Поршневий авіаційний двигунВД-4К (М-253К).

Розробник: ОКБ-36 (м. Рибінськ)
Країна: СРСР
Початок розробки: 1949
Будівництво: 1950 р.

М-253К (ВД-4К) - радянський авіаційний двигун комбінованого типу(Турбокомпаундний), виконаний за схемою зірки блоків. Двигун є 24-циліндровою блоковою зіркою (шість блоків по 4 циліндри в кожному).

Історія комбінованого двигуна ВД-4К не зовсім звичайна і сягає своїм корінням в довоєнний період. Справа в тому, що створювати його почали не в спеціалізованому авіадвигунобудівному КБ, а на одній із кафедр МАІ. Наприкінці 1938 року тодішній Нарком авіаційної промисловості М.М.Каганович запропонував завідувачу кафедри «Конструкція авіадвигунів» Г.С.Скубачевському зайнятися проектуванням нового авіаційного двигуна. Зазвичай параметри нової розробки в галузі двигунобудування вибираються на основі тривалого аналізу тенденцій та перспективних потреб власного літакобудування, а також стану аналогічних галузей техніки за кордоном. М.М.Каганович, людина загалом непогана, але потрапила на посаду за свою відданість ідеям і вождям, душа номенклатурна (сьогодні директор лазні, завтра глава Авіапрому), будучи не дуже обізнаним у будь-яких тонкощах «Попереднього вибору основних параметрів на проектування», просто помножив на два дані двигуна М-105. Звідси вийшло, що новий двигунмав розвивати потужність 2100-2300 к.с. на висоті 8000 м-коду.

Г.С.Скубачевський з групою студентів та аспірантів пропрацював три варіанти компонування 24 циліндрового двигуна: Х-подібний, Н-подібний та своєрідну чотирирядну зірку з шістьма циліндрами в кожному ряду. Останній варіант виявився вдалим: його діаметр становив всього 1065 мм, як у мотора М-11. Передбачалося, що для підвищення висотності буде використано тришвидкісний відцентровий нагнітач, а ККД силової установкипіднімуть гвинти протиобігу.

У липні 1939 року з'явилася постанова уряду про проектування двигуна, який отримав назву М-250. У МАІ створюється спеціальне КБ-2, комплектується воно зі студентів, аспірантів та співробітників ЦІАМ, були залучені викладачі та інших кафедр МАІ. Розгорнулися роботи з проектування і вже 1 квітня 1940 року проект М-250 проходить комісію НДІ ВПС, приймається рішення про будівництво дослідного двигуна на заводі №16 у Воронежі. Перший запуск М-250 на стенді був зроблений у фатальний день 22 червня 1941 року. На випробуваннях двигун показав заявлену потужність 2500 л. Потім спарадичні роботи над двигуном за умов війни та евакуації. По-справжньому до теми повернулися в 1946 році, коли було отримано завдання на двигун потужністю 3500 к.с., для нових важких туполівських машин. ОКБ-36 в Рибінську під керівництвом В.А.Добриніна, ґрунтуючись на теоретичному та практичному заділах по М-250, у короткий термін створює двигун М-251ТК (ВД-3ТК).

У січні 1949 року ОКБ-36 пропонує на базі М-251ТК створити новий комбінований двигун М-253К на максимальну потужність 4300 к.с. та з питомими витратами палива на крейсерських режимах у межах 0,185 - 0,195 кг/л.с.ч. Роботи йшли в рамках проектування літака «85», теми, визначеної в той період для МАП, як найважливішої.

В основу проекту М-253К було покладено такі принципи:
— мінімальні зміниу конструкції М-251ТК, що виправдовувалося високою доведеністю та надійністю вузлів та агрегатів М-251ТК, підтвердженими під час випробувань, а також малим часом відпущеним на розробку;
- максимальне використання енергії вихлопних газівз метою мінімального форсування основного поршневого двигуна з наддуву та отримання заданих витрат палива (збільшення наддуву, порівняно з М-251ТК, було здійснено на злітному режимі лише на 7%).

М-253К повинен був являти собою комбіновану установку, що складається з двох силових агрегатів, двигуна з трьома імпульсними турбінами та турбокомпресора з регульованим реактивним соплом, які отримували енергію від вихлопних газів двигуна. Застосування імпульсних турбін дозволяло забезпечити поліпшення економічності на 10-11%, застосування потужного турбокомпресора з висотністю 11000 м, з великим ККД на всіх режимах, з використанням реакції вихлопних газів у регульованому реактивному соплі дозволяло збільшити експлуатаційну економічність5 на 20.

У вересні 1949 року було закінчено робочий проект та розроблено креслення нових вузлів — імпульсних турбін та турбокомпресора ТК-36. У ході проектування була зменшена робота стиснення в ПЦН, застосовано впорскування доспиртової суміші для форсованих режимів. В результаті проведеної роботи ОКБ-36 вдалося отримати ефективний та цілком надійний агрегат, основу якого складав відпрацьований поршневий двигун. Його раціональна схема, у вигляді чотирирядної шестиблочної зірки з рідинним охолодженням, дозволила створити компактну та жорстку конструкцію, що забезпечила малу питому масу та високі тактико-технічні дані.
У тому ж вересні 1949 року Постановою за № 3929-1608 літаком «85» до двигуна М-253К висувалися такі основні вимоги:
- Злітна потужність - 4300 к.с;
- Номінальна потужність на висоті 8000-9000 м - 3200 к.с;
— питома витратапалива на режимі 0,5-0,6 номінальної потужності - 0,185-0,195 кг/л.с.ч;
- Суха маса (без агрегату наддуву) - 1900 кг.

У грудні 1950 року необхідно було пред'явити двигун на державні 100-годинні стендові випробування. Для стендових та льотних випробувань необхідно було в короткий термін збудувати 20 екземплярів М-253К.

