Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Модульная электрическая машина и мехатронная система на ее основе Бормотов Артем Валерьевич

Модульная электрическая машина и мехатронная система на ее основе
<
Модульная электрическая машина и мехатронная система на ее основе Модульная электрическая машина и мехатронная система на ее основе Модульная электрическая машина и мехатронная система на ее основе Модульная электрическая машина и мехатронная система на ее основе Модульная электрическая машина и мехатронная система на ее основе Модульная электрическая машина и мехатронная система на ее основе Модульная электрическая машина и мехатронная система на ее основе Модульная электрическая машина и мехатронная система на ее основе Модульная электрическая машина и мехатронная система на ее основе Модульная электрическая машина и мехатронная система на ее основе Модульная электрическая машина и мехатронная система на ее основе Модульная электрическая машина и мехатронная система на ее основе Модульная электрическая машина и мехатронная система на ее основе Модульная электрическая машина и мехатронная система на ее основе Модульная электрическая машина и мехатронная система на ее основе
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Бормотов Артем Валерьевич. Модульная электрическая машина и мехатронная система на ее основе: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.09.03 / Бормотов Артем Валерьевич;[Место защиты: ФГБОУ ВО Санкт-Петербургский государственный морской технический университет], 2017

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Конструкции и методы проектирования электрических машин 15

1.1. Тенденции развития типов электрических машин современных мехатронных систем 15

1.2. Ограничение построения машин с магнитоэлектрическим возбуждением 16

1.3. Аксиально-радиальные конструкции электрических машин 20

1.3.1. Трансформация конфигурации 21

1.3.2. Концентрические сосредоточенные обмотки 28

1.3.3. Принцип модульности 30

1.3.3.1. Электрические машины традиционных конструкций 30

1.3.3.2. Электрические машины аксиально-радиальной дисковой конструкции 34

1.4. Методы проектирования синхронных реактивных и индукторных машин аксиально-радиальной дисковой конструкции 39

1.4.1. Аналитический подход к проектированию 41

1.4.2. Энергетический подход к проектированию 44

1.4.3. Полевой подход к проектированию 46

1.4.4. Комплексный подход к проектированию оптимальных электромеханических преобразователей энергии на базе синхронных реактивных и индукторных машин. Имитационное моделирование 52

1.5. Выводы 57

ГЛАВА 2. Электромагнитный модуль машины 59

2.1. Конструкция электромагнитного модуля. Материалы 59

2.2. Принцип действия электромагнитного модуля 64

2.3. Расчет электромагнитного модуля аналитическим методом в двумерной постановке задачи [103, 109] 65

2.3.1. Расчет модуля в согласованном состоянии 66

2.3.2. Расчет модуля в рассогласованном состоянии 70

2.4. Расчет электромагнитного модуля методом конечно-элементного анализа в двумерной постановке задачи 73

2.4.1. Расчет модуля в согласованном состоянии 74

2.4.2. Расчет модуля в рассогласованном состоянии 77

2.4.3. Нелинейность индуктивности катушек модуля. Сила тяжения... 80

2.5. Расчет электромагнитного модуля методом конечно-элементного анализа в трехмерной постановке задачи 82

2.5.1. Технология расчета трехмерной модели электромагнитного модуля в пакете конечно-элементного анализа Ansys Maxwell 83

2.6. Выводы 94

ГЛАВА 3. Модульные электрические машины 96

3.1. Конструкция модульной электрической машины 96

3.2. Алгоритм управления модульной электрической машиной 99

3.3. Электромагнитный момент модульной электрической машины в статическом режиме 103

3.4. Индуктивности модульной электрической машины 106

3.5. Модульная электрическая машина с зубцово-пазовой конструкцией ротора. Модульная синхронная реактивная машина 109

3.5.1. Оптимизация толщины ротора 113

3.5.2. Оптимизация ширины зубца ротора 117

3.5.3. Результаты моделирования модульной синхронной реактивной машины с аксиальным и радиальным потоком оптимизированного ротора 119

3.6. Конструкция модульной электрической машины с обмоткой возбуждения 124

3.6.1. Анализ работы модульной электрической машины с обмоткой возбуждения. Модульная синхронная индукторная машина 126

3.6.2. Электромагнитный момент и индуктивности модульной синхронной индукторной машины 130

3.6.3. Результаты моделирования модульной синхронной индукторной машины с аксиальным и радиальным потоком оптимизированного ротора 133

3.7. Выводы 139

ГЛАВА 4. Математическое описание модульных машин в составе системы управления 141

4.1. Математическое описание модульной электрической машины [118] 141

4.1.1. Аппроксимация кривых индуктивностей фазы 144

4.1.2. Структурная модель мехатронной приводной системы на базе модульной электрической машины в пакете Matlab-Simulink 147

4.1.3. Результаты моделирования мехатронной приводной системы на базе модульной электрической машины 154

4.2. Математическое описание модульной синхронной реактивной машины, аппроксимация кривых индуктивностей фазы 158

4.2.1. Структурная модель и результаты моделирования мехатронной приводной системы на базе модульной синхронной реактивной машины в пакете Matlab-Simulink 159

4.3. Математическое описание модульной синхронной индукторной машины с аксиальным потоком оптимизированного ротора [125].

