Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности конструкции, компоновки и режимов работы электродвигателей в мотор-колесной трансмиссии легкового электромобиля 18
1.1. Компоновочные схемы электротрансмиссий легковых электромобилей 18
1.2. Особенности конструкции и режимов работы мотор- -колес 21
1.2.1. Конструкции мотор-колес 21
1.2.2. Режим работы электродвигателей мотор--колес легковых электромобилей 25
1.3. Выбор электродвигателя для мотор-колес легкового электромобиля 28
1.3.1. Конструкция торцевых асинхронных электро двигателей с активным распределенным слоем статора 33
2. Условно-нелинейная математическая модель электромагнитного состояния ТАД 44
2.1.0 методе моделирования 44
2.2. Расчет электромагнитного поля в активном объеме ТАД 47
2.3. Преобразование Е-Н схемы в электрическую схему замещения 64
2.4. Алгоритм расчета эквивалентной С/-Г нелинейнойсхемы замещения 68
2.4.1. Построение вольт-амперной и фазоамперной характеристик й-І сопротивлений ярма статора (ротора) 69
2.4.2. Вольт-амперные и фазоамперные характеристики зубцовой зоны статора 71
2.4.3. Вольт-амперные и фазоамперные характеристики зубцовой зоны ротора 73
2.4.4. Вольт-амперные и фазоамперные характеристики расчетного рабочего воздушного зазора 74
3. Эквивалентные параметры схемы замещения насыщаемого магнитопровода с двухмерной магнитной неоднородностью и изотропного немагнитного зазора 77
3.1. Аналитическое исследование магнитного поля в зубцовой зоне статора и воздушном зазоре 77
3.1.1. Постановка задачи и расчетная модель 77
3.1.2. Расчет магнитного поля в зубцово-пазовой зоне статора и воздушном зазоре 80
3.2. Эквивалентные параметры воздушного зазора и зубцовой зоны статора с учетом насыщения 90
3.2.1. Эквивалентный воздушный зазор 90
3.2.2. Эквивалентные параметры зубцовой зоны статора 94
3.3. Физическое моделирование торцевого асинхронного электродвигателя 96
3.3.1. Физическое моделирование насыщаемого магнитопровода с двухмерной магнитной
неоднородностью 99
4. Алгоритм и результаты электромагнитных расчетов на эвм тад для электротрансмиссии легкового электромобиля 110
4.1. Метод исследования ТАД на ЭВМ 110
4.2. Вводимые параметры и применяемые ограничения 111
4.2.1. Варьируемые величины 111
4.2.2. Постоянные величины 112
4.2.3. Ограничения 113
4.3. Критерии оптимизации 116
4.4. Алгоритм расчета ТАД на ЭВМ 117
4.5. Особенности оптимизационного расчета встроенного ТАД для электромобиля "Жигули" 123
4.5.1. Постановка задачи 123
4.5.2. Расчет ТАД на ЭВМ 124
Заключение 148
Литература 150
Приложение I
- Особенности конструкции и режимов работы мотор- -колес
- Расчет электромагнитного поля в активном объеме ТАД
- Эквивалентные параметры воздушного зазора и зубцовой зоны статора с учетом насыщения
- Вводимые параметры и применяемые ограничения
Введение к работе
Актуальность работы.
Проблема электромобиля насчитывает почти 100-летнюю историю. В наиболее развитых странах она приобрела государственное значе -ние и решается в рамках национальных программ.
Первые электромобили появились в 1881 году [ 12 J , когда на -чался период промышленного освоения первых свинцово-кислотных аккумуляторов, в последующие годы вьгауск электромобилей продолжался, однако примерно к 1920 году автомобиль с двигателем внутреннего сгорания окончательно вытеснил электромобиль.
Одной из причин, вызвавших падение интереса и служащей пре -пятствием к широкому распространению электромобилей вплоть до последнего времени, является отсутствие энергоемких источников питания. Разработанный на заре электромобилестроения свинцово--кислотный аккумулятор и поныне является единственным реальным (по стоимостным характеристикам) источником энергии для электромобилей, хотя его показатели по современным требованиям нельзя считать приемлемыми. Это привело к тому, что во всех наиболее развитых странах мира ведутся интенсивные работы по усовершенствованию свинцово-кислотных аккумуляторов, в результате чего современные аккумуляторные батареи этого типа уже имеют удельную энергоемкость до 40 Вт/кГ и средний срок службы 700 циклов. В последнее время большие усилия исследователей сосредоточены на новых типах аккумуляторов, основными из которых считаются никель--цинковые, никель-железные, хлорцинковые, натриево-серные, никель-кадмиевые, серебряно-цинковые, литий-хлорные, литий-водные, литий-серные.
Их характеристики приведены в табл.В-I.
Наиболее перспективные из них по характеристикам - (натрий--серные батареи) достаточно дорогие. Если удасться довести их срок службы до 2000 циклов, то стоимость таких батарей станет соизмеримой со стоимостью свинцово-кислотных аккумуляторов [ 78J . В последнее время появились сообщения о создании фирмой djiilj and lustiin Sfidmtius feij цинкхлорной батареи, применение которой может сделать широкое внедрение электромобиля делом ближайшего будущего. Экспериментальная установка с этими батареями проработала 1400 циклов (заряд-разряд) и обеспечивает запас хода электромобиля около 330 км.
Имеются сведения о разработке улучшенных аккумуляторных батарей «EPIC » которые,несмотря на повышенную стоимость (на 12 %),экономят около 35 % суммарных расходов на их приобретение и эксплуатацию [87 J . Несмотря на достижения в разработке новых типов аккумуляторов,их высокая стоимость и недостаточная надежность еще не позволяет применять их в электромобилестроении. Основное место остается пока за свинцово-кислотным аккумулятором.
