Разработка шагового электропривода на базе одноименно – полюсного индукторного двигателя

Актуальность
Широкое применение в технике
военной
медицинской
авиационной и космической
ядерной энергетике
офисном оборудовании
Определяющие требования
необходимость сохранения достигнутого углового положения ротора после отключения питания
обеспечение максимальной точности позиционирования рабочего органа

Актуальность
Проблемами теории, расчёта, проектирования и исследований электропривода на базе синхронных машин с постоянными магнитами для автоматических устройств в разное время занимались: Ю.С. Чечет, А.Г. Иосифьян, В.В. Хрущёв, А.И. Бертинов, В.А. Ратмиров, Б.А. Ивоботенко, Д.В. Свечарник, Е.В. Арменский, Д.А. Бут, В.В. Апсид, В.А. Балагуров, Ф.Ф. Галтеев, Б.Х. Коник, Ф.Н. Сарапулов .
В настоящее время исследованиями в области синхронных машин с постоянными магнитами различного назначения занимаются коллективы учёных ряда образовательных и исследовательских институтов: НИУ МЭИ (Москва), ВНИИЭМ (Москва), УрФу (УПИ, Екатеринбург), НГТУ (Новосибирск), ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова (Новочеркасск),
ЮУрГу (Челябинск) и др.
Но несмотря на накопленный опыт, пока отсутствуют развёрнутые методики проектирования таких двигателей с учётом инерционных параметров шагового привода, нет методик поверочного расчёта некоторых их конструктивных модификаций, не сводящихся к плоским (двухмерным) моделям.

Цель и задачи
Объект исследования -
Шаговый электропривод с одноимённо-полюсными индукторными двигателями с постоянными магнитами на роторе, предназначенными для работы в механизмах с высокой точностью позиционирования рабочих органов, достигаемой за счёт большого устойчивых положений ротора на оборот.
Предмет исследования -
Методы проектирования, поверочного расчёта и режимы работы шагового электропривода с одноимённо-полюсными индукторными двигателями с постоянными магнитами на роторе.
Цель -
- Разработка методики проектирования одноимённо-полюсных индукторных двигателей с постоянными магнитами на роторе в составе шагового электропривода.
- Проверка результатов проектирования путём сопоставления с экспериментальными данными и результатами поверочных расчётов.
- Создание математических моделей для исследования работы индукторных двигателей в составе шагового привода.

Цель и задачи
Задачи:
1. Создание методики и алгоритма проектирования одноимённо-полюсных индукторных двигателей с постоянными магнитами на роторе в составе шагового электропривода.
2. Разработка компьютерных программ генерации 3D моделей одноимённо-полюсных индукторных двигателей, для проверки результатов проектирования на уточнённых моделях поверочного расчёта, с использованием современных методов математического анализа и программного обеспечения (метода конечных элементов и реализующих этот метод пакетов прикладных программ).
3. Оптимизация параметров зубцовой зоны и электромагнитных нагрузок рассматриваемой машины по одному из критериев минимизации габаритов, массы и расхода активных материалов.
4. Разработка математических моделей шагового электропривода, предназначенных для поиска наиболее рациональных режимов питания спроектированного двигателя от преобразователя частоты с источником (инвертором) напряжения.

Научная новизна
1. Впервые разработана методика проектирования одноимённо-полюсных индукторных двигателей с учётом момента инерции подвижных масс шагового электропривода.
2. Разработана компьютерная программа генерации 3D сеточных моделей для расчёта одноимённо-полюсных индукторных двигателей методом конечных элементов, обеспечивающим наиболее глубокую детализацию электромагнитных процессов при проведении поверочных расчётов.
3. Выявлены оптимальные соотношения параметров зубцовой зоны и электромагнитных нагрузок индукторного двигателя с постоянными магнитами на роторе, при которых достигаются минимальные габариты, масса или расход активных материалов, в частности магнитотвёрдых материалов постоянных магнитов.
4. Разработана математическая модель шагового электропривода на базе индукторной машины с постоянными магнитами, предназначенная для поиска наиболее рациональных режимов питания спроектированного двигателя от преобразователя частоты с источником (инвертором) напряжения.

Практическая ценность
Обоснование и разработка математических моделей, которые позволяют:
1. Выполнять проектирование одноимённо-полюсных индукторных двигателей с постоянными магнитами на роторе в составе шагового привода с учётом его момента инерции.
2. Осуществлять построение по формализованным процедурам трёхмерных моделей спроектированных двигателей для последующего проведения поверочного расчёта методом конечных элементов.
3. Оптимизировать параметры геометрии и электромагнитных нагрузок одноимённо-полюсных индукторных шаговых двигателей с возбуждением от постоянных магнитов на роторе, по критериям достижения минимальных габаритов, массы и расхода активных материалов.
4. На основе численных экспериментов подбирать форму импульсов напряжения, при которой при одной и той же мощности электрических потерь обеспечивается наиболее широкий диапазон рабочих частот шагового привода.

