Кафедра электротехники и Э.М
ФГБОУ ВПО «КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра электротехники и Э.М
НАУЧНАЯ РАБОТА
На тему «Вентильные электрические машины с аксиальным магнитным потоком»
Автор: Бондаренко Василий Васильевич,2 курс, группа 11-МБ-ТМ1
Научный руководитель: Кашин Яков Михайлович, к.т.н., доцент
тел. 8-965-470-14-96; [email protected]
Краснодар, 2013
Содержание
Введение…………………………………………………………………………3
1.1 Степень научной разработанности проблемы…..…………..….…………..4
1.2 Основные научная проблема разработки ВАМП…………………………..6
1.3 Обоснование актуальности темы исследования……………………………7
1.4 Практическая значимость……………………………………………………9
1.5 Конструкция ВД……………………………………………………………...10
1.6 Сравнение ВД………………………………………………………………...11
1.7 Достоинства и недостатки ВД………………………………………………12
1.7.1 Достоинства ВД……………………………………………………….12
1.7.2 Недостатки ВД………………………………………………………..14
Экспериментальная часть....................................................................................15
2.1 Цели и задачи исследования…………………………………………...15
2.2 Преимущество ВАМП………………… ………….……......................16
2.3 Разработка математической модели расчета ВМАП………………...18
2.4 Многоуровневой оптимизации ВМАП………………………………..19
Заключение……………………………………………………...……………..22
Список использованных источников……………………………………...….23
Введение
Вентильный двигатель — электрическая машина постоянного тока, в которой механический коллектор заменён полупроводниковым коммутатором (ПК), возбуждение осуществляется от постоянных магнитов, размещенных на роторе; а статорная обмотка, как в синхронной машине. ПК по сигналам логического устройства поочерёдно, в определённой последовательности, попарно подключает фазы электродвигателя к источнику постоянного тока, создавая вращающееся поле статора, которое, взаимодействуя с полем постоянного магнита ротора, создаёт вращающий момент электродвигателю.
Это синхронный двигатель, основанный на принципе частотного регулирования с самосинхронизацией, суть которого заключается в управлении вектором магнитного поля статора в зависимости от положения ротора. Вентильные двигатели (в англоязычной литературе BLDC или PMSM) ещё называют бесколлекторными двигателями постоянного тока (БДПТ), потому что коллектор такого двигателя обычно питается от постоянного напряжения. Применение бесколлекторных двигателей имеет весьма широкий спектр, от двигателей вращения CD/DVD дисководом и до индустриального оборудования. Бесколлекторные двигатели нашли свое применение даже в космической индустрии.
Благодаря своей долговечности, обеспеченной малым количеством трущихся частей, и высокой тяговитости бесколлекторные гораздо более надежны и эффективны. Примером применения бесколлекторных двигателей может быть их работа в качестве силовой установки на летающих, ездящих и плавающих моделях (модельные двигатели), в том числе и радиоуправляемых. Моделисты всех направлений практически на 95% используют их на своих моделях самолетов, вертолетов и катеров. Зачастую эффективность бесколлекторных двигателей и их тяговитость на 30-40% процентов выше чем у ДВС.
Практическая значимость
Основным практическим результатом проведенных теоретических исследований является разработка программного комплекса анализа и синтеза ВМАП., который показал свою эффективность при разработке ряда конкретных коммерческих проектов. Он представляет собой эффективный инструмент проектирования, который позволяет:
– облегчить сложную инженерную работу по проектированию целого класса электрических машин;
– повысить качество проектных работ при сокращении сроков их выполнения;
– сократить число циклов макетирования образцов.
Дополнительно можно отметить следующее практическое значение проведенных исследований:
1) выявлено, что с точки зрения увеличения электромагнитного момента целесообразно увеличивать число фаз для всех типов коммутации;
2) доказано, что для всех моделей наиболее эффективной по развиваемому электромагнитному моменту и КПД является 180-градусная коммутация для любого количества фаз и при любом значении полюсной дуги;
3) доказана эффективность метода оптимизации, который сочетает в себе метод покоординатного спуска (Гаусса-Зейделя) и метод Фибоначчи.
