Введение к работе
Актуальность темы. Благодаря высоким технико-экономическим показателям, надежности, увеличению производства и снижению стоимости высококоэрцитивных магнитов магнитоэлектрические машины находят широкое применение во многих отраслях народного хозяйства. Среди прочих можно отметить авиа-, ракето- и автомобилестроение, нефтегазовый комплекс и ветроэнергетику. Под магнитоэлектрической машиной понимается электрическая машина постоянного или переменного тока, в которой магнитный поток возбуждения создается постоянными магнитами (ПМ) (вращающимися или неподвижными). Примерами таких машин являются тяговые двигатели, стартер-генераторы, двигатели устройств автоматики и др.
В нашей стране в теорию и практику магнитоэлектрических машин большой вклад внесли А.А. Афанасьев, В.А. Балагуров, А.И. Бертинов, Д.А. Бут, Ф.Ф. Галтеев, А.А. Дубенский, Ю.Б. Казаков, А.Н. Ларионов, В.К. Лозенко, И.Е. Овчинников, И.Л. Осин, А.Ф. Шевченко и др. Результатом активного исследования этих машин явилась разработка и введение в эксплуатацию большого числа различных типоисполнений, различающихся положением ПМ на роторе, явнополюс-ностью (или ее отсутствием), положением ротора относительно статора, а также типом обмотки якоря. В настоящее время широко применяются магнитоэлектрические машины с ПМ на поверхности ротора (без полюсных наконечников) и зуб-цовой обмоткой якоря, обладающие рядом преимуществ по сравнению с другими вариантами. Благодаря простоте конструкции обмотки и креплению ПМ на роторе удается существенно упростить технологию изготовления и снизить стоимость производства. Такие машины имеют более высокие электромагнитные нагрузки, низкие пульсации момента и др.
Показатели качества магнитоэлектрических машин в значительной степени зависят от оптимальности их конструкции и режимов работы. В случае современного регулируемого привода очевидна актуальность оптимизации машины для работы во всем диапазоне мощностей и частот вращения. Использование ПМ в качестве источника поля возбуждения затрудняет регулирование напряжения и мощности при изменении частоты вращения. Такие машины, работая в составе частотно-регулируемого привода, требуют применения специальных алгоритмов управления, например, векторного, специальной формы питающего напряжения и др. Кроме того, известна сложность электромагнитного расчета магнитоэлектрических машин с ПМ на поверхности ротора и зубцовой обмоткой статора. Проблема расчета таких машин состоит в сложном характере поля в воздушном зазо-
ре от ПМ и реакции якоря из-за больших высших, а в некоторых случаях и низших гармоник магнитной индукции. Все это оказывает существенное влияние на принципы проектирования этих машин.
При использовании эффективных методов проектирования удается получить высокие показатели качества. В настоящее время все большее внимание уделяется этому вопросу. В России значительный вклад в развитие теории и практики этого типа машин принадлежит кафедре электромеханики Новосибирского электротехнического института. Теория зубцовых обмоток развита в работах кафедры электромеханики Московского энергетического института. Несмотря на значительные успехи, достигнутые в направлении развития методов исследования, как в нашей стране, так и за рубежом, сохраняется актуальность совершенствования методов расчета и оптимизации магнитоэлектрических машин этого типа. Существующие инженерные методики расчета таких машин не обладают достаточной точностью, а численные методы, такие как метод конечных элементов (МКЭ), требуют значительных временных затрат.
Диссертация посвящена разработке метода расчета и оптимизации магнитоэлектрических машин с ПМ на поверхности ротора и зубцовой обмоткой якоря, отвечающего таким достаточно противоречивым требованиям, как скорость счета и точность результатов.
Целью диссертационной работы является создание метода расчета магнитоэлектрических машин с ПМ на поверхности ротора (без полюсных наконечников) и зубцовой обмоткой на статоре, позволяющей проводить многовариантные расчеты за короткое время при сохранении высокой точности.
Задачи исследования:
Разработать метод электромагнитного расчета на основе магнитных и электрических схем замещения.
Разработать методику и программное обеспечение для оптимизации тягового двигателя гибридного привода грузового автомобиля.
