Обоснование применения и исследование торцевых асинхронных двигателей для измельчителей кормов

Актуальность т е м ы в настоящее время более 60% вырабатываемой в мире электроэнергии преобразуется в механическую посредством асинхронных двигателей (АД), первый прототип которых был предложен русским электротехником М. О. Доливо — Добровольским в 1889 году. Несмотря на то, что прошло уже 110 лет со дня создания АД, эти машины не претерпели каких — либо существенных изменений. Многочисленные проводимые во всем мире научные исследования по совершенствованию АД осуществлялись в основном в направлениях повышения качества, использования более совершенных электротехнических материалов и отработки конструкции с целью снижения массогабаритных показателей, повышения надежности и уменьшения технологической трудоемкости. Однако порой требования снижения удельной материалоемкости и повышение удельной энергоемкости, КПД, cos ср, разрабатываемых новых серий АД бывают противоречивы и могут быть разрешены на основе разумного компромисса автоматизированного (оптимального проектирования). Использование активных конструктивных материалов в современных АД серии 4А, АИ, РА достигло уровня близкого к оптимальному. Дальнейшее снижение массогабаритных показателей существующих конструктивных показателей не представляется возможным. На нагрев АД значительные влияния оказывает величина площади поверхности контакта магнитопровода с внешней средой. Недостатком АД является закрытое пространство обусловленное малым воздушным зазором. В связи с тем, что АД единой серии в составе ряда механизмов и приборов не всегда удовлетворяют современным требованиям, дополнительно к указанным АД применяют торцевые асинхронные двигатели (ТАД), которые можно специально приспосабливать для конкретных типов механизмов. Важным направлением развития электромеханических систем является совмещение электрической машины с приводным механизмом, что позволяет исключить промежуточные, конструктивные и кинематические звенья, улучшить массогабаритные показатели, уменьшить затраты на изготовление, повысить производительность и КПД.

В 1821 году Фарадей впервые предложил конструкцию торцевого двигателя, а первый двигатель построенный Б. С. Якоби в 1834 году также был торцевым. Как известно асинхронные электродвигатели широко применяются в сельскохозяйственном производстве, являясь основой привода большинства сельскохозяйственных механизмов. Однако ТАД по сравнению с традиционными цилиндрическими асинхронными двигателями имеют ряд преимуществ:

1. Меньшая масса и габариты.

2. Улучшенные условия теплоотдачи, охлаждения и вентиляции.

3. Малоотходное использование магнитных материалов.

4. Удобство сочленения и упрощения кинематики сочленения с механизмом.

5. Упрощение обмоточных работ из-за открытой и плоской зубцовой зоны.

6. Улучшенные динамические показатели при резко-переменной нагрузке Не валу двигателя из-за большого момента инерции.

7. Относительно простая эксплуатация и ремонт.

8. Возможность выполнения магнитопровода более сложной конфигурации, например методом порошковой металлургии, а так же беспазовое исполнение, например, с печатными обмотками и беспазовым ротором.

9. Возможность различной компоновки ТАДс одним статором и ротором, с дг умя статорами и двумя роторами, с одним статором и двумя роторами, много пакетное исполнение.

10. Конструктивная приспособляемость к приводному механизму и непосредственное встраивание ротора в рабочий механизм.

Перечисленные положительные качества ТАД легли в основу обоснования возможности использования их в качестве приводов ряда измельчителей кормов. При этом наиболее предпочтительными оказались на наш взгляд улучшенные динамические свойства, так как измельчитель кормов подвержен частым резко-переменным нагрузкам, а так же плоская форма ТАД, позволяющая органически соединять его с измельчаемым органом и улучшенные тепловые и вентиляционные процессы. В этой связи актуальным является обоснование возможности использования ТАД в качестве привода измельчителя кормов, разработка конструктивных схем электромеханических измельчителей кормов и анализ их поведения с помоцью математических моделей. Особый интерес представляют исследования поведения измельчителей с ТАД которые являются мало, или совсем не изученными в том числе в однофазном исполнении с фазосдвигающими емкостями и резкопеременной импульсной нагрузкой.

Одной из важных задач является обоснование применения ТАД для измельчения кормов в зависимости от вида измельчаемого продукта и оптимальной мощности, существенно обеспечивающей экономичность. Чтобь решение задачи было объективно при обосновании возможности использования ТАД, принималось условие равенства объемов АД и ТАД, несмо гря на то, что в ряде случаев массогабаритные показатели ТАД ниже аналогичных показателей АД.

