Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор технических решений электропривода лёгких транспортных средств 12
1.1 Варианты исполнения электропривода лёгких транспортных средств 12
1.2. Критерии сопоставления различных типов электропривода лёгких транспортных средств 17
1.3. Сравнение электропривода на основе бесколлекторного двигателя постоянного тока на редкоземельных магнитах и привода на основе вентильно-индукторного двигателя 21
1.3.1. Сравнение двух типов электродвигателей с точки зрения требований, предъявляемых к электроприводу электровелосипеда 22
1.3.2. Сравнение приводов по стоимости 26
1.3.3. Итоговое сравнение двух типов приводов 29
1.4. Выводы по главе 30
Глава 2. Анализ методик проектирования вентильно-индукторных электродвигателей и экспериментальная оценка исходных данных 31
2.1. Обзор существующих методик проектирования вентильно-индукторных двигателей 31
2.2. Анализ методики проектирования вентильно-индукторных двигателей общепромышленного назначения 34
2.3. Учёт потоков рассеяния при расчёте кривой намагничивания вентильно-индукторного двигателя 36
2.4. Лабораторный стенд для испытаний вентильно-индукторных двигателей с внешним ротором 44
2.5. Определение потерь в стали вентильно-индукторного двигателя 49
2.6. Рекомендации по выбору допустимой плотности тока в обмотках вентильно-индукторного двигателя электровелосипеда 55
2.7. Выводы по главе 58
Глава 3. Разработка методики проектирования вентильно-индукторных двигателей с внешним ротором 60
3.1. Предварительная оценка среднего момента вентильно-индукторных двигателей обращенной конструкции 60
3.2. Методика проектирования вентильно-индукторных двигателей с внешним ротором 65
3.3. Составление общего алгоритма проектирования вентильно-индукторных двигателей с внешним ротором 80
3.4. Вывод по главе 82
Глава 4. Разработка программного приложения для проектирования вентильно-индукторных двигателей с внешним ротором 83
4.1. Выбор среды программирования 83
4.2. Разработка алгоритма построения программного продукта 85
4.3. Описание видеокадров программного приложения и порядок работы с приложением 87
4.4. Выводы по главе 94
Глава 5. Проверка методики проектирования и примеры её использования 95
5.1. Проверка адекватности разработанной методики проектирования и программного приложения 95
5.2. Возможные подходы к проектированию образцов вентильно-индукторных двигателей обращенной конструкции 98
5.3. Проектирование двигателей для электровелосипеда 100
5.4. Проектирование велодвигателя с предельным моментом 102
5.5. Проектирование двигателей для электроскутера 104
5.6. Выводы по главе 106
Заключение 108
Литература 109
- Варианты исполнения электропривода лёгких транспортных средств
- Обзор существующих методик проектирования вентильно-индукторных двигателей
- Предварительная оценка среднего момента вентильно-индукторных двигателей обращенной конструкции
- Описание видеокадров программного приложения и порядок работы с приложением
Введение к работе
Современная цивилизация выдвигает новые требования к транспортным средствам. С ростом городов, с увеличением числа населения на первый план выходит проблема загрязнения окружающей среды. Становится актуальным требование к снижению потребления топливных ресурсов транспортными средствами. Основой развития мирового общества является научно-технический прогресс, который представляет собой процесс получения и материализации новых научных знаний, связанных с разработкой и совершенствованием прогрессивных технологий, созданием новой техники и новых конструкционных материалов, освоением нетрадиционных источников энергии. Создаваемая и совершенствующаяся на основе научно-технического прогресса экономика государств не может идти по пути пропорционального увеличения расходования природных ресурсов, сопровождающемся увеличением вредного воздействия на окружающую среду. В соответствии с программами, объединяющими усилия промышленно развитых стран в решении проблем снижения вредных выбросов, принятый в Киото Протокол и связанные с ним кардинальные решения предполагают использование альтернативных видов топлива и новых типов электрических (комбинированных) источников энергии при конструировании, технологиях и производстве транспортных систем.
