету „ХПІ”. - Харків: НТУ „ХПІ”, 2004. - № 22. - С. 99 - 102.

Здобувач виконав цифрове моделювання магнітної системи двигуна постійного струму середньої потужності та перевірив результати на експериментальному двигуні.

Шайда В.П., Егоров Б.А., Любарский Б.Г. Исследование влияния конструкции обмотки возбуждения на энергетические параметры магнитной системы в машинах постоянного тока средней мощности общепромышленного назначения. // Електротехніка і електромеханіка. - Харків: НТУ „ХПІ”, 2004. - № 4. - С. 86 - 89.

Здобувач дослідив та проаналізував сумісний вплив конструкції та геометрії обмотки збудження на параметри магнітної системи.

Шайда В. П., Егоров Б. А. Новая серия машин постоянного тока средней мощности 5П. // Пр. міжнар. науч. - техн. конф. “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоровя”. - Харків: ХГПУ, 1997. - С. 205 - 207.

Здобувачем зробив огляд електричних машин нової серії та розглянув її параметри.

Шайда В.П. Анализ закономерностей построения серии машин постоянного тока 5П. // Збірка наукових праць ХГПУ “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоровя”. - Харків: ХГПУ, 1998. - Вип. 6, ч. 2. - С. 347 - 351.