К началу 70-х годов в мире насчитывалось около миллиона электромобилей, причем, в основном, они использовались в сфере коммунального обслуживания крупных городов, почтовых ведомств, железнодорожных станций и аэропортов, больничных комплексов - это микроэлектробусы, фургоны, пикапы и прочие специальные машины. Эти электромобили имели неболыцую максимальную скорость (30 35 км/час) и ограниченный запас хода (60-65 км) [ 79] » а работы по их созданию носили, в основном, рекламный характер.
Стремительный рост мирового автомобильного парка (в среднем на 5 8 % в год) существенно обострил проблему загрязнения атмосферы, особенно в крупных городах. Автомобили (около 300 млн.шт., из них 70 % легковых) теперь выделяют основную долю вредных веществ (около 90 % всего выделяемого углерода, до 10 % углеводородов и почти 100 % соединений свинца) и в сильной степени загряз -няют атмосферу (особенно городов). Например, в Москве за 10 лет (1954-1964 гг.) выделение автомобилями углерода увеличилось в 3 раза [ 80 ] . Проблема борьбы с загрязнением воздуха вредными отработанными газами автомобилей настолько актуальна, что больший -ство высокоразвитых в промышленном отношении стран (СССР, США, Англия, Япония и ряд других) вынуждены были принять законодательные меры, ограничивающие содержание примесей в отработанных газах. Однако мероприятия по выполнению норм токсичности требуют значительных затрат при одновременном ухудшении ряда важнейших эксплуатационных показателей: снижается приемистость на 7 10 %у снижается топливная экономичность, затрудняется запуск машины, а большая сумма затрат по уменьшению токсичности автомобилей существенно увеличивает стоимость самих автомобилей и их эксплуатации.
Известно, что высокий уровень шума автомобилей, особенно в районах перекрестков с интенсивным движением, вызывает необходимость перепланировки маршрутов автомобильных перевозок, как правило, в ущерб их экономичности.
Таким образом, комплекс мероприятий, направленный на уменьшение токсичности выбросов автомобилей, повышения их экономичности и ограничение уровня шумов требует,значительных затрат и приводит к снижению технического уровня автомобилей.
Одним из путей решения задачи очистки городского воздуха является широкомасштабное создание экологически чистого транспорта, а именно легкового и большегрузного электротранспорта [ 17,28 J
Другим импульсом к развитию электромобилестроения в наше время считается повышенный дефицит жидкого топлива и увеличение стоимости нефтепродуктов. Известно, что относительная дешевизна добычи нефти, удобство транспортировки и ее использования привели к тому, что в настоящее время более 40 % потребностей человечества в энергии удовлетворяется за счет нефти, основными потребителями которой (около 37 %) являются автомобили [78 J .
Однако запасы нефти ограничены,и по подсчетам экспертов добыча ее после 2000 года начнет сокращаться и к 2050 году запасы нефти на земном шаре будут практически исчерпаны, в то время как только в США можно экономить ежегодно около III млн.м3 нефти, если 25 % пробега всего автотранспорта сменить на электромобили (Электротехническая промышленность, № 2, 1982 г., с.11-14). Замена же нефти, как основного источника энергии для автомобилей углеводородным топливом, получаемым из угля и сланца, пока не дает ощутимых результатов из-за ухудшения параметров обычных двигателей внутреннего сгорания. Кроме того, стоимость производства спиртов (метанола и этанола) еще высока, а их меньшая теп -лотворная способность требует увеличения емкости баков (для метанола почти в 2 раза, этанола на 50 %), что служит еще одним препятствием применению их в автомобилях. Этим объясняется, что разработка и широкий переход на электрифицированный транспорт стал рассматриваться как реальный путь решения двух проблем -- очистки городского воздуха и снижения уровня потребления жидкого топлива. Поскольку достоинства электромобиля очевидны, проблема их создания имеет международный характер и ее решение ведется по комплексным национальным программам. Например, правительство США санкционировало ускоренную разработку и эксплуата -цию этого вида транспорта под патронажем Министерства энергетики США [75 J .
В СССР проблемам электромобилестроения уделяется особое внимание. Партией и правительством намечены широкие перспективы развития электрифицированного транспорта, в том числе электромобилей малой грузоподъемности.
Уже в текущем пятилетии решениями ХХУІ съезда КПСС намечено "создать конструкции и начать производство малотоннажных грузовых электромобилей с эффективными источниками тока для внутригород -ских перевозок".
В Советском Союзе, как и за рубежом, наибольшее распространение получил малотоннажный электротранспорт, а также большегрузные карьерные электрифицированные самосвалы и автопоезда. Еще в 1952 г. в Ленинграде для перевозки почты использовалось около 10 электромобилей ЛАЗ-НАМИ. В последующие годы интерес к электромобилю снизился [ 17,79J , но уже в 1975 году усовершенствованные образцы электромобилей проехали по Красной площади. Сегодня в Москве на предприятиях Мосавтотранса работает несколько десятков электромобилей, к концу пятилетки их число достигнет четырехсот [ 93 ] . Запас хода этих электромобилей в режиме городского движения около 50 км. Это малотоннажные электромобили, которые производятся на базе серийных моделей заводами УАЗ,ЕРАЗ, РАФ. В основному опытной эксплуатации находятся электромобили Ереванского и Ульяновского завода, а в текущем году ожидается появление электромобилей Волжского Автозавода, опытный образец которого (электромобиль-грузовик) выпущен на базе шасси автомобиля "Жигули". Там же создан образец электромобиля-фургона особо малой грузоподъемности BA3-280I. Электромобиль отличается высо -кими динамическими качествами, простотой в управлении и имеет при постоянной скорости 60 км/час запас хода 122 км (в режиме город -ского движения 95 км).