Аппроксимация кривых индуктивностей и потокосцеплений фаз 161

4.3.1. Структурная модель и результаты моделирования мехатронной приводной системы на базе модульной синхронной индукторной машины в пакете Matlab-Simulink 165

4.4. Выводы 168

ГЛАВА 5. Макет мехатронной приводной системы и результаты экспериментальных исследований модульной электрической машины 169

5.1. Лабораторный макет машины 169

5.1.1. Измерение статического момента 170

5.1.2. Измерение индуктивностей 175

5.2. Лабораторный макет мехатронной приводной системы 176

5.2.1. Реализация системы управления модульной электрической машиной на микроконтроллере STM32 178

5.2.2. Модель программы контроллера STM32 182

5.3. Выводы 185

Заключение 187

Список сокращений 189

Список литературы

Введение к работе

Актуальность работы

Разработку и конструирование электрических машин (ЭМ) для мехатронных систем (МС) нельзя считать динамично развивающейся областью науки и техники, претерпевающей быстрые и качественные изменения. Однако, с развитием силовой полупроводниковой электроники, увеличением быстродействия микропроцессорной техники и точности датчиков измерения физических величин, совершенствованием методов и программных сред модельного исследования, в частности различного рода электротехнических задач, намечены тенденции к реформированию устоявшихся подходов к созданию ЭМ и наращиванию темпов их производства.

Постоянно растущая стоимость, объемы потребления и монополистический рынок высокоэнергетических постоянных магнитов, используемых при производстве ЭМ с магнитоэлектрическим возбуждением, в сочетании со сложной, трудоемкой и дорогостоящей технологией (наклейка, бандажирование, намагничивание), несмотря на их явное преимущество – высокие удельные энергетические показатели, делают эти устройства малопривлекательными для массового производства. Исследования последних лет показывают, что машины с самовозбуждением и электромагнитным возбуждением, а именно, синхронные реактивные и индукторные машины (СРМ, СИМ), так же именуемые в зарубежной литературе как Switched Reluctance Machines, являются наиболее возможной альтернативой существующим на рынке устройствам.

Существенный вклад в исследование СРМ и СИМ внесли российские ученые: Н.Ф. Ильинский, В.Ф. Козаченко, М.Г. Бычков, В.А. Кузнецов, Д.А. Бут, Л.Ф. Коломейцев, С.А. Пахомин, Ю.А. Голландцев, А.Б. Красовский, Г.К. Птах, И.Е. Овчинников, а так же зарубежные ученые: P.J. Lawrenson, T.G.E Miller, J.M. Stephenson, R. Krishnan и многие другие.

Из широко известных типов электрических двигателей, применяемых в мехатронных приводных системах (МПС), наиболее близкими к СРМ и СИМ по конструкции и структуре управления являются шаговые двигатели. Более того, СРМ и СИМ можно считать их продолжением и развитием, с одним принципиальным отличием: шаговые двигатели являются основой приборных приводов, а СРМ и СИМ – основой силовых мехатронных устройств. Шаговый электропривод создавался преимущественно для преобразования информации, представленной в виде числа или цифрового кода на его входе, в пропорциональное перемещение рабочего органа, поэтому в шаговом электроприводе стремились к получению высокой точности отработки задаваемых перемещений, а энергетические показатели, в силу относительно небольших мощностей, имели второстепенное значение. Основное назначение

МПС, созданных на базе СРМ и СИМ, – эффективное преобразование энергии, поэтому для устройств этого типа энергетические показатели являются одним из важнейших факторов.

Эффективное преобразование энергии СРМ и СИМ, в сравнении с традиционными типами ЭМ, обеспечивается повышенными значениями электромагнитных нагрузок – магнитной индукцией в магнитопроводе и рабочем зазоре и плотностью тока в обмотках. Публикации последних лет показывают, что эффективность преобразования энергии увеличивается при трансформации конфигурации магнитной системы, т.е. при конструктивных изменениях, связанных с переходом от традиционных цилиндрических к многослойным аксиально-радиальным дисковым структурам ЭМ, в которых формируются минимальные пути для магнитных потоков и электрических токов. Трансформация конфигурации магнитной системы позволяет разделить электромагнитное ядро СРМ и СИМ на систему аксиальных и радиальных слоев, что создает предпосылки для реализации принципа модульности в их конструкциях. Электромагнитный модуль, являясь минимальной структурной и энергетической единицей машины, позволяет создавать высокотехнологичные устройства с различными габаритными и мощностными характеристиками, существенно упрощая и удешевляя производство, что, в сочетании с повышенными энергетическими показателями, приближает их к машинам с магнитоэлектрическим возбуждением, вытесняя последние.

