Анализ и оптимизация вентильного электродвигателя для высокодинамичного электропривода Ишутинов Вячеслав Владимирович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Математическая модель вентильного электродвигателя постоянного тока для специального электропривода 18

1.1 Анализ требований ТЗ и определение полезной мощности, требуемой для обеспечения энергетических и динамических показателей специального электропривода заданных по ТЗ 18

1.2 Классификация вентильных электродвигателей постоянного тока и определение объекта исследования 20

1.3 Выбор конструкции вентильного электродвигателя и конструкции датчика положения ротора вентильного электродвигателя для специального электропривода 23

1.4 Выбор магнитных материалов 33

1.5 Алгоритм оптимального проектирования вентильного электродвигателя для специального электропривода 38

1.6 Аналитический расчет вентильного электродвигателя по методике, основанной на схеме замещения 46

Выводы к главе 1

ГЛАВА 2. Оптимизация вентильного электродвигателя постоянного тока для специального электропривода с использованием современного программного обеспечения 71

2.1 Постановка задачи оптимизации 71

2.2 Выбор критериев оптимальности для вентильного электродвигателя для специального электропривода

2.3 Выбор метода оптимизации 78

2.4 Решение оптимизационной задачи с помощью методов нелинейного программирования или с помощью генетического алгоритма 82

2.5 Сравнение методов нелинейного программирования (градиентного метода в сочетании с методом динамического программирования) и генетического алгоритма 129

Выводы к главе 2 132

ГЛАВА 3. Анализ вентильного электродвигателя с использованием современного программного обеспечения 134

3.1 Моделирование электромагнитного поля вентильного электродвигателя 134

3.2 Способы анализа динамических показателей ВДПТ и СП 148

3.3 Имитационное моделирование вентильного электродвигателя в составе специального электропривода 158

3.4 Тепловой расчет вентильного электродвигателя 165

Выводы к главе 3 167

168

ГЛАВА 4. Практическая реализация и экспериментальные исследования

4.1 Энергетические и массогабаритные показатели исследуемых вентильных электродвигателей

4.2 Экспериментальные исследования переходных процессов

Выводы к главе 4 177

Заключение

Список использованных источников

• Классификация вентильных электродвигателей постоянного тока и определение объекта исследования
• Аналитический расчет вентильного электродвигателя по методике, основанной на схеме замещения
• Решение оптимизационной задачи с помощью методов нелинейного программирования или с помощью генетического алгоритма
• Имитационное моделирование вентильного электродвигателя в составе специального электропривода

Введение к работе

Актуальность. В настоящее время для электромашиностроительных предприятий предъявляются качественно новые высокие требования в области создания специальных высоко динамичных электроприводов (СП). Одним из возможных путей решения этой проблемы является разработка электродвигателей (ЭД) (и на их базе электроприводов (ЭП)), обеспечивающих широкий диапазон частоты вращения, хорошие регулировочные свойства, высокие энергетические и динамические показатели при малых габаритах и массе и высокой надежности.

Коллекторные машины постоянного тока, используемые в регулируемом ЭП, достигли высокого технического уровня и обладают хорошей регулировочной способностью, высокими динамическими показателями, достаточно высоким значением коэффициента полезного действия (КПД), в особенности, двигатели постоянного тока (ДПТПМ) с возбуждением от редкоземельных (РЗМ) постоянных магнитов (ПМ), простотой и технологичностью в изготовлении. Благодаря этим преимуществам, коллекторные машины до сих пор с успехом применяются в различных электроприводах, в том числе СП. Однако целый ряд исследований свидетельствует о том, что коллекторные машины постоянного тока в настоящее время достигли своих предельных параметров. Для ЭМ общепромышленного применения это связано с более интенсивным износом щеток и увеличенным значением реактивной ЭДС на высоких частотах вращения. Для специальных машин тяговых или автономных ЭП - с ограничением полезной мощности, низкими массогабаритными показателями, и что наиболее важно для высокодинамичных ЭП - высоким моментом инерции вращающихся частей. Также возникают проблемы с коммутацией в условиях пониженного давления и высокой влажности воздуха, в особенности, в переходных режимах, что также приводит к повышенному износу щеток. Поиск замены коллекторным ЭМ специального назначения (микромашинам, машинам малой и средней мощности) обусловлен следующими факторами.

Во-первых, прогрессом полупроводниковой техники. В настоящее время
созданы достаточно мощные полевые транзисторы (напряжением сток-исток до
1200 В и длительным током до 75 А) и биполярные транзисторы с изолированным
затвором (напряжением до 1700 В и длительным током до 45 А). Также в настоящее
время созданы отечественные микроконтроллеры с достаточно высокими
характеристиками. Применение в качестве коммутируемых элементов
вышеуказанных ключей позволяет значительно увеличить предельные мощности,
повысить надежность и уменьшить эксплуатационные затраты, а применение
вышеуказанных микроконтроллеров позволяет увеличить диапазон и

максимальную величину частоты вращения, а также реализовать сложные алгоритмы управления.

