автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Использование цепных математических моделей в автоматизированном проектировании двигателей постоянного тока с ферритовыми магнитами

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ АВТОМОБИЛЬНОГО И ТРАКТОРНОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЦЕПНЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ В АВТОМАТИЗИРОВАННОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ФЕРРИТОВЫМИ МАГНИТАМИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Р Г 5 СД

(МАШ)

На правах рукописи

МОСКАЛЕВ Валентин Валентинович

МОСКВА 1695

Работа выполнена на кафедре "Автотракторное электрооборудование" Московской Государственной Академии автомобильного и тракторного машиностроения (МАШ).

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент С.В.Акимов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор И.И.Трещев кандидат технических паук, профессор П.А.Тыричев

Ведущая организация:

Научно- исследовательский экспериментальный институт автомобильной электроники и электрооборудования (НИИАЭ)

Н

X

1995 г. час. в

Защита состоится

ауд. на заседании диссертационного совета К 063.49.05 в

Московской Государственной Академии автомобильного и тракторного машиностроения.

Отзывы » двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 105023, Москва, Е-23, ул. Б.Семеновская, 38, МАШ, ученому секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАШ.

Автореферат разослан

. О 1/и

I

1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета К 063.49.05, кандидат технических наук, доцент

В.П.Коробченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Электроприводы, выполненные на основе ДПТ с постоянными магнитами, находят все более широкое применение в различных областях техники. Особое место в этом процессе, в условиях массового производства, занимают двигатели постоянного тока с возбуждением от ферритовых магнитов (ДПТ с <Ш), что обусловлено небольшой стоимостью ферритовых материалов, обладающих в то же время достаточно высокой магнитной энергией.

Необходимость удовлетворения постоянно растущих требований, предъявляемых к техническим характеристикам электродвигателей, их экономическим и эксплуатационным показателям, заставляет производителей ДПТ с 2М искать новые конструкционные решения, способствующие повышению конкурентоспособности их продукции.

В сложившейся ситуации традиционные инженерные методики эм-пирико-аналитического расчета электрических машин требуют коренной переработки, поскольку они привязаны к конкретным конструкциям электродвигателей, откорректированы по результатам экспериментов на базе этих конструкций и поэтому не позволяют производить расчет оригинальных исполнений ДПТ, появившихся в последнее время. При этом данные методики обладают сравнительно невысокой точностью расчета, обусловленной рядом допущений и недостаточным учетом потоков рассеяния, реальной конфигурации магнитопрово-да, распределения параметров магнитной системы электродвигателя и т.д.

Внедрение в практику проектирования методов математического моделирования электромагнитных процессов в электрических машинах способствует значительному расширению спектра конструктивных исполнений ДПТ, поддающихся достаточно точному расчету.

Сложность математического аппарата известных полевых методов моделирования электрических машин препятствует их непосредственному использованию проектно-конструкторскими организациями. К тому же среди распространенных программных продуктов для автоматизированного проектирования электрических машин отсутствуют пакеты прикладных программ (ППП) по расчету и моделированию ДПТ с 4М.

В настоящее время промышленностью используется множество ППП для расчета и анализа всевозможных электрических и электронных схем. Некоторые из этих пакетов, такие как IRIS-PC и т.п., могут

быть использованы в составе систем автоматизированного проектирования (САПР) для расчета и моделирования ДПТ с ®М. При этом для адаптации данных программных средств к расчету и анализу электромагнитных процессов и характеристик проектируемых машин, требуется разработка методики синтеза специальных цепных математических моделей указанных электродвигателей.

В связи с вышеизложенным представляется актуальным выполнение исследований по разработке методики, позволяющей использовать ППП для расчета и анализа электрических и электронных схем при проектировании ДПТ с <Ш.

Целью диссертации, является разработка методики автоматизированного расчета ДПТ с ФМ по цепным математическим моделям, позволяющей с достаточной точностью учитывать реальное распределение магнитных потоков полюсов и реакции якоря в проектируемых машинах и допускающей возможность моделирования различных, в том числе и не поддающихся расчету традиционными методами, конструктивных исполнений указанных электродвигателей при вариации их параметров в широком диапазоне.

