Расчет вентильно реактивного двигателя

Вентильные реактивные электродвигатели / генераторы (Switched Reluctance Motors / Generators)

ВРД следует отличать от синхронного реактивного электродвигателя (СРД), который работает при синусоидально изменяющихся напряжениях, подаваемых на фазы его обмотки якоря без обратной связи по положению ротора, при этом СРД обладает низким КПД.

Появление и развитие электроприводов нового типа означает конец эры коллекторных электрических машин, применение которых в разрабатываемых системах электропривода становится анахронизмом. Даже асинхронная машина, повсеместное распространение которой было обусловлено простотой конструкции и надежностью, уступает по этим параметрам ВРД.

Рис. 1. Структурная схема управлением

Конструктивно электропривод состоит из микропроцессорного блока управления, электронного коммутатора и электромеханического преобразователя (ЭМП). Электромеханический преобразователь обеспечивает преобразование электрической энергии, поступающей от электронного коммутатора, в механическую или осуществляет обратное преобразование механической энергии в электрическую. Микропроцессорный блок управления формирует сигналы коммутатора, который генерирует импульсное напряжение питания ЭМП в зависимости от сигналов, поступающих от датчика положения ротора ЭМП. Возможен вариант без датчика положения ротора, в этом случае положение ротора определяется по величине индуктивности обмоток статора.

Отличительную основу ЭМП составляют магнитопроводы статора и ротора с явно выраженными полюсами, выполненные в виде пакетов из листового магнитомягкого материала. Катушки обмотки якоря расположены на полюсах магнитопровода статора. Катушки, находящиеся на противоположных полюсах, соединены попарно последовательно и образуют фазные секции обмотки якоря. На рис. 2 в качестве примеров показаны ЭМП с шестью (рис. 2а) и восемью (рис. 2б) полюсами на статоре и четырьмя и шестью полюсами на роторе соответственно.

В зависимости от назначения электродвигателя / генератора и предъявляемых к нему в связи с этим требований, количество полюсов на статоре и на роторе может изменяться. В некоторых случаях на полюсах магнитопровода статора могут быть сделаны дополнительные зубцы. Обмотка якоря, в приведенных на рисунке примерах ЭМП, трехфазная (рис.2а) и четырехфазная (рис.2б). Количество полюсов статора и ротора, число фаз обмотки якоря может изменяться в зависимости от назначения электродвигателя / генератора. Подбором чисел полюсов статора и ротора может быть получен вращающий момент существенно больший по сравнению с электрическими машинами других типов.

Рис. 2а
Рис. 2б
Рис. 2. Обмотка якоря трехфазная и четырехфазная

Очевидная конструктивная простота является основным достоинством электромеханического преобразователя ВРД, что позволяет существенно снизить затраты при его изготовлении и обеспечить очень высокую надежность работы электродвигателя / генератора. В качестве примера на рисунках 3, 4, 5 показаны основные части нескольких вариантов ЭМП вентильных реактивных электродвигателей и генераторов.

Рис. 3
Рис. 4
Рис. 5
Основные части нескольких вариантов ЭМП вентильных реактивных электродвигателей и генераторов

На рис.6 приведена механическая характеристика ЭМП в режиме с ограничением тока. Естественная механическая характеристика ЭМП при постоянном питающем напряжении аналогична такой же характеристике коллекторного электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением.

Рис. 6. Механическая характеристика ЭМП в режиме с ограничением тока

Для проектирования ЭМП используется современный подход, включающий расчет магнитного поля в нелинейной постановке задачи. При этом учитываются реальные параметры материалов и особенности геометрии устройства. На рис. 7 показаны результаты расчета магнитного поля, представляющие зависимость потокосцепления фазной обмотки от угла поворота ротора и протекающего в ней тока.

