WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

– материал магнитов с r1 учитывается с помощью введения эквивалентного немагнитного зазора hm m = +, (1) r где – механический воздушный зазор между ПМ и статором (рис. 1); hm – высота магнита; r – относительная магнитная проницаемость ПМ на участке размагничивания.

Система уравнений, описывающих схему замещения по рис. 1 записывается в следующем виде:

= ( A t + f );

(2) A + м = 0, где – вектор магнитных потоков ветвей схемы замещения с размерно стью P, равной числу ветвей схемы замещения; – диагональная матрица проA водимостей ветвей, размерностью [PP]; – так называемая матрица инциден ций схемы замещения, определяющая соединения ветвей; – вектор магнитных f потенциалов узлов схемы замещения размером R, R – число узлов схемы; – м вектор магнитодвижущих сил (МДС) ветвей размером P; – вектор потоков узлов от постоянных магнитов:

t м = [,,K,,K,R], (3) м1 м2 мi где Фмi = 0 (j = 1 R) для всех узлов кроме узлов, обозначенных на рис. индексами (k–1), k, (k+1), (k+2), а также m и (m+1).

Магнитное поле зубцовых контуров статора и ротора аналитически точно рассчитывается через сумму полей зубцовых контуров, определенных при особых граничных условиях (ОГУ). В диссертационной работе обосновано, что результирующее поле от ПМ также может быть представлено как сумма полей от отдельных магнитов, каждое из которых определено при ОГУ.

Потоки k-го зубцового контура статора Фмсk и m-го зубцового контура ротора Фмрm от ПМ (рис. 1) могут быть выражены следующим образом 2 p 2 p = = (4) мсk ; мрm, мkl мml l =1 l=где Фмkl – поток взаимной индукции l-го магнита с k-м зубцовым контуром статора, рассчитанный при ОГУ; Фмml – поток взаимной индукции l-го магнита с m-м зубцовым контуром ротора, рассчитанный при ОГУ; p – число пар полюсов машины.

Потоки (4) удовлетворяют условию непрерывности магнитного потока 2 p Z = 0.

(5) = 0; мрm мсk k =1 m=На рис. 2 показана схема задачи расчета магнитного поля ПМ при ОГУ.

При определении поля ПМ при ОГУ принимаются следующие допущения:

1) поле в зазоре машины плоскопараллельно;

2) зубцовые контуры статора являются углубленными в пазы, обмотка статора полностью сцеплена с потоком ПМ, прошедшим через воздушный зазор;

3) магнитные проницаемости сердечников =, ширина паза равна ширине открытия паза;

4) кривизной зазора пренебрегается (в работе дано обоснование и критерии применимости этого допущения).

При расчете большого числа вариантов машин с разными размерами зубцовой зоны потребовалось бы каждый раз выполнять расчет магнитного поля с помощью МКЭ.

Это привело бы к резкому увеличению времени счета при оптимизации конструкции. Поэтому целесообразно представить зависимости потоков от Рис. 2. Схема расчета поля зубцового ПМ при ОГУ от геометрии контура от ПМ при ОГУ зубцовой зоны, свойств магнитов и взаимного положения статора и ротора в аналитической форме. В настоящей работе такое представление сделано на основе использования МПЭ. Для этого зубцовая зона машины должна быть описана с помощью унифицированных параметров (рис. 2), приведенных к относительным единицам (с использованием физического подобия): ’ – воздушного зазора; b’m – ширина магнита; h’m – высота магнита; b’z – ширина зубца; Hсм – коэрцитивной силы магнита; r – относительной магнитной проницаемости магнита (сохраняется той же). Причем зубцовая зона без приведения к о.е. называется оригиналом, а приведенная – моделью.

В качестве базисных величин выбраны зубцовое деление статора tzм = 1 м и Hсм = 1000 кА/м. Относительная магнитная проницаемость высококоэрцитивных магнитов колеблется в небольших пределах 1,03 – 1,15 о.е. В данной работе для уменьшения числа независимых параметров она была принята равной r = 1,05, что характерно для магнитов на основе Nd-Fe-B или Sm-Co. Из числа независимых параметров исключено полюсное деление, а для учета соседних магнитов по обе стороны от рассматриваемого ПМ моделируются области с магнитной проницаемостью r = 1,05. Коэрцитивная сила ПМ также выбирается постоянной.

Число независимых параметров для расчетов по МПЭ уменьшено до четырех размеров, представленных в относительных единицах:

bm bz hm =, bm =, bz =.

hm =, (6) tz tz tz z h m h На рис. 3,а и б приведены фрагменты конечно-элементных (КЭ) моделей для согласованного и рассогласованного положений ротора. В качестве исходных данных для МКЭ задаются геометрические размеры зубцового контура, показанные на рис. 2. и приведенные к о.е.

по (6), а также свойства ПМ – коэрРис. 3. Фрагменты КЭ моделей при согласованном (а) и рассогласованном (б) по- цитивная сила Hcм и относительная ложениях и картины магнитного поля (в) магнитная проницаемость r на учаи (г) при ОГУ стке размагничивания магнита.