Во-вторых, в настоящее время развивается промышленное изготовление ПМ с высокими энергетическими показателями. Такие ПМ позволяют создавать в малых объемах большой магнитный поток, позволяя значительно повысить предельные мощности ЭМ.

В-третьих, совершенствуется и внедряется новое ПО, которое позволяет выполнять математическое и имитационное моделирование, расчеты и проектирование любых электротехнических устройств, в том числе ЭМ и систем

управления к ним с учетом взаимного влияния электромагнитных и тепловых процессов, а также системы управления друг на друга.

Благодаря этим трем факторам, вышеперечисленные проблемы, возникающие при разработке специальных машин, успешно решаются путем создания ВДПТ с ПМ.

Начало исследований по созданию ВДПТ в нашей стране связано с именами О. Г. Вегнера, Б. Н Тименева. В 60-е годы в связи с успехами в области полупроводниковой техники ВДПТ был впервые реализован как новый класс ЭД. Большой вклад в развитие теории и практики ЭП с ВДПТ внесли А. К. Аракелян, А.Д. Поздеев, А. А. Афанасьев, В. А. Нестерин, В. А. Балагуров, А. Н. Бертинов, Д. А. Бут, Б. А. Ивоботенко, Н. Ф. Ильинский, Ю. И. Конев, И. Н. Лебедев, В. К. Лозенко, А. С. Михалев, И. Е. Овчинников, И. Л. Осин и др.

Задачами оптимального проектирования ЭМ занимались А. А. Терзян, Д. А. Аветисян, В. Ф. Горягин, К. С. Демирчан, Е. М. Лопухина, Г. А. Семенчуков. Также стоит отметить вклад в развитие методов оптимального проектирования таких ученых как Ю. Б. Казакова, Ю. В. Герасимова, А. И. Тихонова, А. И. Новикова. Методы оптимального проектирования вентильных машин с аксиальным магнитным потоком содержатся в трудах С. А. Ганджи.

Методы математического моделирования переходных процессов ЭМ содержатся в трудах Г. А. Сипайлова, А. А. Горева, И. М. Постникова, А. И. Вольдека, В.Е. Высоцкого.

В развитие методов моделирования электромагнитных полей большой вклад внесли В. А. Апсит, Г. А. Гринберг, Я. Б. Данилевич, В. В. Домбровский, К. С. Демирчан, А. В. Иванов-Смоленский, А. А. Терзян.

Общую теорию расчета ЭМ развивают А. В. Иванов-Смоленский, С. В. Иваницкий, Н. И. Пашков, В. Я. Беспалов.

А. И. Бертинов, Балагуров В.А. Поспелов Л.И. внесли большой вклад в развитие теории электрических машин авиационного и специального исполнения.

Известно большое количество зарубежных разработок в области вентильных электродвигателей и электроприводов.

Несмотря на большое количество работ по данной теме в последние 25 лет, необходимо отметить, что в нашей стране только в последние 10-12 лет, благодаря своим преимуществам, ВДПТ с возбуждением от РЗМ ПМ наконец начинают находить широкое применение в различных ЭП и начинают вытеснять коллекторные машины.

Специальный высокодинамичный электропривод представляет собой электропривод поступательного действия, который состоит из механической, электромеханической и электронной частей. Механическая часть представляет

Вентильный двигатель

Редунтор, швп

Система упра вления

собой шариковинтовую пару и редуктор, электромеханическая часть представляет собой ВДПТ с возбуждением от ПМ с ДПР, электронная часть представляет собой блок управления и контроля. Источником питания данной системы Рис. 1. Структурная схема СП является аккумуляторная батарея. На рис. 1

изображена структурная схема СП.

В таблице №1 представлены характеристики СП разработанных или разрабатываемых на ОАО «ЛЕПСЕ» согласно требованиям заказчика.

Таблица №1
Характеристики СП

Особенностью разрабатываемых СП является необходимость обеспечивать специфические амплитудофазочастотные характеристики (АФЧХ), т.е. работать в переходных режимах. Требования к АФЧХ представлены в таблице №2.

Таблица №2

В СП электродвигатель является основным звеном, в значительной степени определяющим его характеристики. Поэтому наиболее важными требованиями для ВДПТ в таких ЭП являются:

высокие динамические показатели;

высокие энергетические показатели;

малые габариты и масса.

Динамические показатели СП определяются быстродействием ЭД, но при этом зависят от момента инерции нагрузки и момента инерции вращающихся частей электродвигателя. В случае приведения момента инерции нагрузки к валу ЭД, приведенный момент инерции может составлять несколько процентов от момента инерции ротора ЭД, а может в два-три раза превышать момент инерции ротора ЭД. В таких условиях становится важным правильно выбрать передаточное отношение редуктора и частоту вращения ЭД.

Повышение частоты вращения может привести как к ухудшению динамических показателей, так и к их улучшению, поскольку повышение частоты вращения приводит к повышению передаточного отношения редуктора и, как следствие, снижению приведенного к валу ЭД момента инерции.

Уменьшение габаритов и массы может быть достигнуто путем увеличения частоты вращения, однако уменьшение габаритов приводит к ухудшению энергетических показателей (КПД).