Данный метод можно рекомендовать для проведения оптимизационных расчетов электромеханических устройств;
4) разработаны инженерные методики расчета ВМАП различных исполнений на основе использования номограмм по выбору основных размеров;
5) разработанный программный комплекс можно использовать для построения законченной САПР для сквозных технологий проектирования электромеханических устройств.
Конструкция ВД
Конструктивно БДПТ напоминают синхронные двигатели переменного тока: магнитный ротор вращается в шихтованом статоре с трехфазными обмотками. Но обороты являются функцией от нагрузки и напряжения на статоре. Эта функция реализована с помощью переключения обмоток статора в зависимости от координат ротора. Для торможения и реверсаБДПС не нужна мостовая схема реверса питания - достаточно подавать управляющие импульсы на обмотки статора в обратной последовательности.
БДПТ существуют в исполнении с отдельными датчиками на роторе и без отдельных датчиков. В качестве отдельных датчиков применяются датчики Холла. Если выполнение без отдельных датчиков, то в качестве фиксирующего элемента выступают обмотки статора. При вращении магнита, ротор наводит в обмотках статора ЭДС, в результате чего возникает ток. При выключении одной обмотки измеряется и обрабатывается сигнал, который был в ней наведен. Этот алгоритм требует процессора обработки сигналов.
В вентильном двигателе индуктор находится на роторе (в виде постоянных магнитов), якорная обмотка находится на статоре (синхронный двигатель). Напряжение питания обмоток двигателя формируется в зависимости от положения ротора. Если в двигателях постоянного тока для этой цели использовался коллектор, то в вентильном двигателе его функцию выполняет полупроводниковый коммутатор (датчик положения ротора (ДПР) с инвертором).
Основным отличием ВД от синхронного двигателя является его самосинхронизация с помощью ДПР, в результате чего у ВД, частота вращения поля пропорциональна частоте вращения ротора. Статор имеет традиционную конструкцию и похож на статор асинхронной машины. Он состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и медной обмотки,уложенной в пазы по периметру сердечника. Количество обмоток определяет количество фаз двигателя. Для самозапуска и вращения достаточно двух фаз — синусной и косинусной. Обычно ВД трёхфазные, реже- четырёхфазные.
По способу укладки витков в обмотки статора различают двигатели имеющие обратную электродвижущую силу трапецеидальной (BLDC) и синусоидальной (PMSM) формы. По способу питания фазный электрический ток в соответствующих типах двигателя также изменяется трапецеидально или синусоидально
Ротор изготавливается с использованием постоянных магнитов и имеет обычно от двух до восьми пар полюсов с чередованием северного и южного полюсов.
Вначале для изготовления ротора использовались ферритовые магниты. Они распространены и дёшевы, но им присущ недостаток в виде низкого уровня магнитной индукции. Сейчас получают популярность магниты из сплавов редкоземельных элементов, так как они позволяют получить высокий уровень магнитной индукции и уменьшить размер ротора.
Определение ВД тесно связано с базовой функциональной схемой ВД (рис.1).
 Рис.1. Базовая функциональная схема ВД | Можно выделить четыре основных элемента ВД 1) Электромеханический преобразователь (электрическая машина ЭМ). 2) Инвертор, выполняющий функции коммутатора, подключающий и отключающий фазы электродвигателя от источника питания по определенному алгоритму. Отдельно выделена в виде блока силовая часть - К. 3) Датчик положения ротора ДПР (может отсутствовать как отдельный элемент ВД в том случае, если положение ротора определяется по кривой ЭДС). 4) Система управления ключами инвертора СУ, обрабатывающая сигналы, поступающие с датчика положения ротора и других датчиков. |
Сравнение ВД
Достоинства и недостатки ВД
Достоинства ВД
ВД обладают основными достоинствами КДПТ и АД и не имеют их недостатков. Часть достоинств ВД зависит от типа электрической машины, применяемой в ВД.
