CC BY
20
ISSN 1992-6502 (Print)_
2015. т. 19, № 2 (68). с. 119-122
Ъюьшм QjrAQllQj
ISSN 7775-7789 (Online) http://journal.ugatu.ac.ru
удк 621.313.333
Расширение функциональных возможностей
линейного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором Ю. В. Афанасьев1 , М. В. Охотников2 , Д. Ю. Пашали3 , В. В. Айгузина4
1 [email protected], 2 [email protected], 3 [email protected], 4 [email protected] ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ) Поступила в редакцию 7 ноября 2014 г.
Аннотация. Предложено новое техническое решение по расширению функциональных возможностей линейных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Приведены описание конструкции, расчет параметров таких двигателей.
Ключевые слова: линейный асинхронный двигатель; электропроводящие стержни; коммутирующие элементы.
Линейные асинхронные двигатели (ЛАД) используются в робототехнике, в механизмах с поступательным и возвратно-поступательным движением рабочих органов, в приводах механизмов транспортировки грузов различных изделий, в машинах ударного действия, в станках, использующих электрофизические и механические процессы (лазерных, водорезных, свер-лильно-фрезерных). Фирмы производители линейных двигателей: ВаЫог Electric, SEW-EURODRIVE, Bosch Rexroth, FANUC, Hiwin, ОПК «Оборонпром» и др. Основной областью применения ЛАД является технологическое оборудование, что обусловлено
их преимуществами:
• невысокая стоимость комплектующих;
• простота конструкции;
• прямолинейность движения вторичного элемента, что, естественно, сочетается с характером движения транспортирующих устройств установок;
• отсутствие трущихся частей (энергия магнитного поля непосредственно преобразуется в механическую), что позволяет повысить КПД и надежность конструкции;
• достижимость высоких значений ускорения и скоростей движения.
Однако наряду с достоинствами ЛАД имеют ряд недостатков, главным из которых является низкий коэффициент полезного действия по сравнению с двигателями вращения. Поэтому актуальной научно-технической задачей является совершенствование конструкции, расшире-
ние функциональных возможностей ЛАД и улучшение их энергетических показателей.
3
ш
б
Рис. 1. Вторичный элемент линейного асинхронного двигателя:
а - конструкция аналога; б - новая конструкция вторичного элемента; 1 - сердечник; 2 - короткозамкнутая (к.з.) шина;
3 - переключатель стержней; 4 - крепление ПС; 5 - ось поворота; 6 - элементы электрической схемы соединений ПС; 3.1 - к.з. шина; 3.2 - коммутирующие элементы (КЭ);
3.3 - программируемый коммутатор (ПК)
Аналогом предлагаемого нового устройства выбран ЛАД [1] (рис. 1, а), содержащий индуктор, состоящий из сердечника и многофазной обмотки (на рис. 1 не показаны), и вторичный элемент. Вторичный элемент содержит сердечник, в пазах которого размещены друг под другом, образуя вертикальный ряд, по меньшей мере, два электропроводящих стержня вторичной
обмотки, замкнутые с одной стороны общей электропроводящей шиной, а с другой стороны - переключателем стержней (ПС), работающим при повороте вокруг своей оси. ПС состоит из цилиндра, имеющего электроконтактирую-щую поверхность на внешнем радиусе цилиндра и электроизоляционную часть, дополняющую электроконтактирующую и жестко скрепленную с ней. Размер электроконтактирующей части цилиндра выполнен плавно изменяющимся от нуля до величины, равной толщине шины, замыкающей стержни вторичной обмотки с противоположной стороны цилиндра.
Конструкция имеет ограниченные функциональные возможности, обусловленные сложностью привода ПС и его управления, невысокой надежностью устройств управления, ограниченным диапазоном регулирования.
Авторами разработана оригинальная конструкция вторичного элемента, обеспечивающего расширенные функциональные возможности ЛАД, за счет одновременного регулирования напряжения на индукторе и параметров вторичного элемента [2]. Регулирование осуществляется переключением схем соединений активных проводников в пазу вторичного элемента (рис. 1, б).
