автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Анализ и оптимизация вентильного электродвигателя для высокодинамичного электропривода

На правах рукописи

ИШУТИНОВ ВЯЧЕСЛАВ ВЛАДИМИРОВИЧ

АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ ВЕНТИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ ВЫСОКОДИНАМИЧНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 СЕН 2015

Киров-2015

005562483

005562483

Работа выполнена на кафедре электрических машин и аппаратов Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Вятский государственный университет».

Научный руководитель:

Беспалов Виктор Яковлевич

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры электромеханики ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ»

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ганджа Сергей Анатольевич

доктор технических наук,

декан Энергетического факультета ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ (НИУ)», зав. кафедры «Теоретические основы электротехники»

Сыроежкин Евгений Викторович

кандидат технических наук, доцент,

доцент кафедры доцент кафедры

«Электроэнергетические, электромеханические и

биотехнические системы» ФГБОУ ВПО «МАИ (НИУ)»

ФГБОУ ВПО «СамГТУ», г. Самара

Защита диссертации состоится «6» ноября 2015 года в 13 час ОО мш. на заседании диссертационного совета Д 212.157.19 при ФГБОУ ВО ШУ «МЭИ» по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д.13, корпус Е, ауд. Ь-/иэ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан » ¿¿^^£¿2015 года.

Ученый секретарь ^ „„„ л \д

Д212.157.19к.т.н„ доцент Боровкова А. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В настоящее время для электромашиностроительных предприятий предъявляются качественно новые высокие требования в области создания специальных высокодинамичных электроприводов (СП). Одним из возможных путей решения этой проблемы является разработка электродвигателей (ЭД) (и на их базе электроприводов (ЭП)), обеспечивающих широкий диапазон частоты вращения, хорошие регулировочные свойства, высокие энергетические и динамические показатели при малых габаритах и массе и высокой надежности.

Коллекторные машины постоянного тока, используемые в регулируемом ЭГ1, достигли высокого технического уровня и обладают хорошей регулировочной способностью, высокими динамическими показателями, достаточно высоким значением коэффициента полезного действия (КПД), в особенности, двигатели постоянного гока (ДП'ГПМ) с возбуждением от редкоземельных (РЗМ) постоянных магнитов (ПМ), простотой и технологичностью в изготовлении. Благодаря этим преимуществам, коллекторные машины до сих пор с успехом применяются в различных электроприводах, в гом числе СП. Однако целый ряд исследований свидетельствует о том, чго коллекторные машины постоянною гока в настоящее время достигли своих предельных параметров. Для ЭМ общепромышленного применения это связано с более интенсивным износом щеток и увеличенным значением реактивной ЭДС на высоких частотах вращения. Для специальных машин тяговых или автономных ЭП - с ограничением полезной мощности, низкими массогабаритными показателями, и что наиболее важно для высокодинамичных ЭП - высоким моментом инерции вращающихся частей. Также возникают проблемы с коммутацией в условиях, пониженного давления и высокой влажности воздуха, в особенности, в переходных режимах, что также приводит к повышенному износу щеток. Поиск замены коллекторным ЭМ специального назначения (микромашинам, машинам малой и средней мощности) обусловлен следующими факторами.

Во-первых, прогрессом полупроводниковой техники. В настоящее время созданы достаточно мощные полевые транзисторы (напряжением сток-исток до 1200 В и длительным током до 75 А) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (напряжением до 1700 В и длительным током до 45 А). Также в настоящее время созданы отечественные микроконтроллеры с достаточно высокими характеристиками. Применение в качестве коммутируемых элементов вышеуказанных ключей позволяет значительно увеличить предельные мощности, повысить надежность и уменьшить эксплуатационные затраты, а применение вышеуказанных микроконтроллеров позволяет увеличить диапазон и максимальную величину частоты вращения, а также реализовать сложные алгоритмы управления.

Во-вторых, в настоящее время развивается промышленное изготовление ПМ с высокими энергетическими показателями. Такие ПМ позволяют создавать в малых объемах большой магнитный поток, позволяя значительно повысить предельные мощности ЭМ.

В-третьих, совершенствуется и внедряется новое ПО, которое позволяет выполнять математическое и имитационное моделирование, расчеты и проектирование любых электротехнических устройств, в том числе ЭМ и систем

управления к ним с учетом взаимного влияния электромагнитных и тепловых процессов, а также системы управления друг на друга.

Благодаря этим трем факторам, вышеперечисленные проблемы, возникающие при разработке специальных машин, успешно решаются путем создания ВДПТ с ПМ.

Начало исследований по созданию ВДПТ в нашей стране связано с именами О. Г. Вегнера, Б. Н Тименева. В 60-е годы в связи с успехами в области полупроводниковой техники ВДПТ был впервые реализован как новый класс ЭД. Большой вклад в развитие теории и практики ЭП с ВДПТ внесли А. К. Аракелян, А.Д. Поздеев, А. А. Афанасьев, В. А. Нестерин, В. А. Балагуров, А. Н. Бертинов, Д. А. Бут, Б. А. Ивоботенко, И. Ф. Ильинский, Ю. И. Конев, И. Н. Лебедев, В. К. Лозенко, А. С. Михалев, И. Е. Овчинников, И. Л. Осин и др.

Задачами оптимального проектирования ЭМ занимались А. А. Тсрзян, Д. А. Аветисян, В. Ф. Горягин, К. С. Демирчан, Е. М. Лопухина, Г. А. Семенчуков. Также стоит отметить вклад в развитие методов оптимального проектирования таких ученых как Ю. Б. Казакова, Ю. В. Герасимова, А. И. Тихонова, А. И. Новикова. Методы оптимального проектирования вентильных машин с аксиальным магнитным потоком содержатся в трудах С. А. Ганджи.

Методы математического моделирования переходных процессов ЭМ содержатся в трудах Г. А. Сипайлова, А. А. Горева, И. М. Постникова, А. И. Вольдека, В.Е. Высоцкого.

В развитие методов моделирования электромагнитных полей большой вклад внесли В. А. Ансит, Г. А. Гринберг, Я. Б. Данилевич, В. В. Домбровский, К. С. Демирчан, А. В. Иванов-Смоленский, А. А. Терзян.

