Введение к работе
Актуальность темы исследования. Бесконтактные двигатели (БД) с возбуждением от постоянных магнитов (ПМ) нашли применение в тех отраслях промышленности, где есть необходимость в обеспечении возможно больших удельных энергетических показателей, работы в старт - стопных и реверсных режимах в условиях высокой кратности момента нагрузки, значительном ресурсе работы. В приводах станков, манипуляторов промышленных роботов, для управления движением исполнительных механизмов автотранспортных средств, в авиации, ракетной технике и в целом ряде производственных механизмов и технологических процессов широко применяют следящие приводы на основе БДПМ.
Главным преимуществом БДПМ по сравнению с другими типами двигателей является высокие удельные энергетические показатели, жёсткость механической характеристики, устойчивость работы в широком диапазоне изменения момента нагрузки, высокое быстродействие и большой ресурс работы.
Широкое распространение БДПМ связано с ростом достижений в области разработки силовых полупроводниковых элементов и микропроцессорной техники и успехами развития технологий производства энергоёмких магнитов на основе редкоземельных материалов (РЗМ): Ni-Fe-B (неодим - железо - бор), Sm-Co (самарий - кобальт). В последние годы применение магнитов, получаемых путём прессования позволило существенно снизить их себестоимость. Современные магниты на основе РЗМ отличаются высокой устойчивостью к температуре (до 240 С). Таким образом, в настоящее время появилась возможность конструирования более эффективных магнитных цепей БДПМ.
Первоочередными задачами исследования БДПМ является совершенствование имеющихся и разработка новых эффективных конструкций их магнитных систем и дальнейшее развитие методики электромагнитного расчёта.
Повышение динамических показателей БДПМ возможно за счет применения целого ряда конструктивных модификаций ротора при условии обеспе-
чения рациональных соотношений между геометрическими размерами их активных областей.
Все изложенное определяет значительный практический и научный интерес к БДПМ и актуальность исследований, связанных с разработкой машин с повышенным быстродействием и высокими ресурсными показателями.
Диссертационная работа выполнялась в рамках одного из основных научных направлений ФГБОУ ВПО ВГТУ: "Вычислительные системы и программно-аппаратные электротехнические комплексы", утверждённого приказом ректора № 149-18.00-1 от 07.03.2008 г.
Цель и задачи работы.
Целью диссертации является разработка и исследование БДПМ с высоким быстродействием. Для достижения указанной цели в диссертации решались следующие задачи:
выполнен аналитический обзор современного состояния теории в области проектирования БДПМ;
получен критерий оптимизации БДПМ, направленный на нахождение оптимального варианта конструкции с высоким быстродействием;
разработана методика электромагнитного расчета БДПМ, сочетающая аналитический подход, позволяющий определить интервалы рациональных значений входных параметров на основе полученного критерия оптимизации, и численный расчёт электромагнитного поля методом конечных элементов;
проведено исследование влияния основных конструктивных размеров активных областей двигателя и обмоточных данных на быстродействие и кратность пускового момента;
проведено численное моделирование электромагнитных процессов и выполнен анализ его результатов;
изготовлены опытные образцы БДПМ и проведены экспериментальные исследования, на основании анализа результатов которых дана оценка правильности основных теоретических положений работы.
Методы исследования. При решении поставленных задач в диссертационной работе использовались методы теории цепей и теории электромагнитного поля, также применялся метод конечных элементов. При решении вычислительных задач использовались пакеты программ ANSYS, MathCad. Экспериментальные исследования проводились на специально разработанном стенде по используемым на производстве методикам.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
-
Разработана методика электромагнитного расчета, отличающаяся от известных сочетанием аналитического подхода с численным расчётом электромагнитного поля методом конечных элементов, позволяющая определить интервалы рациональных значений входных параметров БДПМ на основе редкоземельных материалов в интервале мощности до 1 кВт.
-
Получены новые конечно-элементные модели БДПМ, для которых определены граничные условия и типы конечных элементов. На основе данных моделей выполнен электромагнитный расчёт и получены характеристики различных конструкций БДПМ.
-
Определено базовое соотношение между шириной зубца и полюсным делением БДПМ, позволяющее улучшить распределение электромагнитного поля в рабочем зазоре и тем самым повысить электромагнитный момент.
-
На основе преобразования выражения для момента БДПМ в функции магнитного потока, частоты тока статора и конструктивных параметров получен критерий оптимизации, отличающийся от известных направленностью на нахождение оптимального варианта конструкции с высоким быстродействием.
Практическая значимость работы.
Разработаны опытные образцы БДПМ обладающие рядом высоких технико-эксплуатационных параметров. Создана экспериментальная установка для испытаний БДПМ малой мощности.
На основе анализа экспериментальных и расчетных данных разработаны рекомендации по проектированию БДПМ на основе редкоземельных материалов в интервале мощности до 1 кВт, предложенные в виде интервалов электро-
магнитных нагрузок (aJ, аА, aBs) и соотношений между конструктивными параметрами, выбираемыми на начальной стадии расчёта (5/hM, bn/x, пм/Пя2, пя1/1іп,
т/La).
На основе практики выполнения расчётов при помощи численных моделей дана оценка точности получаемых результатов.
Разработанная методика электромагнитного расчёта, созданные конечно-элементные модели, полученные соотношения и рекомендации позволили сократить срок проектирования БД 40 и затраты на изготовление опытных образцов.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
Методика электромагнитного расчёта и критерий оптимизации БДПМ.
-
Конечно-элементные модели и базовое соотношение между зубцовым и полюсным делением БДПМ.
-
Результаты численного моделирования электромагнитных процессов ряда конструкций БДПМ.
-
Результаты экспериментальных исследований.
5. Рекомендации по проектированию БДПМ.
Реализация результатов работы.
Результаты работы использованы при разработке БДПМ для электропривода центрифуги в ООО «МЭЛ» и внедрены в учебный процесс на кафедре электроэнергетики НОУ ВПО "Международный институт компьютерных технологий". Внедрение результатов диссертации подтверждено соответствующими актами.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
- на конференции студентов и молодых ученых "Вычислительные маши
ны, автоматика и робототехника" (ФГБОУ ВПО «ВГТУ», г. Воронеж, 2007 г.);
- на всероссийской студенческой научно-технической конференции
"Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники. Инженерные
идеи XXI века" (ФГБОУ ВПО «ВГТУ», г. Воронеж, 2007 г., 2009 г.);
на конференции "Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве" (ФГБОУ ВПО «ВГТУ», г. Воронеж, 2009 г.);
на научных семинарах кафедры "Робототехнические системы" Воронежского государственного технического университета.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 5 в списке изданий, рекомендованном ВАК РФ.
В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателем проведён анализ литературных источников, сформулированы цель и задачи исследований [6-8], получены аналитические выражения, проведены и обработаны результаты расчётов [1, 5, 9, 10, 14], выполнен анализ результатов электромагнитного расчета [2, 3, 11], выполнен анализ различных конструктивных вариантов двигателя [12, 4], исследована возможность применения вероятностно - статистического подхода к оценке применения критериев оптимизации [13].
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, 6 приложений, списка литературы, включающего 118 наименований. Работа изложена на 138 страницах, содержит 76 рисунков и 12 таблиц.
