На правах рукописи

Казьмин Евгений Викторович РАСЧЕТ И ОПТИМИЗАЦИЯ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН С РАДИАЛЬНЫМИ ПМ НА ПОВЕРХНОСТИ РОТОРА Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2009 2

Работа выполнена на кафедре УЭлектромеханикаФ Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Иванов-Смоленский Алексей Владимирович Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Казаков Юрий Борисович кандидат технических наук Панарин Александр Николаевич Ведущая организация ФГУП Всероссийский электротехнический институт им. В.И.Ленина (ФГУП ВЭИ), г. Москва.

Защита диссертации состоится л 20 ноября 2009 года в 13 час. 00 мин.

в аудитории Е-205 на заседании диссертационного совета Д 212.157.15 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу:

111250, Москва, ул. Красноказарменная, д.13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета) Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направить по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д.14, Ученый совет МЭИ (ТУ)

Автореферат разослан л_ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.15 к. т. н, доцент Рябчицкий М.В.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Благодаря высоким технико-экономическим показателям, надежности, увеличению производства и снижению стоимости высококоэрцитивных магнитов магнитоэлектрические машины находят широкое применение во многих отраслях народного хозяйства. Среди прочих можно отметить авиа-, ракето- и автомобилестроение, нефтегазовый комплекс и ветроэнергетику.

Под магнитоэлектрической машиной понимается электрическая машина постоянного или переменного тока, в которой магнитный поток возбуждения создается постоянными магнитами (ПМ) (вращающимися или неподвижными). Примерами таких машин являются тяговые двигатели, стартер-генераторы, двигатели устройств автоматики и др.

В нашей стране в теорию и практику магнитоэлектрических машин большой вклад внесли А.А. Афанасьев, В.А. Балагуров, А.И. Бертинов, Д.А. Бут, Ф.Ф.

Галтеев, А.А. Дубенский, Ю.Б. Казаков, А.Н. Ларионов, В.К. Лозенко, И.Е. Овчинников, И.Л. Осин, А.Ф. Шевченко и др. Результатом активного исследования этих машин явилась разработка и введение в эксплуатацию большого числа различных типоисполнений, различающихся положением ПМ на роторе, явнополюсностью (или ее отсутствием), положением ротора относительно статора, а также типом обмотки якоря. В настоящее время широко применяются магнитоэлектрические машины с ПМ на поверхности ротора (без полюсных наконечников) и зубцовой обмоткой якоря, обладающие рядом преимуществ по сравнению с другими вариантами. Благодаря простоте конструкции обмотки и креплению ПМ на роторе удается существенно упростить технологию изготовления и снизить стоимость производства. Такие машины имеют более высокие электромагнитные нагрузки, низкие пульсации момента и др.

Показатели качества магнитоэлектрических машин в значительной степени зависят от оптимальности их конструкции и режимов работы. В случае современного регулируемого привода очевидна актуальность оптимизации машины для работы во всем диапазоне мощностей и частот вращения. Использование ПМ в качестве источника поля возбуждения затрудняет регулирование напряжения и мощности при изменении частоты вращения. Такие машины, работая в составе частотно-регулируемого привода, требуют применения специальных алгоритмов управления, например, векторного, специальной формы питающего напряжения и др. Кроме того, известна сложность электромагнитного расчета магнитоэлектрических машин с ПМ на поверхности ротора и зубцовой обмоткой статора. Проблема расчета таких машин состоит в сложном характере поля в воздушном зазо ре от ПМ и реакции якоря из-за больших высших, а в некоторых случаях и низших гармоник магнитной индукции. Все это оказывает существенное влияние на принципы проектирования этих машин.

При использовании эффективных методов проектирования удается получить высокие показатели качества. В настоящее время все большее внимание уделяется этому вопросу. В России значительный вклад в развитие теории и практики этого типа машин принадлежит кафедре электромеханики Новосибирского электротехнического института. Теория зубцовых обмоток развита в работах кафедры электромеханики Московского энергетического института. Несмотря на значительные успехи, достигнутые в направлении развития методов исследования, как в нашей стране, так и за рубежом, сохраняется актуальность совершенствования методов расчета и оптимизации магнитоэлектрических машин этого типа.