Несмотря на признанные практически всеми специалистами достоинства СРМ и СИМ в традиционном варианте конструктивного исполнения и, безусловно, положительный опыт первого практического применения МС на их основе, массового распространения они не получили. Причина заключается в том, что требуемые высокие характеристики машин достигаются только при соответствующих алгоритмах управления, реализуемых вычислителем МС. При этом специфика СРМ, СИМ и МС, создаваемых на их основе, предполагает использование отличных от принятых для классических систем электропривода инструментов разработки, в которых методы и средства исследования хорошо приспособлены для решения задач анализа, синтеза, оптимизации и адекватно воспроизводящие реальные процессы в системе, что имеет важное значение.

Достижения вычислительной техники в последние годы расширили роль

математического и компьютерного моделирования при исследовании сложных систем. Появилась возможность воспроизведения процессов электромагнитного преобразования энергии в машине, её функционирования во времени с имитацией элементарных явлений, составляющих исследуемый процесс, логической структуры и последовательности. Такие модели в теории моделирования названы имитационными. Имитационные модели, позволяющие достаточно просто и точно учитывать любые элементы системы, их параметры,

нелинейные характеристики и т.п., наиболее полно подходят для исследования МС на базе СРМ и СИМ.

В связи с изложенным, тема, связанная с исследованием и разработкой нетрадиционных типов ЭМ модульной конструкции и МПС на их базе, методов их расчета и проектирования, выполненных с использованием современных компьютерных технологий, ориентированных на определение оптимальных параметров машины и алгоритмов управления ею, весьма актуальна.

Цель работы

Исследование и разработка аксиально-радиальной дисковой электрической машины модульной конструкции и комплексной приводной мехатронной системы на ее базе, а так же универсальной методики расчета и проектирования таких машин и систем в широком диапазоне мощностей.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

проанализированы структуры дисковых ЭМ, выделены наиболее перспективные;

проанализирован принцип модульности, реализуемый в дисковых и цилиндрических конструкциях ЭМ, выделены положительные и отрицательные особенности;

проанализированы методы проектирования СРМ и СИМ, выделены их положительные и отрицательные особенности;

разработана конструкция электромагнитного модуля машины;

предложена методика проектирования аксиально-радиальных дисковых ЭМ модульной конструкции (модульных ЭМ), основанная на использовании программных пакетов класса CAD, САЕ и графических сред имитационного моделирования;

выполнены расчеты локальных и интегральных величин магнитных полей (потоков, индуктивностей, электромагнитных сил) в модуле посредством моделей САЕ-системы; разработана и защищена патентом на изобретение конструкция аксиально-радиальной дисковой модульной ЭМ (МЭМ);

выполнены расчеты электромагнитного момента МЭМ в конструктивном исполнении МСРМ и МСИМ;

разработано математическое описание МЭМ, основанное на интеграции параметров электромагнитного поля, полученных методом конечно-элементного анализа (КЭА);

разработаны математические описания и структурные компьютерные модели МСРМ и МСИМ и МПС на их основе, проведены исследования динамических режимов работы на моделях;

разработан и изготовлен лабораторный макетный образец комбинированной модульной машины, сочетающий в одном конструктивном исполнении СРМ и СИМ;

выполнено сравнение расчетных данных, полученных на компьютерной модели, и экспериментальных данных, полученных на лабораторном макете;

разработан и изготовлен макетный образец силового модуля управления МСРМ и МСИМ.

Научная новизна

создана методика расчета параметров магнитных полей в трехмерной CAD-модели

электромагнитного модуля и аксиально-радиальной дисковой МЭМ в различных

вариантах конструктивного исполнения методом КЭА CAE-системы, а так же ее

характеристик;

определены конфигурации машин, пригодные для практической реализации;

разработаны математические и структурные компьютерные модели МСРМ и МСИМ и

МПС на их основе, методика построения которых основывается на интеграции данных,

полученных методом КЭА;

представлены результаты модельного исследования динамических характеристик МС с

модульными машинами;

представлен алгоритм проектирования системы управления МЭМ.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость результатов заключается в разработке структур модульных СРМ, СИМ и МС на их основе, в исследовании их статических и динамических характеристик.

Практическую значимость представляет предложенная методика проведения расчетов параметров магнитного поля в модульных машинах, конструкторско-технологические решения для создания различных вариантов исполнения данных устройств, математические и структурные компьютерные модели для сопровождения разработки и исследования новых конструкций модульных машин, способ и алгоритм разработки системы управления машиной, результаты экспериментальных исследований МЭМ в составе МС.

Использование указанных результатов в ОАО «Ковровский электромеханический завод» позволило создать дополнительное направление в разработке и развитии электроприводной техники на предприятии и создать научно-технический задел для выполнения данных работ, повысить качество и эффективность проектирования электромеханики существующих образцов электроприводов и сократить затраты на проведение научно-исследовательских работ по созданию электромеханики привода.

В настоящий момент лабораторный макетный образец МПС на базе комбинированной МЭМ используется на кафедре «Электротехника» (О8) БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова в исследовательских и экспериментальных целях.

Методы исследования

Для решения поставленных задач были использованы следующие методы:

информационного поиска, систематизации данных;

аналитического расчета магнитных цепей;

численного расчета магнитных полей;

математического и компьютерного моделирования электромеханических систем;

проектирования систем автоматического управления;

модельно-ориентированного проектирования.

