автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка вентильно-индукторных двигателей для легких электрических транспортных средств

Введение.

Глава 1. Обзор технических решений электропривода лёгких транспортных средств.

1.1 Варианты исполнения электропривода лёгких транспортных средств.

1.2. Критерии сопоставления различных типов электропривода лёгких транспортных средств.

1.3. Сравнение электропривода на основе бесколлекторного двигателя постоянного тока на редкоземельных магнитах и привода на основе вентильно-индукторного двигателя.

1.3.1. Сравнение двух типов электродвигателей с точки зрения требований, предъявляемых к электроприводу электровелосипеда.

1.3.2. Сравнение приводов по стоимости.

1.3.3. Итоговое сравнение двух типов приводов.

1.4. Выводы по главе.

Глава 2. Анализ методик проектирования вентильно-индукторных электродвигателей и экспериментальная оценка исходных данных.

2.1. Обзор существующих методик проектирования вентильно-индукторных двигателей.

2.2. Анализ методики проектирования вентильно-индукторных двигателей общепромышленного назначения.

2.3. Учёт потоков рассеяния при расчёте кривой намагничивания вентильно-индукторного двигателя.

2.4. Лабораторный стенд для испытаний вентильно-индукторных двигателей с внешним ротором.

2.5. Определение потерь в стали вентильно-индукторного двигателя.

2.6. Рекомендации по выбору допустимой плотности тока в обмотках вентильно-индукторного двигателя электровелосипеда.

2.7. Выводы по главе.

Глава 3. Разработка методики проектирования вентильно-индукторных двигателей с внешним ротором.

3.1. Предварительная оценка среднего момента вентильно-индукторных двигателей обращенной конструкции.

3.2. Методика проектирования вентильно-индукторных двигателей с внешним ротором.

3.3. Составление общего алгоритма проектирования вентильно-индукторных двигателей с внешним ротором.

3.4. Вывод по главе.

Глава 4. Разработка программного приложения для проектирования вентильно-индукторных двигателей с внешним ротором.

4.1. Выбор среды программирования.

4.2. Разработка алгоритма построения программного продукта.

4.3. Описание видеокадров программного приложения и порядок работы с приложением.

4.4. Выводы по главе.

Глава 5. Проверка методики проектирования и примеры её использования.

5.1. Проверка адекватности разработанной методики проектирования и программного приложения.

5.2. Возможные подходы к проектированию образцов вентильно-индукторных двигателей обращённой конструкции.

5.3. Проектирование двигателей для электровелосипеда.

5.4. Проектирование велодвигателя с предельным моментом.

5.5. Проектирование двигателей для электроскутера.

5.6. Выводы по главе.

Современная цивилизация выдвигает новые требования к транспортным средствам. С ростом городов, с увеличением числа населения на первый план выходит проблема загрязнения окружающей среды. Становится актуальным требование к снижению потребления топливных ресурсов транспортными средствами. Основой развития мирового общества является научно-технический прогресс, который представляет собой процесс получения и материализации новых научных знаний, связанных с разработкой и совершенствованием прогрессивных технологий, созданием новой техники и новых конструкционных материалов, освоением нетрадиционных источников энергии. Создаваемая и совершенствующаяся на основе научно-технического прогресса экономика государств не может идти по пути пропорционального увеличения расходования природных ресурсов, сопровождающемся увеличением вредного воздействия на окружающую среду. В соответствии с программами, объединяющими усилия промышленно развитых стран в решении проблем снижения вредных выбросов, принятый в Киото Протокол и связанные с ним кардинальные решения предполагают использование альтернативных видов топлива и новых типов электрических (комбинированных) источников энергии при конструировании, технологиях и производстве транспортных систем.