Новая конструкция содержит аналогичный индуктор, состоящий из сердечника и многофазной обмотки, и новый вторичный элемент. Вторичный элемент здесь содержит сердечник, в пазах которого размещены друг под другом, образуя вертикальный ряд, электропроводящие стержни. Стержни, расположенные в одном горизонтальном ряду, образуют уровни, закороченные с одной стороны шинами, каждый в отдельности. Каждый конец электропроводящих стержней с другой стороны присоединен к своему быстродействующему коммутирующему элементу (КЭ). Все КЭ одного уровня соединяются с общей шиной для данного уровня к.з. шиной. КЭ всех уровней вторичного элемента ЛАД управляются многоканальной системой управления (программируемым коммутатором (ПК)), которая имеет обратную связь по скорости движения и току вторичного элемента. При этом блок, содержащий КЭ, к.з. шины и ПК, закреплен непосредственно на вторичном элементе.
ЛАД работает следующим образом. При подключении многофазной обмотки к источнику трехфазного напряжения возникает бегущее магнитное поле, индуцирующее в короткозамк-нутых стержнях ЭДС, и токи, при взаимодействии последних с полем в зазоре создается тяговое усилие.
Для повышения пускового усилия увеличивается активное сопротивление обмотки вторичного элемента замыканием, например, по одному уровню или электропроводящему стержню в каждом уровне вторичного элемента. Это осуществляется КЭ 3.2 (рис. 1, б), соединенными с шинами 3.1 всех уровней.
КЭ управляются ПК, имеющим обратную связь по регулируемым параметрам.
Для регулирования скорости движения вторичного элемента возможно изменение числа закороченных электропроводящих стержней и уровней путем переключений их по заданной программе.
В устройстве может реализоваться режим пуска, подобный реостатному. Последовательное включение стержней одного, второго и «-го уровней с заданными активными сопротивлениями позволяет получить последовательное увеличение силы при пуске и разгоне ЛАД в зависимости от изменения скольжения (5) (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость последовательного изменения силы при пуске и разгоне ЛАД
Для получения заданных режимов работы и расчета алгоритмов управления необходимо определить параметры ЛАД. Если пренебречь краевыми явлениями в машине, за основу расчета может быть принята методика, изложенная в работе [3]. Схема замещения двигателя изображена на рис. 3. Вторичный элемент содержит «-стержней, расположенных в пазах в два и более уровней (слоев), каждый из которых замкнут к. з. шинами, с одной стороны непосредственно, а с другой - через КЭ.
Каждый уровень стержней имеет соответствующие активные сопротивления г'с1, гс'2,
..., г«, с учетом сопротивлений коммутирую-
Ю. В. Афанасьев, М. В. Охотников и др. • Расширение функциональных возможностей ..._121
щих элементов и индуктивных сопротивлений рассеяния х'с1, х'с2, ., хСп . В целом вторичная
система имеет общее индуктивное сопротивление рассеяния к первичной обмотке х'ос
Рис. 3. Схема замещения линейного асинхронного двигателя с многоуровневой системой стержней. СУ - система управления
Ток во вторичной системе равен:
12 = 121 + 122 + ... + 12п .
Поток рассеяния, создаваемый этим током, сцепляется со стержнями всех замкнутых уровней и индуктирует в каждом из них примерно равную ЭДС, которая определяется выражением:
Кс = -КА^ +122 +... +12«).
Этот же поток является потоком рассеяния по отношению к первичной обмотке и потоком взаимной индукции по отношению к вторичной системе.
х' х' Х'
Определение параметров с1' с2, ..., сп можно выполнить по картине пазового поля, создаваемого стержнями, например, нижнего уровня. Для этого определяется собственное потокос-
V 1
цепление стержня этого уровня с1 и взаимное потокосцепление со стержнями замкнутого в данный момент стержня другого уровня. Отношения
Ьс1 = Vc1 / 1с1
и
Мс1,2 =Ус1,2/ 7с1
выражают собственную индуктивность Ьс1 стержня первого уровня и взаимную индуктивность стержней первого и второго уровней Мс12 пазового поля.
Аналогично по картине поля, создаваемой током второго уровня, находятся
1с2 = Vс2 / !с2
и
Mc2,1 = Vc2,1 / h2 , учитывая, что Mc12 = Mc21, а индуктивности
рассеяния стержней первого, второго уровней соответственно равны:
Scl = Lci -Mci,2,
Sc2 = LC2 -Md,2 .
Аналогично может быть определено рассеяние стержней «-уровня.
Величины Lc1, Lc2, ..., Lcn и их взаимные
индуктивности можно вычислить также по методу пазового рассеяния [3]. Определяются индуктивные сопротивления x'c1, x'c2, ..., x'cn и Хос по схеме замещения (рис. 3). Сопротивления r'c1, r'c2, ..., r'cn рассчитываются с учетом электрических параметров схем бесконтактных коммутирующих элементов управления.