Научная новизна работы состоит в следующих положениях и результатах :

1. Разработана цепная математическая модель ДПТ с ФМ, основанная на реальном, распределении магнитных потоков полюсов и реакции якоря в машине, позволяющая учитывать факторы, не учитываемые традиционными методами.

2. Предложена методика расчета ДПТ с ЯМ на базе разработанной цепной математической модели позволяющая производить расчет различных, в том числе и нетрадиционных, конструкций указанных электродвигателей, оценивать влияние отдельных конструкционных и физических параметров на выходные характеристики ДПТ при достаточно высокой точности результатов, а также учитывать фактор возможного необратимого размагничивания полюсов.

3. Разработана методика выбора геометрических и физических параметров постоянных магнитов, обеспечивающих стабильность их характеристик в различных условиях эксплуатации электродвигателя.

4. Предложены способы конструктивного предотвращения возможности необратимого размагничивания полюсов ДПТ с ЯМ, применимые как в традиционных, так и нетрадиционных конструкциях электродвигателей.

5. Разработана методика выбора пропорциональных соотношений частей магнитов для ДПТ с бимагнитными ферритовыми полюсами.

Практическая ценность. Результаты работы создают основу для практической реализации метода цепных математических моделей при проектировании новых серий ДПТ с что позволит проводить достаточно точные расчеты и анализ электромагнитных процессов в электродвигателях различных исполнений, в том числе оригинальных конструкций, для которых отсутствуют методики расчета. Метод также может быть использован для выявления эмпирических закономерностей и корректировки инженерных методик расчета ДПТ с 4М. Кроме того, рекомендации по выбору конструктивных и физических параметров элементов, составляющих магнитную систему электродвигателя, позволяют непосредственно приступить к их технической реализации.

Реализация результатов работы. Результаты исследований используются при проведении конструкторских работ по проектированию ДПТ с <£М на предприятии АО АЗТЭ.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований были представлены и получили одобрение на Международном научно-техническом семинаре "Электромеханические системы с компьютерным управлением на автотранспортных средствах и в их роботизированном производстве" (Суздаль,« 1993г.), на научно-технической конференции "Научно-технический прогресс в автомобилестроении" (Москва, 1994г.) и на 52-й Научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ (Москва, 1994г.).

Публикации. Основные результаты научных исследований опубликованы в 5 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 175 страницах машинописного текста и содержащих 45 рисунков и графиков, 2 таблицы, список литературы из 96 наименований и 4 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе основываясь на анализе конструктивных и физических, особенностей ДПТ с <Ш, обусловленных свойствами ферритовых магнитных материалов, показывается необходимость учета при проектировании указанных электродвигателей следующих факторов:

- магнитный поток Фч поперечной реакции якоря пересекает полюса в продольном направлении и замыкается по стальному корпусу электродвигателя (рис.1), что в экстремальных режимах эксплуатации ДПТ с ФМ способно вызвать необратимое местное размагничивание

- 6 -

Воздействие поперечной реакции якоря в магнитной системе ДПТ с <ЕМ

Рис. 1

сбегающих краев полюсов, где магнитный поток направлен навстречу основному потоку Фщ магнитов;

- близость расположения стенки корпуса к внешней поверхности якоря ДПТ с ФМ отражается на значительной величине магнитных потоков рассеяния, что требует более тщательного их учета при про' актировании рассматриваемых электродвигателей;

- гри определении температурной зависимости магнитных характеристик ферритовых магнитов наряду с температурным коэффициентом магнитн Я индукции необходимо учитывать и температурную зависимость зенитной напряженности, оказывающую заметное влияние на полажег ) рабочей точки ферритового магнита.

