Что такое аксиальный двигатель
Осевые (аксиальные) вентиляторы
Подобный тип встречается буквально на каждом шагу. На улице это – некоторые кондиционеры, в зданиях – вентиляция помещений, и даже за компьютером он нас настигает – в виде системы охлаждения процессора или видеокарты. Иначе такие вентиляторы могут называться аксиальными.
Без подобного устройства в современной жизни очень трудно обойтись – система охлаждения необходима многим приспособлениям и производствам, а человек не может дышать спёртым воздухом. И осевой вентилятор, как самый распространённый, справляется со своей миссией на ура. Но что это такое? Это устройство, состоящее из крутящейся оси и насаженных на него лопастей. Эти лопасти перемещают воздух вокруг их собственной оси.
Что такое осевой вентилятор?
Подобный тип встречается буквально на каждом шагу. На улице это – некоторые кондиционеры, в зданиях – вентиляция помещений, и даже за компьютером он нас настигает – в виде системы охлаждения процессора или видеокарты. Иначе такие вентиляторы могут называться аксиальными.
Без подобного устройства в современной жизни очень трудно обойтись – система охлаждения необходима многим приспособлениям и производствам, а человек не может дышать спёртым воздухом. И осевой вентилятор, как самый распространённый, справляется со своей миссией на ура. Но что это такое? Это устройство, состоящее из крутящейся оси и насаженных на него лопастей. Эти лопасти перемещают воздух вокруг их собственной оси.
Схема аксиально-поршневого насоса [вверх]
К базовой комплектации гидравлического аксиально-поршневого насоса относят:
блок цилиндров (ротор);
Высокая производительность таких насосов обеспечивается высокой герметичностью цилиндров.
Обычно, аксиально-поршневые насосы имеют небольшие размеры, и, как следствие, небольшой вес. Это делает регулировку агрегата несложной и не затратной.
Анализ индукционного двигателя: Верификационная задача TEAM
В этой заметке мы рассмотрим задачу моделирования трёхфазного асинхронного двигателя, описанную как проблема №30a в Testing Electromagnetic Analysis Methods (TEAM) (от общества Compumag). Мы покажем, как моделировать асинхронный двигатель в 2D с использованием физического интерфейса Rotating Machinery, Magnetic (Магнитные вращающиеся механизмы) и решателя во временной области. Изучим динамику пуска двигателя, объединив электромагнитный расчёт с динамикой ротора, учитывая при этом инерционные эффекты. В конце мы сравним результаты моделирования в COMSOL Multiphysics с верификационными данными.
Проектирование асинхронного двигателя посредством моделирования
Трёхфазный асинхронный двигатель состоит из двух главных частей: неподвижной, называемой статором, и вращающейся, называемой ротором. Статор состоит из набора пластин электротехнической стали и трёхфазных обмоток, а ротор — из алюминия и стали. Трёхфазные обмотки, обозначенные A, B и C на рисунке ниже, в статоре смещены друг относительно друга на 120°. Каждая фаза обмотки охватывает 45° полного оборота. Обмотки разделяются воздушным зазором. Внешний диаметр статора — 5.7 см.
Конструкция трёхфазного асинхронного двигателя. Показаны основные части, размеры и конфигурации фаз.
По условиям задачи задаём плотность тока, равною 310 A/см 2 , что эквивалентно действующему значению тока Irms = 2045.175 на каждую обмотку. Двигатель работает на частоте 60 Гц. Магнитная проницаемость стали статора и ротора одинаковая — μr = 30. Электрическая проводимость стали статора — σ = 0 (шихтовка), ротора — σ = 1.6e6 См/м. Электрическая проводимость алюминиевой части ротора — σ = 3.72e7 См/м.
Моделирование динамики асинхронного двигателя в COMSOL Multiphysics
При построении геометрии асинхронного двигателя в COMSOL Multiphysics, необходимо создать два объединения (unions). Одно для элементов статора, второе для элементов ротора. Заключительным этапом создания геометрии является Построение сборки (Form Assembly), как описано в этом видео. Таким образом, между статором и ротором автоматически сгенерируются тождественные пары (identity pair).
Геометрическая последовательность для асинхронного двигателя. Геометрия финализируется путем создания сборки (операция Form Assembly) между объединениями для ротора и статора.
В таблице ниже приведены свойства материалов, которые используются в этой модели. Плотность материала не указана в исходном задании TEAM, поэтому полагаем, что плотность стали и алюминия ротора равна 7850 кг/м 3 и 2700 кг/м 3 соответственно. Значения плотности необходимы, чтобы вычислить момент инерции.
| Материал | Электрическая проводимость (σ) | Относительная проницаемость (μr) | Плотность (ρ) |
|---|---|---|---|
| Сталь в роторе | 1.6e6 [См/м] | 30 | 7850 [кг/м^3] |
| Сталь в статоре | 0 [См/м] | 30 | Не требуется |
| Алюминий в роторе | 3.72e7 [См/м] | 1 | 2700 [кг/м^3] |
| Воздух | 0 [См/м] | 1 | Не требуется |
Для моделирования электромагнитных полей в трёхфазном асинхронном двигателе будем использовать физический интерфейс Rotating Machinery, Magnetic. Так как все магнитные и электрические свойства материалов линейны, добавленный по умолчанию узел Ampère’s Law (Закон Ампера) оставляем без изменений.
