ПАРАМЕТРЫ ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

УДК 621.313.13
ПАРАМЕТРЫ ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ
Радимов И.Н., к.т.н., доц., Гулый М.В.
ООО "Завод "Электротехника"
Украина, 54028, Николаев, ул. Новозаводская, 19 тел. (048) 738-58-55, E-mail: oifice@zelnk.com
Рымша В.В., д.т.н., проф., Чан Тхи Тху Хыонг Одесский национальный политехнический университет
Украина, 65044, Одесса, пр. Шевченко, 1, ИЭЭ, кафедра электрических машин тел. (048) 738-58-55, E-mail: rimsha61@gmail.com, office@zelnk.com
Наведено розрахунок та ідентифікація параметрів явнополюсного вентильного двигуна з постійними магнітами. Приведен расчет и идентификация параметров явнополюсного вентильного двигателя с постоянными магнитами .
Заводом "Электротехника" в настоящее время осваивается выпуск вентильных двигателей с постоянными магнитами (ВДПМ) и мотор-редукторов, построенных на базе ВДПМ, для медицинской техники, сварочного оборудования, насосных систем, спецтех-ники и т.д. [1].
Во всех выпускаемых ВДПМ принята единая идеология конструктивного исполнения, а именно: статор выполняется явнополюсным с малым числом полюсов (зубцов), обмотка статора - катушечная с шагом у =1, ротор содержит постоянные магниты марки М^еВ. Один из возможных вариантов конструкции трехфазного ВДПМ с числом зубцов статора
1$ =6 и числом полюсов ротора 2р =8 представлен на рис. 1.
Рис. 1. Поперечное сечение ВДПМ
Несмотря на явнополюсную конструкцию статора с малым числом зубцов и числом пазов на полюс и фазу Ч = 1/4, как фазные, так и линейные ЭДС в ВДПМ с оптимальными геометрическими соотношениями зубцевой зоны, минимизирующими величину ,
формы. Это иллюстрируется рис. 2, где приведены экспериментальные зависимости линейной и фазной ЭДС в функции времени е = /(I), записанные с помощью цифрового осциллографа марки вБ8-8408.
Рис. 2. Линейная (а) и фазная (б) ЭДС обмотки статора
Представленные на рис. 2 зависимости получены , . 1.
Таблица 1
Внешний диаметр, мм 57
Внутренний диаметр статора, мм 29
Длина активной части, мм 15
Воздушный зазор, мм 0,65
Высота магнита, мм 2,2
Число витков катушки обмотки статора 44
Схема соединения обмотки Y
( . 2, )
обмотки статора при вращении ротора со скоростью
ш =200 с-1, а фазная ЭДС (рис. 2,6) определялась с помощью пробной обмотки с числом витков N = 11
при вращении ротора со скоростью ш = 110 с-1.
Из представленных осциллограмм следует, что, вследствие синусоидальности ЭДС, ВДПМ данной конструкции имеет широкие возможности примене-
120-
коммутацией транзисторных ключей, так и в прецизионных электроприводах с векторным управлением.
Для анализа динамических и квазиустановивши-ся режимов работы такого двигателя используется ,
Ш [2]:
т ^1 т .
Г иё = г$1й + ЬЛ~г шЬд1д;
diq
uq = rSiq + Lqd~ + aLdid + ;
(1)
МЭ 2 р[ідт + (Ьд)];
^ ^ — -Мп,
где - активное сопротивление обмотки статора; Ь^, Ьд - продольная и поперечная индуктивности; т - максимальное потокосцепление обмотки статора с потоком ротора; ш - скорость вращения ротора; М3 - электромагнитный момент; ^ - суммарный момент инерции; М(2 - момент сопротивления.
Для решения системы уравнений (1) необходимо знать индуктивности Ь^, Ьд и потокосцепление т ,
которые могут быть получены в результате решения .
точной для этих целей, т.к. позволяет учесть реальную геометрию ВДПМ, насыщение стали, характеристики постоянных магнитов. Для нахождения индуктивностей ,Ьд были проведены полевые расчеты
для двух положений ротора при МДС катушки обмотки статора ^5=0 А и ^5=66 А. При этом две фазы обмотки статора включались последовательно, т.е. из шести катушек задействованы четыре.
На рис. 2 показано распределение магнитного поля при ориентации ротора по оси і Сопоставление распре. 2,
(^5=0 А) и рис. 2,6 (^5=66 А) показывает, что реакция якоря является намагничивающей, о чем свидетельствует увеличение числа магнитных силовых линий.
Максимальное потокосцепление т обмотки статора с потоком ротора:
т — 2• пк • (Ф, +Ф2 ) =
т к 4 1Г. — 0 2Г, —0/
5 5 , , (2) = 2 • 44 • (7.048 + 7.047) • 10-5 = 0.0124 Вб
где Пк - число витков катушки обмотки статора,
ФХр _о, Ф2р _о - магнитные потоки через зубцы статора
(см. рис. 2) при МДС катушки обмотки статора Рє=0 А.
б)
Рис. 2. Магнитное поле ВДПМ по оси с1 при ,Р5=0 (а) и ,Р5=66 А (б)
Индуктивность по продольной оси по данным полевого расчета определяется следующим образом:
Ld =
2•ni • (Ф,
+ Фі
-Ф 2
,)
(3)
S
где Фі , Ф2 - магнитные потоки при Рє=66 А.
—66 —66
На рис. 3 показано распределение магнитного поля при ориентации ротора по оси д. По отношению к оси ё ротор смещен против часовой стрелки на механический угол 22,5° (90 эл. град.).