Таким образом, при проектировании ВДПТ для СП предъявляются противоречивые требования по динамическим энергетическим и массогабаритным показателям.

Как показывает анализ, одновременное выполнение всех вышеперечисленных требований является сложной и противоречивой задачей, для решения которой необходимо использовать методы оптимального проектирования, которые

позволяют получить вариант ЭД, соответствующий всем вышеуказанным показателям.

Итак, исследования, проведенные на ОАО «ЛЕПСЕ» непосредственно перед началом разработки таких ЭП показывают, что в настоящее время, несмотря на большое количество исследований по теории и проектированию ВДПТ и ЭП на их основе в нашей стране нет ЭП, которые обеспечивают одновременно все показатели, указанные в Таблице 1, Таблице 2.

Большая часть исследований посвящена ВДПТ малой мощности, либо моментным ВДПТ и ЭП на их основе, ЭП с повышенным быстродействием, к которым и относится рассматриваемый ВДПТ и ЭП уделено мало внимания.

Поскольку ВДПТ является основным звеном СП, в значительной степени определяющим его характеристики, то задача его разработки для СП является актуальной научно-технической проблемой.

Таким образом, в качестве объекта исследования рассматривается ВДПТ малой мощности с ПМ для СП.

Несмотря на многочисленные исследования в области ВДПТ в целом как класса ЭМ и в области оптимального проектирования ВДПТ ряд аспектов остался неисследованным.

В частности не в полной мере исследованы вопросы синтеза и анализа данного класса ВДПТ, а в частности многокритериальная оптимизация ВДПТ по энергетическим и массогабаритным показателям с помощью таких методов как методы нелинейного программирования (МНП) и генетический алгоритм (ГА), настройки ГА под конкретную задачу оптимизации ЭМ, анализа работы ВДПТ в составе ЭП в переходных режимах при отработке ступенчатого и синусоидального входного сигнала.

Таким образом, в качестве предмета исследования выступают методы анализа и синтеза ВДПТ для рассматриваемого класса СП.

Целью работы является анализ и синтез ВДПТ для рассматриваемого класса СП, разработка алгоритма оптимального проектирования, исследование методов оптимального проектирования.

Подходы к решению задачи.

Использование современного ПО позволяющего выполнять весь комплекс расчетов и моделирования: позволяющего выполнять аналитический расчет и оптимизацию ВДПТ, а также моделировать работу ВДПТ в составе ЭП в динамике.

Применение зарекомендовавших себя методов: МКЭ, МНП, ГА, имитационного моделирования.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

обзор современного состояния ВДПТ;

исследование и выбор конструкции ВДПТ и ДПР;

- исследование свойств электротехнических материалов и их влияния на
характеристики ВДПТ и их выбор;

- анализ требований ТЗ и расчет полезной мощности ВДПТ для СП;

- аналитический расчет ВДПТ и создание его математической модели для
дальнейшей оптимизации;

- разработка алгоритма анализа и оптимизации ВДПТ с возбуждением от ПМ на
основе РЗМ с использованием (ПО) ANSYS;

б

обзор методов оптимизации и выбор метода;

выбор критериев оптимальности ВДПТ для СП;

исследование возможных путей оптимизации ВДПТ;

- изучение настроек ГА для оптимизации ВДПТ, сравнение возможностей ГА с
возможностями МНП при различном количестве критериев оптимальности;

- решение многокритериальной оптимизационной задачи;

- анализ электромагнитного поля ВДПТ с помощью метода конечных элементов
(МКЭ);

- анализ динамических показателей с помощью косвенных динамических
параметров и выявление их влияния на АФЧХ СП;

создание имитационной модели СП и анализ по данной модели ВДПТ в составе СП для определения АФЧХ;

проведение экспериментальных исследований ВДПТ отдельно и в составе СП, определение его статических характеристик, АФЧХ СП, в состав которого входит данный ВДПТ;

сравнение результатов моделирования на имитационной модели и результатов эксперимента.

Методы исследования. При выполнении данной работы использовалась методика аналитического расчета ВДПТ с помощью схемы замещения, методы оптимизации: МНП и ГА, МКЭ для моделирования электромагнитного поля и расчета переходных процессов ВДПТ, методы имитационного моделирования ВДПТ в составе СП. Для расчетов и моделирования применялись такие программные продукты как: ANSYS, Solid Edge.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработан способ и подана заявка на изобретение по повышению точности
установки ПМ на роторе;

разработан способ и получен патент на полезную модель по уменьшению воздушного зазора ВДПТ;

разработан алгоритм анализа и оптимизации ВДПТ для СП, включающий в себя аналитический расчет ВДПТ с помощью схемы замещения, оптимизационный расчет ВДПТ с помощью МНП или ГА, аналитический расчет электромагнитного поля с помощью МКЭ, имитационное моделирование ВДПТ в составе СП, тепловой расчет ВДПТ в статике, механический расчет;

разработана методика применения МНП и ГА при многокритериальной оптимизации ВДПТ для СП;

- разработана имитационная модель ВДПТ в составе СП;

- предложен способ оценки динамических показателей ВДПТ с помощью
имитационной модели СП.