За последнее десятилетие в США, Европе и странах азиатского региона бурно развивается рынок электрических транспортных средств. Данный рынок состоит из нескольких сегментов. Первый сегмент рынка это электромобили (см. рис. 1.1, 1.2). - транспортные средства, оборудованное тяговым электроприводом и источником энергии, в качестве которого могут служить аккумуляторные батареи, электрохимические генераторы, например топливные элементы различных типов. В настоящее время электромобиль перестал быть экзотическим примером транспортного средства. Во многих развитых странах в
6 последние несколько лет происходят буквально революционные изменения в этой области транспортных средств. Накоплен опыт эксплуатации электромобилей, в том числе в крупных регионах (например, демонстрационные проекты внедрения электромобилей в Мендризио, Швейцария, в Калифорнии, США). Активно формируется рынок электромобилей, развиваются инфраструктуры их продажи, сервиса и обслуживания. По данным [15] в Западной Европе в 1998 г. в эксплуатации находилось около 15 тыс. электромобилей, в 1998 г. их выпуск составлял около 10 тыс. шт. В Азии ежегодно на рынок попадали по 3-5 тыс. электромобилей. В США в ближайшее десять лет ожидается использование свыше 3 млн. электромобилей.
Рис. 1.1. Рис. 1.2.
Проблема, не позволяющая электромобилям вытеснить с дорог обычные автомобили с ДВС, заключается в малом пробеге между зарядками аккумулятора. В данном направлении ведутся разработки и решением является применение новых типов батарей с большей ёмкостью [64] и топливных элементов [66], но пока эти проекты в стадии разработки, и рабочие образцы имеют стоимость, которая не выдерживает конкуренции.
Лучше дела обстоят в следующем сегменте рынка - в сегменте гибридных транспортных средств. Это транспортные средства, оборудованные электроприводом и имеющие в составе энергоустановки двигатель внутреннего сгорания и буферный электрохимический источник энергии. Начальные, весьма впечатляющие успехи рыночного внедрения гибридных пассажирских электромобилей свидетельствуют об их перспективности. Гибридные транспортные средства представляют очень широкие возможности для совершенствования энергетики движения транспортного средства как с точки зрения использования первичных источников, так и с точки зрения комбинации различного типа источников энергии и тяговых приводов. Наглядным доказательством того, что гибридные электромобили имеют достаточный потенциал, явилось создание, производство и выход на рынок гибридного автомобиля Prim фирмы Toyota [58] (см. рис. 1.3).
рис. 1.3. На данный момент многие зарубежные автогиганты серийно выпускают несколько типов гибридных автомобилей. В гибридных электромобилях используются небольшие двигатели внутреннего сгорания, электродвигатель, секция батарей и компьютерные средства для управления потоками энергии и управления работой электрического двигателя. Американская ассоциация ЕVAA в 1999 г. на конгрессе EVS 16 в Пекине представила прогноз развития технологий «чистых» транспортных средств. Как следует из этого прогноза, ожидается сокращение объёмов производства традиционных автомобилей с ДВС, и к 2020 г. это сокращение может составить 50 % от объёмов производства в 2000 г. Внедрение электромобилей с аккумуляторными источниками энергии приведёт к возрастанию объёмов их выпуска примерно до 20 % объёма производства транспортных средств в 2020 г. Массовое внедрение гибридных электромобилей по прогнозу будет происходить опережающими темпами и к 2015 г. объём производства гибридных автомобилей будет примерно вдвое превышать объём производства аккумуляторных электромобилей.
Рис. 1.4. Рис. 1.5.
Наиболее динамично развивающийся сегмент рынка электрических транспортных средств это лёгкие транспортные средства - индивидуальные средства передвижения, такие как электровелосипеды, электромопеды и электроскутеры (см. рис. 1.4, 1.5 и 1.6).