П зеденный. анализ состояния теории и методов расчета элект-ричеа машин с постоянными магнитами показал, что традиционные конст[ горские методики эмпирико-аналитического расчета ДПТ с ■Ш, в ¡у сведения магнитной системы электродвигателей к системе с сосе оточенными параметрами и ряда других допущений, не позволяют ! остаточной мере учитывать специфику распределения магнитных пс сов полюсов и реакции якоря в магнитных системах ДПТ с

1М, что отражается на низкой сходимости результатов расчета с параметрами реально изготовленных машин, а также делает невозможным учет фактора возможного размагничивания полюсов и расчет оригинальных конструкций ДПТ с 4М, таких как ДПТ с бимагнитными ферри-товыми полюсами и т.п.

В результате рассмотрения различных способов математического моделирования электрических машин установлено что наиболее предпочтительным для применения в проектно-конструкторских разработках ДПТ с ©И является цепной метод математического моделирования на базе эквивалентных электрических схем замещения с использованием .современной вычислительной техники, обладающий достаточной для практических целей точностью и простотой, а также позволяющий получить следующие преимущества:

- для реализации моделей могут быть использованы различные пакеты прикладных программ, предназначенные для расчета и анализа всевозможных электрических и электронных схем, в результате чего отпадает необходимость в создании специальных программных продуктов;

- имеется возможность моделирования различных, в том числе и неподдающихся расчету традиционными методами, конструктивных исполнений ДПТ с <Ш, за счет изменения топологии и структурного состава схем замещения.

При этом цепные математические модели ДПТ с <Ш могут использоваться в подсистемах комплексных САПР в качестве:

- базовых моделей для автоматизированных расчетов ДПТ с <1М;

- в качестве моделей для всестороннего анализа и оптимизации выработанных вариантов конструкций ДПТ с ФМ;

- для исследования физических процессов, имеющих место в ДПТ с 2М с целью поиска путей их дальнейшего усовершенствования.

Таким образом, задача разработки и апробации методики цепного математического моделирования ДПТ с Ш, составляющая цель диссертации, представляет научный и практический интерес. Типичными представителями ДПТ с ФМ. в полной мере отражающими конструктивные и физические особенности, присущие указанным электродвигателям, являются автомобильные ДПТ с <ЕМ, что позволяет использовать их в качестве базового объекта моделирования при решении поставленной задачи.

Вторая глава посвящена рассмотрению методики синтеза цепных математических моделей ДПТ с ОМ, согласно которой, основываясь на

аналогии явлений в магнитных и электрических цепях, магнитная система ДПТ с ФМ разбивается на участки, составляющие эквивалентную электрическую схему замещения магнитной цели электродвигателя с учетом реальной конфигурации магнитопровода и рассредоточения па--раметров магнитной системы (рис.2). При этом зубчатая поверхность пакета якоря считается гладкой с эквивалентным воздушным зазором, а суммарная магнитная проводимость всех зубцов считается равномерно распределенной по окружности якоря.

Реализация цепных математических моделей ДПТ с 4M осуществлена на примере двухполюсных автомобильных электродвигателей марок 51. У»30 и МЭ250 с помощью ШШ IRIS-PC. Предельная схема замещения (содержащая максимально-допустимое возможностями ППП IRIS-PC количество элементов) двухполюсного автомобильного ДПТ с 4M представлена на рис.3. На данной схеме все элементы, соответствующие нелинейным участкам магнитопровода, представлены ввиде источников тока управляемых напряжением (ИТУН):

¡ш - участки постоянных магнитов;

Ij - участки корпуса электродвигателя;

Iz - участки зубцовой зоны якоря;

1а - участки ярма якоря;

1о - участки осевой зоны якоря.

Все участки магнитной цепи, являющиеся различными воздушными промежутками, зазорами, а также магнитные проводимости рассеяния и проводимости ферритовых магнитов в поперечном направлении представлены на схеме замещения ввиде эквивалентных электрических лроводимостей:

Сщ - проводимости магнитов в поперечном направлении;

Gc - участки стыка "магнит-корпус";

Ge - участки рабочего воздушного зазора;

Gjz - проводимости пазовых прорезей зубцовой зоны якоря;

Gsm - проводимости рассеяния магнитов друг на друга;

Gsj. Gsa- соответственно, проводимости рассеяния магнитов на корпус и якорь.