У січні 1950 року був готовий перший двигун, потім було збудовано ще 23 двигуни. У червні-грудні на кількох двигунах проводяться 100-годинні заводські випробування. У грудні 1950 року М-253К разом із ТК-36 пред'являється на Державні стендові випробування, що він з позитивними результатами закінчив початку лютого 1951 року, підтвердивши повну відповідність всіх параметрів заданим, і навіть надійність конструкції. Після закінчення Держвипробувань М-253К отримує позначення ВД-4К.

Двигун ВД-4К.

У другій половині 1950 року ВД-4К був встановлений на лабораторію Ту-4ЛЛ, що літає. До кінця 1950 року було закінчено перший етап льотних випробувань. Випробовувався один досвідчений ВД-4К, решта трьох були штатними АШ-73ТК. Ці роботи проводив ЛІІ та їх позитивні результати стали вагомою основою для встановлення на перший літак «85» цих двигунів. Конкуренти з ОКБ-19 зі своїм потужнішим, але «сирішим» АШ-2К до першого вильоту не встигали. Подальші випробування і доведення ВД-4К йшли в ході виконання програми спільних випробувань на літаку «85», а також випробувальних польотів Ту-4ЛЛ з ВД-4К, що паралельно тривали. На лабораторії перевірялися всі заходи щодо доробок двигуна. Це сприяло прискоренню процесу спільних випробувань. Зокрема, на Ту-4ЛЛ було відпрацьовано додатковий вентилятор у системі охолодження двигуна.

Остаточно ВД-4К закріпився за літаком "85" наприкінці травня 1951 року, коли було вирішено піднімати "85" у перший політ з ВД-4К, оскільки АШ-2К все ще страждав від "дитячих хвороб". У ході доведення мотоустановки Ту-85 на ВД-4К встановили вентилятор. примусового охолодження. Потужність передавалась за допомогою одновального планетарного редуктора із вбудованою системою вентиляції двигуна на повітряний гвинт, п'ятилопатевий АВ-55 або чотирилопатевий АВ-44.

З офіційним завершенням програми створення Ту-85 поступово було згорнуто роботи з ВД-4К. Створення та льотні випробування ВД-4К стали вершиною розвитку поршневого авіаційного двигунобудування. Це вимагало вирішення великого кола завдань у галузі міцності та динаміки машин, теплотехніки, газової динаміки, матеріалознавства та технології виробництва.

За створення ВД-4К групі працівників ОКБ-36 і ЦИАМ було присуджено 1951 року Сталінську премію.

Діаметр циліндрів, мм: 148
Хід поршня, мм: 144 мм
Кількість циліндрів: 24
Суха вага, кг: 2065 (без турбонагнітача)
Об'єм, л: 59,43
Потужність, к.с.: 3250/4300
Ступінь стиску: 7,0
Компресор: одноступінчастий одношвидкісний ПЦН
Система охолодження: рідинне охолодження.

Список джерел:
В.Р.Котельников. Вітчизняні авіаційні поршневі мотори.
В.Рігмант. Останні поршневі бомбардувальники.
ЦАГИ. Літакобудування СРСР 1917-1945 гг. Книга ІІ.

Вентильний двигун (ВД)

Одним з найбільш перспективних і універсальних типів електроприводів з синхронними машинами є безколекторний або безконтактний вентильний двигун, в якому регулювання швидкості і моменту здійснюється напругою, що підводиться, струмом збудження і кутом випередження включення вентилів при самоврядуванні за частотою живлення. Він має регулювальні якості машин постійного струмута надійністю систем змінного струму.

Надійність звичайного ЦД вища за надійність будь-якої іншої машини, а за вартістю вона поступається тільки асинхронною з короткозамкненим ротором. Безконтактність ЦД забезпечується як звичайним способом (за допомогою безщіткових систем збудження з випрямлячами, що обертаються), так і новими (застосуванням) постійних магнітівна роторі, кігтеподібного ротора та обмотки збудження на статорі і т.д.).

Через простоту найбільшого поширенняотримали вентильні двигуни постійного (а) та змінного струму (б) з перетворювачами, що працюють у режимі джерела струму.

На відміну від частотно-регульованого приводу, у вентильному двигуні комутація тиристорів здійснюється за рахунок ЕРС двигуна (машинна). Машинна комутація дозволяє відмовитись від високовольтних громіздких реактивних елементів в інверторі. Це значно спрощує схему та зменшує її габаритну потужність, і зрештою покращує якість перетворення енергії. Але при пуску та низьких швидкостях відбувається зрив комутації через відсутність або малу величину ЕРС. У вентильному двигуні постійного струму можливі такі способи запуску:

· Асинхронний;

· Зі штучною комутацією;

· З примусовою комутацією.

Перший спосіб при своїй простоті, що здається, має серйозні недоліки - пуск некерований і необхідні перемикання в силових, як правило, високовольтних ланцюгах.

Другий спосіб пуску передбачає застосування автономного інвертора, в якому використовується реактивна енергія комутуючих елементів (ємностей та дроселів). В цьому випадку помітно ускладнюється схема, збільшуються вага та вартість інвертора.

Третій спосіб пуску з примусовою комутацією здійснюється відсіканням імпульсів керуючих або циклічним переведенням випрямляча в інверторний режим на час комутації тиристорів інвертора. Цей спосіб потребує мінімальних витрат. Характерними вадамиє зменшення пускового моменту двигуна та деяке збільшення споживаної реактивної потужності.

Пуск із примусовою комутацією виконується також у схемі з некерованим випрямлячем. Інвертор у разі здійснює широтно-импульсное регулювання напруги. Цей спосіб вимагає застосування в інверторі транзисторів або тиристорів, що замикаються.

Найбільш просто проблема пуску вирішується в системі з циклоконвертором (б), в якій функції випрямлення та інвертування виконують одні і ті ж тиристори, чим досягається перетворення напруги та частоти джерела безпосередньо у напругу та частоту двигуна. Така система містить більше тиристорів, ніж перетворювач зі ланкою постійного струму, але завдяки відсутності пускових пристроїв, одноразового перетворення енергії та зменшення теплового струму тиристора вона економічна та надійна.