Метод информационного поиска и систематизации данных применялся для выбора, структурирования и анализа публикаций и патентов. Метод аналитического расчета магнитных цепей применялся при расчете параметров магнитных полей модуля посредством схем замещения, подобных электрическим, с использованием вычислительной среды Matlab. Метод численного расчета электромагнитных полей применялся для вычисления параметров магнитной системы МЭМ, с минимальным количеством допущений и максимальной достоверностью, в пакете КЭА Ansys Maxwell. Методы математического и компьютерного моделирования электромеханических систем и проектирования систем управления потребовались при создании математической и структурной компьютерной модели МС на ее базе МЭМ, включающей параметры ее магнитной системы, и способа формирования алгоритмов управления. Структурная компьютерная модель разработана в программном комплексе Matlab-Simulink. Метод модельно-ориентированного проектирования применялся при разработке системы управления модульной машиной в среде Matlab-Simulink для микроконтроллера STM32F407VG фирмы «STMicroelectronics» и цифрового сигнального процессора TMS320F28335 фирмы «Texas Instruments Inc.».

Степень достоверности и апробация результатов

Степень достоверности результатов обеспечивается обоснованным выбором и корректностью применяемых в работе теоретических положений, математических методов расчета, проектирования и анализа, программных комплексов, а так же подтверждается результатами экспериментальных исследований, выполненных автором лично.

Основные положения диссертационной работы докладывались и неоднократно обсуждались на заседаниях кафедр «Мехатроника и робототехника» (Н1) и «Электротехника» (О8) БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова, г. Санкт-Петербург; на открытом заседании кафедры «Системы приводов, мехатроника и робототехника» (И8) БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова, г. Санкт-Петербург, с участием специалистов кафедр: «Электротехника и электрооборудование судов» СПбГМТУ, г. Санкт-Петербург, «Управление в технических системах» СПбГУАП, г. Санкт-Петербург, «Управление и информатика» НИУ «МЭИ», г.

Москва, «Автоматизация и робототехника» ОмГТУ, г. Омск, «Автоматизация производственных процессов» КарГТУ, г. Караганда; на заседании кафедры «Электротехника и электрооборудование судов» СПбГМТУ, г. Санкт-Петербург, а так же на IX Международной (XX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2016 (ICPDS’2016), г. Пермь.

Результаты работы обсуждались на научно-технических советах ОАО «Силовые машины» (Завод «Электросила»), г. Санкт-Петербург, ФГНАУ «Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технический кибернетики» (ЦНИИ РТК), г. Санкт-Петербург, и ОАО «Ковровский электромеханический завод» (ОАО «КЭМЗ»), г. Ковров.

Теоретические положения и результаты экспериментальных исследований использованы в учебном процессе БГТУ "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова, г. Санкт-Петербург, на кафедре "Прикладная механика, автоматика и управление" (И8), а именно в лекционных курсах "Мехатронные интеллектуальные системы" и "Моделирование мехатронных и робототехнических систем" программы подготовки бакалавров по направлению 15.03.06 "Мехатроника и робототехника".

Результаты работы внедрены в рамках договора на выполнение НИР №ВТР/МЭМ от 01.04.2012 г. между БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова, г. Санкт-Петербург и ОАО «Ковровский электромеханический завод», г. Ковров.

Положения, выносимые на защиту

конструкция электромагнитного модуля и специфика построения аксиально-радиальных дисковых МСРМ и МСИМ;

методика расчета и анализ параметров магнитного поля и характеристик МЭМ различных конструкций;

математические модели МЭМ;

структурные компьютерные модели МС на базе МСРМ и МСИМ;

методика расчетно-экспериментального исследования МЭМ и МС на их основе, выполненная с использованием структурных компьютерных моделей, наиболее полно учитывающая их специфику работы. Оптимизация параметров на стадии проектирования;

алгоритм разработки системы управления МЭМ средствами модельно-ориентированного проектирования;

лабораторный макетный образец МС на базе комбинированной МЭМ, с помощью которого проведены исследования характеристик и испытания.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений, списка литературы и приложений. Работа изложена на 215 страницах и содержит 174 страницы основного текста, 130 рисунков, 5 таблиц, 9 приложений. Список литературы включает 142 наименования.

Методы проектирования синхронных реактивных и индукторных машин аксиально-радиальной дисковой конструкции

Электрическая машина (далее – ЭМ) является одним из основных элементов любого электромеханического устройства. Улучшение его характеристик непосредственно связано с совершенствованием ЭМ, в частности, с оптимизацией процесса электромеханического преобразования энергии (далее – ЭМПЭ). Долгое время решение этой задачи прочно связывалось с применением более эффективных материалов, технологий производства и конструктивных решений, но требования, предъявляемые к современным электромеханическим устройствам и ЭМ в их составе, продолжают расти, а резервы повышения их показателей и характеристик только за счет перечисленных инструментов в определенной степени исчерпаны [8].

