Правильноеиспользованиедвигателейсвысокойэнергоэффективностьюнеограничивается однимлишьправильнымпрочтениемданныхнащиткедвигателя. Вдекабре 2010 г. вСША ввелиновыедирективы, обязывающиеприменятьэлектродвигателисвысокимКПД, в Европеаналогичныеправиладействуютужедавно. Готовы ли вы к очередным более строгим директивам?
Экологическое мышление мотивирует многих, а экология сама по себе является темой повседневной жизни. К сожалению, не в сфере бизнеса, хотя именно там любое ограничение потребления энергии означает огромную экономию. Электродвигатели с высоким КПД могут помочь в реализации этой задачи, тем более, что все более жесткие нормы во многих странах просто требуют этого.
Стоит знать, что когда говорят о двигателях с высоким КПД, то это относится обычно к традиционным асинхронным двигателям. – Индукционные двигатели выпускаются в стандартном энергетическом исполнении, в исполнении с повышенной эффективностью и суперэффективные, – говорит Дэвид Хансен, глобальный менеджер продукта Kinetix Motion Control Rockwell Automation. ? Двигатели же с постоянными магнитами выпускаются только по одному энергетическому классу.
Не случайно двигатели с постоянными магнитами предлагаются только в одном энергетическом классе: их конструкция сама по себе обеспечивает высокий КПД, поскольку исключает потребность намагничивания ротора. Джон Малиновски, старший продукт-менеджер в фирме Baldor Electric Company подчеркивает, что существует группа индукционных двигателей, которые соответствуют международным стандартам IEC 60034-30 по категории IE3 (высшая категория) и американским NEMA по категории Premium (тоже высшая категория).
По этой причине обсуждение ограничится универсальными асинхронными двигателями, роторы которых изготовлены из ферромагнитных материалов. Характеристики эффективности двигателей с постоянными магнитами будут обсуждены в другой раз.
? Двигатели энергетической категории Premium (аналог IE3) более чувствительны к исполнению, чем более старые двигатели, они создают меньше шума и вибрации, выделяют меньше тепла и являются более долговечными, ? утверждает Малиновски.
? Более высокий КПД современных асинхронных двигателей является результатом совершенствования конструкции, правильной геометрии обмоток, использования более качественных материалов (в том числе меди в роторе), что приводит к более эффективному преобразованию электрической энергии в механическую, ? утверждает Петер Фишбах, менеджер промышленного сектора в фирме Rexroth.
Что определяет КПД двигателя
? Ключом к более высокому КПД является ограничение потерь – констатирует Малиновски. – Больше меди в обмотке ? меньше потери в проводимости, а в свою очередь более качественная магнитная сталь уменьшает потери на перемагничивание. Меньшие потери мощности ? это меньший нагрев, следовательно, и меньший охлаждающий вентилятор – очередная выгода.
Фишбах добавляет, что б?льшая часть потерь ? это потери на проводимости в роторе и статоре, часто называемые потерями на гистерезиса или потерями в железе.
Хансен перечисляет по пунктам список конструктивных решений, повышающих энергоэкономичность их приводов:
Важен комплекс
? Целью большинства промышленных применений является сочетание высокого КПД с высокой производительностью, – считает Фишбах. ? Ключ к успеху ? анализ, моделирование и оптимизация всей системы, предшествующие принятию решения о закупке отдельных компонентов, таких, как двигатели.
С этим соглашается Малиновски: ? Замена двигателей ? это простой шаг в стремлении к большей эффективности, но выгода здесь ограничена. Стоит иметь двигатели с КПД порядка 95%, но они должны взаимодействовать с высококачественными трансмиссиями с КПД 90?95%, а не с изношенными конструкциями с КПД 50?60%.
Фишбах подтверждает: ? Более высокая эффективность ? понятие относительное, поскольку надо учитывать и другие факторы, влияющие на общую эффективность системы, такие, как время цикла или объем производства. Например, моментный двигатель с КПД 80% может потреблять меньше энергии, чем сервопривод с КПД 95%, поскольку не требует применения трансмиссии, а это может дополнительно увеличивать производительность системы.
Чего не делать
? Самые большие ошибки совершают те инженеры, которые все внимание сосредотачивают на щитке двигателя и ожидают пропорционального роста эффективности в их приложении, – предостерегает Фишбах.
Любой, в том числе и энергосберегающий двигатель имеет свою характеристику, поэтому он должен быть подобран к конкретному применению. Например, двигатель энергетического класса «премиум» не сэкономит много энергии, если он будет загружен частично или будет использоваться спорадически.
Малиновски приводит пример замены старого двигателя, работающего с центробежным насосом, на новый премиум-класса. Ротор насоса, который был спроектирован под взаимодействие со старым двигателем, не заменяют. Новый, более производительный двигатель будет, вероятно, работать с более высокими оборотами, что вызовет общий рост потребления энергии. Система может быть более энергоэффективна, но дополнительная работа, которая будет совершена, может быть ненужной.
? Проектировщики, которые действительно заинтересованы увеличением эффективности, не будут стремиться исключительно к замене двигателя, а проанализируют всю систему на предмет расходования энергии, – советует Хансен. ? Даже самый производительный двигатель, работая с низкоэффективной передачей, не принесет существенных энергетических выгод. Любая механическая передача между двигателем и нагрузкой ? это потеря энергии. Очень точные геликоидальные трансмиссии сразу после извлечения из упаковки имеют КПД 90?95%. Изношенная трансмиссия ? это КПД на уровне 50?60%.
? Самым лучшим решением с точки зрения эффективности машины был бы отказ от механических трансмиссий и применение моментных двигателей (с постоянными магнитами) – заключает он.
А вы включаете в проект, а потом покупаете двигатели с высоким КПД? Будьте к этому готовы.