Участки обмотки якоря, являющиеся источниками МДС реакции якоря имитируются на схеме замещения ДПТ с 4M источниками ЗДС Еа, обозначенными как Ra.Е (см. рис.3) и установленными в ветвях, соответствующих участкам ярма якоря (см. рис.2).

Для решения задач, требующих дополнительного увеличения объема анализируемой модели (например, при расчете рабочих характе-

Соответствие элементов эквивалентной схемы замещения различным участкам магнитной цепи ДПТ с <ХМ

I

Рис. 2

Предельная схема замещения двухполюсного автомобильного ДПТ с ФМ

¡¡гг*

s-(i tà,J ó^i (i'-v(i ú-vó Ù'-

_,—. я__* Ti' jy T,.T T*iT и „ и >Я

Vf(

<■<( ) Q v® 0 b ® n 14® û )□ ■.<( ) П v( ) O'-' -

4 \rf-i VWJ (,(1.1 4м-'

i » Y* V Ь 1 i '<•"("->

\wi )

'•»O

i V^s и _,|?/¡¡\ 2. j 1г*т2Г — V2/

ф

—CD—

iMi )uu im

РИС. 3

ристик электродвигателя и т.п.), аналогичным образом составляется упрощенная схема замещения ДПТ с <ХМ, использующая разбиение магнитной системы электродвигателя на меньшее количество участков.

Ввиду того, что постоянные магниты как правило намагничиваются в сборе с корпусом электродвигателя, предложена методика построения цепной математической модели для определения состояния магнитов в магнитной системе машины с вынутым якорем, в которой воздушное пространство якорной зоны электродвигателя разбивается на ряд участков, проводящих магнитный поток в продольном и поперечном направлениях.

•Параметры ИТУН, входящих в состав схем замещения, определяются на основании соотношения:

( и1 А

Ь^Н--. (1)

4 м >

где II. и 1 - соответственно, величины тока и напряжения (эквивалентные магнитному потоку и МДС) на 1-ом элементе эквивалентной электрической схемы замещения магнитной цепи электродвигателя;

51, Ь1 - средние величины площади поперечного сечения и длины силовой магнитной линии на 1-ом участке магнитной цепи электродвигателя (определяются аналитически либо с помощью чертежа моделируемой магнитной системы);

Г - табличная функция, определяемая кривой В1 =£*СН1) намагничивания или размагничивания материала, заполняющего 1-ый участок магнитной системы электродвигателя.

Параметры магнитных проводимостей эквивалентных участков схем замещения ДПТ с ОМ определяются методом вероятных путей магнитного потока Г.Ротерса с помощью формулы:

51

е^ио--, (2)

1-1

С целью минимизации модели, расчетные участки вершин и оснований зубцовой зоны якоря на упрощенной схеме замещения ДПТ с 5М, объединены в эквивалентные элементы 1ги. параметры которых определяются из соотношений:

ЬгИ'Ьгц+ЬгЗ! , (3)

_/ I

где Зги, ^ц

Ьг11.'Ь231, Бгц,

При определении параметров краевых скошенных участков магнитов 1що1 и контактирующих с ними магнитных проводимостей Осоь 6до!, а также при определении параметров участков осевой зоны якоря 101 и проводимостей рассеяния торцов рабочих участков магнитов друг на друга 6^1, для облегчения расчетов используется преобраьование формы расчетных участков к прямоугольной форме.

При определении собственных проводимостей рассеяния магнитов, их величины по методу последовательного интегрирования приводятся к полной МДС магнита.

Параметры источников МДС реакции якоря Еа1 определяются с учетом допущения о мгновенной коммутации.