Рост эффективности электромеханического преобразования связан с непосредственным управлением этим процессом, что обуславливает переход от традиционных ЭМ, применяемых как самостоятельное устройство, к системам регулируемого электропривода. Система управления в них осуществляет управление преобразованием энергии, но не является неотъемлемой частью. Такие приводы ориентированы на применение в случаях резко переменного (“рваного”) характера нагрузки и не обеспечивают универсального повышения эффективности преобразования энергии [1, 8]. В определенном смысле, регулируемый электропривод с традиционными ЭМ отражает эволюционный ход развития электромеханики.

Качественный скачок в этом направлении характеризуется разработкой интеллектуальных ЭМПЭ, которые одновременно осуществляют и преобразование энергии, и управление ею. Данные устройства представляют собой, с одной стороны, ЭМ, а с другой – интегрированную мехатронную систему с силовым полупроводниковым преобразователем, датчиком положения ротора и микропроцессорной системой управления [7, 21]. Их особенность состоит в том, что алгоритм управления непосредственно влияет на процесс преобразования энергии ЭМ, а система управления является её неотъемлемой частью. Это открывает широкие возможности в сфере разработки алгоритмов управления и использования принципиально новых типов ЭМ.

Интеллектуальными видами ЭМПЭ, наиболее перспективными на сегодняшний день, следует считать мехатронные приводные системы, разработанные на базе ЭМ с электромагнитным возбуждением и самовозбуждением, а именно, синхронной реактивной и синхронной индукторной машине.

Следует отметить, что данные термины не являются устоявшимися для машин этих классов, а в мировой технической литературе существует много других названий, например: управляемая вентильная реактивная машина, коммутируемая реактивная машина с переменным магнитным сопротивлением (SRM – Switched Reluctance Machine), электронно-коммутируемая машина, бесконтактная реактивная машина, машина с электромагнитной редукцией [8], вентильно-индукторная или синхронно-реактивная машина с независимым управлением по каналу возбуждения (FRRM – Field Regulated Reluctance Machine) [1, 9, 10], реактивная индукторная машина [21], магнитокоммутационная машина [11-16] и др.

ЭМ с магнитоэлектрическим возбуждением, которые к настоящему времени получили широкое распространение [6, 7, 10, 19, 26, 27, 35, 36, 57, 58] благодаря использованию высокоэнергетических постоянных магнитов, имеют высокие удельные показатели, доходящие до 1 – 3 кг/кВт для высокоскоростных и 0.7 – 2 кг/Нм для моментных (низкоскоростных) машин общепромышленного назначения [7] при естественном охлаждении, а в отдельных случаях, превосходящие эти показатели. Для сравнения, удельные показатели лучших образцов асинхронных машин с рабочей линейной частотой 50 Гц достигают 2-5.75 кг/кВт. Это явное преимущество перекрывается постоянно растущей стоимостью редкоземельных металлов (неодима – Nd, самария – Sm, диспрозия – Dy), применяемых для изготовления высокоэнергетических постоянных магнитов.

По данным [28 – 30, 65] около 75-80% производства постоянных магнитов сконцентрировано в Китайской народной республике (КНР), 17% в Японии, а остальная доля – в Европе. Большая часть произведенного в КНР материала потребляется на внутреннем рынке, а с появлением у нее государственных программ по производству электротранспорта и развитию ветроэнергетики, эта доля растет, т.к. ЭМ, утвержденные к применению по данным программам, магнитоэлектрического типа [63, 64, 66]. Например, в качестве тяговых двигателей по государственной программе 2009 года «Ten cities, one thousand vehicles» («10 городов, тысяча транспортных средств»), на первом трехгодичном этапе ее развития, рассматривались синхронные ЭМ с постоянными магнитами на роторе, мощность которых для электрического городского транспорта составляла 90 – 200 кВт, для легковых пассажирских автомобилей – 3 – 90 кВт, при среднем КПД 94% и удельной мощности 2.68 кВт/кг, с объемом потребления 10 тысяч штук в год [62, 63].

Выход программ на расчетную мощность может привести к нехватке материала, предназначенного для экспорта и, следовательно, к росту его стоимости. Это обстоятельство так же подтверждают и квоты, введенные правительством КНР на экспорт редкоземельных материалов [28, 65]. На рисунке 1.1 [30] представлено изменение объемов мирового потребления магнитов и их компонентов (Nd, Dy) за период с 2010 по 2015 гг. различными отраслями промышленности.