У схемі з циклоконвертором природна комутація здійснюється у всьому швидкісному діапазоні роботи ВД як між тиристорами у працюючих групах, так і між тиристорами однополярних груп. Останнє відбувається при збігу у часі сигналів на перемикання фаз мережі та двигуна. Машинна комутація виконується з допомогою ЕРС двигуна між тиристорами однополярних груп при частотах вище 0,1...0,15 частоти обертання двигуна.

Реверсування ВД здійснюється просто і можливо двома шляхами:

· Збільшення кута випередження більше 90 0;

· Реверсуванням двох фаз сигналів з ДПР.

Смуга пропускання комутатора ВД регулюється зміною кута випередження b 0 або b (кути між струмом і відповідно ЕРС холостого ходу та напругою машини). Існують такі способи керування комутатором ВД:

· b 0 = b 0min = f(g, q) при d=d min = const;

· b = b min = f(g) при d=d min = const,

де b0 = b + q; q – кут навантаження синхронної машини; b = g + d; g - кут комутації (враховує комутаційне перекриття фаз); d - кут запасу (враховує похибку системи управління та час відновлення замикаючих властивостей тиристорів).

При способі керування b=const кут випередження залишається постійним у всіх режимах роботи приводу та розраховується відповідно до максимальної величини навантаження. При цьому струму холостого ходу відповідає найбільше значення кута запасу (40...50°), хоча для відновлення властивостей тиристорів достатньо мати 3...5°.

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче

гарну роботуна сайт">

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено на http://www.allbest.ru/

• Зміст
• Вступ
• 1 . Сучасний станпитання в області проектування ВД
• 2 . Огляд конструктивних виконань ВД, вибір та опис конструкції
• 2.1 Вентильний індукторний двигун
• 2.2 Синхронні машини із збудженням від постійних магнітів
• 2.3 Вибір конструкції ВД
• 3 . Аналітичний розрахунок магнітної системи вентильного електродвигуна
• 3.1 Розрахунок ротора
• 3.2 Розрахунок статора
• 3.3 Розрахунок трапеціїдально го паза

Вступ

В даний час більшість розвинених країн широко впроваджують високотехнологічну електротехнічну продукцію, яка не тільки вирішує питання зниження енергоспоживання, а й дозволяє створювати електротехнічні комплекси з малим виділенням втрат та цілою низкою нових якостей. Успіхи в галузі силової та мікропроцесорної техніки відкрили сприятливі умови для створення нового покоління електроприводів на базі вентильних електродвигунів (ВД). Майже всі провідні електротехнічні компанії світу освоюють в даний час випуск таких електродвигунів.

Провідними електротехнічними компаніями освоєно випуск вентильних електродвигунів (від одиниць ват до сотень кіловат) для різних областей, у тому числі аерокосмічної, транспортної, медичної, верстатобудівної, обчислювальної техніки тощо.

Однією з основних перешкод для широкого впровадження вентильних приводів в обладнанні є велика вартість постійних магнітів. Тому основне застосування ВД знайшли в авіаційній та космічній області, де вартість виробу є другорядним параметром.

У проекті розроблено технічне завдання на проектування вентильного двигуна, розглянуто методи аналізу електромагнітних та електромеханічних процесів у ВД, здійснено аналітичний розрахунок магнітної системи вентильного електродвигуна та побудовано комп'ютерна модельмагнітної системи.

1. Сучасний стан питання у галузі проектування ВД

Основні напрями вдосконалення ВД: розробка та використання досконаліших магнітних матеріалів, розробка нових варіантів конструкції ЕМП, мініатюризація електронної частини машини, створення датчиків нових типів. Протягом останніх 10-15 років у нас в країні та за кордоном розроблено технології та налагоджено випуск висококоерцитивних магнітотвердих матеріалів на основі інтерметалевих сполук кобальту з рідкісноземельними металами. Висока питома енергія рідкоземельних постійних магнітів дозволяє суттєво знизити масу та габаритні розміри електричних машин. Удосконалення схем, конструкцій та технології виготовлення ПК в даний час відбувається шляхом широкого використання гібридної тонкоплівкової технології виробництва великих інтегральних схем та силових великих інтегральних схем (НВІС), трудомісткість виготовлення яких слабо залежить від їх структурної складності. Відкриваються принципово нові функціональні та схемотехнічні можливості інтеграції цифрової та аналогової обробки даних, фільтрації та перетворення сигналів, найважливішою з яких є створення стійких до відмов потужних інтегральних розподілених структур, «само захищених» від перевантажень, порушень у навантаженні та живленні, і що зберігають характеристики системи при локальних відмових у самій структурі. Структури НВІС дозволяють практично детерміновано задати майже будь-який ресурс електронної частини ВД. Поряд з удосконаленням матеріалів, елементів, конструкцій, технології виробництва та технічних характеристикдедалі жорсткіші вимоги пред'являються до надійності ВД. Найбільш яскраво ці вимоги виявляються при розробці та створенні виконавчих елементів регульованих електроприводів спеціальних механізмів та систем автоматики літальних апаратів, коли залежно від призначення двигуна та умов його застосування надійність визначається поєднанням кількох властивостей: безвідмовності, довговічності та збереження. Як показники надійності найчастіше висуваються вимоги забезпечення високої ймовірності безвідмовної роботи(р = 0,99500 ... 0,99999), напрацювання до відмови (5000 ... 20000 год), призначеного ресурсу (110000 ... 350000 включень) при сумарному часі роботи 250 ... 5500 год) або призначеного терміну служби (14 ... 20 років) середнього терміну збереження (9...20 років). У зв'язку з цим вже на стадії проектно-конструкторської опрацювання варіантів виконання ВД необхідно враховувати сучасний рівень розвитку технології електромашинобудування та електроніки, проаналізувати можливі відмови елементів та дослідити їх вплив на вихідні характеристики та працездатність двигуна, передбачити оптимальні способи резервування, заходи щодо діагностики технічного стану та керування надійністю ВД. Ці питання є складовими системного підходу до проектування складних технічних систем. Одним із шляхів створення двигунів підвищеної надійності є збільшення числа фаз ЕМП при незмінній потужності двигуна. Це дозволяє зменшити величину струму в кожній фазі розімкнутої обмотки та виконати ПК в інтегральному виконанні, що дає можливість вбудовувати останній усередині корпусу електричної машини. Отримане при цьому різноманіття можливих схем з'єднання, способів живлення та алгоритмів комутації фаз обмотки якоря дозволяє реалізувати ЕМП, структура та параметри якого можуть автоматично змінюватися в залежності від цілей та умов функціонування, а автономне виконання каналів комутації кожної фази забезпечить підвищену надійність машини на основі принципів функціонального резервування.