Общую теорию расчета ЭМ развивают А. В. Иванов-Смоленский, С. В. Иваницкий, II. И. Пашков, В. Я. Беспалов.

А. И. Бертинов, Балагуров В.А. Поспелов Л.И. внесли большой вклад в развитие теории электрических машин авиационного и специального исполнения.

Известно большое количество зарубежных разработок в области вентильных электродвигателей и электроприводов.

Несмотря на большое количество работ по данной теме в последние 25 лет, необходимо отметить, что в пашей стране только в последние 10-12 лет, благодаря своим преимуществам, ВДПТ с возбуждением от РЗМ ПМ наконец начинают находить широкое применение в различных ЭП и начинают вытеснять коллекторные машины.

Специальный высокодинамичный электропривод представляет собой электропривод поступательного действия, который состоит из механической, электромеханической и электронной частей. Механическая часть представляет

собой шариковиптовую пару и редуктор, электромеханическая часть представляет собой ВДПТ с возбуждением от ПМ с ДПР, электронная часть представляет собой блок управления и контроля. Источником питания данной системы Рис. 1. Структурная схема СП является аккумуляторная батарея. На рис. 1

изображена структурная схема СП.

В таблице №1 представлены характеристики СП разработанных или разрабатываемых на ОАО «ЛЕПСЕ» согласно требованиям заказчика.

Таблица №1

Название параметра Значение параметра

Эиер! 114еекнс показа гели

Максимальное усилие на штоке, Н До 6000

Средний потребляемый ток, А Не более 50

Максимальный импульсный ток, А Не более 100

Динамические показа!ели

Инернионная масса органов управления, приведенная к штоку, кг До 40

Средняя скорость перемещения штока, мм/с До 150

Время перемещения, мс Не более 120

Масчо! абари 1 пне показа гели

Полная масса, кг До 2,5 кг

Особенностью разрабатываемых СП является необходимость обеспечивать специфические амплитудофазочастотные характеристики (АФЧХ), т.е. работать в переходных режимах. Требования к АФЧХ представлены в таблице №2.

Таблица №2

АФЧХ СП

Диапаюн частот входного синусоидального сигнала, Гц От 1 до 40

Максимальное чапаиывание по фа »с, град 120°

Максимальная амплитуда выходного сигнала, дБ - 10,0 до+ 0,5

В СП электродвигатель является основным звеном, в значительной степени определяющим его характеристики. Поэтому наиболее важными требованиями для ВДГГГ в таких ЭГ1 являются:

- высокие динамические показатели;

- высокие энергетические показатели;

- малые габариты и масса.

Динамические показатели СП определяются быстродействием ЭД, но при этом зависят от момента инерции нагрузки и момента инерции вращающихся частей электродвигателя. В случае приведения момента инерции нагрузки к валу ЭД, приведенный момент инерции может составлять несколько процентов от момента инерции ротора ЭД, а может в два-три раза превышать момент инерции ротора ЭД. В таких условиях становится важным правильно выбрать передаточное отношение редуктора и частоту вращения ЭД.

Повышение частоты вращения может привести как к ухудшению динамических показателей, так и к их улучшению, поскольку повышение частоты вращения приводит к повышению передаточного отношения редуктора и, как следствие, снижению приведенного к валу ЭД момента инерции.

Уменьшение габаритов и массы может быть достигнуто путем увеличения частоты вращения, однако уменьшение габаритов приводит к ухудшению энергетических показателей (КПД).

Таким образом, при проектировании ВДПТ для СП предъявляются противоречивые требования но динамическим энергетическим и массогабаритным показателям.

Как показывает анализ, одновременное выполнение всех вышеперечисленных требований является сложной и противоречивой задачей, для решения которой необходимо использовать методы оптимального проектирования, которые

позволяют получить вариант ЭД, соответствующий всем вышеуказанным показателям.

Итак, исследования, проведенные на ОАО «ЛЕПСЕ» непосредственно перед началом разработки таких ЭП показывают, что в настоящее время, несмотря на большое количество исследований по теории и проектированию ВДПТ и ЭП на их основе в нашей стране пет ЭП, которые обеспечивают одновременно все показатели, указанные в Таблице 1, Таблице 2.

Большая часть исследований посвящена ВДПТ малой мощности, либо моментным ВДПТ и ЭГ1 на их основе, ЭП с повышенным быстродействием, к которым и относится рассматриваемый ВДПТ и ЭП уделено мало внимания.

Поскольку ВДПТ является основным звеном СП, в значительной степени определяющим его характеристики, то задача его разработки для СП является актуальной научно-технической проблемой.

Таким образом, в качестве объекта исследования рассматривается ВДПТ малой мощности с ИМ для СП.

Несмотря на многочисленные исследования в области ВДПТ в целом как класса ЭМ и в области оптимального проектирования ВДПТ ряд аспектов остался неисследованным.

В частности не в полной мерс исследованы вопросы синтеза и анализа данного класса ВДПТ, а в частности многокритериальная оптимизация ВДПТ по энергетическим и массогабаритным показателям с помощью таких методов как методы нелинейного программирования (МНП) и генетический алгоритм (ГА), настройки ГА под конкретную задачу оптимизации ЭМ, анализа работы ВДПТ в составе ЭП в переходных режимах при отработке ступенчатого и синусоидального входного сигнала.

Таким образом, в качестве предмета исследования выступают методы анализа и синтеза ВДПТ для рассматриваемого класса СП.

Целью работы является анализ и синтез ВДПТ для рассматриваемого класса СП, разработка алгоритма оптимального проектирования, исследование методов оптимального проектирования.

Подходы к решению задачи.

Использование современного ПО позволяющего выполнять весь комплекс расчетов и моделирования: позволяющего выполнять аналитический расчет и оптимизацию ВДПТ, а также моделировать работу ВДПТ в составе ЭП в динамике.

