Некоторые научно-технические проблемы развития
электромеханики малой мощности
Лавриненко В.А., Гончаров И.П., Осипенко Р.А.,
Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова
Научно-технические проблемы, решением которых
занимаются сотрудники лаборатории микромашин кафедры электромеханики и
технологий электротехнических производств Чувашского государственного
университета в сотрудничестве с предприятиями, можно объединить в три группы.
1. Проблемы теории
1.1. Проводятся исследования распределения магнитного
поля в воздушном зазоре электрических машин (ЭМ) с целью получения информации,
необходимой для расчета индуктивных параметров [14,16].
1.2. Разрабатывается общая теория нелинейных и
параметрических систем [10,12,17], которая позволяет решать большое количество
прикладных задач.
1.3. Составляются инженерные методики
автоматизированного расчета [13,18,19], позволяющие ускорить процесс оптимизации
конструкций ЭМ.
1.4. Определяются наиболее рациональные конструкции
ресурсосберегающих ЭМ [1-9]. Разработка научно и технически обоснованных
рекомендаций по использованию того или иного типа ЭМ дает экономический эффект.
1.5. Синтезируются электромеханические системы из
электромашинных и полупроводниковых элементов [15,21]. Данная тенденция
определяет вектор развития электромеханики. Успехи в развитии полупроводниковой
техники позволяют решать задачи создания наиболее рациональных способов
коммутации тока в цепях электрических машин и получить в результате этого новые
типы вентильных машин, в частности, на основе использования асинхронного
двигателя с короткозамкнутым ротором.
Необходимость перехода к моделированию все более
сложных систем, описываемых десятками дифференциальных уравнений с переменными
структурами и переменными коэффициентами, требует развития существующих методов
компьютерного моделирования.
1.6. Снижается уровень звука ЭМ путем уменьшения
возмущающих сил механического, магнитного и аэродинамического происхождения.
2. Конструкторско-технологические проблемы
2.1. Созданы унифицированные ряды ресурсосберегающих
однофазных электрических машин переменного тока ДАО64 бытового назначения и электродвигателей
постоянного тока с постоянными магнитами ДП56 для автомобильной техники
[11,20].
Прошли приемочные испытания опытных партий
унифицированных двигателей ДАО64 и ДП56, имеющих более высокий кпд и меньшую
стоимость в сравнении с отечественными аналогами.
2.2. Разрабатываются типовые конструкции двигателей,
которые можно использовать для непосредственного электропривода различных
механизмов бытового назначения [1-9]. Особенность новых конструкций двигателей
в том, что не требуется дорогостоящего оборудования для обмоточных работ. В
предлагаемых конструкциях уменьшение трудоемкости и упрощение технологии
изготовления происходит за счет применения сосредоточенных обмоток взамен
всыпных, укладываемых в отдельные пазы.
2.3. Повышается качество ЭМ малой мощности за счет
выполнения требований, предъявляемых к показателям качества, которые условно
можно разбить на семь групп.
Первую группу составляют показатели назначения,
включающие в себя классификационные показатели и показатели функциональной и
технической эффективности. Для ЭМ классификационные показатели включают в себя
номинальные данные. Показатели функциональной и технической эффективности
включают кратности максимального kmах, начального пускового kп и минимального
kmin моментов, потребляемую мощность P1, кратность пускового тока kI, момент
инерции ротора J.
Вторую группу образуют показатели надежности:
установленная безотказная наработка Ту и срок службы Тслу (ГОСТ 27.002-83). ЭМ
следует рассматривать как изделие из последовательно соединенных элементов
(обмоток, магнитопровода, подшипников, коллектора, щеток и т.д.). При этом
отказ любого из них приводит к потере работоспособности машины.
Третья группа — это показатели экономного
использования сырьевых, материальных, топливных, энергетических и трудовых
ресурсов: коэффициент полезного действия n, удельная масса на единицу полезной
мощности G/Рн , коэффициент мощности соs и масса машины G.
Четвертая группа — эргономические показатели: средний
уровень звука L, среднее квадратическое значение виброскорости V.