Рис. 1.6. Данные устройства сегодня мало кого удивляют - их выпускают почти все крупные производители велосипедов и скутеров Европы, Америки и Азии. Согласно [45] в 2004 году мировой спрос на электровелосипеды превысил 3 млн. штук и будет удваиваться каждые два года. Так только в Японии ежегодно продаётся больше 250 тысяч таких устройств. В одном лишь Китае каждый день на мопедах и скутерах едут на работу и домой приблизительно полмиллиарда человек. Власти крупных городов вынуждены запрещать использование бензиновых транспортных средств и на первый план выходят электроскутеры, электровелосипеды и электромопеды, поскольку лишь эта мера позволит сохранить экологию городов на должном уровне. Так, в Шанхае уже открыто пятнадцать центров зарядки и более ста точек замены аккумуляторов для лёгких электрических транспортных средств.
К этому же сегменту рынка можно отнести специальные транспортные средства, такие как электрокары для складских работ (рис. 1.7), самодвижущиеся уборочные агрегаты и коляски для людей с ограниченными возможностями (рис. 1.8). Спрос на данные транспортные средства стабилен.
Бурное развитие рынка лёгких электрических транспортных средств стало возможным благодаря достижениям в силовой электронике. Именно эти достижения оказали сильное, определяющее влияние на развитие электропривода лёгких транспортных средств: появились доступные силовые электронные коммутаторы, стало возможным уйти от традиционных коллекторных узлов, что существенно уменьшило габариты двигателей, возникла целая гамма новых электроприводов с различными типами электромеханических преобразователей - синхронными реактивными, синхронными с постоянными магнитами, индукторными и др. Все вышеперечисленные типы приводов фигурируют в разработках и серийных образцах лёгких электрических транспортных средств.
На волне развития силовой полупроводниковой техники, а также благодаря появлению микропроцессорных устройств, предназначенных для построения систем управления электроприводов появился новый перспективный тип привода - вентильно-индукторный привод (ВИП) или в англоязычной литературе - Switched Reluctance Drive (SRD). В качестве двигателя в этом типе привода используется вентильно-индукторный двигатель (ВИД), по принципу работы он схож с индукторными шаговыми двигателями, применяемыми в дискретном электроприводе. Индукторные шаговые привода появились в 60-е годы XX века на волне развития первых полупроводниковых приборов и применялись для преобразования цифры или кода в дозированные механические перемещения. Однако, в то время не удалось перейти к силовой версии электропривода, построенного на шаговом принципе в силу ограниченности элементной базы.
К основным особенностям ВИД можно отнести предельно простую, технологичную, дешевую и надежную конструкцию, что позволяет создать конкурентоспособный и доступный вариант электропривода для лёгкого электрического транспортного средства. Но на данный момент ни в нашей стране, ни за рубежом не существует разработок лёгких электрических транспортных средств с ВИП.
Для создания ВИП лёгкого транспортного средства необходимо иметь возможность проектирования ВИД именно под это применение. Данная работа посвящена разработке методики проектирования ВИД обращенной конструкции для применения в лёгких электрических транспортных средствах.
Цель работы: создание программного приложения для проектирования ВИД обращенной конструкции для лёгких транспортных средств, таких как электровелосипед, электроскутер, инвалидное кресло и т.д.
Задачи диссертации: - базируясь на существующей методике проектирования ВИД общепромышленного применения [26] и результатах исследований,
11 проводимых над существующими образцами ВИД обращенной конструкции, создать методику проектирования ВИД обращенной конструкции; - на основе созданной методики разработать алгоритм проектирования ВИД обращенной конструкции и создать программное приложение поддержки проектирования ВИД для лёгких транспортных средств; - проверить адекватность решений, полученных с использованием программного продукта, сопоставлением результатов проектирования с экспериментальными данными; - осуществить проектирование ряда образцов ВИД для электровелосипеда и электроскутера с оптимизацией по минимуму массы или наибольшему КПД.