Применение зарекомендовавших себя методов: МКЭ, МНИ, ГА, имитационного моделирования.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

- обзор современного состояния ВДПТ;

- исследование и выбор конструкции ВДПТ и ДПР;

- исследование свойств электротехнических материалов и их влияния на характеристики ВДПТ и их выбор;

- анализ требований ТЗ и расчет полезной мощности ВДПТ для СП;

- аналитический расчет ВДПТ и создание его математической модели для дальнейшей оптимизации;

- разработка алгоритма анализа и оптимизации ВДПТ с возбуждением от ПМ на основе РЗМ с использованием (ПО) АЫ5У5;

б

- обзор методов оптимизации и выбор метода;

- выбор критериев оптимальности ВДПТ для СП;

- исследование возможных путей оптимизации ВДПТ;

- изучение настроек ГА для оптимизации ВДПТ, сравнение возможностей ГА с возможностями МНП при различном количестве критериев оптимальности;

- решение многокритериальной оптимизационной задачи;

- анализ электромагнитного ноля ВДПТ с помощью метода конечных элементов (МКЭ);

- анализ динамических показателей с помощью косвенных динамических параметров и выявление их влияния на АФЧХ СП;

- создание имитационной модели СП и анализ по данной модели ВДПТ в составе СП для определения АФЧХ;

- проведение экспериментальных исследований ВДПТ отдельно и в составе СП, определение его статических характеристик, АФЧХ СП, в состав которого входит данный ВДПТ;

- сравнение результатов моделирования на имитационной модели и результатов эксперимента.

Методы исследования. При выполнении данной работы использовалась методика аналитического расчета ВДПТ с помощью схемы замещения, методы оптимизации: МНП и ГА, МКЭ для моделирования электромагнитного поля и расчета переходных процессов ВДПТ, методы имитационного моделирования ВДПТ в составе СП. Для расчетов и моделирования применялись такие программные продукты как: ANSYS, Solid Edge.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработан способ и подана заявка на изобретение по повышению точности ус тановки ПМ на роторе;

- разработан способ и получен патент на полезную модель по уменьшению воздушного зазора ВДПТ;

- разработан алгоритм анализа и оптимизации ВДПТ для СП, включающий в себя аналитический расчет ВДПТ с помощью схемы замещения, оптимизационный расчет ВДПТ с помощью МНП или ГА, аналитический расчет электромагнитного поля с помощью МКЭ, имитационное моделирование ВДПТ в составе СП, тепловой расчет ВДПТ в статике, механический расчет;

- разработана методика применения МНП и ГА при многокритериальной оптимизации ВДПТ для СГ1;

- разработана имитационная модель ВДПТ в составе СП;

- предложен способ оценки динамических показателей ВДПТ с помощью имитационной модели СП.

Положения, выносимые на защиту:

1) Алгоритм оптимального проектирования ВДПТ для СП;

2) Математическая модель ВДПТ для оптимизации и возможные пути оптимизации;

3) Методика применения ГА для оптимизации ВДПТ;

4) Результаты исследований ВДПТ в составе СП на основе имитационной модели и сравнение их с экспериментальными данными реального образца.

Достоверность полученных положений, результатов и рекомендаций подтверждается корректным использованием зарекомендовавших себя методов

анализа и синтеза, а также результатами сравнения расчетных и экспериментальных данных опытного образца СП, в состав которого входит рассматриваемый ВДПТ.

Практическая значимость.

1) Основным практическим результатом работы является создание алгоритма оптимального проектирования ВДПТ для СП, на его базе начато создание методики для проектирования ВДПТ для СП. Применение данной методики позволит значительно повысить точность расчетов и как следствие снизить количество натурных экспериментов.

2) В результате применения алгоритма оптимального проектирования разработаны ВДПТ мощностью 10 Вт, 50 Вт, 70 Вт, 200 Вт, 220 Вт, 300 Вт, 380 Вт 4000 Вт для различных ЭП;

3) В ходе данной научной работы выработаны рекомендации для повышения энергетических, массогабаритных и динамических показателей ВДПТ для CII;

4) В ходе данной работы выработаны рекомендации для настройки ГЛ, при проектировании ВДПТ;

5) В ходе данной работы выработаны рекомендации к применению ГЛ и МНП при различном количестве критериев оптимальности.

Внедрение результатов работы. Разработанные в данной диссертации рекомендации и методы использовались при разработке ВДПТ для ряда ПИР и ОКР, проводимых на ОАО «ЛЕПСЕ», в частности с ОКР «Привод-12» Министерства промышленности и торговли Российской Федерации.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на следующих конференциях: Всероссийская научно-техническая конференция, «Всероссийской научно-практическая конференция», Киров, Россия, 2013, 2014. Международная ежегодная пользовательская конференция ANSYS и ПЛМ Урал, 2012, 2014.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ из них 2 из списка ВАК.

Патенты. По теме диссертации получен один патент на полезную модель и подана заявка на изобретение.

Личный вклад автора. Положения и результаты, которые изложены в диссертации, получены лично автором.

При разработке имитационной модели СП автору принадлежит идея ее создания, а также подготовка и оптимизация динамической модели ВДПТ.

Экспериментальные результаты, представленные в Главе 4, получены группой специалистов ОАО «ЛЕПСЕ», в состав которой входил автор.

В печатной работе [3] автору принадлежит идея использования ПО ANSYS для оптимального проектирования ВДПТ для СП идея имитационного моделирования ВДПТ в составе СП, алгоритм оптимального проектирования с применением данного ПО; автором выполнены оптимизационные и полевые расчеты ВДПТ и подготовлена динамическая модель для имитационного моделирования.

В работе [1] автору принадлежит идея и реализация полезной модели; также проведен ряд электромагнитных расчетов, подтверждающих улучшение показателей ВДПТ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 125 наименований и 6 приложений. Общий объем диссертации 209 страницы машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлен обзор современною состояния проблемы, определены задачи исследования и методы его проведения, отмечена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе

Рассмотрены требования ТЗ к ВДПТ и СП (Таблица №3), на основе которых рассчитана необходимая мощность ВДПТ и момент инерции, приложенный к валу ВДПТ.