Статья под редакцией магистра инж. Лукаша Урбаньского, аспиранта кафедры промышленной автоматики и робототехники электротехнического факультета Западнопоморского технологического университета (г. Щецин).
CE
controlengrussia.com
В полной мере, таким источником энергии может служить только электромагнитный двигатель, с возбуждением от постоянных магнитов.Принцип действия данного электромагнитного двигателя основан на законе Ампера для проводника с электротоком в магнитном поле.F=B L IСила, действующая на проводник с электротоком в магнитном поле прямо пропорциональна индукции магнитного поля B, длине проводника L, и силе тока в нём I.........Но почему до сих пор такой источник энергии не был создан?На это есть целый ряд причин:1. Учёные не могут признать постоянный магнит неисчерпаемым источником энергии. Это, по их мнению, прямое нарушение закона о сохранении энергии. И хотя постоянный магнит существует реально и его магнитное поле действительно не уменьшается при совершении работы, признать этот факт никто не решается.2. Достаточно сильные постоянные магниты были изобретены сравнительно недавно. А способ концентрации магнитного потока, ещё позже. Но без концентрации источника энергии, электростанция не может получиться достаточно компактной, что является одним из основных условий практичности электростанции.3. Природа постоянного магнита описана учёными не правильно. В учебниках нам объясняли, что ферромагнетики не могут стать магнитами, поскольку домены, носители магнитного заряда, расположены в ферромагнетиках хаотично. И их поля нивелируют друг друга.........Но энергию постоянного магнита необходимо преобразовать в иную, более привычную и изученную. Например, в механическую.
Это можно сделать лишь, создав электромагнитный двигатель, у которого, за счёт мощных постоянных магнитов, КПД будет значительно превышать 100%.
Конечно, двигатель с КПД больше 100% противоречит закону о сохранении энергии. Но этот закон гласит, что подобное невозможно лишь в замкнутой системе. То есть там, где нет внешнего источника энергии. В данной же конструкции внешним источником энергии служит постоянный магнит.
Электромагнитный двигатель. Миниэлектростанция. Бестопливный генераторРис.4Если взять постоянный магнит в виде кольца и удалить некоторую часть его, получится подковообразный магнит с двумя полюсами. Между этими полюсами поместить якорь электродвигателя с электропроводящей обмоткой. Обмотка состоит из ряда катушек размеры, которых соответствуют размеру зазора между полюсами. Если по катушке пропустить постоянный электроток, то в катушке возникнет электромагнитное поле, которое заменит недостающее звено постоянного магнита и замкнёт собою кольцо магнитного поля постоянного магнита. А катушка притянется к магниту. Но если направление тока в катушке поменять, то катушка оттолкнётся от магнита.
Разместив на статоре ряд подковообразных магнитов, а на якоре ряд электромагнитных катушек, получим электромагнитный двигатель. Рис.5.
Электромагнитный двигатель. Миниэлектростанция. Бестопливный генераторРис.5Похожие двигатели широко используются в промышленности. Но не один из них не имеет КПД больше 100%. Почему? Теперь уже дело в неправильной трактовке природы как магнитного и электромагнитного поля, так и электрического тока.
Учёные утверждают, что магнитное поле сплошное. Однако это физически невозможно.
Любая материя состоит из атомов, и даже сами атомы из элементарных частиц. Нет ничего сплошного. Мир вокруг нас дискретный.
Постоянный магнит состоит из доменов. Из групп атомов. По своей сути, это уже кристаллы. А из чего же состоит магнитное поле? Из силовых линий. Их легко обнаружить с помощью листа бумаги и железных опилок. Энергия магнита заключена в силовых линиях. Вся беда в том, что никаких полей не существует. Но учённые верят в поля и совершенно не признают силовые линии. Хотя и пользуются ими для объяснения некоторых физических явлений.
И хотя никто не знает, что такое энергия, и каким образом она держится в силовой линии? Что из себя представляет сама силовая линия, и какова её природа, мы, обязаны использовать это природное явление для своих нужд, оставив поиск ответов будущим поколениям........В общем, нет ничего невозможного. Просто необходимо это делать на высоком профессиональном уровне. Конечно, сложно. Но ведь не сложнее термоядерной энергетики. Но зато безопасно и значительно дешевле.
Владимир Чернышов. Приморский край. e-mail—[email protected]
science-freaks.livejournal.com
• Электромагнитный момент и рабочие характеристики асинхронного двигателя
Преобразование электрической энергии в механическую в асинхронном двигателе, как и в других электрических машинах, связано с потерями энергии, поэтому полезная мощность на выходе двигателя Р2 всегда меньше мощности на входе (потребляемой мощности) Р1 на величину потерь Р :
Р2 = Р1 - Р (13.1)
Потери Р преобразуются в теплоту, что в конечном итоге ведет к нагреву машины. Потери в электрических машинах разделяются на основные и добавочные. Основные потери включают в себя магнитные, электрические и механические.
Магнитные потери Рм в асинхронном двигателе вызваны потерями на гистерезис и потерями на вихревые токи, происходящими в сердечнике при его перемагничивании. Величина магнитных потерь пропорциональна частоте перемагничивания Рм = f β,
где β = 1,3 ÷ 1,5. Частота перемагничивания сердечника статора равна частоте тока в сети (f = f1), а частота перемагничивания сердечника ротора f = f2 =f1s.При частоте тока в сети f 1 = 50 Гц при номинальном скольжении sном = 1 ÷ 8 % частота перемагничивания ротора f = f2 = 2 ÷ 4 Гц, поэтому магнитные потери в сердечнике ротора настолько малы, что их в практических расчетах не учитывают.