В пятую группу входят показатели технологичности:
удельная трудоемкость изготовления Ти (нормочасы на единицу полезной мощности),
удельная материалоемкость (кг/Вт) по отдельным видам материалов и суммарная,
удельная технологическая себестоимость Ст (руб/Вт) и коэффициент использования
материалов Кис, характеризующий их экономию,
Шестая группа — патентно-правовые показатели —
показатель патентной защиты Пп.з (наличие оформленных заявок на изобретения
патентов в стране и за рубежом) и показатель патентной чистоты Пп.ч, что
особенно важно для поставки на экспорт.
Седьмая группа — показатель безопасности — класс
защиты от поражения электрическим током (ГОСТ 12.2.007.0-75).
2.4. Применяются технологии автоматизированного
проектирования с использованием систем трехмерного (3D) моделирования.
Использование таких CAD-, CAM- и CAE-систем, как Pro/engineer, позволяет
использовать технологию нисходящего проектирования, в том числе создавать
трехмерные скелетоны (англ. skeleton - скелет, каркас) – структурные 3D модели
сборок. Имеется возможность объявлять зависимости в компоновке и управлять
габаритами проектируемой машины.
Pro/engineer обеспечивает двухстороннюю связь между
трехмерной моделью сборок и содержанием чертежей: любые изменения в трехмерных
моделях автоматически отражаются в чертежах и наоборот. Данная особенность
позволяет всегда контролировать сборку изделия, избежать многочисленных ошибок
при подготовке производства, а также в процессе последующего сопровождения
изделия.
Использование сформированной трехмерной сборки изделия
дает возможность проводить расчеты на взаимное пересечение и прочность
отдельных деталей или узлов, а также моделировать виртуальные движения узлов
механизма. По результатам расчетов оптимизируется конструкция, достигаются
требуемые размеры и значения параметров.
Сформированная трехмерная модель изделия является
основой для дальнейшей работы конструкторов технологической оснастки и
программистов станков с ЧПУ, которые используют специальные модули системы
Pro/engineer.
2.5. Используются современные методы производства,
позволяющие сократить долю механической обработки деталей, а также применить
новые материалы.
2.6. Электрическим машинам придаются современные формы
и цвет с точки зрения эргономики и технической эстетики.
3. Проблемы испытаний
3.1. Разрабатываются точные и надежные устройства
автоматизированных испытаний, исключающие дополнительные нагрузки на валу
двигателя. Определяется необходимый объем испытаний ЭМ при серийном
производстве.
3.2. Проводятся исследования по экспериментальному
определению параметров ЭМ с использованием измерительной техники нового
поколения.
3.3. Используется имитационное моделирование,
позволяющее определить влияние параметров ЭМ на технические характеристики и
сократить объем макетных испытаний при разработке.
Производство электрических машин малой мощности
представляет собой наиболее динамично развивающееся направление
электромеханики, которое характеризуется большой номенклатурой конструктивных
вариантов и специальными методами исследования. Для обеспечения выпуска конкурентоспособных
электрических машин малой мощности требуется проведение научных исследований и
правильной технической политики в этой области электротехники.
Список литературы
1. А.c. 619997 (СССР). Однофазный асинхронный
двигатель / Э.В.Владимиров, Е.И. Ефименко. Заявл. 01.03.77. № 2457936; МКИ
Н02К,17/04. Откр. Изобр. 15.08.78. № 30.
2. А.c. 1424101 (СССР). Однофазный многоскоростной
асинхронный электродвигатель / Е.И. Ефименко, В.А. Лавриненко, В.В. Охапкин.
Заявл. 26.12.86. № 4167400; МКИ Н02К,17/06. Откр. Изобр. 15.09.88. № 34.
3. Патент 2085003 (РФ). Двигатель Ефименко (его
варианты) / Е.И.Ефименко. Заявл. 19.12.94. № 94044756. МКИ Н02К, 17/08. Откр.
Изобр. 20.08.97. № 23.
4. Патент 2088029 (РФ). Двухфазный двигатель
переменного тока/ Е.И.Ефименко. Заявл. 10.01.95. № 95100248. МКИ Н02К, 17/08.
Откр. Изобр. 20.08.97. № 23.
5. Патент 2085003 (РФ). Статор двухфазного двигателя
переменного тока/ Е.И. Ефименко. Заявл. 08.06.93. № 93029283. МКИ Н02К, 1/14.
Откр. Изобр. 20.07.97. № 20.
6. Патент 2085003 (РФ). Однофазный явнополюсный
электродвигатель / Е.И.Ефименко, В.М. Пароятников, В.Н. Погодин. Заявл.