В первой главе рассматриваются варианты исполнения электроприводов лёгких электрических транспортных средств, из анализа существующих разработок выявляется наиболее часто применяемый тип привода и производится его сравнение с ВИЛ на предмет конкурентоспособности.
Во второй главе анализируется методика проектирования ВИД общепромышленного назначения, данная методика дополняется и уточняется, опираясь на результаты опытов над образцами, и адаптируется под обращенную конструкцию.
В третьей главе описывается математический аппарат новых приёмов, используемых при разработке методики проектирования, приводится полное описание разработанной методики проектирования и на его основе составляется алгоритм проектирования ВИД обращенной конструкции.
В четвёртой главе выбирается среда программирования для создания приложения, разрабатывается алгоритм создания программного приложения, представлено описание экранов приложения и порядок работы с ним.
В пятой главе производится проверка адекватности разработанной методики и приводятся примеры её использования для проектирования двигателей, встраиваемых в колесо различных лёгких транспортных средств.
Варианты исполнения электропривода лёгких транспортных средств
К этому же сегменту рынка можно отнести специальные транспортные средства, такие как электрокары для складских работ (рис. 1.7), самодвижущиеся уборочные агрегаты и коляски для людей с ограниченными возможностями (рис. 1.8). Спрос на данные транспортные средства стабилен.
Бурное развитие рынка лёгких электрических транспортных средств стало возможным благодаря достижениям в силовой электронике. Именно эти достижения оказали сильное, определяющее влияние на развитие электропривода лёгких транспортных средств: появились доступные силовые электронные коммутаторы, стало возможным уйти от традиционных коллекторных узлов, что существенно уменьшило габариты двигателей, возникла целая гамма новых электроприводов с различными типами электромеханических преобразователей - синхронными реактивными, синхронными с постоянными магнитами, индукторными и др. Все вышеперечисленные типы приводов фигурируют в разработках и серийных образцах лёгких электрических транспортных средств.
На волне развития силовой полупроводниковой техники, а также благодаря появлению микропроцессорных устройств, предназначенных для построения систем управления электроприводов появился новый перспективный тип привода - вентильно-индукторный привод (ВИП) или в англоязычной литературе - Switched Reluctance Drive (SRD). В качестве двигателя в этом типе привода используется вентильно-индукторный двигатель (ВИД), по принципу работы он схож с индукторными шаговыми двигателями, применяемыми в дискретном электроприводе. Индукторные шаговые привода появились в 60-е годы XX века на волне развития первых полупроводниковых приборов и применялись для преобразования цифры или кода в дозированные механические перемещения. Однако, в то время не удалось перейти к силовой версии электропривода, построенного на шаговом принципе в силу ограниченности элементной базы.
К основным особенностям ВИД можно отнести предельно простую, технологичную, дешевую и надежную конструкцию, что позволяет создать конкурентоспособный и доступный вариант электропривода для лёгкого электрического транспортного средства. Но на данный момент ни в нашей стране, ни за рубежом не существует разработок лёгких электрических транспортных средств с ВИП.
Для создания ВИП лёгкого транспортного средства необходимо иметь возможность проектирования ВИД именно под это применение. Данная работа посвящена разработке методики проектирования ВИД обращенной конструкции для применения в лёгких электрических транспортных средствах.