Электрические потери в асинхронном двигателе вызваны нагревом обмоток статора и ротора проходящими по ним токами. Величина этих потерь пропорциональна квадрату тока в обмотке (Вт):
электрические потери в обмотке статора
Рэ1 = m1 I21 r1 ; (13.2)
электрические потери в обмотке ротора
Рэ2 = m2 I22 r2 = m1 I′ 21 r′ 1 (13.3)
Здесь r1 и r2 — активные сопротивления обмоток фаз статора и ротора пересчитанные на рабочую температуру Θраб (см. § 8.4):
r1 = r1.20 [1 + α (Θраб - 20)]; r2 = r2.20 [1 + α (Θра6 - 20)], (13.4)
где r1.20 и r2.20 — активные сопротивления обмоток при температуре Θ1 = 20 °С; α — температурный коэффициент, для меди и алюминия α = 0,004.
Электрические потери в роторе прямо пропорциональны скольжению:
Рэ2 = s Рэм (13.5)
где Рэм — электромагнитная мощность асинхронного двигателя, Вт:
Рэм = Р1 = (Рм + Рэ1) (13-6)
Из (13.5) следует, что работа асинхронного двигателя экономичнее при малых скольжениях, так как с ростом скольжения растут электрические потери в роторе.
В асинхронных двигателях с фазным ротором помимо перечисленных электрических потерь имеют место еще и электрическиe потери в щеточном контакте Рэ.щ = 3 I2 ΔUщ /2, где Uщ =2,2 В - переходное падение напряжения на пару щеток.
Механические потери Рмех — это потери на трение в подшипниках и на вентиляцию. Величина этих потерь пропорциональна квадрату частоты вращения ротора (Рмех = n22). В асинхронных двигателях с фазным ротором механические потери происходят еще и за счет трения между щетками и контактными кольцами ротора.
Добавочные потери включают в себя все виды трудноучитываемых потерь, вызванных действием высших гармоник МДС, пульсацией магнитной индукции в зубцах и другими причинами. В соответствии с ГОСТом добавочные потери асинхронных двигателей принимают равными 0,5% от подводимой к двигателю мощности Р1:
Рдо6 = 0,005 Р1. (13.7)
При расчете добавочных потерь для неноминального режима следует пользоваться выражением
Р′доб = Рдоб β2 (13-8)
где β = I1/ I1ном —коэффициент нагрузки.
Сумма всех потерь асинхронного двигателя (Вт)
P = Рэм + Рэ1 + Рэ2 + Рмех + Рдоб. (13.9)
На рис. 13.1 представлена энергетическая диаграмма асинхронного двигателя, из которой видно, что часть подводимой к двигателю мощности Р1 =m1U1I1cosφ1затрачивается в статоре на магнитные Рыи электрические Рэ1потери. Оставшаяся после этого электромагнитная мощность Рэм[см. (13.6)] передается на ротор, где частично расходуется на электрические потери Рэ2и преобразуется в полную механическую мощность Р′2. Часть мощности идет на покрытие механических Рмехи добавочных потерь Рдоб, а оставшаяся часть этой мощностиР2 составляет полезную мощность двигателя.
У асинхронного двигателя КПД
η = Р2/ Р1 =1 - P. (13.10)
Электрические потери в обмотках РЭ1 и РЭ2 являются переменными потерями, так как их величина зависит от нагрузки двигателя, т. е. от значений токов в обмотках статора и ротора [см. (13.2) и (13.3)]. Переменными являются также и добавочные потери (13.8). Что же касается магнитных Рм и механических Рмех, то они практически не зависят от нагрузки (исключение составляют двигатели, у которых с изменением нагрузки в широком диапазоне меняется частота вращения).
Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя с изменениями нагрузки также меняет свою величину: в режиме холостого хода КПД равен нулю, а затем с ростом нагрузки он увеличивается, достигая максимума при нагрузке (0,7 ÷ 0,8)Рном. При дальнейшем увеличении нагрузки КПД незначительно снижается, а при перегрузке (P2 > Рном) он резко убывает, что объясняется интенсивным ростом переменных потерь (Рэ1 + Рэ2 + Рдоб), величина которых пропорциональна квадрату тока статора, и уменьшением коэффициента мощности. График зависимости КПД от нагрузки η = f (β) для асинхронных двигателей имеет вид, аналогичный представленному на рис. 1.41 (см. рис. 13.7).
КПД трехфазных асинхронных двигателей общего назначения при номинальной нагрузке составляет: для двигателей мощностью от 1 до 10 кВт ηном = 75 ÷ 88%, для двигателей мощностью более 10 кВт ηном =90 ÷ 94%.
Рис. 13.1. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя
Пример 13.1. Трехфазный асинхронный двигатель работает от сети напряжением 660 В при соединении обмоток статора звездой. При номинальной нагрузке он потребляет из сети мощность Р1 = 16,7 кВт при коэффициенте мощности cos φ1 = 0,87. Частота ηвращения nном = 1470 об/мин. Требуется определилить КПД двигателя ηhоm, если магнитные потери Рм = 265 Вт, а механические потери Рмех = 123 Вт. Активное сопротивление фазы обмотки статора r1.20 = 0,8 Ом, и класс нагревостойкости изоляции двигателя F (рабочая температура Θра6 =115 °С).
Решение. Ток в фазе обмотки статора
I1ном ===16,8 А
где U1 = 660/ = 380 В.
Сопротивление фазы обмотки статора, пересчитанное на рабочую температуру
Θраб = 115 ˚С, по (13.4)
r1 = r1.20 [1 + α (Θраб - 20)] = 0,8[1 + 0,004(115 - 20)] = 1,1 Ом.
Электрические потери в обмотке статора по (13.2)
Рэ1 = m1 I21ном r1 = 3 • 16,82 • 1,1 = 93 1 Вт.
Электромагнитная мощность двигателя по (13.6)
РЭМ = Р1 - (Рм + Рэ1) = 16,7 • 103 - (265 + 931) = 15504 Вт.
