Программный комплекс для исследования процессов коммутации коллекторных электрических машин малой мощности

Универсальные коллекторные двигатели получили большое распространение в ручном электроинструменте и в некоторых видах бытовой техники из-за малых размеров, малого веса, лёгкости регулирования оборотов, относительно низкой цены. Они дают возможность просто, плавно и экономично регулировать частоту вращения в широком диапазоне, имеют сравнительно высокий КПД, большие пусковые моменты. Однако указанный тип двигателей имеет ряд недостатков один, из которых связан с наличием щёточно-коллекторного узла, снижающего надежность и требующего дополнительного ухода, тем не менее, несмотря на развитие асинхронных, синхронных и других типов электродвигателей, претендующих на замену универсальных коллекторных двигателей, подобной полноценной замены в обозримом будущем не предвидится. Чтобы убедиться в этом, достаточно посмотреть каталоги предлагаемой продукции таких фирм как Zhongshan Ruiying Motor & Electric Co., Ltd., Bosh, Shenzhen Power Motor Industrial Co., Ltd, EXMEK Electric Co. Ltd, Galanz Motor Manufacture Co., Ltd, Johnson Motor, Flard Electric Industry Co., Ltd, Baldor и др., предлагающих широкий выбор коллекторных двигателей постоянного и переменного тока самого различного назначения.

По проблеме коммутационной напряжённости КЭМ выполнено множество экспериментальных и теоретических исследований. Большой вклад в изучение данной проблемы внесен рядом таких исследователей, как: B.C. Хвостов, В. Д. Авилов, A.C. Курбасов, Р. Ф. Бекишев, Л. Я. Зиннер, С. И. Качин, И.В. Пло-хов, А. И. Скороспешкин, И. И. Туктаев, В. В. Харламов, и многими другими.

В настоящее время основные коллективы, занимающиеся проблематикой коллекторных машин, работают на кафедрах следующих институтов и университетов: Томского политехнического университета [16, 20, 21, 22], Московского энергетического института (технический университет) [30, 31], Воронежского государственного технический университета [29, 32], Самарского государственного технического университета [26, 28], Омского государственного технического университета [27, 33], Омского государственного университета путей сообщения [51, 56, 70] и других [62, 66, 68, 69, 71, 72]. Кроме того, выходит большое количество публикаций в российской и зарубежной печати, посвященных развитию указанного класса машин.

С самого зарождения классической теории и до настоящего времени некоторые положения теории коммутации не совпадают с данными практики. Расчет и конструирование коммутационных элементов машин продолжает содержать эмпирическую основу, так как классическая теория не может дать строго обоснованный и практически приемлемый метод расчёта коммутации для случая, когда щётки перекрывают несколько коллекторных пластин, в условиях возросших величин реактивных ЭДС, применения высоких окружных скоростей вращения коллектора и возрастания температуры коллекторного-щёточного узла (КЩУ). Таким образом, все работы, посвященные процессу коммутации, в той или иной степени являются попытками, избавится от допущений классической теории коммутации и получить более точную картину процесса коммутации.

Из обзора диссертационных работ следует, что в последнее время основное внимание уделяется исследованиям механической природы коммутационной устойчивости [16, 20, 21 22], оставляя в стороне электромагнитную составляющую, которая оказывает существенное влияние на процесс коммутации. Разработка новых конструкций коллекторных электрических машин, применение индукторов с анизотропией магнитных свойств, разработка новых типов обмоток якоря (демпфированных), высокие скорости вращения якоря машины ставят задачу более адекватной оценки электромагнитных факторов, влияющих на протекание процесса коммутации. Кроме того, в связи с ростом требований к коммутационной напряженности коллекторных электрических машин переменного тока малой мощности, предприятия — изготовители нуждаются в программных продуктах, позволяющих на стадии проектирования осуществлять отработку конструкций основных элементов машин с применением вычислительных экспериментов для улучшения основных технических показателей изделий.

