Теоретические пояснения. Построение геометрической модели электрической машины в программе МКЭ

Лабораторная работа № 5

Построение геометрической модели электрической машины в программе МКЭ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1. Изучить устройство моделируемого асинхронного двигателя с внешним ротором.

1.2. Ознакомиться с основными положениями метода конечных элементов (МКЭ).

1.3. Ознакомиться с правилами создания геометрических тел и фигур в выбранной программе МКЭ.

1.4. Изобразить поперечное сечение асинхронного двигателя с внешним ротором.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЯСНЕНИЯ

Сделаем допущения о том, что рассматривается двумерная задача. То есть поле в воздушном зазоре считается плоско-параллельным. Для исследования трехфазных асинхронных двигателей используем метод конечных элементов.

Проанализируем асинхронные электродвигатели с внешним ротором мощностью 90 Вт с числом пазов статора Z1 = 24. Эскиз рассматриваемого электродвигателя приведен на рис. 1. Внешний ротор поз. 13 вращается вместе с валом в подшипниках скольжения поз. 6. Пакет ротора выполнен из листов холоднокатаной изотропной электротехнической стали 2013 ГОСТ 21427.2- 83 толщиной 0.5 мм. Обмотка ротора, вентиляционные окна и втулка, в которую запрессован вал, образуют единую конструкцию после заливки пакета ротора. Электродвигатель крепится в изделии заказчика при помощи фланца поз. 1, укреп­ленного на подшипниковой втулке. Фланец выполняется литьем из алюми­ния марки АК-12 ГОСТ 11069- 74. Подшипниковая втулка изготовлена из уг­леродистой стали Ст 45 ГОСТ 380- 94. Фланец и втулка соединяются между собой прессовой посадкой, для чего фланец предварительно нагревают. Внутри втулки расположены два подшипника скольжения, выполненные из пористой бронзы цилиндрической формы поз. 6. Перед установкой во втулку подшипники пропитывают жидкой смазкой в вакуумной установке. После установки со стороны противоположной фланцу, втулку равномерно раскернивают для закрепления подшипника скольжения в осевом направлении. Между подшипниками помещена распорная втулка поз. 7 и фетровая прокладка поз. 8. Фетровую прокладку перед сборкой подшипникового узла пропитывают тем же маслом, которым заполняют пористые подшипники скольжения. Она работает как подпиточная камера, добавляя масло на поверхности трения между валом и подшипниками. Тем, самым, заметно возрастает ресурс работы подшипникового узла.

Со стороны фланца подшипник скольжения закреплен от осевого смещения стопорным кольцом поз. 2. Его помещают в канавку вала так, чтобы, защелкнувшись, оно закрепило ротор вместе со статором, и удерживало их от взаимного перемещения.

Пакет статора поз. 14 выполняется из листов электротехнической стали 2013 ГОСТ 21427.2- 83 толщиной 0.5 мм. Листы собираются в пакет при помощи клея. Затем пакет напрессовывают на подшипниковую втулку.

Рис. 1. Эскиз исследуемого электродвигателя

Значительным преимуществом данной конструкции асинхронного двигателя по сравнению с классической является возможность легко автоматизировать процесс укладки обмотки. В двигателе применяют трехфазную концентрическую однослойную обмотку. Выводные концы обмотки выполнены из монтажного провода. Для обеспечения соединения обмотки статора звездой или треугольником количество выводных концов равно шести. Начала и концы обмоток фазы маркируют бирками поз. 15.

Осевой люфт регулируется шайбами поз. 3 - 5. Для уменьшения трения и шумов их изготавливают из стали и фторопласта.

Для предупреждения возможного нарушения изоляции выводные концы крепятся хомутом поз. 16 к фланцу через резиновую втулку.

На роторе размещена однослойная концентрическая обмотка, схеме которой приведена на рис. 2. Число пазов ротора Z2 = 28. Короткозамкнутая клетка ротора имеет пазы круглой формы, залитые алюминием. Диаметр расточки ротора равен 90 мм. Величина воздушного зазора – 0,3 мм. Плотности тока обмотки статора в пусковом режиме принимались равными 6419049 А/мм². За номинальный режим будем считать такой, при котором частота тока в роторе будет равной 4,3 Гц. Это соответствует номинальной нагрузке на валу.

Рис. 2 Схема однослойной концентрической двухплоскостной обмотки

Плотность тока обмотки статора в номинальном режиме также принималась равной 1601763 А/мм², независимо от числа пазов ротора. Скос пазов ротора относительно статора не учитываем.

При моделировании влияния геометрии зубцового слоя ротора на характеристики трехфазного асинхронного двигателя с внешним ротором будем производить в предположении, что геометрия листа статора остается без изменения. Ее размеры определяются рис. 3.

Листы ротора представлены на рис. 4.

Используемый пакет метода конечных элементов позволяет разбивать исследуемое сечение на требуемое количество конечных элементов так, что не возникает необходимость подразделять сечение на меньшие подобласти, в которых магнитное поле может быть симметричным, для упрощения задачи. Как будет показано ниже, в трехфазных четырехполюсных асинхронных двигателях таких областей симметрии с прямолинейными границами просто нет.

Это особенно понятно при работе асинхронного электродвигателя с номинальной нагрузкой, а если все-таки пытаться выделить области «квазисимметрии», то задача только усложнится.

Рис. 3 Лист и пазы статора с размерами

Рис. 4 Геометрия роторного листа (Z2 = 28 пазов)

Для того чтобы в дальнейшем была возможность задать корректно граничные условия, как в любой краевой задаче, необходимо наружный контур электродвигателя окружит слоем воздушного пространства. Силовые линии магнитного поля рассеяния в этой области будут параллельны внешней границе задачи.