Номинальное скольжение sном = (n1 – nном)/ n1 = (1500 - 1470)/1500 = 0,020 . Электрические потери в обмотке ротора по (13.5)
Рэ2 =sном Рэм = 0,020 • 15504 = 310 Вт.
Добавочные потери по (13.7)
Рдо6 = 0,005 Р1 =0,005 • 16,7 • 103 =83 Вт.
Суммарные потери по (13.9)
Р = Рм + Рэ1 + Рэ2 + Рмех + Рмех = 265 + 931 + 310 + 123 + 83 = 1712 Вт.
КПД двигателя в номинальном режиме по (13.10)
ηном = 1 - Р/ Р1 = 1 - 1712/ (16,7 • 103) = 0,898 , или 89,8%.
Коэффициент полезного действия является одним из основных параметров асинхронного двигателя, определяющим его энергетические свойства — экономичность в процессе эксплуатации. Кроме того, КПД двигателя, а точнее величина потерь в нем, регламентирует температуру нагрева его основных частей и в первую очередь его обмотки статора. По этой причине двигатели с низким КПД (при одинаковых условиях охлаждения) работают при более высокой температуре нагрева обмотки статора, что ведет к снижению их надежности и долговечности (см. § 8.4).
studfiles.net
Изобретение относится к области электротехники, а именно к явнополюсным асинхронным электродвигателям, и может быть применено в электроприводе, используемом в различных областях техники и быта. Техническим результатом изобретения является повышение КПД электродвигателя и значительное уменьшение потребляемой электроэнергии. Асинхронный электродвигатель содержит сердечник статора, включающий в себя полюсные наконечники и ярмо, которые собраны из листов электротехнической стали, короткозамкнутый ротор, установленный в расточке статора, обмотку статора, состоящую из катушек, установленных на полюсах, корпус выполнен из немагнитного материала, в котором неподвижно закреплен сердечник статора, состоящий из одной пары полюсов и ярма, на котором установлена резонансная обмотка с конденсатором настройки, причем, полюсные наконечники и ярмо конструктивно выполнены неразъемно. 2 ил.
Изобретение относится к области электротехники, а именно к явнополюсным асинхронным электродвигателям, и может быть применено в электроприводе, используемом в различных областях техники и быта.
Техническим результатом изобретения является повышение КПД электродвигателя и значительное уменьшение потребляемой электроэнергии.
Технический результат достигается тем, что в асинхронном электродвигателе, содержащем сердечник статора, включающий в себя полюсные наконечники и ярмо, которые собраны из листов электротехнической стали, короткозамкнутый ротор, установленный в расточке статора, обмотку статора, состоящую из катушек, установленных на полюсах, корпус выполнен из немагнитного материала, в котором неподвижно закреплен сердечник статора, состоящий из одной пары полюсов и ярма, на котором установлена резонансная обмотка с конденсатором настройки, причем полюсные наконечники и ярмо конструктивно выполнены неразъемно.
Изобретение относится к явнополюсным асинхронным двигателям и может быть применено в электроприводе, используемом в различных областях техники и быта.
Известен асинхронный электродвигатель, содержащий главную обмотку статора, состоящую из двух катушек, намотанных проводом на пластмассовые каркасы, разъемный сердечник статора, состоящий из замкнутого пакета ярма и пакета из двух полюсов с продольным пазом в каждом из них для установки вспомогательной обмотки в виде сварных из медной ленты короткозамкнутых витков, короткозамкнутый ротор.
Собранный из стальных листов пакет из двух диаметрально расположенных полюсов с полюсными наконечниками, соединенных между собой двумя парами перемычек переменного сечения, вместе с катушками запрессован в собранный из стальных листов пакет ярма.
Отношение диаметра ротора к ширине каждого листа ярма статора находится в пределах от 1:2,36 до 1:4,4 (патент США №5568000, МПК H02K 1/00).
Недостатками известного электродвигателя являются невысокий КПД и значительный расход потребляемой электроэнергии.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является электродвигатель асинхронный с экранированными полюсами, содержащий главную обмотку статора, литые алюминиевые короткозамкнутые витки, охватывающие часть явно выраженных полюсов, штампованные из стали вставные магнитные шунты, короткозамкнутый ротор (патент ЧССР №109966, МПК H02K 17/10).
Недостатками известного электродвигателя являются невысокий КПД и значительный расход потребляемой электроэнергии.
Техническим результатом изобретения является повышение КПД электродвигателя и значительное уменьшение потребляемой электроэнергии.
Технический результат достигается тем, что в асинхронном электродвигателе, содержащем сердечник статора, включающий в себя полюсные наконечники и ярмо, которые собраны из листов электротехнической стали, короткозамкнутый ротор, установленный в расточке статора, обмотку статора, состоящую из катушек, установленных на полюсах, корпус выполнен из немагнитного материала, в котором неподвижно закреплен сердечник статора, состоящий из одной пары полюсов и ярма, на котором установлена резонансная обмотка с конденсатором настройки, причем полюсные наконечники и ярмо конструктивно выполнены неразъемно.
На фиг.1 схематично представлена конструкция электродвигателя асинхронного с высоким КПД.
На фиг.2 представлена схема подключения электродвигателя асинхронного с высоким КПД к источнику переменного тока.
Предлагаемый электродвигатель состоит:
из сердечника статора, включающего в себя полюсные наконечники 1, 2 и ярмо 3, которые собраны из электротехнической стали, короткозамкнутый ротор 4, установленный в расточке 5 сердечника, резонансной обмотки статора, состоящей из катушек 6, 7, установленных на полюсах 1, 2, и конденсатора настройки 8, немагнитного корпуса 9.
Электродвигатель асинхронный с высоким КПД работает следующим образом: при подключении к сети переменного тока катушек 6 и 7, резонансной обмотки статора с конденсатором настройки 8 по ним протекает ток, создающий магнитный поток, пульсирующий вдоль оси 10 полюсов статора.
