УДК 621.313.333

ФОРМУВАННЯ ХАРАКТЕРИСТИК АСИНХРОННИХ ДВИГУНІВ З МАСИВНИМИ ФЕРОМАГНІТНИМИ ЕЛЕМЕНТАМИ МАГНІТОПРОВОДУ

        Підвищення надійності, зниження вартості, забезпечення високих пускових і робочих властивостей асинхронних двигунів (АД) в інтенсивних динамічних режимах роботи залежать від розв’язку задачі обмеження величини пускового струму, формування необхідної механічної характеристики. Це можливо здійснити при умові значної зміни електричних і магнітних параметрів ротора в функції його ковзання. Одним з найефективніших засобів забезпечення такої умови є використання масивних елементів магнітопроводу (МЕМ) ротора.
        Асинхронні двигуни з МЕМ ротора дають можливість отримати добрі пускові властивості, просту конструкцію ротора, що підвищує надійність двигуна в цілому. Але через низьку енергоефективність у робочих режимах широкого застосування не набули. Підвищити їх енергоефективність можливо шляхом варіювання геометричних параметрів ротора з МЕМ у процесі проектування АД. Внаслідок складності адекватного врахування фізичних процесів у таких АД при математичному моделюванні їх проектування ускладнюється. Розроблена математична модель АД з МЕМ ротора [2, 3] дає змогу ретельно дослідити фізичні процеси з метою створення та проектування за результатами даного дослідження нових конструкцій, і є необхідним засобом для пошуку шляхів підвищення енергоефективності таких двигунів.
        Задачею при проектуванні АД з МЕМ ротора для експлуатації в інтенсивних динамічних режимах роботи є створення двигунів з мінімальним значенням кратності пускових струмів І_n/І_н, максимальними значеннями кратності пускового моменту M_n/M_н, коефіцієнта використання двигуна за потужністю k_p і енергетичних показників η, соsφ. Одним з можливих шляхів виконання цієї задачі є отримання такого співвідношення геометричних параметрів ротора, яке б забезпечило максимально можливий діапазон зміни активного опору ротора.
        АД з МЕМ ротора можуть застосовуватись на підприємствах машинобудівної, переробної галузі, агропромислового комплексу, в транспорті. Наприклад, такі механізми, як конвейєри, елеватори, ескалатори, часто обладнані нерегульованими електроприводами на базі АД з фазним ротором (ФР), в яких регулювання швидкості під час пуску здійснюється зміною опору в колі фазного ротора АД за допомогою силового контролера, а гальмування – механічними гальмами. Ця система привода має обмежену надійність і термін служби. Застосування в таких механізмах АД з МЕМ ротора підвищить надійність, термін служби привода і зменшить витрати на обслуговування.
        Як приклад розглянемо привод ескалатора метрополітену на базі АД з ФР. З метою підвищення надійності таких двигунів замінимо ФР на ротор з МЕМ. Особливістю режиму роботи АД у складі ескалатора метрополітену є важкий пуск і невелика завантаженість у робочому режимі. Тому проектування такого двигуна необхідно здійснювати з урахуванням особливостей режиму його роботи.
        За допомогою математичної моделі АД з МЕМ ротора [2, 3] розроблено конструкцію АД з тришаровим масивним ротором (ТМР) [4] з широким діапазоном зміни електромагнітних параметрів ротора в функції ковзання [1]. Дана конструкція дає можливість шляхом варіювання співвідношення геометричних параметрів ротора сформувати необхідну механічну характеристику. Так, на базі АД з ФР АК113-8М потужністю 200 кВт, частотою обертання ротора 750 об/хв, соsφ=0,86, η=0.92 спроектовано АД з ТМР. Тришаровий масивний ротор АД складається з шихтованого осердя, на якому розміщені дві феромагнітні втулки з матеріалів різної питомої електропровідності і наскрізними прорізами в осьовому напрямку, з прикріпленими до обох втулок торцевими короткозамикаючими кільцями. Для отримання характеристик АД з високим використанням габаритної потужності k_p, високими робочими і прийнятними пусковими властивостями необхідно ізолювати між собою суміжні поверхні втулок з кільцями. У випадку привода ескалатора необхідним є АД з високими робочими і пусковими властивостями без жорстких вимог до використання габаритної потужності. У такому випадку при розробці конструкції ротора відпадає потреба в ізолюванні між собою суміжних поверхонь короткозамикаючих кілець втулок. При 50 %-вому використанні габаритної потужності АД були отримані наступні енергетичні параметри робочого режиму соsφ=66, η=0.88 і параметри пускового режиму І_n/І_н=3.5, M_n/M_н =1.9. Отримані величини параметрів у робочих режимах співрозмірні з даними для базового АД при цьому завантаженні.
        Отриманню такого результату передувало виконання серії розрахунків режимів роботи АД при варіюванні наступних геометричних параметрів елементів ротора: 1) h₁, h₂ – товщина нижньої і верхньої масивної втулки відповідно, що змінювалась в діапазоні 6…14 мм, з кроком 2 мм; 2) b – ширина і висота короткозамикаючого кільця, що змінювались у діапазоні 10…30 мм, з кроком 5 мм; 3) λ – ширина пропилів, що змінювалась у діапазоні 0.5…3.0 мм, з кроком 0.5 мм; 4) z – кількість прорізів, що змінювалась у діапазоні 32…96, з кроком 16 одиниць. Зміна кожного з цих геометричних параметрів так чи інакше впливає на енергетичні та механічні характеристики АД. Таким чином, у результаті перебору ряду варіантів з перерахованими вище геометричними параметрами елементів були встановлені наступні значення конструктивних параметрів ротора, а саме: h₁=33 мм, h₂=10 мм, b=30 мм, λ=1 мм, z=90, які відповідають робочим і пусковим параметрам АД, необхідним для реалізації потрібних режимів роботи у складі даного привода. Вибір означених величин геометричних параметрів здійснено при одночасному варіюванні електромагнітними властивостями матеріалів обох феромагнітних втулок. Для верхньої втулки обрано Ст3, для нижньої – СМ25.
        Розроблена математична модель і програма, що її реалізує, дають змогу ефективно експериментувати при формуванні необхідних механічних, струмових і енергетичних характеристик АД для інтенсивних динамічних режимів.


        1. Головань І.В. Дослідження характеристик асинхронного двигуна з тришаровим масивним ротором // Пр. Ін-ту електродинаміки НАН України: Зб. наук. пр. – К.: ІЕД НАНУ, 2007. – №3. – С.85–89.
        2. Попович О.М., Головань І.В. Математична модель для розрахунку пускових характеристик асинхронного двигуна з урахуванням еквівалентних контурів втрат в сталі статора і ротора // Міжнар. симп. ”Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів”// Електротехніка і електромеханіка. – 2006. – №1. – С. 42–46.
        3. Попович О.М., Головань І.В. Алгоритм розрахунку параметрів магнітного поля асинхронних двигунів з масивними феромагнітними елементами в роторі // Техн. електродинаміка. Темат. вип. «Проблеми сучасної електротехніки». – 2006. – Ч.3. – С. 55–58.
        4. Патент на корисну модель №26574 Україна, МПК Н02К 1/22. Тришаровий масивний ротор асинхронного двигуна / О.М. Попович, І.В. Головань І.В (Україна). – № 45784530/32; Заявл. 04.06.07; Опубл. 25.09.07. – Бюл. №15. – 4 с.