Перечислим достоинства ВД на базе синхронных машин с возбуждением от высококоэрцитивных постоянных магнитов Nd-Fe-B :
1) Бесконтактность и отсутствие узлов, требующих обслуживания (нет щеточно-коллекторного узла и контактных колец).
Это достоинство присуще также АД с короткозамкнутым ротором и отсутствует у КДПТ и АД с фазным ротором.
Как следствие:
1.1) Существенно повышается ресурс и надежность электропривода. Наработка на отказ составляет 10000 ч и более.
1.2) Упрощается эксплуатация двигателя.
У КДПТ изнашиваемость щеток при эксплуатации требует проверки их состояния и замены через определенное время.
1.3) Появляется возможность использования ВД во взрывоопасной и агрессивной среде [13]. Также отсутствуют все те недостатки, о которых было сказано в разделе КДПТ.
2) Вентильная коммутация тока в обмотках допускает значительное напряжение между выводами — до нескольких тысяч вольт. Обычный механический коллектор удовлетворительно работает при напряжении между коллекторными пластинами не более 30—32 В (максимальное допустимое 37—42 В) [24].
3) Широкие возможности по регулированию выходных показателей электропривода при относительной простоте реализации системы управления.
Другими словами: Простота реализации различных видов механических характеристик, требуемых исполнительными механизмами.
Превосходит по этому качеству АД (у ВД возможно эффективное управление по напряжению), частотно-управляемый АД (у ВД более простая схема преобразователя) и ДПТ (возможность векторного управления).
3.1) Обеспечивается широкий диапазон регулирования частоты вращения (до 1:10000 и более).
3.2) Имеется возможность оптимизации режимов работы при изменении скорости и нагрузки. Это также способствует повышению ресурса электродвигателя и всего агрегата.
4) Большая перегрузочная способность по моменту (кратковременно кратность максимального момента равна 5 и более).
Отсутствует у АД.
5) Высокие энергетические показатели (КПД и соsφ).
5.1) КПД вентильных двигателей могут превышать 90%, Соsφ ВД – более 0,95 [13].
У АД максимальный КПД составляет не более 86%.
Высокий КПД обусловлен тем, что основные электрические и магнитные потери в роторе ВД с возбуждением от постоянных магнитов отсутствуют. Также мал ток холостого хода.
Высокий соsφ обеспечивается рациональным выбором угла включения фазы. А это может быть достигнуто путем соответствующей настройки датчика положения ротора или при векторном управлении.
5.2) КПД вентильного двигателя мало меняется при изменении нагрузки и при колебаниях напряжения питающей сети.
У АД КПД более существенно зависит от изменения нагрузки и напряжения питания (момент пропорционален напряжению в квадрате).
6) Два следствия п.5.
6.1) Более низкий перегрев ВД по сравнению с АД при одинаковой мощности и одинаковых размерах.
Перегрев в этом случае зависит от потерь, величина которых тем меньше, чем выше КПД и соsφ.
6.1.1) Это увеличивает ресурс изоляционных материалов, а значит и срок службы электропривода в целом.
6.1.2) Это позволяет электроприводу работать в нестандартных режимах с возможными перегрузками.
6.2) Меньшие масса и габаритные размеры.
Более высокий КПД и соsφ, то есть меньшие потери, позволяют для фиксированной мощности спроектировать двигатель меньших размеров по сравнению с АД. Это обеспечивается возможностью реализации более высоких значений линейной нагрузки и тех же значений индукций в воздушном зазоре (порядка 0,6-0,8 Тл) (при использовании высококоэрцитивных магнитов).
7) Следствие п.4 и п.6.2.
Высокое быстродействие; точность позиционирования [13].
Обусловлено малой массой, а значит малым моментом инерции ротора и большим пусковым моментом.
8) Минимальное значение токов холостого хода.
Отсутствует у АД, у которых он расходуется на проведение магнитного потока.
Позволяет достаточно точно измерять нагрузку на привод (пропорциональную току) и оптимизировать режим работы.
9) Линейность характеристик.