Таким образом, необходимо создание и реализация в программном комплексе адекватной расчётной модели коммутационных процессов в коллекторных электрических машинах переменного тока, учитывающей в максимальной степени влияние основных факторов электромагнитной и механической природы на процесс коммутации.

Настоящую работу можно считать естественным продолжением прежних публикаций [16, 20, 21, 22], отражающих направление научных разработок коллектива ТПУ.

Объектом исследования являются коллекторные электрические машины постоянного и переменного тока малой мощности.

Предметом исследования является методическое и алгоритмическое обеспечение для исследования коммутационных процессов КЭМ.

Целью диссертационной работы является повышение ресурса работы щёток КЭМ малой мощности постоянного и переменного тока путём выбора их конструктивных параметров на основе моделирования коммутационных процессов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— разработать архитектуру программного комплекса, решающего задачи расчёта коммутации секций якоря и оценки коммутационной напряжённости КЭМ малой мощности на основе наиболее полного учёта факторов механической и электромагнитной природы;

— создать программный модуль для расчёта магнитных полей КЭМ постоянного и переменного тока с разной степенью анизотропии магнитных свойств индуктора;

— создать программный модуль для расчёта механики КЩУ и контактных сопротивлений между щёткой и коллекторными пластинами;

— создать программный модуль для расчёта электромагнитных параметров, коммутируемых секций якоря, позволяющий учитывать различные типы обмотки якоря при работе машины на постоянном и переменном токе;

— разработать программный модуль для поиска оптимальных параметров конструкций элементов КЭМ, в том числе якорных обмоток, в целях уменьшения коммутационной напряжённости;

— разработать программный модуль для прогнозирования ресурса щёток КЭМ с учётом механического состояния скользящего контакта в процессе коммутации и уточнённых электромагнитных параметров коммутируемых секций.

Основные методы научных исследований. Теоретические исследования процесса коммутации электрических машин проводились с применением методов математического моделирования, дифференциального и интегрального исчислений. В процессе расчетов и анализа математических зависимостей применялись специализированные пакеты программы Matlab. Разработка оригинального программного продукта осуществлялась в среде Visual Studio 2010 на языке программирования С# с применением технологий модульного программирования, распределённого и параллельного вычислений. Для проверки корректности алгоритмов и программ использовались данные экспериментов, а также результаты расчетов на основе коммерческих программ ELCUT и Matlab. Экспериментальные исследования проводились на специально разработанных установках и реальных коллекторных электрических машинах малой мощности.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработана оригинальная система взаимосвязанных алгоритмов для расчетной оценки и прогнозирования коммутационной напряженности КЭМ и расчёта ресурса щеток электрических машин малой мощности постоянного и переменного тока с нетрадиционными конструкциями индуктора и обмотки якоря с учетом электрофизических и механических свойств кол-лекторно-щеточного узла, мгновенных значений собственных и взаимных индуктивностей секций паза якоря.

2. Предложены алгоритмы расчета магнитного поля электрических машин постоянного и переменного тока методом конечных элементов (МКЭ) с введением процедуры уточнения конечного решения, а также вычислений величин индуктивностей и взаимных индуктивностей коммутируемых секций в процессе вращения якоря на основе величин энергии создаваемого ими магнитного поля, в том числе для нетрадиционных конструкций индуктора и обмотки якоря.

3. Выявлены основные закономерности влияния степени насыщения магни-топровода, анизотропии магнитных свойств индуктора и типа обмотки якоря на распределение магнитного поля электрической машины и мгновенные значения ЭДС, собственных и взаимных индуктивностей коммутируемых секций.

4. Исследованы для различных конструкций индуктора и обмотки якоря явления колебания положения физической нейтрали магнитного поля электрической машины вследствие зубчатости якоря, влияющие на величины коммутирующих ЭДС, индуктивностей и взаимных индуктивностей секций якоря.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработанный многофункциональный программный комплекс позволяет осуществлять расчётную оценку работоспособности коллекторно-щеточного узла, коммутационной напряженности и величины изнашивания щеток в процессе виртуальной наработки на ресурс, что обеспечивает сокращение времени и затрат на проектирование КЭМ малой мощности постоянного и переменного тока.