Расчет электромагнитного модуля аналитическим методом в двумерной постановке задачи [103, 109]

Электромагнитный модуль (рисунок 2.1) представляет собой конструкцию, состоящую из двух П-образных магнитомягких ферромагнитных ленточных сердечников (магнитопроводов) трансформаторного типа закрепленных неподвижно в одной плоскости таким образом, что торцы их зубцов расположены друг напротив друга, образуя зазор. В зазоре между торцами зубцов сердечника находится подвижный элемент модуля – индуктор. В одном из конструктивных исполнений индуктор представлен двумя элементами, неподвижными относительно друг друга, расположенными между каждой из пар противоположных зубцов разноименных сердечников на равном расстоянии от их торцов (рисунок 2.1а), в другом – одним элементом, расположенным между всеми зубцами сердечников на равном расстоянии от их торцов (рисунок 2.1в). В обоих вариантах элементы индуктора могут быть выполнены из шихтованного или цельного магнитомягкого ферромагнетика. Индуктор является частью конструкции, имеющей подвижность в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения сердечников. На каждом из зубцов (рисунки 2.1а, 2.1в) или паре противоположных зубцов (рисунки 2.1б, 2.1г) разноименных сердечников модуля закреплены бескаркасные концентрические сосредоточенные катушки. Катушки могут быть соединены в обмотки в электрическом отношении как последовательно, так и параллельно, в магнитном отношении – как согласно, так и встречно. Согласное соединение катушек в магнитном отношении допустимо только для индуктора, представленного одним элементом конструкции (рисунки 2.1в, 2.1г). Сердечник Катушка

Конструктивные исполнения электромагнитного модуля. В [97] определены основные размеры ленточных магнитопроводов (сердечников) П-образной конструкции, предназначенные для использования в электротехнических устройствах и выпускаемые промышленностью серийно (рисунок 2.2).

Размеры П-образного сердечника в соответствии с [97] (место реза не показано). Для расчета и анализа в качестве базовой конструкции выбран разрезной магнитопровод типа ПЛ20x20x80, имеющий следующие размеры: a = 20 мм, b = 20 мм, c = 32 мм, h = 80 мм. Фотография магнитопровода модуля представлена на рисунке 2.3. Рис. 2.3. Магнитопровод модуля.

В качестве материала магнитопровода (сердечников) выбрана лента толщиной 0.3 мм из электротехнической холоднокатаной анизотропной стали с ребровой текстурой [98] марки 3406 [99, 100] с электроизоляционным термостойким покрытием и коэффициентом заполнения при навивке 0.96 [98].

Преимущество данной стали в высокой магнитной индукции и низких удельных магнитных потерях (Pуд = 1.33 Вт/кг при величине магнитной индукции 1.7 Тл и частоте перемагничивания 50 Гц) вдоль направления прокатки, совпадающего с направлением навивки магнитопровода, что, в свою очередь, снижает расход стали на единицу мощности и намагничивающую мощность [100]. Снижение величины удельных потерь объясняется узкой петлей гистерезиса (±Hmin = ±7.5 А/м), возникающего при перемагничивании сердечника, и малой величиной вихревых токов, индуцируемых в витках тонкой ленты [101]. Технико-экономический анализ электротехнических анизотропных холоднокатаных сталей марок 3406, 3407, 3408, 3409, по данным ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат»1 показал, что выбранная толщина и марка стали является качественным решением для изготовления магнитопровода модуля по ряду причин: 1. При удовлетворительных значениях удельных магнитных потерь, стоимость 1 тонны стали составляет 68.9 тыс. руб., что дешевле относительно базовой цены 70.5 тыс. руб., принятой для рассматриваемых марок, на 2.23 %. По данным отдела продаж ОАО «НЛМК» на сентябрь 2015, т. +7 (4742) 44-16-68. Цены указаны без учета НДС. 2. Толщина стали находится в диапазоне 0.23-0.5 мм и считается базовой.

Отклонение от базовой толщины ведет к лавинному росту цен, т.к. требуются дополнительные технологические операции при изготовлении и раскрое. Так для стали толщиной 0.28 мм рост цены составляет от 2 до 9 %, для 0.2 мм – от 8 до 18 %, для 0.15 мм – от 88 до 134 % [102]. Стали с индексом менее 6 (3405 и 3404) не рассматривались по причине роста величины удельных магнитных потерь (на 5.26 % и 12.78 % соответственно, относительно потерь стали 3406) при незначительном снижении стоимости относительно базовой.

С точки зрения оптимизации применяемого материала магнитопровода в дальнейших работах, возможен переход к стали 3408 толщиной 0.27 мм. При увеличении стоимости на 1.03 % удельные потери снижаются на 14 %, а магнитная индукция при напряженности магнитного поля 100 А/м возрастает на 5.5 %.

Индуктор модуля рассматриваемой конструкции выполнен из цельного ферромагнетика, а именно из стали конструкционной углеродистой качественной – стали 30 [103, 104]. Выбор сделан исходя из характера изменения магнитного потока, который в объеме модуля является либо постоянным, либо пульсирующим, т.е. не изменяющим своего направления при изменении амплитуды (см. гл. 3), вследствие чего потери на гистерезис незначительны [105].

Характеристики намагничивания (зависимость амплитуды магнитной индукции от амплитуды напряженности переменного магнитного поля на частоте 50 Гц) сталей в виде численных данных представлены в Таблице А.1 Приложения А и графически на рисунке 2.4 [100]. Кривая намагничивания стали 3406 приведена в направлении навивки сердечника и является максимальной для данного направления проката ленты.