Якщо в машині з малим числом фаз переважна більшість відмов елементів призводить до повній відмовідвигуна, то багатофазної машині працездатність може зберегтися, хоча у своїй змінюються вихідні характеристики двигуна. Звідси з'являється можливість іншого шляху резервування. Збільшення числа фаз ЕМП зменшує вплив відмови у каналі управління чи фази ЕМП на характеристики ВД. З іншого боку, збільшення числа фаз призводить до збільшення ймовірності відмови в одному з них. Тому тут необхідно шукати розумний компроміс, виходячи з вимог до вихідних характеристик з одного боку, ресурсу та надійності машини, з іншого боку. При відомої ймовірності відмови одного каналу можна знайти таку кількість фаз ЕМП, при якому забезпечуються задані показники надійності двигуна з урахуванням можливості виникнення однієї або кількох відмов в апаратурі управління та задовільні вихідні характеристики ВД. Використання такого способу резервування має свої особливості, які необхідно враховувати під час дослідження фізичних процесівта проектування ВД в цілому. Спосіб збігається із загальним прагненням до збільшення числа фаз ЕМП, виходячи з умов покращення характеристик. Для вирішення перерахованих завдань необхідно розробити загальні методи дослідження електромагнітних процесів для отримання кількісної оцінки характеристик багатофазних ВД у штатних режимах роботи та за відмов окремих елементівсхеми.

2. Огляд конструктивних виконань ВД, вибір та опис конструкції

У складі ВД знайшли застосування, головним чином, трьох типів безконтактних електричних машин:

1) Синхронні машини із збудженням від постійних магнітів.

2) Індукторні машини з обмоткою збудження (їх також називають аксіальні).

3) Синхронно-реактивні машини (вентильний двигун на їх основі називають також вентильний індукторний двигун, що вносить плутанину в термінології назв ВД на базі машин 2 та 3).

Важливо можна використовувати у складі ВД і класичну синхронну машину з електромагнітним збудженнямі навіть асинхронну машину. Але в першому випадку втрачається одна з головних переваг ВД – безконтактність, а в іншому випадку – складно реалізувати зворотний зв'язок за становищем ротора.

2.1 Вентильний індукторний двигун

Вентильноіндукторний двигун (ВІД) - це відносно новий типелектромеханічного перетворювача енергії, який поєднує в собі властивості і електричної машини, та інтегрованої системи регульованого електроприводу. Як всякий електродвигун, він забезпечує перетворення електричної енергії, яка надходить від мережі живлення, в механічну енергію, що передається в навантаження. Як система електроприводу, що регулюється, ВІД дає можливість здійснювати управління цим процесом відповідно до особливостей конкретного навантаження: регулювати частоту обертання, момент, потужність і так далі.

ВІД є досить складною електромехатронною системою, структурна схема якої наведена на рис. 2.1

Малюнок 2.1 - Структурна схема

До її складу входять: індукторна машина (ІМ), перетворювач частоти, система управління та датчик положення ротора (ДПР). Функціональне призначення цих елементів ВИД очевидно: перетворювач частоти забезпечує живлення фаз ІМ однополярними імпульсами напруги прямокутної форми; ІМ здійснює електромеханічне перетворення енергії, система управління відповідно до закладеного в неї алгоритму і сигналів зворотного зв'язку, що надходять від датчика положення ротора, управляє цим процесом.

За своєю структурою ВІД нічим не відрізняється від класичної системирегульованого електроприводу. Саме тому він і має всі її властивості. Однак на відміну від регульованого електроприводу, наприклад, з асинхронним двигуном, ІМ у ВИГЛЯД не є самодостатньою. Вона принципово нездатна працювати без перетворювача частоти та системи управління. Перетворювач частоти та система управління є невід'ємними частинами ІМ, необхідними для здійснення електромеханічного перетворення енергії. Це дає право стверджувати, що сукупність структурних елементів представлених на рис. 1 є не тільки системою регульованого електроприводу, але і електромеханічним перетворювачем енергії.

ЇМ, що входить до складу ВИГ, може мати різні конструктивні виконання. На рис. 2.2, наприклад, наведено поперечний переріз 4х-фазної ІМ конфігурації 8/6. При позначенні конфігурації ІМ перша цифра показує кількість полюсів статора, друга - ротора.

Мал. 2.2 Поперечний переріз 4-фазної ІМ конфігурації 8/6.

Аналіз рис. 2.2 показує, що ІМ має такі конструктивні особливості.

Сердечники статора та ротора мають явнополюсну структуру.

Число полюсів відносно невелике. При цьому число полюсів статора більше від числа полюсів ротора.

Сердечники статора та ротора виконуються шихтованими.

Обмотка статора – зосереджена котушкова. Вона може бути одно-або багатофазною.