За последнее десятилетие в США, Европе и странах азиатского региона бурно развивается рынок электрических транспортных средств. Данный рынок состоит из нескольких сегментов. Первый сегмент рынка это электромобили (см. рис. 1.1, 1.2). - транспортные средства, оборудованное тяговым электроприводом и источником энергии, в качестве которого могут служить аккумуляторные батареи, электрохимические генераторы, например топливные элементы различных типов. В настоящее время электромобиль перестал быть экзотическим примером транспортного средства. Во многих развитых странах в последние несколько лет происходят буквально революционные изменения в этой области транспортных средств. Накоплен опыт эксплуатации электромобилей, в том числе в крупных регионах (например, демонстрационные проекты внедрения электромобилей в Мендризио, Швейцария, в Калифорнии, США). Активно формируется рынок электромобилей, развиваются инфраструктуры их продажи, сервиса и обслуживания. По данным [15] в Западной Европе в 1998 г. в эксплуатации находилось около 15 тыс. электромобилей, в 1998 г. их выпуск составлял около 10 тыс. шт. В Азии ежегодно на рынок попадали по 3-5 тыс. электромобилей. В США в ближайшее десять лет ожидается использование свыше 3 млн. электромобилей.

Рис. 1.1. Рис. 1.2.

Проблема, не позволяющая электромобилям вытеснить с дорог обычные автомобили с ДВС, заключается в малом пробеге между зарядками аккумулятора. В данном направлении ведутся разработки и решением является применение новых типов батарей с большей ёмкостью [64] и топливных элементов [66], но пока эти проекты в стадии разработки, и рабочие образцы имеют стоимость, которая не выдерживает конкуренции.

Лучше дела обстоят в следующем сегменте рынка - в сегменте гибридных транспортных средств. Это транспортные средства, оборудованные электроприводом и имеющие в составе энергоустановки двигатель внутреннего сгорания и буферный электрохимический источник энергии. Начальные, весьма впечатляющие успехи рыночного внедрения гибридных пассажирских электромобилей свидетельствуют об их перспективности. Гибридные транспортные средства представляют очень широкие возможности для совершенствования энергетики движения транспортного средства как с точки зрения использования первичных источников, так и с точки зрения комбинации различного типа источников энергии и тяговых приводов. Наглядным доказательством того, что гибридные электромобили имеют достаточный потенциал, явилось создание, производство и выход на рынок гибридного автомобиля Prius фирмы Toyota [58] (см. рис. 1.3). рис. 1.3.

На данный момент многие зарубежные автогиганты серийно выпускают несколько типов гибридных автомобилей. В гибридных электромобилях используются небольшие двигатели внутреннего сгорания, электродвигатель, секция батарей и компьютерные средства для управления потоками энергии и управления работой электрического двигателя. Американская ассоциация ЕУАА в 1999 г. на конгрессе ЕУ8 16 в Пекине представила прогноз развития технологий «чистых» транспортных средств. Как следует из этого прогноза, ожидается сокращение объёмов производства традиционных автомобилей с ДВС, и к 2020 г. это сокращение может составить 50 % от объёмов производства в 2000 г. Внедрение электромобилей с аккумуляторными источниками энергии приведёт к возрастанию объёмов их выпуска примерно до 20 % объёма производства транспортных средств в 2020 г. Массовое внедрение гибридных электромобилей по прогнозу будет происходить опережающими темпами и к 2015 г. объём производства гибридных автомобилей будет примерно вдвое превышать объём производства аккумуляторных электромобилей.

Наиболее динамично развивающийся сегмент рынка электрических транспортных средств это лёгкие транспортные средства - индивидуальные средства передвижения, такие как электровелосипеды, электромопеды и электроскутеры (см. рис. 1.4, 1.5 и 1.6).

Рис. 1.4.

Рис. 1.5.

Рис. 1.6.

Данные устройства сегодня мало кого удивляют - их выпускают почти все крупные производители велосипедов и скутеров Европы, Америки и Азии. Согласно [45] в 2004 году мировой спрос на электровелосипеды превысил 3 млн. штук и будет удваиваться каждые два года. Так только в Японии ежегодно продаётся больше 250 тысяч таких устройств. В одном лишь Китае каждый день на мопедах и скутерах едут на работу и домой приблизительно полмиллиарда человек. Власти крупных городов вынуждены запрещать использование бензиновых транспортных средств и на первый план выходят электроскутеры, электровелосипеды и электромопеды, поскольку лишь эта мера позволит сохранить экологию городов на должном уровне. Так, в Шанхае уже открыто пятнадцать центров зарядки и более ста точек замены аккумуляторов для лёгких электрических транспортных средств.