11.04.96. № 95105480. МКИ Н02К, 17/10. Откр. Изобр. 20.04.98. № 11.
7. Патент 2103784 (РФ). Однофазный электродвигатель /
Е.И.Ефименко, В.М. Пароятников. Заявл. 24.03.95. № 95104397. МКИ Н02К, 17/10.
Откр. Изобр. 27.01.98. № 3.
8. Полезная модель 28944 (РФ). Однофазный асинхронный
электродвигатель / В.А. Лавриненко, Р.А. Осипенко. Заявл. 18.11.02.
№2002130603. МКИ Н02К,17/10. Полезные модели. Пром. образцы.2003.№ 11.
9. Патент 2233531 (РФ). Однофазный асинхронный
электродвигатель / В.А.Лавриненко, Р.А. Осипенко. Заявл. 13.11.02. №
2002130484. Положительное решение о выдаче патента от 05.03.04. МКИ Н02К,
17/10. Откр. Изобр. 2004. № 21.
10. Ефименко Е.И. Новые методы исследования машин
переменного тока и их приложения. М.: Энергоатомиздат, 1993. 288 с.
11. Lavrinenko V.A.
Mathematical model of two-speed shaded-pole induction motor with a stepped air
gap // Micromachines and Servodrives. International XI Symposium. Malbork,
Poland, 14...18, IX, 1998. Vol.1. Pp.74-81.
12. Лавриненко В.А. Тенденции развития электромеханических систем // Всерос. электротехн. конгресс ВЭЛК-99. Москва,
1999. Т.1. С. 155-157.
13. Лавриненко В.А. Расчет дополнительных электромагнитных
моментов однофазного асинхронного двигателя // Динамика нелинейных дискретных
электротехнических и электронных систем: Мат. III Всерос. науч. - техн. конф. /
Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 1999. С.127-128.
14. Lavrinenko V.A.
Using of the microprocessor for registration of distribution magnetic field
curve in non-uniform air gap of two-speed shaded-pole induction motor //
Unconventional Electromechanical and Electrical Systems. Fourth International
Conference / St. Petersburg, Russia, 21-24 June 1999. Vol.3. Szczecin, 1999. P.
1339-1342.
15. Lavrinenko
V.A., Nikolaev V.A. Modeling of electromechanical systems for digital data
processing unit // Applied Mechanics'99. Conference for post gradual and young
scientists / Technical University. Brno, 1999. P. 247.
16. Lavrinenko V.A.
Registration of the flux density distribution curve in stepped air gap of
shaded-pole induction motor // Fourth International Conference on Advanced
Methods in the Theory of Electrical Engineering Applied to Power Systems (AMTEE'99)/Pilsen,
Czesh Republic, 13-15 September 1999. Section
D. Pp. 14-17.
17. Лавриненко В.А. Математическое моделирование
электромеханических преобразователей энергии: состояние, ограничения,
перспективы // Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике:
Мат. III Всерос. науч.-техн. конф. / Чебоксары, Изд-во Чуваш. ун-та, 2000. С.361-363.
18. Lavrinenko V.A.
Mathematical model of small induction motors with magnetic asymmetry // Third
International Power Electronics and Motion Control Conference. Tsinghua
University, Beijing, China, 2000.
19. Lavrinenko V.A.
Mathematical model of small induction machines// International XII Symposium on
Micromachines and Servodrives. Kamien
Slaski, Poland, 10...14, IX, 2000. Vol.II. P.428-435.
20. Лавриненко В.А., Кузин Н.П., Гончаров И.П.,
Осипенко Р.А. Разработка, автоматизированный расчет и проектирование
коллекторного двигателя с постоянными магнитами // Тр. V Международ. симпозиума
“ЭЛМАШ-2004”, МА “Интерэлектромаш”, Москва, 11-15 октября, 2004. Т.2. С.10-15.
21. Лавриненко В.А., Кузин Н.П., Гончаров И.П.,
Осипенко Р.А. Переходные процессы в системе “асинхронный двигатель малой
мощности–резонансный инвертор” // Сб. науч. тр. молодых ученых и специалистов.
Чуваш. ун-т. Чебоксары, 2004. С. 212-216.
Для подготовки данной работы были использованы
материалы с сайта http://www.chuvsu.ru