Таблица №3

Данные ТЗ для разработки СП и ЭД_

Требовании к 311

Максимальная частота входного синусоидального сигнала, Гц 40

Максимальное запаздывание по фазе, не более 120°

Максимальная амплитуда выходного сигнала. дБ От-10,0 до +0,5

Время перемещения штока при единичном ступенчатом сигнале, мс, не более 120

Средняя скорость перемещения штока при единичном ступенчатом сигнале, мм/с, не менее 150

Момент инерции нагрузки, кг*м2 9х 10°

Характер нагрузки Синусоидальный

Требованнн к ЭД

Полезная мощность, Вт, не менее 300

Частота вращения, об/мин 4000-15000

Масса ЭД. кг, не более ОД

Диаметр статора, мм, не более 45

Требования но темнерапре

Диапазон температур окружающей среды, °С -60..+125

Разработан алгоритм оптимального проектирования ВДПТ для СП, включающий семь этапов.

На нервом этане проектирования проводиться предварительный электромагнитный расчет для получения начальной геометрии ЭМ. В качестве входных данных для данного этапа используются: номинальное напряжение питания, падение напряжения на полупроводниковых элементах, полезная мощность, электромагнитный момент, потребляемый ток, режим работы. Результаты расчета: рабочие характеристики ЭД в установившемся режиме, предварительные массогабаритные показатели, косвенные динамические показатели.

На втором этане производится многокритериальная оптимизация рассчитанного ЭД МНИ, с использованием ГА. Основная задача данного этапа: получение необходимых и наилучших энергетических, массо-габаритных показателей. В качестве входных данных для данною расчета используется геометрическая модель ЭМ полученная на первом этапе. Выходные параметры на данном этапе: оптимизированная модель ЭМ и энергетические, динамические и массогабаритные показатели.

На третьем этапе проектирования выполняется нолевой расчет ЭМ МКЭ. Целью данного этапа является расчет электромагнитного поля для определения мгновенных значений электромагнитного момента, фазных токов, потерь в меди, магнитных потерь в роторе н в ПМ. Также расчет электромагнитного поля необходим для последующего расчета теплового поля, поскольку эти нагрузки

являются входными параметрами для данного расчета. В качестве входных данных на данном этапе используется оптимизированная модель ЭМ созданная, на основе данных полученных на втором этапе, в каком-либо пакете, позволяющем выполнять твердотельное 313 моделирование.

На четвертом этапе проектирования выполняется расчет переходных процессов и моделируется работа ЭП с системой управления максимально имитирующей реальную схему управления. Исходными данными для построения имитационной модели ЭП является динамическая модель ЭМ, параметры механической части и основные параметры системы управления. В отличие от представления объекта в виде передаточной функции, в которой изначально закладывается принцип упрощения объекта моделирования, в имитационном моделировании максимально сохраняется принцип функционирования объекта.

Такой подход к моделированию позволяет отслеживать мгновенные значения токов и напряжений в фазах ЭД без принятия допущений, таких как гармоническая линеаризация напряжения питания, с учётом коммутационных процессов - выбросов и Рис.2. Диатрамма напряжения фазы провалов, показанных па рис.2, происходящих в модели вентильного двигателя в трёхфазном силовом инверторе.

На пятом этапе выполняется ЗЭ моделирование всего ЭП, производится проработка всей конструкции.

На шестом этане проектирования выполняется тепловой расчет. В качестве входных данных для расчета используется полевая модель ЭМ, а также электромагнитные нагрузки. Выходными данными на этом этапе будет картина теплового поля во всем объеме ЭМ, которая позволяет определить температуру и

перегрев отдельных частей ЭМ. В случае, если расчетом будет установлено, что перегрев отдельных частей ЭМ выходит за установленные пределы, го необходимо вернуться на второй этап расчета, внести поправки и вновь выполнить третий и четвертый этапы, а затем перейти вновь к выполнению данного этапа.

На седьмом этапе проводится механический расчет всей конструкции ЭП. В данный этап расчета могут быть включены внешние воздействующие па ЭП факторы, например, такие как вибрация, ударные нагрузки

однократного и многократного действия. На рис.3 представлена схема оптимального проектирования ВД11Т для СП.

тЫча/ЬяЛ»* ч И&-Я

< 'ЙУц'а^ Ам*л ? ' тгтмтг птент М^с т^т- тггтъня МГчТТЧГМЛ г нпггр-ргЛгт**/*

} Рагчрт уектрегюжтюго поля ВВПГ

1 чуУтпЛкг ДУГгттУС? ОрргЬ.'гче йничгт Ли У1

1 Дшанические пехагттет] гтигнры

5 'ЛепЬте/мр Ю юФ^жпОгне Создать гберЭсте/ьна!

(г теплового поля ВйПТ Расчет п&ггйхр ахтоыя 1М

\ ПерегреМ

7 Пр&мхггнаи рас^п Ратчеп гптнгт/ тсих/щи.1

Изгстобление юте у истытоия

Рис.3. Схема анализа и оптимизации ВДПТ

ю

Во [л опой главе

Создана расчетная модель ВДПТ для оптимизации (рис.4).

В качестве независимых переменных

выбраны: число элементарных проводников в эффективном проводнике; ширина зубца статора; ширина шлица паза статора; активная длина статора, количество витков в секции; внутренний диаметр статора, высота ярма статора, воздушный зазор; высота шлица паза статора и высота под клин; полюсная дуга ПМ ротора; высота ПМ ротора.

Рис.4. Расчетная модель для оптимизации

В качестве заданных величин приняты: номинальная (полезная) мощность ЭД;момент на валу; поминальное напряжение питающей сети; тип ЭД реверсивный; тип коммутации; режим работы; класс изоляции. В качестве ограничителей приняты: наружный диаметр статора, минимальная ширина зубца статора; минимальная высота ярма статора; минимальная и максимальная толщина ПМ; минимальная высота ярма ротора, минимальная ширина шлица паза статора; минимальная высота шлица паза статора. В качестве критериев оптимальности приняты следующие: КПД, масса активных материалов, потребляемый ток, индукция в зубцах статора, индукция в ярме статора, индукция в ярме ротора, коэффициент заполнения паза изолированным проводником.

