книги / Моделирование цилиндрических линейных вентильных двигателей для различных отраслей промышленности

№ 5 из табл. 4.1, составляет 1685 Н или 6740 Н/м, что в 1,53 раза больше усилия текущей конструкции. Это уже позволит создать погружной двигатель для добычи нефти на глубине более 3 км приемлемой длины. При этом усилие двигателя в обратном направлении увеличилось в 1,96 раза. Поскольку машина в этот раз абсолютно симметрична, а токи неподвижны, объяснением этому может быть только погрешность расчёта усилия в magnetostatic. Если использовать магниты № 3 из табл. 4.1, то максимальное тяговое усилие можно увеличить в 1,86 раза до значения в 8210 Н/м, а если магниты № 1, то в 2,08 раза до значения 9140 Н/м. С увеличением усилия увеличивается и КПД двигателя (табл. 4.9). Так, КПД ЦЛВД на частоте 7 Гц, в результате рационализации конструкции, может достичь значения в 51 %. При этом в данной конструкции двигателя зубцы сделаны из шихтованной электротехнической стали, благодаря чему он может работать на большей частоте, при ещё большем КПД рабочего хода.

Таблица 4 . 9

Сравнение оригинальной конструкции ЦЛВД с рационализированной

Важно отметить, что несмотря на возможность повышения действующего значения тока в обмотках двигателя до 31,6 А, представленные характеристики рассчитаны на ток в 30 А, чтобы не увеличивать потери в кабеле питания. Конструкция, развивающая

91

9140 Н на 1 м длины двигателя, содержит в себе неодимовые магниты с рабочей температурой 80 °C, что не позволит использовать его для добычи нефти из глубоких скважин, потому что температура нефти в таких скважинах может достигать 150 °C. Таким образом, для добычи нефти можно использовать только конструкцию № 2 из табл. 4.9 с удельным тяговым усилием 8210 Н/м, в конструкции которой имеются неодимовые магниты с рабочей температурой 200 °C. Реальное рабочее удельное тяговое усилие ЦЛВД, управляемого преобразователем частоты при номинальном токе в 30 А, рассчитанном с помощью ANSYS Maxwell transient, составляет 6350 Н/м. Чертежи получившейся конструкции ЦЛВД приведены в приложении Б.

Выводы

1.Тяговое усилие ЦЛВД принимает наибольшее значение при наибольших значениях остаточной магнитной индукции, коэрцитивной силы магнитов и максимальных размерах магнитов. Больше всего на тяговое усилие влияют остаточная магнитная индукция

идиаметр магнита.

2.Расчётный коэффициент полюсного деления, при котором достигается максимальное тяговое усилие, равен 0,63. Максимальное тяговое усилие двигателя, развиваемое по направлению коронки зубцов, не меняется с изменением открытия паза. При открытом пазе статическая характеристика ЦЛВД становится симметричной. Таким образом, ЦЛВД можно производить с открытым пазом без потерь тягового усилия. Открытый паз позволит делать статорные чашки двигателя из шихтованной электротехнической стали. Число витков в пазу, равное 18, позволяет развить наибольшее тяговое усилие при номинальном токе в 30 А. С 18 витками в пазу номинальный ток ориентировочно можно увеличить до 31,6 А, что ещё больше увеличит тяговое усилие.

3.Таким образом, в результате рационализации тяговое усилие ЦЛВД возможно увеличить в 1,86 раза, что позволит сделать двигатель длиной 8 м, с которым можно будет вести добычу на сверхглубоких скважинах.

92

Глава 5. МЕТОДИКА РАСЧЁТА ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ЛИНЕЙНОГО ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ШЛИФОВАЛЬНОГО СТАНКА

Другое перспективное направление использования ЦЛВД в качестве исполнительных устройств различной мощности в машиностроительной отрасли [32].