Положения, выносимые на защиту:

1. Алгоритм оптимального проектирования ВДПТ для СП;

2. Математическая модель ВДПТ для оптимизации и возможные пути оптимизации;

3. Методика применения ГА для оптимизации ВДПТ;

4. Результаты исследований ВДПТ в составе СП на основе имитационной модели и сравнение их с экспериментальными данными реального образца.

Достоверность полученных положений, результатов и рекомендаций подтверждается корректным использованием зарекомендовавших себя методов

анализа и синтеза, а также результатами сравнения расчетных и экспериментальных данных опытного образца СП, в состав которого входит рассматриваемый ВДПТ. Практическая значимость.

1) Основным практическим результатом работы является создание алгоритма
оптимального проектирования ВДПТ для СП, на его базе начато создание методики
для проектирования ВДПТ для СП. Применение данной методики позволит
значительно повысить точность расчетов и как следствие снизить количество
натурных экспериментов.

2) В результате применения алгоритма оптимального проектирования разработаны
ВДПТ мощностью 10 Вт, 50 Вт, 70 Вт, 200 Вт, 220 Вт, 300 Вт, 380 Вт 4000 Вт для
различных ЭП;

3. В ходе данной научной работы выработаны рекомендации для повышения энергетических, массогабаритных и динамических показателей ВДПТ для СП;

4. В ходе данной работы выработаны рекомендации для настройки ГА, при проектировании ВДПТ;

5) В ходе данной работы выработаны рекомендации к применению ГА и МНП при
различном количестве критериев оптимальности.

Внедрение результатов работы. Разработанные в данной диссертации рекомендации и методы использовались при разработке ВДПТ для ряда НИР и ОКР, проводимых на ОАО «ЛЕПСЕ», в частности с ОКР «Привод-12» Министерства промышленности и торговли Российской Федерации.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на следующих конференциях: Всероссийская научно-техническая конференция, «Всероссийской научно-практическая конференция», Киров, Россия, 2013, 2014. Международная ежегодная пользовательская конференция ANSYS и ПЛМ Урал, 2012,2014.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ из них 2 из списка ВАК.

Патенты. По теме диссертации получен один патент на полезную модель и подана заявка на изобретение.

Личный вклад автора. Положения и результаты, которые изложены в диссертации, получены лично автором.

При разработке имитационной модели СП автору принадлежит идея ее создания, а также подготовка и оптимизация динамической модели ВДПТ.

Экспериментальные результаты, представленные в Главе 4, получены группой специалистов ОАО «ЛЕПСЕ», в состав которой входил автор.

В печатной работе [3] автору принадлежит идея использования ПО ANSYS для оптимального проектирования ВДПТ для СП идея имитационного моделирования ВДПТ в составе СП, алгоритм оптимального проектирования с применением данного ПО; автором выполнены оптимизационные и полевые расчеты ВДПТ и подготовлена динамическая модель для имитационного моделирования.

В работе [1] автору принадлежит идея и реализация полезной модели; также проведен ряд электромагнитных расчетов, подтверждающих улучшение показателей ВДПТ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 125 наименований и 6 приложений. Общий объем диссертации 209 страницы машинописного текста.

Классификация вентильных электродвигателей постоянного тока и определение объекта исследования

ВД можно условно разделить три большие группы: на вентильные двигатели постоянного тока, переменного тока и вентильно-индукторные. Общим во всех вентильных электродвигателях является наличие звена постоянного тока, в качестве которого может использоваться либо аккумуляторная батарея, либо источник вторичного электропитания -выпрямитель.

Основным отличием является тип применяемой ЭМ. Вентильные двигатели постоянного тока строятся на базе синхронной машины с постоянными магнитами, вентильные двигатели переменного тока - на базе асинхронной машины, вентильно-индукторные двигатели - на базе индукторной машины.

В данной работе в качестве электродвигателя для СП выбран вентильный двигатель постоянного тока, поскольку очевидно, что он обладает наилучшими динамическими, энергетическими и массогабаритными показателями из трех групп вентильных двигателей за счет применения в качестве системы возбуждения высокоэнергетических ПМ на основе редкоземельных элементов. По управлению ВДПТ и вентильные ЭП на их основе могут быть с векторным и скалярным управлением. Векторное управление имеет целый ряд преимуществ по сравнению со скалярным. Оно используется для получения высокой стабильности электромагнитного момента и частоты вращения, а также для обеспечения максимально широкого диапазона регулирования. Однако реализация векторного управления является сложной задачей, в частности из-за более сложного алгоритма управления, большего количества элементов, что в целом ухудшает массогабаритные показатели и надежность всей системы. Для формирования синусоидального сигнала необходим сложный датчик, который выдает 10-10 сигналов. В условиях жестких требований по габаритам и надежности, а также при отсутствие требований по высокой стабильности частоты вращения и электромагнитному моменту применение векторного управления не обосновано. Скалярное управление применяется в высокодинамичных и высокоскоростных электроприводах, где не требуется плавность хода и широкий диапазон частоты вращения. Данный способ управления может быть реализован как с датчиком, так и без датчика положения ротора. Наилучшую надежность и быстродействие имеет система с датчиком положения ротора (ДПР). Для реализации скалярного управления необходим классический ДПР на элементах Холла, а также один из классических способов коммутации фаз: 120, 150, 180-градусная коммутация. Принципиальное отличие состоит в количестве одновременно коммутируемых фаз и длительности работы одного ключа. При 120-градусной коммутации одновременно коммутируются только две фазы, при 150-градусной в определенные моменты времени две фазы, в определенные моменты времени три фазы, при 180-градусной коммутации всегда все три фазы. Последний вид коммутации обладает некоторыми преимуществами и недостатками. Исходя из проведенных на ОАО «ЛЕПСЕ» исследовательских работ можно сделать следующее заключение: 1) При использовании 180-градусной коммутации несколько увеличиваются энергетические показатели ЭД, в частности полезная мощность ЭД; 2) Увеличение энергетических показателей достигается за счет увеличения общего потребляемого тока ЭД за счет постоянного использования третьей фазы, которая не используется при 120-градусной коммутации. В рассматриваемом в данной работе электродвигателе выбрано скалярное управление и 120-градусная коммутация фаз как наиболее отработанные и надежные способы.