Пульсирующее магнитное поле статора индуцирует в обмотке короткозамкнутого ротора 4 переменный ток.
В результате взаимодействия тока короткозамкнутого ротора с магнитным полем статора создается электромагнитный момент, вращающий короткозамкнутый ротор, а начальный запуск вращения осуществляется любым, известным в области техники, способом.
Основные требования к изобретению:
стабильная частота тока источника питания, немагнитный корпус.
Асинхронный электродвигатель, содержащий сердечник статора, включающий в себя полюсные наконечники и ярмо, которые собраны из листов электротехнической стали, короткозамкнутый ротор, установленный в расточке статора, обмотку статора, состоящую из катушек, установленных на полюсах, отличающийся тем, что в корпусе из немагнитного материала неподвижно закреплен сердечник статора, состоящий из одной пары полюсов и ярма, на котором установлена резонансная обмотка с конденсатором настройки, причем полюсные наконечники и ярмо конструктивно выполнены неразъемно.
www.findpatent.ru
Изобретение относится к области электротехники, а именно к электромагнитным двигателям. Технический результат изобретения, заключающийся в увеличении кпд и снижении массогабаритных параметров электромагнитного двигателя, достигается путем того, что в электромагнитном двигателе, включающем магнитопроводы индуктора и якоря, снабженные обмотками и образующие замкнутую магнитную цепь с постоянными верхним и нижним зазорами, верхний зазор смещен в радиальном направлении в сторону обмотки индуктора, а обмотка якоря расположена в зоне смещенного зазора, при этом магнитопровод якоря выполнен в виде поршня со штоком, а магнитопровод индуктора - в виде цилиндра, на дне которого под поршнем установлена его обмотка, смонтированная напротив обмотки индуктора с внутренней стороны поршня. 2 ил.
Изобретение относится к области электротехники, в частности к электромагнитному приводу, а точнее к электромагнитным двигателям возвратно-поступательного перемещения.
Во многих электромагнитных устройствах энергия магнитного поля используется для создания электромагнитных сил, вызывающих перемещение подвижных частей и совершающих механическую работу. Такие электромагнитные устройства называются электромагнитными двигателями (ЭМД) и используются они в электромашиностроении и электроаппаратостроении, в основном в качестве приводов. Изобретение относится к группе ЭМД, имеющих взаимоподвижные магнитные системы индуктора и якоря, в которых электромагнитные силы создаются путем взаимодействия их магнитных полей. Известен ЭМД, состоящий из неподвижного магнитопровода индуктора с обмоткой, охватывающего расположенный внутри его магнитопровод якоря также с обмоткой, в качестве которой использован короткозамкнутый виток. Якорь установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения. Магнитопроводы индуктора и якоря образуют магнитную систему ЭМД в виде замкнутой магнитной цепи, которая характеризуется наличием пары постоянных немагнитных зазоров - верхнего и нижнего, расположенных соосно взаимному перемещению индуктора и якоря. Обе обмотки ЭМД размещены между этими зазорами [1]. Наличие в ЭМД короткозамкнутого витка в качестве обмотки позволяет квалифицировать его как индукционно-динамический двигатель, питаемый импульсным или переменным током. При работе индуктор создает переменное магнитное поле, которое индуцирует в короткозамкнутом витке якоря ток, создающий магнитное поле, препятствующее изменению магнитного потока в магнитопроводе якоря. В результате большая часть магнитного потока индуктора замыкается в немагнитном объеме между обеими обмотками и на якорь создается давление с равнодействующей силой А (см. фиг.1), направленной в сторону верхнего зазора между магнитопроводами. Аксиальная составляющая Б этой силы создает тяговое усилие для перемещения якоря в сторону увеличения начального смещения обмоток относительно друг друга, что является обязательным условием работы ЭМД - прототипа. Радиальная составляющая В, учитывая конструкцию рассматриваемого двигателя, нейтрализуется. Недостатком описанного ЭМД является зависимость электромагнитной силы на якоре как от взаимного положения обмоток якоря и индуктора, так и от изменения их взаимоиндукции. Так, действующее на якорь усилие Б определяется током Iи в обмотке индуктора, током Iя в обмотке якоря, углом
между равнодействующей силой А (см. фиг.1) и радиальной составляющей В, а также величиной взаимоиндукции М и описывается выражением Б=IиIяsin((x))M(x), где х - координата перемещения обмотки якоря относительно обмотки индуктора. При х=0 (радиальное совпадение центров обмоток индуктора и якоря) взаимоиндукция М имеет максимально возможную величину, однако угол =0 и электромагнитная сила Б равна нулю. При х, равной более полсуммы длины обмоток индуктора и якоря, т.е. х= а/2+в/2, угол близок к 90o, однако взаимоиндукция М стремиться к нулю и электромагнитная сила близка к нулю. Таким образом, сила Б зависит от взаимного расположения обмоток индуктора и якоря и является величиной переменной, достигая максимума при неком фиксированном значении координаты х. При этом, работая в области этого максимума (х
а/2), электромагнитная сила Б имеет значение, меньшее почти в 4 раза (45o М0,5Ммах), чем теоретически возможное (90o, ММмах). Это приводит к тому, что значительно завышаются массогабаритные параметры ЭМД и коэффициент полезного действия (кпд) преобразования энергии не превышает 35%. Таким образом, целью изобретения является повышение коэффициента полезного действия преобразования энергии электромагнитного двигателя и снижение его массогабаритных параметров. Цель, согласно изобретению, достигается за счет того, что ЭМД характеризуется совокупностью магнитопроводов индуктора и якоря, снабженных обмотками и образующих замкнутую магнитную цепь с парой постоянных зазоров, один из которых смещен в радиальном направлении в сторону обмотки индуктора, а обмотка якоря при этом расположена в зоне этого зазора. Конкретно, указанные отличия реализуются в конструкции ЭМД, где магнитопровод якоря выполнен в виде поршня со штоком, а магнитопровод индуктора - в виде цилиндра, на дне которого установлена его обмотка, в то время как обмотка якоря смонтирована на поршне с внутренней стороны. Сущность изобретения состоит в том, что радиальное смещение одного из немагнитных зазоров ЭМД, например