Первый путь оптимизации пазовой зоны - выбор формы паза. Результаты исследования формы дна паза показаны в таблице №4.

Таблица №4

Результаты расчета при изменении формы паза при постоянстве момента и

мощности

Радиус скруглен ия. мм Индукция в !убис. Тл Индукция в ярме, Тл Индукция в вочдушном аачоре. Тл Площадь пача, мм Номинальная мощность, Вт/Номинальный момент, Н*м Магнитные потери в статоре. Вт кпд. %

При постоянстве электромагнитного момента М=0,33 Нхм

0,3* 2,31 1,73 0,6718 49,1 342 20,44 80,00

0,5* 2,31 1,7.3 0,6719 50,6 338 20,38 79,94

1,0* 2,31 1,74 0,6723 52,2 332 20,05 79,91

2,0* 2,32 1,73 0,6728 52,8 330 19,54 79,97

3,0* 2,32 1,74 0,6730 52.4 337 19,38 80,10

3,5** 2,32 1,73 0,6730 51,5 341 19.17 80,21

Как показывают исследования, наилучшими показателями как при постоянстве момента, так и при постоянстве мощности, обладает ЭД с пазом, дно у которого круглое т.е. радиусы скругления равны 3.5 мм: при круглом пазе (при постоянстве момента) номинальная мощность практически остается такой же, как и при трапецеидальном, но при этом увеличивается площадь паза на 4,7% для размещения проводников и уменьшаются потери в стали на 6,2% (возрастает КПД ЭД), т.е. улучшаются энергетические показатели.

Второй путь оптимизации пазовой зоны - выбор толщины листа. Результаты расчета представлены в таблице №5.

^ 6елг*т | Полезная мащноегть -г, Нопряхемче ипхшя _ л Речи работ Класс изоляции Расчтк модель 30 для СП КПП Потребляешь/и пик — Нфапр б зубцах и __ ч+*> спопкра Пфал/я б ярме ~~ ротора — КрэфСиииет

Г ¡Укги _

Л£гтггЬ аптла/ьюго пра*т£)с&ш' ГОВЦЫ**

Таблица №5

Результаты расчета ВДПТ с ИМ при разной толщине листов_

Наименование Толщина листа (49К2ФА), мм

0,35 0,25 0,20 0,15 0,10

При и0С10)шС1ве момеша .41=0,331 Нхм

Напряжение питания, В 54 54 54 54 54

Частота вращения, об/мин 9900 9965 10000 10035 10072

Потери в стали, Вт 27,58 25,44 22,86 20,82 18,70

Потребляемый ток, А 8,065 8,093 8,066 8,061 8.058

11олсжал мощность, Вт 342,5 345,1 346,0 347,3 348.7

КПД. % 78,65 79.00 79,45 79,80 80,16

Как показали расчеты, наилучшими характеристиками обладает ЭМ с толщиной листа статора 0,1 мм, однако, разница в КПД всех трех ЭМ укладывается в 1,5%, а но полезной мощности в 6 Вт. В связи с этим, но совокупности факторов выбирается толщина листа статора 0,20 мм.

Первый путь оптимизации активной длины статора - выбор активной длины при фиксированном значении наружного диаметра, так чтобы получить необходимые энергетические и динамические показатели ЭД. Результаты расчета представлены на рис.5.

дацх а лН»!1 ¿я

а) б)

Рис. 5. Зависимость показателей ВДПТ (а) и потерь в ВДПТ (а) от активной длины при постоянстве электромагнитного момента

Как видно из рис. 6 (б) при постоянстве электромагнитного момента при увеличении активной длины потери в обмотке статора, потери в полупроводниковых ключах значительно уменьшаются, в особенности, при увеличении длины с 20 до 30 мм, а магнитные потери несколько увеличиваются, в результате чего уменьшаются суммарные потери в ВДПТ. Наиболее оптимальное значение длины 30 мм для статора, при котором достигаются наилучшие энергетические, массогабаритные и динамические показатели (момент инерции).

Второй путь оптимизации - выбор соотношения активной длины ротора и статора.

к

Полезна» нощнхль

13 4

длине ротора по к длине статора от 1 до 10 мм.

Рис. 6. Зависимость показателей ВДПТ от соотношения активных длин статора и ротора при постоянстве электромагнитного момента

Запас по отношению

изменялся от 1 до 10 Результаты расчета представлены па рис. 6. Как показывают расчеты, наилучшие

энергетические показатели

достигаются при условии, когда длина ротора превышает длину статора на 1-4 мм.

"ггчт» ЛщеЛтши да

При жестком ограничении по габаритам одним из возможных путей оптимизации может быть уменьшение воздушного зазора за счет вынесения бандажа за пределы рабочего воздушного зазора. Для оценки влияния величины воздушного зазора на показатели ВД1ГГ были проведены расчеты на примере

ВДПТ мощностью 340 Вт при условии сохранения внешних габаритов, размеров ротора, магнитного потока, но при 'чхпт*т*<' изменении внутреннего диаметра

статора и величины воздушного зазора от 0.1 мм до 1,0 мм. Рис. 7. Зависимость показателей ВДПТ от Результаты расчета приведены па величины воздушного зазора при ',ИС" • постоянстве момента

Таким образом, уменьшение воздушного зазора с 1,0 мм до 0,1 при условии сохранения внешних габаритов, размеров ротора, магнитного потока, но при изменении внутреннего диаметра статора позволяет повысить КПД ЭД мощностью 340 Вт на 1 %. Исходя из технологических соображений, минимальная величина воздушного зазора может быть уменьшена до 0,2 мм при хорошо отработанной технологии.

Еше одним способом оптимизации воздушного зазора является ею профилирование. Применение такого воздушного зазора позволяет приблизить форму магнитной индукции и ЭДС к синусоиде и получить лучшие энергетические показатели (Таблица №6).