Рис. 7. Результаты расчета магнитного поля

Электронный блок управления электродвигателя / генератора представляет собой цифровую систему управления на базе нового поколения 16-разрядных микроконтроллеров производительностью до 40 млн. операций в секунду. Цифровая система управления позволяет резко сократить количество используемых компонентов, увеличить надежность и функциональность системы, уменьшить габаритные размеры электронного блока и его стоимость.

На рис. 8 показан блок электроники для электродвигателей / генераторов мощностью до 8 кВт. (Габариты 170х125х30 мм.)

Рис. 8. Блок электроники для электродвигателей / генераторов мощностью до 8 кВт

Цифровой синтез сигналов, поступающих с электронного коммутатора на ЭМП, осуществляется программно с помощью микропроцессорного блока управления. Программный синтез сигналов позволяет оперативно изменять частоту, форму и амплитуду выходных импульсов в зависимости от состояния датчиков электропривода / генератора, а также обеспечивает оперативное управление режимами его работы.

Основная управляющая программа контроллера хранится во Flash-памяти объемом до 256 Кбайт и может быть легко изменена через последовательный интерфейс RS232, что позволяет оперативно изменять основные характеристики и алгоритм работы стартера / генератора в процессе настройки или во время его эксплуатации.

Наличие микропроцессора в системе управления ВРД обеспечивает следующие режимы его работы:

Рис. 9. Подключение нескольких электродвигателей к CAN-сети

CAN сеть обеспечивает эффективный обмен информацией между электронными блоками электродвигателей, а также обмен между пультом или несколькими пультами и каждым электродвигателем. Высокая скорость передачи (до 1Мбит/сек), гибкая система задания приоритетов CAN устройств позволяет передавать по сети синхросигналы или команды с критическим временем выполнения. На рис. 10 приведен пример организации следящей системы с использованием CAN-сети.

Источник

Вентильный двигатель: конструкция, принцип работы, классификация

Постоянное совершенствование технологий и развитие точного электрооборудования приводит к созданию новых и преобразованию старых устройств. Такому совершенствованию подвергаются и электрические машины, которые неоднократно преобразовывались для получения точного позиционирования. При массовом внедрении полупроводниковых приборов появилась возможность заменить классические щетки на p-n переходы, в результате чего был создан вентильный двигатель.

Конструкция и принцип работы

Конструктивно вентильный агрегат представляет собой разновидность синхронного двигателя.

В его состав входят:

Пример конструкции вентильного двигателя приведен на рисунке ниже:

Рис. 1. Конструкция вентильного двигателя

Принцип работы вентильного двигателя заключается в четком позиционировании постоянных магнитов на роторе по отношению к формируемому пику электромагнитного импульса на фазных электрических обмотках. При движении магнитов датчики воспринимают информацию об их положении в пространстве и меняют пропускную способность реактивных вентильных преобразователей, что позволяет валу вращаться дальше. Таким образом, управление вращением осуществляется без использования скользящего контакта, поэтому данная категория электрических машин относится к категории бесколлекторных электродвигателей.

Статор

Конструктивно статор мало чем отличается от классических моделей синхронных и асинхронных двигателей. Это металлический цельнолитой или наборной магнитопровод, в пазах которого укладываются фазные провода. Количество обмоток якоря определяется числом подключаемых фаз и периодичностью их чередования. Чем чаще уложены обмотки статора, тем точнее контролируется вращение вентильного электродвигателя.

Полюса статора также могут характеризоваться смещением на строго определенный угол, как и его обмотки. По количеству фаз коммутации вентильные двигатели бывают двух-, трех-, четырех- и шестифазными.

Ротор

В зависимости от конструкции ротора бесконтактные двигатели могут иметь внутрироторное и внешнероторное исполнение.

Рис. 3. Внешнероторные и внутрироторные модели

Количество пар полюсов также может отличаться, но уже без каких-либо привязок к обмоткам, как правило, этот параметр варьируется от двух до шестнадцати с парным шагом.