К этому же сегменту рынка можно отнести специальные транспортные средства, такие как электрокары для складских работ (рис. 1.7), самодвижущиеся уборочные агрегаты и коляски для людей с ограниченными возможностями (рис. 1.8). Спрос на данные транспортные средства стабилен.

Рис. 1.7. Рис. 1.8.

Бурное развитие рынка лёгких электрических транспортных средств стало возможным благодаря достижениям в силовой электронике. Именно эти достижения оказали сильное, определяющее влияние на развитие электропривода лёгких транспортных средств: появились доступные силовые электронные коммутаторы, стало возможным уйти от традиционных коллекторных узлов, что существенно уменьшило габариты двигателей, возникла целая гамма новых электроприводов с различными типами электромеханических преобразователей - синхронными реактивными, синхронными с постоянными магнитами, индукторными и др. Все вышеперечисленные типы приводов фигурируют в разработках и серийных образцах лёгких электрических транспортных средств.

На волне развития силовой полупроводниковой техники, а также благодаря появлению микропроцессорных устройств, предназначенных для построения систем управления электроприводов появился новый перспективный тип привода - вентильно-индукторный привод (ВИП) или в англоязычной литературе - Switched Reluctance Drive (SRD). В качестве двигателя в этом типе привода используется вентильно-индукторный двигатель (ВИД), по принципу работы он схож с индукторными шаговыми двигателями, применяемыми в дискретном электроприводе. Индукторные шаговые привода появились в 60-е годы XX века на волне развития первых полупроводниковых приборов и применялись для преобразования цифры или кода в дозированные механические перемещения. Однако, в то время не удалось перейти к силовой версии электропривода, построенного на шаговом принципе в силу ограниченности элементной базы.

К основным особенностям ВИД можно отнести предельно простую, технологичную, дешевую и надежную конструкцию, что позволяет создать конкурентоспособный и доступный вариант электропривода для лёгкого электрического транспортного средства. Но на данный момент ни в нашей стране, ни за рубежом не существует разработок лёгких электрических транспортных средств с ВИП.

Для создания ВИП лёгкого транспортного средства необходимо иметь возможность проектирования ВИД именно под это применение. Данная работа посвящена разработке методики проектирования ВИД обращённой конструкции для применения в лёгких электрических транспортных средствах.

Цель работы: создание программного приложения для проектирования ВИД обращённой конструкции для лёгких транспортных средств, таких как электровелосипед, электроскутер, инвалидное кресло и т.д.

Задачи диссертации:

- базируясь на существующей методике проектирования ВИД общепромышленного применения [26] и результатах исследований, проводимых над существующими образцами ВИД обращенной конструкции, создать методику проектирования ВИД обращённой конструкции;

- на основе созданной методики разработать алгоритм проектирования ВИД обращённой конструкции и создать программное приложение поддержки проектирования ВИД для лёгких транспортных средств;

- проверить адекватность решений, полученных с использованием программного продукта, сопоставлением результатов проектирования с экспериментальными данными;

- осуществить проектирование ряда образцов ВИД для электровелосипеда и электроскутера с оптимизацией по минимуму массы или наибольшему КПД.

В первой главе рассматриваются варианты исполнения электроприводов лёгких электрических транспортных средств, из анализа существующих разработок выявляется наиболее часто применяемый тип привода и производится его сравнение с ВИЛ на предмет конкурентоспособности.

Во второй главе анализируется методика проектирования ВИД общепромышленного назначения, данная методика дополняется и уточняется, опираясь на результаты опытов над образцами, и адаптируется под обращенную конструкцию.

В третьей главе описывается математический аппарат новых приёмов, используемых при разработке методики проектирования, приводится полное описание разработанной методики проектирования и на его основе составляется алгоритм проектирования ВИД обращённой конструкции.