Найти оптимальное сочетание параметров магнитоэлектрических машин для эффективной работы в режиме ослабления поля.
Методы решения поставленных задач. Использованы аналитические и численные методы анализа электромагнитного поля электрических машин в установившихся режимах работы. В работе также используются тепловые расчеты стационарных режимов на основе схем замещения. Для электромагнитного расчета применяется метод зубцовых контуров (МЗК). Параметры схемы замещения определяются из расчета магнитного поля по МКЭ. Для сокращения числа обращений к расчету поля используется метод планирования эксперимента (МПЭ).
Алгоритм оптимизации двигателя реализован в программе MS Excel и запрограммирован на языке VBA. Поверочные расчеты тягового двигателя выполняются с помощью МКЭ. Для этого используется программа ANSYS/Multiphysics 8.1. Научная новизна работы:
Разработаны метод расчета и модифицированная схема замещения магнитоэлектрической машины на основе МЗК. Предлагаемый вариант схемы замещения содержит минимум ветвей для моделирования поля ПМ. В результате сокращения числа ветвей, а также использования передаточных функций для расчета поля ПМ удается существенно уменьшить время расчета машины по МЗК.
Теоретически обоснован способ формирования схемы замещения и расчета ее параметров.
Разработана методика оптимизации тягового двигателя автомобиля. Исследовано влияние насыщения на параметры двигателя и проведена коррекция используемой при оптимизации модели двигателя. Создана программа для оптимизации двигателя, позволяющая быстро (около 15 с) находить оптимальные варианты машины с различными сочетаниями чисел пар полюсов и зубцов статора.
С помощью численного эксперимента подтверждена эффективность применения разработанной методики для расчета и оптимизации магнитоэлектрических машин с ПМ на поверхности ротора.
Достоверность результатов, полученных с помощью разработанной методики, обусловлена использованием проведенного автором диссертации обоснования методов расчета и оптимизации магнитоэлектрических машин с ПМ на поверхности ротора и подтверждена путем сопоставления с результатами численного эксперимента, а также сравнения с экспериментальными данными, известными из литературы.
Практическая значимость:
Разработана методика расчета и оптимизации магнитоэлектрических машин с радиальными ПМ на поверхности ротора без полюсных наконечников.
Создана программа расчета и оптимизации тяговых электрических двигателей, реализованная в среде MS Excel.
Разработанная методика и программы могут быть использованы для расчета и оптимизации магнитоэлектрических машин с радиальными ПМ на поверхности ротора, применяющихся не только для тяговых приводов, но и для машин общего применения.
Реализация и внедрение результатов работы._Результаты исследований и полученные рекомендации использованы при создании нового привода гибридного грузового автомобиля компании Gemco Mobile Systems (Гемко Мобайл Сие-
теме) (г. Эйндховен, Нидерланды). По разработанной автором методике был выполнен проект тягового магнитоэлектрического двигателя привода колеса развозного грузового автомобиля по техническим требованиям компании.
Личный вклад автора. Разработка модифицированной схемы замещения магнитоэлектрических машин по МЗК и создание программного обеспечения: постановка задачи, разработка методов расчета параметров схемы замещения и применение методики расчета и программного обеспечения для проектирования тягового двигателя грузового автомобиля. Выполнение всех приведенных в диссертации расчетов и анализ полученных результатов. Проведение эскизного проектирования тягового двигателя.
Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались к обсуждались на следующих конференциях:
11th International Conference on Electrical Machines and Systems. October 17-20,2008. Wuhan, China.
IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference VPPC'08. September 3-5, 2008. Harbin, China.
На международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» г. Москва, МКРЭЭ-2008.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ: из них 1 статья в рекомендованном ВАК журнале, 1 краткий тезис и 3 полных тезисов докладов в сборниках трудов международных научных конференций.
Основные положения, выносимые на защиту:
Способ формирования схемы замещения магнитоэлектрической машины с ПМ на поверхности ротора.
Метод расчета потоков зубцовых контуров от поля ПМ.
Алгоритм оптимизации конструкции и рабочих режимов тягового двигателя грузового автомобиля.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 99 наименований. Основная часть работы изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков и 12 таблиц. Приложения изложены на 23 страницах машинописного текста.