F, =66
s
s
s
s
Таблица 2
Lq =-
2 • П2 (Ф1 —ф + Ф2 —Ф2 )
k 4 ^.-П 2F_ = ^ 2F -П 7
Фі Ч-0 Ф2 2 Fs-0 Ф1 Ч-66 (N © L
Вб*10-5 Вб*10-5 Вб*10-5 Вб*10-5 мГн
Ось d 7.048 7.047 8.459 8.458 1.656
Ось q -4.084 4.092 -2.736 5.433 1.578
Данные табл. 2 подтверждают известный факт о том, что у двигателей с постоянными магнитами индуктивности по осям й и д мало отличаются [3]. В данном случае их отличие не превышает 5%.
Для идентификации значения индуктивности обмотки статора Ь5 ~ Ьа ~ Ьд был проведен эксперимент на установке, схема которой представлена на рис. 4.
б)
Рис. 3. Магнитное поле ВДПМ по оси д при ,Р5=0 (а) и ,Р5=66 А (б)
Индуктивность Ьд по поперечной оси по данным полевого расчета определяется следующим образом:
Рис. 4.
В данной схеме при подаче однополярного питания +U осуществляется импульсное регулирование тока, проходящего через две последовательно включенные фазы статора (Ax, By). Ротор ВДПМ при этом автоматически ориентируется по оси d. Амплитуда изменения тока составляет А/, измерение тока выполняется резистором RH3M.
При включении транзистора VT уравнение электрического равновесия для цепи [+U - Ax - yB - Rtom - VT - общий провод]:
dii
U - R i + Ls
dt
(5)
(4)
где Ф\р _о, Ф2р _0 - магнитные потоки (см. рис. 3) при МДС катушки обмотки статора ^5=0 А, Ф^ _бб,
Ф2 - магнитные потоки при ^5=66 А.
2^=66 р
Результаты определения магнитных потоков и результаты расчета индуктивностей по (3) и (4) све-. 2.
где Яі - активное сопротивление контура прохождения тока /'і, ґ - время. В данном режиме работы схе-йіі
мы —1> 0.
йґ
При выключении транзистора УТ уравнение электрического равновесия для цепи [ Ах - уВ - Яизм - диод УБ]:
й/2
0 - R2 2 + LS'
dt
(6)
где R2 - активное сопротивление контура прохожде-
s
s
s
s
„ di2
ния тока i2 . В этом режиме —— < 0 .
dt
График изменения тока двигателя в функции времени, построенный по результатам эксперимента, приведен на рис. 5.
Рис. 5. График изменения тока ВДПМ
Из уравнений (5), (6) могут быть получены средние значения токов ^ и ^ за интервалы времени At- и Дt2 в квазиустановившемся режиме регулирования тока:
U - L
h =-
Ai,
At,
-L
R
12
Ai 2 At
2
R
(7)
2
Исходя ИЗ ТОГО, ЧТО А?! = —А/2 = А/ , /j = 12 и считая, что Rj ~ R2 индуктивность статора определяется так:
LS -‘
U At1 • At
2
Ai At, + At2
(8)
составляет 1,57 Ом, а сопротивление токоизмерительного резистора в схеме по рис. 4 Яизм = 0,2 Ом. Учитывая сопротивление полупроводниковых приборов УТ и УБ, можно сделать вывод о достаточно хорошем соответствии расчетных значений сопротивлений Яі и Я2 реальным значениям сопротивлений этих .
На рис. 6 представлена расчетная механическая характеристика исследуемого в данной работе ВДПМ, полученная на основе решения системы уравнений (1) с учетом изложенной выше методики определения индуктивностей обмотки статора по осям Ьа, Ьди
потокосцепления т . Также на рис. 6 представлена экспериментальная механическая характеристика ВДПМ. Сопоставление расчетной и экспериментальной механических характеристик позволяет сделать заключение о том, что решение полевой задачи в двухмерной постановке дает возможность с достаточной точностью определить все необходимые данные для расчета динамических режимов электропривода с .
По экспериментальным данным и = 24,1 В, Ai = 0,43 А, Д^= 32 мкс, At2= 228 мкс. Тогда индуктивность по (8) Ь$ = 1,572 мГн, что близко к расчет, -. , решалась в плоской постановке, при которой вклад лобовых частей обмотки статора в общую индуктивность не учитывается. Однако, ввиду того, что в рассматриваемой конструкции ВДПМ с явновыражен-ными полюсами вылет лобовых частей мал, результат расчета индуктивности в плоской постановке полевой задачи получается достаточно корректным.
Для дополнительной проверки правильности идентификации индуктивности обмотки статора и ввода в расчет условия R1 ~ R2 по уравнениям (7) определим значения активных сопротивлений контуров прохождения токов 1 и 2 . В эксперименте при регулировании ток обмотки статора изменялся в пределах от 1,14 А до 1,57 А, т.е. его среднее значение составило I = 1,355 А.
Тогда по (7) сопротивление R1 = 2,19 Ом, сопротивление R2 =2,2 Ом. В то же время собственное сопротивление обмотки статора при температуре 20 °С
ЛИТЕРАТУРА
[1] Калюжный А.Н., Рымша В.В. Вентильные электродвигатели и электроприводы производства николаевского завода "Электротехника" // Рынок электротехники. -2007. № 4(8). - С. 90.
[2] Столов Л.А., Афанасьев А.Ю. Моментные двигатели постоянного тока. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 224 с.
[3] Косулин В.Д., Михайлов Г.Б., Омельченко В.В., Путников В.В. Вентильные электродвигатели малой мощности для промышленных роботов. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. Отд-ние, 1988. - 184 с.
Поступила 03.04.2008