Таблица №6

Наименование Неравномерность воздушного ш юра. мм

0 | 0,4 | 0,8 | 1,6 | 2,0

При постоянстве электромагнитного момента

Электромагнитный момент, Н*м 0,3.31

Магнитные потери в статоре, Вт 27.58 27,14 26,71 25.90 25,5.3

Магнитная индукция в воздушном шоре, Тл 0,6719 0.6725 0,6731 0,6745 0,675.3

Частота вращения, об/мин 9903 9968 100.39 102(13 10298

Зубцовый момент, мН*м 0,0422 0,0.477 0,0.3.35 11,0261 0,0227

Потребляемый ток. А 8,05

КПД, % 78,68 78,72 78,75 78,76 78.74

Оптимальным с точки зрения показателей ВДПТ является значение неравномерности воздушного зазора 1,6 мм. Однако неравномерный воздушный зазор сложно реализуем с технологической точки зрения. Также при увеличении неравномерности уменьшается зубцовый момент, что является одновременно положительным фактором с точки зрения динамических показателей и отрицательным, если с помощью зубцового момента необходимо удерживать ротор от самохода. В связи со всем вышеизложенным, в рассматриваемом случае зазор выполнен равномерным.

Пути оптимизации углового расположения ПМ

Одним из основных факторов, определяющих форму магнитной индукции, является угловое расположение ПМ на роторе. Точность установки зависит от многих факторов: точности изготовления немагнитных прокладок, точности

изготовления ПМ, правильного подбора ПМ и прокладок. При этом происходит накопление допусков на установку ПМ. Это может привести к значительному смещению ПМ от номинального углового расположения, что в свою очередь приводит к следующему: во-первых, к искажению кривой распределения индукции в воздушном зазоре ЭМ (рис. 8), во-вторых, переключение фаз статора будет происходить не в «нужные моменты», что может вызывать большие пиковые В итоге, все это приводит к ухудшению энергетических и динамических показателей ВДПТ. На рис. 9 показан способ установки ПМ на магнитомягкую втулку ротора для обеспечения их точности расположения по окружности и препятствия тангенциальному сдвигу.

Pacripede/ienje UHtfyajuu б бахк/шмн лиоре при mo^tm лх¡¡олзхемш /Ц

Г

■а (г'*' ифиям о "< rtUii-- jaxpe при y&vOon lmojjmaj Iii

Рис. 8. Магнитная индукция в воздушном зазоре Рис. 9. Установка ПМ на при точном расположении ПМ и при их угловом магнитомягкую втулку смещении ротора

Одним из путей оптимизации обмоточных данных является повышение класса нагревостойкости. Для рассматриваемого ВДПТ оговорена максимальная температура окружающей среды, которая составляет +125 °С. С учетом перегревов температура может возрасти до 150, 180, а то и до 200 °С. В связи с этим необходимо применять материалы с классом нагревостойкости Н или 200 (Таблица №7).

Таблица №7

Сравнение показателей ЭД при разных классах нагревостойкости при постоянстве

момента

Наименование параметра Значение параметра

ЭД1 ЭД2 эдз

Напряжение питания, В 54 54 54

Режим работы S1-S3 S1-S3 S1-S3

Плотность тока в обмотке статора. А/мм" 7,8 9,4 11,8

Класс нагревостойкости F н 200

Маесогабари гные показатели

Диаметр статора наружный, мм 51 48 44

Длина статора, мм 60 60 60

Масса активных материалов 0,395 0.349 0,297

Номинальные параметры

Номинальная мощность, Вт 342 .342 342

Частота вращения, об/мин 99.30 9920 9900

Потребляемый ток, А 8,014 8,044 8,065

Электромагнитный момент. 11*м 0,329 0,330 0,331

Потери

Магнитный потери в статоре, Вт 35,40 31,80 27,58

Электрические потери в обмотке статора. Вт 27,73 3 1,79 .37,45

Электрические потери в транзисторах, Вт 23,38 23,46 23,59

Энер!ешчсские показаiели

КПД. % 1 79,04 1 78,93 1 78,65

Как показывают расчеты, при увеличении плотности тока в 1,51 раза за счет применения материала с более высоким температурным индексом, при снижении

КПД па 0,4%, наружный диаметр снижается в 1,16 раза, масса активных материалов в 1,33 раза, поэтому в рассматриваемом случае выбран класс изоляции С.

Выполнено сравнение ГА и МНП для оптимизации ВДПТ Сравнение (Таблица №8) показало преимущества ГА над MH1I при 7 критериях (рассматриваемый случай), поэтому данный метод был выбран для оптимизации ВДПТ. Используя данный метод, был получен оптимизированный вариант ВДПТ.

Таблица №8

Сравнение ГА и МНП_

Количество критериев Значение интегральной функции цели при использовании 1 А Значение интегральной функции цели при исполыовании МНП

4 9,6*10 5,4*10"

5 0,000355 0,000699

6 о.оооюз 0.000004

7 0,000070 0,000206

S (1,000049 0,000050

9 0,000014 0.000001

В третьей главе

Проведено имитационное моделирование ВДПТ в составе СП. Допущения при использовании динамической модели

- токи в обмотке статора, индукция в воздушном зазоре, потокосцепления фаз -несинусоидальные;

- микроконтроллер реализует лишь логику работы без учета задержек, необходимых на вычисления;

- полупроводниковые ключи - биполярные транзисторы с изолированным затвором; их показатели характеризуются только падением напряжения;

- индуктивности постоянные.

На рис.10 изображена имитационная модель всего СП.

Имитационная модель основана на

г-<М4

-—к

н» *

Рис. 10. Имитационная модель СП

системе уравнений ВДПТ.

Ud = 2R1i1 + L1^+KE Фш

M = КТФÍJ Е = КЕФш dut

1=м-мс dt

где К[коэффициент ЭДС, Кт - коэффициент момента.

Оценены динамические показатели ВДПТ разных конструкций двумя методами. С помощью косвенных динамических параметров (Таблица №9) и с помощью имитационного моделирования (Таблица №10).