Выбор конструкции вентильного электродвигателя и конструкции датчика положения ротора вентильного электродвигателя для специального электропривода Вводные замечания

Большое влияние на динамические показатели ЭД оказывают конструктивные параметры. В особенности это относится к ВДПТ для СП, где особенно важно правильно выбрать конструкцию для обеспечения одновременно высоких динамических и энергетических показателей при малых габаритах и массе. Поэтому необходимо выбрать такую конструкцию, которая позволит обеспечить эти требования. Конструкция ВДПТ Известны три общих типа конструкций ВДПТ: конструкция с внутренним ротором, описанная, например, в литературе [15, 26, 66, 70], т.е. такая, при которой ротор располагается внутри статора, а рабочий поток при такой конструкции проходит в плоскости перпендикулярной оси вращения ротора ЭМ; в приложении Д представлены способы выполнения конструкций МС роторов; конструкция с внешним ротором, т.е. такая при которой ротор располагается снаружи статора, рабочий поток также проходит в плоскости перпендикулярной оси вращения ротора ЭМ; конструкция с аксиальным магнитным потоком и ее различные разновидности отличающиеся способом выполнения обмоток и формой ПМ описаны, например, в литературе [29]; данная конструкция отличается тем, что рабочий магнитный поток проходит вдоль оси вращения ротора ЭМ.

Аналитический расчет вентильного электродвигателя по методике, основанной на схеме замещения

Задача оптимизации характеризуется следующими совокупностями [62]: - множество вариантов решения; при проектировании ЭМ создается множество вариантов, которые отличаются друг от друга размерами, обмоточными данными, электромагнитными и тепловыми нагрузками (все это параметрический синтез), либо типами обмоток, изоляционными, активными конструкционными материалами (все это структурный синтез); - принцип оптимальности; данный принцип дает оценку о различных качествах ЭМ.

Задача оптимизации состоит в поиске или выборе среди множества вариантов решения, т.е. среди множества вариантов ЭМ одного наилучшего, удовлетворяющего одному или нескольким критериям оптимальности.

Первый шаг при постановке задачи оптимизации - задание математической и геометрической модели ЭД. Математическая и геометрическая модели ВДПТ получены в первой главе. Второй шаг - определение входных параметров модели ВДПТ. Входные параметры К входным параметрам модели относятся заданные величины, независимые переменные и ограничители. Необходимо отметить, что входные параметры могут варьироваться в зависимости от возникающей проектной ситуации.

Заданные величины или элементы среды определяются ТЗ. Ими могут быть номинальная мощность, число пар полюсов, частота питающей сети, номинальное напряжение, свойства материалов обмоток (удельные сопротивления, плотность и коэффициент линейного расширения), типы обмоток, условия охлаждения, режим работы, число и форма пазов статора. В нашем случае в качестве заданных величин приняты:

Независимые переменные совместно с элементами среды полностью определяют вариант проектируемого ВДПТ. В ходе проектирования они могут изменяться независимо от других параметров. В качестве независимых переменных обычно выступают: геометрические размеры активной части ЭМ (размеры зубцовой зоны, размеры ПМ), характеристики магнитных материалов. В нашем случае в качестве независимых переменных приняты следующие величины:

Обоснование выбора независимых переменных будет проведено далее. Ограничители являются параметрами, которые нельзя нарушать при синтезе ЭМ. Некоторые ограничители могут определяться ТЗ, например, пусковой или номинальный момент. Существуют ограничители, которые зависят от свойств применяемых материалов, например, допустимые превышения температуры обмоток, класс изоляции, рабочая температура ПМ. Еще ряд ограничителей обусловлен принятой технологией, например, минимальная толщина ПМ, минимальная толщина зубца статора. В нашем случае в качестве ограничителей определяемых ТЗ выступают следующие: 1) Наружный диаметр статора - Д&, (мм); Также имеется целый ряд технологических ограничителей, связанных с возможностями производства. В нашем случае к ним относятся следующие: 2) минимальная ширина зубца статора bZmin (мм); 3) минимальная высота ярма статора hamin (мм); 4) минимальная hmmin и максимальная hmmax толщина ПМ (мм); 5) минимальная высота ярма ротора hj (обеспечивается выбором толщины ПМ ротора) обратно пропорциональна максимальному значению магнитной индукции в ярме ротора.