Цель работы. Обосновать возможность использования ТАД в качестве привода рабочего органа измельчителя кормовразработать новое конструктивное решение, повышающее электромагнитный момент ТАД и вращающий момент электромеханического измельчителя кормовобосновать возможность использования ротора измельчителя в качестве ротора двигателя, разработать математические модели электромеханических измельчителей на базе ТАД и провести их анализ.

Научная новизна:

— найдено соотношение между объемом ротора двигателя и ротора измельчителя;

— определено оптимальное соотношение мощностей при которых использование ТАД целесообразно;

— разработано новое конструктивное решение электромеханических измельчителей, на которые получены патенты РФ;

— разработаны математические модели, схемы замещения для одностаторно — двухроторных трехфазных и однофазных ТАД с короткозамкнутым и массивным роторами;

— предложен способ задания нагрузки на валу двигателя путем математического моделирования, с помощью разложения функции в ряд Фурье;

— проведен анализ работы ТАД совместно с измельчителем кормов с помощью математического моделирования.

Практическая ценность. Предложенные аналитические выражения соотношений объемов роторов АД и измельчителя, позволяют определить объем ротора измельчителя по заданному объему ротора АД с помощью простых формул, а конструктивные решения новых электромеханических измельчителей на основе ТАД могут быть использованы особенно для измельчителей кормов малой мощности, применяемых в личных подсобных хозяйствах.

Реализация результатов исследования. Измельчители кормов на базе ТАД внедрены во Всероссийском научноисследовательском институте электрификации сельского хозяйства на дробилках зерна Д — Т — Ла ТАД с повышенным моментом приняты к использованию при модернизации вентиляционных систем в АООТ ПО «Искра» и в НПО «Регион».

Достоверность и обоснованность результатов и сследования подтверждается тем, что в работе использована фундаментальная теория расчета объема двигателей на основе машинной постоянной, широко применяемой при проектировании электромеханических преобразователей энергии. Предложенные конструктивные решения электромеханических измельчителей одобрены комитетом российской федерации по патентам и товарным знакам, а результаты математического моделирования основанные на классической теории электромеханического преобразовании энергии, совпадают с экспериментальными, снятыми для установившихся режимов.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на III международной конференции «Электромеханика и электротехнология» 1СЕЕ — 98 Клязьма, 1998 г., на кафедре электротехники, электрификации и информатизации Российского государственного аграрного университета (1999г.) во Всероссийском институте электрификации сельского хозяйства (1999г.).

Публикация. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 4 статьях, в двух свидетельствах на патент РФ, одном рекламно-техническом описании и учебном пособии по лабораторным работам.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и преложений.

5.6. Выводы.

1. Проведен выбор оптимального метода экспериментального исследования нагрузки на валу ТАД.

2. Использовано устройство безвального способа определения момента на основе решения дифференциальных уравнений электромеханического преобразования энергии.

3. Представлен экспериментальный опытный образец измельчителя Д — ТЛ производительностью 80 кг/ч установленной мощностью 1,1 кВт на базе органического соединения ТАД с рабочим органом дробилки зерна с уменьшенными массо — габаритными показателями.

4. Получены экспериментальные кривые изменения момента и скорости вращения ротора для однофазного конденсаторного ТАД мощностью 0,18 кВт. Относительные погрешности с расчетными величинами ударного момента составляют в зависимости от величин емкости от 0,041 до -0,133.

5. Для измельчителей зерна Д — Т — Л при частично встроенной конструкции ротора экономия металла составляет 2,75 кг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. На основе проведенного анализа состояния вопроса, выявлены основные преимущества ТАД, которые рекомендуется использовать при разработке привода измельчителей кормов. Наиболее предпочтительными преимуществами ТАД над АД, диктующими целесообразность их применения в качестве привода измельчителя кормов являются: улучшенные динамические свойства при резкопеременных нагрузках, тепловые, вентиляционные, массогабаритные показатели, а так же возможность органического соединения его с рабочим органом. Установлено, что ТАД в системе приготовления и переработки сельскохозяйственных кормов не применяется.