Цель работы: создание программного приложения для проектирования ВИД обращенной конструкции для лёгких транспортных средств, таких как электровелосипед, электроскутер, инвалидное кресло и т.д. Задачи диссертации: - базируясь на существующей методике проектирования ВИД общепромышленного применения [26] и результатах исследований, проводимых над существующими образцами ВИД обращенной конструкции, создать методику проектирования ВИД обращенной конструкции; - на основе созданной методики разработать алгоритм проектирования ВИД обращенной конструкции и создать программное приложение поддержки проектирования ВИД для лёгких транспортных средств; - проверить адекватность решений, полученных с использованием программного продукта, сопоставлением результатов проектирования с экспериментальными данными; - осуществить проектирование ряда образцов ВИД для электровелосипеда и электроскутера с оптимизацией по минимуму массы или наибольшему КПД. В первой главе рассматриваются варианты исполнения электроприводов лёгких электрических транспортных средств, из анализа существующих разработок выявляется наиболее часто применяемый тип привода и производится его сравнение с ВИЛ на предмет конкурентоспособности. Во второй главе анализируется методика проектирования ВИД общепромышленного назначения, данная методика дополняется и уточняется, опираясь на результаты опытов над образцами, и адаптируется под обращенную конструкцию. В третьей главе описывается математический аппарат новых приёмов, используемых при разработке методики проектирования, приводится полное описание разработанной методики проектирования и на его основе составляется алгоритм проектирования ВИД обращенной конструкции. В четвёртой главе выбирается среда программирования для создания приложения, разрабатывается алгоритм создания программного приложения, представлено описание экранов приложения и порядок работы с ним. В пятой главе производится проверка адекватности разработанной методики и приводятся примеры её использования для проектирования двигателей, встраиваемых в колесо различных лёгких транспортных средств.
Обзор существующих методик проектирования вентильно-индукторных двигателей
В стоимость привода входят: стоимость материалов, затраченных на изготовление двигателя, стоимость датчика положения ротора, если такой присутствует, стоимость преобразователя, а также стоимость производства двигателя и преобразователя.
Статорные пакеты обоих рассматриваемых типов двигателей выполняются шихтованными и изготовляются из динамной стали со стандартной толщиной листов (обычно 0,5 мм), применяемой в асинхронных двигателях. Однако, ВИД при применении ШИМ имеет более высокую частоту коммутации, чем асинхронный двигатель. Из-за сложной формы фазного тока магнитный поток в ВИД имеет высокочастотные гармонические составляющие, поэтому ВИД, по сравнению с БДПТ ПМ, имеет более высокие потери в стали. Уменьшить потери в стали ВИД можно, применяя более дорогую сталь с меньшей толщиной листа. Статорные обмотки обоих двигателей выполняются из медных проводников. Количество применяемой меди приблизительно одинаковое и затраты, связанные с материалом обмоток сильно не отличаются.
ВИД имеет самый простой по конструкции ротор, представляющий из себя шихтованный стальной пакет. Даже при применении более тонких и дорогих стальных листов цена материала ротора ВИД существенно дешевле чем у БДПТ с редкоземельными магнитами. В БДПТ необходимо использовать высокоэффективные магниты, чтобы удовлетворять энергетическим требованиям, которые предъявляются к тяговым двигателям. Предпочтительный тип магнитов для применения в тяговых приводах - NdFeB, они дешевле чем магниты SmCo. Производители магнитных материалов работают над снижением стоимости магнитов NdFeB, но они всё ещё дороги -$140-$ 170 за килограмм.