В четвёртой главе выбирается среда программирования для создания приложения, разрабатывается алгоритм создания программного приложения, представлено описание экранов приложения и порядок работы с ним.

В пятой главе производится проверка адекватности разработанной методики и приводятся примеры её использования для проектирования двигателей, встраиваемых в колесо различных лёгких транспортных средств.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Доказана конкурентоспособность вентильно-индукторного электропривода с двигателем в колесе легкого транспортного средства.

2. Предложен метод оценки по заданному моменту исходной базовой геометрии ВИД, встраиваемого в колесо, и на основе стендовых испытаний ряда образцов таких двигателей на разработанном стенде получена необходимая информация для проектирования ВИД, встраиваемых в колесо.

3. На основе методики проектирования ВИД общепромышленного назначения и уточнений, полученных экспериментально, разработана методика проектирования ВИД обращенной конструкции.

4. Создано программное приложение, поддерживающее процесс проектирования ВИД, встраиваемого в колесо легких транспортных средств с диапазоном мощностей 100-3000 Вт и частотами вращения 100-1500 об/мин.

5. Достоверность результатов проектирования, получаемых с использованием программного приложения, проверена посредством их сопоставления с экспериментальными данными реализованных образцов.

6. С помощью программного приложения спроектированы вентильно-индукторные двигатели для электровелосипеда и электроскутера, оптимизированные по критерию минимальной массы или наибольшего КПД, а также обеспечивающие наибольший момент в заданных предельных габаритах.

109

Заключение

1. Бычков М.Г. Основы теории, управление и проектирование вентильно-' индукторного электропривода: Дисс. . докт. техн. наук. М., 1999. - 372 с.

2. Бычков М.Г. Элементы теории вентильно-индукторного электропривода // Электричество. 1997. - №8.- С. 35-44.

3. Бычков М.Г., Фукалов Р.В. Универсальная модульная микропроцессорная система управления вентильно-индукторным двигателем // Электричество.- 2004. № 8.- С. 23-31.

4. Бычков М.Г., Кисельникова A.B., Семенчук В.А. Экспериментальные исследования шума и вибрации в вентильно-индукторном электроприводе // Электричество. 1997. - №8, С. 41 -46.

5. Бычков М.Г., Дроздов П.А. Экспериментальное исследование характеристик вентильно индукторного электропривода малых транспортных средств. // Тр. ин-та / Моск. энерг. ин-т. 2000.- №676.- С. 40-46.

6. Вольдек А.И. Электрические машины: Учебник для ВУЗов. 3-е изд., перераб и доп. - JL: Энергия, 1978.

7. Глухенький Т.Г. Разработка и исследование бездатчиковых систем управления вентильно-индукторными электродвигателями: Дисс. . канд. техн. наук. Чебоксары, 2003.- 140 с.

8. Гухман A.A. Введение в теорию подобия. 2-е изд. М.: Высш. Шк.,1973.

9. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями / Под общей ред. М. Г. Чиликина. -М.: Энергия, 1971. 624 с.

10. Докукин A.JI. Тепловая модель вентильно-индукторного электродвигателя электровелосипеда // Труды МЭИ. -№678.- 2002. -С. 64-67.

11. Дроздов П.А. Разработка новых алгоритмов управления вентильно-индукторных электроприводов: Дисс. . канд. техн. наук. М., 2002. - 120 с.

12. Златин П.А., Кеменов В.А., Ксеневич И.П. Электромобили и гибридные автомобили. М.: Агроконсалт, 2004. - 416 с.

13. Иванов-Смоленский A.B. Электрические машины. М.: Энергия, 1980, 927 с.

14. Ильинский Н.Ф. Вентильно-индукторный электропривод перед выходом на широкий рынок // Приводная техника. 1998. - №3. - С. 2-5.

15. Ильинский Н.Ф. Вентильно-индукторные машины в современном электроприводе // Вентильно-индукторный электропривод проблемы и перспективы применения: Тез. докл. науч.-техн. семин. 30-31 января 1996 г. М.: МЭИ, 1996.-С. 3-4.