Параметры ИТУН 1щ1, имитирующих на моделях ДПТ с 5М участки постоянных магнитов задаются с учетом температурных зависимостей магнитной индукции и магнитной напряженности ферритовых материалов, что позволяет при моделировании достаточно точно реализовать экспериментально полученные температурные характеристики ферритовых магнитов в зависимости от величины проводимости внешней магнитной цепи.

Для случая использования цепных математических моделей ДПТ с >1М в качестве подсистем САПР, получены расчетные формулы для параметров элементов эквивалентных электрических схем замещения ДПТ с ЗМ с традиционным цилиндрическим исполнением магнитной системы, которые могут быть объединены в отдельный программный модуль, организующий необходимую расчетную модель ДПТ с на основании заданных параметров электродвигателя.

Разработанная методика синтеза цепных математических моделей ДПТ с <ХМ обладает достаточной гибкостью и может быть адаптирована

, ЬгцЬгн+КЬгЗ^гЗ! 3211=----, (4)

Ьг11+кЬ231 Бгц 21+22

, (5)

5г31 гг+гз

соответственно, средние величины площади поперечного сечения и длины силовой магнитной линии на 1-ом эквивалентном участке зубцовой зоны якоря;

БгЗ! - размеры 1-ых элементов вершин и оснований зубцов якоря.

к любому программному продукту, предназначенному для расчета и анализа нелинейных электрических и электронных схем, а также позволяет при незначительных изменениях топологии и структурного состава рассмотренных выше схем замещения реализовать цепные модели различных традиционных и нетрадиционных исполнений ДПТ с ФМ, таких как электродвигатели с гладким якорем, с третьей щеткой, с Симагнитными полюсами и т.д.

В третьей главе на основании результатов идентификации цепных математических моделей с реальными образцами ДПТ с ОМ рассматриваются возможности использования цепных математических моделей для расчета характеристик и анализа процессов, происходящих в ДПТ с ®М.

Идентификация результатов расчета производилась в сравнении с экспериментально полученными характеристиками распределения магнитной индукции под действием реакции якоря в полюсных зонах и в воздушном зазоре автомобильных ДПТ с ФМ марок 51.3730 и М3250. Максимальное расхождение между расчетными и экспериментальными кривыми (без учета зубцовых и коммутационных пульсаций) составляет менее 57., что свидетельствует о достаточно высокой степени у чета реального распределения магнитных потоков полюсов и реакции якоря разработанными цепными математическими моделями ДПТ с ФМ.

Учет влияния реакции якоря на магнитное, поле полюсов позволяет учитывать в расчетах реальное изменение величины магнитной индукции в рабочем зазоре при изменении нагрузки электродвигателя, что дает возможность с достаточной точностью рассчитывать рабочие характеристики ДПТ с ФМ в полном диапазоне нагрузок электродвигателя вплоть до полного торможения. При этом отпадает потребность в разложении векторных параметров магнитного поля по продольным и поперечным осям машины. Расчет характеристик осуществляется на основании результатов моделирования по известным формулам, определяющим выходные параметры электродвигателей, с той разницей, что при этом учитывается неравномерность распределения магнитных потоков по окружности якоря.

В этом случае величина потока возбуждения Фв определяется как сумма магнитных потоков, заходящих в зубцы якоря в пределах каждого полюсного деления т=пОа/2р:

1 р(пп+пт)

Фв=—— Е (Фггт-Фггэ!) . (6)

2р 1 = 1

- 14 -

где р - число пар полюсов;

пп. nm - соответственно, количество секторов на которые разделяются нейтральная и полюсная зоны электродвигателя при составлении цепной математической модели; Фпыь ®zisi" соответственно, магнитные потоки в i-ых расчетных участках верхнего сечения зуСцовой зоны якоря для северных и южных полюсных делений электродвигателя (положительным считается направление магнитных потоков внутрь якоря).