В более старых моделях для бесколлекторных двигателей использовались постоянные магниты из ферритовых сплавов. Которые отличались доступностью и относительно более низкой себестоимостью, но имели слишком низкие показатели индукции. Однако с постепенным развитием технологий, на смену им пришли магнитные элементы из редкоземельных металлов. Этот вариант обладает более точным позиционированием, но и стоит он дороже.

Читайте также:  Расточка двигателя урала мотоцикл

Рис. 4. Вентильный двигатель с внешним ротором

Датчик положения ротора

В синхронных электродвигателях датчик необходим для осуществления обратной связи с положением вала механического устройства. В зависимости от принципа действия могут применяться датчики:

Наиболее распространенными вариантами для практической реализации стали фотоэлектрические датчики и датчики с эффектом Холла. Они обладают большей точностью и меньше запаздывают при передаче данных в канале связи. Датчики привязываются к определенным маркерам на валу и реагируют на их прохождение.

Система управления

В состав блока управления, как правило, входит микроконтроллер и электронный ключ для подключения к двух- или трехфазным обмоткам двигателя. Микроконтроллер или микропроцессор необходим для обработки получаемых с датчиков сигналов и последующего преобразования синусоидальной коммутации в более удобную форму сигнала. Электрические преобразователи выполняется на базе полупроводниковых транзисторов, соединенных по мостовой схеме. Они производят широтно-импульсную модуляцию питающего напряжения в соответствии с заданным режимом работы.

Рис. 6. Электронный ключ вентильного двигателя

Классификация

По типу питания вентильные электрические машины подразделяются на электродвигатели постоянного и переменного тока.

По способу взаимодействия магнитного поля статора и ротора встречаются синхронные, асинхронные и индукторные аппараты.

Помимо этого, в зависимости от числа задействованных фаз они разделяются на:

Технические характеристики

При выборе конкретной модели важно определить ее соответствие месту установки, поэтому важно обращать внимание на следующие характеристики вентильных двигателей:

Преимущества и недостатки

В сравнении с другими типами электрических машин, вентильный двигатель имеет ряд качественных отличий, дающих ему как выгодное, превосходство, так и определенные недостатки.

К преимуществам вентильных двигателей относят:

К недостаткам вентильных агрегатов следует отнести их высокую себестоимость, наличие дополнительных элементов, усложняющих последующую эксплуатацию. Также существенным минусом считается сложность управления и задания логики перемещения рабочих органов трехфазных бесколлекторных двигателей в соответствии с меняющимися факторами производственного процесса.

Применение

Вентильные двигатели применяются во всех сферах, где требуется регулировать скорость вращения рабочего элемента. Такие синхронные приводы имеют точное позиционирование и применяются для компьютерной техники, устройств привода, винчестера, куллеров обдува и т.д.

Рис. 8. Вентильный двигатель в компьютере

Помимо этого он используется в робототехнике, строительстве спутников, летательных аппаратов. Для бытовой техники, в устройствах автомобилестроения, в медицинской сфере. Также нашел широкое применение в станочном оборудовании, горнодобывающих машинах, используется в компрессорных установках и насосных станциях.

Источник

Расчет вентильно реактивного двигателя

В. И.Ткачук, канд. техн. наук

РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ВЕНТИЛЬНОГО РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Предложена математическая модель вентильного реактивного двигателя с емкостным накопителем энергии для средних значений, которая позволяет рассчитывать механическую, моментную и рабочие характеристики по известным геометрическим размерам и обмоточным данным.

Запропонована математична модель вентильного реактивного двигуна з ємнісним нагромаджувачем енергії для середніх значень, що дозволяє розраховувати механічну, моментну і робочі характеристики по відомим геометричним розмірам і обмоточним даним.

Switched reluctance motor (SRM) is the simpler, more technological and cheaper then other known electrical motors. In the paper the average values mathematical model for SRM is proposed, which give a way to calculate its static characteristics. Example of calculation of mechanical and working characteristics is presented.

©Ткачук В.И.,1998

где (см. разъяснение коэфициєнта ).