Ограничения на листы статора обусловлены технологией их изготовления и свойствами материала статора. Магнитная индукция в зубце статора, в ярме статора и ротора не должна быть выше магнитной индукции насыщения для соответствующих участков МС ЭМ. Ограничения на толщину ПМ обусловлены технологией их изготовления (невозможностью обеспечить параметры ПМ при слишком малом объеме), а также низкой механической прочностью материала ПМ.

Ограничение минимальной высоты шлица паза статора обусловлено технологией изготовления листов статора, механической прочностью материала листов и стандартами для специальных изделий, а также возможностями имеющегося в наличие оборудования для изготовления листов. Для макетов и опытных образцов при проведении НИР или ОКР листы статора обычно изготавливаются на электроэрозионной или лазерной установке. Для серийных ЭМ листы статора и ротора изготавливаются штамповкой. В нашем случае мы будем руководствоваться требованиями, соответствующими для лазерной установки.

Третий шаг - определение выходных параметров. Выходные параметры определяются по ТЗ. Они характеризуют качественные показатели ЭМ. К ним относятся рабочие характеристики в установившемся режиме, масса и объем активной части ЭМ, динамические показатели ЭД как отдельно, так и в составе объекта применения.

При постановке задачи оптимизации важно правильно выбрать критерии оптимальности, чтобы обеспечить максимальную эффективность новой разработки. Одним из главных условий проектирования ВДПТ для СП является получение минимальной массы и габаритов. Поскольку увеличение массы и габаритов ЭП, являющегося вспомогательным оборудованием, снижает массу и объем полезного груза, что негативно сказывается на качествах объекта применения. В то же самое время снижение массы ограничивает максимальные энергетические показатели ЭП. Это в свою очередь ведет к большей потребляемой мощности ЭП, что приводит к необходимости иметь более мощную систему электроснабжения. Система электроснабжения объекта имеет сильные ограничения по массе, срокам службы и отдаваемой мощности, также являясь вспомогательным оборудованием. Увеличение ее мощности и ресурса также достигается увеличением ее габаритов и массы, что также в свою очередь приводит к уменьшению массы и объема полезного груза. Вследствие этого масса и габариты ЭМ и ЭП должны быть связаны с их энергетическими показателями. ЭП на объекте выполняет определенные функции. В нашем случае для проверки соответствия показателей ЭП показателям объекта в ТЗ регламентируются такие показатели как АФЧХ, с помощью которых наиболее удобно оценить реальное быстродействие всего объекта. АФЧХ ЭП определяются динамическими показателями ЭД, который является рабочим органом ЭП.

Энергетические, динамические и массогабаритные показатели ЭП и ЭД тесно связаны между собой, улучшение одних может привести к ухудшению других. Таким образом, ЭД и ЭП должен иметь оптимальное соотношение между энергетическими, массо-габаритными и динамическими показателями.

Решение оптимизационной задачи с помощью методов нелинейного программирования или с помощью генетического алгоритма

Увеличение числа индивидов для следующей генерации с 10 до 40 при прочих равных либо не изменяет значение интегральной функции цели (варианты 88-89, 91-92, соответствующие настройкам числа генераций, варианты 93-96, соответствующие настройкам числа детей и родителей, варианты 98-100, соответствующие настройкам числа детей), либо увеличивает значение интегральной функции цели (вариант 103, соответствующий настройкам числа родителей, детей и оператору инициализации, варианты 105-107, соответствующие настройкам числа детей, родителей и оператора инициализации, варианты 110-112, соответствующие настройкам числа генераций, числа родителей, числа детей и оператора инициализации), либо уменьшает (вариант 102, соответствующий настройкам числа родителей, детей и оператора инициализации, вариант 109, соответствующие настройкам числа генераций, числа родителей, числа детей и оператора инициализации). Если значение числа индивидов уменьшается с 10 до 5, значение интегральной функции увеличивается (вариант 90, соответствующие настройкам числа генераций, вариант расчетов 104, соответствующий настройкам числа детей, родителей и оператора инициализации), либо уменьшается (вариант 101, соответствующий настройкам числа родителей, детей и оператора инициализации, вариант 87, соответствующие настройкам числа генераций, вариант 97, соответствующие настройкам числа детей, вариант 108, соответствующий настройкам числа детей, родителей, оператора инициализации и числа генераций).