Величина магнитной индукции Ва в ярме якоря определяется как среднее значение от величин магнитных индукций Ва1 всех расчетных участков ярма якоря по следующей формуле:

1 Ptont1?®) ,

Ва--С (l«anil + |«hsil)Lai , (7)

LaSa i-1

где Lai - средняя длина силовой магнитной линии в i-том расчетном участке ярма якоря;

La - суммарная длина силовых магнитных магнитных линий всех расчетных участков ярма якоря;

Sa - площадь поперечного сечения, пересекаемого магнитным потоком, протекающим по ярму якоря; l^aNiI.I$asiI - абсолютные величины магнитных потоков в i-ых расчетных участках северного и южного полюсных делений ярма якоря.

Величина магнитной индукции Bz в зубцах якоря определяется как среднее значение магнитной индукции в среднем сечении зубцо-вой зоны якоря:

1 р(пп+пт)

Bz--С (l®22Nll + |a22Sil) . (8)

SZ2 i-1

где SZ2 - суммарная площадь средних сечений всех зубцов якоря;

22 - ширина среднего сечения зубца якоря;

za - число зубцов якоря; l$z2NiI.l$z2Sit - абсолютные величины магнитных потоков в 1-ых расчетных участках северного и южного полюсных делений зубцовой зоны якоря.

Применяемый в традиционных методиках усредненный показатель падения напряжения под щетками Дищ заменяется при цепном математическом моделировании ДПТ с ФМ реальной ВАХ щеточно-коллекторно-

го узла Дищ^Па) с учетом температурной зависимости сопротивления щеток.

Реализуемая методом цепного математического моделирования точность расчета рабочих характеристик ДПТ с ФМ является достаточной для практического использования данного метода в проект-но-конструкторских работах, при этом максимальное расхождение расчетных и экспериментальных характеристик составляет 5-10Х в режимах близких к номинальному, и 10-152 в режимах близких к полному торможению.

На примере цепного математического моделирования ДПТ 51.3730 показана и экспериментально подтверждена возможность учета фактора необратимого местного размагничивания полюсов, для чего предлагается использовать расчетные диаграммы состояния различных участков ферритовых магнитов в зависимости от температуры Т и напряжения питания 1)п в режиме полного торможения электродвигателя (рис.4). При этом для количественной оценки размагничивающего фактора вводится понятие степени размагничивания 0 постоянного магнита, ' которая определяется по координатам В<^> Н^ рабочей точки рассматриваемого участка магнита по следующей формуле:

Ч=(1- -^МюОХ , (9)

1 ВгЬ 1

Вг1=р— Нс^+Ва! . (Ю)

кн

остаточная индукция магнита при рассматриваемой температуре эксплуатации электродвигателя; точка пересечения прямой возврата, исходящей из рабочей точки (Ваъ;Наь) с осью ординат; коэффициент магнитного возврата используемого феррито-вого материала;

температурные коэффициенты индукции и напряженности магнитного поля, определяемые характеристиками используемого ферритового материала.

Приведенные на рис.4 диаграммы позволяют производить оценку влияния внешних факторов на магнитное состояние полюсов ДПТ с <СМ с целью предупреждения возможных изменений характеристик электродвигателей в процессе эксплуатации вследствие местного размагничивания полюсов.

где Вгь Вк Р

кв > кн

Диаграммы магнитного состояния ферритовых полюсов ДПТ 51.3730

- зоны необратимого размагничивания Рис. 4

Таким образом, подтвержденная экспериментальными данными высокая точность отражения цепными математическими моделями реальных физических процессов, обусловленных воздействием МДС реакции якоря и рассредоточением параметров магнитной системы, позволяет использовать метод цепного математического моделирования ДПТ с 4M для анализа указанных процессов и их учета при проектировании электродвигателей.

В четвертой главе рассматриваются возможности использования цепных математических моделей для усовершенствования ДПТ с 4M. С этой целью разработана методика выбора физических и геометрических параметров постоянных магнитов, обеспечивающих стабильность их характеристик в процессе эксплуатации электродвигателей. При определении необходимых параметров к^гнитов используется расчетная диаграмма (рис.5), содержащая семейство кривых намагничивания магнитопровода ДПТ с 4M по отношению к различным участкам полюсов при разных высотах постоянных магнитов hm. hm и кривые размагничивания предполагаемых к использованию ферритовых материалов.