Таблица №9

Номинальные параметры электродвигателя в установившемся режиме

1 2 3

Вариант ВДПТ ЭД1 ЭД2

Метод расчета Синтез Анализ

Количество полюсов 2р 4 g

Номинальное напряжение сети питания, В 54 54

Среднеквадратичное значение номинального тока, Л 7,4 8.0

Окончание таблицы №9

1 2 3

11оминальный нагрузочный момент на валу электродвигателя. 11*м 0,313 0,560

11оминалы1ая частота вращения элекфодвшателя, об/мин 9000 5000

Номинальная мощность на валу электродвигателя. Вт 318 300

Коэффициент полезного действия, % 79 69

Косвенные динамические параметры ЭД

Собственный момент инерции ротора электродвигателя. <10 кт*лг 2,90 5,38

Момент пусковой (в скобках с учеюм ограничения но току) электродвигатели, Н*м 3,3(1,82) 3,5(2,50)

Пусковой ток электродвигателя (в скобках ограничение по току), Л 79 (35) 54 (35)

Частота вращения ва XX. об/мин 11016 6940

Электромеханическая ноегояшшая Тэм, с 1,84x10-' 1,56* 10"j

Электромагнитная постоянная Тм, с 4,35x10"' 3,14*10"'

Крутизна мощности, [ 17ю 1,14x10® 1.16*10'"

Угловое ускорение, м/с" 6,27x10' 4,65*10'

Параметры обмо|ки статора

11логпосгь тока в обмотке статора, А/мм2 11 21

Активное сопротивление фазы статора, Ом 0,32 0,43

Индуктивность фаты обмотки статора, 1 и 0,000270 0,000270

Габаритные рашеры и масса активных материалов

Наружный диаметр статора, мм 44 40

Длина статора активная, мм 30 29

Масса активных материалов, кг 0,28 0,22

Как видно из таблицы 3.29 ЭД2 превосходит ЭД1 но пусковому моменту как с учетом ограничения по пусковому току, так и без учета, имеет меньшую частоту вращения на XX, меньшую электромагнитную постоянную, однако уступает ЭД1 но крутизне мощности, моменту инерции и угловому ускорению. По энергетическим показателям ЭД! и ЭД2 удовлетворяют ТЗ, при этом ЭД1 имеет меньший потребляемый ток, несколько большую отдаваемую мощность, а значит и КПД, большую частоту вращения и меньший электромагнитный момент, чем ЭД2.

В таблице 10 показано сравнение ЭД1 и ЭД2 по запаздыванию по фазе при о тработке входного гармонического сигнала при моделировании их в составе СП. Сравнение динамических показателей ЭП с разными конструкциями ЭД

Таблица №10

Сравнение динамических показателей ЭД1 и ЭД2

Частота входного сигнала, Гц Запаздывание по фазе (расчетное с ограничением по току), град

ЭД1 ЭД2

1 0 0

20 35 56

40 55 92

Моделирование отработки входного единичного ступенчатого сигнала

На рис. 11, 12 представлены расчетные данные отработки единичного ступенчатого сигнала, полученные при имитационном моделировании С11 (с электродвигателем ЭД1) на основе динамической модели, в состав которого входит исследуемый ВДПТ.

ступенчатого сигнала +10 В ступенчатого сигнала -10 В

Моделирование реальных динамических параметров

В таблице №11 представлены расчетные данные отработки АФЧХ, полученные при имитационном моделировании СП (с электродвигателем ')Д1) на основе динамической модели, в состав которого входит исследуемый ВДПТ. Как показывают расчеты, спроектированный ВДПТ обеспечивает заданные по ТЗ динамические показатели.

Таблица №1 I

Имитационное моделирование СП (расчетные данные)_

ТЗ динамические показатели. Для проверки правильности расчетов был изготовлен макетный образец СП и были сняты его показатели.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований опытного образца ВДПТ ДБУ44 и результаты расчетов. На рис. 13 представлен СП, в состав которого входит ДНУ44, рассматриваемый в данной диссертации. Для проверки результатов расчета на ОАО «ЛЕПСЕ»

был изготовлен макет ДВУ44 и проведены его испытания, в ходе которых снимались естественные характеристики ЭД в установившемся режиме. Для подтверждения расчетных данных, были проведены исследования макета ВДПТ ДБУ44, разработанного с использованием методик оптимального

проектирования. Для этого были сняты динамические Рис. 13. Вентильный СП показатели ВДПТ в составе СП (Таблица №12).

Таблица №12

Динамические показатели СП с ДБУ44 (Опыт)_

Входной сиг над Выходные параметры

частота, Гц амплиту да, В Измеряемый параметр Без токоограничения С токоограничением 35 А

Запаздывание по фазе, 28° .36°

20 0,45 не оолее

Амплитуда, дБ -1.7 0.4

40 0,2 Запаздывание по фа1е, не более 72° 125°

Амплитуда, дБ -1.3 -1,2

Соответствие параметрам соответствует соответствует

В таблице №13 представлены в сравнении расчетные и опытные данные при отработке единичного ступенчатого сигнала.

Таблица №13

Сравнение результатов расчета и моделирования времени перемещения штока и

Сигнал управления, В Проверяемый параметр Результат моделирования Результат испытания Процент ошибки, %

+ 10 Время перемещения штока, [с] 0.099 0.095 4

-10 0,099 0.098 1

+ 10 Скорость перемещения штока, 0,192 0,187 3

-10 |м/с| 0,192 0,192 0

Как показывают исследования, расчетные и опытные данные совпадают с высокой точностью. В таблице №14 представлены расчетные данные при различных способах моделирования в сравнении с опытными данными для ДБУ44, а также погрешность расчетов.