По стоимости расходных материалов, при условии что оба двигателя изготавливаются из динамной стали одинаковой толщины, лидирует БДПТ ПМ, из-за применения магнитов. Датчик положения ротора Для правильного управления двигателями обоих рассматриваемых типов необходимо иметь информацию о точном положении ротора по отношению к статору. С этой целью применяется датчик положения ротора -дополнительный узел, который либо установлен в общем корпусе с двигателем (велосипедное исполнение), либо соединяется с ротором и выполняется в отдельном корпусе. Применительно к технологии ВИД разработан принцип бездатчикового управления [70]. При таком управлении в системе привода отсутствует механический датчик положения ротора, но присутствуют датчики тока фаз. В качестве датчиков могут использоваться измерительные сопротивления, датчики, основанные на эффекте Холла или трансформаторы тока. Количество датчиков зависит от количества фаз машины. Стоимость, датчиков тока много ниже, чем у датчика положения ротора. В представленном образце ВИД датчик положения ротора отсутствует, а у образца БДПТ ПМ он есть. Поэтому к стоимости расходных материалов у БДПТ ПМ добавляется стоимость датчика положения ротора. Преобразователи Силовой преобразователь (коммутатор фаз) для БДПТ ПМ построен по простой схеме - в зависимости от положения ротора (определяется с помощью датчика положения ротора) с помощью транзисторов к питающему напряжению подключаются витки обмотки статора таким образом, чтобы поток возбуждения, создаваемый постоянными магнитами, был перпендикулярен плоскости витка обмотки. Транзисторы с системой управления играют роль коллектора в классическом варианте ДПТ. В разработанном варианте коммутатора фаз ВИД для электровелосипеда [8] использован принцип бездатчикового управления. Система управления данного коммутатора построена на микроконтроллере; при современном развитии микропроцессорной техники плата микроконтроллера с периферией стоит порядка 10 $. Такое решение коммутатора фаз ВИД не существенно отличается по стоимости от коммутатора фаз БДПТ ПМ. Для варианта привода электровелосипеда стоимость коммутаторов фаз приводов на основе БДПТ ПМ и ВИД приблизительно одинаковы. Производство двигателей Поскольку ВИД имеет более простую конструкцию ротора, статора и фазных катушек, а в качестве активных материалов в нем применены только сталь и медь, то и затраты на его производство ниже, чем на производство БДПТ с редкоземельными магнитами. Кроме того, что редкоземельные магниты сами по себе дорогие, при производстве БДПТ возникает проблема намагничивания магнитов после установки их на ротор двигателя. Для решения этой задачи требуется специальная техника. Иногда статорная обмотка используется при намагничивании магнитов в нужном направлении. Наиболее дешёвые и часто применяемые NdFeB магниты сильно подвержены коррозии. Решение этой проблемы при производстве двигателей состоит в поддержании необходимого уровня влажности в производственных помещениях, что выливается в финансовые затраты и удорожание производства в итоге. Также NdFeB магниты хрупкие и при их установке необходимо соблюдать осторожность. Все эти факты делают производство БДПТ с редкоземельными магнитами более дорогостоящим, чем производство ВИД. Электропривод на основе БДПТ на редкоземельных магнитах имеет более сложную конструкцию и оказывается дороже привода на основе ВИД. По величине развиваемого момента и по КПД вариант привода с БДПТ ПМ лучше варианта с ВИД. Электровелосипед с БДПТ ПМ будет иметь величину пробега между зарядками аккумулятора больше, чем у электровелосипеда с ВИД. Если цель - выход на массовое применение, на общедоступность, то ВИП выходит на первое место. Если же цель - большой пробег без подзарядки и ценовой фактор не решающий, то лидером является привод на основе БДПТ ПМ.
Предварительная оценка среднего момента вентильно-индукторных двигателей обращенной конструкции
Важным моментом является практическое применение разработанной методики проектирования ВИД обращенной конструкции. На основе составленного по методике алгоритма проектирования ВИД с внешним ротором написана компьютерная программа поддержки проектирования. Задачи программы - облегчить специалисту процесс проектирования ВИД, взять на себя математическую поддержку расчётов, предоставить необходимую. информацию в ходе процесса проектирования и наглядно демонстрировать промежуточные результаты и необходимые данные. Конечные результаты проектирования должны быть представлены в удобной для просмотра форме, с текстовым файлом результата с основными параметрами спроектированного образца и изображением внешнего вида двигателя.
С развитием компьютерной техники и языков программирования создание программного приложения перестаёт быть проблемой. На первый план выходят потребительские качества разрабатываемых программных продуктов, главной становится задача создания дружественного пользовательского интерфейса.