Метод цепного математического моделирования ДПТ с 4M ввиду учета рассредоточения параметров магнитных систем электродвигателей позволяет производить расчет ДПТ с бимагнитными ферритовыми полюсами. При этом с помощью представленной на рис.5 диаграммы осуществляется выбор ферритовых материалов и определяется оптимальное соотношение между шириной различных магнитных зон полюсов, обеспечивающее максимальную индукцию в рабочем зазоре электродвигателя при минимальной возможности размагничивания полюсов.

Результаты численного эксперимента на базе цепной математической модели ДПТ 51.3730 показали, что правильный выбор параметров бимагнитных ферритовых полюсов позволяет без изменения геометрических размеров машины снизить возможную степень размагничивания Q сбегающих краев полюсов более чем в 4 раза и увеличить пусковой момент на валу электродвигателя примерно на 5Z.

Существенное улучшение характеристик ДПТ с 4M обеспечивает предложенная в работе конструкция электродвигателя с сегментным строением ярма корпуса (рис.6), позволяющая полностью предотвратить размагничивающее воздействие МДС реакции якоря на полюса и увеличить пусковой момент на валу электродвигателя на 20-40Х, что особенно важно при использовании подобных ДПТ с ФМ в качестве автомобильных электростартеров. Полученный эффект достигается за счет разделения с помощью зазора 6j контура магнитной цепи, по которому замыкается поток поперечной реакции якоря (см.рис.1).

< Диаграмма для определения необходимых физических и геометрических параметров полюсов ДПТ с ФМ

- для ^

--- для

Рис. 5

Магнитная система ДПТ с сегментным строением ярма корпуса

Рис. 6

на два отдельных контура, по которым протекают примерно вдвое меньшие потоки tfq.

На примере двухполюсных ДПТ с ФМ рассмотрена методика использования цепных математических моделей для определения оптимального положения X и ширины 5j зазоров между сегментами корпуса предложенной конструкции электродвигателя, с целью обеспечения максимальной величины магнитной индукции в рабочем зазоре машины.

Результаты проведенных исследований показали, что метод цепного математического моделирования в силу рассмотренных выше достоинств позволяет учитывать в расчетах факторы, не учитываемые традиционными методами, выявлять взаимозависимость между различными конструкционными и физическими параметрами ДПТ с ФМ, а также рассчитывать неподдающиеся расчету традиционными методами конструктивные исполнения ДПТ с ФМ. Кроме того, расширение максимально-допустимого объема эквивалентных электрических схем замещения магнитных систем ДПТ с ФМ за счет использования более совершенных, по сравнению с IRIS-PC, программных продуктов позволяет существенно расширить возможности метода цепного математического моделирования и использовать его для построения эквипотенциальной картины магнитного поля в электродвигателях, для учета вытеснения магнитного потока в пазы якоря в магнитно-форсированных электродвигателях. для оценки воздействия смещения щеток с физической нейтрали на условия коммутации и на характеристики электродвигателей, для расчета двухскоростных ДПТ с ФМ с третьей щеткой (что рассмотрено на примере расчета характеристик двухполюсного ДПТ со смещенной третьей щеткой) и т.д.

В приложениях приводятся тексты программ, реализующих на входном языке IRIS-PC цепные математические модели двухполюсных автомобильных ДПТ с ФМ в соответствии с рассмотренными в работе схемами замещения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы и заключения.

I. Разработанная методика синтеза цепных математических моделей ДПТ с ФМ на базе эквивалентных электрических схем замещения, учитывающих реальное распределение магнитных потоков полюсов и реакции якоря, обладает достаточной гибкостью и позволяет моделировать различные, в том числе и неподдающиеся расчету традици-

онными методами, конструктивные исполнения указанных электродвигателей при вариации их физических параметров в широком диапазоне, а также может быть адаптирована к любому программному продукту, позволяющему производить расчет и анализ нелинейных электрических и электронных схем.

