двигатель подводный электромагнитный

Расчет электродвигателя с постоянными магнитами для ТНПА

Целью расчета является определение основных размещений с постоянными магнитами для прямого привода винта Каплана как одного из движителей подводного аппарата, с применением постоянных магнитов.

Исходные данные:

- упор винта: Т = 10кг = 98,1 Нм;

- диаметр винта: D = 200 мм = 0,2 м;

- число оборотов: n = n1 = 1500 мин-1 = 25 [c-1];

- частота сети питания ЭД f1 = 50 Гц;

- напряжение (линейное): U1 = 380 В.

Расчет потребной мощности электродвигателя и подбор подходящего асинхронного короткозамкнутого электродвигателя

Согласно источнику [2], формуле (I.38), стр. 445, упор равен:

следовательно, коэффициент упора будет равен:

,

где, - плотность морской воды, кг/м3;

.

Для этого значения, , по кривым рис. 1.13 источника [23] получается относительная поступь винта , действие винта , кпд .

Следовательно, коэффициент момента равен:

Тогда согласно формуле (I.39) [1] момент нагрузки винта равен:

,

и мощность потребная для вращения винта:

,

Вт.

То есть получается, что на 1 кг упора надо примерно 65 Вт мощности двигателя, что вполне согласуется с цифрой 50 Вт, принятой в расчетах для ТНПА.

Используем электродвигатель ЯЭМЗ в качестве прототипа со следующими параметрами:

- тип: PA80;

- 2р = 4;

- P2н = 0,75 кВт;

- Bд = 0,87 Тл;

- А1 = 225 А/см;

- j1 = 8 А/мм2;

- U1 = 380 В;

- f1 = 50 Гц;

- ?? = 0,73;

- cosц = 0,7;

- D1н = 140 мм;

- D1 = 90 мм;

- l1 =50мм;

- д = 0,3 мм;

- z1=35, z2=28.

3. Выбор типа постоянного магнита и определение его свойств

Выбираем магнит из материала неодим-железо-бор типа Nd2Fe14B со свойствами:

Таблица 1. Свойства магнита типа Nd2Fe14B

Магнит NdFeB имеет следующие параметры:

- удельное электрическое сопротивление: г = 140 ч 145 Ом•см = 1,4 ч 1,45 Ом•м;

- плотность: 7,4 гр/см3;

- температура Кюри: 310ч340є;

- твердость по Виккерсу: Hv = 570 D.P.N.;

- жесткость: E.1 = 0,64 Н/м2;

- предел прочности на разрыв/растяжение: 0 VTS или SV = 8 кг/мм2;

Материалы покрытия: Ni-Ni, Ni-Cu-Ni (10ч20 микрон), Zn (8ч20 микрон), Ni-Cu-Au (10ч20 микрон).

Примем магнит класса N35.

II Расчет размеров магнита

Выполним расчет магнита по методике источника [3] по стр. 418-421 с намерением вставить его в конструкцию ротора АД PA80.

Электромагнитная мощность:

ВА

Объем всех 4-х постоянных магнитов по формуле:

,

где, , - коэффициенты, определяемые по кривым на рис. 8-12 и 5-32 соответственно. , ;

- остаточная магнитная индукция, Вб/м2;

- коэрцетивная сила, А/м.

см3

Объем одного магнита:

Коэффициент гм:

где, - воздушный зазор, см, равный:

(2.11)

- проводимость короткого замыкания, о.е.;

- выражается в гауссах;

- выражается в эрстедах.

1/см.

Высота или радиальный размер одного магнита:

Площадь одного магнита:

см2

Расчет диаметра вала по источнику [3] стр. 385:

Ширина полюса магнита:

Длина магнита:

Высота нейтрального сечения магнита:

Диаметр ротора:

Результат , что позволит расположить полюсные башмаки с короткозамкнутой обмоткой.

- коэффициент заполнения, при 2р=4, .

- высота полюсного башмака,

,

где, ,

.

Диаметр ротора:

,

что вполне вписывается во внутренний диаметр сердечника статора ЭД

PA80, т.е. .

Длина полюсной дуги:

,

,

Согласно [2] лучше, если у явнополюсных синхронных машин полюсный башмак будет широким, т.е. , а не Тогда центральный угол будет равен , при длине полюсной дуги .