Для моделирования трёзфазных обмоток будем использовать условие Homogenized Multi-turn Coil (Однородная многовитковая катушка). Число витков в обмотке равно n0 = 2045 . Каждый многожильный провод проводит ток порядка 1[A] , который смещён на 120° между фазами. Запишем выражения для каждой из фаз:
- I A = 1[A]*cos(w0*t)*sqrt(2)
- I B = 1[A]*cos(w0*t+120[deg])*sqrt(2)
- I C = 1[A]*cos(w0*t-120[deg])*sqrt(2)
Где, 1[A] — действующее значение тока. Чтобы получить амплитудное, умножаем на sqrt(2) .
В физическом интерфейсе Rotating Machinery, Magnetic с помощью узла Force Calculation (Расчёт Силы) можно сразу рассчитать электромагнитный момент, действующий на ротор. Добавив этот узел, при постобработке нам будут доступны пространственные компоненты магнитных сил ( rmm.Forcex_0 , rmm.Forcey_0 , rmm.Forcez_0 ) и осевого момента инерции ( rmm.Tax_0 ). Узел Force Calculation для расчёта силы просто интегрирует тензор напряжений электромагнитного поля (максвелловский тензор напряжений) по всей внешней выбранной границе или области. Так как метод основан на интегрировании поверхности, рассчитываемая сила зависит от размера сетки. При использовании этого метода для точного вычисления силы или момента важно всегда выполнять исследование по сеточной сходимости (mesh refinement study).
Есть другой способ расчёта момента — метод Арккио. Он заключается в объёмном интегрировании вектора плотности магнитного потока. В этом методе электромагнитный момент электрических вращающихся машин в 2D моделях может быть рассчитан из следующего уравнения.
Где r_o — это внешний радиус, r_i — внутренний радиус, S_
Реализация метода Арккио для расчёта момента в асинхронном двигателе.
Моделирование динамики пуска двигателя с использованием физического интерфейса Global ODEs and DAEs
Вращательное движение ротора задаётся следующими двумя уравнениями:
где T_m — аксиальный электромагнитный момент ротора, T_L — момент на нагрузке, omega_m — угловая скорость ротора, phi — угловое положение ротора.
Эти уравнения задаются в двух разных узлах Global Equations в физическом интерфейсе Global ODE and DAEs (Глобальные ОДУ и ЛАУ), как показано на рисунке ниже.
Задание дифференциальных уравнений для угловой скорости и углового положения ротора в физическом интерфейсе Global ODEs and DAEs.
График изменения электромагнитного момента ротора в зависимости от времени (слева). Угловая скорость ротора (справа).
График электромагнитного момента в начале колеблется, а затем достигает максимального значения при 0,28 секунды. Затем уменьшается до нуля при достижении синхронной скорости при 0,4 секунды. При 0,5 секунды момент в нагрузке изменяется скачком (по заданному закону). Затем постепенно двигатель выходит на номинальный режим.
Сравнение результатов моделирования в COMSOL Multiphysics и результатов верификационной задачи TEAM
Чтобы сравнить электромагнитный момент, наводимое напряжение и потери в роторе с верификационной задачей TEAM №30a, мы создали такую же модель асинхронного двигателя в COMSOL Multiphysics в частотной области с использованием физического интерфейса Magnetic Fields (Магнитные поля). В данном интерфейсе вращательное движение задаётся узлом Lorentz term (сила Лоренца), который описывает движение. Вы можете скачать учебный пример трёхфазного асинхронного двигателя здесь.
Сравнение графиков зависимости аксиального момента от скорости двигателя (слева) и наводимого напряжения от скорости двигателя (справа).
Сравнение графиков зависимости потерь в роторе от скорости двигателя (слева) и потерь в стали от скорости двигателя (справа).
Дополнительные ресурсы по моделирования двигателей в COMSOL Multiphysics
- Начните моделировать асинхронные двигатели, ознакомившись со следующими учебными примерами:
- Трёхфазный асинхронный двигатель: Рабочая тестовая модель TEAM №30
- Динамика асинхронного двигателя в 2D
- Верификационная проблема TEAM №30a: Анализ асинхронного двигателя
- Чтобы узнать больше о моделировании вращающихся машин, прочтите следующие статьи:
- Как моделировать вращающиеся машины в 3D
- Рекомендации по моделированию вращающихся машин в 3D
- Следите за нашим блогом по проектированию Электромагнитных устройств
Рубрики блога
Я соглашаюсь с тем, что COMSOL будет собирать, хранить и обрабатывать мои персональные данные согласно моим настройкам и Политике конфиденциальности COMSOL . Я соглашаюсь получать электронные письма от COMSOL AB и его аффилированных компаний о блоге COMSOL. Это согласие может быть отозвано.