Фаза ІМ зазвичай складається з двох котушок, розташованих на діаметрально протилежних полюсах статора. Відомі ІМ з подвоєним числом полюсів статора та ротора. У 4-фазному виконанні вони мають конфігурацію 16/12. Фаза такої ІМ складається з двох пар котушок, які розташовуються на статорних полюсах таким чином, що їх осі ортогональні.

Котушки фази можуть бути з'єднані в електричному відношенні паралельно або послідовно; в магнітному - згідно чи зустрічно.

Обмотка на роторі ІМ відсутня.

ВИД є і електричною машиною, і інтегрованою системою регульованого приводу. Він є органічною єдністю ІМ, перетворювача частоти і мікропроцесорної системиуправління. Тому всі його переваги та недоліки можна розділити на дві групи:

Характеристики, зумовлені ІМ;

Характеристики, обумовлені перетворювачем частоти та системою управління;

Відповідно до цих груп нижче наведені переваги та недоліки ВІД.

Переваги ВІД та недоліки, зумовлені ІМ:

Переваги

Простота та технологічність конструкції ІМ;

Низька собівартість;

Висока надійність;

Висока ремонтопридатність;

Низькі втрати у роторі;

Мінімальні температурні ефекти;

Низький момент інерції;

Можливість роботи на високих частотах обертання;

Можливість роботи у агресивних середовищах;

Високий ступінь утилізації.

Недоліки

Високий рівень шумів та вібрацій;

Погане використання сталі;

Робота можлива лише разом із перетворювачем частоти;

Значні відходи при штампуванні;

Переваги та недоліки ВІД, обумовлені перетворювачем частоти та системою управління:

Переваги

Можливість оптимального керування процесом електромеханічного перетворення енергії для конкретного навантажувального пристрою;

Високі масогабаритні та енергетичні характеристики.

Недоліки

Знижена електросумісність із мережею через високого змістувищих гармонік у струмах обмоток.

Області застосування ВИД

Найбільш доцільно використовувати ВІД як електропривод механізмів, в яких за умовами роботи потрібне здійснення регулювання в широкому діапазоні частоти обертання. Прикладом тут можуть бути електроприводи верстатів із числовим програмним управліннямта промислових роботів.

Ефективність використання ВІД істотно підвищується, якщо необхідність регулювання частоти обертання поєднується з важкими умовами роботи, як це має бути в електроприводах для металургії, гірничодобувної промисловості та рухомого складу електричного транспорту.

У промисловості є великий класпристроїв та механізмів, що використовують нерегульований електропривод, де енергетична ефективність суттєво зростає при використанні регульованого електроприводу. До таких пристроїв насамперед відносяться компресори, насоси та вентилятори. Використання тут ВИД є досить перспективним.

2.2 Синхронні машини із збудженням від постійних магнітів

Вентильний електродвигун - це синхронний двигун, заснований на принципі частотного регулювання із самосинхронізацією, суть якого полягає в управлінні вектором магнітного поля статора залежно від положення ротора. Вентильні двигуни (в англомовній літературі BLDC або PMSM) ще називають безколекторними двигунами постійного струму, тому що контролер такого двигуна зазвичай живиться від постійної напруги.

Цей тип двигуна створено з метою покращення властивостей електродвигунів постійного струму. Високі вимоги до виконавчим механізмам(зокрема високооборотних мікроприводів точного позиціонування) зумовили застосування специфічних двигунів постійного струму: безколекторних трифазних двигунівпостійного струму (БДПТ чи BLDC). Конструктивно вони нагадують синхронні двигуни змінного струму: магнітний ротор обертається в шихтований статор з трифазними обмотками. Але обороти є функцією від навантаження та напруги на статорі. Ця функція реалізована за допомогою перемикання статора обмоток в залежності від координат ротора. БДПТ існують у виконанні з окремими датчиками на роторі та без окремих датчиків. Як окремі датчики застосовуються датчики Холла. Якщо виконання без окремих датчиків, то фіксуючим елементом виступають обмотки статора. При обертанні магніту ротор наводить в обмотках статора ЕРС, внаслідок чого виникає струм. При вимиканні однієї обмотки вимірюється та обробляється сигнал, який був у ній наведений. Цей алгоритм вимагає процесора обробки сигналів. Для гальмування та реверсу БДПС не потрібна мостова схема реверсу живлення – достатньо подавати керуючі імпульси на обмотки статора у зворотній послідовності.

У вентильному двигуні (ВД) індуктор знаходиться на роторі (у вигляді постійних магнітів), якірна обмотка знаходиться на статорі (синхронний двигун). Напруга живлення обмоток двигуна формується залежно від положення ротора. Якщо двигунах постійного струму цієї мети використовувався колектор, то вентильному двигуні його функцію виконує напівпровідниковий комутатор (датчик положення ротора (ДПР) з інвертором).

Основною відмінністю ВД від синхронного двигуна є його самосинхронізація за допомогою ДПР, внаслідок чого у ВД частота обертання поля пропорційна частоті обертання ротора.

Статор має традиційну конструкцію і схожий на статор асинхронної машини. Він складається з корпусу, сердечника з електротехнічної сталі та мідної обмотки, укладеної в пази по периметру сердечника. Кількість обмоток визначає кількість фаз двигуна. Для самозапуску та обертання достатньо двох фаз - синусної та косинусної. Зазвичай ВД трифазні, рідше-чотирифазні.

За способом укладання витків в обмотки статора розрізняють двигуни, що мають зворотну електрорушійну силутрапецеїдальної (BLDC) та синусоїдальної (PMSM) форми. За способом харчування фазний електричний струму відповідних типах двигуна також змінюється трапецеїдально або синусоїдально.

Ротор виготовляється з використанням постійних магнітів і зазвичай має від двох до восьми пар полюсів з чергуванням північного і південного полюсів.