В данной главе рассмотрена методика расчёта параметров и характеристик цилиндрического линейного вентильного двигателя для исполнительного механизма шлифовального станка. Этот двигатель был спроектирован по исходным данным, выданным в рамках государственного задания. Конструкция двигателя и геометрические размеры фрагмента эскизного модуля, рассмотренные в этой главе, обусловлены проведёнными ранее исследованиями. Были определены параметры и характеристики эскизного модуля двигателя, который в составе электропривода шлифовального станка обеспечивает необходимое рабочее усилие, формируя при этом возвратно-поступательное движение вторичного элемента. Также рассмотрены различные варианты исполнения цилиндрического линейного вентильного двигателя, который в зависимости от его конструктивных особенностей способен обеспечивать тяговоеусилиемодулядвигателявширокомдиапазоне.

Предполагается использовать ЦЛВД в составе шлифовального станка вместо асинхронных двигателей со сложной кинематической схемой.

Принцип действия шлифовального станка основан на применении электропривода исполнительного механизма, который обеспечивает возвратно-поступательное линейное движение вторичного элемента (рабочего органа), непосредственно связанного с электродвигателем типа ЦЛВД с помощью штока. Преимущество ЦЛВД в данном устройстве заключается в наличии момента, удерживающего вторичный элемент за счёт постоянных магнитов, установленных на нём [81]. Также подобный электропривод обеспечивает быстрое перемещение рабочего органа.

93

На обмотку ЦЛВД подается трёхфазное напряжение от специального источника электроэнергии (преобразователя частоты), который может находиться в непосредственной близости или на удалении от исполнительного механизма. Преобразователь частоты управляется микроконтроллером совместно с персональным компьютером и формирует напряжение специальной формы необходимой частоты [82].

ЦЛВД, снабжённый постоянными магнитами, отличается по конструкции от обычных электрических машин, в которых магнитное поле является неподвижным или вращающимся, тем, что магнитное поле в нём перемещается линейно вдоль оси рабочего органа (вторичного элемента). Принцип действия ЦЛВД практически полностью соответствует принципу действия обычного синхронного двигателя, однако методика его конструктивного расчёта имеет свои особенности [40], которые будут рассмотрены далее.

5.1. Исходные данные для проектирования ЦЛВД для проектирования электропривода шлифовального станка

Исходные данные для проектирования ЦЛВД с постоянными магнитами учитывают существующую конструкцию шлифовального станка, в котором используется трёхфазный асинхронный двигатель 4ААМ56АУ3 [83].

Перемещение план-шайбы x 0...28 мм.

Усилие прижима шлифовальной головки к поверхности планшайбы Fн 40 кГс.

Коэффициент трения при шлифовании kтр 0,5...0,6 .

Частота колебаний план-шайбы при шлифовании N 360 движений в минуту или f 36060 6 Гц.

Преобразование вращательного движения двигателя в возвратнопоступательное движение план-шайбы значительно проще осуществить на базе линейного двигателя. Линейный двигатель позволяет электрическую энергию, потребляемую от источника питания, непосредственно преобразовать в поступательное или возвратно-посту-

94

пательное движение без промежуточных механических узлов [28]. Такой вариант позволяет существенно упростить кинематику станка.

5.2. Расчёт ЦЛВД для электропривода шлифовального станка

Средняя скорость перемещения план-шайбы

Модуль ЦЛВД имеет следующие параметры и геометрические размеры [32, 84]:

l – расчётный коэффициент полюсного перекрытия;

95

b – длина полюса вторичного элемента;

ЦЛВД с постоянными магнитами состоит из следующих элементов: индуктор круглой формы обычно крепится к неподвижному жёсткому основанию; шток (рабочий орган или вторичный элемент), снабжённый постоянными магнитами, которые могут иметь следующие параметры (в зависимости от марки используемых постоянных магнитов их параметры также могут меняться): Hо 680 кА/м,

Bz 1,1 Тл. На рис. 5.1 представлен разрез индуктора и вторичного

элемента ЦЛВД по продольной оси. В корпусе (трубе) индуктора неподвижно крепятся металлические чашки, в каждой из которых размещается цилиндрическая обычно медная катушка.

С целью получения равномерно распределённого магнитного поля вдоль внутренней поверхности индуктора катушки соединяются последовательно на протяжении всей его длины. Последовательно соединённые катушки образуют единую трёхфазную обмотку двигателя. В качестве источника электроэнергии используется специальный источник питания – преобразователя частоты (ПЧ), который задаёт скорость движения и направление бегущего магнитного поля, наводимого во вторичном элементе обмоткой цилиндрического индуктора. Переключение обмоток индуктора производится в зависимости от положения магнитов вторичного элемента относительно обмотки индуктора.