Существующие инженерные методики расчета таких машин не обладают достаточной точностью, а численные методы, такие как метод конечных элементов (МКЭ), требуют значительных временных затрат.

Диссертация посвящена разработке метода расчета и оптимизации магнитоэлектрических машин с ПМ на поверхности ротора и зубцовой обмоткой якоря, отвечающего таким достаточно противоречивым требованиям, как скорость счета и точность результатов.

Целью диссертационной работы является создание метода расчета магнитоэлектрических машин с ПМ на поверхности ротора (без полюсных наконечников) и зубцовой обмоткой на статоре, позволяющей проводить многовариантные расчеты за короткое время при сохранении высокой точности.

Задачи исследования:

1. Разработать метод электромагнитного расчета на основе магнитных и электрических схем замещения.

2. Разработать методику и программное обеспечение для оптимизации тягового двигателя гибридного привода грузового автомобиля.

3. Найти оптимальное сочетание параметров магнитоэлектрических машин для эффективной работы в режиме ослабления поля.

Методы решения поставленных задач. Использованы аналитические и численные методы анализа электромагнитного поля электрических машин в установившихся режимах работы. В работе также используются тепловые расчеты стационарных режимов на основе схем замещения. Для электромагнитного расчета применяется метод зубцовых контуров (МЗК). Параметры схемы замещения определяются из расчета магнитного поля по МКЭ. Для сокращения числа обращений к расчету поля используется метод планирования эксперимента (МПЭ).

Алгоритм оптимизации двигателя реализован в программе MS Excel и запрограммирован на языке VBA. Поверочные расчеты тягового двигателя выполняются с помощью МКЭ. Для этого используется программа ANSYS/Multiphysics 8.1.

Научная новизна работы:

1. Разработаны метод расчета и модифицированная схема замещения магнитоэлектрической машины на основе МЗК. Предлагаемый вариант схемы замещения содержит минимум ветвей для моделирования поля ПМ. В результате сокращения числа ветвей, а также использования передаточных функций для расчета поля ПМ удается существенно уменьшить время расчета машины по МЗК.

2. Теоретически обоснован способ формирования схемы замещения и расчета ее параметров.

3. Разработана методика оптимизации тягового двигателя автомобиля. Исследовано влияние насыщения на параметры двигателя и проведена коррекция используемой при оптимизации модели двигателя. Создана программа для оптимизации двигателя, позволяющая быстро (около 15 с) находить оптимальные варианты машины с различными сочетаниями чисел пар полюсов и зубцов статора.

4. С помощью численного эксперимента подтверждена эффективность применения разработанной методики для расчета и оптимизации магнитоэлектрических машин с ПМ на поверхности ротора.

Достоверность результатов, полученных с помощью разработанной методики, обусловлена использованием проведенного автором диссертации обоснования методов расчета и оптимизации магнитоэлектрических машин с ПМ на поверхности ротора и подтверждена путем сопоставления с результатами численного эксперимента, а также сравнения с экспериментальными данными, известными из литературы.

Практическая значимость:

1. Разработана методика расчета и оптимизации магнитоэлектрических машин с радиальными ПМ на поверхности ротора без полюсных наконечников.

2. Создана программа расчета и оптимизации тяговых электрических двигателей, реализованная в среде MS Excel.

3. Разработанная методика и программы могут быть использованы для расчета и оптимизации магнитоэлектрических машин с радиальными ПМ на поверхности ротора, применяющихся не только для тяговых приводов, но и для машин общего применения.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований и полученные рекомендации использованы при создании нового привода гибридного грузового автомобиля компании Gemco Mobile Systems (Гемко Мобайл Сис темс) (г. Эйндховен, Нидерланды). По разработанной автором методике был выполнен проект тягового магнитоэлектрического двигателя привода колеса развозного грузового автомобиля по техническим требованиям компании.

ичный вклад автора. Разработка модифицированной схемы замещения магнитоэлектрических машин по МЗК и создание программного обеспечения: постановка задачи, разработка методов расчета параметров схемы замещения и применение методики расчета и программного обеспечения для проектирования тягового двигателя грузового автомобиля. Выполнение всех приведенных в диссертации расчетов и анализ полученных результатов. Проведение эскизного проектирования тягового двигателя.

Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

11th International Conference on Electrical Machines and Systems. October 17 - 20, 2008. Wuhan, China.

IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference VPPCТ08. September 3Ц5, 2008.

Harbin, China.

На международной научно-технической конференции студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика г. Москва, МКРЭЭЦ2008.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ: из них 1 статья в рекомендованном ВАК журнале, 1 краткий тезис и 3 полных тезисов докладов в сборниках трудов международных научных конференций.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Способ формирования схемы замещения магнитоэлектрической машины с ПМ на поверхности ротора.

2. Метод расчета потоков зубцовых контуров от поля ПМ.

3. Алгоритм оптимизации конструкции и рабочих режимов тягового двигателя грузового автомобиля.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 99 наименований. Основная часть работы изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков и 12 таблиц. Приложения изложены на 23 страницах машинописного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, изложены цели и задачи диссертационной работы, методы решения поставленных задач. Описаны со став и структура работы, показана научная новизна и практическая ценность работы, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится обзор и анализ методов электромагнитного расчета магнитоэлектрических машин с ПМ на роторе. Отмечены основные недостатки существующих методик для расчета и оптимизации магнитоэлектрических машин. Формулируется цель диссертационной работы.

Объектом исследования является магнитоэлектрическая машина с ПМ на поверхности ротора с зубцовой дробной (q<1) обмоткой якоря.

Для электромагнитного расчета магнитоэлектрических машин могут использоваться традиционные аналитические методики, основанные на расчете параметров по инженерным формулам. В случае зубцовых обмоток якоря погрешность расчета по инженерным методикам может достигать 1520% и выше.

МКЭ позволяет сделать минимум допущений. Благодаря высокой точности и количеству характеристик, определяемых из расчета поля, МКЭ стал основным рабочим инструментом при выполнении поверочных расчетов электрических машин. Однако время расчета машины этим методом даже с помощью современных персональных компьютеров относительно велико. Этот недостаток не позволяет использовать МКЭ при многовариантных расчетах и оптимизации конструкции.

Для расчета и оптимизации электрических машин могут использоваться методы, основанные на эквивалентных схемах замещения, среди которых наиболее точным методом является МЗК. Этот метод был разработан на кафедре электромеханики Московского энергетического института в 1980 г. под руководством А.В. Иванова-Смоленского, а затем развит в докторской диссертации В.А. Кузнецова. В главе приведены основные положения МЗК. Отмечена проблема применения классической схемы замещения, составленной по МЗК, в случае магнитоэлектрической машины с ПМ на поверхности ротора без полюсных наконечников.

Во второй главе описан способ построения и расчета параметров схемы замещения магнитоэлектрических машин с ПМ на поверхности ротора.

Схема замещения магнитной цепи такой машины, составленная по МЗК, показана на рис. 1. Эта схема модифицируется следующим образом: ротор с ПМ заменяется гладким сердечником без магнитов (сплошные линии на рис. 1). Высота ярма ротора сохраняется. Реальный воздушный зазор заменяется на эквивалентный - m. Магнитные потоки ПМ воспроизводятся в схеме в результате введения источников потока, подключенных к узлам, зубцовых контуров статора, мck, и зубцовых контуров ротора, мрm.

Параметры модифицированной схемы замещения рассчитываются следующим образом:

- потоки ПМ мck и мрm определяются с помощью передаточных функций, найденных по МПЭ (см. ниже);

Рис. 1. Эквивалентная схема замещения расчетной области магнитоэлектрической машины с ПМ на поверхности ротора и зубцовой обмоткой статора:

1 - постоянный магнит; 2 - ярмо реального ротора; 3 - ярмо эквивалентного ротора Fk1, Fk2, Fk3 - МДС обмоток якоря; ac, z1, z2, z3 - проводимости стальных участков статора;

1, 2, 3 - проводимости рассеяния пазов статора; km - проводимость взаимоиндукции зубцовых контуров статора и ротора; aр - проводимость ярма ротора; мсk, мрm - потоки зубцовых контуров статора и ротора от ПМ.

- проводимости схемы замещения магнитной цепи определяются обычным для МЗК образом;

- взаимные проводимости зубцовых контуров статора и ротора km при гладком роторе находятся аналитически, как и в классическом МЗК;