Таблица №14

Сравнение опытных и расчетных данных__

Рабочие характеристики в установившемся режиме Процент ошибки, %

Нагрузочный момент, 11*м Эксперимент Расчет

0,338 0.625 0,806 0.338 0.625 0,806 -

Потребляемый ток, А 7,50 - - 7,45 - - 0,6

- 14.00 - - 12.70 - 9,3

- - 18.00 15,90 11,6

Частота вращения, об/мин 9410 - - 9000 - - 4,3

- 7800 - - 7717 - 1,0

- - 7100 - - 7012 1.2

Динамические показатели (переходные процессы) без ограничения по току

Входной сигнал, Гц Эксперимент Расчет

1 20 40 1 20 40

Запаиыванис по фаю, град 0 - - 0 - - 0

- 28 - - 20 - 28

- - 72 - - 33 54

Точность при расчетах ЭД в установившемся режиме составляет от 5 до 12 процентов, т.е. расчетная модель на данных этапах приближается к реальному объекту. На этапе моделирования электропривода расчетные данные на больших частотах входных сигналов несколько не совпадают с экспериментом. Это объясняется неучтенной постоянной времени в микроконтроллерной системе управления. Для приближения расчетной модели к реальному объекту, на данном этапе необходимо найти звено с неучтенной постоянной времени. Работы в данном направлении продолжатся. При всем при этом, полученные результаты экспериментальных исследований достаточно хорошо согласуются с результатами

расчетов по математическим моделям. В установившемся режиме можно говорить о хорошей сходимости расчетных данных с данными эксперимента, при расчете переходных процессов можно говорить о том, что представленная имитационная модель позволяет правильно определять направление при настройках и отладке ЭН.

В приложениях представлены результаты оптимизационных расчетов, варианты конструкций МС роторов, значения магнитных индукций в ВДПТ разработки ОАО «ЛЕПСЕ», патент на полезную модель.

ЗАКЛЮЧЕНИИ

По результатам проведенных в диссертационной работа исследований можно сделать следующие выводы:

1 .На основании требовании технического задания проведен анализ конструктивных исполнений и обоснован выбор конструкции вентильного двигателя, датчика положения ротора. Обоснован выбор электротехнических и магнитных материалов. Основной результат первой главы заключается в разработке алгоритма анализа и оптимального проектирования конкретного вентильного электродвигателя для специального электропривода с заданными характеристиками, основанный на комплексном подходе к процессу проектирования, включающий в себя эгаи анализа по схеме замещения, этап оптимизации с помощью генетического алгоритма, этап анализа вентильного двигателя с помощью метода конечных элементов путем моделирования электромагнитного поля, этап имитационного моделирования вентильного двигателя в составе специального электропривода, этап теплового расчета и этап механического расчета. Основным практическим результатом явилось внедрение данного алгоритма в процесс проектирования электродвигателей и электроприводов па ОАО «ЛЕПСЕ».

2.На основании требований технического задания к электродвигателю и электроприводу создана математическая модель для оптимизации, которая содержит входные параметры, ограничители, независимые переменные, выходные параметры.

3.Проведен анализ возможных путей оптимизации вентильного двигателя, позволяющий повысить энергетические и массогабаритпые показатели, па основании проведенного анализа выбраны независимые переменные. Одним из результатов исследования возможных путей оптимизации явилось получение патента на полезную модель, который в дальнейшем был внедрен в процесс производства вентильных электродвигателей для данного класса электроприводов.

4.Для реализации алгоритма было выбрано лицензионное программное обеспечение АЫБУБ, позволяющее выполнять все виды расчетов элекгро двигателя и электропривода.

7.В результате анализа методов оптимизации для рассмотрения выбраны два метода оптимизации генетический алгоритм и методы нелинейного программирования (градиентный и динамического программирования).

8.Выработаны рекомендации по настройке генетического алгоритма для критериев оптимальности заданных для вентильного двигателя, рассматриваемого в данной диссертационной работе.

9. Проведено сравнение генетического алгоритма и методов нелинейного программирования с точки зрения получения минимального значения интегральной функции цели при различном количестве критериев оптимальности. В ходе

проведенного сравнения выявлено, что для решения поставленной оптимизационной задачи наилучшим образом подходит генетический алгоритм. 10.Решена задача многокритериальной оптимизации вентильного двигателя для специального электропривода с помощью генетического алгоритма, в результате чего получен вариант электродвигателя для дальнейшего анализа и имитационного моделирования.

11 .Разработана имитационная модель специального электропривода, в состав которого входит рассматриваемый вентильный двигатель. Эта модель позволила смоделировать переходные процессы, происходящие в электродвигателе и электроприводе при их работе, что в свою очередь позволило получить необходимые динамические показатели электропривода.

12.Создан экспериментальный образец электродвигателя и электропривода и выполнены их экспериментальные исследования, которые показали удовлетворительное совпадение с результатами, полученными при анализе, синтезе, математическом и имитационном моделировании.

13.Результаты данной диссертационной работы использованы при разработке целого ряда других проектов по разработке вентильных электродвигателей и электроприводов, реализуемых на ОАО «ЛЕПСЕ».

IIA ТЕНТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Пат. на полезную модель №144527 RU Российская Федерация, МКИ Н02К1/27. Ротор электрической машины. /Ишутинов В.В. Булатов В.А.; заявитель и патентообладатель ОАО «ЛЕПСЕ». - заявл. 24.04.2014.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в научных изданиях из перечня ВАК Министерства образования и науки РФ

2. Ишутинов В.В. Применение методов оптимизации при проектировании вентильных электродвигателей постоянного тока с постоянными магнитами для специальных электроприводов на ОАО «Л El ICE».// Электротехника. - 2014. - №4. - с.46-50.

3. Ишутинов В.В. Применение современного программного обеспечения для проектирования высокодинамичных приводов. Часть 1./Ишутинов В.В., Савин A.A.// Электротехника. - 2015. -№7.

Публикации и доклады в других научных изданиях

4. Ишутинов В.В. Применение ANSYS для оптимального проектирования вентильных электродвигателей для специальных приводов. - Киров, ФГБОУ ВПО «ВятГУ», НПК-2013, с. 2057.

5. Ишутинов В.В. Моделирование электромагнитного поля вентильного электродвигателя. - Киров, ФГБОУ ВПО «ВятГУ», НПК-2014, с. 2046-2047.

6. Ишутинов В.В. Связанные расчеты при оптимальном проектировании вентильных электродвигателей для специальных приводов. - Киров, ФГБОУ ВПО «ВятГУ», НПК-2014, с.2050-2051.

7. Ишутинов В.В. Моделирование вентильного электропривода. - Международная ежегодная пользовательская конференция ANSYS и ПЛМ Урал, 2014.