Присуще КДПТ и отсутствует у АД.
Недостатки ВД
1) В отличие от коллекторного ДПТ вентильный двигатель имеет мало секций в обмотке якоря, что приводит к наличию пульсаций в картине электромагнитного момента
Способы снижения пульсаций электромагнитного момента:
- использование многофазных ВД
- подбор формы фазных токов
- выбор рациональной геометрии зубцовой зоны
- введение скоса пазов статора или дискретного скоса на роторе.
2) Наличие позиционной обратной связи и необходимость наличия специального датчика положения ротора.
До недавнего времени этот недостаток препятствовал широкому распространению вентильных электроприводов в оборудовании, где электродвигатель и станция управления им находятся на значительном расстоянии или в оборудовании, которое подвергается значительным механическим воздействиям вибрационного и ударного характера. В настоящее время эта проблема решается при бездатчиковом способе управления вентильными электроприводами, когда информацию о положении ротора получают из сигнала по напряжению в фазных обмотках.
3) Относительно более сложная система управления двигателем.
4) Высокая стоимость двигателя при использовании дорогостоящих постоянных магнитов в конструкции ротора.
5) Электронный блок имеет большие размеры и стоимость, по сравнению с механическим скользящим контактом.
Эти недостатки, а также инерционность, присущая при внедрении новой техники обусловили то, что электропривод с ВД в течение трех десятилетий пока так и не смог полностью вытеснить привод с коллекторным ДПТ во многих областях применения.
Экспериментальная часть
Цели и задачи исследования
Цель исследовательской работы заключается в разработке теоретических основ анализа и синтеза ВМАП, создании на их базе эффективного инструмента по разработке этих электрических машин и внедрении его в практику проектирования.
Для достижения этой цели необходимо последовательно решить следующие задачи:
1. Провести анализ влияния разных типов коммутации ВМАП на электромагнитный момент при произвольном числе фаз якорной обмотки.
2. Провести анализ связи электромагнитной мощности с основными размерами и электромагнитными нагрузками для ВМАП различных конструктивных исполнений и типов коммутации.
3. Разработать математическую модель расчета ВМАП на основе анализа коммутации и электромагнитной мощности.
4. Разработать методику многоуровневой оптимизации на базе математической модели, которая учитывала бы различные проектные ситуации, возникающие на практике.
5. Выбрать метод оптимизации, определить критерии оптимальности для разных уровней оптимизации.
6. На базе проведенных исследований разработать программные средства для анализа и синтеза ВМАП, ориентированные на сквозную технологию.
7. Разработать методику инженерного проектирования.
Данные исследования дополняют и расширяют существующую теорию по проектированию электрических машин этого класса.
Возможные подходы к решению проблемы Поставленную цель можно реализовать, если на базе теоретического анализа разработать программные средства, удовлетворяющие современным требованиям по проектированию изделий электромашиностроения.
Программные средства должны реализовывать широкий спектр проектных ситуаций для большого числа конструктивных исполнений.
Они должны быть ориентированы на так называемые сквозные технологии, которые подразумевают концентрацию в одном рабочем месте функций расчета и конструирования.
Следует понимать, что создание САПР – задача очень сложная и представляет собой перспективу развития, но уже сейчас при разработке методов проектирования ВМАП эти направления необходимо учитывать.
Преимущество ВАМП
Постоянное удешевление магнитных материалов, а также ускоряющееся развитие аппаратной базы систем управления и устройств силовой электроники сделали возможным применение ВД в тех областях техники, где традиционно применялись только машины постоянного тока или специальные асинхронные двигатели.
Это объясняется целым рядом конструктивных и технико-эксплуатационных преимуществ СДПМ по сравнению с другими существующими типами электрических машин, к числу которых можно отнести следующие:
- бесконтактность и отсутствие узлов, требующих обслуживания.