На очереди появление легкового пассажирского электротранспорта. За рубежом (США, Япония и др.) ведущие автомобильные фирмы приступают к производству небольших легковых пассажирских электромобилей. CklUbltl и bt создали экспериментальный электромобиль
Е Т\[ 1 , предназначенный для серийного производства в середине 80-х годов. Электромобиль ETV-i [94,106-] обладает достаточно высокими эксплуатационными характеристиками (максимальная скорость около 100 км/час и запас хода 115 км) и отвечает всем требованиям безопасности. Аналогичными работами (по созданию легковых электромобилей) занимаются и другие зарубежные фирмы.
В СССР решением проблем разработки легковых электромобилей в настоящее время занят ряд ведущих организаций и ВУЗов страны, в том числе заводы ВАЗ (г.Тольятти), РАФ (г.Рига), УАЗ (г.Ульяновск), НАШ, МАИ, МАДЙ, ВНИИЭМ (г.Москва), ЕРПИ (г.Ереван) и ряд других. Пионером создания мотор-колесных электротрансмиссий переменного тока для легковых электромобилей в СССР является объединение АвтоВАЗ (г.Тольятти).
Использование мотор-колесного варианта в электротрансмиссии легкового электромобиля существенно затруднено, так как с уменьшением единичной мощности двигателя падает использование его активного объема и ухудшаются энергетические характеристики электрической машины. Требуется разработка нетрадиционных конструкций тягового асинхронного электродвигателя, который при работе в системе автономного электропривода с частотно-токовым управлением, помимо удовлетворения жестким компоновочным и массо-габаритным требованиям, должен обладать высокими энергетическими по -казателями и обеспечивать существенные перегрузки по моменту на валу мотор-колеса в пусковых режимах.
Наиболее полно этому комплексу требований удовлетворяет торцевой асинхронный двигатель (ТАД) с повышенным уровнем использо -вания активных обмоточных зон, созданных на основе патентоспособной конструкции статора с активным распределенным слоем.
Исследованию новых торцевых электродвигателей и посвящена настоящая диссертация, которая является самостоятельной частью комплекса НИР, проводимых НЭТИ в содружестве с объединением АвтоВАЗ, по разработке патентоспособной мотор-колесной электротранс -миссии отечественного легкового электромобиля, выполняемых В СО -ответствии с постановлением ГКНТ СССР № 188 от 18.04.74 и по за -данию хх) Минвуза РСФСР.
Целью диссертационной работы является обоснование конструк -ции, разработка элементов теории и создание методики электромаг -нитного расчета по результатам исследования электромагнитного поля в активном объеме ТАД. В настоящее время при исследовании электромагнитного поля в электрических машинах используется два типа объемной аппроксимации ее активных зон.
Первая состоит в замене действительных обмоток, размещенных в пазах статора и ротора, эквивалентными токовыми настилами,расположенными на гладких ферромагнитных поверхностях, образующих воздушный зазор. Такая аппроксимация [33,45,86J позволяет с необходимой точностью определить электромагнитное поле в воздушном зазоре, но не учитывает электромагнитных процессов в ярмах и зуб-цово-пазовых областях электрической машины.
Вторая объемная аппроксимация электрической машины заключа -ется в замене характерных, с точки зрения электромеханического преобразования энергии и конструкции активных зон электрической машины, сплошными средами с усредненными физическими характери -стиками.
Усреднение параметров реальных сруктур электрических машин влияет на распределение полей как в активной зоне машины, так и за ее пределами, однако опыт исследования электромагнитных полей в электрических машинах с распределенными обмоточными структурами [l4,26,27,37,39,40,42,5I,56,58,62,9()J с использованием принципов эквивалентирования показал, что замена конструктивных зон машины ортотропными средами не приводит к заметным ошибкам при определении дифференциальных характеристик электромагнитного поля, но позволяет повысить точность расчета интегральных параметров электрической машины. При большом количестве ортотропных зон, неизбежно получающихся при учете конечной магнитной проницаемости стали маг-нитопровода ( Мcm Ї ос ), необходимо решать громоздкую систему уравнений относительно постоянных интегрирования, входящих в уравнения поля. Полученные соотношения имеют сложный вид,затрудняющий их качественный анализ.
Метод схемной аппроксимации объемов, занятых электромагнит -ным полем [36JE-H схемами замещения, лишен этих недостатков и позволяет получить Е-Н четырехполюсники для любой активной области электрической машины без отыскания постоянных интегрирования. В соответствии с граничными условиями четырехполюсники стыкуются в каскад, образуя цепную Е-Н схему замещения. Последняя дает возможность анализировать электромагнитное поле во всем активном объеме электрической машины.
Аналитическая зависимость параметров Е-Н звеньев от геометрических размеров и характеристик материала активных сред позволяет осуществить многофакторную оптимизацию электрических машин.
При исследовании электромагнитных полей в электрических машинах с помощью ортотропных моделей не учитывались зубчатости ферромагнитных поверхностей, обращенных к воздушному зазору. В торцевых электрических машинах с АРС, кроме зубчатости, образованной ферромагнитными элементами катушечных групп активного слоя,существует конструктивная неоднородность зубцовой зоны статора вдоль координаты о(/ , обусловленная наличием межкатушечного промежутка. Это обстоятельство приводит к существенной магнитной неоднородности зоны вдоль этой координаты, зависящей от величины магнитного потока, меняющегося в широком диапазоне при частотно-токовом управле -нии асинхронной машины. Необходимо решение задачи о распределении электромагнитного поля в локально-неоднородной зубцовой зоне ста -тора и изотропной среде воздушного зазора.