Спочатку для виготовлення ротора використовувалися феритові магніти. Вони поширені та дешеві, але їм притаманний недолік у вигляді низького рівня магнітної індукції. Зараз набувають популярності магніти зі сплавів рідкісноземельних елементів, тому що вони дозволяють отримати високий рівеньмагнітної індукції та зменшити розмір ротора.

Датчик положення ротора (ДПР) реалізує зворотний зв'язок положення ротора. Його робота може бути заснована на різних принципах- фотоелектричний, індуктивний, на ефект Холла, і т. д. Найбільшу популярність набули датчики Холла і фотоелектричні, так як вони практично безінерційні і дозволяють позбутися запізнення в каналі зворотного зв'язку по положенню ротора.

Сигнали датчиків перетворюються керуючим пристроєм в комбінацію керуючих напруг, які керують силовими ключами, так, що кожен такт (фазу) роботи двигуна включені два ключі і до мережі підключені послідовно дві з трьох обмоток якоря. Обмотки якоря U, V, W розташовані на статорі зі зсувом на 120° і їх початку і кінці з'єднані так, що при перемиканні ключів створюється магнітне поле, що обертається.

Система керування містить силові ключі, часто тиристори чи силові транзистори із ізольованим затвором. З них збирається інвертор напруги чи інвертор струму. Система управління ключами зазвичай реалізується з урахуванням використання мікроконтролера. Наявності мікроконтролера вимагає велика кількістьобчислювальних операцій з керування двигуном.

Принцип роботи ВД заснований на тому, що контролер ВД комутує обмотки статора так, щоб вектор магнітного поля статора завжди був ортогональний вектор магнітного поля ротора. З допомогою широтно-импульсной модуляції (ШИМ) контролер управляє струмом, що протікає через обмотки ВД, тобто. вектором магнітного поля статора і таким чином регулюється момент, що діє на ротор ВД. Знак біля кута між векторами визначає напрямок моменту, що діє на ротор.

Градуси під час розрахунку - електричні. Вони менше геометричних градусів до пар полюсів ротора. Наприклад, у ВД з ротором, що має 3 пари полюсів, оптимальний кут між векторами буде 90°/3 = 30°

Комутація проводиться так, що потік збудження ротора - Ф0 підтримується постійним щодо потоку якоря. В результаті взаємодії потоку якоря і збудження створюється момент, що обертає M, який прагне розгорнути ротор так, щоб потоки якоря і збудження збіглися, але при повороті ротора під дією ДПР відбувається перемикання обмоток і потік якоря повертається на наступний крок.

В цьому випадку і результуючий вектор струму буде зрушений і нерухомий щодо потоку ротора, що створює момент на валу двигуна.

У режимі роботи МДС статора випереджає МДС ротора на кут 90°, який підтримується за допомогою ДПР. У гальмівному режимі статора МДС відстає від МДС ротора, кут 90° так само підтримується за допомогою ДПР.

Управління двигуном здійснюється контролером ВД. Контролер ВД регулює момент, що діє на ротор, змінюючи величину ШІМ.

На відміну від щіткового електродвигуна постійного струму комутація в ВД здійснюється і контролюється за допомогою електроніки.

Поширені системи управління, що реалізують алгоритми широтно-імпульсного регулювання та широтно-імпульсної модуляції при керуванні ВД.

Система, що забезпечує найширший діапазон регулювання швидкості - у двигунів з векторним керуванням. За допомогою перетворювача частоти здійснюється регулювання швидкості двигуна та підтримання потокозчеплення в машині на заданому рівні.

Особливість регулювання електроприводу з векторним управлінням - контрольовані координати, виміряні в нерухомій системі координат перетворюються до системи, що обертається, з них виділяється постійне значення, пропорційне складовим векторів контрольованих параметрів, за якими здійснюється формування керуючих впливів, далі зворотний перехід.

Недоліком цих систем є складність керуючих та функціональних пристроїв для широкого діапазону регулювання швидкості.

Переваги та недоліки ВД

Останнім часом, цей тип двигунів швидко набуває популярності, проникаючи в багато галузей промисловості. Знаходить застосування у різних сферах використання: від побутових приладів до рейкового транспорту.

ВД з електронними системамиуправління часто об'єднують у собі кращі якості безконтактних двигунівта двигунів постійного струму.

Переваги:

Висока швидкодія та динаміка, точність позиціонування

Широкий діапазон зміни частоти обертання

Безконтактність та відсутність вузлів, що потребують техобслуговування - безколекторна машина

Можливість використання у вибухонебезпечному та агресивному середовищі

Велика перевантажувальна здатність на момент

Високі енергетичні показники (ККД понад 90 % та cosц понад 0,95)

Великий термін служби, висока надійністьі підвищений ресурсроботи за рахунок відсутності ковзаючих електричних контактів

Низький перегрів електродвигуна при роботі в режимах з можливими навантаженнями

Недоліки:

Відносно складна система керування двигуном

Висока вартість двигуна, обумовлена ​​використанням дорогих постійних магнітів у конструкції ротора

2.3 Вибір конструкції ВД

В даному курсовому проекті стоїть завдання аналітичного розрахунку вентильного двигуна потужністю 11 ват і частотою обертання 15000 об/хв та подальшим комп'ютерним моделюванням магнітної системи у програмі Elcut для подальшої оптимізації магнітної системи. Виходячи з необхідних вихідних параметрів, доцільним буде вибір вентильного двигуна з постійними магнітами. Статор має традиційну конструкцію в пазах якого укладена трифазна обмотка. Ротор виготовляється з використанням постійних магнітів марки КС37А-130, має чотири полюси з бандажом, виконаним з титану рис. 2.3.

Малюнок 2.3 - конструкція ротора ВД

3. Аналітичний розрахунок магнітної системи вентильного електродвигуна

3.1 Розрахунок ротора

Частота струму в обмотці статора, Гц,

(4.1)

Коефіцієнт потужності,

Коефіцієнт,

визначається залежно

Розрахункова потужність, ВА,

(4.2)

Об'єм магніту,

(4.3)

вентильний двигун електромагнітний ротор

де коефіцієнт використання магніту;

Як магніти ротора використовується магніт КС25ДС-240.