Отсутствие у вентильных электродвигателей скользящих электрических контактов существенно повышает их ресурс и надежность по сравнению с электрическими машинами постоянного тока или асинхронными двигателями с фазным ротором, расширяет диапазон достижимых частот вращения. Обмотка якоря СДПМ может быть запитана более высоким номинальным напряжением, поэтому конструктивная постоянная момента Cm ВД существенно превышает аналогичную величину классических машин постоянного тока, что позволяет использовать при подключении ВЭП кабели меньшего сечения и преобразователи электрической энергии на меньшие токи;
- большая перегрузочная способность по моменту (кратковременно допустимый момент и ток СДПМ могут превышать номинальные значения в 5 и более раз);
- высокое быстродействие в переходных процессах по моменту;
- абсолютно жесткая механическая характеристика и практически неограниченный диапазон регулирования частоты вращения (1:10000 и более). Возможность регулирования частоты вращения как вниз от номинальной (с постоянством длительно допустимого и максимального моментов), так и вверх (с постоянством мощности);
- наилучшие энергетические показатели (КПД и коэффициент мощности). КПД вентильных двигателей превышает 90% и незначительно отклоняется от номинального при вариациях нагрузки, в то время как у серийных асинхронных двигателей мощностью до 10 кВт максимальный КПД составляет не более 87,5% и существенно зависит от момента. Так, уже при половинной нагрузке на валу он может упасть до 60-70%;
- минимальные токи холостого хода;
- минимальные массогабаритные показатели при прочих равных условиях.
Так как основные электрические и магнитные потери в роторе СДПМ отсутствуют, а современные редкоземельные постоянные магниты, например, на основе соединения "неодим-железо-бор" способны обеспечить максимальную индукцию в воздушном зазоре даже без концентрации потока на уровне асинхронных машин (до 0,8 Тл.), в СДПМ может быть значительно повышена линейная нагрузка при сохранении суммарных потерь в машине на постоянном уровне, что и объясняет более высокую электромеханическую эффективность вентильных двигателей по сравнению с другими типами бесконтактных электродвигателей переменного тока.
Заключение
В последнее время, этот тип двигателей быстро приобретает популярность, проникая во многие отрасли промышленности. Находит применение в различных сферах использования: от бытовых приборов до рельсового транспорта.
ВД с электронными системами управления часто объединяют в себе лучшие качества бесконтактных двигателей и двигателей постоянного тока.
Достоинства:
-Широкий диапазон изменения частоты вращения
-Бесконтактность и отсутствие узлов, требующих техобслуживания — бесколлекторная машина
-Возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде
-Большая перегрузочная способность по моменту
-Высокие энергетические показатели (КПД более 90 %)
-Большой срок службы, высокая надёжность и повышенный ресурс работы за счёт отсутствия скользящих электрических контактов.
Недостатки:
-Относительно сложная система управления двигателем
-Высокая стоимость двигателя, обусловленная использованием дорогостоящих постоянных магнитов в конструкции ротора
-Во многих случаях более рациональным оказывается применение асинхронного двигателя с преобразователем частоты.
Для применений, комбинирующих максимально достижимый КПД с предельно простыми и надёжными блоками управления (ключевой коммутатор, не использующий ШИМ), можно также выделить следующую особенность: Несмотря на то, что обороты могут широко варьироваться управляющим блоком, приемлемый КПД можно получить лишь в относительно узком интервале угловых скоростей. Это определяется индуктивностью обмоток. Если скорость будет ниже оптимальной, продолжающаяся подача тока в данную фазу, после достижения предела магнитного потока, будет приводить лишь к ненужному нагреву. На скоростях выше оптимальной, магнитный поток в полюсе не достигнет максимума из-за ограниченного индуктивностью времени нарастания тока. Примерами таких двигателей являются модельные бесколлекторные комплекты. Они должны быть эффективными, лёгкими и надёжными, а для того чтобы обеспечить оптимальную угловую скорость при заданной нагрузочной характеристике, производители выпускают модельные ряды с различными индуктивностями (числом витков) обмоток. При этом, меньшее число витков соответствует более быстроходному двигателю
ФГБОУ ВПО «КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра электротехники и Э.М
НАУЧНАЯ РАБОТА