Такие задачи решаются методами, обоснованными и развитыми в ряде работ Г 3,4,24,38,39,46 J . Среди них численные методы, базирующиеся на использовании вычислительной техники, и аналитические.
Численные методы расчета полей в зубцовых зонах электрических машин дают возможность количественной оценки компонент неоднородных полей с учетом магнитного сопротивления стали, но требуют применения мощных вычислительных машин с большой памятью и быстродействием. Для качественного анализа влияния различных факторов на компоненты поля необходим непосредственный диалог с ЭВМ. Среди аналитических методов при соответствующих допущениях наибольшее применение имеют метода разделения переменных и конформных отображений. Последний получил наибольшее развитие в работах Латвийской Академии наук под руководством академика Апсита В.В. [3,4J . В последнее время появились работы, упрощающие, в ряде случаев, исследования полей в локально-неоднородных структурах с помощью метода разделения переменных [38,39, J . В отличии от общепринятого, использующего ряды по гладким собственным функциям,предложенный способ расчета базируется на применении рядов по собственным кусочно-непрерывным функциям. Специальный подбор кусочно-непрерывных функций, обеспечение граничных условий для каждого члена ряда, позволяют снизить порядок системы уравнений для определения постоянных интегрирования. Этот метод и использован автором для уточне-ния интегральной и полевой Е-Н схемы замещения.
В связи с вышеизложенным основные задачи работы заключаются в следующем:
- исследовать электромагнитное поле в активном объеме высоко-используемой торцевой асинхронной машины, встраиваемой в обод колеса легкового электромобиля, с учетом конечной величины магнитной проницаемости стали в цилиндрической системе координат;
- синтезировать полевую цепную Е-Н и If J условно-нелиней -ную электрическую схему замещения ТАД;
- исследовать магнитное поле в локально неоднородной зубцово--пазовой зоне и воздушном зазоре ТАД, как основу для интегральных оценок влияния этой неоднородности на параметры электрической схемы замещения торцевой машины;
- создать алгоритм и методику электромагнитного расчета на ЭВМ высокоиспользуемого ТАД для определения оптимальной геометрии встраиваемого электродвигателя в мотор-колесо электромобиля типа "Жигули".
Научная новизна диссертации, практическая ценность и реализация работы характеризуется следующим образом. Научная новизна.
- На базе уравнений Максвелла для ортотропных осесимметричных зон новой торцевой асинхронной машины впервые синтезирована условно-нелинейная Е-Н схема замещения ее активного объема.
- Создана условно-нелинейная математическая модель и осуществлена адекватная схемная аппроксимация ТАД в квазистационар -ных режимах частотно-токового управления (питания).
- Впервые синтезирована нелинейная электрическая схема замещения тягового ТАД, учитывающая влияние поперечной магнитной неоднородности обмоточных зон статора при высокой степени их насыщения, характерной в режимах разгона электромобиля.
- Разработаны алгоритм и методика электромагнитного расчета тягового ТАД новой конструкции с использованием Э.ВМ. Практическая ценность и реализация работы.
- Показано, что в трансмиссиях легковых электромобилей с асинхронными мотор-колесами по компоновочным, силовым (момент на единицу массы) и энергетическим показателям предпочтителен торцевой асинхронный двигатель с АРС статора и медной коротко замкнутой клеткой ротора.
- Образцы встроенных (рис.4_.7) асинхронных электродвигателей (мощность б кВт, j = 400 Гц, масса активной части 8 кг), спроектированные и изготовленные при непосредственном участии автора, установлены в экспериментальном электромобиле "Жигули".
- Пакет программ, реализованных на базе разработанных алгоритмов и математических моделей, передан на объединение АвтоВАЗ и используется при оптимизационных расчетах на ЭВМ вариантов мотор-колесной электротрансмиссии типа "Жигули".
- Внедрение методики расчета на Волжском автомобильном заводе позволило снизить трудозатраты и получить экономический эф -фект более 613 тыс.руб.
- Работа отмечена дипломом выставки ЦК ВЛКСМ и Минвуза РСФСР "Вузы РСФСР - Сибири".
Основной материал изложен в 4 главах.
В первой главе дан краткий обзор конструкций, анализ особенностей компоновочных схем и силовых элементов транспортных электротрансмиссий. Сформулированы требования и обоснован выбор конструкции электродвигателя мотор-колеса современного легкового эки -пажа.
Вторая глава посвящена исследованию электромагнитного поля в активном объеме ТАД в цилиндрической системе координат при сттоо, созданию математической модели электромагнитного состояния встроенного асинхронного электродвигателя, синтезу цепной по-левой Е-Н и электрической У " I условно-нелинейной схемы замещения.
В третьей главе исследуется влияние локальной неоднородности и магнитных свойств активной зубцово-пазовой зоны статора на параметры схемы замещения ТАД. С использованием кусочно-непрерывных собственных функций решена задача о распределении магнитного поля в области ферронаполненного паза с обмоткой АРС, отделенного от ярма технологическим немагнитным зазором, шихтованного зубца и рабочего воздушного зазора. Определен коэффициент воздушного зазора, учитывающий локальную неоднородность зубцовой зоны, конечную величину паза и магнитную проницаемость стали.