96

Рис. 5.1. Разрез индуктора и вторичного элемента ЦЛВД по продольной оси

На рис. 5.1 показаны буквенные размеры всех элементов и узлов модуля ЦЛВД, реальные размеры которого представлены в табл. 5.1 [32, 84].

Таблица 5 . 1 Размеры эскизного модуля ЦЛВД, представленного на рис. 5.1

97

Приняты следующие обозначения:

D1 – диаметр корпуса двигателя (внешний диаметр трубы);т – толщина стенки корпуса (трубы) двигателя;– ширина полюса двигателя (полюсное деление индуктора);

tz – высота чашки индуктора со стороны корпуса двигателя (зубцовое деление индуктора двигателя);

bз – толщина дна чашки (ширина зубца индуктора двигателя); bп – высота цилиндрической катушки (ширина паза индуктора

двигателя);

h – ширина цилиндрической катушки (высота паза индуктора двигателя);

b1 – высота чашки индуктора со стороны вторичного элемента (величина открытия паза);

bк – толщина стенки чашки со стороны вторичного элемента (высота коронки зубца);

hя1 – толщина стенки чашки со стороны корпуса двигателя (вы-

сота ярма возбудителя);– воздушный зазор между возбудителем и вторичным эле-

ментом;

D2 – диаметр вторичного элемента цилиндрической формы; dшт – диаметр не обладающего магнитными свойствами штока; l2 – расстояние между немагнитными вставками на границе

вторичного элемента и воздушного зазора (длина магнитного полюса рабочего органа);

l3 – расстояние между полостями укладки постоянных магни-

тов (длина магнитного полюса рабочего органа непосредственно в месте крепления постоянных магнитов на немагнитный шток вторичного элемента);

hн1, bн1 – высота и ширина расширенной части немагнитной вставки, выходящей на поверхность вторичного элемента;

hн2 , bн2 – высота и ширина зауженной части немагнитной вставки, контактирующей с постоянными магнитами;

98

N–S – постоянные магниты, намагниченные аксиально (с осевым намагничиванием);

b2 , dп – ширина и диаметр цилиндрического паза вторичного элемента, предназначенного для укладки постоянного магнита;

hм , Dм , dм – ширина, внешний и внутренний диаметры цилин-

дрического постоянного магнита, укладываемого в паз вторичного элемента.

Рис. 5.2. Чашка индуктора ЦЛВД

Согласно рис. 5.2 максимальный диаметр паза Dmax составляет 95 мм, минимальный Dmin 60 мм, а глубина паза hп – 7 мм, следовательно, рабочая площадь паза

Заполнение паза медью провода определяется коэффициентом заполнения kм :

Sм Sп kм .

Основные параметры для семи различных вариантов ЦЛВД представлены в табл. 5.2 [32, 84].

99

Исходя из выбранных коэффициентов заполнения паза медью определяются диаметр провода и число витков катушки, расположенной в чашке индуктора, значения которых представленыв табл. 5.2.

Для определения тягового усилия, которое будет развивать ЦЛВД, воспользуемся формулой (5.6). Значения всех (кроме магнитной индукции) параметров, входящих в эту формулу, известны, так как определяются по геометрии конструкции ЦЛВД и токовой нагрузке, которая создаётся рабочим органом в обмотках двигателя.

Магнитная индукция B в воздушном зазоре двигателя создаётся суперпозицией магнитных полей:

а) постоянных магнитов, закреплённых на немагнитном штоке вторичного элемента;

б) поля реакции якоря, появившегося при изменении магнитного поля обмотки индуктора (статора).

5.3. Идеализированная модель ЦЛВД для электропривода шлифовального станка

Для поиска магнитного поля в воздушном зазоре следует воспользоваться идеализированной моделью ЦЛВД (рис. 5.3). Магнитное поле необходимо рассчитать на протяжении всего полюсного деления двигателя.

100