При расчете собственных и взаимных ин-дуктивностей рассеяния стержней необходимо учитывать соответствующие индуктивности от их лобовых частей. Для этого индуктивности следует умножить на а1 = 2f и коэффициент приведения сопротивлений, который определяется согласно выражению:
к = m1W1 ко2б1 ±_ 2,2 , 2 ' m2 W2 кобп kc
где m1 - число фаз первичной обмотки; m2 -число фаз обмотки вторичного элемента, определяющееся числом замкнутых стержней; kc -коэффициент скоса пазов; w1 - число витков первичной обмотки; w2 - число стержней; коб1, коб 2 - обмоточные коэффициенты соответственно первичной и вторичной систем.
Разработанное техническое решение по расширению функциональных возможностей линейного асинхронного двигателя с коротко-замкнутым ротором позволяет управлять его характеристиками, обеспечивает увеличение пусковой способности двигателя, плавное или ускоренное торможение. Разработанная конструкция повышает надежность устройств с ЛАД, снижает их аварийность, расширяет диапазон регулирования, позволяет реализовать специальные режимы работы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Соломин В. А., Щурская Т. В., Соломин А. В. Асинхронный двигатель с разомкнутым магнитопроводом: пат. РФ № 2035826; опубл. 20.05.1995, Бюл. №22. [[ V. A. Solomin, T. V. Schurskaya, A. V. Solomin, Asynchronous motor with an open magnetic circuit, patent RU № 2035826, 20.05.1995. ]]
2. Исмагилов Ф. Р., Афанасьев Ю. В., Охотников М. В.
и др. Линейный асинхронный двигатель: пат. РФ № 2416864; опубл. 20.04.2011, Бюл. №22. [[ F. R. Ismagilov, Y. V. Afanasyev, M. V. Okhotnikov, et al., Linear induction motor, patent RU № 2416864, 20.04.2011. ]]
3. Вольдек А. И., Попов В. В. Электрические машины. Машины переменного тока: учебник для вузов. СПб: Питер, 2010. 350 с. [[ A. I. Voldek, V. V. Popov, Electrical machinery. AC machine, (in Russian). Saint Petersburg: Piter, 2010. ]]
ОБ АВТОРАХ
АФАНАСЬЕВ Юрий Викторович, доц. каф. э/мех. Дипл. инж.-э/мех. (УАИ, 1980). Канд. техн. наук (УАИ, 1985). Иссл. в обл. технол. пр-ва э/мех. преобразователей энергии.
ОХОТНИКОВ Михаил Валерьевич, ст. препод. каф. э/мех. Дипл. инж.-э/мех. (УГАТУ, 2010). Канд. техн. наук (УГАТУ, 2013). Иссл. в обл. э/мех. преобразователей энергии.
ПАШАЛИ Диана Юрьевна, доц. каф. э/мех. Дипл. инж.-эл. (УГАТУ, 1994). Канд. техн. наук (УГАТУ, 2004). Иссл. в обл. надежности э/мех. систем.
АЙГУЗИНА Валентина Владимировна, студ. спец. «Специальные э/мех. системы».
METADATA
Title: Linear induction squirrel cage motor functionality extension.
Authors: Y. V. Afanasyev 1, M. V. Okhotnikov 2, D. Y. Pashali 3,
V. V. Ayguzina 4. Affiliation:
Ufa State Aviation Technical University (UGATU), Russia. Email: 1 [email protected], 2 [email protected],
3 [email protected], 4 [email protected]. Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University), vol. 19, no. 2 (68), pp. 119-122, 2015. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print). Abstract Proposed a new technical solution to increase the functionality of the linear induction motors with squirrel-cage rotor. There is a description of the design, calculation of parameters of such engines. Key words: linear induction motor; conductive rods; switching elements.
About authors:
AFANASYEV, Yuri Viktorovich, Docent, Dept. of Electromechanics. Dipl. Eng.-Electro mechanic (UAI, 1980). Cand. of Tech. Sci. (UAI, 1985).
OKHOTNIKOV, Michael Valeryevich, Docent, Dept. of Electromechanics. Dipl. Eng.-Electro mechanic (UGATU, 2010). Cand. of Tech. Sci. (UGATU, 2013). PASHALI, Diana Yurievna, Docent, Dept. of Electromechanics. Dipl. Electrical engineer (UGATU, 1994). Cand. of Tech. Sci. (UGATU, 2004).
AYGUZINA, Valentina Vladimirovna, student, Dept. of Electromechanics, specialization "Special electromechanical systems".