Четвертая глава посвящена разработке алгоритма оптимизационного расчета ТАД на ЭВМ, а также конкретным расчетам встроенного асинхронного электродвигателя для мотор-колеса электромобиля на базе "Жигули" BA3-2I0I. Получены некоторые практические рекомендации по расчету электродвигателей мотор-колес современных легковых электромобилей.
Настоящая работа выполнена на кафедре теоретических основ электротехники Новосибирского электротехнического института (НЭТЙ) и содержит (частично) результаты хоздоговорных работ, ответственным исполнителем которых является автор, начиная с периода сотрудничества (1974-1983 гг.) с Волжским объединением по производству легковых автомобилей (АвтоВАЗ) по созданию патентоспособного асинхронного мотор-колесного электропривода отечественного легкового электромобиля.
Особенности конструкции и режимов работы мотор- -колес
Первые сведения о мотор-колесных электротрансмиссиях отно -сятся к началу XX века. Характерной особенностью ранних мотор--колес является отсутствие в них редуктора, в результате чего они выполнялись тихоходными.
К наиболее совершенным конструкциям мотор-колес такого типа относится конструкция, предложенная русским инженером Балаховским и французом Кером. В 1912 г. на четвертой международной выставке в Петербурге демонстрировался грузовой автомобиль-тягач с элект -ромотор-колесами конструкции Балаховского-Кера [63J. По окончании выставки были проведены испытания тягача, в ходе которых было установлено, что автомобиль с мотор-колесами имеет более высокую проходимость и силу тяги, чем автомобиль с механической трансмиссией. Позднее появились более совершенные конструкции электромо -тор-колес. В частности, электротрансмиссия, созданная Швейцарской фирмой Броун-Бовери [ 67 J, состоит из (рис.1.3) тяговых электродвигателей I, размещенных в трубчатой балке моста 3, наружных щитов 6 и деталей редуктора 4,5,7,8. Главными недостатками ее явля ются большие габариты и вес, открытая для попадания пыли зубчатая передача.
Конструктивное несовершенство первых электротрансмиссий с мотор-колесами было серьезным препятствием для их распространения на транспорте. Однако в последующие годы интерес к мотор--колесной электротрансмиссии не ослабевавши в настоящее время ею широко занимаются как в нашей стране (63,64,65,96,9б](ВНИИЭМ, МАИ, МАДИ, ВНИИСтройдормаш и т.д.), так и за рубежом ("Дженерал электрик", рис.1.4, "Дженерал моторе", "Ле-Турно"; "Берлие") 75,78,79,81]. Достижения последних лет в области электромеханики и перспективы создания в ближайшие годы энергоемких электри -ческих аккумуляторов усиливают потенциальную предпочтительность мотор-колесной электротрансмиссии, в том числе для легковых электромобилей.
Центральное место в мотор-колесной электротрансмиссии занимает комплект электродвигателя с редуктором, встроенный в обод колеса и получивший термин "мотор-колесо". При создании этого комплекта необходимо уменьшение массы и геометрических размеров двигателя, повышение его надежности, улучшение эксплуатационных показателей, обеспечение возможности регулирования скорости в широком диапазоне и высоких перегрузочных способностей при раз -гоне электромобиля и т.д. Многое уже сделано в этом направлении. В частности, повышение использования полезного объема внутри обода колеса в конструкции мотор-колеса фирмы "Балканар" дости -гается путем применения двухроторного электродвигателя. Расширить диапазон регулирования теоретически позволяет применение электродвигателей с катящимся ротором (авт.свид.СССР № 436413) (рис.1.5), а также турботрансформатора (авт.свид.СССР № 156852). Встроенный электродвигатель с полым гибким ротором (рис.1.6) предлагается использовать для повышения быстродействия при разгоне малотоннаж ных транспортных средств, а также решить вопрос стояночного тормоза путем деформации гибкого ротора, если будет решена проблема долговечности последнего.
Развитие преобразовательной техники позволило создать про -мышленные системы частотного управления [64,97J асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором, имеющими меньшую массу, габариты, более высокую надежность по сравнению с электродвига -телями постоянного тока. Мотор-колесный электропривод с асинхронными электрическими машинами уже реализован на транспортных средствах высокой проходимости [96J. Имеется ряд конструктивных решений мотор-колеса с асинхронными электродвигателями, например, в предложении по авт.свидетельству СССР № 500087 (БИ № З, 1976 г.) в качестве силового элемента использован асинхронный электродви -гатель цилиндрического исполнения. Применение торцевых асинхрон -ных электрических машин,естественно,улучшает компоновку и условия работы мотор-колеса.
Распространение мотор-колесного варианта на легковые элект -ромобили встречает существенные трудности, так как с уменьшением единичной мощности электродвигателя снижается использование его активного объема.
С другой стороны ограничения, накладываемые на величину не -подрессоренных масс легкового электромобиля, требуют существенного уменьшения габаритных размеров электродвигателя, что, в свою очередь, сопровождается снижением его удельных энергетических характеристик и входит в противоречие с наличием на борту электро -мобиля источника питания ограниченной мощности. Требование высо -ких энергетических показателей относится ко всем звеньям электро трансмиссии и, главным образом, к встроенным электродвигателям. Движение электромобиля в городских условиях сопровождается час -тьми остановками с последующим разгоном до установившейся (крейсерской) скорости.
При аналитическом исследовании этого движения его обычно проводят применяя полученные экспериментально графики скорости. Зависимости if ( I) при движении электромобиля по городу зависят от его архитектурной планировки и функционального назначения электромобиля (перевозка почты, бытовые услуги населению и т.д.) и должны разрабатываться для каждого города в отдельности с уче -том его особенностей.