верхнего, и размещение обмотки якоря над обмоткой индуктора в зоне смещенного зазора приводит к такому искажению магнитного поля индуктора, что угол не зависит от взаимного перемещения якоря и индуктора, а зависит только от конструктивного расположения обмотки якоря на его поршне и может иметь значение, близкое к 90o. При этом взаимоиндукция М обмоток индуктора и якоря имеет максимально возможное значение и слабую зависимость от их взаимного положения за счет изменения длины магнитопровода между ними. Выше приведенные характеристики приводят к значительному увеличению кпд ЭМД и снижению массогабаритных параметров. Значительным преимуществом предлагаемой конструкции является слабая зависимость усилия на якоре от взаимного положения его обмотки и обмотки индуктора, что дает возможность получить на ЭМД значительный рабочий ход. На фиг.1 схематически изображен ЭМД - прототип. На фиг.2 дано схематическое изображение ЭМД предлагаемой конструкции. ЭМД, согласно изобретению, состоит из индуктора, образованного из магнитопровода 1 (см. фиг. 2), выполненного в виде цилиндра, на дне 2 которого закреплена обмотка 3, связанная с источником тока (не показана). Подвижный магнитопровод 4 якоря выполнен в виде поршня, установленного в цилиндре с зазорами 5 и 6, величина которых ограничена в пределах 0,05...1,0 мм и заполнена магнитопроводящей смазкой. Напротив обмотки 3 с нижней стороны поршня смонтирована обмотка 7 якоря, выполненная, например, в виде короткозамкнутого витка. Работает ЭМД следующим образом. За счет магнитной связи обмоток индуктора 3 и якоря 7 при изменении магнитного поля в системе с помощью обмотки 3 индуктора в короткозамкнутом витке якоря 7 наводится ток, создающий магнитное поле, препятствующее изменению магнитного потока в магнитопроводе 4 якоря, охваченного этим короткозамкнутым витком 7. В результате большая часть создаваемого индуктором переменного магнитного потока замыкается в немагнитном объеме возле и через обмотку 7 якоря, создавая таким образом магнитное давление на якорь с равнодействующим усилием А (см. фиг.2), перпендикулярным нормали n-n, усреднено определяющей направление вытесненного в немагнитный зазор магнитного потока. Угол не зависит от взаимного перемещения якоря и индуктора, а зависит только от конструктивного расположения обмотки 7 якоря на его поршне и может иметь значение, близкое к 90o. При этом взаимоиндукция М обмоток индуктора 3 и якоря 7 имеет максимально возможное значение и слабую зависимость от их взаимного положения за счет изменения длины магнитопроводов 1 и 4 между ними. При использовании в качестве магнитопроводов электротехнических сталей с большими значениями относительной магнитной проницаемости (до 104) изменением взаимоиндукции М от изменения длины магнитопровода можно пренебречь. Таким образом, действующее на якорь усилие Б определяется выражением Б=IиIяM. Выше приведенные характеристики показывают высокий кпд преобразования электрической энергии в механическую, т.е. кпд предлагаемого ЭМД может быть охарактеризован величинами порядка 85. . .95%, и снижение массогабаритных показателей в 1,5...2 раза. Значительным преимуществом предлагаемой конструкции является слабая зависимость усилия на якоре от взаимного положения его обмотки и обмотки индуктора, что дает возможность получить на ЭМД значительный рабочий ход. Практически увеличивается номенклатура приводов, конструктивную основу которых составляют цилиндр и поршень (гидро- и пневмоцилиндры), еще одним конструктивно родственным приводом, который авторы определили как электромагнитный цилиндр. Источник информации 1. Авторское свидетельство СССР 686126, кл. Н 02 К 33/02, выдан 15.08.79 - прототип.Формула изобретения
Электромагнитный двигатель, включающий магнитопроводы индуктора и якоря, снабженные обмотками и образующие замкнутую магнитную цепь с постоянными верхним и нижним зазорами, отличающийся тем, что верхний зазор смещен в радиальном направлении в сторону обмотки индуктора, а обмотка якоря расположена в зоне смещенного зазора, при этом магнитопровод якоря выполнен в виде поршня со штоком, а магнитопровод индуктора - в виде цилиндра, на дне которого под поршнем установлена его обмотка, при этом обмотка якоря смонтирована напротив обмотки индуктора с внутренней стороны поршня.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение
Дата, с которой действие патента восстановлено: 27.02.2009
Извещение опубликовано: 27.02.2009 БИ: 06/2009
www.findpatent.ru
Изобретение относится к области электротехники, в частности к электромагнитному приводу, а точнее к электромагнитным двигателям возвратно-поступательного перемещения. Во многих электромагнитных устройствах энергия магнитного поля используется для создания электромагнитных сил, вызывающих перемещение подвижных частей и совершающих механическую работу. Такие электромагнитные устройства называются электромагнитными двигателями (ЭМД) и используются они в электромашиностроении и электроаппаратостроении, в основном в качестве приводов. Изобретение относится к группе ЭМД, имеющих взаимоподвижные магнитные системы индуктора и якоря, в которых электромагнитные силы создаются путем взаимодействия их магнитных полей. Известен ЭМД, состоящий из неподвижного магнитопровода индуктора с обмоткой, охватывающего расположенный внутри его магнитопровод якоря также с обмоткой, в качестве которой использован короткозамкнутый виток. Якорь установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения. Магнитопроводы индуктора и якоря образуют магнитную систему ЭМД в виде замкнутой магнитной цепи, которая характеризуется наличием пары постоянных немагнитных зазоров - верхнего и нижнего, расположенных соосно взаимному перемещению индуктора и якоря. Обе обмотки ЭМД размещены между этими зазорами [1]. Наличие в ЭМД короткозамкнутого витка в качестве обмотки позволяет квалифицировать его как индукционно-динамический двигатель, питаемый импульсным или переменным током. При работе индуктор создает переменное магнитное поле, которое индуцирует в короткозамкнутом витке якоря ток, создающий магнитное поле, препятствующее изменению магнитного потока в магнитопроводе якоря. В результате большая часть магнитного потока индуктора замыкается в немагнитном объеме между обеими обмотками и на якорь создается давление с равнодействующей силой А (см. фиг.1), направленной в