4.Расчет площади поперечного сечения стержня

Если предусмотреть, что короткозамкнутый ротор асинхронного электродвигателя имеет не грушевидный паз, а прямоугольный полузакрытый с площадью поперечного сечения стержня , то можно было бы разместить вместо 4-х стержней, 4 постоянных магнита.

Номинальный фазный ток обмотки статора:

где U1н - номинальное фазное напряжение обмотки статора, В;

Р2н - мощность двигателя на валу, Вт.Согласно номинальным данным

Согласно номинальным данным общее число пазов (зубцов) магнитопровода статора:

Зубцовое деление статора:

Принимаем число параллельных ветвей обмотки статора а, исходя из пределов 1ч4 для 2р>2:

Число эффективных проводников на паз:

Принимаем uп1 = 80.

Число витков фазы обмотки статора:

7. Шаг обмотки y, коэффициенты укорочения kу, распределения kр, скоса kc, обмоточный k01:

7.1 Шаг по пазам у обмотки статора принимается укороченным от полюсного:

в виде:

,

Принимаем: y = y1 = 7.

7.2 Коэффициент укорочения шага:

7.3 Коэффициент распределения обмотки статора:

где

7.4 Принимая скос пазов на роторе с дугой скоса равной bc = t1 рассчитываем коэффициент скоса:

где

7.5 Обмоточный коэффициент:

8. Ток стержня короткозамкнутой обмотки ротора:

где kiц - коэффициент учёта влияния характера тока статора, определяемый как: kiц = 0,2 + 0,8cosцн = 0,2 + 0,8·0,7 = 0,76; (2.39)

ki - коэффициент приведения параметров обмотки ротора к параметрам

обмотки статора по току, равный

где, число пазов сердечника ротора.

9. Приняв плотность обмотки ротора А/мм2 получим площадь паза ротора (поперечное сечение стержня короткозамкнутой обмотки ротора):

мм2

Зубцовое деление ротора:

Зададимся грушевидной формой паза ротора и индукцией в зубце ротора Тл, тогда ширина зубца ротора будет:

мм.

Далее необходимо было бы рассчитывать размеры паза , однако и так ясно, что ввиду неравенства использовать только один паз для постановки постоянного магнита не удастся.

Поэтому рассчитаем высоту ярма сердечника ротора .

Магнитный поток воздушного зазора:

5. Задаёмся индукцией ярма ротора Bс2 = 1,85 Тл и рассчитываем высоту ярма ротора:

6. Высота паза ротора:

7. Средняя ширина паза сердечника ротора:

Итак, принимаем площадь паза ротора .

Примем высоту зубца сердечника ротора , тогда площадь одного зубца сердечника ротора будет:

Суммарная площадь 1-го паза и 1-го зубца сердечника ротора:

Этой площади не хватает для размещения магнита, так как Тогда получается, чтобы получить равенство , надо использовать 2 соседних паза и 2 зубца:

.

Есть второй вариант углубить пазы в ярмо сердечника ротора.

Оценим сумму:

, т.е. надо ещё:

Сложим

Необходимый дополнительный радиальный размер углубления ярма сердечника ротора для размещения постоянного магнита:

Выводы по расчету

Вариант 1:

В сердечнике ротора асинхронного электродвигателя PA80 вырезаются четыре (под прямыми углами) углубления за счет каждого из двух пазов и одного зубца сердечника ротора при одновременном углублении на 5 мм в ярме сердечника ротора и в эти углубления на длине l1 = 50 мм вставляются постоянные магниты.

Потребная осевая длина одного постоянного магнита:

,

что вполне укладывается в активную длину асинхронного электродвигателя PA80 равную l1 = 50 мм.

В таком случае, при сохранении объема , уменьшим площадь сечения до величины , и увеличим длину

Вариант 2

Делается то, что в варианте 1, но без углубления в ярмо сердечника ротора и при этом размеры параллелепипеда получаются: длина (осевая по машине), высота (радиальный по машине) , ширина (тангенциальный по машине)

Разработка конструкции водопогружного электромагнитного движителя

Ввиду отсутствия на рынке в открытом доступе нужного электродвигателя глубоководного погружения для привода перемещения телеуправляемого необитаемого подводного аппарата (ТНПА) в работе предложен один из возможных вариантов такого ЭД.