2. Созданный программный комплекс является инструментом научных исследований, и используется для математического моделирования коммутационных процессов и явлений изнашивания щеток КЭМ постоянного и переменного тока с традиционными и нетрадиционными конструкциями индуктора и обмотки якоря, а также для синтеза КЭМ с оптимальными параметрами коллекторно-щеточного узла, геометрии магнитной системы и архитектуры демпфированных обмоток якоря.

3. На основании виртуальных исследований коммутационных процессов электрических машин малой мощности выработаны рекомендации по выбору конструкций анизотропных индукторов и демпфированных обмоток якоря с улучшенными функциональными свойствами.

4. Предложенные технические решения индуктора с анизотропными магнитными свойствами и демпфированных обмоток якоря обеспечивают снижение энергии искрения под щеткой на порядок и более и увеличение ресурса щёток почти в 5 раз при работе КЭМ на постоянном токе, и в 4 раза при работе на переменном токе в сравнении с традиционными конструкциями.

Реализация результатов работы. Разработанная с участием автора модель изменения токов секций при коммутации и энергий коммутационного искрения, а также созданный на её основе вариант методики расчёта ресурса щёток КЭМ были переданы для использования компании «LG Electronics Inc.». Разработанный в диссертационной работе программный комплекс используется в учебном процессе Томского политехнического университета при подготовке студентов направления 140 600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии». Подтверждением реализации результатов диссертационной работы является наличие двух актов о внедрении.

На защиту выносится:

1. Многофункциональный программный комплекс для расчёта коммутационных параметров КЭМ постоянного и переменного тока малой мощности, позволяющий осуществлять оценку работоспособности коллектор-но-щеточного узла, коммутационной напряженности и величины изнашивания щеток в процессе виртуальной наработки на ресурс.

2. Методика и программа расчёта магнитного поля КЭМ при работе на постоянном и переменном токе.

3. Методика и программа расчёта ЭДС коммутируемых секций якоря с учётом трансформаторной ЭДС.

4. Методика и программа расчёта собственных и взаимных индуктивно-стей коммутируемых секций якоря на основе энергии магнитного поля.

5. Алгоритм и программа оптимизации обмоточных параметров КЭМ с целью снижения их коммутационной напряжённости.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Современные техника и технологии» (Томск, 2005, 2011 гг.), «Электромеханические преобразователи энергии» (Томск, 2005, 2007, 2011 гг.), «Электронные и электромеханические системы и устройства» (Томск, ФГУП «НПЦ «Полюс» 2006 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе четыре статьи в журналах по списку ВАК, один патент РФ на изобретение и три свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех основных разделов, заключения, выполнена на 116 страницах машинописного текста, содержит 57 иллюстраций, 10 таблиц, список литературы из 103 наименований и 2 приложения на 21 странице. Общий объем диссертации составляет 137 страниц.

3. Результаты исследования распределения индукции магнитного поля в воздушном зазоре показали, что положение физической нейтрали зависит от геометрии зубцовой зоны якоря, при этом амплитуда её колебаний составляет до половины пазового деления. Выявлено, что применение индуктора с анизотропией магнитных свойств и демпфированной обмотки приводит к уменьшению отклонения среднего положения физической нейтрали от геометрического положения до 10%, что необходимо учитывать при определении оптимального угла сдвига щёток с ГН.

4. Разработанные методики расчёта ЭДС, самои взаимоиндукции секций паза якоря позволяют проводить их расчёт при работе КЭМ на постоянном и переменном токе с учётом нестандартных конструкций активных элементов.