Подставив (5) в (7), получим выражение для расчета потерь в коммутаторе в виде

(8)

Рис.3. К определению коэффициента K m Рис. 4. Статические характеристики ВРД

В соответствии с принципом работы ВРД его фазы возбуждаются однополярным током и форма кривой магнитной индукции B(t) далека от синусоидальной. С другой стороны, в ВРД в любой момент времени перемагничивается только часть магнитопровода, причем потери от вихревых токов доминируют над потерями от гистерезиса. Поэтому потери в стали ВРД с большой достоверностью можно представить в виде:

(9)

Как (6) и (18) запишем формулу для расчета потерь в стали.

(10)

где .

Учитывая (5), (7), (10) и (11) и сгруппировав коэффициенты при степенях w, перепишем (1) в виде:

(12)

Выражения (5), (7), (10) и (11) вместе с (4), (6) и (14) представляют математическую модель ВРД для средних значений, позволяют найти все основные величины, определяющие установившийся режим роботы двигателя для различных значений нагрузки на валу уже на стадии проектирования.

Для оценки адекватности математической модели физическому образцу на рис. 4 приведены расчетные характеристики для ВРД со следующими параметрами: D = 0.07 М, l = 0.03 M, d = 0.0003M, a s = 0.45, Zr = 10, m=3, KL = 0.43, wz = 85, g = 130 эл. градусов, t = 0.001C, R = 1.3 Ом, D U = 1.5 В.

Проведенное сравнение с опытными данными свидетельствует о достаточной адекватности математической модели физическому образцу, что дает основание для рекомендации предложенной математической модели для расчета рабочих, регулировочной и механической характеристик вентильного реактивного двигателя с последовательным емкостным накопителем в установившихся режимах работы.

Список использованной литературы

Copyright © 1998-1999 Odessa State Polytechnic University. All Rights Reserved.

Источник

Расчет вентильно реактивного двигателя

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Актуальность темы. Достижения в области электрических машин, развитие полупроводниковой и вычислительной техники предопределили появление вентильных реактивных двигателей (ВРД), область применения которых в регулируемом электроприводе постепенно расширяется наряду с синхронными и асинхронными машинами.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Повышенный интерес в целом к регулируемому электроприводу объясняется не только растущими требованиями к качеству технологических процессов, но и тем, что в последнее время все большую актуальность приобретают вопросы, связанные с энергосбережением. Эффективное решение этих проблем в большинстве случаев становиться возможным только при условии использования регулируемого электропривода.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp На сегодняшний день в этой области отмечается вытеснение электропривода на основе коллекторных машин постоянного тока и постепенное увеличение потребности рынка в бесконтактных регулируемых электроприводах.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Зачастую в регулируемом приводе применяются серийные асинхронные двигатели (АД). Однако ряд вопросов, связанных со снижением коэффициента полезного действия (КПД) и необходимостью завышения установленной мощности АД в частотно-регулируемом приводе ставит перед исследователями в этой области новые задачи. В этом отношении применение электропривода на основе ВРД можно рассматривать как альтернативу частотно-регулируемому электроприводу.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp ВРД обладают определенными преимуществами по сравнению с другими типами электрических машин. К ним относят простоту конструкции электромеханического преобразователя, высокую надежность. По регулировочным характеристикам ВРД не уступают коллекторным машинам постоянного тока и АД с частотным регулированием. Это и обуславливает расширение области применения ВРД и внимание к ним со стороны разработчиков.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Исследования в области ВРД проводятся в различных направлениях. Можно отметить значительные успехи в математическом моделировании процессов электромеханического преобразования энергии в вентильных реактивных машинах. Однако вопросы, связанные с определением энергетических характеристик ВРД с учетом потерь в стали требуют отдельного рассмотрения. Это важная задача с точки зрения оценки теплового состояния, рационального выбора электромагнитных нагрузок, определения предельных режимов работы вентильных реактивных машин.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Цель работы состоит в разработке математической модели, позволяющей определять характеристики ВРД с учетом локального насыщения зубцовой зоны двигателя, а также потерь в стали.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Задачи, решаемые в работе:
— исследование магнитного поля ВРД;
— определение потерь в стали от вихревых токов;
— определение гистерезисных потерь в ВРД;
— вычисление энергетических характеристик ВРД.