Настройка числа индивидов выбранных для следующей генерации при одновременном изменении оптимума по Парето - варианты расчетов 113-128 (Приложение Е)

Исследование влияния числа индивидов одновременно с оптимумом по Парето на функцию цели проводилось на базе вариантов расчетов: 10 (второй этап - настройка числа генераций), 17 (второй этап - настройка числа детей), (второй этап - настройка числа родителей), 28 (третий этап - одновременная настройка числа родителей и детей), 32 (второй этап - настройка оператора инициализации), 40 (третий этап - одновременная настройка оператора инициализации и числа родителей), 43 (третий этап - одновременная настройка оператора инициализации и числа детей), 51 (четвертый этап - одновременная настройка числа родителей, оператора инициализации и числа детей). В ходе исследования число индивидов для следующей генерации и оптимум по Парето изменялись одновременно от 20 до 30 для каждого варианта настроек ГА (со 2 этапа по 5 этап), рассмотренного выше. Как показывают расчеты, данный тип настроек либо не изменяет значение функции цели (варианты расчетов 113-114, соответствующие настройке числа генераций, 115-116, соответствующие настройке числа детей, 121-122, соответствующие настройке оператора инициализации, 123, соответствующий настройке числа родителей и оператора инициализации, 125-126, соответствующие настройке оператора инициализации и числа детей), либо увеличивает ее значение (варианты расчетов 119-120, соответствующие настройке числа родителей и детей, 124, соответствующий настройке числа родителей и оператора инициализации, 127-128, соответствующий настройке числа родителей, детей и оператора инициализации), т.е. не улучшает. Лишь в одном случае предложенный вариант настройки улучшает значение интегральной функции цели (вариант расчетов 117-118, соответствующий настройке числа родителей).

Восьмой этап Настройка оператора кроссинговера - варианты расчетов 129-146 (изменение силы поиска кроссинговера М(и)), 147-162 (введение переменной вероятности обмена) (Приложение Е) Исследование влияния оператора кроссинговера на функцию цели проводилось на базе вариантов расчетов: 10 (второй этап - настройка числа генераций), 17 (второй этап - настройка числа детей), 22 (второй этап -настройка числа родителей), 28 (третий этап - одновременная настройка числа родителей и детей), 32 (второй этап - настройка оператора инициализации), 40 (третий этап - одновременная настройка оператора инициализации и числа родителей), 43 (третий этап - одновременная настройка оператора инициализации и числа детей), 51 (четвертый этап - одновременная настройка числа родителей, оператора инициализации и числа детей), 52 (пятый этап -одновременная настройка числа генераций (поколений) числа родителей, оператора инициализации и числа детей). В ходе данного исследования в вариантах расчетов 129-146 изменялась сила поиска от 5 до 30. Базовое значение силы поиска 5. В вариантах 147-162 была введена характеристика кроссинговера - переменная вероятность обмена. Как показали исследования, при увеличении силы поиска значение интегральной функции цели уменьшается в вариантах 129-130 (соответствуют настройке числа генераций) -оптимальное значение силы поиска 15, 131 (соответствует настройке числа детей) - оптимальное значение силы поиска 15, 133-134 (соответствует настройке числа родителей) - оптимальное значение силы поиска 15, 145-146 (соответствует настройке количества генераций, числа родителей, детей и оператора инициализации) - оптимальное значение силы поиска 30. При увеличении силы поиска, значение интегральной функции цели увеличивается в вариантах 132 (соответствует настройке числа детей), 135-136 (соответствует настройке числа родителей и числа детей), 137-138 (соответствует настройке оператора инициализации), 139-140 (соответствует настройке оператора инициализации и числа родителей), 141-142 (соответствует настройке оператора инициализации и числа детей), 143-144 (соответствует настройке числа родителей, детей и оператора инициализации), т.е. во всех этих вариантах оптимальное значение силы поиска 5. В вариантах расчетов 147-154 была введена характеристика кроссинговера - переменная вероятность обмена. Как показали исследования, введение данной характеристики привело к увеличению значения функции цели во всех вариантах с учетом оптимального выбора силы поиска, кроме 151 (соответствует настройке оператора инициализации),!52 (соответствуют настройке оператора инициализации и числа родителей) и 153 (соответствует настройке оператора инициализации и числа детей), где значение интегральной функции цели уменьшилось.

В вариантах со 155-162 двоичный имитирующий оператор кроссинговера был заменен на двухточечный оператор. Как показали исследования, в вариантах расчетов 155-162 значение функции цели увеличилось по сравнению с вариантами с оптимально выбранным значением силы поиска.

Настройка ГА без оператора кроссинговера - варианты расчетов 163-183 (Приложение Е)

Исследование влияния оператора кроссинговера на функцию цели проводилось на базе вариантов расчетов 10 (второй этап - настройка числа генераций), 51 (четвертый этап - одновременная настройка числа родителей оператора инициализации и числа детей), 52 (пятый этап - одновременная настройка числа генераций, числа родителей, оператора инициализации и числа детей), 28 (одновременная настройка числа родителей и числа детей). Как показали исследования, при отсутствии оператора кроссинговера значение интегральной функции цели увеличивается во всех случаях. В ходе данного исследования для достижения необходимых значений интегральной функции цели изменялись настройки оператора мутаций, в частности изменялось стандартное отклонение от 0,01 до 0,15 во всех вариантах расчетов, а также вводилась равномерная вероятность мутации (варианты расчетов 167, 168, 172, 173, 177, 178, 182, 183). Однако, настройка ГА без оператора кроссинговера не позволяет достичь значений интегральной функции цели сравнимых с вариантами, в которых оператор кроссинговера используется.