В общем описании он представляет собой синхронный электродвигатель магнитоэлектрического возбуждения с постоянными магнитами и демпферной пусковой обмоткой в сердечнике ротора, но в отличие от общепромышленных вариантов в качестве двух подшипниковых щитов содержит таковые специальной конструкции. Она обеспечивает с одной стороны соединительную часть со станиной ЭД, обуславливая рабочий воздушный зазор между сердечниками статора и ротора, с другой стороны размещения двух подшипников, обеспечивающих необходимое вращение вала с сердечником ротора и рабочим органом, например, в виде лопастного винта, осевая тяга которого обуславливает направление поступательного перемещения аппарата.

Наряду с этим, между восемью ребрами щитов вделаны сегменты металлической или полимерной сетки, выполняющей роль фильтра грубой очистки для морской воды. Роль фильтра тонкой очистки воды выполняет вторая сетка, охватывающая магнитную систему и обмотку статора электродвигателя закрепленная, по окружности внутренней поверхности цилиндрического корпуса без традиционных ребер охлаждения электрической машины.

В сердечнике ротора кроме пазов с расположенными в них стрежнями короткозамкнутой (пусковой) обмотки имеются и пазы без всяких стержней обмотки, как у двухклеточных асинхронных электродвигателей. Эти пазы предназначены для свободного прохода морской воды при перемещении ТНПА.

Рисунок 1. Электродвигатель глубоководного погружения: 1,10 - подшипниковые щиты; 2, 11 - подшипники; 3 - вал; 4 - шихтованный сердечник ротора; 5, 15 - постоянные магниты из сплава ниодим-железо-бор; 6,16 - обмотка статора 3-х фазная; 7 - шихтованный сердечник статора; 8 - станина; 9 - рым-борт; 12 - сетка фильтра тонкой очистки морской воды; 13 - пазы свободные от стержней и обмотки; 14 - сетка фильтра грубой очистки морской воды; 17 - опорная рама

4. Натурные лабораторные испытания макетного образца электродвигателя магнитоэлектрического возбуждения

Ввиду отсутствия у института машиностроительной технологисечкой базы в качестве испытуемого макетного образца был принят 4-х полюсный асинхронный короткозамкнутый электродвигатель типа 4АМУ80А4УЗ, 220/380 В, 4,8/2,8 А, 1,1 кВт, 1400 об/мин, з=0,75, cosц=0,79, режим S1, кл. изол В, ГОСТ 183-74.

На сердечнике ротора были вырезаны 4 паза сечением (15Ч13)мм осевой длины 75 мм. В эти пазы были вмонтированы постоянные магниты из сплава ниодим-железо-бор, изготовленные на заводе в г.Калуга РФ согласно рис. 2. Ввиду того,что завод отказался (не может) изготовить магниты необходимой трапециедальной формы сечения пришлось реализовать крепление магнитов в пазу специальными стальными стержнями сечением (4Ч4)мм.

Рисунок 2. Постоянные магниты

Питание обмотки статора было выполнено от преобразователя частоты фирмы АВВ типа АСS143-4К1-1 со следующими данными:

Номинальная мощность двигателя Pн=1,1 кВт;

Входное напряжение (линейное) U1=380-400 В±10%, 50/60 Гц;

Выходной ток I2=2,8 А;

Выходное напряжение U2=0чU1;

Входной ток I1=4 А.

Измерения выпонялись в двух вариантах. В первом двигатель работал без нагрузки на валу, во втором с нагрузкой в виде трехлопастного винта диаметром 40 см с направлением движения воздуха от двигателя. Все управление

преобразователем частоты выполнялось с местного (встроенного) пульта управления и с него же записывались показания, представленные в таблице 1, где в показаниях в виде дроби числитель относится к работе без нагрузки, а знаменатель относится к работе с нагрузкой. При этом в обоих случаях ПЧ работал в режиме постоянства отношения U1/f12, что рекомендовано обычно для винтолопастных нагрузок, где U1,f1 линейное напряжение и его частота, подаваемые ПЧ на обмотку статора электродвигателя.

Таблица 2

Заключение