Обоснование актуальности темы исследования
Актуальность предмета исследования электроприводы малой и средней мощности на базе вентильных электрических машин широко используются как в системах общепромышленного применения, так и в изделиях специального назначения (космос, медицина, робототехника, вооружение). Традиционно для этих целей используются вентильные электрические машины с радиальным магнитным потоком. Это объясняется хорошими удельными энергетическими показателями этих электрических машин, отлаженной технологией их производства.
В последнее время для этих электроприводов все чаще применяются вентильные электрические машины с аксиальным магнитным потоком (ВМАП). Эти электрические машины активно развиваются, и можно говорить о формировании нового класса вентильных электроприводов, конкурентоспособных с традиционными вентильными электроприводами.
Идет процесс перехода от проектирования единичных изделий к разработке промышленного ряда электрических машин этого типа. Приводы этого класса выходят на новый виток своего развития. Мировая и отечественная практика подтверждает эту тенденцию. На кафедре электромеханики и электромеханических систем Южно-Уральского государственного университета, ЗАО НИИ «Уралмет», ООО ГРЦ «Вертикаль», ООО НПП «Привод», ООО НПП «Ветроэнергетические установки» разработаны реальные коммерческие проекты с применением этих электрических машин.
Объяснить активное использование электрических машин этого класса можно следующими причинами:
– в настоящее время интенсивное развитие получило промышленное производство мощных магнитов с большими значениями остаточной индукции и коэрцитивной силы, что позволило сконцентрировать энергию магнитного поля в малых объемах и уменьшить габариты электромеханических устройств;
– современное развитие вычислительных средств и специального программного обеспечения позволяет оптимизировать геометрию ВМАП для эффективного использования занимаемого ими объема. При этом оптимально спроектированные ВМАП в условиях ограничения габарита вдоль оси вращения могут иметь лучшие удельные массогабаритные и энергетические показатели по сравнению с радиальными электрическими машинами;
– современные технологии позволяют сделать ВМАП экономичными при производстве и надежными в эксплуатации.
Следует отметить, что, несмотря на острую необходимость практического внедрения, теоретические исследования по анализу и синтезу электрических машин этого класса носят эпизодический, разрозненный характер. Как правило, разработчики анализируют одну конструкцию для специального привода. Результаты этих исследований достаточно сложно использовать при проектировании другой конструкции. Оптимизации подвергаются только отдельные узлы и детали, например статор или ротор.
Не в полной мере изучено влияние электронного коммутатора на электромеханическую часть. Методики проектирования слабо ориентированы на разработку систем автоматизированного проектирования и так называемую сквозную технологию c минимальным объемом документооборота в твердых копиях.
Существующее противоречие между практической потребностью во внедрении и недостаточно развитой теорией анализа и синтеза является основным источником дальнейшего развития электрических машин этого класса, что определяет актуальность научных исследований в этой области.
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