В настоящее время на Волжском автозаводе ведутся работы по установлению отечественного графика движения легкового электромобиля. Эти работы еще не закончены и поэтому в настоящее время исследование движения электромобиля по городу проводят с использованием графика j/\[ , полученного для американских городов, и достаточно близко отражающего реальную картину движения электромобиля (рис.1.7).
Наиболее ответственным режимом движения легкового транспортного средства является разгон электромобиля от режима стоянки до установившейся (крейсерской) скорости,соответствующий периоду
. Исследование динамики разгона обычно проводят с использованием его типовой характеристики (рис.1.8), учитывающей предельные величины тока, напряжения и мощности, согласованные с возможностями ограниченного по мощности источника питания. Как следует из рис.1.8 для сокращения времени разгона электромо -биля до скорости, соответствующей длительному движению, требуется его осуществление с максимально возможным моментом на валу двигателя, что при асинхронном приводе возможно только при наличии резерва увеличения рабочего магнитного потока электрической машины
Расчет электромагнитного поля в активном объеме ТАД
Аналитическое исследование поля в ТАД производится на его расчетной модели, полученной путем эквивалентной объемной аппроксимации активных конструктивных зон машины сплошными ортотропны -ми средами с эквивалентными вебер-амперными характеристиками при следующих допущениях: - активный объем ТАД ограничен полым толстостенным цилиндром с внешним 2)$ и внутренним Qi диаметрами (без учета лобовых частей обмотки) и высотой Дг (рис.2.2 а,б), за пределами которого электромагнитное поле отсутствует. - модель и поле считаются двухмерными, осесимметричными ( L =» /?г=о, ь =0). - электрическая проводимость ферромагнитных участков в любой зоне принимается равной нулю, а потери в стали магнитопровода учитываются введением дополнительных интегральных сопротивлений. - каждая конструктивная зона машины заменяется сплошной орто-тропной (или изотропной) средой с эквивалентными электрическими (У ) и магнитными (JC ) характеристиками. - Поверхности раздела зон считаются плоскими, в том числе и поверхности, образующие воздушный рабочий и немагнитный технологические зазоры, а в интегральные соотношения вводятся необходимые поправки. - источником вращающегося с квазипостоянной скоростью Cumin (J-u)max поля принимается сторонняя плотность синусоидального тока статора (рис.2.3, 2.4) При указанных допущениях расчетная модель конструктивных зон ТАД представляется цилиндром, состоящим из пяти (рис.2.5) кольцевых зон. 1. Ярмо статора - неподвижная магнитоизотропная ( JIA Mfj Hz=M { ) непроводящая ( У - 0) зона высотой fii . 2. Зубцовый слой статора - неподвижная магнитоортотропная (JLjMjJlMjJtrjL-O ) непроводящая ( = 0) зона высотой hi . 3. Суммарный немагнитный зазор, неподвижная изотропная зона ( J » 3=0) высотой кгбрКд , где коэффициент Кб учитывает наличие технологического ( От ) зазора и увеличение up и иг за счет их реальной зубчатости. 4. Зубцовый слой ротора - вращающаяся (вокруг оси Z со скоростью COi ) ортотропная зона ( Им, M.Z4 , М.ГЧ, Ъц$0} с, Л ? а р с » Vo-i-b 9 с. причем во всех зонах, кроме 2 (зубцовый слой статора) сторонняя плотность тока Дсгпк = 0. Соответственно во второй зоне (рис. 2.3, 2.4) л SWf Т J Г ki где I(рпг и vtycp - комплекс фазного тока и число витков в фазе статора. Произведем расчет электромагнитного поля в изотропных зонах расчетной модели (рис.2.5): ярме статора К = I, рабочем немагнитном зазоре К s 3, ярме ротора К = 5). Уравнения Максвелла (2.1) в цилиндрической системе координат при отсутствии сторонней плотности тока для указанных зон распадаются на скалярную систему уравнений Совместное решение системы (2.2) относительно напряженности электрического поля при принятых допущениях с заменой &- -rjp приводит к уравнению D2. С г\2- (2.3) Система уравнений Максвелла (2.1) для зубцовой зоны статора (К = 2) при наличии основной гармоники сторонней плотности тока имеет вид Совместное решение системы (2.7) с учетом допущений приводит к уравнению Здесь Со - частное решение уравнения (2.8). Аналитическое решение (I.I) для всех зон модели в виде системы комплексно-скалярных уравнений и граничных условий представляет собой математическую модель (табл.2.1) электромагнитного состояния ТАД в квазистационарном режиме частотно-токового питания. Принципиально, что эта модель адекватно трансформируется в цепную Е-Н схему замещения, в которой каждая конструктивная зона (ортотропное кольцо) представляется эквивалентным Е-Н звеном -- четырехполюсником в виде Т-образной электрической схемы с сосредоточенными удельными параметрами пс и б.к . При этом зна -чения LM и /м/с на границе К-ой зоны являются входными вели -чинами четырехполюсника, а его выходные L ґ(К +1) и пл(К+1) в соответствии с граничными условиями в цепной схеме являются входными величинами следующего (К + 1)-го Е-Н звена этой схемы. Существенно, что адекватная трансформация уравнений гармониче -ского поля (табл.2.1) каждой осесимметричной К-ой зоны в уравнения эквивалентного ей четырехполюсника происходит без определе -ния постоянных интегрирования Сгк-1 и Сгк , а путем сопостав-ления функций Ent и /м/с на границах К-ой зоны. Например, для зоны, моделирующей зубцовый слой статора (К = 2) после подстановки в уравнения поля этой зоны Соотношения 2.25, 2.26 являются уравнениями активного четырехполюсника (рис.2.6 б) с параметрами (2.28) Аналогично получены уравнения четырехполюсников, моделирующих остальные конструктивные зоны ТАД. Уравнения пассивного четырехполюсника, моделирующие изотропные зоны электрической машины, имеют вид . .. (2.29)