На рис. 3,в и г показаны картины магнитного поля ПМ при ОГУ, найденные при согласованном и рассогласованном положениях полюса ротора относительно зубца статора с помощью МКЭ. Изменяя положение ротора относительно зубца статора до тех пор, пока поток зубцового контура статора от ПМ ротора не уменьшится до малой величины, например, 0,1% от своего максимального значения, можно рассчитать магнитный поток на единицу длины модели k-го зубцового контура от поля l-го ПМ, ' м (x), следующим образом:

мkl м (x)= A1(x)- A2 (x), (7) мkl где x – расстояние между осями контура статора и ПМ; А1(x) и А2(x) – значения векторного магнитного потенциала в точках 1 и 2 на дне пазов, Вб/м.

Поток, определяемый по (7), может быть записан в о.е. как:

м (x).

мkl *м (x) = мkl (8) м (0) мkl Из расчета поля определяется среднее значение потока рассеяния l-го ПМ t м = [A4 (x) - A3(x) + A5 (x) - A6 (x)]dx, мl (9) t где А3(x), А4(x), А5(x) и А6(x) – значения векторного магнитного потенциала в точках 3 – 6 (рис. 2), Вб/м; t – расстояние, на которое был сдвинут ротор при расчете поля ПМ. На практике достаточно сдвинуть ротор на t = 1,5 tz.

Магнитный поток оригинала k-го зубцового контура Фо =Фмkl с l-м ПМ ромkl тора можно выразить следующим образом:

м (10) (x)= * (x), мkl мkl мkl max м мklmax = tzls, (11) мkl max mH где mH = Hсм/ Hсо, Hсо – коэрцитивная сила ПМ в оригинале; tz – зубцовое деление оригинала; ls – длина магнитопровода статора.

Поток рассеяния магнита в оригинале Фо =Фмl мl м мl = tzls.

(12) мl mH Поток через m-й зубцовый контур ротора Фмрm определяется по формуле:

Z (x)= (13) Фмlk = Фмkl.

мрm (x)+ 2, мlk мl k =Анализируя (8), (11) и (12), можно заметить, что потоки Фмkl, Фмklmax и Фмl могут быть найдены для любой геометрии зубцового контура, но при заданных свойствах магнита (Hc и r). При изменении свойств ПМ характеристики (10) – (13) должны быть пересчитаны. Для каждого варианта свойств ПМ могут быть найдены передаточные функции, однозначно связывающие параметры зубцового контура с магнитными потоками оригинала:

м = f1(bm,, hm,bz ), мklmax (14) м = f2 (bm,, hm,bz ).

мl (15) Для относительного магнитного потока *м (x) передаточная функция не мkl может быть определена аналогично (14) и (15), т.к. для этого пришлось бы находить передаточные функции для каждой точки функции *м (x). Целесообразно мkl упростить нахождение *м (x), воспользовавшись аналитическим решением.

мkl Такое аналитическое решение существует для потока зубцового контура с током, размещенным на дне паза (как и в классическом МЗК). В главе для нахождения функции *м (x) находится эквивалентный зубцовый контур с гладким ротором мkl (без ПМ), относительная взаимная проводимость которого ’gk(x) *м (x). Для мkl выполнения этого условия необходимо определенным образом подобрать размеры эквивалентной зубцовой зоны. Эта задача решается методами многомерной оптимизации. Как показали исследования, число переменных оптимизации может быть сокращено до одной переменной – высоты эквивалентного зазора ’Э. Остальные размеры эквивалентной зубцовой зоны могут быть взяты равными аналогичным размерам зубцовой зоны с ПМ на роторе (рис. 2). В ходе процедуры оптимизации, т.е. варьирования ’Э и достижения минимума квадрата разницы меж ду ’gk(x) и *м (x), для каждого сочетания параметров (6) определяется третья пемkl редаточная функция:

Э = f3(bm,, hm,bz ).

(16) Передаточные функции (14)–(16) полностью определяют поле ПМ и позволяют рассчитать потоки (4) без использования МКЭ. Передаточные функции определяются с помощью регрессионного анализа табличных функций ’м, мklmax ’м и ’Э и имеют вид полиномов третьего порядка.

мl Далее, определив потоки (4), можно рассчитать магнитоэлектрическую машину по схеме замещения (рис. 1) также как это делается в случае применения классического МЗК. При расчете машины по МЗК после определения всех параметров схемы замещения решается система уравнений (2) и определяется магнитное состояние. Затем производится расчет потокосцеплений катушек, ЭДС и других выходных показателей машины.

Теоретически обоснован переход от расчета потоков зубцовых контуров от поля ПМ, рассчитанных при естественных граничных условиях (ЕГУ), к расчету этих потоков при особых граничных условиях. Это осуществляется путем замены ПМ с помощью линейных токов, размещенных на боковых сторонах магнита.

Линейные токи рассчитываются через намагничивание ПМ с учетом полного магнитного сопротивления зазора. После такой замены ПМ удается обосновать переход от ЕГУ к ОГУ аналогично тому, как это делается в случае зубцовых контуров без ПМ и с точечными токами на дне пазов.