Для написания прикладной компьютерной программы была выбрана интегрированная среда разработки Windows приложений - Visual Basic 6.0. Альтернативными средами разработки могли бы служить такие продукты как Delphi, C++Builder и т.д., также позволяющие решать такого рода задачи., Критерием в выборе среды служило знание языков программирования, используемых в этих средах разработки. Так в C++Builder, как видно из названия, используется язык программирования C++, в Delphi используется Pascal, а в Visual Basic, также как видно из названия, используется разновидность языка Basic. Наименее изученным для меня является язык программирования C++, поэтому вариант с использованием для разработки приложения среды C++Builder отпал. Сравнивая две другие среды программирования, предпочтение было отдано Visual Basic, отчасти из-за личных предпочтений к языку программирования Basic, отчасти из-за изученных в процессе сравнения качеств и свойств среды программирования.
Visual Basic 6.0 - это система визуального программирования, использующая интерактивный подход при разработке приложений и предоставляющая все необходимые средства для проектирования, разработки, тестирования и отладки приложений внутри общей среды с удобным для разработчика интерфейсом. Visual Basic 6.0 ускоряет процесс разработки программных продуктов.
Интегрированная среда включает в себя такие средства как: 1. окно конструктора форм, в котором проектируется внешний вид пользовательского интерфейса программы; 2. панель элементов, для разработки интерфейса; 3. окно свойств объектов, для просмотра и внесения изменений в свойства объектов; 4. окно редактора кода, для просмотра и внесения изменений в код программы; 5. окно управления проектом программы, для редактирования состава программы; 6. встроенный отладчик, для обнаружения и исправления ошибок в коде программы ещё в процессе написания кода (on the fly «на лету»). Для написания кода программы в среде Visual Basic 6.0 используется объектно-ориентированный язык программирования Visual Basic. Для написания программы, необходим алгоритм, написанный в удобной форме для переложения его на язык Visual Basic. Далее необходимо определить количество, содержание и порядок появления оконных форм программы, набор переменных, констант и методов (процедур и функций). В соответствии с описанным в 3.6 алгоритмом проектирования ВИД обращенной конструкции, программа поддержки проектирования должна состоять из нескольких этапов. Каждому этапу должен соответствовать свой набор экранных форм программы. В ходе работы программы должна соблюдаться последовательность этапов согласно алгоритму проектирования. Необходима возможность возврата к предыдущим этапам для корректировки, параметров в ходе проектирования. Программа должна содержать пояснения к каждому этапу проектирования. Для этого необходим отдельный набор экранных форм. Также должна иметься возможность сохранения параметров проектирования в файл и вывода результатов проектирования в виде текстового документа и на печать. В программе поддержки проектирования выделяем несколько этапов: 1. ввод исходных данных для проектирования, выбор конфигурации и марки стали двигателя; 2. выбор базовых геометрических размеров двигателя; 3. расчёт полной геометрии магнитной цепи машины; 4. анализ полученной геометрии магнитной цепи, если необходимо возврат к этапам 3, 2 либо 1; 5. расчёт массы активных материалов двигателя (стали и меди), расчёт параметров обмотки; 6. расчёт характеристик и параметров магнитной цепи по рассчитанной геометрии двигателя, 7. анализ рассчитанных характеристик и параметров, если необходимо -возврат к этапам 3, 2 или 1. 8. расчёт среднего момента и КПД спроектированного двигателя; 9. анализ результатов расчёта, при неудовлетворительных результатах возврат к этапам 6, 3, 2 или 1; 10. вывод результатов проектирования: конфигурации машины, номинальных параметров, геометрических размеров. Для 1 этапа программы проектирования выделяем одну экранную форму, которая содержит поля ввода исходных данных для проектирования, списки предпочтительных параметров конфигурации ВИД обращенной конструкции (числа полюсов статора и ротора) и список марок стали с полем вывода графика зависимости B=f(H) для выбранной марки стали. Этапы 2, 3, 4 и 5 объединяем на одной экранной форме. Это сделано на, основе опыта коллег по