2. Рассмотрены различные схемные решения сочленения ТАД с рабочим органом измельчителя кормов: пристроенная (классическая) конструкциячастично — встроенная конструкция с использованием ротора измельчителя в качестве ротора ТАДвстроенная конструкция (электромеханический измельчитель кормов).

3. Предложен способ улучшения пусковых свойств ТАД путем нового конструктивного решения (патент № 2 125 759).

4. Проведено обоснование конструктивной совместимости ТАД с ротором измельчителя кормов. Найдены соотношение объемов роторов ТАД и измельчителя кормов на основе анализа закономерностей изменения мощностей, расходуемой на измельчение кормов и машинной постоянной Арнольда, широко используемой при проектировании электромеханических систем. Указанные соотношения получены для зернодробилок, измельчителей грубых кормов и корнеклубнеплодов.

5. Выявлены закономерности изменения электромагнитных параметров электродвигателей мощностью от 0,27 до 160 кВт и параметров измельчителей кормов. Установлены оптимальные пределы изменения мощностей при которых использование ТАД оправданы (мощность. примерно до 2 кВт для измельчителей кормов, применяемые в личных подсобных хозяйствах).

6. Методом планирования эксперимента найдены номинальные зависимости соотношения объемов в функции от мощности, удельной энергоемкости, плотности измельчаемого материала, линейной токовой нагрузки и индукции в воздушном зазоре машины.

7. Разработана новая конструктивная двухстаторно — двухроторного встроенного электромеханического измельчителя кормов (патент № 2 125 363), позволяющая получить новые качества, которые затруднительно иметь при традиционной цилиндрической конструкции, а именно: возможность осуществления однонаправленного, или разнонаправленного вращения роторов.

8. Разработаны электромагнитные и электрические схемы различных типов ТАД, которые легли в основу создания математической модели рассматриваемых конструктивных исполнений ТАД.

9. На основе классической теории электромеханического преобразования энергии впервые разработаны математические модели системы ТАДизмельчитель кормов, позволяющие определить состояние системы при однофазном^и трехфазном напряжениях для различных исполнений двигателей: с одним статором и одним роторомс одним статором и двумя роторамис двумя статорами и двумя роторами классической и массивной конструкции, не прибегая при этом порой к трудно — осуществимым экспериментам и предпочтительным при широкой вариации параметров особенно на стадии проектных разработок.

10. Разработаны схемы замещения ТАД трехфазного и однофазного с одним и двумя роторами короткозамкнутой и массивной конструкции. Выведены уравнения для различных схемных включений конденсаторных ТАД на базе существующих, но отличающихся многороторностью и массивностью роторов. Впервые представлена векторная диаграмма двухроторного ТАД при трехфазном напряжении питания.

11. Показана возможность использования преобразования Эйлера — Фурье для имитации нагрузки измельчителя кормов, позволяющие наиболее просто, меняя амплитуду, скважность, интервал, начало действия импульса и фазу сдвига соответствующих гармоник, получить наиболее полную картину изменения нагрузочного момента.

12. Сравнение динамических показателей АД и ТАД, показывает существенное преимущество использования последних в качестве привода измельчителей кормов, особенно при повышенных амплитудах импульса нагрузки. Найдены значения ударных моментов, токов, производительности в зависимости от амплитуды, скважности и длительности импульса нагрузки для системы АД — измельчитель, ТАД — измельчитель для Ж — 100, ДЗ — Т — 1. Показано, что применение ТАД повышает производительность. Так, например, для измельчителя корнеклубнеплодов ИК — 100 при применении ТАД производительность повышается на 2 кг/ч при МСа = 1 o.e. и q = 3.

Производительность растет при больших МСа.

13. Проведен выбор оптимального метода экспериментального определения нагрузочной диаграммы, основанный на использовании электромагнитных свойств самого двигателя, путем частичного счета уравнений электромеханического преобразования энергии.

14. Представлен экспериментальный образец дробилки Д — Т — Л с органически соединенным ТАД. С уменьшенными массогабаритными показателями по сравнению с использованием АД. Относительная погрешность экспериментально полученных кривых момента от расчетных для конденсаторного, ТАД, в зависимости от величины включаемой емкости составляет 0,041 — 0,133. Экономия металла для случая применения ТАД в дробилках Д — Т — Л при частично встроенной конструкции составляет 2,75 кг.