Читайте также:  Признаки если стуканул двигатель

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Предполагаемая научная новизна состоит в разработке методики определения потерь в стали ВРД, создании и реализации математической модели, позволяющей определять характеристики ВРД с учетом магнитных потерь.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Планируемые практические результаты заключаются в определении энергетических характеристик ВРД с учетом потерь в стали и локального насыщения зубцовой зоны.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp В основу принципа действия ВРД положено использование реактивного вращающего момента. Электромеханический преобразователь (ЭМП) ВРД имеет явнополюсную конструкцию статора и ротора из шихтованной стали. На зубцах статора размещены сосредоточенные обмотки фаз двигателя. Ротор выполняется безобмоточным. Вращающий момент в ВРД создается последовательными циклами коммутации фаз двигателя. При этом ротор в каждом цикле стремиться занять такое положение, которое соответствует минимальному сопротивлению магнитной системы двигателя магнитному потоку включенной фазы. В этом положении энергия магнитного поля максимальна, а воздушный зазор минимален (рис. 1).

Рисунок 1 – Принцип действия ВРД (анимация: 8 кадров, 8 повторений, 104 Кб)

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Принципиально важным для работы ВРД является наличие определителя положения ротора (ОПР), силового полупроводникового преобразователя (СПП) и устройства управления (УУ) (рис. 2).

Рисунок 2 – Структура ВРД

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Таким образом, количество полюсов статора и ротора ВРД разное. При коммутации фаз двигателя ротор и вектор результирующего магнитного потока статора Ф вращаются в противоположные стороны. Более строго, Ф не вращается, подобно тому, как это происходит в машинах переменного тока, а последовательно занимает в пространстве дискретные положения. Причем количество этих положений обычно равно Z c /2, так как направление реактивного момента не зависит от направления протекания тока в обмотках, что используется для уменьшения количества элементов СПП.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Наиболее часто применяются трехфазные и четырехфазные двигатели с симметричным ротором 6/4, 8/6 и 12/8 [3]. Эти конфигурации показаны на рис. 3.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp В ВРД 12/8 и 12/10 может использоваться четыре катушки на фазу двигателя вместо двух. В этом случае уменьшается длина средней линии магнитной индукции и соответственно потери в стали. Также это позволяет уменьшить амплитуды радиальных сил, действующих на полюса двигателя, снижая акустический шум при работе ВРД [4].

Рисунок 3 – Наиболее распространенные конфигурации магнитных систем ВРД: 6/4 (а), 8/6 (б), 12/8 (в)