Эквивалентные параметры воздушного зазора и зубцовой зоны статора с учетом насыщения
При расчете магнитной цепи электрических машин используется расчетный воздушный зазор с гладкими границами, которыми заменяют реальные зубчатые. Подобная замена осуществляется введением коэффициента воздушного зазора, при этом расчетный зазор определяется выражением где иг - геометрическая величина воздушного зазора, Kg - коэффициент воздушного зазора. При определении расчетного зазора одним из основных условий эквивалентности является равенство магнитных потоков в реальном и расчетном воздушных зазорах [ 22J. Для расчета параметров четырехполюсника, моделирующего воз -душный зазор ТДЦ, необходимо осуществить подобную эквивалентную замену реального воздушного зазора, имеющего зубчатые границы с неравномерным шагом (локально-неравномерные). Решение задачи о распределении магнитного поля в локально-неоднородной зубцово-пазовой зоне и воздушном зазоре позволяет рассчитать коэффициент воздушного зазора и учесть в среднем конструктивные особенности и влияние насыщения зубцовой зоны статора ТАД на поле в зазоре. Один из путей определения Л о заключается в расчете его в виде отношения магнитных сопротивлений гладкого и зубчатого воздушных зазоров при одинаковых магнитных потоках. Пусть магнитное напряжение воздушного зазора при гладких и зубчатых поверхностях соответственно равны I где /\(f - коэффициент воздушного зазора. Магнитные сопротивления "гладкого" и реального зубчатого зазоров определяются из известного распределения магнитного поля в воздушном зазоре. Энергия магнитного поля в воздушном зазоре электрической машины определяется по известному выражению С целью упрощения расчетов воспользуемся формулой Грина и перейдем от объемного интеграла к интегралу по замкнутой поверх -ности воздушного зазора Jddcd Здесь замкнутая поверхность SctScd ограничивает объем / . Раскроем выражение (3.56) для замкнутой поверхности iahd (рис.3.2). Так как QW ( 0} U ) и &/а ( tM ) соответственно равны нулю, то равны нулю и интегралы по поверхностям Sj и $$ , тогда полная энергия в объеме ]/ воздушного зазора определится выра жением X j Подставив в (3.58) соотношения (3.9) и (ЗЛО) и исключив энергию Z - компоненты ]/\1г = / ІХ( ч/ dy , получим Определим далее магнитный поток на делении t активной зоны маши или с учетом (ЗЛО) получим Так как второй интеграл равен нулю при любом ЇЇІ , окончательно Магнитное сопротивление зазора с зубчатой структурой статора находится с учетом (3.59) и (3.61) в виде Магнитное сопротивление воздушного зазора с гладкими границами определяется известным выражением ft --L. В результате выражение для коэффициента воздушного зазора принимает вид Вьше было показано, что амплитуда первой гармонической слабо зависит от порядка решаемой системы (3.49), что позволяет произ -водить расчет коэффициента воздушного зазора, ограничившись пер -вым порядком решаемой системы. При этом аналитическое соотношение для коэффициента воздушного зазора имеет вид Коэффициенты определяются из соотношений где 3.2.2. Эквивалентные параметры зубцовой зоны статора Во второй главе исследование электромагнитного поля в зуб-цово-пазовой зоне ТАД было проведено как для сплошной ортотропной среды с некоторыми неизвестными усредненными магнитными свойствами. Согласно принципам эквивалвотирования реальных структур орто-тропными средами их усредненные параметры определяются из условия равенства магнитных сопротивлений эквивалентной и моделируемой среды [26,27,34,51,58,90у. При этом эквивалентные магнитные про -ницаемости обмоточной зоны статора при клиновидных пазах ротора и статора имеют вид fin ffi)} BH/ - угловое деление паза, зубца, клина; Ai. - угловое деление пакета катушечной группы; Кіт К5гл к0ЭФФиЦиенты технологического и рабочего воздушных зазоров; 5т 5гл геометрические величины технологического и рабочего зазоров. В соотношениях[3.б8, 3.69Jнеизвестными являются магнитные проницаемости элементарных зубцов активного распределенного слоя Яш& и межкатушечного клина М,кл Результаты расчета магнитного поля в кусочно-неоднородной среде зубцово-пазовой зоны статора и воздушном зазоре, проведенные в разделе 3.1 настоящей главы, позволяют решить задачу определения Jijyd и Ji М . Для упрощения будем предполагать, что действительная величина индукции в стали ферромагнитных зубцов и в стали межкатушечного клина равна средним значениям индукции по сечению клина и сечению ферромагнитных зубцов АРС на границе зуб-цовой зоны и воздушного зазора. Учитывая, что для ТДЦ QU мало меняется с ростом высоты зубца, индукцию в ферромагнитных элементах катушечной группы приближенно определим в виде $ - ширина ферромагнитного элемента. Используя кривую намагничивания стали, определим магнитную проницаемость ферромагнитного элемента Расчет магнитных проницаемостей М, НА и МщБ осуществляется в следующем порядке. Задаваясь рядом значений У о , используя в качестве первого приближения схему замещения магнитной цепи (рис.3.3), определяем для каждого {Jo магнитные проницаемости (ІКА и Jitff Рассчитав усредненные значения и определив распределение магнитного поля в областях воздушного зазора и зубцового слоя, найдем с помощью соотношений (3.70, 3.72) новые значения ШУ& l&JltM и расчет вновь повторяем. Итерации проводим до тех пор, пока значения JI $и$ и JIK/IK не станут практически равными Jlty5it+1 и JKKJK+1 Аналогичные операции проводятся для каждого значения у о Вычисленные JIMS И JIKJI подставляются в соотношения для MgCj и Jixz , которые используются для определения параметров расчетной модели зубцовой зоны»