Результаты моделирования модульной синхронной реактивной машины с аксиальным и радиальным потоком оптимизированного ротора

Сравнение результатов расчета (таблица 2.4) с данными раздела 2.3.1 (таблица 2.1) показывает, что аналитическая модель дает завышенные расчетные величины магнитной индукции и потока. Аналогично расчету модуля в согласованном состоянии, необходимо учитывать выпучивание магнитного потока в воздушных зазорах и наличие путей рассеяния магнитного потока с боковых поверхностей сердечников, замыкающихся на боковые поверхности соседнего зубца, как одноименного сердечника, так и противоположного сердечника, а так же замыкающихся на себя через воздушное пространство вблизи модуля.

Разницу в результатах вычисления индуктивностей следует объяснять различными подходами при расчете. Так для аналитического метода, вычисления выполняются в соответствии с выражением (2.9), а для метода КЭА – через энергию, запасенную в магнитном контуре [111].

Применение ограничения расчетной области окружностью или эллипсами для аналитического метода расчета следует считать корректным, о чем свидетельствует картина распределения изолиний магнитного потока в модели КЭА (рисунок 2.16б).

Как видно из выражений (2.9) и (2.11), результирующая индуктивность катушек зависит от магнитных сопротивлений компонентов модуля, включая магнитные сопротивления воздушных зазоров. Магнитные сопротивления воздушных зазоров, в свою очередь, являются функциями пространственного положения элементов индуктора относительно зубцов сердечников модуля, а именно, величин воздушных зазоров и площадей перекрытия торцов зубцов сердечников и элементов индуктора.

В согласованном положении воздушные зазоры Lgap между зубцами и вставками минимальны, следовательно, магнитное сопротивление Rair данных участков так же минимально, что увеличивает магнитный поток в объеме модуля. С ростом тока в катушках магнитные сопротивления сердечников Rcore и элементов индуктора Rins изменяются в соответствии с кривыми намагничивания сталей, из которых изготовлены, что приводит к насыщению магнитной цепи и снижению индуктивности (рисунок 2.15в).

В рассогласованном положении напротив, воздушные зазоры Lgap между зубцами сердечников максимальны, суммарное магнитное сопротивление модуля увеличивается и снижает магнитный поток в объеме модуля. Рост тока катушек изменяет величину магнитного потока только в линейной зоне кривой намагничивания сердечников и, следовательно, не оказывает влияния на индуктивность модуля (рисунок 2.18в).

Таким образом, результирующая индуктивность является функцией тока /, питающего катушки модуля и координаты х, характеризующей пространственное положение элементов индуктора относительно зубцов сердечников модуля. С использованием вычислительных средств пакета КЭА Ansys Maxwell рассчитывается семейство характеристик L(i, х) при токе /, изменяющимся от 1 до 20 А, и положении элементов индуктора х, изменяющимся от согласованного до рассогласованного. Семейство характеристик L(i,x) в графическом виде представлено на рисунке 2.19, в табличном виде в Приложении В.

В разделе 2.4 представлены результаты расчета магнитной индукции, индуктивности и силы тяжения электромагнитного модуля для различных значений тока в катушках и положении элементов индуктора относительно сердечников, полученные в двухмерной постановке задачи расчёта электромагнитного поля методом КЭА. Отсутствие допущений, принятых для аналитического расчета, и высокая степень сходимости результатов позволили сделать вывод о возможности применения метода КЭА в дальнейших расчетах и исследованиях разрабатываемой конструкции ЭМ. Однако полученные результаты считать достоверными некорректно по причине двухмерности рассчитываемого объекта, а именно допущения, связанного с данной постановкой задачи. В классической теории ЭМ части фазных обмоток, расположенные вне паза статора, принято называть лобовыми. Лобовые части не оказывают существенного влияния на величину магнитного потока в процессе электромагнитного преобразования энергии и, по сути, являются электрическим проводником между частями обмотки, уложенными в пазах статора машины [21]. Это суждение в большей степени справедливо для ЭМ ЦК с распределенной обмоткой статора, т.к. такие машины имеют размер статора в аксиальном направлении больший или сопоставимый с размером его наружного диаметра. Поэтому расчет и анализ сечения магнитной системы ЭМ, сделанного перпендикулярно оси, позволяет получать достоверные результаты в двухмерной постановке задачи. Сокращение длины машины и переход к структуре сосредоточенных зубцовых катушек обмоток фаз может привести к недостоверным результатам расчета [77, 78].

Лабораторный макет мехатронной приводной системы

Критерием оптимизации решаемой задачи будем считать максимум момента машины в диапазоне углов перемещения ротора m = 0 – 10 при движении от согласованного к рассогласованному положению относительно зубцов модуля сектора фазы A с шагом 1. Питание катушек фаз осуществляется током i амплитудой I=20А в соответствии с алгоритмом коммутации (рисунок 3.6). В магнитном отношении верхняя и нижняя катушки секций фаз соединены согласно, т.е. магнитный поток в роторе МСРМ аксиальный. В качестве модели используется ротор зубцово-пазовой конструкции, изменение толщины h которого производится только по площади, эквивалентной площади зубца сердечника, не затрагивая «перемычек» между ними и основания, в диапазоне от 10 до 25 мм с шагом 1 мм.