Рекомендуемые публикации
Валидация использования метода граничных элементов для магнитостатических расчетов
Построение мультифизической модели для описания задачи магнитной гидродинамики в COMSOL®
Изучение пресбиопии с помощью оптомеханической модели человеческого глаза
Главные преимущества аксиального поршневого насоса
Обычно, чтобы определить преимущества или недостатки того или иного устройства, его сравнивают с другими агрегатами аналогичного назначения. В случае аксиально-плунжерного механизма объектами для сравнения являются радиально-поршневые и паровые агрегаты. По сравнению с этими машинами аксиально-поршневые агрегаты имеют внушительный список преимуществ.
Сравнительно с другими машинами, аксиально-плунжерные устройства обладают большой мощностью и производительностью, несмотря на небольшие размеры и, как следствие, малый вес. Компактность агрегата дает еще одно преимущество – малый момент инерции. Это немаловажное обстоятельство позволяет легко регулировать число оборотов в аксиальных гидравлических насосах. При необходимости во время рабочего процесса можно изменить активный объем цилиндров.
Агрегат может работать при высоком давлении с частотой вращения в диапазоне от 500 до 4000 оборотов в минуту. Таких показателей нет ни у одного из сравниваемых приборов. Он может работать при более высоком давлении, чем радиально-плунжерные.
Высокая производительность в аксиальных гидравлических насосах обеспечивается высокой герметичностью цилиндров. К преимуществам агрегатов следует отнести возможность регулировать направление и давление рабочей жидкости.
Конструктивные особенности и принцип действия
Гидронасос аксиально-поршневого типа состоит из следующих элементов:
- поршней, также называемых плунжерами, которые входят в состав блока цилиндров;
- элементов шатунного типа;
- ведущего вала, который также называется основным;
- механизма, который выполняет распределительные функции.
Устройство аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком
Принцип, по которому работает поршневой гидронасос аксиального типа, основывается на том, что его основной вал, вращаясь, сообщает движение элементам блока цилиндров. Вращение основного вала насосов аксиально-поршневого типа преобразуется в возвратно-поступательное перемещение поршней, совершаемое параллельно оси блока цилиндров. Именно благодаря характеру таких движений поршня, которые являются аксиальными, насос и получил свое название.
Принцип работы аксиально-поршневого гидронасоса
В результате движения, совершаемого поршнями в цилиндрах аксиально- плунжерного насоса, происходит попеременное всасывание и последующее нагнетание жидкости через соответствующие патрубки. Соединение рабочей камеры насоса с его всасывающими и нагнетающими линиями происходит последовательно, при помощи специальных окон, выполненных в распределительном механизме. Чтобы минимизировать риск возникновения неисправностей при работе блока цилиндров гидронасосов аксиально-поршневого типа, а также обеспечить надежную эксплуатацию такого устройства, его распределительный механизм максимально плотно прижимается к блоку цилиндров, а окна такого блока разделяются между собой специальными уплотнительными прокладками. На внутренней поверхности окон распределительного механизма выполнены дроссельные канавки, наличие которых позволяет уменьшить величину гидравлических ударов, возникающих в трубопроводной системе при работе насоса. Наличие таких канавок на внутренней поверхности окон распределительного механизма помогает максимально плавно повышать давление рабочей жидкости, создаваемое в цилиндрах.
Как становится понятно из вышеописанной конструкции аксиально-поршневого гидравлического насоса, его рабочими камерами являются цилиндры, расположенные параллельно (аксиально) оси его ротора, а вытеснение жидкости из таких цилиндров осуществляется за счет возвратно-поступательных движений поршня.
Больше информации по теме грыжа пищеводного отверстия диафрагмы:
Когда вы пишете письмо, знайте:
оно попадает мне на мою личную электронную почту .
На все ваши письма я отвечаю всегда только сам. Я помню, что вы доверяете мне самое ценное — свое здоровье, свою судьбу, свою семью, своих близких и делаю все возможное, чтобы оправдать ваше доверие. Каждый день я по нескольку часов отвечаю на ваши письма. Направляя мне письмо с вопросом, вы можете быть уверены, что я внимательно изучу вашу ситуацию, при необходимости запрошу дополнительные медицинские документы. Огромный клинический опыт и десятки тысяч успешных операций помогут мне разобраться в вашей проблеме даже на расстоянии.
Многим пациентам требуется не хирургическая помощь, а правильно подобранное консервативное лечение, в то время как другие нуждаются в срочной операции. И в том, и в другом случае я намечаю тактику действий и при необходимости порекомендую прохождение дополнительных обследований или неотложную госпитализацию. Важно помнить, что некоторым больным для успешной операции требуется предварительное лечение сопутствующих заболеваний и правильная предоперационная подготовка.
В письме обязательно (!) укажите возраст, основные жалобы, место проживания, контактный телефон и адрес электронной почты для прямой связи. Чтобы я мог детально ответить на все ваши вопросы, прошу высылать вместе с вашим запросом сканированные заключения УЗИ, КТ, МРТ и консультаций других специалистов. После изучения вашего случая, я направлю вам либо подробный ответ, либо письмо с дополнительными вопросами.
В любом случае я постараюсь вам помочь и оправдать ваше доверие, которое является для меня наивысшей ценностью.
