Многоуровневой оптимизации ВМАП

Существующие программные средства, реализованные на практике, осуществляют, как правило, оптимальное проектирование одной конструкции. При этом они привязаны к узкому кругу проектных ситуаций.

Эти программы не могут реализовывать оптимальное проектирование различных конструкций для широкого круга проектных ситуаций. По этой причине принято решение не модернизировать существующие программы, а разработать новый программный комплекс, ориентированный на сквозные технологии.

Проанализированы требования к математической модели, основным из которых является универсальность, то есть возможность решать широкий круг инженерных задач. Требование универсальности заставляет включить в математическую модель наибольшее количество конструктивных исполнений ВМАП. Это рассмотренные выше базовые модели и их модификации. Кроме этого, математическая модель должна содержать различные типы коммутации и режимы работы.

Проанализированы требования к системе оптимизации, основным из которых является гибкость, то есть возможность осуществлять для одной и той же конструкции различные уровни оптимизации. Независимыми переменными являются размеры, которые однозначно определяют геометрию изделия. Если при поиске оптимума варьируются все независимые переменные, то решается наиболее сложная задача полной габаритной оптимизации. Но достаточно часто возникают проектные ситуации, при которых некоторые размеры или группа размеров должны быть фиксированными. При этих проектных ситуациях мы имеем более низкие уровни оптимизации.

Задача оптимизации в исследовательской работе решается в постановке однокритериальной оптимизации: для заданных параметров (конкретного исполнения, материалов, исходных данных технического задания), при заданных ограничениях делается перебор независимых переменных по определенному алгоритму, которые определяют геометрию, обеспечивающую экстремальное значение выбранных критериев. Критериев оптимальности может быть несколько, но в зависимости от проектной ситуации для оптимизации выбирается один. В качестве критериев оптимальности приняты показатели качества, получившие наибольшее распространение на практике: минимальная масса активных материалов, минимальный объем магнитной системы, минимальная масса постоянных магнитов, минимальная масса якорной обмотки.

Проведен анализ целевых функций. Показан монотонный характер их изменения от независимых переменных, кроме дискретно изменяющегося числа пар полюсов. Дискретно изменяющийся параметр ограничил выбор методов для блока-оптимизатора. В качестве метода оптимизации выбран метод, сочетающий в себе детерминированный метод покоординатного спуска при движении к экстремуму (Гаусса-Зейделя) с методом однопараметрической оптимизации Фибоначчи при выборе длины шага поиска.

Для каждого уровня оптимизации определены система констант, ограничений, независимых переменных и показателей качества.

Поверочный расчет вписался в систему как самый низкий уровень при полностью фиксированных размерах. Приведено оптимальные соотношения между наружным и внутренним диаметрами для рассматриваемых моделей и различных форм магнитов.

Разработанная проектная система позволяет реализовывать до 4проектных ситуаций (16 вариантов оптимизации для 28 конструктивных исполнений)

Следует отметить, что в инженерной практике существуют профессиональные программные средства, которые могут решить перечисленные выше задачи анализа. Они могут быть включены в систему как готовые блоки, адаптированные к результатам многоуровневой оптимизации. После предварительного анализа в программный комплекс были включены следующие готовые проектные системы:

– Ansys 11 – для расчета магнитных и тепловых полей;

– Solidworks 10 – для трехмерного твердотельного проектирования;

– McroCap 10 – для анализа схемотехнических решений.

При анализе стационарного магнитного поля была использована осевая симметрия. Для анализа была использована пара полюсов. В качестве метода выбрано решение задачи в постановке векторного магнитного потенциала.

Построение модели, задание свойств объемам, разбиение на конечные элементы, задание граничных условий и решение производится в автоматизированном режиме при помощи встроенного в программу Ansys языка APDL. Исходные данные для расчета передаются в Ansys из основной программы. По результатам расчета определяется рабочий магнитный поток полюса и коэффициент рассеяния. Эти данные возвращаются в основную программу для уточненного расчета рабочих характеристик. Результаты расчета магнитного поля для различных моделей приведены на рис. 28.

Для программирования трехмерных моделей была использована интегрированная среда разработки Borland Delphi, в которую встроены командные процедуры для графической среды Solidworks. В качестве исходных данных построения принимались геометрические размеры, полученные в результате многоуровневой оптимизации. Сама процедура генерации трехмерной модели реализуется простым выбором опции, которая находится в окне интерфейса разработки ВМАП. Для анализа схемотехнических решений был использован программный комплекс MicroCap. Работа электронного оборудования и электрической машины взаимосвязаны, поэтому в программный комплекс был включен данный анализ. Следует отметить, что разработка электроники для работы ВМАП представляет собой отдельную профессиональную задачу для специалиста по данному профилю. Так как диссертация направлена в основном на решение проблем, связанных с электрической машиной, то в ней показана только возможность анализа электроники без детального описания.

Включение программной среды MicroCAPв процедуру проектирования позволяет повысить качество анализа и сделать его комплексным с учетом взаимного влияния электроники и электрической машины.

В шестой главе представлены результаты внедрения методики проектирования ВМАП в инженерную практику и производство.

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