сторону верхнего зазора между магнитопроводами. Аксиальная составляющая Б этой силы создает тяговое усилие для перемещения якоря в сторону увеличения начального смещения обмоток относительно друг друга, что является обязательным условием работы ЭМД - прототипа. Радиальная составляющая В, учитывая конструкцию рассматриваемого двигателя, нейтрализуется. Недостатком описанного ЭМД является зависимость электромагнитной силы на якоре как от взаимного положения обмоток якоря и индуктора, так и от изменения их взаимоиндукции. Так, действующее на якорь усилие Б определяется током Iи в обмотке индуктора, током Iя в обмотке якоря, углом ϕ между равнодействующей силой А (см. фиг.1) и радиальной составляющей В, а также величиной взаимоиндукции М и описывается выражениемБ=IиIяsin(ϕ(x))M(x),где х - координата перемещения обмотки якоря относительно обмотки индуктора. При х=0 (радиальное совпадение центров обмоток индуктора и якоря) взаимоиндукция М имеет максимально возможную величину, однако угол ϕ=0 и электромагнитная сила Б равна нулю. При х, равной более полсуммы длины обмоток индуктора и якоря, т.е. х= а/2+в/2, угол ϕ близок к 90o, однако взаимоиндукция М стремиться к нулю и электромагнитная сила близка к нулю. Таким образом, сила Б зависит от взаимного расположения обмоток индуктора и якоря и является величиной переменной, достигая максимума при неком фиксированном значении координаты х. При этом, работая в области этого максимума (х≈а/2), электромагнитная сила Б имеет значение, меньшее почти в 4 раза (ϕ≈45o М≈0,5Ммах), чем теоретически возможное (ϕ≈90o, М≈Ммах). Это приводит к тому, что значительно завышаются массогабаритные параметры ЭМД и коэффициент полезного действия (кпд) преобразования энергии не превышает 35%. Таким образом, целью изобретения является повышение коэффициента полезного действия преобразования энергии электромагнитного двигателя и снижение его массогабаритных параметров. Цель, согласно изобретению, достигается за счет того, что ЭМД характеризуется совокупностью магнитопроводов индуктора и якоря, снабженных обмотками и образующих замкнутую магнитную цепь с парой постоянных зазоров, один из которых смещен в радиальном направлении в сторону обмотки индуктора, а обмотка якоря при этом расположена в зоне этого зазора. Конкретно, указанные отличия реализуются в конструкции ЭМД, где магнитопровод якоря выполнен в виде поршня со штоком, а магнитопровод индуктора - в виде цилиндра, на дне которого установлена его обмотка, в то время как обмотка якоря смонтирована на поршне с внутренней стороны. Сущность изобретения состоит в том, что радиальное смещение одного из немагнитных зазоров ЭМД, например верхнего, и размещение обмотки якоря над обмоткой индуктора в зоне смещенного зазора приводит к такому искажению магнитного поля индуктора, что угол ϕ не зависит от взаимного перемещения якоря и индуктора, а зависит только от конструктивного расположения обмотки якоря на его поршне и может иметь значение, близкое к 90o. При этом взаимоиндукция М обмоток индуктора и якоря имеет максимально возможное значение и слабую зависимость от их взаимного положения за счет изменения длины магнитопровода между ними. Выше приведенные характеристики приводят к значительному увеличению кпд ЭМД и снижению массогабаритных параметров. Значительным преимуществом предлагаемой конструкции является слабая зависимость усилия на якоре от взаимного положения его обмотки и обмотки индуктора, что дает возможность получить на ЭМД значительный рабочий ход. На фиг.1 схематически изображен ЭМД - прототип. На фиг.2 дано схематическое изображение ЭМД предлагаемой конструкции. ЭМД, согласно изобретению, состоит из индуктора, образованного из магнитопровода 1 (см. фиг. 2), выполненного в виде цилиндра, на дне 2 которого закреплена обмотка 3, связанная с источником тока (не показана). Подвижный магнитопровод 4 якоря выполнен в виде поршня, установленного в цилиндре с зазорами 5 и 6, величина которых ограничена в пределах 0,05...1,0 мм и заполнена магнитопроводящей смазкой. Напротив обмотки 3 с нижней стороны поршня смонтирована обмотка 7 якоря, выполненная, например, в виде короткозамкнутого витка. Работает ЭМД следующим образом. За счет магнитной связи обмоток индуктора 3 и якоря 7 при изменении магнитного поля в системе с помощью обмотки 3 индуктора в короткозамкнутом витке якоря 7 наводится ток, создающий магнитное поле, препятствующее изменению магнитного потока в магнитопроводе 4 якоря, охваченного этим короткозамкнутым витком 7. В результате большая часть создаваемого индуктором переменного магнитного потока замыкается в немагнитном объеме возле и через обмотку 7 якоря, создавая таким образом магнитное давление на якорь с равнодействующим усилием А (см. фиг.2), перпендикулярным нормали n-n, усреднено определяющей направление вытесненного в немагнитный зазор магнитного потока. Угол ϕ не зависит от взаимного перемещения якоря и индуктора, а зависит только от конструктивного расположения обмотки 7 якоря на его поршне и может иметь значение, близкое к 90o. При этом взаимоиндукция М обмоток индуктора 3 и якоря 7 имеет максимально возможное значение и слабую зависимость от их взаимного положения за счет изменения длины магнитопроводов 1 и 4 между ними. При использовании в качестве магнитопроводов электротехнических сталей с большими значениями относительной магнитной проницаемости (до 104) изменением взаимоиндукции М от изменения длины магнитопровода можно пренебречь. Таким образом, действующее на якорь усилие Б определяется выражениемБ=IиIяM. Выше приведенные характеристики показывают высокий кпд преобразования электрической энергии в механическую, т.е. кпд предлагаемого ЭМД может быть охарактеризован величинами порядка 85. . .95%, и снижение массогабаритных показателей в 1,5...2 раза. Значительным преимуществом предлагаемой конструкции является слабая зависимость усилия на якоре от взаимного положения его обмотки и обмотки индуктора, что дает возможность получить на ЭМД значительный рабочий ход. Практически увеличивается номенклатура приводов, конструктивную основу которых составляют цилиндр и поршень (гидро- и пневмоцилиндры), еще одним конструктивно родственным приводом, который авторы определили как электромагнитный цилиндр. Источник информации1. Авторское свидетельство СССР 686126, кл. Н 02 К 33/02, выдан 15.08.79 - прототип.