Приводится исследование влияния кривизны воздушного зазора на расчет потока ПМ. В диссертационной работе обосновано положение о схожести поля ПМ с униполярным полем. Поле ПМ без учета кривизны рассчитывается с погрешностью 0,5 1%, если D2/m = 200 94, соответственно (D2 – внешний диаметр ярма ротора, m – немагнитный зазор (рис. 1)). С погрешностью до 15% можно рассчитать поле ПМ без учета кривизны, если D2/m =94 10.

В третьей главе представлена методика оптимизации тягового двигателя для последовательного привода грузового автомобиля. Объектом изучения является ТВД для привода колеса гибридного грузового автомобиля производства Гемко Мобайл Системс (Gemco Mobile Systems, Нидерланды). Автомобиль предназначен для перевозки грузов в пределах города. Главным его преимуществом является способность опускать грузовой отсек до уровня дорожного полотна. Это позволяет упростить и, соответственно, ускорить погрузочно-разгрузочные работы.

На рис. 4 показана структурная схема гибридного привода, применяемая в рассматриваемом автомобиле. Привод состоит из дизельного двигателя, синхрон ного генератора с ПМ на роторе, двух полностью управляемых выпрямителей, двух инверторов и двух ТВД на каждом заднем ведущем колесе (с целью упрощения аккумуляторная батарея не показана).

Установленные в автомобиле двигатели обладают рядом недостатков, среди которых низкая мощность при частотах вращения до 1000 об/мин и применение масляного охлаждения обмоток (загрязнение окружающей среды).

Рис. 4. Структурная схема гибридного привода грузового автомобиля (аккумуляторная батарея не показана) Задачей исследования является проектирование нового ТВД по заданию Gemco Mobile Systems, отвечающего следующим требованиям:

1) обеспечение тяговой характеристики - 080 кВт при 01000 об/мин и 80 кВт при 10004500 об/мин;

2) габаритные размеры двигателя не более: внешний диаметр ярма – 480 мм, полная длина – 208 мм;

3) охлаждение двигателя водяной рубашкой с водно-гликолевой жидкостью;

4) максимальные параметры питания двигателей: напряжение инвертора – 220 В, частота – 600 Гц; кажущаяся мощность – 120 кВА.

5) максимальная температура меди – 180 оС, ПМ – 100 оС.

На основе проведенного исследования в качестве ТВД была выбрана магнитоэлектрическая машина с зубцовой обмоткой якоря и ПМ на поверхности неявнополюсного внутреннего ротора (без полюсных наконечников). Выбраны полузакрытые пазы статора со всыпной обмоткой. Для обеспечения широкого диапазона постоянной мощности был выбран метод регулирования ослаблением поля.

Получены параметры двигателя, обеспечивающие оптимальную работу при таком способе регулирования. Установлено, что при отношении противо-ЭДС E*q (о.е.) к индуктивному сопротивлению X*d (о.е.), называемом характеристическим током и равном 11,5, удается получить заданную тяговую характеристику при работе с высоким коэффициентом мощности и напряжением менее 220 В во все диапазоне частот вращения.

Для проектирования ТВД, удовлетворяющего достаточно жестким требованиям технического задания, потребовалась разработка оптимизационного алгоритма. Задача оптимизации формулируется следующим образом: обеспечить заданную тяговую характеристику при соблюдении ограничений технического задания. В качестве параметров оптимизации выбраны следующие:

1) число пар полюсов p = 18 (pmax = 60·600 Гц/4500 об/мин = 8);

2) число пазов на полюс и фазу q=1/41/2 (обеспечивают коэффициент укорочения обмотки более 0,866);

3) линейная нагрузка A1=200600 А/м;

4) относительная высота магнита hm/ = 410;

5) плотность тока J1 = 26 А/мм2;

6) длина сердечника статора l1 = 50200 мм;

7) относительная ширина паза над клином bп1/tz1=0,20,7 (tz1 – зубцовое деление статора, определяемое по диаметру над клином);

8) число витков катушки wк = 1100.

Для уменьшения числа параметров оптимизации p и q фиксируются. Оптимизация проводится для различных сочетаний p и q.

При оптимизации в качестве постоянных параметров выбираются: воздушный зазор (минимальный – 1 мм), относительная ширина открытия паза, высота клина, угловая ширина магнита, технологический коэффициент заполнения паза медью, коэффициент заполнения сталью сердечников, свойства ПМ и пр. Постоянные параметры геометрии двигателя, а также свойства материалов могут быть взяты произвольно. При необходимости их можно менять в ходе оптимизации машины.

В настоящей работе использовался алгоритм решения оптимизационной задачи, основанный на нелинейном программировании с помощью метода обобщенного приведенного градиента, входящего в MS Excel. Этот алгоритм встроен в автоматизированную программу оптимизации ТВД, реализованную также в MS Excel в виде рабочей книги и программирования на языке VBA. Блок схема разработанного алгоритма представлена на рис. 5.

На первом этапе вводятся ограничения (критерии) и постоянные параметры оптимизации. Затем произвольно задаются начальные значения переменных параметров в пределах заданных диапазонов. Далее выполняется оптимизация двигателя с тяговой характеристикой в качестве функции цели.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»