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Процессы электромеханического преобразования энергии в ЭМП ВРД невозможно рассматривать независимо от остальных элементов его структурной схемы: УУ непосредственно управляет этими процессами с помощью СПП, а также обратной связи по угловой координате и частоте вращения от ОПР.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Помимо общих требований, касающихся высокой надежности и малой стоимости, ко всем узлам ВРД предъявляются и требования, определяемые функциональным назначением каждого элемента. Для УУ это быстродействие. Использование микропроцессорного управления вместо «жесткой» логики предоставляет широкие возможности для получения заданных характеристик, позволяет совмещать реализацию сложных алгоритмов управления, функций защиты и самодиагностики.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp СПП предназначен для коммутации фаз ВРД. Преобразователь должен обеспечивать эффективное осуществление алгоритмов управления, реализуемых УУ, что достигается не только за счет схемных решений, но и использования современных полупроводниковых элементов. Основная особенность ЭМП заключается в том, что направление реактивного момента не зависит от направления протекания тока в фазах. Это позволяет питать фазы двигателя однополярным током, уменьшая не только количество элементов преобразователя, но и в целом упрощая структуру всех узлов ВРД.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp ОПР используется для определения угла положения ротора, частоты вращения. Могут использоваться различные конструкции ОПР, которые должны отвечать требованиям высокого быстродействия и стабильности характеристик в широком диапазоне изменения условий эксплуатации.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Патент на изобретение электромагнитного двигателя был получен в 1838 году [3]. Несмотря на то, что в основе этой электрической машины лежало использование тех же принципов, она весьма отдаленно напоминала современные ВРД: коммутация фаз осуществлялась с помощью коллектора, отличалась и конструкция магнитной системы. Однако недостатки такого двигателя стали очевидны уже на раннем этапе: наличие коллектора существенно снижало надежность, а в электромагнитном моменте присутствовали пульсации. На преодоление этих недостатков потребовалось больше чем полтора века и в этом существенную роль сыграло развитие полупроводниковой техники, которая, в конечном счете, позволила отказаться от применения коллектора, заменив его на полупроводниковый преобразователь. Использование современных микропроцессорных устройств позволяет успешно решать задачи управления ВРД. Тем не менее, вопросы, связанные с пульсациями момента, повышенным акустическим шумом, бездатчиковыми способами управления и ряд других продолжают оставаться актуальными и на сегодняшний день.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp ВРД – не единственная электрическая машина, в которой используется реактивный момент. Принцип действия синхронных реактивных и шаговых двигателей также основан на использовании реактивного вращающего момента. Однако синхронные реактивные двигатели (СРД) получают питание непосредственно от сети переменного тока, что становиться невозможным в условиях двухсторонней зубчатости ВРД, а также СРД имеют относительно невысокие энергетические и массогабаритные показатели. Шаговые двигатели применяются в устройствах автоматики и в этом отношении основные требования, предъявляемые к ним, касаются в первую очередь точности отработки сигналов, а энергетические показатели отходят на второй план.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Недостатком вентильных двигателей на постоянных магнитах (ВДПМ) по сравнению с ВРД является необходимость использования редкоземельных магнитов, которые существенно увеличивают стоимость электрической машины, и их применение свыше мощности 25 кВт может стать нецелесообразным с экономической точки зрения [2]. В [5] также указывается на то, что низкая магнитная проницаемость постоянных магнитов требует использования большей магнитодвижущей силы для преодоления сопротивления магнитной цепи, что в свою очередь становится причиной снижения КПД. Следует отметить, что в случае ВДПМ могут возникать проблемы, связанные с размагничиванием магнитов, а также необходимостью использования специального технологического оборудования для ремонта, но вместе с тем в ВДПМ отсутствуют потери на возбуждение.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Основное преимущество ВРД по сравнению с АД заключается в отсутвии обмотки на роторе и, следовательно, потерь в ней. ВРД выгодно отличается меньшим расходом активных материалов. Себестоимость ЭМП оказывается в 1,7-2 раза ниже себестоимости АД с короткозамкнутым ротором [6]. АД может получать питание непосредственно от сети переменного тока, но в этом случае возможности для регулирования оказываются ограниченными. Применение же преобразователей частоты ставит АД и ВРД в один ряд. Но также необходимо учитывать и то, что при использовании обычных серийных АД в частотном приводе на 5-6% возрастают потери из-за высших гармоник и требуется завышение установленной мощности [7]. Вместе с тем для ВРД не достаточно использовать только СПП – требуется и обратная связь по угловой координате. Это обуславливает необходимость применения датчика или бездатчиковой системы определения угла положения ротора.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Таким образом, достаточно простая конструкция ЭМП обуславливает ряд преимуществ ВРД: относительно низкая трудоемкость изготовления, экономия активных материалов до 30%, хорошие массогабаритные и энергетические показатели в сочетании с высокой надежностью [6].

