Диссертация (Анализ и оптимизация вентильного электродвигателя для высокодинамичного электропривода)

2СОДЕРЖАНИЕЛистСПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ5ВВЕДЕНИЕ7ГЛАВА1.МАТЕМАТИЧЕСКАЯЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМОДЕЛЬВЕНТИЛЬНОГОПОСТОЯННОГОТОКАДЛЯСПЕЦИАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА181.1 Анализ требований ТЗ и определение полезной мощности,требуемойдляобеспеченияэнергетическихидинамическихпоказателей специального электропривода заданных по ТЗ181.2 Классификация вентильных электродвигателей постоянного тока иопределение объекта исследования201.3 Выбор конструкции вентильного электродвигателя и конструкциидатчикаположенияроторавентильногоэлектродвигателядляспециального электропривода231.4 Выбор магнитных материалов331.5Алгоритмоптимальногопроектированиявентильногоэлектродвигателя для специального электропривода381.6 Аналитический расчет вентильного электродвигателя по методике,основанной на схеме замещения46Выводы к главе 169ГЛАВА2.ОПТИМИЗАЦИЯЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯВЕНТИЛЬНОГОПОСТОЯННОГОТОКАДЛЯСПЕЦИАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМСОВРЕМЕННОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ712.1 Постановка задачи оптимизации712.2Выборкритериевоптимальностидляэлектродвигателя для специального электроприводавентильного7532.3 Выбор метода оптимизации2.4Решениеоптимизационной78задачиспомощьюметодовнелинейного программирования или с помощью генетическогоалгоритма822.5 Сравнение методов нелинейного программирования (градиентногометода в сочетании с методом динамического программирования) игенетического алгоритма129Выводы к главе 2132ГЛАВА 3.

АНАЛИЗ ВЕНТИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ СИСПОЛЬЗОВАНИЕМСОВРЕМЕННОГОПРОГРАММНОГООБЕСПЕЧЕНИЯ3.1134Моделированиеэлектромагнитногополявентильногоэлектродвигателя1343.2 Способы анализа динамических показателей ВДПТ и СП1483.3 Имитационное моделирование вентильного электродвигателя всоставе специального электропривода1583.4 Тепловой расчет вентильного электродвигателя165Выводы к главе 3167168ГЛАВА4.ПРАКТИЧЕСКАЯРЕАЛИЗАЦИЯИЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ4.1 Энергетические и массогабаритные показатели исследуемыхвентильных электродвигателей4.2 Экспериментальные исследования переходных процессовВыводы к главе 4177ЗАКЛЮЧЕНИЕ1784СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ181Приложение А Акт об использовании результатов кандидатскойдиссертации руководителя проекта ОАО «ЛЕПСЕ»Ишутинова Вячеслава Владимировича«АНАЛИЗИЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯОПТИМИЗАЦИЯДЛЯВЕНТИЛЬНОГОВЫСОКОДИНАМИЧНОГОЭЛЕКТРОПРИВОДА»Приложение Б Результаты оптимизационного расчетаПриложение В Отношение магнитных индукций в ВДПТ ОАО«ЛЕПСЕ»Приложение Г Варианты МС роторовПриложение Д Характеристики магнитных материаловПриложение Е Результаты расчета интегральной функции цели приразличных вариантах настроек ГАПатент на полезную модель5СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙАФЧХ – амплитудофазочастотные характеристикиВД – вентильный электродвигательВДПТ – вентильный электродвигатель постоянного токаГА – генетический алгоритмДБМ – электродвигатель бесконтактный моментныйДБУ – электродвигатель бесконтактный управляемыйДПР – датчик положения ротораДПТПМ – электродвигатель постоянного тока с постоянными магнитамиКПД – коэффициент полезного действияМДС – магнитодвижущая силаМКР – метод конечных разностейМКЭ – метод конечных элементовМНП – методы нелинейного программированияМПЭ – метод планирования экспериментаМС – магнитная системаНИР – научно-исследовательская работаОКР – опытно-конструкторская работаПМ – постоянный магнитПММС – прецизионный магнитно-мягкий сплавПО – программное обеспечениеРЗМ – редкоземельные элементыСП – специальный высокодинамичный электроприводСМ – синхронная машинаТЗ – техническое заданиеХХ – холостой ходШВП – шариковинтовая параЭД – электродвигательЭДС – электродвижущая сила6ЭМ – электрическая машинаЭП – электроприводЭС – электротехническая сталь7ВВЕДЕНИЕВ настоящее время дляэлектромашиностроительных предприятийпредъявляются качественно новые высокие требования в области созданияспециальных высокодинамичных электроприводов (СП).Одним из возможных путей решения этой проблемы является разработкаэлектродвигателей (ЭД) (и на их базе электроприводов (ЭП)), обеспечивающихширокий диапазон частоты вращения, хорошие регулировочные свойства,высокие энергетические и динамические показатели при малых габаритах имассе и высокой надежности.Коллекторные машины постоянного тока, используемые в регулируемомЭП,достиглирегулировочнойвысокоготехническогоспособностью,уровнявысокимииобладаютдинамическимихорошейпоказателями,достаточно высоким значением коэффициента полезного действия (КПД), вособенности, двигатели постоянного тока (ДПТПМ) с возбуждением отредкоземельныхтехнологичностью(РЗМ)впостоянныхизготовлении.магнитовБлагодаря(ПМ),этимпростотойипреимуществам,коллекторные машины до сих пор с успехом применяются в различныхэлектроприводах, в том числе СП [107].Однако целый ряд исследований свидетельствует о том, что коллекторныемашины постоянного тока в настоящее время достигли своих предельныхпараметров [76,61,42].Для ЭМ общепромышленного применения это связано с болееинтенсивным износом щеток и увеличенным значением реактивной ЭДС навысоких частотах вращения.Для специальных машин тяговых или автономных ЭП - сограничением полезной мощности, низкими массогабаритными показателями,и что наиболее важно для высокодинамичных ЭП - высоким моментоминерции вращающихся частей.