Зовнішній діаметр магнітів ротора попередньо, м,

(4.4)

де довжина магніту, м;

висота магніту (задається), м;

Мінімальний зовнішній діаметр по магнітах ротора, м,

(4.5)

де товщина прокладки між магнітами, м;

З технологічних міркувань приймаємо.

Полюсна дуга магніту, м,

(4.6)

Ширина полюса магніту, м,

(4.7)

Силова лінія магніту, м,

(4.8)

Силова лінія ярма ротора, м,

(4.9)

де діаметр валу (задається та уточнюється після механічного розрахунку), м;

3.2 Розрахунок статора

Внутрішній діаметр статора, м,

(4.10)

Полюсний поділ статора, м,

(4.11)

Коефіцієнт полюсного перекриття,

(4.12)

Розрахунковий коефіцієнт полюсного перекриття,

(4.13)

(4.14)

де число пазів на полюс та фазу (задається);

Зубцове розподіл статора, м,

(4.15)

Крок обмотки за пазами,

(4.16)

Коефіцієнт укорочення обмотки,

(4.17)

Коефіцієнт розподілу,

(4.18)

де якщо воно дробове, береться чисельник неправильного дробу;

Малюнок 6.1 – Схема обмотки статора

Коефіцієнт скосу,

(4.19)

де скіс у пазових поділах (задається);

Обмотковий коефіцієнт,

(4.20)

Розрахункова фазна напруга,

(4.21)

де напруга мережі з урахуванням падіння напруги на транзисторах

інвертора, у сполучних дротах;

Розрахункова фазна ЕРС, В,

(4.22)

Магнітний потік, Вб,

(4.23)

Число витків у фазі,

(4.24)

де коефіцієнт форми поля;

(4.25)

де число паралельних гілок статора обмотки;

Застосуємо двошарову обмотку.

Число витків у секції,

(4.26)

Приймаємо кількість витків у секції

Уточнюємо кількість витків у фазі,

(4.27)

Уточнюємо значення потоку, Вб,

(4.28)

(4.29)

Розрахунковий струм фази статора, А,

(4.30)

Переріз ефективного провідника,

(4.31)

де щільність струму (задається);

Переріз елементарного провідника,

(4.32)

де число паралельних провідників у пазу;

Діаметр голого дроту, мм,

(4.33)

За довідником вибираємо провід,

Щільність струму остаточно,

(4.34)

Площа займана ізольованими провідниками в пазу,

(4.35)

Лінійне навантаження, А/м,

(4.36)

Висота ярма статора, м,

(4.37)

де магнітна індукція у ярмі статора, Тл;

коефіцієнт заповнення пакета сталлю, визначається маркою та

покриттям сталі;

довжина пакета статора, м;

3.3 Розрахунок трапеціїдального паза

Ширина зубця, м,

(4.38)

де довжина повітряного зазору, м;

магнітна індукція у зубцях, Тл;

Ширина шліцю паза, мм,

(4.39)

висота клина приймається рівною 0,00035-0,0035 м;

h п - висота паза задається, м;

Площа паза, що визначається за допомогою розрахунку в Компасі S п =0,000102м 2 .

Малюнок 4.2 - Ескіз паза статора

Коефіцієнт заповнення паза,

(4.40)

Коефіцієнт заповнення знаходиться у необхідних межах 0,30 - 0,48.

Зовнішній діаметр статора, м,

(4.41)

5Дослідження магнітної системи ВД на основі польової комп'ютерної моделі

Для дослідження магнітної системи ВД на основі польової моделі тавикористовується програмне забезпеченняANSYS.

Як початкові дані для розрахунку були взяти результати аналітичного розрахунку п.4 даної роботи.

У ANSYS була сформована герметична модель за класичними схемами заміщення. Рисунок 5.1.

Малюнок 5.1 – Геометрична модель

В результаті аналітичного розрахунку в ANSYS були отримані такі характеристики

Рисунок 5.2 - Робочі характеристики

Далі було проведено розрахунок електромагнітного поля з урахуванням польовий моделі. Внаслідок чого були отримані: розподіл магнітної індукції, розподіл магнітного потоку, розподіл магнітних та омічних втрат в активній частині електричної машини.

Рисунок 5.3 – Розподіл індукції в активній частині електричної машини

Рисунок 5.4 – Розподіл магнітного потоку в активній частині електричної машини

Малюнок 5.5 - Розподіл магнітних втрат

Рисунок 5.5 - Розподіл омічних втрат (втрати у міді)

Розміщено на Allbest.ru

...

Подібні документи

Регулює частоту обертання двигунів постійного струму за допомогою зміни потоку збудження. Максимально-струмовий захист електроприводу. Швидкісні характеристикидвигуна. Схеми силових ланцюгів двигунів постійного струму та асинхронних двигунів.

курсова робота , доданий 30.03.2014


Електричний привідз тиристорними перетворювачами та двигунами постійного струму як основний тип приводу верстатів із ЧПУ. Основні характеристики електроприводу та тип двигуна постійного струму. Переваги та недоліки високомоментних двигунів.

курсова робота , доданий 14.12.2012


Історія відкриття та створення двигунів постійного струму. Принцип дії сучасних електродвигунів. Переваги та недоліки двигунів постійного струму. Регулювання зміною напруги. Основні лінійні характеристики двигуна.

курсова робота , доданий 14.01.2018


Принцип дії вентильного електроприводу. Формування крутного моменту, що результує намагнічує сили. Електрична схема перемикання полюсів вентильного електроприводу. Моделювання перехідних процесів. Сумарний момент збурення.

курсова робота , доданий 15.03.2010


Історія створення та принцип роботи електродвигуна. Способи збудження електричних двигунів постійного струму. Основні типи двигунів та їх різновиди. Конструкція двотактного двигунавнутрішнього згоряння. Принцип роботи запалювання двигуна.