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Ряд фирм во всем мире занимается производством этих электрических машин. Специализированные компании существуют в Японии, США, Великобритании, Швеции, Бельгии, Италии и других странах (Aisin Seiki, Emerson/SRDL, Elektro Magnetix Ltd, Emotron A/b, Picanol, Sicmemotori) [2]. Исследования в этом направлении проводятся и в Украине. Необходимо отметить исследования в области ВРД с буферами энергии, проводимые в Львовском национальном техническом университете [8], разработки ВРД и их систем управления в Одесском национальном техническом университете [9], а также исследования тягового электропривода на основе ВРД в Донецком национальном техническом университете [10].

Читайте также:  Свечи для двигателя ep6

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Исследование особенностей работы вентильного реактивного двигателя при питании от сети переменного тока проводилось в рамках магистерской работы Лужнева А.И.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Следует подчеркнуть, что исследования ВРД проводяться в различных направлениях и затрагивают все элементы структурной схемы ВРД. В этом отношении определение энергетических характеристик ВРД представляет практический интерес, поскольку энергетические показатели могут рассматриваться как критерий эффективности различных конструктивных решений и алгоритмов управления. Без определения энергетических характеристик не может быть решена задача рационального выбора электромагнитных нагрузок, оценено тепловое состояние ВРД.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Переход к вычислению энергетических показателей ВРД требует использования сложной математической модели. Если потери в меди могут быть определены по действующему значению фазного тока, то расчет потерь в стали – более сложная вычислительная задача. Это связано с тем, что магнитный поток ВРД имеет выраженный несинусоидальный характер и форма его кривой отличается для различных частей магнитной системы двигателя.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp В рамках математической модели ВРД для средних значений, представленной в [8], при вычислении потерь в стали рассматриваются только потери от вихревых токов, влияние высших гармоник индукции учитывается коэффициентом дополнительных потерь.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Авторы [11] при вычислении магнитных потерь в ВРД исходят из того, что основные потери в стали выделяются в ярме статора и для их оценки используется максимум потокосцепления в цикле коммутации.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp В [12] предложена методика расчета потерь в стали ВРД, базирующаяся на использовании схем замещения магнитной системы двигателя. Для определения магнитных потерь используется разложение в ряд Фурье кривых индукции для различных частей магнитопровода. Суммарные магнитные потери рассчитываются методом наложения для отдельных гармонических составляющих индукции с учетом разделения потерь от вихревых токов и гистерезиса. Использование методики расчета магнитных потерь на основе схем замещения не позволяет учесть неравномерность распределения индукции на отдельных участках магнитной системы. Вместе с тем отдельного рассмотрения требует влияние локального насыщения зубцовой зоны на энергетические характеристики ВРД, что не может быть в полной мере реализовано в рамках описанного выше подхода.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp В [13] для расчета потерь в стали ВРД используются метод конечных элементов (МКЭ). Индукция в различных частях магнитной системы двигателя рассчитывается интегрированием электродвижущей силы, индуцированной в одновитковых катушках, размещенных на полюсах и ярмах статора и ротора конечно-элементной модели. Затем к полученным кривым индукции также применяется гармонический анализ и расчет суммарных магнитных потерь на основании принципа суперпозиции.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Исследование потерь в стали СРД с помощью МКЭ выполнено в [14]. Основное отличие изложенного подхода заключается в детальной дискретизации поперечного сечения двигателя, особенно зубцовой зоны статора и ротора, для вычисления магнитных потерь на отдельных участках. Методика расчета потерь, используемая авторами, предполагает определение потерь в стали отдельно для ортогональных составляющих вектора индукции на каждом из участков магнитной системы. Авторы считают, что такой подход применим для расчета магнитных потерь и в электрических машинах, имеющих несинусоидальное возбуждение.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Задача расчета потерь в стали осложняется тем, что для отдельных участков магнитной системы ВРД характер перемагничивания не является пульсационным. В качестве примера на рис. 4 приведены фрагменты векторных картин магнитного поля исследуемого ВРД мощностью 130 Вт в области ярем статора и ротора. Эти картины иллюстрируют сложный характер перемагничивания отдельных областей магнитной системы двигателя. Из рис. 4 видно, что на отдельных участках ярем статора и ротора имеет место периодическое изменение направления вектора магнитной индукции, что свидетельствует о наличии вращательного перемагничивания. Аналогичные явления происходят в зонах локального насыщения зубцов при вращении ротора. Таким образом, на тех участках магнитной цепи, где существует только одна изменяющаяся во времени составляющая поля, имеет место пульсационное перемагничивание. На других участках, где возникают две разные по амплитуде пульсирующие составляющие, перемагничивание носит эллиптический характер.