Также возникают проблемы с коммутацией вусловиях пониженного давления и высокой влажности воздуха, в особенности,в переходных режимах, что также приводит к повышенному износу щеток.8Поискзамены(микромашинам,коллекторныммашинаммалойиЭМспециальногосреднейназначениямощности)обусловленследующими факторами.Во-первых, прогрессом полупроводниковой техники.

В настоящеевремя созданы достаточно мощные полевые транзисторы (напряжением стокисток до 1200 В и длительным током до 75 А) и биполярные транзисторы сизолированным затвором (напряжением до 1700 В и длительным током до 45 А)[120,124]. Также в настоящее время созданы отечественные микроконтроллерыс достаточно высокими характеристиками [124].

Применение в качествекоммутируемых элементов вышеуказанных ключей позволяет значительноувеличитьпредельныемощности,повыситьнадежностьиуменьшитьэксплуатационные затраты, а применение вышеуказанных микроконтроллеровпозволяет увеличить диапазон и максимальную величину частоты вращения, атакже реализовать сложные алгоритмы управления.Во-вторых, в настоящее время развивается промышленное изготовлениеПМ с высокими энергетическими показателями. Такие ПМ позволяютсоздавать в малых объемах большой магнитный поток, позволяя значительноповысить предельные мощности ЭМ [11, 116, 117].В-третьих, совершенствуется и внедряется новое ПО [121, 98, 30, 50].ТакоеПОпозволяетмоделирование,расчетывыполнятьиматематическоепроектированиелюбыхиимитационноеэлектротехническихустройств, в том числе ЭМ и систем управления к ним с учетом взаимноговлияния электромагнитных и тепловых процессов, а также системы управлениядруг на друга.

Благодаря этим трем факторам, вышеперечисленные проблемы,возникающие при разработке специальных машин, успешно решаются путемсоздания ВДПТ с ПМ.Начало исследований по созданию ВДПТ в нашей стране связано сименами О. Г. Вегнера, Б. Н Тименева. В 60-е годы в связи с успехами вобласти полупроводниковой техники ВДПТ был впервые реализован как новыйкласс ЭД.9Большой 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, Н. 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. Терзян, Д.А. Аветисян, В. Ф. Горягин, К. С.

Демирчан, Е. М. Лопухина, Г. А. Семенчуков.[1,2,34,36,37,82]. Также стоит отметить вклад в развитие методов оптимальногопроектирования таких ученых как Ю. Б. Казакова, Ю. В. Герасимова, А. И.Тихонова, А. И. Новикова. Методы оптимального проектирования вентильныхмашин с аксиальным магнитным потоком содержатся в трудах С. А. Ганджи[29].Методы математического моделирования переходных процессов ЭМсодержатся в трудах Г. А. Сипайлова, А. А. Горева, И.

М. Постникова, А. И.Вольдека, В.Е. Высоцкого [27,75].В развитие методов моделирования электромагнитных полей большойвклад внесли В. А. Апсит, Г. А. Гринберг, Я. Б. Данилевич, В. В. Домбровский,К. С. Демирчан, А. В. Иванов-Смоленский, А. А. Терзян [8, 36, 37].Общую теорию расчета ЭМ развивают А. В.

Иванов-Смоленский, С. В.Иваницкий, Н. И. Пашков, В. Я Беспалов [47, 18].А. И. Бертинов, Балагуров В.А., Поспелов Л.И. внесли большой вклад вразвитиетеорииэлектрическихмашинавиационногоиспециальногоисполнения [10, 16,17].Известно большое количество зарубежных разработок в областивентильных электродвигателей и электроприводов [100-102]. Несмотря набольшоеколичествоработподаннойтемевпоследние25лет[70,3,104,29,72,33,42,43,72,32,41,61,6,9,26,27,39,57,87], необходимо отметить,что в нашей стране только в последние 10-12 лет, благодаря своимпреимуществам, ВДПТ с возбуждением от РЗМ ПМ наконец начинаютнаходить широкое применение в различных ЭП и начинают вытеснятьколлекторныемашины.Наиболееяркимиреальнымипримерами10применения электроприводов на базе ВД в последние 10 лет являютсяследующие: авиация [85, 26, 29], робототехника [71, 72], морская техника [33],электроэнергетика [29], космические аппараты [32], техника межвидовогоназначения [6,29,66], железнодорожная техника [42,43], станкостроение [3],автомобилестроение [104].Специальный высокодинамичный электропривод представляет собойэлектроприводпоступательногодействия,которыйсостоитизмеханической, электромеханической и электронной частей.

Механическаячастьпредставляетсобойшариковинтовуюпаруиредуктор,электромеханическая часть представляет собой ВДПТ с возбуждением от ПМ сДПР, электронная часть представляет собой блок управления и контроля.Источником питания данной системы является аккумуляторная батарея. На рис.1 изображена структурная схема СП.Рис.