16. Ильинский Н.Ф. Основы электропривода: 2-е изд., перераб. и доп. -М.: МЭИ, 2003.-220 с.

17. Ильинский Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода: Учеб. для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1992.

18. Ильинский Н.Ф. Моделирование в технике. М.: Издательство МЭИ,2004.

19. Ильинский Н.Ф. Элементы теории эксперимента. 3-е изд. М.: МЭИ,1988.

20. Ильинский Н.Ф., Кузьмичёв В.А., Докукин A.J1. Тепловые модели'Iвентилтно-индукторного электродвигателя. Электричество, 2005, № 8.

21. Ильинский Н.Ф., Бычков М.Г. Вентильно-индукторный электропривод для легких электрических транспортных средств. Электротехника, 2000 г., №2, с.28-31.

22. Ильинский Н.Ф., Штайнбрун И., Прудникова Ю.И. и др. Проектирование вентильно-индукторных двигателей общепромышленного назначения. // Вестник МЭИ. 2004. - № 1. - С. 17-22.

23. Ключев В. И. Теория электропривода: 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1998. - 704 с.

24. Красовский А.Б. Имитационные модели в теории и практике вентильно-индукторного электропривода: Дисс. . докт. техн. наук. М., 2004. -317с.

25. Кузнецов В.А., Кузьмичёв В.А. Вентильно-индукторные двигатели: Учебное пособие по курсу "Специальные электрические машины". М.: Изд-во' МЭИ, 2002.- 190 с.

26. Кузьмичёв В.А., Нестеров Е.В. Вентильно-индукторный привод малого транспортного средства // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. Докл. 8 Междунар. науч.-техн. конф. 28февраля 1 марта 2002. В 2 т. т. 2 - М.: МЭИ,2002. - С. 91.

27. Кузьмичёв В. А., Нестеров Е.В. Проектирование вентильно-индукторного электродвигателя для электровелосипеда. Электричество, 2004, №4.

28. Кузьмичев В.А. Аппаратное обеспечение испытаний вентильно-индукторного электропривода // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. Докл. 12 Междунар. науч.-техн. конф. 2-3 марта 2006. В 3 т. Т. 2-М.: МЭИ,2006.-С. 127-128.

29. Куликовский К.Д., Купер В.Я. Методы и средства измерений. М.: Энергаатомиздат, 1986.

30. Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод: Учеб. Для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1986.

31. Нестеров Е.В. Определение базовых геометрических параметров вентильно-индукторного двигателя обращенной конструкции // Электричество., 2006. - № 5. - С. 32-34.

32. Остриров В.Н. Создание гаммы электронных преобразователей для электропривода на современной элементной базе / Дисс. . докт. техн. наук -М.: Моск. энерг. ин-т, 2004.

33. Остриров В.Н., Уткин С.Ю. Силовой преобразователь для вентильно-индукторного привода массового применения // Вестник МЭИ. 2000. - № 5. ■ С. 8-13.

34. Под ред. Копылова И.П. Проектирование электрических машин. Москва. Высшая школа 2002

35. Патент № 2182743, МКИ7 Н02Р 6/18, Н02К 29/06. Способ управления' вентильно-индукторным электроприводом и устройство для его осуществления / М.Г.Бычков (РФ). 4 с.

36. Патент № 2242837 РФ, МКИ Н02Р 9/36. Устройство для управления вентильно-индукторной машиной / М.Г.Бычков, Р.В.Фукалов (РФ). 4 с.

37. Попов В.И., Ахунов Т.А., Макаров JT.H. Современные асинхронные электрические машины: Новая Российская серия RA. М.: Изд-во «Знак», 1999, -256 с.

38. Проектирование электрических устройств / В.А. Анисимов, А.О. Горнов, В.В. Москаленко, В.Н. Остриров, A.A. Фролов. М.: Изд-во МЭИ, 2001.-128 с.

39. Семенчук В.А. Разработка высокоэффективных микроконтроллерных1модульных систем управления вентильно-индукторными двигателями и, базового комплекта программного обеспечения: Дисс. . канд. техн. наук. М., 1998.- 119 с.