На защиту выносятся:
1. Методика проектирования одноимённо-полюсного индукторного двигателя, в которой учитывается момент инерции подвижных масс шагового привода.
2. Программа построения трёхмерных сеточных моделей одноимённо-полюсных индукторных машин для расчёта электромагнитного момента методом конечных элементов.
3. Математическая модель шагового электропривода с преобразователями напряжения.
4. Результаты оптимизационных расчётов и численных экспериментов.

Актуальность

Актуальность

Методика проектирования одноимённо-полюсного индукторного двигателя
Постоянная Арнольда
Зависимость отношение P/Ω от М
, где
– длина ротора lδ по отношению к его диаметру D.
Зависимость оптимальной работы шагового привода
Связь между диаметром ротора и его моментом инерции
Манипулируя значениями электромагнитных нагрузок, A=(1÷5)·104 А/м и Bδ =0,7÷0,95 Тл, и отношением моментов инерции привода и двигателя β=1,0÷2,0, определяется диаметр ротора, чтобы его значение одновременно удовлетворяло обоим условиям

Методика проектирования одноимённо-полюсного индукторного двигателя
Внешний диаметр магнита
Внутренний диаметр магнита
dмаг=(0,30÷0,45)D
Рекомендуемы условия
Ширина зубца
Число зубцов ротора
Су - число тактов коммутации
- шаг , угол поворота ротора
Длина зубцового деления
δ - воздушный зазор
Высота прямоугольной части паза
Ширина пазов
Ширина гребенчатых зубцовых зон
Ширина пазов между гребенчатыми зубцовыми зонами
- число зубцов на одном полюсном наконечнике
nз

Методика проектирования одноимённо-полюсного индукторного двигателя
Радиальный размер оснований гребенчатых зубцовых зон
Амплитуда индукции в зубцах
Амплитуда индукции в полюсе статора
Ширина полюса статора
Высота обмотанной части полюсов статора
- площадь, занимаемая изоляцией
sиз
Hpol
- напряжённость магнитного поля в полюсах статора
kз
- коэффициент заполнения паза медью
- диаметр обмоточного провода в изоляции
dиз
j
- плотность тока

Методика проектирования одноимённо-полюсного индукторного двигателя
sпр
-площадь сечения обмоточного провода
- падение магнитного напряжения в зубцах ротора
Fz
Fzs
- падение магнитного напряжения в зубцах статора
Fpol
- падение магнитного напряжения на полюсе статора
hсп
- радиальный размер спинки статора
Наружный диаметр магнитопровода статора
hzs
- высота зубцов и пазов гребенчатых зубцовых зон статор
Момент инерции ротора
- плотность материала магнитов
- плотность материала ротора
ρм
ρp
nм
- количество магнитов на роторе
lм
- длина магнита в направлении намагничивания

Методика проектирования одноимённо-полюсного индукторного двигателя
Частота приемистости при идеальном холостом ходе
Угловая скорость вращения при идеальном холостом ходе
Средний статический синхронизирующий момент на интервале в один шаг
Удельная тепловая нагрузка от электрических потерь в обмотке
Общая масса активных частей
mмеди+ mFe
Общая масса ферромагнитных материалов статора и ротора
Масса меди обмоточных проводов
Число витков одной катушки обмотки
Средняя длина витка

Актуальность

Актуальность

Актуальность

Актуальность

Актуальность

Актуальность

Актуальность

Актуальность

Актуальность

Актуальность

Оптимизационные расчеты электродвигателей в составе шагового электропривода
Целью оптимизации поставлено достижение одного из следующих результатов:
- минимизация габаритов электромеханического преобразователя (внешнего диаметра и осевой длины статора);
- минимизация общей массы активных частей или массы обмоточных проводов, массы постоянных магнитов, по отдельности;
- минимизация потерь в меди обмотки и достижение максимального КПД;
- получение наибольшей частоты приемистости в шаговом приводе.
В качестве переменных проекта используются исходные данные:
- индукция в зазоре Вδ;
- линейная нагрузка А;
- момент инерции ротора относительно момента инерции привода β;
- относительная длина ротора λ;
- число зубцов на поверхности одного полюсного наконечника статора nз.
количество магнитов на роторе nм на роторе.

Оптимизационные расчеты электродвигателей в составе шагового электропривода

Оптимизационные расчеты электродвигателей в составе шагового электропривода

Основные результаты работы
1. Разработаны методика и алгоритм проектирования одноимённо-полюсных индукторных электромеханических преобразователей (двигателей) индукторного типа с постоянными магнитами на роторе в составе шагового электропривода с привязкой моменту нагрузки и моменту инерции подвижных масс. Эти двигатели конструктивно обладают возможностью выполнения мелкого шага, а потому наиболее подходят для высокоточных систем позиционирования регулирующего органа, а также для привода механизмов подачи станков с числовым программным управлением.
2. Предложены алгоритмы и программное обеспечение (на встроенном языке использованного пакета прикладных программ) для поверочного расчёта посредством МКЭ электромагнитного момента электромеханического преобразователя индукторного типа с возбуждением от постоянных магнитов на роторе.
3. Разработана математическая модель шагового электропривода на базе индукторной машины, предназначенная для подбора рациональных режимов питания от преобразователя частоты с источником (инвертором) напряжения.