созданию программного приложения, за основу которого была положена методика проектирования, описанная в [26]. При расчёте полной геометрии машины, с целью достижения оптимальной геометрии двигателя, возникает необходимость в частых возвратах к предыдущим этапам. При размещении этапов 2, 3 и 4 на одной форме достигается наглядность процесса проектирования и уменьшается время, затрачиваемое на изменение параметров в расчётах. Форма содержит поля для ввода параметров, функциональные клавиши для изменения расчётных коэффициентов, окна вывода рассчитанных геометрических размеров и, параметров, а также схематичный рисунок рассчитанной геометрии двигателя. Для этапов 6 и 7 выделяем отдельную экранную форму, т.к. при расчёте характеристик магнитной цепи необходимо строить графики расчётных характеристик. Форма содержит поле вывода для графика расчётных характеристик, окна вывода рассчитанных параметров и функциональные клавиши для изменения расчётных коэффициентов. При необходимости возврата к предыдущим этапам, происходит возврат к предыдущей экранной форме. Для этапов 8, 9 и 10 также выделяем отдельную экранную форму, т.к. при расчёте момента двигателя используются расчётные характеристики проектируемого двигателя и необходимо строить графики этих расчётных характеристик. Форма содержит поле вывода для графика расчётных характеристик, окна вывода параметров и функциональные клавиши для изменения расчётных коэффициентов. При необходимости возврата к предыдущим этапам проектирования, происходит возврат к предыдущей экранной форме, из которой можно вернуться к более ранней экранной форме. Завершающий 10 этап проектирования запускается нажатием на экранную кнопку, по которой запускается менеджер заполнения текстового документа с результатами проектирования.
Описание видеокадров программного приложения и порядок работы с приложением
При проектировании производится оптимизация по массе двигателя. В табл. 5.7 представлены данные, полученные при проектировании нескольких вариантов ВИД, встраиваемых в колесо скутера.
Из шести вариантов двигателей при оптимизации по минимуму массы выбран вариант №6. На рис. 5.10 изображен поперечный разрез двигателя № 6, а на рис. 5.11. двигатель №6 изображён встроенным в колесо скутера. 1. Проверка разработанной методики проектирования и созданного на её основе программного обеспечения выполнена посредством сравнения результатов проектирования с соответствующими данными реальных образцов ВИД. Различие не более, чем на 13% свидетельствует об адекватности методики и программного приложения. 2. Сформулированы два подхода к проектированию ВИД с помощью разработанного программного приложения, позволяющие как проектировать образцы двигателей, соответствующие требованиям данных транспортных средств, так и оценивать предельные возможности ВИД обращенной конструкции. 3. Спроектирован ряд двигателей для электровелосипедов и электроскутеров, оптимизированных по критерию минимума массы или наибольшего КПД, а также обеспечивающих максимальный момент при заданных предельных габаритах. Основные результаты работы состоят в следующем: 1. Доказана конкурентоспособность вентильно-индукторного электропривода с двигателем в колесе легкого транспортного средства. 2. Предложен метод оценки по заданному моменту исходной базовой геометрии ВИД, встраиваемого в колесо, и на основе стендовых испытаний ряда образцов таких двигателей на разработанном стенде получена необходимая информация для проектирования ВИД, встраиваемых в колесо. 3. На основе методики проектирования ВИД общепромышленного назначения и уточнений, полученных экспериментально, разработана методикаі проектирования ВИД обращенной конструкции. 4. Создано программное приложение, поддерживающее процесс проектирования ВИД, встраиваемого в колесо легких транспортных средств с диапазоном мощностей 100-3000 Вт и частотами вращения 100-1500 об/мин. 5. Достоверность результатов проектирования, получаемых с использованием программного приложения, проверена посредством их сопоставления с экспериментальными данными реализованных образцов. 6. С помощью программного приложения спроектированы вентильно индукторные двигатели для электровелосипеда и электроскутера, оптимизированные по критерию минимальной массы или наибольшего КПД, а также обеспечивающие наибольший момент в заданных предельных габаритах.