40. Смирнов В.Н. Под колёсами прогресса // Computera. 2005. - №15. -С. 52-55.

41. Терехов В.М. Элементы автоматизированного электропривода: Учебн. для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 224 с.

42. Туричин A.M. Электрические измерения неэлектрических величин. -М.: Энергия, 1966.1

43. Уткин С.Ю. Разработка электронных коммутаторов вентильно-, индукторных электроприводов широкого применения: Дисс. . канд. техн. наук. М., 2002.-214 с.

44. Фукалов Р.В. Разработка универсальной модульной бездатчиковой системы управления вентильно-индукторного электропривода: Дисс. . канд. техн. наук. М., 2005. - 158 с.

45. Фукалов Р.В. Система бездатчикового управления вентильно-индукторным электроприводом / Тр. МЭИ (ТУ). Вып. 678. М.: Издательство МЭИ, 2002.I

46. Фукалов Р.В. Система управления вентильно-индукторным, электроприводом. // Тез докл. 8-ой Междунар. науч.-техн. конф. Студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», МЭИ, 28 февр.-01 марта 2000 г. М.: МЭИ, т. 2, с. 101 -102.

47. Фролов Л.Б. Измерение крутящего момента // Библиотека noi автоматике. Выпуск 228. М.: Энергия, 1967. - 120 с.

48. Чиликин М.Г. Общий курс электропривода: Учебн. для вузов. М.: Энергия, 1971.-431 с.

49. Шабаев В.А., Захаров А.В. Экспериментальное исследование двухфазных нереверсивных вентильно-индукторных двигателей // Электротехника.- 2003. № 2.- С. 44-47.

50. Электрический справочник: В 4 т. Т. 4. Использование электрической энергии / Под общ. Ред. Профессоров МЭИ В.Г.Герасимова и др. (гл. ред. А.И.Попов) 8-е изд., испр. И доп. М.: Издательство МЭИ, 2002.

51. Электропривод XXI века: Отчет / МЭИ; Руководитель работы Н.Ф.Ильинский. -ГР01990008104, № 02.200.201979, М., 2002. - 120 с.

52. Dong L., Cao Z., Liu D. A Electric Motorcycle with Switched Reluctance Motor Propulsion System // 16th International Electric Vehicle Simposium. Beijing, Oct. 12-16, 1999. CD ROM-5 c.

53. Gavine A. East Meet West // Electric & Hybrid Vehicle Technology. -2000. C. 76-78.

54. Inderka R., De Doncker R.W. Power Converter Technology for EV Traction Drives // 16th International Electric Vehicle Simposium. Beijing, Oct. 12-16, 1999. CD ROM-8 c.

55. Krishnan R. Switched Reluctance Motor Drives Modeling, Simulation, Analysis, Design, and Applications // CRC Press, 2001. 398 c.

56. Miller T.J.E. Switched Reluctance Motors and Their Control // Oxford : Magna Physics Publishing and Clarendon Press, 1993. 205 c.

57. Miller T.J.E. Electronic Control of Switched Reluctance Machines // Newnes, 2001. 272 c.

58. Naser A.M. Comparition of Induction, PM, and SR Motor Tecnologies in EV Traction System Applications // 16th International Electric Vehicle Simposium.' Beijing, Oct. 12-16, 1999. CDROM-9c.

59. Paradis R. Battery Flattery // Electric & Hybrid Vehicle Technology. -2000.-C. 79-81.

60. Raulin V., Radun A., and Husain I. Modeling of Losses in Switched

61. Reluctance Machines. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS,7 i2004, Vol. 40, No. 6, c. 1560-1569.

62. Stobart R. Fuel Cells: Are the Odds Stakes Against Them? // Electric & Hybrid Vehicle Technology. 2000. - C. 50-53.67. http://www.actech.ru, 2006.68. http://www.lcard.ru, 2006.69. http://www.vbrus.ru, 2006.

63. Visinka R. Бездатчиковое управление вентильно-индукторным двигателем с использованием устройства DSP6F80x фирмы Motorola Привод иIуправление, 2001, №6 (10).