Имитационное моделирование вентильного электродвигателя в составе специального электропривода

В современных условиях, когда на расчеты, проектирование, изготовление и весь комплекс испытаний изделия отводится очень малое количество времени, необходим особый подход к проектированию изделий.

Этот подход включает в себя методы оптимального проектирования, под которыми понимаются не только методы расчетов и оптимизации конструкции, но также методы численного моделирования физических полей, методы структурного моделирования, методы имитационного моделирования. Разумное использование всех этих методов позволяет правильно определять соотношения между габаритами, массой, энергетическими и динамическими показателями изделия. При этом использование современного ПО для расчетов и моделирования различных физических процессов обеспечивает высокую скорость и точность расчета, позволяет выполнять моделирование отдельных частей и всего объекта, что в свою очередь позволяет максимально приблизить модель объекта к реальному объекту и уже на этапе расчетов и моделирования получить необходимые показатели, отработать методику настройки и управления изделия, произвести его отладку без изготовления большого количества вариантов макетных образцов.

Также под оптимальным проектированием понимается использование современного программного комплекса, позволяющего создавать твердотельные ЗБ-модели изделий, а также программного комплекса для создания и хранения структуры изделия, а также технологического обеспечения производственного процесса. Использование первого из них позволяет проверить, например, собираемость изделия виртуально, что приводит к исключению ситуаций, например, с не собираемостью изделия по каким-либо причинам (например, при плохом сочетании допусков), использование второго позволяет автоматизировать процесс согласования конструкторской и технологической документации.

В результате, применение всего вышеперечисленного ПО позволяет автоматизировать процесс проектирования, что в свою очередь сокращает сроки, но при этом повышает качество изделия. С использованием вышеперечисленных программных комплексов спроектированы исследуемые образцы ВД и СП.

Энергетические и массогабаритные показатели исследуемых ВДПТ

На ОАО «ЛЕПСЕ» при непосредственном участии автора ведутся НИР и ОКР по созданию ВДПТ для СП, в частности, разрабатывались ВД на полезные мощности от 10 до 5000 Вт для различных СП. отличие от аналога, ДБУ44 разработан с использованием методик оптимального проектирования, современного ПО и рекомендаций, приведенных в данной диссертации. Он представляет собой ВДПТ с сегментными ПМ из РЗМ (самарий-кобальт) на роторе четырехполюсной радиальной конструкции, со статором традиционной пазовой конструкции, с трехфазной обмоткой на статоре соединенной в звезду с общей точкой и с ДПР, имеющим свою собственную МС, а также с чувствительными элементами Холла. ДБУ44 имеет безкорпусное исполнение и входит в состав СП.

Также в состав СП входит планетарный редуктор, шарико-винтовая пара и система управления и регулирования, основными элементами которой являются силовая часть (инвертор на полупроводниковых ключах - IGBT), источник питания на 54 В и 27 В, микроконтроллер с программным обеспечением.

Вид расчета синтез Номинальные параметры электродвигателя в установившемся режиме Номинальное напряжение сети питания, В 54 54 превосходит практически по всем показателям ДВ40. Для проверки результатов расчета на ОАО «ЛЕПСЕ» был изготовлен макет ДБУ44 и проведены его испытания, в ходе которых снимались естественные характеристики данного электродвигателя в установившемся режиме с использованием стандартной схемы управления на базе испытательного стенда. Как видно из нижеприведенной таблицы расчетные данные соответствуют данным эксперимента с высокой точностью. Как показывают многочисленные расчеты использование ПО представленного в главе 3 позволяет достигать процент ошибки в пределах 2-12%. В таблице 4.2 представлены экспериментальные и расчетные рабочие характеристики ДБУ44 в установившемся режиме.

В ВДПТ для СП важнейшими являются динамические показатели, которые определяются длительностью протекания переходных процессов. На реальных объектах спецтехники динамические режимы работы являются основными режимами.

В СП динамические режимы работы характеризуются АФЧХ. Пригодность по динамическим показателям ВДПТ к применению его в СП проверяется с помощью исследования этих характеристик, при этом ВДПТ исследуется в составе СП. Необходимо также отметить, что во многом динамика СП зависит и от выбранной схемы управления ЭД. При этом с различными схемами управления рассматриваемый ЭД работает по-разному. В данном случае экспериментально и по рекомендациям предыдущих глав выбрана наиболее оптимальная схема управления с точки зрения обеспечения динамических показателей.

Для подтверждения расчетных данных, полученных в главе 3 на ОАО «ЛЕПСЕ» были проведены исследования макета ВДПТ ДБУ44, разработанного с использованием методик оптимального проектирования и с применением программного обеспечения ANSYS и Solid Edge.

В таблице 4.3 показаны осциллограммы перемещения штока СП по синусоидальному закону относительно среднего положения. СН1 (оранжевый)- ток от источника 54 В; СН2 (голубой) - напряжение на силовом источнике; СНЗ (фиолетовый) - напряжение на резисторе положения штока; СН4 (зеленый) - напряжение задания положения.