5. Выявлено что величины ЭДС коммутируемых секций паза якоря при работе КЭМ на переменном токе существенно зависят от степени насыщения магнитной системы, при этом они отличаются от значений ЭДС при работе КЭМ на постоянном токе от 10% до нескольких раз. Также мгновенные значения самои взаимоиндукции секций изменяются более чем в 10 раз при изменении тока параллельной ветви от минимума до максимума. Также результаты виртуальных исследований показали существенное влияние геометрии зубцового слоя якоря на электромагнитные параметры коммутируемых секций. Мгновенные значения самои взаимоиндукции секций изменяются до 2 раз за время коммутации. Результаты расчётов показали, что подобные изменения мгновенных значений электромагнитных параметров оказывают существенное влияние на коммутационную напряжённость КЭМ, приводя к её увеличению или к снижению в сравнении с расчётами, проводимыми по аналитическим зависимостям.

6. Разработанная методика расчёта собственных и взаимных индуктивностей на основе энергий магнитного поля позволяет проводить расчёт их мгновенных значений с учётом всех работающих обмоток. При этом в максимальной степени учитывается нелинейность магнитной системы и минимизирована погрешность расчёта за счёт использования значений векторного потенциала. Отклонение рассчитанного значения собственной индуктивности секции паза от измеренного значения на реальном двигателе прибором М, С Е7−22 составило не более 5%.

7. Разработанная методика поиска оптимальных параметров элементов конструкции КЭМ позволяет достичь наименьшей коммутационной напряжённости путём подбора оптимального угла сдвига щёток с ГН и параметров обмоточных данных демпфированных обмоток.

8. Результаты расчётов показали, что анизотропия индуктора приводит к снижению оптимального угла сдвига щёток с ГН и к уменьшению энергий искрения в 10 и более раз при работе на постоянном токе и до 40% при работе на переменном в сравнении с серийной конструкцией. В тоже время изменение обмоточных данных демпфированной обмотки позволяет снизить энергии искрения до 3 и 16 раз при работе машины на переменном и постоянном токе соответственно с одинаковым типом индуктора.

9. На основе численного моделирования коммутационных процессов КЭМ на протяжении их жизненного цикла при работе на постоянном и переменном токе выработаны рекомендации по изменениям в конструкциях индуктора, якорных обмоток и угла сдвига щёток с ГН, обеспечивающие снижение энергии искрения под щеткой приблизительно до 10 раз и увеличение ресурса щёток почти в 5 раз при работе машины на постоянном токе, а также снижение энергии искрения под щеткой приблизительно до 9 раз и увеличение ресурса щёток почти в 4 раза при работе машины работе на переменном токе в сравнении с традиционной конструкцией, что говорит об эффективности возможности поиска оптимальных электромагнитных параметров КЭМ на стадии их проектирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе получены следующие основные результаты:

1. На основе ранее разработанных с участием автора и новых методик расчёта магнитного поля КЭМ, электромагнитных параметров коммутируемых секций паза якоря, контактных сопротивления и т. д. создан программный комплекс, позволяющий на стадии проектирования коллекторных электрических машин постоянного и переменного тока малой мощности осуществлять оценку работоспособности коллекторно-щеточного узла, коммутационной напряженности и величины изнашивания щеток в процессе виртуальной наработки на ресурс.

2. Предложена методика и алгоритм расчета распределения индукции магнитного поля в поперечном сечении КЭМ постоянного и переменного тока для нетрадиционных конструкций индуктора и обмоток якоря с использованием метода конечных элементов. Использование разработанной процедуры уточнения конечного решения позволило получать распределение магнитной индукции с приемлемой точностью, при этом отклонения в значениях индукции на участках магнитной цепи с сильным насыщением составило до 5% в сравнении с расчётом в коммерческом программном продукте. Методика позволяет с отклонением в 9−12% получать распределение средних значений магнитной индукции в воздушном зазоре КЭМ в сравнении с традиционной методикой расчёта для данного типа КЭМ на основе традиционных аналитических зависимостей.