Электромагнитный двигатель, включающий магнитопроводы индуктора и якоря, снабженные обмотками и образующие замкнутую магнитную цепь с постоянными верхним и нижним зазорами, отличающийся тем, что верхний зазор смещен в радиальном направлении в сторону обмотки индуктора, а обмотка якоря расположена в зоне смещенного зазора, при этом магнитопровод якоря выполнен в виде поршня со штоком, а магнитопровод индуктора - в виде цилиндра, на дне которого под поршнем установлена его обмотка, при этом обмотка якоря смонтирована напротив обмотки индуктора с внутренней стороны поршня.
MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 19.10.2006
Извещение опубликовано: 27.01.2008 БИ: 03/2008
NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение
Дата, с которой действие патента восстановлено: 27.02.2009
Извещение опубликовано: 27.02.2009 БИ: 06/2009
MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 19.10.2009
Дата публикации: 27.12.2011
bankpatentov.ru
При увеличении полезной мощности на валу от Р2=0 КПД также увеличивается от нуля до максимального значения, которое он принимает при равенстве постоянных (магнитные и механические) потерь и переменных (электрические потери в обмотках). При дальнейшем росте нагрузки КПД начинает убывать. Зависимость снимается при U=Uн; f=fн. КПД асинхронного двигателя определяется как
.
Р2 – полезная мощность двигателя, Р1 – подведенная мощность из сети. КПД АД с изменением нагрузки также меняет свою величину: в режиме хх КПД равен нулю, а затем с ростом нагрузки он увеличивается, достигая максимума при нагрузке (0,7-0,8)Рном. При дальнейшем возрастании нагрузки КПД незначительно снижается, а при перегрузке двигателя (Р2>Рном) он резко убывает, что объясняется интенсивным ростом переменных потерь (Рэл1+Рэл2+Рд), величина которых пропорциональна квадрату тока в обмотке статора, и уменьшением коэффициента мощности.
Электромагнитный момент асинхронного двигателя создается взаимодействием тока в обмотке ротора с вращающимся магнитным полем. Электромагнитный момент М пропорционален электромагнитной мощности М = Рэм/w1 = 9,55Pэм/n1. Учитывая выражение для ЭМ мощности получим:
т.е. электромагнитный момент асинхронного двигателя пропорционален мощности электрических потерь в обмотке ротора.
Выражение для определения тока выглядит следующим образом:
Подставляя выражения для тока в исходную формулу получаем:
Вращающий момент АМ:
Максимальный момент АМ:
,
т.к. критическое скольжение .
Отношение полученного максимального момента к номинальному дает перегрузочную способность, которая лежит в пределах 1,7-3.
Пусковой момент АМ:
Устойчивая работа АД возможна при скольжениях меньше критического.
Зависимость момента от скольжения (механическая характеристика)
Вращающий момент АМ:
Графически выраженная зависимость момента от скольжения М=f(s) при U1=const, f1=const и постоянных параметрах схемы замещения представляет собой механическую характеристику АМ.
Асинхронная машина при изменении скольжения от 1 до 0 работает как двигатель. В этом случае электромагнитная мощность Pэм передается магнитным полем со статора ротору и частично преобразуется в механическую мощность,
частично в электрическую мощность Рэ2 = sРэм.
Исходя из полученных ранее соотношений между мощностями асинхронной машины, можно показать, что при изменении скольжения от s = l до s = ∞машина работает как тормоз.
Можно также показать, что при отрицательных скольжениях асинхронная машина работает генератором.
Статический момент равен сумме противодействующих моментов при равномерном вращении ротора(n=const). При номинальной нагрузке двигателя установившийся режим работы двигателя определяется на механической характеристике точкой с координатами и
Анализ механической характеристики показывает, что устойчивая работа асинхронного двигателя возможна при скольжениях меньше
критического (s < sкр), т.е. на участке ОА механической характеристики. Именно на этом участке изменение нагрузки на валу двигателя сопровождается соответствующим изменением электромагнитного момента.
Работа асинхронного двигателя становится неустойчивой при
скольжениях . Если электромагнитный момент двигателя М = Mм,
а скольжение то даже незначительное увеличение нагрузочного момента приведет к уменьшению электромагнитного моментаМ. За этим последует дальнейшее увеличение скольжения до тех пор, пока оно не достигнет значения s=1, т.е. пока ротор двигателя не остановится.
studfiles.net