Рисунок 4 – Фрагменты векторных картин магнитного поля при возбуждении различных фаз ВРД: для области ярма статора (а) и (б), и ярма ротора (в) и (г)

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Магнитные потери при эллиптическом перемагничивании больше потерь при пульсационном перемагничивании и сложно зависят от амплитуды индукции, причем гистерезисные потери и потери от вихревых токов, вызванные вращательным перемагничиванием, зависят от нее по-разному [15]. Кроме того, при наличии постоянной составляющей гистерезисные потери будут существенно большими, чем при её отсутствии [16]. В первом приближении, увеличение потерь при эллиптическом перемагничивании может быть учтено с помощью поправочных коэффициентов, значения которых можно оценить из экспериментальных данных.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Решение этих вопросов требует дальнейших теоретических и экспериментальных исследований, разработки математической модели, позволяющей учитывать влияние формы кривой фазного тока ВРД на его энергетические характеристики с учетом характера перемагничивания участков магнитной цепи и локального насыщения зубцовой зоны.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbspДля исследования характеристик ВРД широко применяется математическое моделирование. Выделяются два подхода в методах определения характеристик магнитной системы двигателя и их описании. В рамках первого подхода используется анализ схем замещения магнитной системы двигателя [17]. Основываясь на допущении о равномерности распределения индукции по поперечному сечению отдельных участков магнитной цепи двигателя, данный подход не позволяет учесть локальное насыщение зубцовой зоны. Весьма перспективным является второй подход, предполагающий расчет магнитной системы ВРД полевым методом, в частности МКЭ.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbspМатематическое описание характеристик магнитной системы также играет весьма важную роль. В этом отношении выделяется два направления. В рамках первого используют процедуру сплайновой интерполяции [18]. Недостаток данного подхода заключается в том, что он ограничивает возможность аналитического анализа процессов электромеханического преобразования энергии в ВРД. В рамках второго направления используется аналитическое описание полученных характеристик.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbspС помощью МКЭ в плоскопараллельной постановке задачи расчета магнитного поля было получено семейство кривых проводимостей магнитной системы ВРД мощностью 130 Вт, которое показано на рис. 5 в виде поверхности. Эта поверхность наглядно иллюстрирует изменение магнитной проводимости в функции двух переменных: тока и угла положения ротора.

Рисунок 5 – Поверхность проводимостей магнитной системы исследуемого ВРД

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Для аппроксимации этих зависимостей использовалось выражение, основанное на косинусоидальном изменении магнитной проводимости от угла положения ротора:

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbspНа рис. 6 приведены кривые электромагнитного момента для рассматриваемого двигателя, рассчитанные по выражению (1) (показаны сплошными линиями), а также отмечен электромагнитный момент, полученный с помощью тензора натяжения в программе FEMM (показан штриховыми линиями) [19].

Рисунок 6 – Зависимость электромагнитного момента ВРД от угла положения ротора

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbspИз рис. 5 видно, что точность аппроксимации ухудшается при углах положения ротора близких к согласованному и рассогласованному положениям. Это объясняется тем, что реальная форма кривых проводимости отличается от косинусоидальной.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp Полученное выражение (1) позволяет вычислять статический электромагнитный момент ВРД и может применяться при оптимизации энергетических процессов за цикл коммутации. В рамках данной работы предполагается выполнить исследование энергетических характеристик ВРД с учетом локального насыщения зубцовой зоны.

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2009 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Источник