презентація , додано 05.05.2011


Історичний огляд шляхів розвитку електричного двигуна постійного струму. Відкриття явища електромагнітної індукції М. Фарадеєм у 1831 році. Виявлення основних напрямів та ідей, що призвели до створення сучасної конструкціїдвигуна.

звіт з практики, доданий 21.11.2016


Принцип дії та сфера застосування електричних машин постійного струму. Допустимі режими роботи двигунів при зміні напруги, температури вхідного повітря. Обслуговування двигунів, нагляд та догляд за ними, ремонт, правила безпеки.

курсова робота , доданий 25.02.2010


Основні типи двигунів: двотактні та чотиритактні. Конструкція двотактного двигуна внутрішнього згоряння. Принцип запалювання двигуна. Історія створення та принцип роботи електродвигуна. Способи порушення електродвигунів постійного струму.

реферат, доданий 11.10.2010


Поняття та функціональні особливостівентильного генератора, його внутрішній пристрійта взаємозв'язок складових елементів. Розрахунок полюсного та зубцевого поділу. Визначення коефіцієнта повітряного зазору. Побудова властивості холостого ходу.

курсова робота , доданий 04.06.2014


Характерні рисироботи та конструкції безконтактних двигунів постійного струму типу БК-1, ДБ, які призначені для застосування у складі наукової та службової апаратури космічних апаратів, інших технічних засобівіз високою надійністю.

Турбореактивний авіаційний двигун РД-7 (ВД-7).

Розробник: ОКБ-36 під керівництвом В.А.Добриніна.
Країна: СРСР
Будівництво: 1952 р.

Розробка турбореактивного двигуна РД-7 розпочалася 1952 року у ОКБ-36 під керівництвом В.А.Добринина. Початкове позначення - ВД-7. При виборі двигунів для модернізації літака М-4 ставку зробили на ВД-7, злітна тяга яких перевищувала 11000 кгс, а крейсерська витрата палива складала 0,73-0,8 кг/кгс*год (у РД-3 - до 1,03 ), як у найкращих зарубіжних зразків. Застосувавши ці двигуни, збільшивши кількість палива на борту, встановивши систему дозаправки в польоті, а також покращивши аеродинаміку, новий літак, який отримав позначення 3М, міг досягти найвіддаленішої точки США.

Проте ці двигуни затягли терміни закінчення державних випробувань літака — на злітному режимі спостерігалися небезпечні автоколивання лопаток перших щаблів компресора. Для вирішення цієї проблеми на ВД-7Б обмежили обороти, при цьому максимальна тяга зменшилася на 2000 кгс і довелося знижувати злітну вагу за рахунок зменшення запасу палива. Так як ВД-7Б випускалися в обмеженій кількості і в невисокому темпі, то з ними побудували приблизно половину бомбардувальників, що одержали позначення 3МН (Н - новий двигун). Інші машини, що одержали позначення 3МС («С» — старий двигун), оснастили РД-3М.

Серійне виробництво організовано у 1957 році на заводі №26.

РД-7 складається з осьового 9-ступінчастого компресора, прямоточної камери згоряння трубчасто-кільцевого типу, 2-ступінчастої турбіни та нерегульованого реактивного сопла. У двигуні застосовані принципово нові для того часу технічне рішення: високонапірний компресор з малим числом ступенів, перший надзвуковий ступінь компресора, вхідний напрямний апарат, що регулюється, регулювання режимів за наведеною частотою обертання.
При зльоті правильною ознакою «емок» з двигунами ВД-7Б був потужний вихлоп, що копить. Серійні ВД-7Б виробництва уфімського заводу № 26 після копіткої доведення мали ресурс лише 200 год — у 6,5 рази менше, ніж РД-3М-500. Надійність їх також була гірша, що разом із відсутністю надзвичайного режиму значно знижувало безпеку експлуатації літака та викликало обґрунтоване невдоволення замовника.

Серійне виробництво тривало до 1977 року. У процесі виробництва він неодноразово модернізувався. Двигуни, що відпрацювали льотний ресурс, застосовувалися на пожежних машинах АГВТ-100(131), АГВТ-200(255).

Модифікації:

ВД-7 базовий.
-ВД-7Б: доопрацьований. Відрізнявся обмежувачем обертів компресора. Випускався у 1957-1968 роках. Встановлюючи літаком 3М.
-ВД-7П: двигун з покращеним компресором для збільшення потужності на великих висотах.
-РД-7М (РД-7М): двигун для літака Ту-22. Вирізняється наявністю форсажної камери. Тяга збільшена за рахунок збільшення температури газу перед турбіною та збільшення витрати повітря внаслідок розкриття вхідного направляючого апарату. Випускався у 1960-1965 роках.
-РД-7М2: форсований. Відрізняється зміненим першим щаблем компресора, розкритим вхідним напрямним апаратом, збільшеною температурою газів у форсажній камері, надзвуковим регульованим соплом. Тяга збільшена на 500 кгс. Випускався у 1965-1977 роках. Застосовувався на Ту-22КД.
-ВД-7МД: двигун без форсажної камери для транспортного літака ВМ-Т «Атлант».

Технічні характеристики:

Модифікація РД-7М
Рік створення: 1952
Виробник: Рибінський завод № 26
Роки виробництва: 1952-1956
Габаритні розміри, мм
-діаметр: 1330
-довжина: 4850
Суха маса, кг: 2765
Тяга двигуна, кН
-максимальна: 103,0
-на форсажі: 156,9
Ступінь підвищення тиску 14,2
Температура газу перед турбіною, ° C: 800

Список джерел:
С.Г.Мороз. Ревучий звір. Авіація та Час № 5 за 2003 р.
В.А.Зрелов. Вітчизняні газотурбінні двигуни. Основні параметри та конструктивні схеми.