2. Адекватность цепных математических моделей ДПТ с ФМ подтверждена результатами экспериментов на серийных электродвигателях марок 51.3730 и МЭ250. Полученная сходимость расчетных данных с характеристиками реально-изготовленных машин составила по различным параметрам от 3 до 15Z, что является приемлемым для практического.использования показателем точности расчетов.

3. Реализованные в работе с помощью ГОШ IRIS-PC базовые цепные математические модели двухполюсных автомобильных ДПТ с анизотропными ферритовыми магнитами могут непосредственно использоваться при промышленном проектировании аналогичных электродвигателей.

4. Метод цепного математического моделирования ДПТ о <Ш позволяет," не прибегая к разложению векторных параметров магнитного поля по- продольным и поперечным осям машины, учитывать в расчетах реальное распределение магнитных потоков полюсов и реакции якоря, за счет чего устраняются основные недостатки традиционных методик расчета указанных электродвигателей.

5. Высокая точность отражения цепными математическими моделями реальных физических процессов, обусловленных воздействием МДС реакции якоря и рассредоточением параметров магнитной системы, позволяет учитывать в расчетах фактор возможного местного размагничивания полюсов, а также оценивать влияние отдельных конструкционных и физических параметров на выходные характеристики ДПТ с ФМ.

6. На основании результатов анализа специфики воздействия реакции якоря в магнитной системе ДПТ с Ш разработана методика выбора оптимальных физических и геометрических параметров магнитных полюсов, обеспечивающих стабильность характеристик ферритовых магнитов в заданном диапазоне режимов и условий эксплуатации электродвигателя.

7. Разработан способ расчета рабочих характеристик ДПТ с ФМ с учетом неравномерности распределения потока возбуждения по окружности якоря, позволяющий с достаточной достоверностью рассчитывать характеристики в полном диапазоне нагрузок электродвигателя -вплоть до полного торможения.

8. Для ДПТ с бимагнитными ферритовыми полосами разработана методика выбора магнитных материалов и пропорциональных соотношений частей магнитов в зависимости от заданных параметров и условий эксплуатации электродвигателя.

9. В результате поиска способов усовершенствования ДПТ с ФМ предложена конструкция ДПТ с сегментным строением ярма корпуса, позволяющая предотвратить размагничивающее воздействие МДС реакции якоря на. ферритовые полюса и существенно повысить пусковой момент на валу электродвигателя. По данному техническому решению подана заявка на выдачу патента Российской Федерации.

10. Гибкость метода цепного математического моделирования ДПТ с ФМ позволяет в перспективе расширить его возможности за счет использования более совершенных 'программных продуктов, способных реализовать модели с повышенным уровнем дискретизации магнитных систем электродвигателей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Москалев В.В. Схема замещения электродвигателя автомобильного электропривода // Тезисы докладов международного научно-технического семинара "Электромеханические системы с компьютерным управлением на автотранспортных средствах и в их роботизированном производстве". - М-. 1993, с.37-38.

2. Акимов C.B., Москалев В.В. Схема замещения автомобильного электродвигателя с возбуждением от постоянных магнитов // Электромеханические системы с компьютерным управлением на автотранспортных средствах и в их роботизированном.производстве : Сборник научных трудов МАШ. - М., 1993, с. 18-21.

3. Москалев В.В. Метод цепного математического моделирования при расчете автотракторных электродвигателей с возбуждением от постоянных магнитов // Тезисы докладов научно-технической конференции "Научно-технический прогресс в автомобилестроении". - М. : МАМИ, 1994, С.37.

4. Акимов C.B., Москалев В.В. Использование пакета прикладных программ IRIS-PC в автоматизированном проектировании автомобильных двигателей постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов // Труды НИИАЭ. - М., 1994, вып.71, с.79-86.

5. Акимов C.B., Москалев В.В. Во избежание размагничивания магнитов электродвигателей // Автомобильная промышленность. -1994, No9, с.26-27.