Рисунок 3.17 показывает общий вид расчетной модели (половина сектора МСРМ в аксиальном направлении) и характер распределения индукции магнитного поля в сердечниках модулей фаз. Зубцы отстоят от согласованного положения с сердечником фазы A на угол 7 град., когда еще включена фаза C и уже включилась фаза B. Графики электромагнитных моментов Te(ik,0m,hn)\i=2OA, развиваемых сердечниками трех фаз сектора МСРМ и являющихся массивом решений поставленной задачи, представлены на рисунке 3.18.

Анализ массива решений Te{ik,0m,hn)\i=2QA позволяет сделать вывод, что для рассматриваемой задачи оптимальная толщина ротора составляет 20 мм. Дальнейшее утолщение конструкции ротора приводит к незначительному росту электромагнитного момента вращения, увеличивая при этом момент инерции.

Аналогичная задача может быть решена для случая, когда верхняя и нижняя катушки секций фаз в магнитном отношении включены встречно, т.е. магнитный поток в роторе МСРМ радиальный. При этом, паразитные потоки, замыкающиеся на одноименные зубцы противоположного сердечника модуля вне зубцов ротора, отсутствуют, так как зубцы противоположных сердечников имеют одинаковую полярность. Решение задачи направлено на поиск оптимальной толщины ротора, при которой не происходит его насыщения при питании катушек максимальным током.

Рисунок 3.19 показывает общий вид расчетной модели (половина сектора МСРМ в аксиальном направлении) и характер распределения индукции магнитного поля в сердечниках модулей фаз. В качестве модели ротора используется ротор зубцово-пазовой конструкции, изменение толщины h которого производится по всей площади зубца сердечника, не затрагивая «перемычек» между ними, в диапазоне от 10 до 25 мм с шагом 1 мм. Графики электромагнитных моментов вращения Te{ik,0m,hn)\i=2OA , развиваемых сердечниками трех фаз сектора МСРМ, представлены на рисунке 3.20.

Графики электромагнитных моментов вращения Te{ik,0m,hn)\i Анализ массива решений Te(ik,вm,hn)\i=20A (рисунок 3.20) позволяет сделать вывод: для рассматриваемой задачи оптимальная толщина ротора составляет 24 мм, так как дальнейшее ее увеличение приводит к снижению максимального момента и к незначительному росту среднего момента на рассматриваемом периоде.

Средний момент вращения Te_avg по графику рисунка 3.20 равен 15.18 Нм, пиковый момент Te_pk = 22.34 Нм, величина пульсаций момента (pk-pk) Te_ripple = 11.83 Нм или 0,53Te_pk.

По результатам рассмотренных примеров может быть предложен следующий алгоритм оптимизации конструкции ротора МСРМ: 1. Определение критерия оптимизации: максимум момента, минимум пульсаций момента, максимум момента при минимуме момента инерции ротора; 2. Определение расчетного диапазона величин и их дискретности; 3. Формирование параметрической модели, изменяющей физические и геометрические параметры элементов машины в заданных диапазонах; 4. Расчет и сохранение массива решений с заданной дискретностью; 5. Выбор оптимального решения в соответствии с критериями оптимизации; 6. Корректировка геометрии в соответствии с оптимальным решением. Анализ графиков электромагнитных моментов рисунка 3.18 МСРМ с аксиальным магнитным потоком ротора позволяет сделать вывод, что значительная часть магнитного потока при малой толщине ротора является паразитным и замыкается вне главного магнитного потока модулей, минуя зубец ротора, т.е. не участвует в электромеханическом преобразовании энергии, снижая величину момента вращения ротора. При заранее определенной геометрии П образного сердечника, выпускаемого серийно [199], крайне сложно исключить или минимизировать паразитные потоки, замыкающиеся на боковые поверхности соседних зубцов одноименного сердечника и на себя через воздушное пространство вблизи модуля, но возможно минимизировать потоки, замыкающиеся на зубцы противоположного сердечника, минуя зубцы ротора. Увеличение толщины ротора, главным образом зубцов, и/или увеличение/уменьшение их ширины снижает или исключает величину паразитных потоков.

В разделе 3.5.1 предложена технология получения максимального момента МСРМ, реализуемая путем увеличения толщины ротора и минимизацией паразитных путей замыкания линий магнитного поля для машины с аксиальным потоком или обеспечения требуемого сечения зубца ротора потоку сердечников модуля фазы для машины с радиальным потоком. Рисунки 3.18 и 3.20 показывают, что увеличение момента машины практически не влияет на величину пульсаций, которые составляют до 50% от его максимального значения. Изменение ширины зубца ротора и/или придание ему трапецеидальной формы с малым основанием, расположенным ближе к валу машины, является одним из конструктивных способов минимизации пульсаций момента машины. Алгоритм оптимизации конструкции ротора, предложенный в разделе 3.5.1, позволяет выполнить оптимизацию ширины зубца ротора.

На рисунке 3.21а показан сектор модели ротора, имеющего геометрические размеры зубца в соответствии с рисунком 3.21б, полученного в результате оптимизации и обеспечивающего работоспособность МСРМ как с аксиальным потоком, так и радиальным.