Вводимые параметры и применяемые ограничения
При оптимизационных расчетах электрических машин в качестве варьируемых величин, как правило, выбираются геометрические размеры и обмоточные данные. Для электрических машин с АРС как по -казывает опыт Г29,52,68,69,71,72,73J в качестве независимых пе -ременных предпочтительно выбрать следующие: - внешний диаметр активной зоны торцевого электродвигателя; - внутренний диаметр активной зоны торцевого электродвигателя; - число зубцов статора; - число элементарных проводников в пазу статора; 5. dm/du - размеры голого и изолированного обмоточного провода; 6- Л"К - высота короткозамкнутого кольца; 7. 2.2, число зубцов ротора; 8. Вк - ширина короткозамкнутого кольца; 9. Qi - ширина зубца статора на внутреннем диаметре. Величина (1-9) независимых переменных формируется блоком ДСЧ в виде дискретных значений. Изменяя в (4.1) значения ОС и &! , а также меняя величину шага/// можно менять границы изменения переменных и таким образом варьировать областью поиска в зависимости от поставленной задачи и анализа предварительной информации . Программа составлена таким образом, что все остальные гео -метрические размеры, необходимые для расчета магнитной цепи вы -числяются в процессе ее работы с учетом вводимых постоянных ве -личин. 4.2.2. Постоянные величины Используемые в программе постоянные величины можно разделить на 3 группы. 1. Номинальные данные Г2.Н - номинальная мощность, Уф - фазное напряжение, ffl - число фаз, О - число пар полюсов, t - частота сети. 2. Конструктивно-технологические величины А пи 3 толщина пазовой изоляции, fir - технологический припуск на катушки, 2)/тг - внутренний диаметр, обусловленный техническими условиями проекта, (16 - диаметр вала ротора, - величина зазора между стержнем клетки ротора и стенкой паза (при заливке = 0). 3. Характеристики активных материалов - величины удельных потерь в стали от основного магнитного потока; - электрические характеристики обмоточного материала; - магнитные характеристики применяемых электротехнических сталей. Алгоритм расчета торцевой машины предусматривает на предварительном этапе выбора основной геометрии двигателя определение высот ярма статора и ротора, ширины зубца ротора по величинам индукции Ом , Ш2 , uzi , которые вводятся в качестве независимых переменных. алгоритме ограничения разделяются на следующие группы. 1. Конструктивно-технологические ограничения: - минимальный внутренний диаметр, обусловленный требованиями размещения внутренних лобовых частей (рис.4.1) где 0-f - число пазов на полюс и фазу; Uі - минимальный размер ферромагнитного зубца на внутреннем диаметре. Введение этого ограничения продиктовано соображениями размещения прямоугольных пакетов катушечных групп распределенного активного слоя на внутреннем диаметре, т.е. а) для статора /\fa 0,035 (см) б) для ротора famin tzi Sm 2. Ограничения по индукции Работа электродвигателя в системе электропривода с большим диапазоном изменения магнитного потока предопределяет ограничения, накладываемые на диапазон изменения индукций, которые должны находится в пределах задаваемых таблично кривых намагничива -ния для каждой зоны машины. 3. Ограничения по эксплуатационным характеристикам К этой группе относятся ограничения, накладываемые на кратности пускового момента, пускового тока, максимального момента, к.п.д. и коэффициент мощности. В случае несоблюдения этих ограничений, расчеты по исходному варианту прекращаются, выдачи на печать не происходит, ЭВМ переходит к расчету нового варианта. 4. Ограничения по режиму пуска Электродвигатель мотор-колеса для получения максимальной динамики при разгоне должен обеспечивать шестикратную перегрузку по моменту на любой частоте от нуля до базовой, соответствующей режиму длительного движения. При этом параметры режима работы электродвигателя при разгоне по типовой характеристике (рис.1.3) должны быть согласованы с возможностями источника питания и системы управления. Предельные значения этих параметров являются ограничителями и для принятой характеристики (рис.1.3) имеют вид - участок I- ток не более Joo/i - участок 2- напряжение не более IJao/i - участок 3 - мощность не более Раоц Соответствующие программные ограничения сформулированы в виде 5. Тепловые ограничения При оптимизационных расчетах ТАД в качестве теплового ограничения в данной работе принято предельное значение теплового фактора As . Использование теплового фактора является одной из общепринятых оценок теплового состояния машины / 77,85,89,90/. Предельная величина теплового фактора определена в виде усред -ненного значения, полученного по результатам совместных испытаний ряда опытных образцов встроенных ТАД в НЭТИ и на АвтоВАЗе. В поисковой программе текущее значение Д-$ вычисляется по соотношению Расчет вариантов продолжатся, если вытекают из требований, предъявляемых к торцевому асинхронному электродвигателю мотор-колеса легкового электромобиля и в соответствие с рекомендациями [2,54,59J для электрических машин специального назначения приняты следующими: I. Минимум массы активных материалов в заданном объеме при ограничениях по COS У и к. п. д. Z. Максимум коэффициента полезного действия при ограничениях 3. Максимум использования активных материалов 4. Максимум момента на валу ТАД (из условия разгона).